珍稀濒危植物天台鹅耳枥种子萌发特性研究

赵昌高, 金民忠, 许元科, 林 坚, 季瑞炜, 魏濮瑞, 刘志高

(1.景宁畲族自治县生态林业发展中心, 浙江 景宁 323500;2.浙江农林大学风景园林与建筑学院, 杭州 311300;3.乐清市园林绿化管理所, 浙江 乐清 325600;4.国家林业和草原局华东调查规划院, 杭州 310019)

天台鹅耳枥(Carpinustientaiensis)为桦木科(Betulaceae)鹅耳枥属(Carpinus)落叶乔木,仅分布于浙江省中部海拔800～1 000 m的山林中,1932年被国内著名林学家、树木分类学家郑万钧发现,是中国浙江特有的古老孑遗植物[1]。由于生境的严重破碎化和自然更新能力弱,天台鹅耳枥濒临灭绝,仅在浙江省天台县华顶国家森林公园和磐安大盘山国家级自然保护区有少量分布[2-3],2001年被列为国家二级重点保护野生植物,2013年在《中国生物多样性红色名录——高等植物卷》中被列为极危等级(Cr)[4]。2019年5月18日,植物分类专家李根有和陈征海教授在浙江省景宁畲族自治县发现了新的天台鹅耳枥分布点,是目前最大的野生种群[5-6]。由于花粉活力较低和花期授粉障碍的共同影响,天台鹅耳枥种子饱满率极低(<1.0%),且成熟种子存在休眠现象[7],导致其在原生境条件下不能萌发,自然更新困难。目前天台鹅耳枥保护和繁育研究的报道很少,有关种子繁育技术的内容尚未见报道。开展天台鹅耳枥种子繁育研究,对缓解其濒危现状,促进种群增强、回归和保护均有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材 料

2021年11月在浙江省天台县天台山华顶国家森林公园的3株母树上采集天台鹅耳枥种子,将采集的混合种子自然阴干后去除种翅和杂质,置于4 ℃冰箱冷藏保存备用。

1.2 方 法

1.2.1种子形态特征观测

使用ZEN体式显微镜(德国)观测种子形态并拍照记录。每组随机选取30粒种子,用精度为0.02 mm的游标卡尺测量种子长度、宽度和厚度,重复3次,共测量90粒种子。

1.2.2种子百粒重和饱满率测定

使用电子天平(精度:千分之一)采用百粒法[8]测定种子重量,随机选取100粒为1个重复,重复5次,记平均值。再把上述种子用水选法进行筛选[9],将种子浸泡于水中,下沉的为饱满种子,上浮的为非饱满种子,统计饱满率。

1.2.3种子活力测定

采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)染色法[10]测定种子生活力,随机选取饱满种子60粒,均分为3组(每组20粒),沿种脐垂直方向切开,暴露胚部,将切开的种子放入0.2% TTC染液中,37 ℃水浴锅中静置40 min后,清水冲洗2遍,计算种子生活力均值。

1.2.4种子吸水曲线的测定

随机选取120粒饱满种子均分为两组,每组设3个重复,每个重复20粒种子。将其中一组种子的种皮划开一道深2 mm的伤口,不伤及种仁,另一组种子不做处理,作为对照。再将种子浸泡于蒸馏水中,持续测定48 h,前12 h每2 h测定一次,后36 h每6 h测定一次,取出种子用吸水纸将表面水分吸干,用电子天平称量不同吸胀时间的种子质量。

吸水率/%=[(Wt-W0)/W0]×100%,式中:Wt为种子吸水t时间段后的种子质量;W0为种子吸水前的起始质量。

1.2.5种子萌发试验

物理处理方法:1) 常温(20 ℃)浸种24 h; 2) 高温浸种:初始水温为70 ℃,浸种24 h; 3) 变温浸种:将种子放入90 ℃热水中20 s,再放入0 ℃冷水中20 s,重复3次,后置于20 ℃清水中浸泡24 h; 4) 种皮损伤处理同1.2.4;后置于20 ℃清水中浸泡24 h;以未浸泡种子作为对照。

