熱帶海草海菖蒲果實(shí)、種子形態(tài)及幼苗生長特征

蔡嘉麗, 史云峰, 李照陽, 趙牧秋, 羅慧玨, 史志強(qiáng), 韓秋影

(1.海南熱帶海洋學(xué)院崖州灣創(chuàng)新研究院, 海南 三亞 572022;2.海南省現(xiàn)代化海洋牧場工程研究中心, 海南 三亞 572022;3.海南省近岸海洋生態(tài)環(huán)境過程與碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 三亞 572022)

海草是生長在溫帶與熱帶海洋沿岸的單子葉植物,成片分布的海草形成海草床[1]。海草床作為海岸帶天然生態(tài)屏障,在紅樹林與珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)之間起著紐帶作用,能促進(jìn)海洋元素循環(huán),凈化水質(zhì)并穩(wěn)固海床,為多種海洋生物提供產(chǎn)卵、索餌等重要生境[2],每年可為全球提供近2萬億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。然而20世紀(jì)以來,由于全球氣候變化和人為干擾的影響,海草床正在以前所未有的速率退化和縮減[4]。因此,加強(qiáng)針對(duì)海草的研究并開展海草床的保護(hù)和恢復(fù)已刻不容緩。

海菖蒲(Enhalusacoroides)是一種水鱉科海草,雌雄異株,可通過水媒傳粉,主要分布于印度洋和西太平洋區(qū)域[5]。海菖蒲于七千多萬年前由陸地被子植物進(jìn)化而來,并在幾百萬年前重新進(jìn)入海洋并形成一套對(duì)海洋環(huán)境特有的適應(yīng)策略[6],如帶狀的葉片結(jié)構(gòu)、特殊的光能利用模式、可漂浮的絲狀花粉、豐富的單寧細(xì)胞、較強(qiáng)的化感作用等[7]。與其他海草一樣,海菖蒲主要通過根狀莖進(jìn)行無性克隆生長,其根狀莖節(jié)間長很短,僅為5 mm,水平擴(kuò)張速率緩慢,每年僅0.9～5.0 cm[8]。Jover等[9]研究表明,有性繁殖在維持海草種群的遺傳多樣性方面起著重要作用。但由于海菖蒲成功的有性繁殖較為罕見,且其頻率和強(qiáng)度都不可預(yù)測[10],迄今為止,人們對(duì)海菖蒲果實(shí)、種子和幼苗的形態(tài)特征及其生態(tài)適應(yīng)意義知之甚少。在我國海菖蒲主要分布于海南陵水、瓊海和文昌沿岸海域[11],這些分布區(qū)域的底質(zhì)類型差異顯著,陵水海草床的底質(zhì)為潟湖沿岸沖積形成的細(xì)砂質(zhì)硅酸鹽,而瓊海和文昌海草床底質(zhì)則為珊瑚礁坪向陸側(cè)的鈣質(zhì)珊瑚砂[12]。不同類型底質(zhì)由于具有不同的有機(jī)質(zhì)含量和氧化還原電位,可能會(huì)對(duì)海草的有性繁殖產(chǎn)生重要影響。但截至目前,有關(guān)不同底質(zhì)類型對(duì)海菖蒲種子萌發(fā)和幼苗生長影響的研究鮮少報(bào)道。

鑒于此,本研究擬探討熱帶海草海菖蒲果實(shí)、種子和幼苗的形態(tài)特征及其生態(tài)適應(yīng)意義,同時(shí)探索底質(zhì)類型對(duì)海菖蒲種子萌發(fā)和幼苗生長的影響,以期為深入剖析海菖蒲有性繁殖策略以及應(yīng)用種苗法修復(fù)海菖蒲草床提供參考。

1 材料與方法

1.1 果實(shí)采集

成熟的海菖蒲果實(shí)于2021年12月采自海南省陵水縣黎安潟湖南側(cè)海草分布區(qū)(18°24′46′ N,110°03′18′ E),用海水清洗果實(shí)表面雜質(zhì)和附著物后放入裝有原位海水的泡沫箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 果實(shí)形態(tài)特征觀測

觀察海菖蒲果實(shí)形態(tài),分別測定其直徑(取最寬處)和高。用吸水紙吸除果皮上殘留的海水并稱重(記為m果實(shí)),然后用鋼針刺入果實(shí)柄端,將果實(shí)全部壓入盛有一定體積(V0)海水的量筒中,并讀取壓入后液面位置(V1),由公式ρ果實(shí)=m果實(shí)/(V1-V0)計(jì)算果實(shí)密度[13]。

