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山茶属五种稀有植物种子生物学特性研究

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《广西植物杂志》2016年第10期

摘要:

长柱红山茶、美丽红山茶、贵州红山茶、皱叶瘤果茶和小黄花茶是颇具经济价值的稀有濒危植物,局部分布于贵州高原亚地区(ⅢD10d)常绿阔叶落叶混交林中。为探索其物种濒危及种子繁殖等科学问题,本文对其种子生物学特性进行了测试研究。结果表明:(1)长柱红山茶千粒重最大(3289.70g)、发芽率最高(81.67%),贵州红山茶千粒重最小(786.33g)、发芽率最低(46.00%);(2)小黄花茶含水率最高48.85%,长柱红山茶含水率最低(39.52%);(3)长柱红山茶生活力最大(98.33%),皱叶瘤果茶生活力最小(63.33%);(4)5种供试山茶种子的千粒重与生活力、发芽率、发芽势、发芽指数呈极显著正相关(R≧0.772,P<0.01),种子生活力与发芽率和发芽势呈极显著正相关(R≧0.738,P<0.01)、与发芽指数呈显著正相关(R=0.532,P<0.05)。种皮较坚硬而不易吸水萌发,种子遭遇动物摄食和病虫侵蚀损耗而不利于种群繁衍是其物种濒危的重要原因。试验结果可为其植物资源的保护利用提供参考。

关键词:

山茶属;稀有濒危植物;种子;生物学特性;贵州高原亚地区(ⅢD10d)

山茶属植物约220余种,分布东南亚的亚热带地区,为常绿小乔木或灌木,花冠基部连生,花瓣5–12片,蒴果,种子球形或多边形,果皮角质,胚乳丰富多油质,是重要的园林和油料植物种质资源;我国产210多种,主产我国西南部及华南各省区(中国科学院《中国植物志》编委会,1982)。贵州有山茶属植物13组49种4变种,组和种(含变种)分布比例分别占世界分布的65.00%和18.92%、占中国分布的72.22%和22.23%;有20个特有种和小黄花茶1个特有组,特有种比例占37.74%(Liuetal.,2016)。贵州野生山茶中有相当数量的稀有濒危种类,且蕴藏着多种经济用途及丰富资源价值(邹天才,1999,2000;胡光平,2014)。显花植物完成受精发育而结实种子,并在适宜条件下萌发成新的植株,植物种子是其生物学特性赖以依存的基础,在植物繁育栽培、遗传育种、生物多样性保护与利用中具有不可或缺的功能作用(郑光华,2004)。20世纪80年代以来,作为植物种质资源库主体的种子保育倍受重视和得到加强,种子生命问题的探索一直活跃,顽拗型种子生物学的研究已成为国内外种子科学研究的热点。顽拗型种子不耐失水,干燥脱水易损伤,对温度敏感而易遭冷害或冻害,寿命短,不耐贮藏,多数无休眠,且萌发迅速,种子脱落后遇到适宜的环境即可直接萌发(杨期和,2006),但山茶植物种子等种皮坚硬的顽拗型种子则有休眠特性,且要求生境湿润(李磊,2016)。近年来,相关文献已报道了贵州山茶属植物的生态学特征(王君等,2010;杨乃坤等,2015;刘海燕等,2016)、资源保护及其可持续利用等(谢宇,2010;刘海燕等,2010;王爱杰等,2011;张婷等,2010),而对其稀有濒危山茶植物种子生物学特性的研究尚缺。本研究选择在贵州高原亚地区(ⅢD10d)(吴征镒等,2010)常绿阔叶落叶混交林中局部分布的长柱红山茶(周红等,1983;蓝开敏,1988)、美丽红山茶(C.delicataY.K.Li)(蓝开敏,1988;穆君,2015)、贵州红山茶、皱叶瘤果茶和小黄花茶(蓝开敏,1988;中国植物物种信息数据库,2016)等稀有濒危植物,针对其地理分布狭窄和种群繁殖困难的科学问题,开展了种子形态特征、千粒重、含水率、吸水性、生活力、发芽率等生物学特性的实验研究,以为其生物多样性的有效保护与合理利用提供科学参考。

