马蔺萌发过程中的形态和结构变化

孙跃春， 王 堃 汪 矛， 石润春

(1.玉林师范学院， 广西 玉林 537000；2.中国农业大学草业科学与技术学院， 北京 100193；3.河北沽源草地生态系统国家野外科学观测研究站， 河北 沽源 076550)

马蔺是一种多年生草本植物，可用于园林绿化、植被恢复[1-3]，种子中含有马蔺子甲素, 可入药，具有清热利湿、消肿解毒、止血等功效[4]。马蔺的种子与其他鸢尾属植物一样，需要较长时间的休眠[5-8]。现普遍认为马蔺种子休眠的主要原因是珠孔区种皮和胚乳的机械阻力、种皮中含有抑制物质等[9]。将鸢尾属植物的胚取出放在有生长素的基质上可促进胚的生长[10]，在层积过程中种子的赤霉素含量增加[11]。有效解除休眠的方法是去除种皮和层积处理[12-14]。目前，对双子叶植物种子和种苗结构研究较多，而对单子叶的研究相对较少，主要集中在禾本科植物，洋葱、丝兰(龙舌兰科)、海枣、芦笋、毛百合、椰子等也有一些研究[15-16]，而对鸢尾属植物种子结构和种苗发育报道较少。因此，本试验对马蔺种子萌发过程的形态结构变化进行研究，以期揭示马蔺种子休眠的原因。

1 材料和方法

供试马蔺种子采收于河北沽源国家草地生态系统野外科学观测研究站。蒴果在空气中干燥20 d，取出种子，将种子放在室温条件下20 d左右。

1.1 种子形态和胚层积前后的结构变化观察

将种子用水浸泡20 h，用刀片切开种子观察胚、胚乳和种皮。32 ℃下取150 g种子放在500 mL 14.38mol·L-1NaOH溶液中搅拌处理20 h，用水充分冲洗后放在7 ℃条件下层积40 d，将层积的种子和没有层积的种子的胚小心取出[6]，将胚和去除种皮的种子固定在70%标准固定液(FAA)中，并且24 h真空渗透，用70%的酒精冲洗，然后用系列酒精脱水，将组织包埋在石蜡中，用旋转薄片切片机切成8～12 μm厚的薄片，切片放在玻璃载玻片上，用番红固绿染色，观察并拍照[17]。

1.2 种苗发育过程中的形态变化

将低温层积的种子播种在直径10 cm的培养皿中(用蛭石227 cm3)。在每个培养皿中放入约100粒种子，光照为16 h，光照强度2 800 lx。每2 d浇500 mL水，多余的水流走[17]。种子7～8 d发芽，当胚根伸出前3 d，每天取出20个种苗，以后每5天取20个，至胚乳营养被吸收完。取出的种子用FAA固定保存，制作切片同上。进行切片观察，照相。

2 实验结果

马蔺种子长4～5 mm，宽3～4 mm，厚3～4 mm，质地坚硬，形状不规则，有棱角，千粒重24.85 g。由图1可见，种子外层包被种皮，与胚乳紧密连结，颜色较深。种皮由外种皮和内种皮组成，外种皮革质，由2层近柱状厚壁细胞组成，内种皮由5～6 层胞壁栓化的细胞和1层表皮下层细胞组成(图2)。去除种皮的种子石蜡切片可见种子的主要组成是胚乳(图3)，白色半透明角质，坚硬，细胞壁具有大量半纤维素。胚小，细长圆柱形，略弯曲，长1～2 mm，将胚取出进行纵切(图4)，可见上胚轴的分生组织发生在一个下陷处。将根部和上胚轴的分生组织放大(图5)，可见根端和上胚轴的顶端分生组织紧密相连，根端分化尚未完全。对胚的顶端分生组织部位进行纵切，可见其被鞘状结构包围(图6)。

在萌发过程中，大体可分为3个阶段(图8至图13)。首先是子叶中间部分伸长，将包含胚根、胚芽的鞘状结构推出，然后是在种皮外部鞘状结构膨大，形成胚芽鞘和初生根，最后子叶原基发育从胚芽鞘中从伸出，形成真叶，不定根从胚芽基部伸出。将种子培养7～8 d后，子叶中间部位伸长，将胚根、包含上胚轴的芽的鞘部推出种皮(图9)，在萌发后2～3 d，被推出的鞘状结构在种皮外，凹入部分的顶端分生细胞则开始进行平周与垂周分裂，促进了凹入边缘组织的生长，子叶基部膨大并呈鞘状延伸，形成胚芽鞘，同时胚根由于重力作用向下弯曲(图10)。随着子叶鞘的形成，凹入底部的胚性细胞分裂形成胚芽，分化产生第一营养叶原基，真叶由第一营养叶原基发育而来，同时胚根伸出。这时的种苗可见明显导管系统形成，导管为螺纹导管(图11)，导管将吸器从胚乳中转化的营养物质首先向上提供给胚芽鞘，再向下提供给根部伸出。在这阶段可见芽端发育明显好于根端。当萌发后15 d左右，可见真叶从胚芽鞘缝隙伸出(图12、图13)，长出不定根，萌发过程中吸器的先端始终包被在种子内，子叶为留土型。在萌发后30 d左右，胚乳营养基本耗尽，种皮可与吸器脱离，但吸器仍保留。比较吸器在萌发前后的变化，可见吸器在萌发过程中在种子内明显增大，萌发前整个胚的长度为1～2 mm，当萌发后30 d时，将种皮剥离时吸器长度可达3 mm以上，萌发初期没有明显的导管系统，此时，可见明显的木质部导管系统。