將果實(shí)放入裝有海水的燒杯中,觀察并記錄其自頂部裂開并釋放種子的過程。待48 h內(nèi)果實(shí)全部自然開裂后,將果皮取出并分別測定其含水率和碳(C)、氮(N)含量(Elementar,vario EL cube,德國)。

1.3 種子形態(tài)特征觀測

觀察海菖蒲種子形態(tài),分別測定其直徑(取最寬處)和高。隨機(jī)選擇3～5粒種子為1組,用1.2的方法測定該組種子的平均密度ρ種子。

將1粒種子貼近水面輕輕放入1 L海水的量筒(水柱長度記為L水柱)中,記錄種子下沉姿態(tài)及用時(shí)(記為t),由公式V下沉=L水柱/t計(jì)算種子下沉速率。

1.4 底質(zhì)類型對(duì)海菖蒲種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

試驗(yàn)用鈣質(zhì)沉積物取自海南省三亞市情人灣(18°13′10″N,109°29′20″E),風(fēng)干后過2 mm篩備用,其碳酸鹽含量為76.4%,粒徑中值為378 μm。硅質(zhì)沉積物取自海南省三亞市鐵爐港(18°15′39″N,109°40′58″E),用1 mol/L鹽酸浸泡過夜去除其中的碳酸鈣,多次清洗至近中性,風(fēng)干后過2 mm篩備用,其碳酸鹽含量為0,粒徑中值為270 μm。

分別取兩種不同類型沉積物作為底質(zhì),平鋪在水族箱(40 cm×20 cm×15 cm)底部(厚5 cm),選取大小均勻的海菖蒲種子[直徑(1.5±0.1)cm]種入其中。播種時(shí)種子子葉端朝上,2/3埋入底質(zhì)內(nèi),然后添加海水至水面距底質(zhì)表面10 cm。每箱播種12粒種子,每種底質(zhì)處理設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)所用海水取自海南省三亞市附近海域,鹽度30～33 psu;試驗(yàn)過程中使用小型造浪泵保持水族箱內(nèi)海水緩慢流動(dòng);在培養(yǎng)期間,每3 d更換一次海水。

分別于播種后的第14、56、98、140、182天,從各箱取海菖蒲幼苗,并將其分割為葉、殘留種子和根3部分(如圖1 E),分別測定其形態(tài)指標(biāo)、重量、含水率以及C、N含量。海菖蒲幼苗根部所粘附的砂粒(如圖1 E)經(jīng)自來水沖洗后,仍不脫落的用鑷子小心全部取下,烘干并稱重作為根系粘砂量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示,應(yīng)用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖,不同底質(zhì)處理海菖蒲幼苗之間的差異顯著性采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 海菖蒲果實(shí)形態(tài)與基本生物學(xué)特征

海菖蒲植株具有被褐色纖維束包裹著的粗壯根狀莖,從根狀莖上長出很多乳白色細(xì)根;其葉呈帶狀,果實(shí)附著在螺旋狀的花梗上(圖1 A)。海菖蒲果實(shí)呈綠色,卵圓形,上端有尖狀的喙,下端有兩瓣分開的花被,果皮上有密集的突起(圖1 B)。果實(shí)直徑(41.57±5.54)mm,高(61.45±11.49)mm;果實(shí)質(zhì)量(33.11±8.92)g,其中果皮占(59±4)%,種子占(41±4)%;果實(shí)密度為(0.90±0.04)g/cm3,低于海水。在海水中,成熟的果實(shí)會(huì)從頂端的喙處裂成6～9個(gè)不規(guī)則瓣片(圖1 C),而果皮基部仍然相連。果皮含水率(87.58±1.86)%,C含量(15.48±3.25)%,N含量(0.99±0.21)%。每個(gè)果實(shí)含有3～16粒不等的種子。

注:A為帶有成熟果實(shí)的海菖蒲植株;B為海菖蒲成熟果實(shí);C為開裂后的海菖蒲果皮和種子;D為海菖蒲種子形態(tài)結(jié)構(gòu);E為海菖蒲幼苗。圖1 海菖蒲果實(shí)、種子和幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 Morphology and structure of E. acoroides fruits, seeds and seedlings

