滇西北冷杉属植物结实特性及种子特征研究

王 丹 张中帅 曾庆银 韩学敏

（中国林业科学研究院林木遗传育种全国重点实验室，北京 100091）

种子是植物繁殖的主要手段之一，在极端恶劣的环境（冰冻、火灾、洪水、动物吞食等）下生存，通过休眠等待有利于发芽和生长的条件，完成种子萌发和植株生长［1］。植物种子在物理特征（大小、形状和颜色）、生物化学和生理学上均具有多样性，是植物研究的基础。种子的大小影响种子扩散、幼苗生长发育及对非生物胁迫的耐受性，继而影响后续种群的更新［2-4］。种子大小和数量可以被视为植物适应度的指标，因此在进化和生态学研究中具有重要意义［5-6］。另外，种子还可以作为分类特征，如通过48 份野豌豆属（Vicia）植物种子百粒质量、种脐颜色、种皮颜色、种皮纹理等17 个指标的比较，将其区分为14个种，为野豌豆属植物的分类鉴定提供依据［7］。石竹属（Dianthus）、白及属（Bletilla）植物种子的解剖结构也具有重要的分类学价值［8-9］。因此，种子特征研究具有重要的理论价值和实践指导意义。

冷杉属（Abies）为松科（Pinaceae）第二大属，在全球约有50 种，间断分布于北半球温带及亚热带高山地区的高海拔地带，是亚高山暗针叶林的主要建群树种，是生态屏障重要的组成部分［10］。冷杉可以提取树脂、提炼精油，亦是优良的纸浆材，具有重要的经济价值。冷杉属植物对所处生境的要求较高，分布常具有地理局限性，种群的种类和数量也相对较小［11］。据《Flora of China》［12］记载，中国天然分布冷杉28 种，含7 个变种，是世界上冷杉属植物种类最丰富、分布地域最广的国家。冷杉属植物在我国20 个省份呈现由北向南的间断分布，其中横断山区分布相对较多［13］。滇西北横断山区是我国冷杉一个主要的多样性分布中心，冷杉种类相对较多，包括中甸冷杉（A.ferreana）、云南黄果冷杉（A.ernestiivar.salouenensis）、怒江冷杉（A.nukiangensis）、急 尖 长 苞 冷 杉（A.georgeivar.smithii）、苍山冷杉（A.delavayi）、川滇冷杉（A.forrestii）和长苞冷杉（A.georgei）共7 种冷杉［12］。滇西北地区整体地势自西向东南倾斜，具有高度差达3 000 m 的高山和峡谷，地理环境复杂。因此滇西北地区分布的冷杉是研究冷杉种子特征及其变异模式的理想研究材料。

冷杉林是我国重要的森林类型之一，不仅具有巨大的社会效益和经济效益，而且具有特殊的生态价值。然而冷杉属植物结实率、种子饱满率和萌发率较低，幼苗期和幼林期生长极缓慢，天然更新能力差，造成冷杉林植被恢复缓慢，自然更新存在严重障碍，呈现明显退化趋势［14-16］。为提高冷杉种苗繁育的效率，降低繁育成本，本研究对滇西北地区冷杉种子特性开展了系统研究，收集并鉴定了滇西北分布的7 种冷杉及其球果，解析滇西北7 种冷杉的结实特性、种子形态特征、种子生活力及其限制因素，为冷杉大量快速繁育提供材料和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究材料

2020年10—11月在滇西北5个地点共采集52株冷杉，单株收集冷杉针叶、枝条及球果，并根据《Flora of China》［12］冷杉属检索表中描述的球果颜色、苞鳞、小枝颜色及被毛、叶形态和树脂道等分类学性状进行鉴定，采集信息如表1所示。将冷杉球果在干燥通风处悬挂晾晒约1个月，待采集到的球果开裂、种子脱落，通过100 目筛子去除种鳞和苞鳞，获得冷杉种子，用于结实特性和种子特征分析。鉴于野外调查时发现大多数云南黄果冷杉均没有结实，而结实的云南黄果冷杉树高均大于20 m，只采集到1 株树（LS048）的种子，因此仅对滇西北分布的其他6 种冷杉种子的结实特性及生活力进行种间及地区间的差异分析。

表1 样本采集信息Table 1 Sample collection information

1.2 滇西北冷杉种子形态特征和结实特性研究

通过四分法从每株冷杉的种子中随机选取30粒。使用数显式游标卡尺（分辨率为0.01 mm）测量每颗冷杉种子的长度、宽度、厚度。通过四分法从每株冷杉的种子中随机取100粒，使用电子天平测定100 粒种子的总质量，重复取样并测量4 次，计算种子千粒质量。

