南方红豆杉假种皮的发育式样及生长模型研究

肖海静，曹赣财，吴少东，裘利洪，张文根

（江西农业大学 林学院/野生动植物保护与利用研究中心，江西 南昌 330045）

【研究意义】南方红豆杉（Taxus wallichianaZucc.var.mairei（Lemee &H.Léveillé）L.K.Fu &Nan Li），为红豆杉科（Taxaceae）红豆杉属（TaxusL.）常绿树种，属国家一级重点保护野生植物。南方红豆杉的叶、皮、根可提取具有抗癌作用的紫杉醇等生物原料[1]；其木材结构坚实耐腐，可用于水利工程、建筑家具等行业[2]；其树形优美，四季常青，假种皮成熟肉质红色，鲜艳饱满，是具有较高观赏价值的园林绿化树种[3]；而且，假种皮含有较高的可溶性糖、维生素C、矿物质元素等营养成分，可鲜食或泡制果酒，也可晒干制成果脯[2,4]。因此，南方红豆杉是我国特有的集药用、材用、观赏和食用于一身的珍稀树种[5]，其假种皮可食、可赏，亦可药用，开发潜力巨大。【前人研究进展】发育式样是植物发育研究的重要内容，如极性生长[6-8]、生殖发育[9-10]、向心发育[11-12]、异面发育[13-15]等。滞后发育是一种待深入研究的发育式样，常见于花瓣的发育[16]。生长模型是以系统分析和数学模拟来定量描述生物的生长和发育以及形态建成过程，反映生物内外环境对生长发育的影响[17-18]，是植物果实发育研究的重要内容和手段，已在苹果（Malus pumila）[19-20]、杨梅（Myrica rubra）[21]、核桃（Juglans regia）[22]、龙眼（Dimocarpus longan）[23]、中华猕猴桃（Actinidia chinensis）[24-25]、火龙果（Hylocereus undatus）[26]等果树中开展了相关研究。目前，南方红豆杉大（小）孢子发生、雌（雄）配子体发育、遗传多样性、假种皮色素及营养成分等方面的研究已经比较深入[4,27-30]。其假种皮的发生始于授粉后，7月底至8月下旬，胚珠基部的分生组织细胞经过一系列有丝分裂后，形成杯状假种皮[27]。【本研究切入点】本研究首次对南方红豆杉假种皮的生长发育样式进行分析研究，利用多项式拟合建立生长模型，并对假种皮各生长指标之间进行相关性分析，以探讨假种皮的生长发育规律，为制定其球果高产、高质管理措施提供参考依据，并对观赏型南方红豆杉的开发利用提供借鉴。【拟解决的关键问题】南方红豆杉假种皮的滞后发育现象及生长模型研究未见报道，通过定量描述南方红豆杉假种皮的生长发育过程，分析南方红豆杉假种皮的滞后发育现象，建立假种皮的动态发育曲线和数学模型，为其开发利用奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究以江西农业大学校园内生长优良且无病虫害的南方红豆杉为材料。江西南昌属亚热带湿润季风气候区（28°45′N，115°49′E），年平均温度17～17.7 ℃，年平均相对湿度为78.5%，年日照时间1 723～1 820 h，常年降水量1 600～1 700 mm，适宜南方红豆杉的生长。

1.2 试验方法

根据南方红豆杉假种皮的生长发育特点[27]，数据采集详情如下：

（1）于2021 年8 月25 日进行首次取样，之后每隔约10 d（09—05，09—15，09—25，10—05，10—15，10—25，11—05，11—15，11—25）取样，直至12月假种皮完全成熟，共取样10次；

（2）每次取样收集30 颗生长良好的球果，观察、拍照和测量，采用手持式色差仪SC-10 进行色值测定，并用游标卡尺测量球果和假种皮的长、宽、厚。

色值测定在光源C/8°条件下，按CIE表色系统测定假种皮的颜色，每球果测量3次，记录假种皮明度（L*）、红绿值（a*）和黄蓝值（b*），并计算色泽比（h）、色相角（h*）和彩度（C*），参照李玉阔等[31]和孟蕊[32]的方法。

1.3 数据处理

采用Excel 2019 进行数据处理和作图，计算平均值、标准差、色泽比、色相角和彩度等；采用Origin 2018绘制假种皮生长发育各指标的生长动态曲线[21]；采用SPSS 25.0软件进行数据的单因素方差分析，差异显著性检验用最小显著性差异法（least-significant difference，LSD），显著性水平设为0.05[33]；采用SPSS 25.0软件多项式回归的方法，建立南方红豆杉假种皮的生长模型，并分析各指标间的相关性[21]。