2.2 海菖蒲種子形態(tài)與基本生物學(xué)特征

海菖蒲的種子為黃綠色,呈上小下大的錐形結(jié)構(gòu),頂部為子葉和葉原基,底部為下胚軸和胚根(圖1 D)。種子直徑(14.23±1.38)mm,高(14.76±2.22)mm;質(zhì)量(1.15±0.30)g,密度(1.17±0.07)g/cm3;含水率(72.67±0.26)%;C含量(35.20±0.24)%,N含量(2.09±0.14)%。當(dāng)其剛從果實(shí)釋放到海水中時(shí),外部被一層半透明膜質(zhì)種皮所包裹,膜質(zhì)種皮與種子間充滿氣泡,導(dǎo)致種子漂浮于海水表層(圖2 A-1、2 A-2)。這層膜質(zhì)種皮一般會(huì)在24 h內(nèi)破裂并與種子本體分離,此時(shí)種子會(huì)由于密度高于海水而下沉(圖2 A-3)。下沉過程中,種子由于具有錐形結(jié)構(gòu)和不均勻的密度,總是保持子葉端向上的狀態(tài),直至沉降至水底(圖2 B 1～4)。經(jīng)測定,海菖蒲種子在海水中的沉降速率為(87.00±0.62)cm/s。

注:A-1為海菖蒲果實(shí)剛剛開裂釋放出的種子,種子被一層半透明膜質(zhì)種皮所包裹,在海水中呈漂浮狀態(tài);A-2為A-1的俯視圖; A-3為種子釋放24 h后,膜質(zhì)種皮破裂并與種子分離,種子下沉至容器底部;B-1～B-4為海菖蒲種子在水柱中的下沉狀態(tài),其下沉過程中一直保持子葉端向上的姿態(tài)。圖2 海菖蒲種子的漂浮和下沉Fig.2 Floating and sinking of E. acoroides seeds

2.3 底質(zhì)類型對(duì)海菖蒲種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

試驗(yàn)期間,播種的所有海菖蒲種子全部萌發(fā),萌發(fā)率100%。培養(yǎng)過程中,海菖蒲幼苗葉片數(shù)為4～6片,且不同底質(zhì)間沒有顯著差異(圖3 A)。培養(yǎng)前期(≤56 d),幼苗葉片生長較為緩慢且在不同底質(zhì)處理間無顯著差異;56 d后,葉片生長開始加快,并且呈現(xiàn)出硅質(zhì)底質(zhì)處理葉長和葉寬顯著高于鈣質(zhì)底質(zhì)處理的趨勢(圖3 B、C)。培養(yǎng)過程中,海菖蒲葉片含水率在74.6%～85.5%范圍內(nèi)波動(dòng)(圖3 D);C含量從培養(yǎng)前期(56 d)的30%左右降低到培養(yǎng)中后期(98～182 d)的23%以下,且在培養(yǎng)后期(182 d)鈣質(zhì)底質(zhì)處理葉片C含量顯著高于硅質(zhì)底質(zhì)處理(圖3 E);N含量從培養(yǎng)前期(56 d)的1.8%左右降低到培養(yǎng)中后期(98～182 d)的1.3%以下,且不同底質(zhì)處理間無顯著差異(圖3 F)。

注:“*”表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖3 試驗(yàn)期間海菖蒲幼苗葉片數(shù)量、形態(tài)、含水率和碳、氮含量的變化Fig.3 Changes of number, morphology, rate of water content, carbon and nitrogen content of the leaves of E. acoroides seedlings during the experiment

如圖4 A、B,試驗(yàn)過程中海菖蒲幼苗的根數(shù)逐漸增加,根逐漸增長;在培養(yǎng)開始后的前98 d,幼苗根系發(fā)育(根數(shù)和根長)在不同底質(zhì)處理間無顯著差異;培養(yǎng)后期(≥140 d)硅質(zhì)底質(zhì)處理根數(shù)和根長均顯著高于鈣質(zhì)底質(zhì)處理。試驗(yàn)期間,幼苗根系含水率在75.3%～87.9%之間,且隨培養(yǎng)時(shí)間的延長呈逐漸降低趨勢(圖4 C)。幼苗根系C含量由56 d時(shí)的32.0%～33.0%降低到140 d時(shí)的16.2%～18.8%,而后又升高到182 d時(shí)的18.4%～21.2%,且在培養(yǎng)后期(140～182 d)鈣質(zhì)底質(zhì)處理顯著高于硅質(zhì)底質(zhì)處理(圖4 D)。培養(yǎng)過程中,幼苗根系N含量從56 d時(shí)的2.1%持續(xù)降低到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的0.4%以下,且不同底質(zhì)處理間無顯著差異(圖4 E)。