通过四分法从每株冷杉的种子中随机取100粒进行解剖。解剖后种子内部有虫子的认为是虫蚀粒，种子中空的认为是空秕粒，只有内部饱满且没有虫子的种子被认为是饱满粒。统计每株冷杉上的种子的虫蚀粒数量、空秕粒数量和正常饱满粒数量，计算每株冷杉种子的虫蚀粒率、空秕粒率和饱满率。

1.3 滇西北冷杉种子生活力测定

种子生活力是指种子的发芽潜在能力或种胚所具有的生命力，一般指具有生命力种子数占种子总数的比例。种子生活力的测定采用2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）染色法。参考《种子生活力测定原理和方法》［17］对种子饱满率12%以上的35 株冷杉的种子进行染色。染色结束后取出种胚，根据其着色部位和着色程度，依照ISTA 种子检验规程［18］的标准图，鉴定冷杉种子生活力。

1.4 统计分析

使用IBM SPSS 20.0（IBM Corp，Armonk，NY，USA）软件，进行千粒质量与种子长度、宽度和厚度的线性回归分析，不同地区、不同种冷杉种子特征和结实特性的单因素方差分析和Duncan 多重比较及独立样本t检验。

2 结果与分析

2.1 滇西北冷杉的种子形态特征分析

采集的52 株冷杉种子数达到500 粒，可用于冷杉种子形态特征和结实特性的研究，52 株冷杉种子的平均长度、宽度、厚度及千粒质量分别为6.04～10.22 mm，2.03～3.40 mm，1.26～2.24 mm，4.26～30.50 g，长度、宽度、厚度及千粒质量的均值分别为7.91、2.81、1.81 mm 和18.91 g。不同种、不同地理位置冷杉种子的形态特征差别很大，其中苍山冷杉LS001 种子最小，种子长度为（6.04±0.59）mm，宽度为（2.03±0.24）mm，厚度为（1.26±0.18）mm；急尖长苞冷杉LS024 种子最大，种子长度为（10.22±0.80）mm，宽度为（3.52±0.20）mm，厚度为（2.24±0.18）mm。冷杉种子千粒质量的变异也较大，苍山冷杉LS009 种子千粒质量最小，为（4.26±0.17）g，而急尖长苞冷杉LS024 种子千粒质量最大，为（30.50±0.46）g。

对不同地区、不同种冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量分别进行单因素方差分析及Duncan 多重比较，结果如表2 所示，与其他冷杉相比，采自苍山的苍山冷杉种子长度、宽度、厚度及千粒质量，采自香格里拉小中甸镇的中甸冷杉的种子长度，以及采自云岭乡的云南黄果冷杉的种子宽度和千粒质量存在显著差异。

表2 滇西北7种冷杉种子的形态特征分析Table 2 Analysis of seed morphological characteristics of seven species of Abies in Northwest Yunnan

将所有52株冷杉个体的千粒质量分别与种子长度、种子宽度和种子厚度进行线性回归分析（图1），发现相关系数分别为0.82、0.83 和0.83，而且P值均小于0.01，因此千粒质量和种子长度、宽度和厚度显著相关。

图1 滇西北7种冷杉种子千粒质量与种子长度（A）、宽度（B）和厚度（C）的相关性Fig.1 Correlation analysis between thousand-seed weight and seed length（A），width（B），and thickness（C）of 7 species of Abies in Northwest Yunnan

2.2 滇西北不同地区同种冷杉种子形态特征差异分析

对采自香格里拉小中甸镇（海拔3 400～3 550 m）的5 株中甸冷杉和德钦县白马雪山（海拔3 770～4 050 m）的6株中甸冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量进行比较分析，发现小中甸镇和白马雪山采集的中甸冷杉种子的形态差异显著（图2）。采自小中甸镇的中甸冷杉种子的长度、厚度及千粒质量分别显著大于采自德钦县白马雪山的中甸冷杉种子长度、厚度及千粒质量（P＜0.05），采自小中甸镇的中甸冷杉种子的宽度极显著大于采自德钦县白马雪山的中甸冷杉种子宽度（P＜0.01）。

图2 滇西北不同地区分布的中甸冷杉的种子形态特征*表示差异显著（P＜0.05）；**表示差异极显著（P＜0.01）；下同Fig.2 Seed morphological characteristics of A. ferreana distributed in different regions in Northwest Yunnan P＜0.05 was considered as significant difference；P＜0.01 was considered as extremely significant difference；The same as below.

