南方紅豆杉假種皮的發(fā)育式樣及生長模型研究

肖海靜，曹贛財，吳少東，裘利洪，張文根

（江西農(nóng)業(yè)大學 林學院/野生動植物保護與利用研究中心，江西 南昌 330045）

【研究意義】南方紅豆杉（Taxus wallichianaZucc.var.mairei（Lemee &H.Léveillé）L.K.Fu &Nan Li），為紅豆杉科（Taxaceae）紅豆杉屬（TaxusL.）常綠樹種，屬國家一級重點保護野生植物。南方紅豆杉的葉、皮、根可提取具有抗癌作用的紫杉醇等生物原料[1]；其木材結構堅實耐腐，可用于水利工程、建筑家具等行業(yè)[2]；其樹形優(yōu)美，四季常青，假種皮成熟肉質紅色，鮮艷飽滿，是具有較高觀賞價值的園林綠化樹種[3]；而且，假種皮含有較高的可溶性糖、維生素C、礦物質元素等營養(yǎng)成分，可鮮食或泡制果酒，也可曬干制成果脯[2,4]。因此，南方紅豆杉是我國特有的集藥用、材用、觀賞和食用于一身的珍稀樹種[5]，其假種皮可食、可賞，亦可藥用，開發(fā)潛力巨大?！厩叭搜芯窟M展】發(fā)育式樣是植物發(fā)育研究的重要內容，如極性生長[6-8]、生殖發(fā)育[9-10]、向心發(fā)育[11-12]、異面發(fā)育[13-15]等。滯后發(fā)育是一種待深入研究的發(fā)育式樣，常見于花瓣的發(fā)育[16]。生長模型是以系統(tǒng)分析和數(shù)學模擬來定量描述生物的生長和發(fā)育以及形態(tài)建成過程，反映生物內外環(huán)境對生長發(fā)育的影響[17-18]，是植物果實發(fā)育研究的重要內容和手段，已在蘋果（Malus pumila）[19-20]、楊梅（Myrica rubra）[21]、核桃（Juglans regia）[22]、龍眼（Dimocarpus longan）[23]、中華獼猴桃（Actinidia chinensis）[24-25]、火龍果（Hylocereus undatus）[26]等果樹中開展了相關研究。目前，南方紅豆杉大（?。╂咦影l(fā)生、雌（雄）配子體發(fā)育、遺傳多樣性、假種皮色素及營養(yǎng)成分等方面的研究已經(jīng)比較深入[4,27-30]。其假種皮的發(fā)生始于授粉后，7月底至8月下旬，胚珠基部的分生組織細胞經(jīng)過一系列有絲分裂后，形成杯狀假種皮[27]?！颈狙芯壳腥朦c】本研究首次對南方紅豆杉假種皮的生長發(fā)育樣式進行分析研究，利用多項式擬合建立生長模型，并對假種皮各生長指標之間進行相關性分析，以探討假種皮的生長發(fā)育規(guī)律，為制定其球果高產(chǎn)、高質管理措施提供參考依據(jù)，并對觀賞型南方紅豆杉的開發(fā)利用提供借鑒?！緮M解決的關鍵問題】南方紅豆杉假種皮的滯后發(fā)育現(xiàn)象及生長模型研究未見報道，通過定量描述南方紅豆杉假種皮的生長發(fā)育過程，分析南方紅豆杉假種皮的滯后發(fā)育現(xiàn)象，建立假種皮的動態(tài)發(fā)育曲線和數(shù)學模型，為其開發(fā)利用奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究以江西農(nóng)業(yè)大學校園內生長優(yōu)良且無病蟲害的南方紅豆杉為材料。江西南昌屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)（28°45′N，115°49′E），年平均溫度17～17.7 ℃，年平均相對濕度為78.5%，年日照時間1 723～1 820 h，常年降水量1 600～1 700 mm，適宜南方紅豆杉的生長。

1.2 試驗方法

根據(jù)南方紅豆杉假種皮的生長發(fā)育特點[27]，數(shù)據(jù)采集詳情如下：

（1）于2021 年8 月25 日進行首次取樣，之后每隔約10 d（09—05，09—15，09—25，10—05，10—15，10—25，11—05，11—15，11—25）取樣，直至12月假種皮完全成熟，共取樣10次；

