苦櫧傳播體的萌發(fā)特性與種子休眠類型

樂新貴 王正偉 寧 馨 孫錫青，3 宋以剛*

（1. 江西陽際峰國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，貴溪 335400；2. 上海辰山植物園，華東野生瀕危資源植物保育中心，上海 201602；3. 閔行區(qū)青少年實(shí)踐教育基地，上海 201111）

種子是種子植物特有的有性繁殖器官，是以另外一種形式存在的植物體，是植物生活史中最薄弱的環(huán)節(jié)，極易受到不利環(huán)境的干擾，導(dǎo)致建植失敗。種子能否順利萌發(fā)是植物占領(lǐng)新的分布區(qū)、更新種群和完成生活史的第一個環(huán)節(jié)，也是極為關(guān)鍵的一環(huán)。所以，植物通過控制種子萌發(fā)時間，確保種子在條件最適宜的環(huán)境下萌發(fā)，來增加其后代的成活率。生長在不同環(huán)境下中的植物，由于長期的進(jìn)化適應(yīng)形成了不同的種子萌發(fā)和休眠特性，這對幼苗的建植成功起著重要的作用。

種子的休眠類型主要有無休眠（non-dorman?cy，ND）、物理休眠（physical dormancy，PY）、生理休眠（physiological dormancy，PD）、形態(tài)休眠（morpho?logical dormancy，MD）、復(fù)合休眠（PY+PD）和形態(tài)生理休眠（morphophysiological dormancy，MPD）6種類型。種子休眠類型的確定不但能夠更好地認(rèn)識植物自我更新能力，還能夠?yàn)榉N子育苗提供技術(shù)指導(dǎo)。目前，殼斗科（Fagaceae）的種子萌發(fā)特性與休眠類型的研究非常薄弱，主要集中在北半球廣布的櫟屬（）植物中。然而，分布在東亞和東南亞地區(qū)的栲屬（）和石櫟屬（）的種子萌發(fā)與休眠的研究非常少見。

苦櫧（）是殼斗科栲屬植物，主要分布在中國的長江以南五嶺以北的華東和華中山區(qū)，海拔200～1 000 m?？鄼降姆N子富含淀粉、維生素和礦質(zhì)元素，是我國傳統(tǒng)特色食品苦櫧豆腐、苦櫧糕和苦櫧?jīng)龇鄣脑牧??？鄼阶鳛槲覈鴣啛釒С＞G闊葉林的重要建群樹種之一，由于頻繁的人為干擾和長期的人工針葉速生林快速發(fā)展，其天然面積日趨減少，種質(zhì)資源破壞嚴(yán)重。作為我國重要的經(jīng)濟(jì)樹種之一，苦櫧已經(jīng)被列為國家二級保護(hù)植物。

目前，國內(nèi)對苦櫧種子的研究主要集中在以下兩個方面。首先，苦櫧種子成分及其在食品開發(fā)上的應(yīng)用是目前研究重點(diǎn)領(lǐng)域之一；其次，苦櫧種子的生物地理學(xué)和與動物取食的關(guān)系方面也有學(xué)者開展了一些研究。但是，苦櫧種子的萌發(fā)與休眠特性仍然不清楚。因此，本研究期望通過開展以下幾個方面的研究，闡明苦櫧種子的萌發(fā)特性與休眠類型：（1）苦櫧種子的形態(tài)性狀；（2）苦櫧種子的吸水特性；（3）去除果皮對苦櫧種子的影響；（4）不同溫度下，苦櫧種子萌發(fā)的差異。

1 材料與方法

1.1苦櫧種子的收集與預(yù)處理

苦櫧種子采集于江西省鷹潭市陽際峰國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。果實(shí)采自一個種群的12棵成年植株。2020 年10 月22 日果實(shí)成熟后采集并寄往上海辰山植物園開展相關(guān)試驗(yàn)。首先，把采集到的果實(shí)進(jìn)行初步篩選。通過水浮法進(jìn)行篩選，篩選出成熟、完整、無蟲蛀的種子，用1%高錳酸鉀溶液消毒30 min，再用蒸餾水沖洗干凈、表面風(fēng)干。然后，將果實(shí)進(jìn)行隨機(jī)分組，分別用于形態(tài)測量、吸水檢測和萌發(fā)試驗(yàn)。剩余的所有種子，放入自封袋中，在低溫種子保存柜中4 ℃保存。

