貴州喀斯特高原金發蘚原變種（Polytrichum commune Hedw.var.commune）蒴齒水濕運動研究

張哲旗 王智慧* 張朝暉

（1. 貴州師范大學生命科學學院，貴陽 550001；2. 貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴陽 550001）

蘚類植物的孢子釋放可分為5種傳孢類型，即腐媒傳孢型，風媒傳孢型，汽—風媒傳孢型，水媒傳孢型和蟲媒傳孢型［1］。其中汽—風媒傳孢型包括蘚類90%以上的種，可分為外汽—風媒傳孢型和內汽—風媒傳孢型。外汽—風媒傳孢型的蘚類孢蒴蒴齒對水汽敏感。當蒴蓋開裂后，蒴齒隨空氣中水汽干濕內曲外卷，由于齒片或齒條齒毛粗糙孢子附著，隨風流散放［2～4］。這種運動在節齒類單齒或雙齒的蘚類植物散孢過程中起到重要作用［5～7］，而在以風為主導媒介的線齒類金發蘚科植物中尚未記載。

蒴齒結構對于孢子釋放的影響，可以通過測量孢子的釋放范圍和釋放總數進行反映。測量孢子的釋放范圍主要有兩種方法：①直接測量：設計野外定點試驗，放置粘性載玻片，通過對一定時間內捕獲的孢子進行數據匯集、分析推測孢子的釋放能力［8～9］。②間接技術：通過空間遺傳結構進行推論［10］。直接測量的方法雖然數據直觀，但孢子散放的距離常常在空間上超出玻片放置的范圍，使得取樣所獲得的數據不足以精確地表示孢子釋放的能力［11～14］。而間接方法雖不受空間、時間的限制，但不能提供直接可測量的擴散距離，且往往推測結果與實際不符［15～16］。因此，本文選取了典型貴州喀斯特高原線齒類金發蘚原變種（Polytrichum commune Hedw.var.commune）為研究對象，通過濕度變化觀察蒴齒結構的差異，并通過室內模擬風吹試驗，探究蒴齒結構變化對孢子釋放量的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

拱攏坪國家森林公園地處104°58′38″E～105°02′25″E，27°12′34″N～27°15′43″N。位于貴州省畢節市七星關區西南，距畢節城區41公里，屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫12.8℃，海拔1 435～2 217 m，森林覆蓋率95%以上［17］。金發蘚原變種生長于無樹木遮蔽，開闊沼澤環境。

1.2 研究物種

金發蘚原變種的孢蒴長0.4～0.8 cm，從5～8 cm直立的蒴柄頂部生長出（見圖1a）。該種生長在開放的沼澤土壤，受精發生在夏季，孢子體在秋/冬季成熟，在冬/春季蒴帽脫落，蒴蓋開裂之后，從側向的孢蒴開口釋放孢子。球形孢子的直徑9～12 μm［18］。金發蘚原變種孢蒴開口處由蓋膜覆蓋，與蒴齒尖端相連，類似于鹽瓶結構［19］。

1.3 試驗設計

1.3.1 濕度變化對金發蘚原變種蒴齒結構的影響

在樣地隨機選取3 個1 m×1 m 的樣方，相鄰樣方相距約5 m。每個樣方選取長勢相似的金發蘚原變種，連根拔起放置于信封袋中，帶回實驗室放置于陰涼干燥處。待樣本完全干燥后，選取孢蒴大小相近的12 株分為兩組，第一組解剖分離出蒴齒與蓋膜，第二組保持孢蒴的完整性。

利用XSZ-107 光學顯微鏡觀察并測量干燥情況下第一組蒴齒的齒寬、齒長、齒間距及蓋膜面積，測量第二組蒴齒的齒寬、齒間距及蓋膜面積。之后在第一組蒴齒片段上滴水，浸沒2 min 后測量蒴齒和蓋膜的各項數據，第二組噴灑水霧2 min 后測量。

1.3.2 室內模擬金發蘚原變種孢子散發試驗

選取金發蘚原變種孢子體相似的4株，剪取蒴柄使孢子體長度為6 cm，使用鱷魚夾固定在桌面上，正前方1 cm 處豎直放置3 塊粘性玻片，每塊長8 cm，寬2.5 cm，總面積為60 cm2，后方12 cm 處放置風機（見圖2）。通過預實驗發現釋放的孢子主要以中間玻片的上半部為中心向周圍擴散，少數散布于左右兩塊玻片，3塊玻片整體的左右邊緣處未發現孢子，僅在中間玻片的上邊緣散布少量孢子，故粘性玻片的設置能夠捕獲絕大多數釋放的孢子。