（2）每次取樣收集30 顆生長良好的球果，觀察、拍照和測量，采用手持式色差儀SC-10 進行色值測定，并用游標卡尺測量球果和假種皮的長、寬、厚。

色值測定在光源C/8°條件下，按CIE表色系統(tǒng)測定假種皮的顏色，每球果測量3次，記錄假種皮明度（L*）、紅綠值（a*）和黃藍值（b*），并計算色澤比（h）、色相角（h*）和彩度（C*），參照李玉闊等[31]和孟蕊[32]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理和作圖，計算平均值、標準差、色澤比、色相角和彩度等；采用Origin 2018繪制假種皮生長發(fā)育各指標的生長動態(tài)曲線[21]；采用SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)的單因素方差分析，差異顯著性檢驗用最小顯著性差異法（least-significant difference，LSD），顯著性水平設為0.05[33]；采用SPSS 25.0軟件多項式回歸的方法，建立南方紅豆杉假種皮的生長模型，并分析各指標間的相關性[21]。

2 結果與分析

2.1 假種皮的滯后發(fā)育式樣

從授粉結束至8月25日約120 d的時間內，假種皮的生長發(fā)育是極為緩慢的，遠滯后于種子（圖1A）。9月15日，假種皮的生長速度仍然緩慢（圖1B～C），這種滯后發(fā)育式樣直至九月中下旬才有所緩解。9月25日到11月15日，假種皮生長發(fā)育加快，厚度明顯增加，其長和厚的生長速率為0.094 mm/d和0.027 mm/d，而種子的生長速率僅0.004 mm/d，此時種子已發(fā)育形成種皮、胚乳和胚（圖1D～I）。從11月5日到11月25日，假種皮顏色由綠變紅，逐漸發(fā)育成熟，并包裹種子（圖1I～J）。由此可見，南方紅豆杉假種皮的發(fā)育屬于比較典型的滯后發(fā)育式樣。

球果長寬數(shù)據(jù)分析表明：11 月10 日，假種皮快速生長，超過種子長度（圖2A）；10 月10 日，假種皮寬度超過種子寬度，即假種皮寬超過種子的最寬部位（圖2B）；種子的生長主要完成在9 月15 日之前，而假種皮的快速生長始于9月15日之后（圖2）。

圖2 南方紅豆杉假種皮與種子的生長曲線Fig.2 Growth curve of cone aril and seed in Taxus wallichiana var.mairei

2.2 假種皮的生長發(fā)育動態(tài)

2.2.1 假種皮的基本結構動態(tài) 在整個發(fā)育過程中，假種皮的長、寬和厚的變化表現(xiàn)出相對的一致性，且長、寬、厚的積累生長量始終保持長＞寬＞厚的生長特點（圖3A～D）。9月15日前，假種皮長的生長較為緩慢，凈生長量相對較?。?月15日之后，假種皮長的生長明顯加快，凈生長量在10月和11月明顯增加，且在11月15日達到凈生長量高峰，平均日增長量為0.073 mm；11月20日后，假種皮成熟，假種皮長生長趨于緩和，凈生長量降低（圖3A，3D）。由圖3B 和3C 可知，9 月15 日之前，假種皮寬和厚生長較為緩慢，之后寬和厚均快速生長，在11 月15 日達到凈生長量高峰；假種皮長、寬和厚都出現(xiàn)了兩次高峰，并且凈生長量的變化趨勢基本一致。

圖3 南方紅豆杉假種皮生長動態(tài)曲線Fig.3 Growth dynamic curve of Taxus wallichiana var.mairei aril

凈生長量分析表明：在9 月15 日前，假種皮長的生長量之間差異不明顯，與其他生長時期均具有顯著性差異，且11月15日的凈生長量與其它生長時期均具有顯著性差異；假種皮寬的生長量在9月15日、11 月5 日和11 月15 日之間差異不明顯，且與其它生長時期均具有顯著性差異；假種皮厚的生長量與假種皮寬的生長量基本一致（圖3D）。由此說明，假種皮長在11 月中旬左右達到凈生長量最高峰；假種皮寬和厚在9月中旬、11月中上旬生長速度快，且在9月下旬或10月上旬和11月中上旬左右均達到凈生長量高峰。

