濒危植物大果青杄种子形态及萌发特性研究

杨帆,郭星,李兴明,魏海龙,齐瑞,闫倩倩,丁光武,侯亚莉

(白龙江林业管理局林业科学研究所,甘肃兰州730070)

濒危植物大果青杄种子形态及萌发特性研究

杨帆,郭星,李兴明,魏海龙,齐瑞,闫倩倩,丁光武,侯亚莉

(白龙江林业管理局林业科学研究所,甘肃兰州730070)

对甘肃白龙江林区生长的濒危植物大果青杄种子的形态和萌发特性进行了研究,结果表明:不同海拔和不同年龄的大果青杄种子千粒质量、空壳率、含水量、生活力、长、宽及直径等差异显著。不同年龄树木种子形态和部分萌发指标之间存在多样性;而且树木年龄越大,空壳率随之减少,生活力减少的幅度更大。在常温(20℃)下,经蒸馏水浸种,浓硫酸催芽的种子的发芽率为0;而42年的大果青杄种子经200 mg L-1赤霉素(GA 3)处理24 h后,在14 d内发芽率达到70%,且发芽整齐。大果青杄种子的休眠属综合休眠,且种皮透性并不是导致大果青杄种子休眠的主要原因。

濒危植物;大果青杄;种子;形态特性;萌发特性

大果青杄(Picea neoveitchii Mast.)隶属于裸子植物松科(Pinaceae)云杉属(Picea)常绿乔木[1,2],我国特有树种,是国家二级重点保护野生植物和国家二级保护珍贵树种[3],同时也是国家二级珍稀濒危保护植物[4],被列入中国珍稀濒危植物红皮书。大果青杄在我国仅分布于湖北西部、陕西秦岭北坡户县及南部、甘肃天水及白龙江流域海拔1 300～2 000 m的地区[4],种群数量稀少,亟待保护。大果青杄对生境条件要求比较严格,通常只生于自然植被保存比较完整的山谷沟底或山坡下部及半阴坡岩石缝隙中,其生长地带比较阴湿,空气湿度很高,腐殖质深厚,土壤酸性至微酸性[5]。近年来,由于过度砍伐和人为干扰,大面积的大果青杄纯林基本已经消失,剩余残存种群的生存和生长状况遭受严重威胁,濒临灭绝。

近年来,虽然大果青杄的濒危情况已经逐渐引起了许多学者的关注,但是相关的研究主要集中在大果青扦的残存地理分布、群落特性和种群动态研究[5-7]、谱系地理学研究[8]、播种育苗技术[9]、起源与物种形态[3]、珍稀树种资源及其价值探讨[10]、保护现状及保护策略[11]等方面,对大果青杄种子形态和萌发特征等方面研究很少。此外,由于大果青杄存在种子产量低、种质差、种子生活力和发芽率低等问题,由此导致林下幼苗少,这些因素导致大果青杄生活周期中出现了从种子到幼苗转化率较低的脆弱环节,最终成为大果青杄种群缺乏后继资源而导致物种濒危的主要因素。

本文通过对白龙江林区采集的四种区域生长的大果青杄种子形态和萌发特性进行试验研究,试图打破大果青杄种子的休眠,揭示其萌发所必备的条件,旨在为大果青杄种群大面积繁殖提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试种子于2014年9月在甘肃省白龙江林业管理局舟曲林场采集,种子除杂后于-4℃冰箱中保存备用,采种地点见表1。

表1 大果青杄种子采集地点概况

1.2 种子特性测定

1.2.1 种子大小(长、宽度、直径)、千粒重、饱满度的测定 随机取出籽粒饱满的4种大果青杄种子各30粒,用游标卡尺分别测量种子长、宽及直径;千粒质量采取百粒法(四分法),随机各抽取净种子100粒称质量,重复4次,结果的加权平均值×10即得种子千粒质量;随机抽取100粒种子,计算出种子的空壳率。

1.2.2 种子含水量的测定 取一定量样品称质量,将样品放在(105±2)℃烘箱中烘18 h。取出后称重,以3次重复平均值为最终含水量。种子含水量(%)=(样品烘前重量-样品烘后重量)/样品烘前重量×100%。

1.2.3 种子生活力的测定 采用四唑染色法测定种子的生活力。设计3个重复,每个重复50粒种子。先把种子浸泡于20-30℃的水中4 d,然后取胚在25℃条件下用四唑染色24 h,染完色后根据种胚的着色程度和部位,按国际种子检验规程上的标准鉴定种子的生活力。