模擬試驗測量干燥時釋放孢子總數10次計算平均值，隨后對孢子體噴灑水霧2 min，以保持濕度達到100%，之后分別測量每隔2.5 和5 min 的孢子釋放量，每次風吹10 s，風速約7 m·s-1，每株重復2 次，同時記錄簇孢（孢子由2 個及以上單個孢子形成的孢子團，見圖3）數量。

1.4 數據處理與統計分析

利用SPSS 16.0 統計軟件進行雙因素方差分析，并對平均值進行Duncan 多重比較，顯著性水平為0.05。利用Microsoft Excel進行數據統計和繪制表格。

2 結果與分析

2.1 濕度變化對金發蘚原變種蒴齒結構的影響

濕度增加后，齒間距從8.33 μm 顯著增加到11.53 μm，同時蓋膜面積擴大20%，隨后均呈下降趨勢并在40 min 后恢復（見表1）。同時在兩種不同處理方法的試驗中發現蒴齒齒寬、齒高、齒間距和蓋膜面積均在濕度增加后顯著擴大，并在再干燥時恢復（見圖4～6）。

2.2 室內模擬風吹試驗

2.2.1 濕度變化后金發蘚原變種每隔5 min的孢子釋放數量及簇孢百分比

水濕運動初期，金發蘚原變種齒間距和蓋膜面積顯著增加，并隨著時間變化逐漸恢復（見表1）。這種結構變化導致孢子釋放量在濕度增加后的初期，金發蘚原變種孢子釋放量均顯著高于干燥時（P＜0.05），并隨時間的變化呈現下降趨勢，在后期保持在顯著低于干燥時的孢子釋放量。而簇孢百分比在濕度增加后高于干燥時期，并隨著孢子釋放數量的減少呈上升趨勢，在孢子釋放保持在極低水平時達到最大占比（見圖7）。

表1 濕度變化后金發蘚原變種蓋膜面積和齒間距的變化情況Table 1 Changes of P.commune Hedw.var.commune epiphragm area and space between peristome after increasing humidity

2.2.2 金發蘚原變種蒴齒結構改變對孢子釋放量和簇孢百分比的影響

通過對蒴齒結構改變初期和恢復期的孢子釋放量研究顯示，水濕運動初期孢子釋放量顯著高于干燥時和蒴齒結構再恢復時期，并且當蒴齒結構恢復時，孢子的釋放數量和簇孢占比仍顯著高于干燥時（P＜0.05）（見圖8）。

2.2.3 濕度變化后金發蘚原變種在不同時間間隔孢子釋放量的變化趨勢

濕度變化后，在不同時間間隔的連續風吹試驗中，金發蘚原變種孢子釋放數量變化趨勢相似，均在水濕運動初期顯著增加，隨后呈現下降趨勢，并最終保持極低的孢子釋放水平。但相較于前者，5 min 間隔的孢子釋放數量趨勢呈現后移，即當前者孢子釋放量維持極低水平時，后者仍能夠保持顯著高于干燥時的孢子釋放量，并且兩者均在相同的風吹次數后達到孢子釋放量最低水平，同時2.5 min 間隔的孢子釋放中簇孢占比與5 min的變化趨勢相似（見圖9）。

3 討論

3.1 水濕運動對金發蘚原變種蒴齒結構和孢子釋放量的影響

金發蘚科植物孢子傳孢類型屬于風媒傳孢中的波形傳孢型，孢子體成熟后蒴蓋脫落，蓋膜類似鼓皮，風流吹過齒間時，蓋膜上下波動，使孢子隨波形風流散放［20～21］。蒴齒齒間距及蓋膜面積均會對孢子的釋放量造成影響。本研究發現，水濕運動前后金發蘚原變種蒴齒結構具有顯著變化，濕度變化初期齒間距及蓋膜面積均顯著高于干燥和孢蒴結構再恢復時期（見圖4，6）。通過對這3 個時期孢子釋放量統計發現，濕度變化后初期孢子釋放量顯著高于干燥時，并在蒴齒結構恢復時孢子釋放量顯著減少（見圖8）。

