濒危植物七指蕨的孢子萌发和光合特性研究

宋莉英，李晓娜，潘晓婷

（广州大学生命科学学院，广东广州　510006）

濒危植物七指蕨的孢子萌发和光合特性研究

宋莉英，李晓娜，潘晓婷

（广州大学生命科学学院，广东广州510006）

七指蕨（Helminthostachys zeylanica）目前在我国仅零星分布于台湾、海南和云南的西双版纳，其种群数量日趋减少，已被列为国家二级重点保护植物.本研究从七指蕨的孢子萌发特性和光合特性2方面入手，探讨七指蕨可能的濒危机制，为七指蕨的保护和资源利用提供科学依据.结果显示：①七指蕨孢子萌发率极低，是导致其自然更新较弱的原因之一；②七指蕨与瓶尔小草（Ophioglossum vulgatum）等其他蕨类植物相比，光补偿点（LCP）接近，但七指蕨的光饱和点（LSP）和最大净光合速率（Pmax）处于较低水平.这一结果说明，七指蕨属于典型的阴生性植物，对光环境的适应范围较窄，强光下碳同化能力有限.森林植被的破坏导致光环境的改变，可能对七指蕨的生长、发育和繁殖造成巨大的威胁.因此，保护森林植被对于保护濒危植物七指蕨至关重要.

濒危植物；七指蕨；孢子萌发；光合特性

七指蕨（Helminthostachys zeylanica），属七指蕨科（Helminthostachyaceae）七指蕨属（Helminthostachys），别名入地蜈蚣，仅1属1种［1］.分布于亚洲热带和大洋洲北部，我国产台湾、海南和云南的西双版纳，生于湿润疏荫的林下.全株高30～55cm，根状茎肉质横走，近顶部生有1～2片营养叶，掌状或鸟足状，孢子囊穗单生，通常高出营养叶.七指蕨具有较高的观赏价值；同时，其根部含有豆甾醇、岩蕨甾醇、卫矛醇、以及入地蜈蚣素等多种药用成分，具有清肺化痰，散瘀解毒的作用，可用于治疗咽痛、跌打肿痛、痈疮、毒蛇咬伤等.受生境破坏及人为采挖的影响，目前七指蕨在我国的分布区狭窄，种群数量极为稀少.在1999年国家林业局、农业部颁布的《国家重点保护野生植物名录（第一批）》中，七指蕨被列为国家二级保护植物.

有关七指蕨的研究报道甚少.国内学者焦瑜等［2］和李新国等［3］分别从叶表皮特征、孢子形态方面对七指蕨的系统分类学地位进行了探讨，李艳平［4］从七指蕨中分离获得了6种黄酮类物质.国外也有学者对七指蕨化学成分及药用价值进行了报道［5－8］.迄今，还未见有关七指蕨的濒危机理以及保护生物学研究方面的报道.

造成植物濒危的原因是多方面的.其中，濒危植物自身的一些生物学与生态学特性是导致其稀有濒危的重要原因.大多数珍稀濒危植物或多或少存在生殖障碍，或者在其生长的天然群落中受到其他植物的“排挤”，自我更新的能力较弱［9］.此外，对环境的生态适应幅较窄也是一个重要的方面.光合作用是植物重要的生理过程，探讨光合作用对环境因子的需求规律，寻求影响其光合作用的限制因子，可为进一步揭示种群濒危机理提供科学依据［10］.

为此，本研究尝试从七指蕨的孢子萌发特性以及光合特性2个方面，探讨其可能的濒危机制，为进一步加强对七指蕨的保护、种群的发展和资源的可持续利用提供科学依据.

1　材料与方法

1.1植物材料

供试的七指蕨为中国科学院华南植物园繁育中心盆栽苗，引自海南五指山.瓶尔小草（Ophioglossum vulgatum），为瓶尔小草科（Ophiogiossaceae）多年生蕨类植物，与七指蕨同属于瓶尔小草目（Ophioglossales）［1］.本研究中，选用瓶尔小草作为对照，探讨七指蕨对光环境的适应特点和光能利用能力.

1.2孢子萌发实验

1.2.1孢子采集

将七指蕨成熟孢子叶穗从植株上剪下，置于干燥通风处，待孢子自然散落后收集于硫酸纸袋中，置于4℃冰箱中保存备用.

1.2.2消毒方法

孢子消毒参照杜红红等［11］的方法并做了部分修改.称取5mg成熟孢子置于1.5mL离心管中，加入1mL蒸馏水浸泡2h，10 000rpm离心5min，弃去上清液；加入1mL 5％次氯酸钠溶液，灭菌5min，然后用无菌水漂洗3～5次，最后加入1.5mL无菌水，充分振荡获得无菌的孢子悬浊液，分别接种于3个培养皿内，每皿0.5mL孢子悬浮液.