2 结果与分析

2.1 假种皮的滞后发育式样

从授粉结束至8月25日约120 d的时间内，假种皮的生长发育是极为缓慢的，远滞后于种子（图1A）。9月15日，假种皮的生长速度仍然缓慢（图1B～C），这种滞后发育式样直至九月中下旬才有所缓解。9月25日到11月15日，假种皮生长发育加快，厚度明显增加，其长和厚的生长速率为0.094 mm/d和0.027 mm/d，而种子的生长速率仅0.004 mm/d，此时种子已发育形成种皮、胚乳和胚（图1D～I）。从11月5日到11月25日，假种皮颜色由绿变红，逐渐发育成熟，并包裹种子（图1I～J）。由此可见，南方红豆杉假种皮的发育属于比较典型的滞后发育式样。

球果长宽数据分析表明：11 月10 日，假种皮快速生长，超过种子长度（图2A）；10 月10 日，假种皮宽度超过种子宽度，即假种皮宽超过种子的最宽部位（图2B）；种子的生长主要完成在9 月15 日之前，而假种皮的快速生长始于9月15日之后（图2）。

图2 南方红豆杉假种皮与种子的生长曲线Fig.2 Growth curve of cone aril and seed in Taxus wallichiana var.mairei

2.2 假种皮的生长发育动态

2.2.1 假种皮的基本结构动态 在整个发育过程中，假种皮的长、宽和厚的变化表现出相对的一致性，且长、宽、厚的积累生长量始终保持长＞宽＞厚的生长特点（图3A～D）。9月15日前，假种皮长的生长较为缓慢，净生长量相对较小；9月15日之后，假种皮长的生长明显加快，净生长量在10月和11月明显增加，且在11月15日达到净生长量高峰，平均日增长量为0.073 mm；11月20日后，假种皮成熟，假种皮长生长趋于缓和，净生长量降低（图3A，3D）。由图3B 和3C 可知，9 月15 日之前，假种皮宽和厚生长较为缓慢，之后宽和厚均快速生长，在11 月15 日达到净生长量高峰；假种皮长、宽和厚都出现了两次高峰，并且净生长量的变化趋势基本一致。

图3 南方红豆杉假种皮生长动态曲线Fig.3 Growth dynamic curve of Taxus wallichiana var.mairei aril

净生长量分析表明：在9 月15 日前，假种皮长的生长量之间差异不明显，与其他生长时期均具有显著性差异，且11月15日的净生长量与其它生长时期均具有显著性差异；假种皮宽的生长量在9月15日、11 月5 日和11 月15 日之间差异不明显，且与其它生长时期均具有显著性差异；假种皮厚的生长量与假种皮宽的生长量基本一致（图3D）。由此说明，假种皮长在11 月中旬左右达到净生长量最高峰；假种皮宽和厚在9月中旬、11月中上旬生长速度快，且在9月下旬或10月上旬和11月中上旬左右均达到净生长量高峰。

以假种皮发育天数为横坐标，以定期观测的假种皮长、宽、厚的平均值为纵坐标，拟合南方红豆杉假种皮长、宽、厚的生长发育动态曲线（图4A～C）。由图可知，南方红豆杉假种皮的生长指标发育基本一致，总体呈“慢-快-慢”的生长趋势；且生长发育过程中有2个明显的高峰，近似双S形曲线（图4A～C）。

图4 南方红豆杉假种皮的生长发育动态拟合曲线Fig.4 Dynamic fitting curve of aril growth in Taxus wallichiana var.mairei

南方红豆杉假种皮的长、宽和厚生长量动态基本上表现出一致的变化趋势，可划分为明显的3 个时期，即缓慢增长期、快速增长期、缓慢增长期。其中在9月15日前为假种皮的缓慢增长期；9月15 日至11月20 日，为快速增长期；11 月15 日之后，假种皮长、宽、厚不再明显增长，此时假种皮的颜色逐渐变红。

2.2.2 假种皮的颜值动态 从图4 可知，假种皮颜色转红前的70 d 内（即11 月15 日之前），L*值逐渐降低；转红后，有小幅度增加，之后基本保持稳定（图4D）。a*值始终不断增加，并且由负值增长为正值，即假种皮颜色由绿色变为红色；后期a*值迅速上升，可能是受到花青苷含量上升的影响（图4E）。b*值与L*值的变化趋势相反，假种皮偏黄度先增加后降低（图4F）。由此可见，在整个生长发育过程中，假种皮色泽先变暗后变亮，颜色由绿变红。

