贵州喀斯特高原金发藓原变种（Polytrichum commune Hedw.var.commune）蒴齿水湿运动研究

张哲旗 王智慧* 张朝晖

（1. 贵州师范大学生命科学学院，贵阳 550001；2. 贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001）

藓类植物的孢子释放可分为5种传孢类型，即腐媒传孢型，风媒传孢型，汽—风媒传孢型，水媒传孢型和虫媒传孢型［1］。其中汽—风媒传孢型包括藓类90%以上的种，可分为外汽—风媒传孢型和内汽—风媒传孢型。外汽—风媒传孢型的藓类孢蒴蒴齿对水汽敏感。当蒴盖开裂后，蒴齿随空气中水汽干湿内曲外卷，由于齿片或齿条齿毛粗糙孢子附着，随风流散放［2～4］。这种运动在节齿类单齿或双齿的藓类植物散孢过程中起到重要作用［5～7］，而在以风为主导媒介的线齿类金发藓科植物中尚未记载。

蒴齿结构对于孢子释放的影响，可以通过测量孢子的释放范围和释放总数进行反映。测量孢子的释放范围主要有两种方法：①直接测量：设计野外定点试验，放置粘性载玻片，通过对一定时间内捕获的孢子进行数据汇集、分析推测孢子的释放能力［8～9］。②间接技术：通过空间遗传结构进行推论［10］。直接测量的方法虽然数据直观，但孢子散放的距离常常在空间上超出玻片放置的范围，使得取样所获得的数据不足以精确地表示孢子释放的能力［11～14］。而间接方法虽不受空间、时间的限制，但不能提供直接可测量的扩散距离，且往往推测结果与实际不符［15～16］。因此，本文选取了典型贵州喀斯特高原线齿类金发藓原变种（Polytrichum commune Hedw.var.commune）为研究对象，通过湿度变化观察蒴齿结构的差异，并通过室内模拟风吹试验，探究蒴齿结构变化对孢子释放量的影响。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

拱拢坪国家森林公园地处104°58′38″E～105°02′25″E，27°12′34″N～27°15′43″N。位于贵州省毕节市七星关区西南，距毕节城区41公里，属北亚热带湿润季风气候区，年平均气温12.8℃，海拔1 435～2 217 m，森林覆盖率95%以上［17］。金发藓原变种生长于无树木遮蔽，开阔沼泽环境。

1.2 研究物种

金发藓原变种的孢蒴长0.4～0.8 cm，从5～8 cm直立的蒴柄顶部生长出（见图1a）。该种生长在开放的沼泽土壤，受精发生在夏季，孢子体在秋/冬季成熟，在冬/春季蒴帽脱落，蒴盖开裂之后，从侧向的孢蒴开口释放孢子。球形孢子的直径9～12 μm［18］。金发藓原变种孢蒴开口处由盖膜覆盖，与蒴齿尖端相连，类似于盐瓶结构［19］。

1.3 试验设计

1.3.1 湿度变化对金发藓原变种蒴齿结构的影响

在样地随机选取3 个1 m×1 m 的样方，相邻样方相距约5 m。每个样方选取长势相似的金发藓原变种，连根拔起放置于信封袋中，带回实验室放置于阴凉干燥处。待样本完全干燥后，选取孢蒴大小相近的12 株分为两组，第一组解剖分离出蒴齿与盖膜，第二组保持孢蒴的完整性。

利用XSZ-107 光学显微镜观察并测量干燥情况下第一组蒴齿的齿宽、齿长、齿间距及盖膜面积，测量第二组蒴齿的齿宽、齿间距及盖膜面积。之后在第一组蒴齿片段上滴水，浸没2 min 后测量蒴齿和盖膜的各项数据，第二组喷洒水雾2 min 后测量。

1.3.2 室内模拟金发藓原变种孢子散发试验

选取金发藓原变种孢子体相似的4株，剪取蒴柄使孢子体长度为6 cm，使用鳄鱼夹固定在桌面上，正前方1 cm 处竖直放置3 块粘性玻片，每块长8 cm，宽2.5 cm，总面积为60 cm2，后方12 cm 处放置风机（见图2）。通过预实验发现释放的孢子主要以中间玻片的上半部为中心向周围扩散，少数散布于左右两块玻片，3块玻片整体的左右边缘处未发现孢子，仅在中间玻片的上边缘散布少量孢子，故粘性玻片的设置能够捕获绝大多数释放的孢子。

