三种极危水韭孢子体发育及其生理特征

程树颖，关维元，徐永星，刘保东，关 旸*

（1. 哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨 150025；2. 浙江省建德市林业科学研究所，浙江 建德 311600）

三种极危水韭孢子体发育及其生理特征

程树颖1，关维元2，徐永星2，刘保东1，关 旸1*

（1. 哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨 150025；2. 浙江省建德市林业科学研究所，浙江 建德 311600）

以人工繁殖的极度濒危植物中华水韭（Isoetes sinensis）、东方水韭（I. orientalis）、云贵水韭（I. yunguiensis）为试验材料，测定了三种水韭生长过程中光合参数、渗透调节物质及呼吸速率等生理指标，探讨了不同生长时期三种水韭的生理变化。结果显示：三种水韭可溶性糖及可溶性蛋白含量在营养生长期有小幅下降，其后有所升高；叶绿素含量在营养生长期上升而过渡生长期上升缓慢趋于平缓，之后又逐渐上升；三种水韭光合参数均呈先升高再下降又升高的趋势；三种水韭在营养生长期净光合速率上升不显著，呼吸速率变化显著，气孔导度和蒸腾速率减小。

水韭；孢子体发育；生理特征

水韭属（Isoetes）植物是水韭科（Isoetaceae）的孑遗属，为沼生挺水的原始蕨类植物[1]。广泛分布在北半球，仅少数几个种类零星的分布于热带[2]，生境从水生到陆生，具有特殊的形态结构、脆弱敏感的生态适应能力以及景天酸代谢这一旱生植物才有的特殊代谢途径[3]。

目前分布在我国的水韭科植物的种群数量日趋减少仅有5种：中华水韭（Isoetes sinensis）、东方水韭（I. orientalis）、云贵水韭（I. yunguiensis）、高寒水韭（I . hypsophila）台湾水韭（I . taiwanensis）[4～5]。本文报道了均已被列为国家一级重点保护珍稀濒危蕨类中华水韭、东方水韭和云贵水韭[6～7]。前两者分布在低海拔的污染相对严重的长江中下游，后者分布在中海拔的污染相对较轻的云贵高原[8]。其中东方水韭曾被误认为是中华水韭，但前者是六倍体，后者是四倍体[9]；云贵水韭曾被误认为是宽叶水韭（I. japonica），2002年王青锋等依据其孢子形态、染色体数目等主要特征，将其命名为水韭属植物的一个新种[10]。国际上对水韭属植物已做过一些有关细胞学及孢子形态学等方面的研究工作，如U. Kristen等对水韭叶舌的结构功能做了大量的研究[11]，George等探索了个别种的起源与分布[12]，Johna Raven等报道了水韭伴生种谷精草的CO2和CAM的生理作用机制[13]，刘婷婷等[14]和孙昊等[15]先后报道了中华水韭在低温、除草剂等逆境条件下其抗氧化酶系统、光合参数、渗透调节物质等生理生态变化，二者均认为水韭在逆境下所表现的生理生态与其他种子植物不同，并试图从逆境生理上解释水韭濒危的原因。但二者结论均是就成熟植株得出的且仅限于中华水韭，但对三种水韭孢子体生长过程中的生理特征研究迄今尚未见报道。

水韭的生长经历营养生长期、过渡期、生殖生长期等阶段，营养生长期是水韭易受损伤的时期[16]。环境会影响水生植物生长，但研究表明尽管水韭属植物数量少但植物本身的生理特征却会对水体的化学性质产生影响[17]。因此研究自然生境下水韭孢子体生长过程的生理特征可为研究该属其他方面的生理提供基础资料。

植物需通过积累渗透调节物质，保持渗透平衡，进行光合作用等才能维持其正常的生长，其生理变化能反应最基本的生物学特征也为研究其他逆境如污染、农药、低温等条件提供基础参数[18]。通过分析和研究三种水韭生长过程中的渗透调节物质及光合参数等生理指标，在理论上不仅能客观的反映三种水韭的亲缘关系，了解中国产水韭基本生理规律，揭示水韭科植物濒危的生理机制；在实践上也能根据其生理变化更适当的设置其生长环境条件，为我国水韭的繁殖保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料均为中国特产珍稀濒危水韭属植物中华水韭、东方水韭和云贵水韭，分别采自浙江建德、浙江松阳、贵州平坝，由于野生水韭数量极少，本文均用其人工繁殖植株为供试材料。