本研究还对采自香格里拉小中甸镇（5株），德钦县白马雪山（10株）及德钦县云岭乡（3株）急尖长苞冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量进行比较分析（见图3）。结果发现只有小中甸镇分布的急尖长苞冷杉种子的宽度极显著大于云岭乡采集的急尖长苞冷杉种子的宽度（P＜0.01），千粒质量显著大于云岭乡采集的急尖长苞冷杉种子（P＜0.05），而其他地区间急尖长苞冷杉的种子的长度、宽度、厚度及千粒质量均不存在显著差异（P＞0.05）。

图3 滇西北不同地区分布的急尖长苞冷杉的种子形态特征Fig.3 Seed morphologocal characteristics of A. geoegei var.smithii distributed in different regions in Northwest Yunnan

2.3 滇西北同一地区不同种冷杉种子形态特征差异分析

本研究分析了采自香格里拉小中甸镇的5 株中甸冷杉与5 株急尖长苞冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量的差异，结果如图4 所示，中甸冷杉和急尖长苞冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量均不存在显著差异（P＞0.05），小中甸镇分布的2种冷杉的种子特征差异不明显。

图4 小中甸镇分布冷杉种子特征Fig.4 Seed characteristics of Abies distributed in Xiaozhongdian

将采自德钦县白马雪山的6 株中甸冷杉、6 株长苞冷杉及10株急尖长苞冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量进行比较分析，结果如图5 所示，中甸冷杉种子的长度显著小于长苞冷杉和急尖长苞冷杉的种子长度（P＜0.05），中甸冷杉种子厚度和千粒质量均显著小于长苞冷杉（P＜0.05）而与急尖长苞冷杉没有显著差异。另外，白马雪山地区的急尖长苞冷杉和长苞冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量均不存在显著差异（P＞0.05）。

图5 白马雪山分布冷杉种子特征Fig.5 Seed characteristics of Abies distributed in Baima Snow Mountain

2.4 滇西北冷杉结实特性和种子生活力分析

对52 株7 种冷杉种子进行解剖观察，发现滇西北分布冷杉的种子饱满率、虫蚀粒率和空秕粒率的平均值分别为27.51%、4.92%和67.58%，种子饱满率不高、空粒和虫粒严重。通过TTC 染色法，对种子饱满率12%以上的35 株冷杉的种子生活力进行测试，结果发现种子生活力的27.27%～100.00%，差异较大。对不同地区、不同种冷杉结实特性及种子生活力分别进行单因素方差分析及Duncan 多重比较（表3），云岭乡采集的中甸冷杉的空秕粒率和饱满率与同地区的长苞冷杉、云南黄果冷杉差异显著，但是与同地区的急尖长苞冷杉差异不显著。小中甸镇采集中甸冷杉和急尖长苞冷杉的空秕粒率、生活力均显著高于、而饱满率显著低于白马雪山和云岭乡采集的这2 种冷杉。不同地区、不同种冷杉的虫蚀粒率均未发现显著差异。

表3 滇西北冷杉结实特性和生活力分析Table 3 Analysis of fruiting characteristics and viability of Abies in Northwest Yunnan

对滇西北分布6种冷杉种子的虫蚀粒率、空秕粒率、饱满率及生活力进行分析，结果发现苍山冷杉和怒江冷杉种子的虫蚀粒率最低，而长苞冷杉和急尖长苞冷杉种子的虫蚀粒率高于其他种的冷杉种子（图6A）。长苞冷杉种子的空秕粒率也是6种冷杉种子中最高的，其次是苍山冷杉的种子，中甸冷杉和川滇冷杉种子的空秕粒率是最低的（图6B）。由于长苞冷杉种子的虫蚀粒率和空秕粒率都很高，所以其种子的饱满率是6 种冷杉中最低的，而中甸冷杉种子的饱满率是6种冷杉中最高的（图6C）。将不同种冷杉种子生活力进行比较发现，川滇冷杉种子生活力高于其他5种冷杉种子生活力，怒江冷杉和中甸冷杉种子生活力仅次于川滇冷杉种子生活力，而长苞冷杉种子生活力最低（图6D）。

图6 滇西北六种冷杉的结实特性Fig.6 Fruiting properties of six Abies species in Northwest Yunnan

将采自白马雪山、苍山、丙中洛镇、小中甸镇及云岭乡这5个地区的冷杉种子的虫蚀粒率、空秕粒率、饱满率及生活力进行比较分析，发现采自苍山的冷杉种子的虫蚀粒率最低，而采自小中甸镇的冷杉种子的虫蚀粒率最高（图7A）。采自小中甸镇和苍山地区的冷杉种子的空秕粒率高于采自其他地区的冷杉种子的空秕粒率（图7B）。采自白马雪山和丙中洛镇的冷杉种子的饱满率较高，而采自小中甸镇的冷杉种子的饱满率最低（图7C）。通过对采自不同地区的冷杉种子生活力比较分析发现，采自小中甸镇的冷杉种子生活力高于采自其他地区的种子生活力，采自云岭乡的冷杉种子生活力在5个采集地区的种子生活力最低（图7D）。

图7 滇西北5个地区冷杉的结实特性Fig.7 Fruiting properties of Abies species in five regions of Northwest Yunnan

