珍稀瀕危植物天臺鵝耳櫪種子萌發特性研究

趙昌高, 金民忠, 許元科, 林 堅, 季瑞煒, 魏濮瑞, 劉志高

(1.景寧畬族自治縣生態林業發展中心, 浙江 景寧 323500;2.浙江農林大學風景園林與建筑學院, 杭州 311300;3.樂清市園林綠化管理所, 浙江 樂清 325600;4.國家林業和草原局華東調查規劃院, 杭州 310019)

天臺鵝耳櫪(Carpinustientaiensis)為樺木科(Betulaceae)鵝耳櫪屬(Carpinus)落葉喬木,僅分布于浙江省中部海拔800～1 000 m的山林中,1932年被國內著名林學家、樹木分類學家鄭萬鈞發現,是中國浙江特有的古老孑遺植物[1]。由于生境的嚴重破碎化和自然更新能力弱,天臺鵝耳櫪瀕臨滅絕,僅在浙江省天臺縣華頂國家森林公園和磐安大盤山國家級自然保護區有少量分布[2-3],2001年被列為國家二級重點保護野生植物,2013年在《中國生物多樣性紅色名錄——高等植物卷》中被列為極危等級(Cr)[4]。2019年5月18日,植物分類專家李根有和陳征海教授在浙江省景寧畬族自治縣發現了新的天臺鵝耳櫪分布點,是目前最大的野生種群[5-6]。由于花粉活力較低和花期授粉障礙的共同影響,天臺鵝耳櫪種子飽滿率極低(<1.0%),且成熟種子存在休眠現象[7],導致其在原生境條件下不能萌發,自然更新困難。目前天臺鵝耳櫪保護和繁育研究的報道很少,有關種子繁育技術的內容尚未見報道。開展天臺鵝耳櫪種子繁育研究,對緩解其瀕危現狀,促進種群增強、回歸和保護均有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材 料

2021年11月在浙江省天臺縣天臺山華頂國家森林公園的3株母樹上采集天臺鵝耳櫪種子,將采集的混合種子自然陰干后去除種翅和雜質,置于4 ℃冰箱冷藏保存備用。

1.2 方 法

1.2.1種子形態特征觀測

使用ZEN體式顯微鏡(德國)觀測種子形態并拍照記錄。每組隨機選取30粒種子,用精度為0.02 mm的游標卡尺測量種子長度、寬度和厚度,重復3次,共測量90粒種子。

1.2.2種子百粒重和飽滿率測定

使用電子天平(精度:千分之一)采用百粒法[8]測定種子重量,隨機選取100粒為1個重復,重復5次,記平均值。再把上述種子用水選法進行篩選[9],將種子浸泡于水中,下沉的為飽滿種子,上浮的為非飽滿種子,統計飽滿率。

1.2.3種子活力測定

采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)染色法[10]測定種子生活力,隨機選取飽滿種子60粒,均分為3組(每組20粒),沿種臍垂直方向切開,暴露胚部,將切開的種子放入0.2% TTC染液中,37 ℃水浴鍋中靜置40 min后,清水沖洗2遍,計算種子生活力均值。

1.2.4種子吸水曲線的測定

隨機選取120粒飽滿種子均分為兩組,每組設3個重復,每個重復20粒種子。將其中一組種子的種皮劃開一道深2 mm的傷口,不傷及種仁,另一組種子不做處理,作為對照。再將種子浸泡于蒸餾水中,持續測定48 h,前12 h每2 h測定一次,后36 h每6 h測定一次,取出種子用吸水紙將表面水分吸干,用電子天平稱量不同吸脹時間的種子質量。

吸水率/%=[(Wt-W0)/W0]×100%,式中:Wt為種子吸水t時間段后的種子質量;W0為種子吸水前的起始質量。

1.2.5種子萌發試驗

物理處理方法:1) 常溫(20 ℃)浸種24 h; 2) 高溫浸種:初始水溫為70 ℃,浸種24 h; 3) 變溫浸種:將種子放入90 ℃熱水中20 s,再放入0 ℃冷水中20 s,重復3次,后置于20 ℃清水中浸泡24 h; 4) 種皮損傷處理同1.2.4;后置于20 ℃清水中浸泡24 h;以未浸泡種子作為對照。