圖4 試驗(yàn)期間海菖蒲幼苗根的數(shù)量、長度、含水率、碳、氮含量以及粘砂量的變化Fig.4 Changes of number, length, rate of water content, carbon and nitrogen content and sand sticking amount of the roots of E. acoroides seedlings during the experiment

圖5 試驗(yàn)期間海菖蒲殘留種子干重及碳、氮含量的變化Fig.5 Changes of dry weight, carbon and nitrogen content of the residual seeds of E. acoroides during the experiment

伴隨著海菖蒲幼苗根系的生長,在種子基部開始長出濃密的絲狀根毛(圖1 E)。這種絲狀根毛能夠粘附底質(zhì)中的細(xì)小砂粒,水沖不掉,但兩種不同底質(zhì)處理的根系粘砂量存在顯著差異(圖4 F)。在第56天,鈣質(zhì)底質(zhì)處理幼苗開始出現(xiàn)根系粘砂現(xiàn)象(0.31±0.02)g,但此時(shí)硅質(zhì)底質(zhì)處理根系尚無粘砂;培養(yǎng)的第98、140、182天,生長在鈣質(zhì)沉積物中的海草幼苗根系粘砂量分別是硅質(zhì)沉積物處理的1.9倍、5.5倍和2.6倍。

培養(yǎng)期間,海菖蒲殘留種子的干重和N含量持續(xù)降低(圖5 A、C)。從14～182 d,硅質(zhì)底質(zhì)處理殘留種子干重和N含量的平均降低速率分別為1.57 mg/d和0.059‰/d,顯著高于鈣質(zhì)底質(zhì)處理(1.09 mg/d和0.046‰/d)。試驗(yàn)過程中,不同處理殘留種子的C含量呈前期(14～56 d)下降中后期(56～182 d)穩(wěn)定的趨勢(圖5 B),且不同底質(zhì)處理間無顯著差異(p>0.05)。

3 討論與結(jié)論

為了適應(yīng)海洋環(huán)境和保持種群的遺傳多樣性,在漫長的進(jìn)化過程中,海菖蒲獲得了多樣化的有性繁殖生態(tài)策略[14]。漂浮的果實(shí)和種子隨海流向外擴(kuò)散是海菖蒲種子傳播并開拓新領(lǐng)地的重要方式,而漂浮狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間是其充分?jǐn)U散的保障[15]。本研究發(fā)現(xiàn),成熟的海菖蒲果實(shí)密度低于海水,其脫離母體后在海水中浸泡一段時(shí)間(48 h內(nèi))會(huì)自然開裂,而釋放的種子盡管密度較高(1.17±0.07)g/cm3,但被含有大量氣泡的半透明膜質(zhì)種皮所包裹,釋放后仍可保持漂浮狀態(tài),直至膜質(zhì)種皮腐爛破裂釋放氣泡后種子方可下沉。這就為種子的充分?jǐn)U散提供了時(shí)間保障。Lacap等[16]通過模型測算了不同天氣條件下海菖蒲果實(shí)和種子的擴(kuò)散距離,認(rèn)為在正常天氣條件下其散播距離在60 km左右,而臺(tái)風(fēng)期間其散播距離可達(dá)400 km。

海菖蒲種子具有上小下大的錐形結(jié)構(gòu),縱切面的顏色分布說明其頂端和基部存在明顯的質(zhì)地差異。這種結(jié)構(gòu)和質(zhì)地特征決定了海菖蒲種子在下沉過程中以及沉降到海床后總能保持直立姿態(tài)而不是隨海流而滾動(dòng),使其基部與海底底質(zhì)充分接觸,進(jìn)而確保根系的正常發(fā)育和種苗著床。海菖蒲幼苗初生根生長的同時(shí),種子基部開始長出濃密的絲狀根毛并粘附一定量的砂粒,也能夠起到增強(qiáng)幼苗對(duì)底質(zhì)的附著力,防止幼苗在波浪和海流環(huán)境中流失,提升有性繁殖成功率的作用。海草幼苗的絲狀根毛可能是由種子內(nèi)的糊粉層細(xì)胞發(fā)育而來[17]。本研究結(jié)果還表明,這種絲狀根毛更傾向于粘附鈣質(zhì)材料而非硅質(zhì)材料,原因可能是其通過分泌酸性化學(xué)物質(zhì)將其粘附在碳酸鹽砂粒的凹槽和細(xì)孔上,而這些分泌物對(duì)硅質(zhì)沉積物的主要成分不能起到溶解作用。