1.2果實(shí)形態(tài)特征、重量和含水量

苦櫧種子成熟時，其傳播體是其果實(shí)，因此本文中除了專用名詞外，均嚴(yán)格區(qū)分果實(shí)和種子的用詞。隨機(jī)選取30 粒果實(shí)，用游標(biāo)卡尺進(jìn)行果實(shí)長度和果實(shí)寬度的測量，然后稱量果實(shí)的鮮質(zhì)量。將果實(shí)的果皮與種子進(jìn)行分離，稱量種子的鮮質(zhì)量；隨后將每個果實(shí)的果皮和種子分別裝入信封袋中標(biāo)記清楚，放入烘箱中103 ℃烘干48 h。烘干以后，分別稱量果皮干質(zhì)量和種子干質(zhì)量。含水量的計(jì)算公式為：

1.3吸水率

選取處理好的果實(shí)60 粒，其中30 粒去除果皮保留種子；然后用電子天平稱取30 粒果實(shí)和30 粒種子的初始鮮質(zhì)量。隨后，將果實(shí)和種子浸入純水中（每24 h更換一次），置于20 ℃的恒溫條件下，進(jìn)行吸水試驗(yàn)觀測含水量的變化。在試驗(yàn)開始后的前5 d，每12 h 進(jìn)行一次質(zhì)量稱量；隨后每隔2 d進(jìn)行一次質(zhì)量的稱量。每顆種子或者果實(shí)的稱量至胚根萌發(fā)為止（胚根生長長度大于5 mm 視為胚根萌發(fā)）。吸水的測定持續(xù)2 周（種子的胚根萌發(fā)率大于80%），然后將所有果實(shí)和種子放入烘箱中103 ℃烘干48 h，稱量干質(zhì)量。

1.4種子萌發(fā)

苦櫧的種子萌發(fā)試驗(yàn)共設(shè)置2種處理：完整果實(shí)（傳播體）和去除果皮的完整種子。種子萌發(fā)共設(shè)置15/5 ℃、20/10 ℃、25/15 ℃、30/20 ℃和35/25 ℃5 個溫度梯度，每個溫度梯度設(shè)置3 組重復(fù)，每個重復(fù)為10 粒果實(shí)或10 粒種子。將果實(shí)和種子放入裝滿蛭石的苗木穴盤中，置于相應(yīng)的培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)箱設(shè)置為黑暗∶光照=12 h∶12 h和相應(yīng)溫度梯度。種子萌發(fā)每2 d 進(jìn)行一次觀察統(tǒng)計(jì)和澆水，分別統(tǒng)計(jì)胚根和胚芽的萌發(fā)時間（胚根>5 mm 視作胚根萌發(fā)；胚芽>5 mm視作胚芽萌發(fā)）。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與作圖采用Microsoft Office Excel 2010和Origin 8.5進(jìn)行。

2 研究結(jié)果

2.1苦櫧種實(shí)的基本特征

通過測量發(fā)現(xiàn)，采集于江西省鷹潭市陽際峰國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的苦櫧果實(shí)長度約為13.66 mm，寬度約為13.16 mm，長寬比接近于1?？鄼焦麑?shí)的鮮質(zhì)量約為1.33 g，種子的鮮質(zhì)量約為1.12 g，果皮鮮質(zhì)量約占果實(shí)鮮質(zhì)量的15.8%?？鄼焦麑?shí)干質(zhì)量、種子干質(zhì)量和果皮干質(zhì)量分別約為0.79、0.64 和0.15 g，種子干質(zhì)量約占果實(shí)干質(zhì)量的81%?？鄼焦麑?shí)的含水量（40.38%）和種子含水量（42.62%）基本相似，且明顯高于果皮的含水量（28.51%）（見表1）。

