遗传质量对水青树种子特征及幼苗初期生长的影响

蔡建华,丁全定#,付作霖,杨 静,林 媛,齐 昊

1.甘肃省白龙江林业科学研究所，甘肃兰州 730046；2.甘肃白龙江森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃舟曲 746300

水青树（Tetracentron sinenseOliv）属昆栏树科高大落叶乔木，该属仅水青树1种，是落叶乔木中极少数的高大乔木。主要分布在我国西南部和中部及部分东南亚国家（越南、缅甸、尼泊尔等）[1]。水青树的树形笔直、常被用作制作家具；外形优美，可用于观赏；茎干中含有抗HIV和白细胞活性的化学成分，使其具有药用价值。同时，由于起源于水青树早期三叠纪或白垄纪，是一种古老的孑遗植物，对研究古代植物区系、被子植物的系统起源具有重要的科研价值。

由于过度森林砍伐，生态环境被破坏，水青植株日趋减少；同时由于种源限制、传播限制、建成限制使得水青树自然再生变得困难[2]。水青树仅零星生长于深山、峡谷、陡坡、悬崖等生境。1992年，被我国列入《中国植物志》，属于国家二级重点保护濒危植物。为了比较种子存活率的差异，本次研究模拟了影响自然种群中种子和植物的外部条件，对4种不同授粉方式（自花授粉、同株异花授粉、异株异花授粉、自然授粉）获得的种子进行了对照试验，比较不同授粉方式的种子和幼苗初期生长情况，检验水青树种群恢复有限是否与种子遗传质量有关，并探究了保护措施。研究结果可以为有效保护和管理水青树的遗传物质提供科学依据，该方法也可以作为保护其他受威胁植物的模式。

1 研究区的自然概况

研究区位于甘肃省白龙江插岗梁省级自然保护区，隶属白龙江林区，是我国九大林区之一，位于青藏高原东部边缘与岷山山脉的白龙江和洮河两大河流上游，属长江和黄河的源头地区，是我国西北地区的重要绿色屏障。

林区内属于典型的高山峡谷地区。白龙江林区属于亚热带大陆性过渡区季风型山地气候，冬季时间长寒冷干燥，夏季时间短温凉湿润，雨水主要集中在5—9月。气温年较差不大，年、月平均日较差为10℃左右。风向与山脉走向相关，盛行东南风。

2 研究方法

2.1 控制授粉试验

2021年7—9月，在甘肃省白龙江插岗梁省级自然保护区茶岗保护站片片沟随机抽取9株水青树，其中3株生长正常且均匀。采样点之间的距离至少为50 m，以避免植物之间的干扰。由于雨季花序弱，牛皮纸袋重，在塑料袋上进行了控制性授粉实验，采用4种处理方式：①异株异花授粉；②同株异花授粉；③自花授粉；④自然授粉。每天10:00～15:00的花粉量大，此时进行控制性授粉是最有效的，同时每天更换塑料袋，直到开始产卵。

所有果树在成熟时，在植株的不同冠层和方向随机采集果序，用相同的授粉方法进行混合，在室温下干燥并清除其他残留物，然后回到实验室，在4℃和85%～95%的相对湿度下储存在冰箱中。

2.1.1 观察种子的形态学特征用不同的授粉方式，随机选择500颗完整的种子，用精度为0.01 mm的电子矩形数字卡尺对种子的长、宽、厚进行检测。上述程序测定4次。

2.1.2 每千粒种子的重量、饱和度和水分含量水青树经净度分析后，在室温下自然干燥。采用罗氏法，随机选择由不同方式处理过的1 000粒水青树种子，重复此动作4次。对种子重量进行单独测量，取平均值作为1 000颗种子的重量；接着用恒温干燥法将种子放在105℃的干燥箱中，每隔1 h测量1次重量，等到重量开始变轻之后，计算并记录水青树种子水分含量。随后从不同的处理中随机选择1 000颗种子，用立体显微镜手动测定和计算种子的体积重量、干燥度、败育度。