模拟试验测量干燥时释放孢子总数10次计算平均值，随后对孢子体喷洒水雾2 min，以保持湿度达到100%，之后分别测量每隔2.5 和5 min 的孢子释放量，每次风吹10 s，风速约7 m·s-1，每株重复2 次，同时记录簇孢（孢子由2 个及以上单个孢子形成的孢子团，见图3）数量。

1.4 数据处理与统计分析

利用SPSS 16.0 统计软件进行双因素方差分析，并对平均值进行Duncan 多重比较，显著性水平为0.05。利用Microsoft Excel进行数据统计和绘制表格。

2 结果与分析

2.1 湿度变化对金发藓原变种蒴齿结构的影响

湿度增加后，齿间距从8.33 μm 显著增加到11.53 μm，同时盖膜面积扩大20%，随后均呈下降趋势并在40 min 后恢复（见表1）。同时在两种不同处理方法的试验中发现蒴齿齿宽、齿高、齿间距和盖膜面积均在湿度增加后显著扩大，并在再干燥时恢复（见图4～6）。

2.2 室内模拟风吹试验

2.2.1 湿度变化后金发藓原变种每隔5 min的孢子释放数量及簇孢百分比

水湿运动初期，金发藓原变种齿间距和盖膜面积显著增加，并随着时间变化逐渐恢复（见表1）。这种结构变化导致孢子释放量在湿度增加后的初期，金发藓原变种孢子释放量均显著高于干燥时（P＜0.05），并随时间的变化呈现下降趋势，在后期保持在显著低于干燥时的孢子释放量。而簇孢百分比在湿度增加后高于干燥时期，并随着孢子释放数量的减少呈上升趋势，在孢子释放保持在极低水平时达到最大占比（见图7）。

表1 湿度变化后金发藓原变种盖膜面积和齿间距的变化情况Table 1 Changes of P.commune Hedw.var.commune epiphragm area and space between peristome after increasing humidity

2.2.2 金发藓原变种蒴齿结构改变对孢子释放量和簇孢百分比的影响

通过对蒴齿结构改变初期和恢复期的孢子释放量研究显示，水湿运动初期孢子释放量显著高于干燥时和蒴齿结构再恢复时期，并且当蒴齿结构恢复时，孢子的释放数量和簇孢占比仍显著高于干燥时（P＜0.05）（见图8）。

2.2.3 湿度变化后金发藓原变种在不同时间间隔孢子释放量的变化趋势

湿度变化后，在不同时间间隔的连续风吹试验中，金发藓原变种孢子释放数量变化趋势相似，均在水湿运动初期显著增加，随后呈现下降趋势，并最终保持极低的孢子释放水平。但相较于前者，5 min 间隔的孢子释放数量趋势呈现后移，即当前者孢子释放量维持极低水平时，后者仍能够保持显著高于干燥时的孢子释放量，并且两者均在相同的风吹次数后达到孢子释放量最低水平，同时2.5 min 间隔的孢子释放中簇孢占比与5 min的变化趋势相似（见图9）。

3 讨论

3.1 水湿运动对金发藓原变种蒴齿结构和孢子释放量的影响

金发藓科植物孢子传孢类型属于风媒传孢中的波形传孢型，孢子体成熟后蒴盖脱落，盖膜类似鼓皮，风流吹过齿间时，盖膜上下波动，使孢子随波形风流散放［20～21］。蒴齿齿间距及盖膜面积均会对孢子的释放量造成影响。本研究发现，水湿运动前后金发藓原变种蒴齿结构具有显著变化，湿度变化初期齿间距及盖膜面积均显著高于干燥和孢蒴结构再恢复时期（见图4，6）。通过对这3 个时期孢子释放量统计发现，湿度变化后初期孢子释放量显著高于干燥时，并在蒴齿结构恢复时孢子释放量显著减少（见图8）。