果实色泽是各种单色的综合表现，单一颜色不足以代表果实的真正色泽，为此本研究用h、h*、C*3个指标综合表示果实的真实色泽[21]。由（图4G～I）可知，h值呈快-慢-快的“S”型曲线增加，假种皮发育60 d 时（10 月15 日），h由负值（-0.144 9）变为正值（0.076 3），后期不断增加直至假种皮成熟（图4G）；h*值与h值的变化趋势正好相反，呈快-慢-快的“S”型曲线降低，80 d 之后（11 月15 日），h*＜50°，随着h*的降低，红色加深（图4H）；C*整体呈现不断增加的趋势（图4I）。h值与h*值的变化说明假种皮的颜色由绿变红，C*不断增加的趋势，表明假种皮的颜色越来越鲜艳。

2.3 假种皮的生长模型

2.3.1 数学模型的建立 生长模型的建立，可以更科学地预测和掌握假种皮在不同时期的发育水平，反映假种皮的生长发育规律，为假种皮的开发利用提供理论依据[20]。表1为南方红豆杉假种皮发育天数与长、宽、厚、明度（L*）、红绿值（a*）和黄蓝值（b*），色泽比（h）、色相角（h*）和彩度（C*）9个指标间的关系方程式。多项回归模型拟合曲线的相关系数（R2）范围在0.766～0.979，经F检验均达显著水平（P＜0.05），除b*和C*的方程拟合程度达显著水平（P＜0.05）外，其他方程拟合程度达极显著水平（P＜0.01），相关系数越大表示拟合程度越好，说明这些拟合方程能较好地描述假种皮的生长发育动态[21,23]。各指标的拟合方程均为三次多项式方程，其中长、宽、厚、L*、a*、h、h*和C*的统计量F值分别为3 631.27、1 255.05、939.49、31.47、92.76、42.39、43.59，对应的概率值P均为0.000 1，表明拟合方程与试验数据呈极显著相关；b*和C*统计量F值分别为6.56和7.41，对应的概率值P为0.025 0和0.019 0，表明拟合方程与试验数据呈显著相关。由此可见，各拟合方程可较好地预测南方红豆杉假种皮的生长发育动态；拟合方程的拟合程度越高，其决定系数（R2）就越大，其吻合度排序为：a*＞长＞h*＞h＞L*＞宽＞厚＞C*＞b*。

表1 南方红豆杉假种皮生长发育指标（y）与发育天数（x）的关系Tab.1 Relationship between aril growth index（y）and development days（x）of Taxus wallichiana var.mairei

2.3.2 累积模型的建立 物质的累积速度（即单位时间内的物质积累量）可以反映在不同发育时期假种皮物质积累的快慢程度。对南方红豆杉假种皮物质累积量与发育天数的最优多项式关系方程进行求导，得到假种皮物质积累速度与发育天数的关系方程[23]（表2）。由表2 可知，假种皮长、宽和厚两个指标的累积速度方程为二次方程，二次项系数为负值，说明曲线为开口向下的抛物线，即假种皮的生长发育过程较复杂。

表2 南方红豆杉假种皮生长指标累积速度方程Tab.2 Equation of accumulation rate of aril growth index of Taxus wallichiana var.mairei

2.4 性状相关性分析

在南方红豆杉假种皮的发育过程中，各个指标之间的相关性见表3。假种皮的长、宽、厚、a*、h、C*两两之间均呈正相关，且两两之间的相关关系均达极显著正相关（P＜0.01），表明南方红豆杉假种皮的这些指标间相关程度较大；L*与长、宽、厚、a*、b*、h、h*和C*之间为极显著负相关，相关系数均小于0.397，表明随着假种皮的生长，假种皮的色泽呈变暗的趋势；b*与长、宽、厚、a*、h和C*之间为极显著正相关，h*与长、宽、厚、a*、h和C*之间为极显著正相关，b*与h*之间无显著相关性。除b*与h*之间无显著相关性之外，假种皮的各项指标间的相关程度较高，并且随着假种皮的生长，假种皮的颜色由绿转为红，且颜色越来越鲜艳。

表3 南方红豆杉假种皮各指标间的相关性分析Tab.4 Correlation analysis of different indexes in the aril of Taxus wallichiana var.mairei