1.2 试验设计

试验于2013年4月在哈尔滨师范大学温室（126° 42' E，45° 24' N）育苗区进行。温室培养条件为光照时间10 ～ 14 h/d，光照强度600 ～ 800 μmol·m-2·s-1，温度20 ～ 28℃，相对湿度85% ～ 95%。将中华水韭孢子播入高15 cm、长10 cm、宽6 cm的多个聚乙烯盒中。待幼苗长至10 cm后将300株幼苗移栽至10个40 cm×70 cm ×20 cm聚乙烯塑料方盆中，每盆30株。移栽后进行7 d适应性培养后，每28 d随机挑选长势良好植株采样测定，于140 d结束实验。每次测量各指标均需要叶片总量0.9 g，不同年龄段植株重量不同，依据所需叶片总量采相应数量的株数进行测量。东方水韭和云贵水韭育苗方法及实验方法同中华水韭一样。其中1 ～ 56 d为营养生长期、57 ～ 84 d为过渡期、85 ～ 140 d为生殖生长期[16]。

1.3 研究方法及数据处理

可溶性糖含量采用蒽酮比色法[19]，可溶性蛋白质参照汪家政编著的《蛋白质技术手册》中的方法[20]，叶绿素含量的测定参照喻晓丽的方法[21]，呼吸速率的测定采用微量定积检压法测定[22]，光合参数的测定采用美国LI-6400光合作用仪测定。

用Excel应用软件制作图表，数据采用统计分析软件SPSS17.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同水韭生长过程中渗透调节物质的变化

由图1可以看出，三种水韭的可溶性糖含量整体差异不显著，56 d的中华水韭和东方水韭含量基本一致但明显高于云贵水韭，112 d的三种水韭的含量差异不显著，140 d的中华水韭和东方水韭显著高于云贵水韭，且云贵水韭呈下降趋势。

由图2可以看出三种水韭在生长过程中的可溶性蛋白含量呈上升趋势且1 d的中华水韭高于其他两种，中华水韭和云贵水韭呈先下降后上升至基本稳定趋势，除85 ～ 140 d外云贵水韭含量高于中华水韭，其他生长过程中含量基本一致。

图2 3种水韭可溶性蛋白含量变化Figure 2 Changes of soluble protein content in 3 species of Isoetes

2.2 三种水韭叶绿素及光合系统生长过程中的变化

由图3可以看出三种水韭的叶绿素含量在第1天中华水韭要高于东方水韭和云贵水韭后两者基本一致，在1 ～ 28 d均呈上升趋势但东方水韭＞中华水韭＞云贵水韭，29 ～ 84d东方水韭和云贵水韭叶绿素含量有所下降但仍高于中华水韭，85 ～ 112d东方水韭＞云贵水韭＞中华水韭，112 d之后与前28 天趋势一致。

由图4可以看出三种水韭净光合速率呈持续上升趋势，在前28 天中华水韭光合速率显著升高。28 ～ 56d中华水韭和云贵水韭光合速率与前一时期比变化不显著，东方水韭叶片净光合速率显著升高。57 ～ 84 d三种水韭叶片光合速率呈持续上升趋势，生长到84 d后测定三种水韭净光合速率均高于56 d约2倍。85 ～ 140d的各时期净光合速率变化不显著。

图3 3种水韭叶绿素含量变化Figure 3 Changes of chlorophyll content in 3 species of Isoetes

图4 3种水韭净光合速率变化Figure 4 Changes of Pnin 3 species of Isoetes

由图5所示东方水韭和云贵水韭在生长过程中胞间二氧化碳浓度总体呈先升高后下降趋势，自1 ～ 28 d两种水韭胞间二氧化碳浓度上升，以后逐渐下降，140 d达到最低值。其中东方水韭自28 d后胞间二氧化碳浓度上升幅度波动较小，自84 d后大幅下降至112 d时低于84 d的21.7%，而后缓慢下降；云贵水韭自28 d后逐渐呈下降趋势，波动幅度较小。中华水韭在生长过程中胞间二氧化碳浓度总体呈先下降后上升再下降趋势，自1 d下降，28 d后上升，56 d后大幅下降至112 d达到最低值。

由图6可以看出三种水韭的气孔导度均呈先上升后下降再上升的趋势，1 ～ 56 d期间呈上升趋势，57 ～ 84 d的三种水韭气孔导度分别比56 d下降10%、15.5%、10.5%，112 d的三种水韭气孔导度差异不显著，112 ～ 140 d又显著升高，1 ～ 112 d中华水韭与东方水韭的气孔导度显著高于云贵水韭，112 ～ 140 d三种水韭差异不显著。

