滇西北冷杉屬植物結(jié)實特性及種子特征研究

王 丹 張中帥 曾慶銀 韓學(xué)敏

（中國林業(yè)科學(xué)研究院林木遺傳育種全國重點實驗室，北京 100091）

種子是植物繁殖的主要手段之一，在極端惡劣的環(huán)境（冰凍、火災(zāi)、洪水、動物吞食等）下生存，通過休眠等待有利于發(fā)芽和生長的條件，完成種子萌發(fā)和植株生長［1］。植物種子在物理特征（大小、形狀和顏色）、生物化學(xué)和生理學(xué)上均具有多樣性，是植物研究的基礎(chǔ)。種子的大小影響種子擴散、幼苗生長發(fā)育及對非生物脅迫的耐受性，繼而影響后續(xù)種群的更新［2-4］。種子大小和數(shù)量可以被視為植物適應(yīng)度的指標(biāo)，因此在進化和生態(tài)學(xué)研究中具有重要意義［5-6］。另外，種子還可以作為分類特征，如通過48 份野豌豆屬（Vicia）植物種子百粒質(zhì)量、種臍顏色、種皮顏色、種皮紋理等17 個指標(biāo)的比較，將其區(qū)分為14個種，為野豌豆屬植物的分類鑒定提供依據(jù)［7］。石竹屬（Dianthus）、白及屬（Bletilla）植物種子的解剖結(jié)構(gòu)也具有重要的分類學(xué)價值［8-9］。因此，種子特征研究具有重要的理論價值和實踐指導(dǎo)意義。

冷杉屬（Abies）為松科（Pinaceae）第二大屬，在全球約有50 種，間斷分布于北半球溫帶及亞熱帶高山地區(qū)的高海拔地帶，是亞高山暗針葉林的主要建群樹種，是生態(tài)屏障重要的組成部分［10］。冷杉可以提取樹脂、提煉精油，亦是優(yōu)良的紙漿材，具有重要的經(jīng)濟價值。冷杉屬植物對所處生境的要求較高，分布常具有地理局限性，種群的種類和數(shù)量也相對較?。?1］。據(jù)《Flora of China》［12］記載，中國天然分布冷杉28 種，含7 個變種，是世界上冷杉屬植物種類最豐富、分布地域最廣的國家。冷杉屬植物在我國20 個省份呈現(xiàn)由北向南的間斷分布，其中橫斷山區(qū)分布相對較多［13］。滇西北橫斷山區(qū)是我國冷杉一個主要的多樣性分布中心，冷杉種類相對較多，包括中甸冷杉（A.ferreana）、云南黃果冷杉（A.ernestiivar.salouenensis）、怒江冷杉（A.nukiangensis）、急 尖 長 苞 冷 杉（A.georgeivar.smithii）、蒼山冷杉（A.delavayi）、川滇冷杉（A.forrestii）和長苞冷杉（A.georgei）共7 種冷杉［12］。滇西北地區(qū)整體地勢自西向東南傾斜，具有高度差達(dá)3 000 m 的高山和峽谷，地理環(huán)境復(fù)雜。因此滇西北地區(qū)分布的冷杉是研究冷杉種子特征及其變異模式的理想研究材料。

冷杉林是我國重要的森林類型之一，不僅具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，而且具有特殊的生態(tài)價值。然而冷杉屬植物結(jié)實率、種子飽滿率和萌發(fā)率較低，幼苗期和幼林期生長極緩慢，天然更新能力差，造成冷杉林植被恢復(fù)緩慢，自然更新存在嚴(yán)重障礙，呈現(xiàn)明顯退化趨勢［14-16］。為提高冷杉種苗繁育的效率，降低繁育成本，本研究對滇西北地區(qū)冷杉種子特性開展了系統(tǒng)研究，收集并鑒定了滇西北分布的7 種冷杉及其球果，解析滇西北7 種冷杉的結(jié)實特性、種子形態(tài)特征、種子生活力及其限制因素，為冷杉大量快速繁育提供材料和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究材料

2020年10—11月在滇西北5個地點共采集52株冷杉，單株收集冷杉針葉、枝條及球果，并根據(jù)《Flora of China》［12］冷杉屬檢索表中描述的球果顏色、苞鱗、小枝顏色及被毛、葉形態(tài)和樹脂道等分類學(xué)性狀進行鑒定，采集信息如表1所示。將冷杉球果在干燥通風(fēng)處懸掛晾曬約1個月，待采集到的球果開裂、種子脫落，通過100 目篩子去除種鱗和苞鱗，獲得冷杉種子，用于結(jié)實特性和種子特征分析。鑒于野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)大多數(shù)云南黃果冷杉均沒有結(jié)實，而結(jié)實的云南黃果冷杉樹高均大于20 m，只采集到1 株樹（LS048）的種子，因此僅對滇西北分布的其他6 種冷杉種子的結(jié)實特性及生活力進行種間及地區(qū)間的差異分析。