表1 苦櫧果實(shí)和種子的基本性狀Table 1 The basic characters of fruits and seeds of C.sclerophylla

2.2苦櫧種子的吸水率

完整果實(shí)和去除果皮以后的種子在吸水過程中重量變化不顯著。經(jīng)過3周的吸水試驗(yàn)，果實(shí)鮮質(zhì)量無明顯變化。種子在3周的吸水試驗(yàn)過程中，鮮質(zhì)量有上升趨勢，但是變化不明顯。在種子吸水試驗(yàn)過程中，種子培養(yǎng)3 d 開始出現(xiàn)子葉開裂的現(xiàn)象，培養(yǎng)10 d左右種子開始發(fā)芽（見圖1）。

圖1 苦櫧果實(shí)和種子的重量隨著吸水過程的變化趨勢Fig.1 The tendency of the mass of fruits and seeds followed with the water absorption process in C.sclerophylla

2.3不同溫度梯度和果皮去除對胚根萌發(fā)的影響

試驗(yàn)表明，苦櫧完整果實(shí)的種子萌發(fā)速度顯著低于去除果皮以后種子萌發(fā)速率?？鄼焦麑?shí)在15/5 ℃、20/10 ℃和30/20 ℃3 個溫度梯度培養(yǎng)1 個月以后，種子均未萌發(fā)；在25/15 ℃這一溫度梯度下培養(yǎng)30 d 以后，種子萌發(fā)率低于10%；在35/25 ℃這一溫度梯度下，苦櫧果實(shí)在第16 天開始萌發(fā)，30 d 以后果實(shí)的累計(jì)種子萌發(fā)率約為40%（見圖2）。

圖2 不同溫度梯度下完整果實(shí)的累積種子萌發(fā)率隨時間的變化Fig.2 Percentage of cumulative seed germination of intact fruits under the different temperature regimes with time

苦櫧的傳播體除去果皮以后顯著提高了種子的萌發(fā)率和萌發(fā)速率。苦櫧種子在15/5 ℃和20/10 ℃2個溫度梯度下培養(yǎng)30 d以后，種子未萌發(fā)?？鄼椒N子在25/15 ℃、30/20 ℃和35/25 ℃3 個溫度梯度下培養(yǎng)30 d 以后，種子萌發(fā)率均接近或高達(dá)100%。另外，在30/20 ℃和35/25 ℃兩個溫度梯度下，苦櫧種子在第6 天左右就已經(jīng)全部萌發(fā)，顯著快于25/15 ℃這一溫度梯度（第14 天達(dá)到最大值）（見圖3）。

圖3 不同溫度梯度下去除果皮的苦櫧種子的種子萌發(fā)率隨時間的變化趨勢Fig.3 Percentage of cumulative seed germination of seed（removed the pericarp） under the different temperature regimes with time

3 討論

殼斗科植物具有能源植物、糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的三重作用，其資源是我國尚待開發(fā)的寶庫。殼斗科植物的種子富含淀粉（40%～70%），可食用或釀酒，是我國重要的淀粉資源植物之一?？鄼降牡矸酆扛哌_(dá)50%，是我國福建、江西和湖南的特色美食之一；其種子萌發(fā)特性的研究能夠?yàn)榉N子的育苗工作提供理論支撐。