以假種皮發(fā)育天數(shù)為橫坐標，以定期觀測的假種皮長、寬、厚的平均值為縱坐標，擬合南方紅豆杉假種皮長、寬、厚的生長發(fā)育動態(tài)曲線（圖4A～C）。由圖可知，南方紅豆杉假種皮的生長指標發(fā)育基本一致，總體呈“慢-快-慢”的生長趨勢；且生長發(fā)育過程中有2個明顯的高峰，近似雙S形曲線（圖4A～C）。

圖4 南方紅豆杉假種皮的生長發(fā)育動態(tài)擬合曲線Fig.4 Dynamic fitting curve of aril growth in Taxus wallichiana var.mairei

南方紅豆杉假種皮的長、寬和厚生長量動態(tài)基本上表現(xiàn)出一致的變化趨勢，可劃分為明顯的3 個時期，即緩慢增長期、快速增長期、緩慢增長期。其中在9月15日前為假種皮的緩慢增長期；9月15 日至11月20 日，為快速增長期；11 月15 日之后，假種皮長、寬、厚不再明顯增長，此時假種皮的顏色逐漸變紅。

2.2.2 假種皮的顏值動態(tài) 從圖4 可知，假種皮顏色轉紅前的70 d 內（即11 月15 日之前），L*值逐漸降低；轉紅后，有小幅度增加，之后基本保持穩(wěn)定（圖4D）。a*值始終不斷增加，并且由負值增長為正值，即假種皮顏色由綠色變?yōu)榧t色；后期a*值迅速上升，可能是受到花青苷含量上升的影響（圖4E）。b*值與L*值的變化趨勢相反，假種皮偏黃度先增加后降低（圖4F）。由此可見，在整個生長發(fā)育過程中，假種皮色澤先變暗后變亮，顏色由綠變紅。

果實色澤是各種單色的綜合表現(xiàn)，單一顏色不足以代表果實的真正色澤，為此本研究用h、h*、C*3個指標綜合表示果實的真實色澤[21]。由（圖4G～I）可知，h值呈快-慢-快的“S”型曲線增加，假種皮發(fā)育60 d 時（10 月15 日），h由負值（-0.144 9）變?yōu)檎担?.076 3），后期不斷增加直至假種皮成熟（圖4G）；h*值與h值的變化趨勢正好相反，呈快-慢-快的“S”型曲線降低，80 d 之后（11 月15 日），h*＜50°，隨著h*的降低，紅色加深（圖4H）；C*整體呈現(xiàn)不斷增加的趨勢（圖4I）。h值與h*值的變化說明假種皮的顏色由綠變紅，C*不斷增加的趨勢，表明假種皮的顏色越來越鮮艷。

2.3 假種皮的生長模型

2.3.1 數(shù)學模型的建立 生長模型的建立，可以更科學地預測和掌握假種皮在不同時期的發(fā)育水平，反映假種皮的生長發(fā)育規(guī)律，為假種皮的開發(fā)利用提供理論依據(jù)[20]。表1為南方紅豆杉假種皮發(fā)育天數(shù)與長、寬、厚、明度（L*）、紅綠值（a*）和黃藍值（b*），色澤比（h）、色相角（h*）和彩度（C*）9個指標間的關系方程式。多項回歸模型擬合曲線的相關系數(shù)（R2）范圍在0.766～0.979，經(jīng)F檢驗均達顯著水平（P＜0.05），除b*和C*的方程擬合程度達顯著水平（P＜0.05）外，其他方程擬合程度達極顯著水平（P＜0.01），相關系數(shù)越大表示擬合程度越好，說明這些擬合方程能較好地描述假種皮的生長發(fā)育動態(tài)[21,23]。各指標的擬合方程均為三次多項式方程，其中長、寬、厚、L*、a*、h、h*和C*的統(tǒng)計量F值分別為3 631.27、1 255.05、939.49、31.47、92.76、42.39、43.59，對應的概率值P均為0.000 1，表明擬合方程與試驗數(shù)據(jù)呈極顯著相關；b*和C*統(tǒng)計量F值分別為6.56和7.41，對應的概率值P為0.025 0和0.019 0，表明擬合方程與試驗數(shù)據(jù)呈顯著相關。由此可見，各擬合方程可較好地預測南方紅豆杉假種皮的生長發(fā)育動態(tài)；擬合方程的擬合程度越高，其決定系數(shù)（R2）就越大，其吻合度排序為：a*＞長＞h*＞h＞L*＞寬＞厚＞C*＞b*。