分别用50,100,200,300 mg/L浓度的GA3溶液浸种24 h,以清水作为对照。每个处理40粒种子,重复3次。处理后的种子用0.1% KMnO4溶液浸泡20 min,以高温灭菌后的珍珠岩+泥炭(体积比1∶1)为基质,播种于发芽盒中;在温度23 ℃,光照(7 500 lx)和黑暗各12 h的光照培养箱中进行发芽试验;隔日检查基质干湿度,及时剔除霉变种子,同时记录种子发芽时间和数量,计算发芽率、发芽势和发芽指数。

发芽率/%=(发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽势/%=(播种后45 d内发芽种子数/供试种子数)×100%,经前期试验验证,45 d为天台鹅耳枥种子发芽势测定的最宜时段;

发芽指数=∑(发芽种子数/相应的发芽日数)。

1.3 数据处理

用Excel软件对数据进行处理和作图,使用SPSS21.0软件对相关数据进行方差分析。

注:A为种子外观;B为解剖后的饱满种子;C为解剖后的干瘪种子;D为胚和胚乳。

2 结果与分析

2.1 种子基本特征

天台鹅耳枥的小坚果呈宽卵圆形或三角状卵圆形,长(5.03±0.51)mm、宽(4.67±0.31)mm、厚(2.82±0.35)mm;平均厚度的变异系数最大(12.41%),平均宽度的变异系数最小(6.64%)(表1)。内含1粒种子,外种皮棕色,坚硬,不开裂,具7～11条肋,顶端疏被长柔毛,其余光滑,种脐明显,内种皮膜质,浅棕色。发育健全的种子具有完整的胚和胚乳,均呈白色,败育的种子胚呈棕色棉絮状。本次采集种子的百粒重为(1.70±0.511)g,饱满率为(2.13±0.72)%,含水率为(15.57±1.72)%。

表1 天台鹅耳枥种子形态

2.2 种子吸水曲线

从图2可以看出,种皮损伤处理的种子较完整种子的吸水率更高,分别为39.65%和34.55%。两种处理天台鹅耳枥种子的吸水曲线相似,吸水过程可以分为快速吸水(0～2 h)、缓慢吸水(2～30 h)和吸水饱和(30～48 h)3个阶段。其中种子在浸泡0～2 h吸水速度最快,为快速吸水阶段,种皮损伤处理和完整种子吸水曲线直线拟合斜率分别为10.22和8.12,至2 h时吸水率分别达到20.45%和16.24%,占总吸水量的51.58%和47.0%。2～30 h期间,种子吸水速率增幅逐步变缓,种皮损伤处理的种子和完整种子分别在30 h和36 h后停止吸水,两者的缓慢吸水阶段分别为2～30 h和2～36 h,随后各自进入吸水饱和阶段。完整种子吸水总时间较长,吸水速率相对较慢,表明坚硬的外种皮阻碍了水分吸收,这种阻碍作用最终使得完整种子的总吸水率较种皮损伤处理组降低了5.1%。

图2 天台鹅耳枥种子吸水曲线

2.3 种子生活力

TTC法测定结果显示,饱满种子的胚染色均匀,生活力较高,达到(93.33±5.13)%,具有良好的萌发潜力。

2.4 不同处理对天台鹅耳枥种子萌发的影响

由表2可知,变温浸种促进种子萌发效果最佳,发芽率达到35.83%,较常温、高温浸种和种皮损伤处理分别提高了11.66%,8.33%和12.5%,常温、高温浸种和种皮损伤处理对种子萌发均有显著促进作用,但三者间无显著差异;变温浸种处理的种子发芽势为30%,较其他处理提高了10%～17.5%,发芽整齐度显著提高;变温浸种处理的种子发芽指数也为最高,较其他处理提高了0.37～0.65。表明变温浸种处理对激发天台鹅耳枥种子活力具有显著作用。