1.2.3培养条件

蕨类植物孢子萌发培养基一般采用MS为基本培养基，但有些种类在全培养基中不能萌发，只有在稀释的MS等低盐培养基中才能萌发［12］.因此，本研究中采用2种孢子萌发培养基：①1/10MS，②1/2MS，以上培养基均为30g·L－1蔗糖和0.7％琼脂，pH 5.8.培养温度为25℃，光照时间12h·d－1，光量子通量密度为20～30μmol·m－2·s－1.

1.3光合特性的测定

利用便携式光合测定仪Licor-6400（Li-6400，Li-Cor，Lincoln，USA），于晴天上午8：00～11：30测定光响应曲线.叶室光强由Licor-6400红蓝光源进行控制，叶面温度控制在25℃，CO2浓度由小钢瓶控制在400μmol· mol－1.叶片测定前，将待测叶片先在调整好环境条件的叶室中（光强为300μmol·m－2·s－1）适应20min，再开始测定.测定时，依次设定光量子通量密度（photon flux density，PFD）为1 000，800、500、300、200、150、100、80、50、20、10和0μmol·m－2·s－1，每个光梯度下平衡3min后测定净光合速率（Pn）.每个种测定6个植株，每株测定1个叶片.依据BASSMAN等［13］的方法拟合Pn-PFD曲线，计算最大净光合速率（Pmax）、表观量子效率（apparent quantum yield，AQY）、暗呼吸速率（Rd）、光饱和点（light saturation point，LSP）和光补偿点（light compensation point，LCP）.

1.4数据统计

采用SPSS、Sigmaplot等软件对实验数据进行统计分析和绘图.所用数据显示为平均值±标准误，统计分析采用单因素方差分析.

2　结果与分析

2.1孢子萌发

经30～40d的培养，培养基（1）、（2）中开始出现零星的绿色小点，显微镜检验结果为孢子萌发.50～60d左右可见原叶体形成.其中，培养基（1）的萌发速度较快.七指蕨的原叶体在孢子萌发培养基上生长良好，随着培养时间的延长，原叶体体积增大，簇生成团状.但总的来说，无论在培养基（1）或（2）上，七指蕨的孢子萌发率均较低，平均每皿萌发1～2个.

2.2七指蕨与瓶尔小草光合特性的比较

由图1A所示，光量子通量密度从0上升至100μmol·m－2·s－1时，七指蕨和瓶尔小草的净光合速率随着光强的增加呈直线式迅速上升.当光量子通量密度从200上升至1 000μmol·m－2·s－1时，二者的净光合速率逐渐达到饱和.通过曲线拟合可得，七指蕨达到其最大净光合速率2.73μmol CO2·m－2·s－1时，光饱和点为272.32μmol·m－2·s－1，显著低于瓶尔小草的最大净光合速率和光饱和点（表1）.这一结果表明，七指蕨对强光的利用能力较弱，碳同化能力明显低于瓶尔小草.从表1中还可见，七指蕨的表观量子效率（0.05μmol·μmol－1）极显著低于瓶尔小草（0.07μmol· μmol－1），说明它对弱光的利用率也较低，导致其在低光强下净光合速率低于瓶尔小草.对比七指蕨和瓶尔小草的光补偿点和暗呼吸速率，二者无明显差异.

由图1B可见，光量子通量密度为0μmol·m－2·s－1时，2种植物的胞间CO2浓度（Ci）为最高值，七指蕨为412.50μmol·mol－1，略高于瓶尔小草的395.13μmol·mol－1.七指蕨和瓶尔小草的胞间CO2浓度随着光量子通量密度的升高而急剧降低，在光强为100μmol·m－2·s－1时，胞间CO2浓度降低速度趋于平缓.此时，瓶尔小草的胞间CO2浓度明显高于七指蕨的胞间CO2浓度.

气孔是植物与大气进行气体交换的通道，气孔的闭合程度直接影响植物的光合与蒸腾过程.由图1（C，D）可见，七指蕨和瓶尔小草气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）对光量子通量密度的变化响应曲线变化趋势相同，表现为比较一致的缓慢上升趋势，由此可以看出，植物的气孔导度与蒸腾速率之间可能存在正相关关系.七指蕨的气孔导度大约仅为瓶尔小草的1/4，其蒸腾速率大小也约为瓶尔小草的1/4.