1材料与方法

1.1试验材料、时间和地点

试验材料选择山茶属5种植物种子均来自于其原产地,采集时间为2015年10月至11月期间(表1)。种子采回在室内通风干燥处自然晾干,均使用湿砂层积对其进行短期保存,于当年11月份播种试验。发芽试验时间选择在2015年11月20日至2016年3月15日。试验地点选择在贵阳市花溪区贵州大学林学院苗圃(106°40'10"E、26°25'26"N),海拔高度1020m,年均气温15.3℃,年均相对湿度77%,年均降雨量1129.5mm,年均阴天日数235.1d,年均日照时数1148.3h,年均降雪日11.3d。试验土壤选用肥力中等的壤土,pH5.7。1.2试验方法与数据处理

1.2.1种子质量和形态特征测定

种子质量检测参照GB2772-1999《林木种子检验规程》(国家质量技术监督局,2002),从测定样品中随机数取8个重复,100粒•重复-1,各重复分别称量(g),计算其平均值。形态特征测定采用随机数取100粒饱满种子,通过目测法观察种子形状结构和颜色,利用精度为0.01mm的游标卡尺测量种子的长度、宽度和厚度,并计算其平均值。

1.2.2种子含水率和吸水性测定

种子含水率参照GB2772-1999《林木种子检验规程》(国家质量技术监督局,2002)和《种子学实验指南》(刘子凡,2010),含水率(%)=S1+S2-(S1×S2)/100,其中:S1、S2分别为第1次和第2次失去的水分(g)。种子的吸水性采用称重法测定,吸水质量ΔW=Wt-W,吸水率(%)=ΔW/W×100%。其中:Wt为种子吸水后的质量,W为种子吸水前的质量;试验设置了去种皮种子(A)和不去种皮种子(B)两种处理条件下的吸水过程,检测其不同种子的含水率、饱和吸水率和生活力。

1.2.3种子生活力和发芽率测定

种子活力采用TTC(2,3,5-氯化三苯基四氮唑)染色法测定(张志良,1990;ISTA,1996)。每一个种随机选取300粒饱满种子,随机均分为3组,直播于贵州大学南校区林学院苗圃地大棚的苗床上,覆盖2cm的壤土,浇透水,定期每天观察记录其发芽情况。种子萌发终止后测算其发芽率,发芽率(%)=(发芽的种子数/供试种子数)×100%。发芽势(%)=(达到高峰期时发芽种子数/供试种子数)×100%。发芽指数(IG)=∑(gt/dt),gt指在时间t日内的发芽数,dt为相应的发芽天数。

1.2.4数据处理

实验数据用SPSS21.0软件分析(陈胜可,2013),图表处理采用Excel软件。

2结果与分析

2.1种子形态特征

试验种子的种脐、外种皮、内种皮和种胚皆发育完整,种胚的胚芽、胚轴、胚根和子叶形态明显,种皮平滑无毛且角质坚硬。检测结果(表2)显示,种子体积(长、宽、厚)的大小为长柱红山茶>美丽红山茶>小黄花茶>皱叶瘤果茶>贵州红山茶。