1.3 种子萌发处理

1.3.1 浓硫酸处理 用浓硫酸分别酸蚀大果青杄种子2、5、10、15、20 min,用清水冲洗3次,置于酒精中消毒1 min,再用蒸馏冲洗5次,最后用蒸馏水浸泡48 h。处理完成后放入双层滤纸的培养皿中,放入恒温箱中萌发;培养条件是:温度20℃,光照强度24μmol m-2s-1,湿度75%;以清水浸种为对照。每皿50粒,3组重复。逐日统计发芽率。种子萌发过程中,以胚根生出种皮1 mm为标准,记录种子萌发的个数,连续2周内不再有种子萌发为萌发结束。算出种子的发芽率及发芽势。

1.3.2 赤霉素处理 抽取饱满的种子,以未用GA3浸泡的种子为对照,设置50、100、200、250、300 mg L-15个浓度的GA3处理,浸泡24 h,放置于双层滤纸的培养皿中萌发(以清水浸种为对照),培养条件和测定指标与浓硫酸处理相同。

1.4 数据处理

试验所得形态(千粒质量、空壳率、含水量、生活力、长、宽及直径等)用SPSS 13.0软件进行单因素方差统计分析;发芽率和发芽势用SPSS 13.0软件进行双因素方差统计分析;所有数据用Excel制图。

2 结果与分析

2.1 不同采集地大果青杄种子形态差异分析

由表2和表3可知,4个采种地的大果青杄种子千粒质量介于18.05～29.83 g,其中42树龄的种子千粒质量最大,为29.83g,树木年龄越小,千粒质量越大;种子空壳率普遍都很高,介于86.67%～66.33%,其中42树龄和51年树龄的种子空壳率最高,分别达86.67%和85.27%,树种年龄越大,空壳率越低;种子含水量和生活力的变化与千粒质量的变化趋势相一致。种子长度介于9.09～6.68 mm,宽度介于5.27～3.4 mm,种子长宽比在1.96～1.70的范围内;直径介于2.15～4.22 mm。其中, 116年龄的种子长度和宽度均最大,为9.40和5.27 mm;而300年龄的种子长宽比最大,为1.96;42树龄的种子的直径最大,为4.22 mm。

表2 大果青杄种子千粒质量、空壳率、含水量及生活力

表3 大果青杄种子长度、宽度、长宽比及直径

2.2 不同浓度浓硫酸酸蚀处理对不同采种地大果青杄种子萌发的影响

将大果青杄种子用不同浓度的浓硫酸处理后,清水冲洗,酒精中消毒,在用蒸馏水浸泡48 h后,放入恒温箱中萌发。14 d后,和清水浸种为对照相比,不同浓硫酸处理后的大果青杄种子均未发芽。

2.3 不同浓度GA3处理对不同采集地大果青杄种子萌发的影响

不同年龄树木与赤霉素浓度对种子萌发特性的双因素方差分析表明:GA3浓度和树龄对种子的发芽率、发芽势及发芽速率的影响均极显著(P＜0.05);GA3浓度和年龄的交互作用对发芽率、发芽势及发芽速率的影响均极显著(P＜0.05)(表4),其中200 mg L-1的GA3处理和42年龄的大果青杄种子发芽率和发芽势达到最大,分别为0.70和0.33,其次是100 mg L-1的GA3处理和42年树龄、200 mg L-1的GA3处理和51年树龄和250 mg L-1的GA3处理和42年树龄的大果青杄种子发芽率和发芽势次之,分别为0.542和0.28、0.55和0.23、0.592和0.19;50 mg L-1的GA3处理和300年树龄和50 mg L-1的GA3处理和116年树龄的大果青杄种子发芽率和发芽势最小,分别为0.075和0.03、0.05和0.07。