另外，对滇西北地区6 种冷杉的物种、采集地点与虫蚀粒率、空秕粒率、饱满率及生活力的相关性进行了多元线性回归分析，结果如表4 所示，虫蚀粒率与种间及地区间差异的显著性P值分别为0.204 和0.750，差异不显著；空秕粒率与种间及地区间差异的显著性P值分别为0.007和0.493，种间差异显著而分布地区差异不显著；饱满率与种间差异显著（P=0.005）而分布地区差异不显著（P=0.215）；冷杉种子生活力与种间（P=0.008）及地区间（P=0.036）均存在显著差异。

表4 滇西北冷杉结实特性和生活力多元线性回归分析Table 4 A multiple linear regression analysis of fruiting characteristics and viability of Abies in Northwest Yunnan

3 讨论

3.1 滇西北冷杉种子形态特征具有丰富的多样性

种子的体积与形状是种子形态特征的三维表现形式，与种子的传播、持久土壤种子库和种子萌发都有一定的关系，是研究种子形态性状的重要指标之一。质量比较轻、表面积与体积比高或者具有种翅、羽毛等特殊构造的种子，可以通过风力传播［2，19-20］，形状扁平或细长，或有特殊钩状结构的种子，比较容易粘附到动物皮毛上，进行较远距离的传播［21］，而体积小、形状近圆形的种子寿命会较长，且更容易形成持久的土壤种子库［22］。本研究采集的冷杉种子，大多分布于滇西北地区海拔3 000 m 以上的山地，采样地多为海拔高、气温低、湿度大的地区，除云南黄果冷杉的种子是非常明显的三角形，其他冷杉种子多为长椭圆形，种子的长度、宽度、厚度及千粒质量的均值分别为7.91、2.81、1.81 mm 和18.91 g，种子质量和体积较小，主要通过风力传播。同一分布区内的不同种冷杉的种子形态特征，以及不同分布区的同种冷杉种子形态特征均具有丰富的多样性。

3.2 滇西北冷杉种子形态特征的地理变异规律

植物生长的环境对种子形态特征也有很大的影响，研究表明植物种间种子形态存在明显的地理变异规律，种子的千粒质量、体积、厚度等性状与热量、水分因子、年均温、无霜期等条件显著相关［23］。罗大庆等［24］研究发现西藏色季拉山东坡低海拔区域急尖长苞冷杉在单果种子数量、种子千粒质量及饱满率等方面高于高海拔地区，而本研究对香格里拉小中甸镇（海拔3 400～3 550 m）和德钦县白马雪山（海拔3 770～4 050 m）分布的中甸冷杉种子形态特征的比较分析也发现，低海拔的小中甸镇分布的中甸冷杉种子的长度、宽度、厚度及千粒质量均显著大于高海拔的德钦县白马雪山分布的中甸冷杉（P＜0.05），推测低海拔地区可能更利于中甸冷杉种子生长与发育。

3.3 滇西北冷杉结实特性及其应用价值

冷杉种子普遍存在结实率不高、空秕粒和虫蚀粒严重的情况，且冷杉种子萌发困难，发芽周期较长，萌发不整齐，这些因素共同导致冷杉属大多数植物天然更新缓慢，甚至许多冷杉属植物濒临灭绝［16］。种子的大小、千粒质量、饱满率等因素是研究种子萌发过程的先决因素，只有充分了解这些因素，才能在研究种子萌发过程时，对可能出现的萌发率低，萌发周期长，发芽势低等问题作出相对正确合理的判断。本研究发现滇西北分布冷杉的种子饱满率、虫蚀粒和空秕粒的平均值分别为27.51%、4.92%和67.58%，种子饱满率不高、空秕粒和虫蚀粒严重，而种子生活力为27.27%～100.00%，不同个体间生活力也存在显著差异。因此，以上研究结果对筛选饱满率和生活力高的冷杉个体，进行冷杉林繁育与更新具有重要的指导意义。

通过多元线性回归分析了滇西北地区6 种冷杉的物种、地点与虫蚀粒率、空秕粒率、饱满率及生活力的相关性，结果显示虫蚀粒率不存在显著的种间及地区间差异（P＞0.1）；空秕粒率和饱满率存在种间差异（P＜0.01），但与分布地区没有显著相关性（P＞0.1）；冷杉种子生活力存在种间（P=0.008）及地区间（P=0.036）的差异，因此生活力同时受物种特性及环境因素的影响。白马雪山分布的3 种冷杉的种子特征分析发现，中甸冷杉、长苞冷杉和急尖长苞冷杉种子特征也存在差异（图6）。因此，将种子特征、结实特性和生活力与物种及当地的气候条件、地形地势等因素相结合，探究影响冷杉种子发育和萌发的关键因素，为挽救冷杉属濒危植物、促进冷杉林更新恢复提供材料和理论支持。