2.2种子千粒重、含水率、生活力和吸水率分析

对山茶属5种稀有濒危植物种子千粒重、含水率、生活力与吸水率的检测分析结果得表3和图1。表3和图1表明:1)不同山茶种子的千粒重存在显著差异(P<0.05),其中长柱红山茶种子颗粒最大,平均千粒重达到3.290kg,差异系数5.57%,美丽红山茶、小黄花茶次之,皱叶瘤果茶和贵州红山茶的种子颗粒较小,平均千粒重仅有0.899kg和0.786kg,差异系数为4.61%、1.18%。2)不同山茶种子的含水量存在显著差异(P<0.05),除了贵州红山茶和小黄花茶的生活力差异不显著外,其它3种山茶种子的生活力之间也存在显著差异(P<0.05);小黄花茶种子的含水量较高48.85%(CV:1.03%),而生活力较低73.33%(CV:3.94%);长柱红山茶种子的含水量最低39.52%(CV:1.57%),而生活力则最高98.33%(CV:2.94%)。从图1可以看出,种子千粒重的变化趋势与生活力一致,而与含水量变化趋势不一致。3)不同山茶种子吸水率存在显著差异(P<0.05),5种供试植物均表现为去种皮种子的吸水率大于不去种皮种子的吸水率,且5种植物种子去种皮和不去种皮的吸水率大小顺序一致,皆为美丽红山茶>小黄花茶>长柱红山茶>皱叶瘤果茶>贵州红山茶。去种皮和不去种皮处理的种子吸水率均在30h后趋于饱和稳定状态。去种皮条件下种子吸水过程中(图2:A),美丽红山茶在2h到30h期间吸水量快速增加,30h时的吸水率为24.31%,随后吸水速度变缓,饱和时吸水率为24.58%;小黄花茶在24h之前吸水速度较快,24h时吸水速率达到16.57%,24h后吸水速度变慢,饱和时吸水速率达到17.88%;长柱红山茶和皱叶瘤果茶在24h之前吸水速度较快,24h时吸水速率分别达到13.64%和9.18%,24h之后吸水速度变慢,饱和时吸水速率达到14.14%和9.43%;而贵州红山茶吸水率最低,在2h到16h之间吸水量有增加,16h时的吸水率达到7.19%,16h之后其吸水缓慢,饱和时吸水率达到7.86%。在不去种皮种子的吸水过程中(图2:B),山茶属5种植物种子吸水到30h时吸水率分别为美丽红山茶14.40%>小黄花茶12.98%>长柱红山茶8.28%>皱叶瘤果茶7.27%>贵州红山茶5.03%,再过18h进入饱和,其饱和吸水率分别为美丽红山茶14.19%>小黄花茶12.55%>长柱红山茶8.21%>皱叶瘤果茶6.92%>贵州红山茶4.92%。

2.3种子发芽率分析

将供试植物的种子播于试验苗圃大棚内的苗床上,常温下69d后开始发芽,77d后幼苗开始出土,105d后(2016年3月中旬)种子发芽全部结束,观测统计发芽率、发芽势和发芽指数的结果得表4和图3。表4和图3显示:1)供试5种山茶植物种子发芽率、发芽势、发芽指数的大小变化趋于一致;2)5种不同山茶植物的种子发芽率和发芽势皆具有显著差异(P<0.05),长柱红山茶发芽率和发芽势最高、分别达到81.67%和61.00%,依次为小黄花茶61.00%、46.00%,美丽红山茶54.67%、41.00%,皱叶瘤果茶52.33%、39.67%,贵州红山茶61.00%、34.67%;3)发芽指数的相关分析表明,美丽红山茶与贵州红山茶差异不显著,皱叶瘤果茶与小黄花茶差异不显著、与长柱红山茶差异显著(P<0.05),长柱红山茶发芽指数最高6.04,其次是小黄花茶4.76、皱叶瘤果茶4.74、美丽红山茶4.33、贵州红山茶3.63。

2.4种子生物学特性的相关分析

供试山茶5种稀有濒危植物种子生物学特性的相关性分析结果(表5、图4)表明:1)种子的千粒重与生活力、发芽率、发芽势、发芽指数呈极显著正相关(R=0.862、P<0.01,R=0.936、P<0.01,R=0.933、P<0.01,R=0.772、P<0.01);2)种子生活力与发芽率、发芽势呈极显著正相关(R=0.735、P<0.01,R=0.738、P<0.01);3)种子生活力与发芽指数呈显著正相关(R=0.532、P<0.05);4)种子发芽率与发芽势、发芽指数呈极显著正相关(R=0.987、P<0.01,R=0.861、P<0.01);5)种子发芽势与发芽指数呈极显著正相关(R=0.868、P<0.01)。