3.1苦櫧果實(shí)基本特性及其影響因素

已有研究表明，同一物種采集于不同產(chǎn)地和不同年份的種子形態(tài)性狀會存在不同程度的差異。岳華峰等對苦櫧種子形態(tài)性狀的地理變異分析發(fā)現(xiàn)，隨著緯度的降低，苦櫧種子變長，體積增大，質(zhì)量增加。然而，這一研究中，混淆了果實(shí)和種子的概念，我們推測其文中所說的種子實(shí)際上是苦櫧的果實(shí)。與岳華峰等的研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，本研究中采自江西陽際峰的苦櫧果實(shí)質(zhì)量明顯偏低，但是果實(shí)的長和寬與湖南衡陽的較為相近。由于采自不同的年份，年際氣候的差異對果實(shí)形態(tài)的影響也較大，所以對果實(shí)和種子的形態(tài)研究要基于空間和時間2 個尺度上來進(jìn)行。本研究中，我們重點(diǎn)關(guān)注了同一種群內(nèi)果實(shí)和種子各個性狀的比較，研究表明，果實(shí)成熟以后果實(shí)和種子的含水量均約為40%，種子干質(zhì)量占果實(shí)干質(zhì)量的80%以上。因此苦櫧果實(shí)內(nèi)種子的占比非常高，這樣有利種子萌發(fā)過程中的養(yǎng)分供應(yīng)；同時，也是體現(xiàn)其食用價值較高的指標(biāo)之一。

3.2苦櫧種子休眠類型的探討

水分是種子萌發(fā)的必備條件之一，因此種子吸水是種子萌發(fā)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)?？鄼降墓麑?shí)（傳播體）經(jīng)過20 d 吸水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其果實(shí)的含水量并沒有顯著增加；其種子的質(zhì)量在吸水檢測過程中略有增加，并且在種子吸水10 d 以后，開始陸續(xù)萌發(fā)。因此，試驗(yàn)表明，苦櫧的果皮對種子的吸水過程有一定的阻礙作用。

種子萌發(fā)試驗(yàn)表明，在不同溫度梯度下，完整的果實(shí)經(jīng)過30 d 的萌發(fā)試驗(yàn)，均未達(dá)到50%以上的種子萌發(fā)率。然而，去除果皮以后，種子在25/15 ℃、30/20 ℃和35/25 ℃3 個溫度梯度下，培養(yǎng)10 d左右種子萌發(fā)率均達(dá)到或接近100%。這一結(jié)果表明苦櫧的果實(shí)去除果皮以后，其種子能夠在較大范圍的溫度條件下萌發(fā)。因此，在苦櫧的種子育苗過程中，我們建議對苦櫧的果皮進(jìn)行軟化或者去除處理，能夠極大地提高種子育苗效率。另外，基于苦櫧種子萌發(fā)過程的以下2個特點(diǎn)：（1）苦櫧的傳播體（果實(shí)）被覆不透水的果皮；（2）果皮對種子萌發(fā)具有明顯的阻礙作用，去除以后明顯解除了種子的休眠狀態(tài)；我們可以明確的界定苦櫧傳播體的休眠類型為物理休眠。

3.3殼斗科中首次發(fā)現(xiàn)物理休眠的意義

具有物理休眠的植物還在不斷地被發(fā)現(xiàn)，近年來發(fā)現(xiàn)具有物理休眠的新紀(jì)錄科包括海人樹科（Surianaceae）、龍眼茶科（Sphaerosepalaceae）和野牡丹科（Melastomataceae）等?？鄼椒N子具有物理休眠的這一特性在殼斗科中尚屬首次報(bào)道；因此，本研究為具有物理休眠的植物類群增加了一個新的科。另外，前人研究表明，物理休眠的種子與頑拗性種子可能存在著某種聯(lián)系。目前，已知具有物理休眠的頑拗性種子的物種分布較為狹窄，集中分布在漆樹科（Anacardiaceae）、旋花科（Convolvulaceae）、錦葵科（Malvaceae）和豆科（Fa?baceae）等12 個科中。殼斗科的大部分植物種子具有頑拗性的特點(diǎn)，本研究的對象苦櫧也不例外。因此，殼斗科是同時具有脫水敏感性和物理休眠特性的一個新科。

從系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的角度來說，物理休眠是較為進(jìn)化的種子休眠類型。物理休眠主要是從無休眠和生理休眠兩種休眠類型轉(zhuǎn)換而來。目前，已知具有物理休眠的植物類群主要集中在系統(tǒng)發(fā)育較為進(jìn)化的薔薇分支中。在系統(tǒng)進(jìn)化樹上，殼斗科隸屬于薔薇分支的殼斗目；所以，本研究支持物理休眠是一種較為進(jìn)化的種子休眠類型。