表2 物理方法对天台鹅耳枥种子萌发的影响

从表3可知,各处理中200 mg/L和300 mg/L GA3溶液浸泡种子的发芽率、发芽势和发芽指数均较高,分别达到38.35%,28.30%,1.93和2.13,28.77%,37.13%,较其他浓度处理和对照组分别提高了11.4%～15.02%,10.75%～13.42%,1.16%～2.0%,对天台鹅耳枥种子萌发的促进效果显著。

表3 GA3处理对天台鹅耳枥种子萌发的影响

总体而言,GA3浸泡处理较常温浸种、高温浸种、变温浸种和种皮损伤等物理处理方法更有利于提高天台鹅耳枥种子发芽率和发芽的整齐度。

3 结论与讨论

天台鹅耳枥的小坚果呈宽卵圆形或三角状卵圆形,长5.03 mm、宽4.67 mm、厚2.82 mm;内含1粒种子,果皮棕色,坚硬,种脐明显,内种皮膜质,浅棕色;百粒重为1.70 g,饱满率为2.13%,含水率为15.57%。天台鹅耳枥种子大小与雷公鹅耳枥(C.viminea)[11]和普陀鹅耳枥(C.putoensis)[12]相近,但饱满率却比普陀鹅耳枥(7%～8%)[13]还要低。坚硬的种皮不利于透气、透水,阻碍胚的伸长生长,这种阻碍作用也同样出现在普陀鹅耳枥中[14]。天台鹅耳枥种子吸水过程可以分为快速吸水(0～2 h)、缓慢吸水(2～30 h)和吸水饱和(30～48 h)3个阶段,种皮损伤可以小幅提高吸水率,但最终吸水率仍不足40%,与刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)[15]、梧桐(Firmianasimplex)[16]、浙江红山茶(Camelliachekiangoleosa)[17]等硬实性种子相似。发育完整的天台鹅耳枥种子生活力可达93.33%,具有良好的萌发潜力,但饱满种子占比极低,这与普陀鹅耳枥、丹霞梧桐以及珙桐[18]等濒危植物十分相似,种子空壳率高和外种皮限制是造成天台鹅耳枥依靠种子自然更新困难的主要原因。

没有经过浸种处理的天台鹅耳枥种子不能萌发,同样情况也存在于雷公鹅耳枥中[11]。常温浸种、高温浸种、变温浸种和种皮损伤处理对提高天台鹅耳枥种子萌发率均有显著作用,尤以变温浸种效果最佳。浸种的目的是通过水分渗透达到软化坚硬种皮的效果,叠加水温的高低变化,可以使种皮膨胀、收缩,达到损伤的目的,此类方法也能有效提高荚红豆(Ormosiaxylocarpa)[19]、南洋楹(Falcatariamoluccana)[20]等硬实种子萌发率。机械损伤种皮对破除休眠[21]、促进种子萌发[22]也有很好的效果,本研究采用此法虽提高了天台鹅耳枥种子吸水率和发芽率,但效果不及变温浸种处理,再加上其种子个体较小,操作不便且易损伤种胚,在生产实践中不建议采用。

本实验中100 mg/L浓度以上的GA3处理均可促进天台鹅耳枥种子萌发,其中高浓度(200 mg/L和300 mg/L)GA3处理效果更佳,可以将种子萌发率提升到38.35%和37.13%。欧洲鹅耳枥种子萌发试验也显示,采用浓度为25,100,500 mg/L的GA3浸泡后,种子萌发率随GA3浓度升高而升高[23]。从目前结果来看,试验取得的天台鹅耳枥种子最高萌发率与其饱满种子生活力的差距仍然很大,更适宜的GA3浓度处理或物理与化学方法叠加处理需要进一步研究。