表1 南方紅豆杉假種皮生長發(fā)育指標（y）與發(fā)育天數(shù)（x）的關系Tab.1 Relationship between aril growth index（y）and development days（x）of Taxus wallichiana var.mairei

2.3.2 累積模型的建立 物質的累積速度（即單位時間內的物質積累量）可以反映在不同發(fā)育時期假種皮物質積累的快慢程度。對南方紅豆杉假種皮物質累積量與發(fā)育天數(shù)的最優(yōu)多項式關系方程進行求導，得到假種皮物質積累速度與發(fā)育天數(shù)的關系方程[23]（表2）。由表2 可知，假種皮長、寬和厚兩個指標的累積速度方程為二次方程，二次項系數(shù)為負值，說明曲線為開口向下的拋物線，即假種皮的生長發(fā)育過程較復雜。

表2 南方紅豆杉假種皮生長指標累積速度方程Tab.2 Equation of accumulation rate of aril growth index of Taxus wallichiana var.mairei

2.4 性狀相關性分析

在南方紅豆杉假種皮的發(fā)育過程中，各個指標之間的相關性見表3。假種皮的長、寬、厚、a*、h、C*兩兩之間均呈正相關，且兩兩之間的相關關系均達極顯著正相關（P＜0.01），表明南方紅豆杉假種皮的這些指標間相關程度較大；L*與長、寬、厚、a*、b*、h、h*和C*之間為極顯著負相關，相關系數(shù)均小于0.397，表明隨著假種皮的生長，假種皮的色澤呈變暗的趨勢；b*與長、寬、厚、a*、h和C*之間為極顯著正相關，h*與長、寬、厚、a*、h和C*之間為極顯著正相關，b*與h*之間無顯著相關性。除b*與h*之間無顯著相關性之外，假種皮的各項指標間的相關程度較高，并且隨著假種皮的生長，假種皮的顏色由綠轉為紅，且顏色越來越鮮艷。

表3 南方紅豆杉假種皮各指標間的相關性分析Tab.4 Correlation analysis of different indexes in the aril of Taxus wallichiana var.mairei

3 討論

假種皮是一類獨立于種子的特殊結構。裸子植物羅漢松科（Podocarpaceae）、買麻藤科（Gnetaceae）以及紅豆杉科等部分植物的種子常常為假種皮所全部或部分包被，球果呈核果狀、堅果狀或漿果狀[5]。紅豆杉屬植物的球果從外到內由苞片、假種皮和種子3 部分組成（圖5），假種皮不僅具有保護種子的作用，而且可以作為食物，吸引動物采食促進種子傳播。值得注意的是，被子植物荔枝屬（Litchi）[34-36]、南蛇藤屬（Celastrus）[37]以及衛(wèi)矛屬（Euonymus）[38]等植物也具有假種皮，且都存在滯后發(fā)育的現(xiàn)象。

圖5 南方紅豆杉假種皮的發(fā)育過程Fig.5 Schematic diagram of cone aril growth in Taxus wallichiana var.mairei