分別用50,100,200,300 mg/L濃度的GA3溶液浸種24 h,以清水作為對照。每個處理40粒種子,重復3次。處理后的種子用0.1% KMnO4溶液浸泡20 min,以高溫滅菌后的珍珠巖+泥炭(體積比1∶1)為基質,播種于發芽盒中;在溫度23 ℃,光照(7 500 lx)和黑暗各12 h的光照培養箱中進行發芽試驗;隔日檢查基質干濕度,及時剔除霉變種子,同時記錄種子發芽時間和數量,計算發芽率、發芽勢和發芽指數。

發芽率/%=(發芽種子數/供試種子數)×100%;

發芽勢/%=(播種后45 d內發芽種子數/供試種子數)×100%,經前期試驗驗證,45 d為天臺鵝耳櫪種子發芽勢測定的最宜時段;

發芽指數=∑(發芽種子數/相應的發芽日數)。

1.3 數據處理

用Excel軟件對數據進行處理和作圖,使用SPSS21.0軟件對相關數據進行方差分析。

注:A為種子外觀;B為解剖后的飽滿種子;C為解剖后的干癟種子;D為胚和胚乳。

2 結果與分析

2.1 種子基本特征

天臺鵝耳櫪的小堅果呈寬卵圓形或三角狀卵圓形,長(5.03±0.51)mm、寬(4.67±0.31)mm、厚(2.82±0.35)mm;平均厚度的變異系數最大(12.41%),平均寬度的變異系數最小(6.64%)(表1)。內含1粒種子,外種皮棕色,堅硬,不開裂,具7～11條肋,頂端疏被長柔毛,其余光滑,種臍明顯,內種皮膜質,淺棕色。發育健全的種子具有完整的胚和胚乳,均呈白色,敗育的種子胚呈棕色棉絮狀。本次采集種子的百粒重為(1.70±0.511)g,飽滿率為(2.13±0.72)%,含水率為(15.57±1.72)%。

表1 天臺鵝耳櫪種子形態

2.2 種子吸水曲線

從圖2可以看出,種皮損傷處理的種子較完整種子的吸水率更高,分別為39.65%和34.55%。兩種處理天臺鵝耳櫪種子的吸水曲線相似,吸水過程可以分為快速吸水(0～2 h)、緩慢吸水(2～30 h)和吸水飽和(30～48 h)3個階段。其中種子在浸泡0～2 h吸水速度最快,為快速吸水階段,種皮損傷處理和完整種子吸水曲線直線擬合斜率分別為10.22和8.12,至2 h時吸水率分別達到20.45%和16.24%,占總吸水量的51.58%和47.0%。2～30 h期間,種子吸水速率增幅逐步變緩,種皮損傷處理的種子和完整種子分別在30 h和36 h后停止吸水,兩者的緩慢吸水階段分別為2～30 h和2～36 h,隨后各自進入吸水飽和階段。完整種子吸水總時間較長,吸水速率相對較慢,表明堅硬的外種皮阻礙了水分吸收,這種阻礙作用最終使得完整種子的總吸水率較種皮損傷處理組降低了5.1%。

圖2 天臺鵝耳櫪種子吸水曲線

2.3 種子生活力

TTC法測定結果顯示,飽滿種子的胚染色均勻,生活力較高,達到(93.33±5.13)%,具有良好的萌發潛力。

2.4 不同處理對天臺鵝耳櫪種子萌發的影響

由表2可知,變溫浸種促進種子萌發效果最佳,發芽率達到35.83%,較常溫、高溫浸種和種皮損傷處理分別提高了11.66%,8.33%和12.5%,常溫、高溫浸種和種皮損傷處理對種子萌發均有顯著促進作用,但三者間無顯著差異;變溫浸種處理的種子發芽勢為30%,較其他處理提高了10%～17.5%,發芽整齊度顯著提高;變溫浸種處理的種子發芽指數也為最高,較其他處理提高了0.37～0.65。表明變溫浸種處理對激發天臺鵝耳櫪種子活力具有顯著作用。

