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

張哲旗 王智慧* 張朝暉

（1. 貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001；2. 貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fēng)媒傳孢型，汽—風(fēng)媒傳孢型，水媒傳孢型和蟲媒傳孢型［1］。其中汽—風(fēng)媒傳孢型包括蘚類90%以上的種，可分為外汽—風(fēng)媒傳孢型和內(nèi)汽—風(fēng)媒傳孢型。外汽—風(fēng)媒傳孢型的蘚類孢蒴蒴齒對水汽敏感。當(dāng)蒴蓋開裂后，蒴齒隨空氣中水汽干濕內(nèi)曲外卷，由于齒片或齒條齒毛粗糙孢子附著，隨風(fēng)流散放［2～4］。這種運(yùn)動在節(jié)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(fēng)為主導(dǎo)媒介的線齒類金發(fā)蘚科植物中尚未記載。

蒴齒結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)野外定點(diǎn)試驗(yàn)，放置粘性載玻片，通過對一定時(shí)間內(nèi)捕獲的孢子進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集、分析推測孢子的釋放能力［8～9］。②間接技術(shù)：通過空間遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行推論［10］。直接測量的方法雖然數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shí)間的限制，但不能提供直接可測量的擴(kuò)散距離，且往往推測結(jié)果與實(shí)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(fā)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(jié)構(gòu)的差異，并通過室內(nèi)模擬風(fēng)吹試驗(yàn)，探究蒴齒結(jié)構(gòu)變化對孢子釋放量的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)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(jié)市七星關(guān)區(qū)西南，距畢節(jié)城區(qū)41公里，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，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(fā)蘚原變種生長于無樹木遮蔽，開闊沼澤環(huán)境。

1.2 研究物種

金發(fā)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(fā)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(cè)向的孢蒴開口釋放孢子。球形孢子的直徑9～12 μm［18］。金發(fā)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(jié)構(gòu)［19］。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 濕度變化對金發(fā)蘚原變種蒴齒結(jié)構(gòu)的影響

在樣地隨機(jī)選取3 個(gè)1 m×1 m 的樣方，相鄰樣方相距約5 m。每個(gè)樣方選取長勢相似的金發(fā)蘚原變種，連根拔起放置于信封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xiàng)數(shù)據(jù)，第二組噴灑水霧2 min 后測量。

1.3.2 室內(nèi)模擬金發(fā)蘚原變種孢子散發(fā)試驗(yàn)

選取金發(fā)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(fēng)機(jī)（見圖2）。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)釋放的孢子主要以中間玻片的上半部為中心向周圍擴(kuò)散，少數(shù)散布于左右兩塊玻片，3塊玻片整體的左右邊緣處未發(fā)現(xiàn)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(shè)置能夠捕獲絕大多數(shù)釋放的孢子。

模擬試驗(yàn)測量干燥時(shí)釋放孢子總數(shù)10次計(jì)算平均值，隨后對孢子體噴灑水霧2 min，以保持濕度達(dá)到100%，之后分別測量每隔2.5 和5 min 的孢子釋放量，每次風(fēng)吹10 s，風(fēng)速約7 m·s-1，每株重復(fù)2 次，同時(shí)記錄簇孢（孢子由2 個(gè)及以上單個(gè)孢子形成的孢子團(tuán)，見圖3）數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行雙因素方差分析，并對平均值進(jìn)行Duncan 多重比較，顯著性水平為0.05。利用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪制表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕度變化對金發(fā)蘚原變種蒴齒結(jié)構(gòu)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(shí)蓋膜面積擴(kuò)大20%，隨后均呈下降趨勢并在40 min 后恢復(fù)（見表1）。同時(shí)在兩種不同處理方法的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蒴齒齒寬、齒高、齒間距和蓋膜面積均在濕度增加后顯著擴(kuò)大，并在再干燥時(shí)恢復(fù)（見圖4～6）。

2.2 室內(nèi)模擬風(fēng)吹試驗(yàn)

2.2.1 濕度變化后金發(fā)蘚原變種每隔5 min的孢子釋放數(shù)量及簇孢百分比

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

表1 濕度變化后金發(fā)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(fā)蘚原變種蒴齒結(jié)構(gòu)改變對孢子釋放量和簇孢百分比的影響

通過對蒴齒結(jié)構(gòu)改變初期和恢復(fù)期的孢子釋放量研究顯示，水濕運(yùn)動初期孢子釋放量顯著高于干燥時(shí)和蒴齒結(jié)構(gòu)再恢復(fù)時(shí)期，并且當(dāng)蒴齒結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)，孢子的釋放數(shù)量和簇孢占比仍顯著高于干燥時(shí)（P＜0.05）（見圖8）。

2.2.3 濕度變化后金發(fā)蘚原變種在不同時(shí)間間隔孢子釋放量的變化趨勢

濕度變化后，在不同時(shí)間間隔的連續(xù)風(fēng)吹試驗(yàn)中，金發(fā)蘚原變種孢子釋放數(shù)量變化趨勢相似，均在水濕運(yùn)動初期顯著增加，隨后呈現(xiàn)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(shù)量趨勢呈現(xiàn)后移，即當(dāng)前者孢子釋放量維持極低水平時(shí)，后者仍能夠保持顯著高于干燥時(shí)的孢子釋放量，并且兩者均在相同的風(fēng)吹次數(shù)后達(dá)到孢子釋放量最低水平，同時(shí)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(yùn)動對金發(fā)蘚原變種蒴齒結(jié)構(gòu)和孢子釋放量的影響