本研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)海菖蒲種子尚在果實(shí)內(nèi)未釋放前,其幼苗的葉片已開始萌發(fā),說明海菖蒲的有性繁殖采取無種子庫、無休眠期的胎生策略[18]。種子質(zhì)量是種子儲(chǔ)能大小的決定因素,一般小型種子能夠維持幼苗生長的能力較低,而大型種子能夠更充分保障幼苗初始生長過程所需的營養(yǎng)和能量[19]。不同種類的海草種子尺寸相差近2個(gè)數(shù)量級(jí),從喜鹽草屬(Halophila)[20]的0.2 mm到波喜蕩草屬(posidonia)[21]的20 mm不等。本研究所獲得的海菖蒲種子直徑為(14.23±1.38) mm,說明其有性繁殖傾向于“大種子”策略,這可能是由于海菖蒲生長在營養(yǎng)較為缺乏的熱帶海區(qū),其幼苗生長更多地依賴于種子的養(yǎng)分儲(chǔ)備而不是通過幼苗的光合作用[22]。該繁殖策略與另一種熱帶大型海草大洋波喜蕩草(P.oceanica)比較類似,其種子在萌發(fā)8個(gè)月后仍可為幼苗提供營養(yǎng)[23]。本研究結(jié)果也表明,在6個(gè)月的培養(yǎng)過程中,殘留種子的干重和N含量持續(xù)下降,說明種子內(nèi)部的營養(yǎng)和能量儲(chǔ)存一直支持其幼苗的生長發(fā)育。

底質(zhì)類型對(duì)海草的種子萌發(fā)和幼苗建成具有重要影響[24]。劉松林等[25]研究表明,沉積物粒徑增大會(huì)顯著降低海菖蒲幼苗的存活率和生長速率。Nugraha等[26]研究表明,海草幼苗在泥沙底質(zhì)中比在珊瑚砂底質(zhì)中生長得更快。本研究結(jié)果表明,海菖蒲幼苗在硅質(zhì)底質(zhì)中的生長速率明顯高于鈣質(zhì)底質(zhì),其原因一方面可能是硅質(zhì)沉積物較鈣質(zhì)沉積物含有更多的營養(yǎng)物質(zhì);另一方面可能是硅質(zhì)沉積物粒徑較小,質(zhì)地較為松軟,幼苗在扎根時(shí)不需要消耗太多能量,因此其根系生長速率更快并能從沉積物中吸收更多養(yǎng)分。

綜上,海菖蒲為了提高在流動(dòng)的海洋環(huán)境中的有性繁殖成功率,其果實(shí)、種子和幼苗進(jìn)化出了一系列形態(tài)和生理策略。胎生縮短了海菖蒲種苗的發(fā)育時(shí)間,大型種子為幼苗的快速生長積累了更多營養(yǎng)和能量。成熟果實(shí)密度低于海水,果實(shí)脫離植株后在海水中漂浮一段時(shí)間后開裂,由膜質(zhì)種皮包裹的種子釋放后仍呈漂浮狀態(tài),這些特征為種子的有效擴(kuò)散創(chuàng)造了條件。種子呈上小下大的錐形結(jié)構(gòu)且下重上輕,幼苗根系發(fā)育時(shí)產(chǎn)生大量能夠粘附鈣質(zhì)砂粒的絲狀根毛,這些特征保障了海洋環(huán)境中種子的穩(wěn)定和幼苗根系對(duì)底質(zhì)的有效附著。此外,研究還表明,沉積物類型不影響海菖蒲種子的萌發(fā)率;但與鈣質(zhì)沉積物相比,粒徑較小、質(zhì)地松軟的硅質(zhì)底質(zhì)更有利于海菖蒲幼苗的生長發(fā)育。