2.2 种子萌发与幼苗初期生长试验

选取4种不同授粉方式的种子各400粒，每组100粒。其后再将种子放入0.1%的NaClO溶液中浸泡0.5 h，最后再使用蒸馏水冲洗5～6次，在发芽盘25℃蒸馏水中消毒。此试验是在培养皿中以蒸馏水为基质的2层滤纸上进行的，使光照的强度为18.5 lx，8 h/d，恒温25℃。此试验期间，在人工气候室中保持潮湿和通风的环境。当胚芽达到种子的一半长度时，就认为开始发芽，每间隔1 d记录1次。若连续7 d未发芽，则认为发芽完成。发芽期间，准确地记录发芽的起始时间和结束时间，发芽完成后，测算发芽率、发芽势及其他参数。

分层生长后，每种发芽类型的幼苗选择20株置于双层滤纸基质的培养皿中进行连续生长，每天记录、测量幼苗的茎长和根长。

2.3 数据统计分析

种子含水量（%）＝（种子鲜重－种子恒重）/种子鲜重×100%。

萌发率（%）＝（种子萌发总数/100）×100%

发芽势（%）＝（种子萌发到达高峰时的总数/100）×100%

试验数据使用Excel 2018软件进行统计，采用One-WayANOVAtest分析不同授粉方式下的种子生物学特性和树苗初始生长的差异。如果方差齐性检验通过(显著性差异在0.05以上），则采用Duncan检验进行多重比较分析；如果方差齐性检验未通过(P＜0.05），则使用Dunnet’s T3 test检验软件进行多重比较分析。

2.4 结果与分析

2.4.1 种子的形态指标不同的授粉方式对长度没有显著影响（f＝1.759，P＝0.142＞0.05），但对水青树种子宽度（f＝25.457，P＝0.000＜0.05）和 厚 度（f＝27.984，P＝0.000＜0.05）有 显 著影响。在同一植株上进行异花授粉时，播种时间最高，自花授粉时最低点。两者之间有明显区别，与其他2种处理没有明显区别。同株异花授粉、异株异花授粉种子长度相差不大高于自花授粉和自然授粉，自然授粉种子状态最差，与其他方式授粉存在显著差异。异株异花授粉种子最厚远大于其他3种授粉方式，自花授粉最低，与其他处理有显著的差异（表1）。

表1 不同授粉处理后水青树种子的形态特征比较

2.4.2 不同授粉处理种子的千粒重、饱满度、含水量比较不同的授粉方法对每千粒种子的重量(f＝4.965，P＝0.008＜0.05）和 体 积（f＝3.548，P＝0.038＜0.05）有明显的负面影响。异花授粉的每千粒播种体重最高，与其他处理有明显差别，与其他处理无明显差别。然而，水青树播种密度值最高的是自然授粉处理，同株异花授粉与异株异花授粉种子千粒重、饱满度、含水量没有明显差别；自花授粉，自然授粉差异明显（表2）。

表2 不同授粉处理后种子千粒重、饱满度、含水量比较

2.4.3 种子的萌发特征不同授粉处理对种子的发芽率（f＝69.45，P＝0.000＜0.05）和发芽势（f＝18.25，P＝0.000＜0.05）有明显影响。异株异花授粉处理的萌发率和发芽势最高，与其他授粉处理差别明显；自然授粉处理发芽势最低与其他组相比有明显差异，而萌发势与自花授粉处理无明显差别，与其他授粉处理有明显差别（表3）。

表3 不同授粉处理后种子的萌发特性

2.4.4 幼苗的初期生长每次授粉的根和茎的长度都会随着生育期的增加而呈现上涨的趋势。在幼苗期前4 d的生长过程中，刚开始会快速生长，但随后就会减缓。在异花授粉的种子中，第1天的生长长度是比较短的，到了第2天生长速度变快，第3天茎长达到了最高位置，之后就是自然授粉、异质授粉和自花授粉。在整个试验过程中，自然授粉植物的根长是最高的。异花授粉植物的根长也会在第7天远超异花授粉和自花授粉植物的根长，而自花授粉植物的根长总是会在较低的位置。