表1 樣本采集信息Table 1 Sample collection information

1.2 滇西北冷杉種子形態(tài)特征和結(jié)實特性研究

通過四分法從每株冷杉的種子中隨機選取30粒。使用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺（分辨率為0.01 mm）測量每顆冷杉種子的長度、寬度、厚度。通過四分法從每株冷杉的種子中隨機取100粒，使用電子天平測定100 粒種子的總質(zhì)量，重復(fù)取樣并測量4 次，計算種子千粒質(zhì)量。

通過四分法從每株冷杉的種子中隨機取100粒進行解剖。解剖后種子內(nèi)部有蟲子的認(rèn)為是蟲蝕粒，種子中空的認(rèn)為是空秕粒，只有內(nèi)部飽滿且沒有蟲子的種子被認(rèn)為是飽滿粒。統(tǒng)計每株冷杉上的種子的蟲蝕粒數(shù)量、空秕粒數(shù)量和正常飽滿粒數(shù)量，計算每株冷杉種子的蟲蝕粒率、空秕粒率和飽滿率。

1.3 滇西北冷杉種子生活力測定

種子生活力是指種子的發(fā)芽潛在能力或種胚所具有的生命力，一般指具有生命力種子數(shù)占種子總數(shù)的比例。種子生活力的測定采用2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）染色法。參考《種子生活力測定原理和方法》［17］對種子飽滿率12%以上的35 株冷杉的種子進行染色。染色結(jié)束后取出種胚，根據(jù)其著色部位和著色程度，依照ISTA 種子檢驗規(guī)程［18］的標(biāo)準(zhǔn)圖，鑒定冷杉種子生活力。

1.4 統(tǒng)計分析

使用IBM SPSS 20.0（IBM Corp，Armonk，NY，USA）軟件，進行千粒質(zhì)量與種子長度、寬度和厚度的線性回歸分析，不同地區(qū)、不同種冷杉種子特征和結(jié)實特性的單因素方差分析和Duncan 多重比較及獨立樣本t檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇西北冷杉的種子形態(tài)特征分析

采集的52 株冷杉種子數(shù)達(dá)到500 粒，可用于冷杉種子形態(tài)特征和結(jié)實特性的研究，52 株冷杉種子的平均長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量分別為6.04～10.22 mm，2.03～3.40 mm，1.26～2.24 mm，4.26～30.50 g，長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量的均值分別為7.91、2.81、1.81 mm 和18.91 g。不同種、不同地理位置冷杉種子的形態(tài)特征差別很大，其中蒼山冷杉LS001 種子最小，種子長度為（6.04±0.59）mm，寬度為（2.03±0.24）mm，厚度為（1.26±0.18）mm；急尖長苞冷杉LS024 種子最大，種子長度為（10.22±0.80）mm，寬度為（3.52±0.20）mm，厚度為（2.24±0.18）mm。冷杉種子千粒質(zhì)量的變異也較大，蒼山冷杉LS009 種子千粒質(zhì)量最小，為（4.26±0.17）g，而急尖長苞冷杉LS024 種子千粒質(zhì)量最大，為（30.50±0.46）g。

對不同地區(qū)、不同種冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量分別進行單因素方差分析及Duncan 多重比較，結(jié)果如表2 所示，與其他冷杉相比，采自蒼山的蒼山冷杉種子長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量，采自香格里拉小中甸鎮(zhèn)的中甸冷杉的種子長度，以及采自云嶺鄉(xiāng)的云南黃果冷杉的種子寬度和千粒質(zhì)量存在顯著差異。

表2 滇西北7種冷杉種子的形態(tài)特征分析Table 2 Analysis of seed morphological characteristics of seven species of Abies in Northwest Yunnan

將所有52株冷杉個體的千粒質(zhì)量分別與種子長度、種子寬度和種子厚度進行線性回歸分析（圖1），發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.83 和0.83，而且P值均小于0.01，因此千粒質(zhì)量和種子長度、寬度和厚度顯著相關(guān)。

圖1 滇西北7種冷杉種子千粒質(zhì)量與種子長度（A）、寬度（B）和厚度（C）的相關(guān)性Fig.1 Correlation analysis between thousand-seed weight and seed length（A），width（B），and thickness（C）of 7 species of Abies in Northwest Yunnan

2.2 滇西北不同地區(qū)同種冷杉種子形態(tài)特征差異分析

對采自香格里拉小中甸鎮(zhèn)（海拔3 400～3 550 m）的5 株中甸冷杉和德欽縣白馬雪山（海拔3 770～4 050 m）的6株中甸冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量進行比較分析，發(fā)現(xiàn)小中甸鎮(zhèn)和白馬雪山采集的中甸冷杉種子的形態(tài)差異顯著（圖2）。采自小中甸鎮(zhèn)的中甸冷杉種子的長度、厚度及千粒質(zhì)量分別顯著大于采自德欽縣白馬雪山的中甸冷杉種子長度、厚度及千粒質(zhì)量（P＜0.05），采自小中甸鎮(zhèn)的中甸冷杉種子的寬度極顯著大于采自德欽縣白馬雪山的中甸冷杉種子寬度（P＜0.01）。

圖2 滇西北不同地區(qū)分布的中甸冷杉的種子形態(tài)特征*表示差異顯著（P＜0.05）；**表示差異極顯著（P＜0.01）；下同F(xiàn)ig.2 Seed morphological characteristics of A. ferreana distributed in different regions in Northwest Yunnan P＜0.05 was considered as significant difference；P＜0.01 was considered as extremely significant difference；The same as below.