3 讨 论

马蔺种子低温层积是打破休眠的有效方法。在层积过程中，王永春等[18]在电镜下观察发现，马蔺种皮表面并不光滑，覆盖有大量的蜡质。随着处理时间的延长，种子表面的蜡质不断减少，层积40 d种皮表面会出现裂缝，这些裂缝可能会提高种子的透水、透气性，同时种皮的机构束缚作用也会减弱。去除种皮的种子层积前后GA3和玉米素(Z)的含量明显升高，说明种子层积过程中主要完成生理后熟[18]，赤霉素丙酮可打破马蔺种子休眠，但种苗往往长势弱[19]，这可能与胚乳通过子叶吸器提供营养的系统还不健全有关，层积过程不单是激素含量的变化，同时胚乳也发生降解，从而更好地为胚发育提供营养[20]。由于胚乳质地坚硬，没有得到种子层积后的种子结构图，而在层积过程中很可能发生胚乳类似于喜树的果皮阻止胚根伸出部分降解过程，这需要进一步验证[21]。

马蔺种子与其生存环境中的其他植物种子比较，体积较大。大种子对种苗建植具有重要作用，这可使种子度过艰难时期，而且使种苗在资源竞争中处于有利地位。密集型生长的植物往往比在开阔地生长的植物种子更大，这是对荫蔽条件下种苗建植的适应。大种子中贮藏的碳水化合物更多。Ng等[22]研究表明，子叶出土型种子往往较小，而子叶留土型种子往往较大，小种子有很少的资源，在萌发后很快需要光合作用，所以子叶出土，而大种子可以利用子叶胚乳中的营养进行生长，而不急于光合作用，所以子叶出土的种子往往是需光的，而子叶不出土的往往对遮蔽有较强的忍耐能力[23]。马蔺种子较大的原因可能是对其所在盐碱环境的适应，使其在苗期可以较少依靠环境营养。

马蔺种子质地坚硬，胚较小，可以更好地逃避动物采食对胚造成的伤害，有利于种子存活，在实验中用烧碱去除种皮过程如果处理时间稍长，往往对胚根造成伤害，但胚芽端再生能力较强，常能生出不定根。肖阔等[24]对马蔺进行组织培养，发现胚的这一部分是最佳的外植体，有很强的再生能力。类似的是Gustavia superba，一个美国树种，分离的子叶(甚至部分)能够产生根和茎叶，进而发育成独立植株，在实验中发现无论子叶前端还是末端，都可以发育，形成了一种有用的对草食动物的适应[25]。

毛百合的种子萌发过程中存在二次休眠，毛百合[26]种子萌发过程中，子叶的吸器先端不伸长，仅包被在胚孔内，吸收胚孔中贮藏的营养，并运输给胚，子叶呈留土类型。胚芽分化时间较快，是随着种子的萌发2～3 d就已由无分化的原胚中明显分化，并继续生长发育。当种子萌发7～10 d后，随着胚轴的伸长，已分化的胚根携带其后的胚芽就突破种皮发芽。当发芽4～7 d，胚轴顶端的胚芽处就明显逐渐膨大，如条件不适宜，第一营养叶原基很难进一步发展成真叶，则呈现为毛百合种子萌发的二次休眠，但马蔺未观察到这一现象。马蔺种子的萌发与洋葱种子的萌发也有相似之处，但洋葱种子的子叶伸出。在洋葱种子的发芽中，子叶中间部分伸长，将胚根、上胚轴的芽和子叶下面的鞘部推出种皮，留下卷曲的子叶吸器埋藏在种子的胚乳内，当继续发育时，子叶的中间部分形成环形或拱形，不久伸出土壤表面，最后，子叶上端离开种子，出现直的绿色线状器官，在这时期，第一片营养叶的顶端通过子叶鞘的缝口开始伸出[27]。

4 结 论

马蔺种子质地坚硬，形状不规则。种皮由外种皮和内种皮组成，外种皮革质，由2层近柱状厚壁细胞组成，内种皮由5～6 层胞壁栓化的细胞和一层表皮下层细胞组成。胚乳是种子的主要部分，白色半透明角质，坚硬，细胞壁具有大量半纤维素。胚在种子成熟时有一定的分化，但在种子中所占体积较小，被胚乳包被。种子萌发时胚需要突破胚乳和种皮的束缚。萌发时子叶中部伸长将胚根和胚芽推出种皮外，形成胚芽鞘，在胚芽鞘基部的叶原基发育成真叶伸出胚芽鞘，种苗生长过程中子叶吸器中的维管组织将胚乳分解吸收的营养物质输送到胚芽鞘和根部，促进种苗生长，胚乳供给种苗营养可达30 d以上。马蔺种子的结构可能与适应盐碱生境和动物采食有关，人工条件下为了促进其萌发需要破坏种皮和提供低温湿润环境。