表4 大果青杄种子发芽率和发芽势

3 讨论与结论

种子是下一代新生植株的开始,无论从结构上还是生理上已做好了传播的准备[12]。然而,为了适应不良环境条件以及季节变化,植物种子经常会出现发育暂停或生命隐蔽的现象。种子休眠是指具有生活力的种子在适宜(水分、温度和氧气)萌发条件下仍不能正常萌发的现象[13]。种子休眠在植物中普遍存在,且具两面性,一方面它是一种有益的生物学特性,可以使种子避开不良环境条件,适时萌发;而另一方面在科学研究和农林牧业生产过程中,常需要破除种子的休眠,此时种子休眠就成为人类生产实践过程中的障碍[14]。我们的前期调查表明,大果青杄种子具有强休眠、低萌发率的特性,致使其苗木的繁殖困难,从而限制了人们对这种资源植物的开发和利用。结果表明,不同海拔和不同年龄的大果青杄种子千粒重、空壳率、含水量、生活力、长、宽及直径等差异显著(表2和表3)。树木的年龄对种子的千粒重、含水量、长宽比、生活力等影响显著,说明不同年龄树木种子形态和部分萌发指标之间存在多样性。而且树龄越大,空壳率虽然也减少,但是生活力减少的幅度更大(表2和表3)。目前,破除种子休眠的方法大体分为物理、化学和生物三类。本研究表明,浓H2SO4处理并没有显著打破大果青杄种子的休眠,因此,排除了种皮不透水、不透气、机械限制及存在萌发抑制物等导致大果青杄种子休眠的可能[15]。

赤霉素(GA)在种子发芽中起着重要的作用。GA能诱导产生水解酶,使种子中的贮藏物质从大分子水解为小分子,如淀粉水解为糖,蛋白质水解为氨基酸,从而为胚生长所用,进而促进种子的萌发[16,12]。此外,外源GA的加入能提高胚的生长势,促进种子萌发障碍组织的降解,从而有效破除种子休眠[17]。我们的研究表明:不同树龄林木与赤霉素浓度对大果青杄种子的发芽率及发芽势的影响均极显著(P＜0.05);GA3浓度和年龄的交互作用对发芽率、发芽势及发芽速率的影响均极显著(P＜0.05)(表4),其中200 mg L-1的GA3处理和42年树龄的大果青杄种子发芽率和发芽势达到最大, 100 mg L-1的GA3处理和42年树龄、200 mg L-1的GA3处理和51年树龄和250 mg L-1的GA3处理和42年树龄的大果青杄种子发芽率和发芽势次之,50 mg L-1的GA3处理和300年树龄和50 mg L-1的GA3处理和116年树龄的大果青杄种子发芽率和发芽势最小(表4)。值得注意的是,大果青杄种子发芽率随着赤霉素的浓度增加而增长,当赤霉素的浓度达到200 mg.L-1时,种子的萌发率和发芽势达到最大值;但是,种子发芽率随着树木年龄的增大而减低,树木年龄越大,种子发芽率和发芽势越小,当树木年龄为42年时,种子的发芽率达到最大值(表4)。本研究结果表明,200 mg L-1的GA3处理42年树龄的大果青杄种子使其种子的发芽率达到70%,此研究结果可应用于大果青杄的苗木培育,提升其育苗技术水平,从而使这种具有重要生态和经济价值的资源植物能被人类充分利用。然而,在本研究中,尽管200 mg L-1的GA3处理42年树龄的大果青杄林木种子使其发芽率达到了70%,但其余30%的种子仍处于休眠状态,这表明大果青杄种子休眠属综合休眠,且种皮透性并不是导致大果青杄种子休眠的主要原因,大果青杄种子的萌发和休眠机理还需要进一步研究。

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Seed Morphological and Germination Characters of Endangered Plant Picea neoveitchii

Yang Fan,Guo Xing,Li Xingming,Wei Hailong,Qi Rui,Yan Qianqian,Ding Guangwu,Hou Yali
(Research Institute of Forestry,Bailongjiang Forestry Management Bureau,Lanzhou 730070,China)

The seed morphological and germination characters of endangered plant Picea neoveitchii were studied in Bailongjiang forest region of Gansu Province.Result shows that the thousand seed weight,shell ratio,water content of seed,percentage of undeveloped seed,viability,length,width and diameter of seed have significant differences at different attitudes and ages of tree.Seed morphology and parts of germination indexes of trees with different ages have diversity.The bigger the ages of tree is,the lower the percentage of shell ratio is and the even greater the reduce range of viability is.The seed germination rate is 0 by soaking in distilled water at the temperature(20°C);the germination rate of 42-year-old Picea neoveitchii seeds reach 70%within 14 d while treated with 200 mg L-1GA3for 24 h;the seeds germinated more trimly.Picea neoveitchii seeds belong to combined dormancy.The permeability of seed coat is not the main reason for the seed dormancy of Picea neoveitchii.

endangered plant;Picea neoveitchii;seeds;morphological characteristics;germination characteristics

S751.3

:A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.11.006

1005-5215(2015)11-0016-04

2015-08-26

甘肃省科技支撑计划(1304NKCK128)

杨帆(1988-),男,甘肃武威人,大学,从事林木育种研究,Email:kangjj07@lzu.edu.cn

郭星,Email:gslnwddj@163.com