滯后發(fā)育是一種特別的發(fā)育式樣。李建國等[34-35]和邱云霞等[36]對具假種皮的荔枝提出“球皮對球膽效應”以及“先長皮后長肉”的概念；在龍眼果實生長發(fā)育過程中，有研究表明假種皮的生長落后于果皮和種子的生長[39-40]，即果皮和種子先長，“果肉”滯后發(fā)育。根據(jù)陳霞等[41]的初步統(tǒng)計，裸子植物約5 科和被子植物約26科植物具假種皮，它們的來源、特征、分布、生態(tài)學意義等各不相同，目前對其生長發(fā)育特征的研究也較少。因此假種皮的滯后發(fā)育式樣有可能是一種普遍存在的為保護種子而進化的特殊式樣，有待進一步研究驗證。

生長模型是植物果實發(fā)育研究的重要內容和手段，是制定高效優(yōu)質栽培技術的前提。南方紅豆杉假種皮的生長模型可以看出生長總體呈“慢-快-慢”的變化趨勢，近似雙“S”形曲線，生長指標兩兩之間均呈正相關，且相關性均達極顯著正相關，這與蘋果[19-20]、龍眼[23]、中華獼猴桃[24-25]等果實增長模型相同；成熟南方紅豆杉假種皮高度肉質化，呈鮮艷紅色，味甘甜，其假種皮富含8種人體必需的氨基酸，具有較高的營養(yǎng)價值，而且還含有紫杉醇功能成分[5]，使它兼具重要的醫(yī)療保健價值；因此，對南方紅豆杉假種皮的生長發(fā)育規(guī)律的研究可作為制定其球果高產(chǎn)、高質管理措施的參考依據(jù)，并對其球果的采收與管理有重要意義。但是數(shù)學模型是在具體年份和一定條件下建立的，而果實的生長發(fā)育受品種、土壤、天氣條件等因子的影響，模型的通用性需要進一步研究，因此利用包含生態(tài)因子的廣義生長方程建立通用性更廣、機理性更強的果實生長模型是今后工作的重點方向[42]。

果實顏色是影響其品質的重要因素，也是觀賞植物的重要性狀之一[43]。本研究發(fā)現(xiàn)，L*與長、寬、厚、a*、b*、h、h*和C*之間為極顯著負相關，即隨著假種皮的生長，假種皮的色澤呈變暗的趨勢，但總體上假種皮的色澤呈由暗變亮，由綠變紅，且在11月中下旬紅綠值最大，假種皮鮮紅美麗達到最佳觀賞期，這與桃（Prunus persica）[44]、楊梅[21]等果實顏色變化規(guī)律類似，假種皮顏值的生長模型研究為觀賞型南方紅豆杉的開發(fā)利用提供借鑒。尤其是現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)橙色、黃色、橙黃色等其他顏色假種皮的南方紅豆杉，因植株采樣困難，受成本、時間的影響無法對其進行系統(tǒng)的發(fā)育研究，而通過對紅色假種皮南方紅豆杉的生長規(guī)律研究對明確其他顏色假種皮南方紅豆杉的生長規(guī)律有著重要的意義，同時對豐富園林觀果植物的種類和假種皮觀賞價值的提高提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

4 結論

本文通過對南方紅豆杉假種皮的生長、色值變化規(guī)律以及相關性研究，揭示了假種皮的滯后發(fā)育式樣，建立了假種皮生長模型。南方紅豆杉假種皮的發(fā)育明顯滯后于種子的發(fā)育，屬于典型的滯后發(fā)育式樣；在整個發(fā)育過程中，假種皮的長、寬和厚的變化表現(xiàn)出相對的一致性，總體呈“慢-快-慢”的生長趨勢；且生長發(fā)育過程中有2個明顯的高峰，近似雙S形曲線；假種皮積累生長量始終保持長＞寬＞厚的生長特點，各生長指標在9月中旬、11月上旬和11月中旬生長速度快，長在11月中旬左右達到凈生長量最高峰，寬和厚在9月中旬和11月中旬均達到凈生長量高峰；假種皮的色澤由暗變亮，由綠變紅，且顏色越來越鮮艷。假種皮的各項指標與發(fā)育天數(shù)之間存在明顯的多項式回歸關系，生長模型符合三項式方程。除b*與h*之間無顯著相關性之外，假種皮各項指標間的相關程度較高。本研究結果基于生長指標和顏色變化對南方紅豆杉假種皮進行模擬和預測果實發(fā)育奠定了理論基礎。