表2 物理方法對天臺鵝耳櫪種子萌發的影響

從表3可知,各處理中200 mg/L和300 mg/L GA3溶液浸泡種子的發芽率、發芽勢和發芽指數均較高,分別達到38.35%,28.30%,1.93和2.13,28.77%,37.13%,較其他濃度處理和對照組分別提高了11.4%～15.02%,10.75%～13.42%,1.16%～2.0%,對天臺鵝耳櫪種子萌發的促進效果顯著。

表3 GA3處理對天臺鵝耳櫪種子萌發的影響

總體而言,GA3浸泡處理較常溫浸種、高溫浸種、變溫浸種和種皮損傷等物理處理方法更有利于提高天臺鵝耳櫪種子發芽率和發芽的整齊度。

3 結論與討論

天臺鵝耳櫪的小堅果呈寬卵圓形或三角狀卵圓形,長5.03 mm、寬4.67 mm、厚2.82 mm;內含1粒種子,果皮棕色,堅硬,種臍明顯,內種皮膜質,淺棕色;百粒重為1.70 g,飽滿率為2.13%,含水率為15.57%。天臺鵝耳櫪種子大小與雷公鵝耳櫪(C.viminea)[11]和普陀鵝耳櫪(C.putoensis)[12]相近,但飽滿率卻比普陀鵝耳櫪(7%～8%)[13]還要低。堅硬的種皮不利于透氣、透水,阻礙胚的伸長生長,這種阻礙作用也同樣出現在普陀鵝耳櫪中[14]。天臺鵝耳櫪種子吸水過程可以分為快速吸水(0～2 h)、緩慢吸水(2～30 h)和吸水飽和(30～48 h)3個階段,種皮損傷可以小幅提高吸水率,但最終吸水率仍不足40%,與刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)[15]、梧桐(Firmianasimplex)[16]、浙江紅山茶(Camelliachekiangoleosa)[17]等硬實性種子相似。發育完整的天臺鵝耳櫪種子生活力可達93.33%,具有良好的萌發潛力,但飽滿種子占比極低,這與普陀鵝耳櫪、丹霞梧桐以及珙桐[18]等瀕危植物十分相似,種子空殼率高和外種皮限制是造成天臺鵝耳櫪依靠種子自然更新困難的主要原因。

沒有經過浸種處理的天臺鵝耳櫪種子不能萌發,同樣情況也存在于雷公鵝耳櫪中[11]。常溫浸種、高溫浸種、變溫浸種和種皮損傷處理對提高天臺鵝耳櫪種子萌發率均有顯著作用,尤以變溫浸種效果最佳。浸種的目的是通過水分滲透達到軟化堅硬種皮的效果,疊加水溫的高低變化,可以使種皮膨脹、收縮,達到損傷的目的,此類方法也能有效提高莢紅豆(Ormosiaxylocarpa)[19]、南洋楹(Falcatariamoluccana)[20]等硬實種子萌發率。機械損傷種皮對破除休眠[21]、促進種子萌發[22]也有很好的效果,本研究采用此法雖提高了天臺鵝耳櫪種子吸水率和發芽率,但效果不及變溫浸種處理,再加上其種子個體較小,操作不便且易損傷種胚,在生產實踐中不建議采用。

本實驗中100 mg/L濃度以上的GA3處理均可促進天臺鵝耳櫪種子萌發,其中高濃度(200 mg/L和300 mg/L)GA3處理效果更佳,可以將種子萌發率提升到38.35%和37.13%。歐洲鵝耳櫪種子萌發試驗也顯示,采用濃度為25,100,500 mg/L的GA3浸泡后,種子萌發率隨GA3濃度升高而升高[23]。從目前結果來看,試驗取得的天臺鵝耳櫪種子最高萌發率與其飽滿種子生活力的差距仍然很大,更適宜的GA3濃度處理或物理與化學方法疊加處理需要進一步研究。