2.5 讨论

种子成长的大小展示的是植物生命的重要特征。它是影响种子命运的决定性因素，从而直接影响植物的自然再生能力[3]。种子成长的大小大部分会有继承的特性，其次是受生态因素的影响。普遍来说，种子的长度和宽度是比较固定的，但厚度会因为生长环境和其他外在因素的影响而产生差异，所以种子的厚度对种子卫生非常重要[4]。本次试验结果表明，4种授粉方式对水青树种子的长度影响不大，说明遗传品质对种子长度无明显影响，相对固定的，与以往研究结果相同[5]；4种不同授粉的方式对种子宽度和种子厚度有明显影响，说明种子宽度和种子厚度不但会受到生长环境的影响，也会受遗传质量的影响。这两个方面都可以作为种子选择的指标，以确保良好的遗传质量。

健康是指个体在固定的环境中成功生活、成长、繁殖的能力比较强。广义的适应性是指生命力和繁殖力，适应性的常见指标是种子数量和质量的差异（包括种子大小、每干粒种子的重量、丰满度、发芽率等）和个体生长发育（发芽的均匀性、植物早期生长）[6]。研究表明，种子的大小和后代的形状之间存在着明显的比例关系[7]。这意味着具有高适配性的种子一般具有较高的质量，种子大小、完整度、种子千粒重和发芽率都相对较大。由这些品系产生的幼苗也有更好的早期生长条件和更强的存活和繁殖能力[8]。

研究发现，在不同的授粉处理下，水青树的种子厚度、千粒重、发芽率、发芽率均有明显差异，说明水青树种子的遗传品质对水青树种子和幼苗的形态有明显影响；在不同异质授粉处理下，种子厚度、千粒重、发芽率、发芽率均高于同质自花授粉和异质授粉处理，且茎生长得总是最好。结果表明，在异质授粉处理中，水青树的种子和幼苗适宜性明显高于自花授粉和异质授粉处理，这是由于自花授粉或近亲繁殖的减少。

由于自然环境复杂多变，温度的变化可导致种子休眠或抑制种子萌发及幼苗的生长，影响植物成活。有研究表明，交替变化的温度可打破种子休眠，20℃～10℃的变温条件下，水青树种子的萌发率可达到90%以上，高于30℃～20℃、25℃～15℃及恒温处理，则有利于种子萌发[9]。本次试验时，气温在17.5℃～11.5℃，符合水青树种子萌发的有利条件。同时，变温条件下幼苗叶生长较好，在其幼苗生长初期，幼叶尚未形成，此时子叶可进行光合作用，为植株的生长供给营养。子叶的生长情况与幼苗初期的生长及存活密切相关，能够为幼苗的生长提供更多的营养。由此可见，变温处理是有利于其种子萌发和幼苗存活的。因此，在水青树的育苗过程中，要对种子进行变温处理。

3 结束语

自然授粉种子的宽度、厚度、发芽率明显低于自花授粉和异花授粉的种子，而长度、每千粒种子的重量和发芽率与自花授粉的种子没有明显差异。这可能是水青树为适应恶劣的生长环境的条件（花期与雨季重合）和低种群密度而开发的一种繁殖方式[10]。自交和近交的遗传效应会大大地降低后代（种子和幼苗）的适应能力，最终影响种群自然再生的能力，这可能是水青树即将灭绝的主要原因。遗传多样性是生物进化的基础，一个物种的遗传多样性的高低是长期进化的结果，对物种的生存和进化有很大影响。种群也通过遗传多态性对自然选择作出反应。自我决定的植物的后代往往比杂合子更纯净，遗传多样性更少，适应性更强，从而导致自我复制。自我复制是近亲繁殖退步的一个典型例子。对于某些性状，杂合子代的相对适应性高于亲代，反映了杂交的优势。杂交授粉的种子和幼苗的较高适应性与它们的杂交或远交亲本亲缘关系的远近正相关。相反，自花授粉或同种异体的种子和幼苗的适应性与它们的杂交或远交亲本亲缘关系的远近负相关。