3.2 水湿运动中簇孢占比的变化对孢子释放量的影响

在水湿运动中，当蒴齿结构再恢复时，其孢子释放量仍显著高于干燥时期，通过对簇孢占比的研究发现，在湿度增加后孢簇占比高于干燥时期，并在蒴齿结构再恢复时存在显著差异（P＜0.05）（见图7～8）。据此推测，湿度增加导致大量水汽进入孢蒴中，孢子粘度增加相互聚集形成簇孢，导致在孢蒴结构恢复时期，孢子释放中簇孢占比仍处于较高水平，从而显著提高孢子的释放量。

3.3 水湿运动后不同时间间隔对金发藓原变种散孢的影响

水湿运动后不同时间间隔的连续风吹试验发现，孢子释放量和簇孢占比变化趋势相似，并在相同的风吹次数后保持在极低的孢子释放水平。但不同的是5 min 时间间隔的孢子释放量趋势较2 min呈现后移变化（见图7和9）。

据此推测：①湿度增加引起水汽进入孢蒴中，孢子粘度增加相互聚集形成簇孢，但孢蒴中仍存在非聚集孢子。水湿运动初期，由于蒴齿结构的改变，使得吹过齿间的风量和盖膜波动幅度增加，波形风流的加大能提高相同时间内的孢子释放量，同时能够将簇孢分离成单个孢子和小型簇孢，并与非聚集孢子一起吹出，导致孢子释放量的显著增加，而簇孢占比无显著性差异。②随着试验进行，孢蒴中非聚集孢子数量下降，同时由于蒴齿结构的逐渐恢复，波形风流降低，不具备将大型簇孢分离的能力，只能将剩余的非黏连孢子与小型簇孢散出，导致孢子释放量呈下降趋势，而簇孢占比逐渐提高。

3.4 节齿类与线齿类蒴齿的差异

Vita［24］认为外汽—风媒的传孢类型的节齿藓类蒴齿的作用机制是主动的。Johnson［7］在1931年通过水蒸气与浓硫酸组装装置首次在实验室中验证葫芦藓属（Funaria）植物在湿度变化中蒴齿的结构变化。但这种水湿运动的条件不是唯一的，Patterson［3］发现角齿藓（Ceratodon purpureus）在潮湿环境中蒴齿向内弯曲，孢蒴开口处封闭。而Forsstroemia ohioensis在潮湿环境中蒴齿水平向外翻折，将孢蒴开口打开，在干燥时蒴齿沿孢蒴内壁内聚，使得孢蒴开口处封闭，同时在隐蒴藓科（Cryphaeaceae）、平藓属（Neckera）、金灰藓（Pylaisia polyantha）均发现具有相似的运动特征，只是蒴齿张开程度存在不同，金灰藓在潮湿环境中竖直的蒴齿远端向内略弯曲，形成类圆锥状，其他多数藓类蒴齿远端向外弯曲呈喇叭状。这种运动机制对孢子释放具有积极的作用，Ingold［23］通过改变湿度171次，测量出Eurhynchium confertum 释放出15 647个孢子。

对于以金发藓科植物为主的风媒传孢型，Smith［22］认为线齿类蒴齿的作用机制与节齿类不同，其作用机制是被动的，具有释放孢子的“盐瓶”结构，孢子释放仅与风吹有关，即当风流吹过齿间，引起盖膜上下波动，产生的波形风流释放孢子。在本研究中发现，湿度变化会引起蒴齿结构的改变，并显著增加孢子释放量，证明线齿类蒴齿具有水湿运动，但这种作用机制于与节齿类蒴齿不同，仅通过改变齿宽、齿高、齿间距及盖膜面积，影响风流达到提高孢子释放量的作用。

4 结论

金发藓原变种在水湿运动中，蒴齿结构发生显著变化，蒴齿齿间距及盖膜面积增大，从而引起孢子释放量的显著增加，并随着蒴齿结构的恢复，孢子释放量逐渐降低。同时由于湿度增加，水汽大量进入孢蒴使得孢子相互聚集形成簇孢，在水湿运动后期当蒴齿结构恢复时，由于其释放孢子中簇孢占比显著提高，使得孢子释放量仍高于干燥时。

对于在连续风吹试验中孢子释放量趋势下降并最终保持在极低的释放水平的现象，本研究通过对孢子释放中孢簇占比及蒴齿结构变化趋势进行分析推测，但缺乏直接证据，对此还需要开展进一步的研究论证。