金發(fā)蘚科植物孢子傳孢類型屬于風(fēng)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(fēng)流吹過齒間時(shí)，蓋膜上下波動，使孢子隨波形風(fēng)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(fā)現(xiàn)，水濕運(yùn)動前后金發(fā)蘚原變種蒴齒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)再恢復(fù)時(shí)期（見圖4，6）。通過對這3 個(gè)時(shí)期孢子釋放量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，濕度變化后初期孢子釋放量顯著高于干燥時(shí)，并在蒴齒結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)孢子釋放量顯著減少（見圖8）。

3.2 水濕運(yùn)動中簇孢占比的變化對孢子釋放量的影響

在水濕運(yùn)動中，當(dāng)蒴齒結(jié)構(gòu)再恢復(fù)時(shí)，其孢子釋放量仍顯著高于干燥時(shí)期，通過對簇孢占比的研究發(fā)現(xiàn)，在濕度增加后孢簇占比高于干燥時(shí)期，并在蒴齒結(jié)構(gòu)再恢復(fù)時(shí)存在顯著差異（P＜0.05）（見圖7～8）。據(jù)此推測，濕度增加導(dǎo)致大量水汽進(jìn)入孢蒴中，孢子粘度增加相互聚集形成簇孢，導(dǎo)致在孢蒴結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)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(yùn)動后不同時(shí)間間隔對金發(fā)蘚原變種散孢的影響

水濕運(yùn)動后不同時(shí)間間隔的連續(xù)風(fēng)吹試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孢子釋放量和簇孢占比變化趨勢相似，并在相同的風(fēng)吹次數(shù)后保持在極低的孢子釋放水平。但不同的是5 min 時(shí)間間隔的孢子釋放量趨勢較2 min呈現(xiàn)后移變化（見圖7和9）。

據(jù)此推測：①濕度增加引起水汽進(jìn)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(yùn)動初期，由于蒴齒結(jié)構(gòu)的改變，使得吹過齒間的風(fēng)量和蓋膜波動幅度增加，波形風(fēng)流的加大能提高相同時(shí)間內(nèi)的孢子釋放量，同時(shí)能夠?qū)⒋劓叻蛛x成單個(gè)孢子和小型簇孢，并與非聚集孢子一起吹出，導(dǎo)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(yàn)進(jìn)行，孢蒴中非聚集孢子數(shù)量下降，同時(shí)由于蒴齒結(jié)構(gòu)的逐漸恢復(fù)，波形風(fēng)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(dǎo)致孢子釋放量呈下降趨勢，而簇孢占比逐漸提高。

3.4 節(jié)齒類與線齒類蒴齒的差異

Vita［24］認(rèn)為外汽—風(fēng)媒的傳孢類型的節(jié)齒蘚類蒴齒的作用機(jī)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(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證葫蘆蘚屬（Funaria）植物在濕度變化中蒴齒的結(jié)構(gòu)變化。但這種水濕運(yùn)動的條件不是唯一的，Patterson［3］發(fā)現(xiàn)角齒蘚（Ceratodon purpureus）在潮濕環(huán)境中蒴齒向內(nèi)彎曲，孢蒴開口處封閉。而Forsstroemia ohioensis在潮濕環(huán)境中蒴齒水平向外翻折，將孢蒴開口打開，在干燥時(shí)蒴齒沿孢蒴內(nèi)壁內(nèi)聚，使得孢蒴開口處封閉，同時(shí)在隱蒴蘚科（Cryphaeaceae）、平蘚屬（Neckera）、金灰蘚（Pylaisia polyantha）均發(fā)現(xiàn)具有相似的運(yùn)動特征，只是蒴齒張開程度存在不同，金灰蘚在潮濕環(huán)境中豎直的蒴齒遠(yuǎn)端向內(nèi)略彎曲，形成類圓錐狀，其他多數(shù)蘚類蒴齒遠(yuǎn)端向外彎曲呈喇叭狀。這種運(yùn)動機(jī)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(gè)孢子。

對于以金發(fā)蘚科植物為主的風(fēng)媒傳孢型，Smith［22］認(rèn)為線齒類蒴齒的作用機(jī)制與節(jié)齒類不同，其作用機(jī)制是被動的，具有釋放孢子的“鹽瓶”結(jié)構(gòu)，孢子釋放僅與風(fēng)吹有關(guān)，即當(dāng)風(fēng)流吹過齒間，引起蓋膜上下波動，產(chǎn)生的波形風(fēng)流釋放孢子。在本研究中發(fā)現(xiàn)，濕度變化會引起蒴齒結(jié)構(gòu)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(yùn)動，但這種作用機(jī)制于與節(jié)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(fēng)流達(dá)到提高孢子釋放量的作用。

4 結(jié)論

金發(fā)蘚原變種在水濕運(yùn)動中，蒴齒結(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)構(gòu)的恢復(fù)，孢子釋放量逐漸降低。同時(shí)由于濕度增加，水汽大量進(jìn)入孢蒴使得孢子相互聚集形成簇孢，在水濕運(yùn)動后期當(dāng)蒴齒結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)，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(shí)。

對于在連續(xù)風(fēng)吹試驗(yàn)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(xiàn)象，本研究通過對孢子釋放中孢簇占比及蒴齒結(jié)構(gòu)變化趨勢進(jìn)行分析推測，但缺乏直接證據(jù)，對此還需要開展進(jìn)一步的研究論證。