3结论与讨论

3.1从种子的形态特征来看,山茶属5种稀有濒危植物的种子大小差异显著(P<0.05),种子外观的颜色为褐色和深棕色较多,种子的千粒重与其形体大小密切相关,种子体积大,籽粒饱满,其种子相对较重,体积最大的长柱红山茶千粒重达到3289.70g(CV:3.37),而含水量为最小39.52%(CV:1.57),体积最小的贵州红山茶千粒重为786.33g(CV:1.18),含水量为43.15%(CV:1.29),与顽拗型种子的千粒重多在500g以上,大粒种子采收后含水量较高,大多在30%以上(HONG,1996)的特点相一致。供试5种山茶植物的种子,较其同一亚热带常绿阔叶落叶混交林植被中的其他植物种类而言,种子(或果实)偏大偏重,含水量≧39.52%,这即说明山茶植物采用了繁育大型顽拗型种子的生殖策略,种子依靠自身重力脱落在母株附近,可以避免阳光直射而造成水分缺失从而保证其生活力,但是其遭遇动物摄食的机会增多,造成自然生境中的种子损失、种源稀少、繁衍困难而使该物种趋于濒危。种子试验分析表明,种子千粒重与生活力、发芽率、发芽势、发芽指数呈极显著正相关(R≧0.772,P﹤0.01),一般地,大质量种子比小质量种子含有更多的储藏营养物质,种子的内含物质会直接影响到种子的生活力(叶常丰,1994),长柱红山茶种子籽粒大、生活力高,种子发芽率也高,这与长柱红山茶种子内含物质较多,使其生理发育所需的营养物质供给充足有关。相比较而言,贵州红山茶、皱叶瘤果茶、小黄花茶的种子籽粒小、千粒重较轻,种子内藏物质偏少,不足以维持提供种子发育过程中所需的营养物质,影响了种子的生活力和发芽率而难以形成植物种群繁衍应有的幼苗扩散格局,导致植株稀少和物种濒危。种子内营养物质的积累与新陈代谢密切相关,而水分是种子细胞内新陈代谢作用的介质,5种供试山茶种子都是含水量在39%-49%之间的顽拗型种子,不耐失水,种子内部所含水分一部分参与生理过程,一部分由于蒸发而造成水分缺失,影响种子的正常代谢和发育而降低了种子生活力,也是其物种濒危的原因之一。因此,在物种保育和生产应用中保障其水分供应充足,更有利于促进种子萌发和幼苗生长,这在山茶属植物资源的有效保护和合理利用方面具有重要意义。

3.2试验表明,去种皮种子的吸水率大于不去种皮种子的吸水率,5种供试植物种子去种皮和不去种皮的吸水率大小皆为美丽红山茶>小黄花茶>长柱红山茶>皱叶瘤果茶>贵州红山茶。5种供试植物种子在去种皮和不去种皮两种处理条件下,均为美丽红山茶的吸水率最大,分别达到24.58%、14.40%,贵州红山茶的吸水率最小,仅有7.86%、5.03%。该5种山茶属植物种子去种皮和不去种皮的吸水率大小顺序一致,但吸胀过程、饱和点和饱和吸水速率却有较大差异,而且,5种供试山茶种子在去种皮和不去种皮两种处理条件下的饱和吸水率差异显著(P<0.05)。在种子吸水试验中,去种皮种子的吸水率可以达到不去种皮种子吸水率的1.3-1.8倍,表明山茶种子的种皮角质较坚硬,对种子的吸水有较大的阻碍作用,也说明了顽拗型种子对于水分极其敏感,适合湿润生境生存的原因。角质坚硬的种皮会严重阻碍种子对环境中水分的正常吸收,导致自身水分含量不足以供给生理代谢的正常进行,种皮坚硬也是山茶属植物濒危原因所在。为此,提供种子在贮藏保存中的适当水分保障和优化种子去皮的处理方案在生产实践中有应用价值。

3.3种子的生活力表现是其物种生命力世代繁衍的主要过程,种子萌发是实现植物种群更新及物种延续的关键(王一峰等,2009),种子植物通过种子散布、萌发和幼苗定居可使植物远距离扩散(张世挺等,2003),在自然选择压力下,种子的萌发生理活性及其发芽率的高低对于其物种的繁殖及扩散至关重要。试验结果表明,供试山茶种子要经过69d开始发芽,77d幼苗开始出土,105d后种子发芽全部结束,足以证明其种子具有明显的休眠特征,这是顽拗型种子低温敏感性的重要表征,冬季的低温会抑制种子内生理过程的酶促反应速度,种子内自由水0℃以下固化对细胞质膜造成伤害,生理代谢失活,种子活力将明显降低或丧失。在种子播种休眠过程中,也可能会由于环境因素的影响而产生霉变、腐烂或者发生病虫危害,导致其不能萌发,严重影响种子的发芽率和成苗率。因此,深入研究其种子休眠与萌发的生理机制,探索解决种子收集保存和储藏运输的优化处理方案来提高种子质量和生产效益,具有重要的现实意义。

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作者:吕晓梅 刘海燕 黄丽华 杨乃坤 邹天才 单位:贵州大学林学院 贵州省植物园 贵州科学院 贵阳中雄林业生态工程勘察设计有限公司

广西植物杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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