3.2 水濕運動中簇孢占比的變化對孢子釋放量的影響

在水濕運動中，當蒴齒結構再恢復時，其孢子釋放量仍顯著高于干燥時期，通過對簇孢占比的研究發現，在濕度增加后孢簇占比高于干燥時期，并在蒴齒結構再恢復時存在顯著差異（P＜0.05）（見圖7～8）。據此推測，濕度增加導致大量水汽進入孢蒴中，孢子粘度增加相互聚集形成簇孢，導致在孢蒴結構恢復時期，孢子釋放中簇孢占比仍處于較高水平，從而顯著提高孢子的釋放量。

3.3 水濕運動后不同時間間隔對金發蘚原變種散孢的影響

水濕運動后不同時間間隔的連續風吹試驗發現，孢子釋放量和簇孢占比變化趨勢相似，并在相同的風吹次數后保持在極低的孢子釋放水平。但不同的是5 min 時間間隔的孢子釋放量趨勢較2 min呈現后移變化（見圖7和9）。

據此推測：①濕度增加引起水汽進入孢蒴中，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。水濕運動初期，由于蒴齒結構的改變，使得吹過齒間的風量和蓋膜波動幅度增加，波形風流的加大能提高相同時間內的孢子釋放量，同時能夠將簇孢分離成單個孢子和小型簇孢，并與非聚集孢子一起吹出，導致孢子釋放量的顯著增加，而簇孢占比無顯著性差異。②隨著試驗進行，孢蒴中非聚集孢子數量下降，同時由于蒴齒結構的逐漸恢復，波形風流降低，不具備將大型簇孢分離的能力，只能將剩余的非黏連孢子與小型簇孢散出，導致孢子釋放量呈下降趨勢，而簇孢占比逐漸提高。

3.4 節齒類與線齒類蒴齒的差異

Vita［24］認為外汽—風媒的傳孢類型的節齒蘚類蒴齒的作用機制是主動的。Johnson［7］在1931年通過水蒸氣與濃硫酸組裝裝置首次在實驗室中驗證葫蘆蘚屬（Funaria）植物在濕度變化中蒴齒的結構變化。但這種水濕運動的條件不是唯一的，Patterson［3］發現角齒蘚（Ceratodon purpureus）在潮濕環境中蒴齒向內彎曲，孢蒴開口處封閉。而Forsstroemia ohioensis在潮濕環境中蒴齒水平向外翻折，將孢蒴開口打開，在干燥時蒴齒沿孢蒴內壁內聚，使得孢蒴開口處封閉，同時在隱蒴蘚科（Cryphaeaceae）、平蘚屬（Neckera）、金灰蘚（Pylaisia polyantha）均發現具有相似的運動特征，只是蒴齒張開程度存在不同，金灰蘚在潮濕環境中豎直的蒴齒遠端向內略彎曲，形成類圓錐狀，其他多數蘚類蒴齒遠端向外彎曲呈喇叭狀。這種運動機制對孢子釋放具有積極的作用，Ingold［23］通過改變濕度171次，測量出Eurhynchium confertum 釋放出15 647個孢子。

對于以金發蘚科植物為主的風媒傳孢型，Smith［22］認為線齒類蒴齒的作用機制與節齒類不同，其作用機制是被動的，具有釋放孢子的“鹽瓶”結構，孢子釋放僅與風吹有關，即當風流吹過齒間，引起蓋膜上下波動，產生的波形風流釋放孢子。在本研究中發現，濕度變化會引起蒴齒結構的改變，并顯著增加孢子釋放量，證明線齒類蒴齒具有水濕運動，但這種作用機制于與節齒類蒴齒不同，僅通過改變齒寬、齒高、齒間距及蓋膜面積，影響風流達到提高孢子釋放量的作用。

4 結論

金發蘚原變種在水濕運動中，蒴齒結構發生顯著變化，蒴齒齒間距及蓋膜面積增大，從而引起孢子釋放量的顯著增加，并隨著蒴齒結構的恢復，孢子釋放量逐漸降低。同時由于濕度增加，水汽大量進入孢蒴使得孢子相互聚集形成簇孢，在水濕運動后期當蒴齒結構恢復時，由于其釋放孢子中簇孢占比顯著提高，使得孢子釋放量仍高于干燥時。

對于在連續風吹試驗中孢子釋放量趨勢下降并最終保持在極低的釋放水平的現象，本研究通過對孢子釋放中孢簇占比及蒴齒結構變化趨勢進行分析推測，但缺乏直接證據，對此還需要開展進一步的研究論證。