3　讨　论

3.1七指蕨的孢子萌发特性

蕨类植物是维管植物中较为原始的一个类群，具有独特的生活史特征.蕨类植物属于孢子植物，在野外一般通过孢子进行繁殖.本研究结果表明，七指蕨孢子萌发率极低，可能是导致其在自然条件下更新困难的原因之一.有文献报道，添加外源赤霉素（GA3）对孢子萌发有促进作用［14］.本研究尝试在孢子消毒前用50mg· L－1GA3处理5min，但未达到提高萌发率的效果.推测可能与GA3处理时间短、浓度低有关.

图1　七指蕨和瓶尔小草的光响应曲线Fig.1　The light response curves of Helminthostachys zeylanica and Ophioglossum vulgatum

表1　七指蕨和瓶尔小草的光合特性比较Table 1　The photosynthetic characteristics comparison of Helminthostachys zeylanica and Ophioglossum vulgatum

3.2七指蕨的光合特性

各种植物对光的需求量（即对光量子通量密度的适应范围）是不同的.通过拟合光响应曲线计算出植物的光合特性参数，可以反映植物对不同光环境的适应性状况.本研究结果表明，七指蕨与瓶尔小草的光补偿点相似，均表现出较低的水平，符合阴生植物的特点.但七指蕨的光饱和点显著低于瓶尔小草，表明七指蕨对光环境的适应范围较窄，对强光的利用能力有限.因此，其最大净光合速率也表现出显著低于瓶尔小草.

表2比较了七指蕨与国内其他蕨类植物光合特性参数.表2中可见，七指蕨与其他蕨类的光补偿点（LCP）和表观量子效率（AQY）差异不大；而其光饱和点（LSP）和最大净光合速率（Pmax）则处于较低水平.

3.3七指蕨的濒危机制及保护对策

从本研究结果来看，造成七指蕨濒危的原因可能有2个方面，一方面是孢子萌发率低，自我更新能力弱；另一方面，七指蕨对光环境的适应幅较窄.由于人类进行土地开发的强度和范围不断扩大，森林资源被大量砍伐，不仅导致森林和土壤的水分涵养能力降低，更重要的是破坏了原有森林荫蔽的光环境.七指蕨通常生长在荫蔽潮湿条件下，对环境条件的改变极为敏感，一旦森林植被遭受破坏，七指蕨直接暴露于强光下，强光的直射及生境的干旱化会对其生长、发育和繁殖造成巨大的威胁.与此同时，七指蕨的光合能力较弱，与其他蕨类等阴生植物相比，在生长竞争过程中处于劣势，从而导致其种群数量大幅下降.

基于上述研究，要保护七指蕨种群，促使其野生资源的再生，首先应从保护七指蕨赖以生存的生态环境做起，减少乱砍乱伐，增加森林覆盖率，营造适合七指蕨生存生长发育的荫蔽条件.其次，蕨类植物孢子萌发受多种因素影响［19］，可以从光照、温度、基本培养基、植物生长调节剂等方面进一步筛选有利于七指蕨孢子萌发的培养条件，利用组织培养等生物技术扩大种群数量，对于实现七指蕨种群复壮也具有重要意义.

表2　七指蕨与其他蕨类植物的光合特性比较Table 2　The photosynthetic characteristics comparison of Helminthostachys zeylanica and other pteriodphytes

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Study on endangermentmechanism s of the rare plant Helminthostachys zeylanica

SONG Li-ying，LIXiao-na，PAN Xiao-ting

（School of Life Sciences，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

Helminthostachys zeylanica，a rare and endangered plant，has a scattered distribution only in Taiwan，Hainan and Yunnan provinces.Itwas listed as a plantof second-class protection in The Listof Chinese Urgently Protected Wild Plants.To explore the possibly endangermentmechanisms of H.zeylanica，spore germination rate and photosynthetic characteristicswere investigated in this study.The results were as follows：①The spore germination rate of H.zeylanica was quite lower，which results in a relatively weak natural regeneration.②Compared with Ophioglossum vulgatum and other pteriodphytes，Helminthostachys zeylanicas showed a similar light compensation point（LCP）to them，but lower light saturation point（LSP）and themaximum net photosynthetic rate（Pmax）.It suggested that H.zeylanica was a representative shade plantwith a narrow light adaption scope and low carbon assimilation under high light.The destruction of forest vegetation led to changes in light environment，which caused a huge threat to the growth and reproduction of H.zeylanica.Therefore，the protection of forest ecological environment is essential to protect the endangered plant H.zeylanica.

endangered plant；Helminthostachys zeylanica；spore germination；photosynthetic characteristics

1671-4229（2015）06-0031-05

Q 94

A

2015－03－12；

2015－04－06

广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目（Yq2013132）；广州大学引进人才科研启动资助项目.

宋莉英（1978－），女，副研究员，博士.E-mail：liying_song＠126.com

【责任编辑：周全】