图5 3种水韭胞间二氧化碳浓度变化Figure 5 Changes of Ciin 3 species of Isoetes

图6 3种水韭气孔导度变化Figure 6 Changes of Gsin 3 speices of Isoetes

2.3 三种水韭孢子体生长过程中蒸腾速率及呼吸速率的变化

由图7可以看出1 ～ 56d期间三种水韭蒸腾速率均显著升高，自56 d开始呈下降趋势，140 d的蒸腾速率恢复到56 d水平。其中中华水韭和云贵水韭的蒸腾速率高于东方水韭，57 ～ 112 d的三种水韭均有所下降，但云贵下降显著，且84 d测定，中华水韭＞东方水韭＞云贵水韭，113 ～ 140 d三种水韭均呈上升趋势。在生长发育过程中三种水韭间蒸腾速率差异不大，其中中华水韭蒸腾速率在各时期普遍高于东方水韭，56 d的云贵水韭蒸腾速率显著高于东方水韭，略高于中华水韭，但差异不显著。

图7 3种水韭蒸腾速率变化Figure 7 Changes of Trin 3 species of Isoetes

图8 3种水韭呼吸速率变化Figure 8 Changes of Rdin 3 species of Isoetes

由图8可以看出，1 ～ 28 d三种水韭的呼吸速率均显著下降，然后一直缓慢上升，整个过程中，东方水韭的呼吸速率均高于其它二种水韭。

3 结论与讨论

营养生长时期各生理指标相较于其他时期活跃，但这一时期可溶性蛋白含量、可溶性糖含量下降，叶绿素含量显著升高；蒸腾速率和气孔导度的显著升高，说明这一时期对水分的需求量很大；上述结果表明三种水韭在这一时期各项生理指标变化显著，生长速度快，因此是水韭最敏感时期，环境的略微变化都可能影响水韭成活率，此时的水韭竞争力非常弱，藻类等潮湿环境易滋生的植物皆会对其产生影响，邢建娇等人观察也表明这一时期是水韭病害和虫害的多发时期[16]。

中华水韭和东方水韭可溶性糖含量积累非常显著，云贵水韭可溶性糖积累量没有前两种高。三种水韭在这一时期的可溶性蛋白含量积累量并不明显，叶绿素含量上升显著，净光合速率上升不显著，呼吸速率变化显著，其中中华水韭呼吸速率略有下降，这可能是糖含量积累的原因之一，可能与其特殊的代谢途径有关。但可以发现三种水韭气孔导度升高有限[23～24]。蒸腾速率仍然较高，对水分要求较高，且这一时期可以明显观察到孢子囊的出现[25]。可以认为这一时期是第一批孢子囊向成熟发育关键阶段，这一时期环境的变化很可能影响孢子囊的发育和成熟[16]。

过渡期中华水韭和东方水韭可溶性蛋白含量缓慢增加，可溶性糖含量略有下降，云贵水韭可溶性糖和可溶性蛋白含量上升幅度相对较大，三种水韭叶绿素含量变化都不显著，但是呼吸速率和净光合速率都显著增加，三种水韭的气孔开度和蒸腾速率减小。可以看出这一时期是三种水韭进一步发育的时期。

生殖生长时期云贵水韭可溶性糖和可溶性蛋白含量及叶绿素含量变化趋于平缓，这与周厚高结果一致，净光合速率和呼吸速率基本都成缓慢上升的趋势，气孔导度和蒸腾速率在一定范围内持续波动[26]。在112 d可以观察到云贵水韭少数植株出现成熟孢子囊。而中华水韭和东方水韭可溶性糖和可溶性蛋白含量及叶绿素含量继续缓慢上升，净光合速率和呼吸速率上升显著，在140 d才观察到中华水韭和东方水韭都出现少量成熟孢子囊。

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Sporophyte Growth and Physiological Properties of Three Endangered Species of Isoetes

CHENG Shu-ying1，GUAN Wei-Yuan2，XU Yong-Xing2，LIU Bao-dong1，GUAN Yang1*
（1. Harbin Normal University, Harbin 150025, China; 2. Jiande Foestry Institute of Zhejiang, Jiande 311600, China）

Isoetes sinensis, I. orientalis and I. yunguiensis collected respectively from Jiande, Songyang of Zhejiang province and Pingba of Guizhou province were reproduced for determination of physiological and biochemical index. Results showed that soluble sugar and protein content in three species of Isoetes decreased slightly at vegetative growth period, but increased later. Chlorophyll content increased at seedling stage, slowed down at transit period, and then increased again. Photosynthetic parameters of tested species increased first, decreased and increased. Tested Isoetes had no evident increase of net photosynthetic rate (Pn) at seedling stage, but had evident change of respiratory rate (Rd), and decrease of stomatal conductance (Gs) transpiration rate (Tr).

Isoetes; sporophyte growth; physiological property

S718.43

A

1001-3776（2015）03-0011-05

2015-01-30；

2015-04-11

国家自然科学基金项目（31170294）

程树颖（1990-），女，安徽利辛人，硕士生，从事植物生理生态学研究；*通讯作者。