3 讨论

假种皮是一类独立于种子的特殊结构。裸子植物罗汉松科（Podocarpaceae）、买麻藤科（Gnetaceae）以及红豆杉科等部分植物的种子常常为假种皮所全部或部分包被，球果呈核果状、坚果状或浆果状[5]。红豆杉属植物的球果从外到内由苞片、假种皮和种子3 部分组成（图5），假种皮不仅具有保护种子的作用，而且可以作为食物，吸引动物采食促进种子传播。值得注意的是，被子植物荔枝属（Litchi）[34-36]、南蛇藤属（Celastrus）[37]以及卫矛属（Euonymus）[38]等植物也具有假种皮，且都存在滞后发育的现象。

图5 南方红豆杉假种皮的发育过程Fig.5 Schematic diagram of cone aril growth in Taxus wallichiana var.mairei

滞后发育是一种特别的发育式样。李建国等[34-35]和邱云霞等[36]对具假种皮的荔枝提出“球皮对球胆效应”以及“先长皮后长肉”的概念；在龙眼果实生长发育过程中，有研究表明假种皮的生长落后于果皮和种子的生长[39-40]，即果皮和种子先长，“果肉”滞后发育。根据陈霞等[41]的初步统计，裸子植物约5 科和被子植物约26科植物具假种皮，它们的来源、特征、分布、生态学意义等各不相同，目前对其生长发育特征的研究也较少。因此假种皮的滞后发育式样有可能是一种普遍存在的为保护种子而进化的特殊式样，有待进一步研究验证。

生长模型是植物果实发育研究的重要内容和手段，是制定高效优质栽培技术的前提。南方红豆杉假种皮的生长模型可以看出生长总体呈“慢-快-慢”的变化趋势，近似双“S”形曲线，生长指标两两之间均呈正相关，且相关性均达极显著正相关，这与苹果[19-20]、龙眼[23]、中华猕猴桃[24-25]等果实增长模型相同；成熟南方红豆杉假种皮高度肉质化，呈鲜艳红色，味甘甜，其假种皮富含8种人体必需的氨基酸，具有较高的营养价值，而且还含有紫杉醇功能成分[5]，使它兼具重要的医疗保健价值；因此，对南方红豆杉假种皮的生长发育规律的研究可作为制定其球果高产、高质管理措施的参考依据，并对其球果的采收与管理有重要意义。但是数学模型是在具体年份和一定条件下建立的，而果实的生长发育受品种、土壤、天气条件等因子的影响，模型的通用性需要进一步研究，因此利用包含生态因子的广义生长方程建立通用性更广、机理性更强的果实生长模型是今后工作的重点方向[42]。

果实颜色是影响其品质的重要因素，也是观赏植物的重要性状之一[43]。本研究发现，L*与长、宽、厚、a*、b*、h、h*和C*之间为极显著负相关，即随着假种皮的生长，假种皮的色泽呈变暗的趋势，但总体上假种皮的色泽呈由暗变亮，由绿变红，且在11月中下旬红绿值最大，假种皮鲜红美丽达到最佳观赏期，这与桃（Prunus persica）[44]、杨梅[21]等果实颜色变化规律类似，假种皮颜值的生长模型研究为观赏型南方红豆杉的开发利用提供借鉴。尤其是现已发现橙色、黄色、橙黄色等其他颜色假种皮的南方红豆杉，因植株采样困难，受成本、时间的影响无法对其进行系统的发育研究，而通过对红色假种皮南方红豆杉的生长规律研究对明确其他颜色假种皮南方红豆杉的生长规律有着重要的意义，同时对丰富园林观果植物的种类和假种皮观赏价值的提高提供了一定的数据参考。

4 结论

本文通过对南方红豆杉假种皮的生长、色值变化规律以及相关性研究，揭示了假种皮的滞后发育式样，建立了假种皮生长模型。南方红豆杉假种皮的发育明显滞后于种子的发育，属于典型的滞后发育式样；在整个发育过程中，假种皮的长、宽和厚的变化表现出相对的一致性，总体呈“慢-快-慢”的生长趋势；且生长发育过程中有2个明显的高峰，近似双S形曲线；假种皮积累生长量始终保持长＞宽＞厚的生长特点，各生长指标在9月中旬、11月上旬和11月中旬生长速度快，长在11月中旬左右达到净生长量最高峰，宽和厚在9月中旬和11月中旬均达到净生长量高峰；假种皮的色泽由暗变亮，由绿变红，且颜色越来越鲜艳。假种皮的各项指标与发育天数之间存在明显的多项式回归关系，生长模型符合三项式方程。除b*与h*之间无显著相关性之外，假种皮各项指标间的相关程度较高。本研究结果基于生长指标和颜色变化对南方红豆杉假种皮进行模拟和预测果实发育奠定了理论基础。