本研究還對采自香格里拉小中甸鎮(zhèn)（5株），德欽縣白馬雪山（10株）及德欽縣云嶺鄉(xiāng)（3株）急尖長苞冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量進行比較分析（見圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有小中甸鎮(zhèn)分布的急尖長苞冷杉種子的寬度極顯著大于云嶺鄉(xiāng)采集的急尖長苞冷杉種子的寬度（P＜0.01），千粒質(zhì)量顯著大于云嶺鄉(xiāng)采集的急尖長苞冷杉種子（P＜0.05），而其他地區(qū)間急尖長苞冷杉的種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量均不存在顯著差異（P＞0.05）。

圖3 滇西北不同地區(qū)分布的急尖長苞冷杉的種子形態(tài)特征Fig.3 Seed morphologocal characteristics of A. geoegei var.smithii distributed in different regions in Northwest Yunnan

2.3 滇西北同一地區(qū)不同種冷杉種子形態(tài)特征差異分析

本研究分析了采自香格里拉小中甸鎮(zhèn)的5 株中甸冷杉與5 株急尖長苞冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量的差異，結(jié)果如圖4 所示，中甸冷杉和急尖長苞冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量均不存在顯著差異（P＞0.05），小中甸鎮(zhèn)分布的2種冷杉的種子特征差異不明顯。

圖4 小中甸鎮(zhèn)分布冷杉種子特征Fig.4 Seed characteristics of Abies distributed in Xiaozhongdian

將采自德欽縣白馬雪山的6 株中甸冷杉、6 株長苞冷杉及10株急尖長苞冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量進行比較分析，結(jié)果如圖5 所示，中甸冷杉種子的長度顯著小于長苞冷杉和急尖長苞冷杉的種子長度（P＜0.05），中甸冷杉種子厚度和千粒質(zhì)量均顯著小于長苞冷杉（P＜0.05）而與急尖長苞冷杉沒有顯著差異。另外，白馬雪山地區(qū)的急尖長苞冷杉和長苞冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量均不存在顯著差異（P＞0.05）。

圖5 白馬雪山分布冷杉種子特征Fig.5 Seed characteristics of Abies distributed in Baima Snow Mountain

2.4 滇西北冷杉結(jié)實特性和種子生活力分析

對52 株7 種冷杉種子進行解剖觀察，發(fā)現(xiàn)滇西北分布冷杉的種子飽滿率、蟲蝕粒率和空秕粒率的平均值分別為27.51%、4.92%和67.58%，種子飽滿率不高、空粒和蟲粒嚴(yán)重。通過TTC 染色法，對種子飽滿率12%以上的35 株冷杉的種子生活力進行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)種子生活力的27.27%～100.00%，差異較大。對不同地區(qū)、不同種冷杉結(jié)實特性及種子生活力分別進行單因素方差分析及Duncan 多重比較（表3），云嶺鄉(xiāng)采集的中甸冷杉的空秕粒率和飽滿率與同地區(qū)的長苞冷杉、云南黃果冷杉差異顯著，但是與同地區(qū)的急尖長苞冷杉差異不顯著。小中甸鎮(zhèn)采集中甸冷杉和急尖長苞冷杉的空秕粒率、生活力均顯著高于、而飽滿率顯著低于白馬雪山和云嶺鄉(xiāng)采集的這2 種冷杉。不同地區(qū)、不同種冷杉的蟲蝕粒率均未發(fā)現(xiàn)顯著差異。

表3 滇西北冷杉結(jié)實特性和生活力分析Table 3 Analysis of fruiting characteristics and viability of Abies in Northwest Yunnan

對滇西北分布6種冷杉種子的蟲蝕粒率、空秕粒率、飽滿率及生活力進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒼山冷杉和怒江冷杉種子的蟲蝕粒率最低，而長苞冷杉和急尖長苞冷杉種子的蟲蝕粒率高于其他種的冷杉種子（圖6A）。長苞冷杉種子的空秕粒率也是6種冷杉種子中最高的，其次是蒼山冷杉的種子，中甸冷杉和川滇冷杉種子的空秕粒率是最低的（圖6B）。由于長苞冷杉種子的蟲蝕粒率和空秕粒率都很高，所以其種子的飽滿率是6 種冷杉中最低的，而中甸冷杉種子的飽滿率是6種冷杉中最高的（圖6C）。將不同種冷杉種子生活力進行比較發(fā)現(xiàn)，川滇冷杉種子生活力高于其他5種冷杉種子生活力，怒江冷杉和中甸冷杉種子生活力僅次于川滇冷杉種子生活力，而長苞冷杉種子生活力最低（圖6D）。

圖6 滇西北六種冷杉的結(jié)實特性Fig.6 Fruiting properties of six Abies species in Northwest Yunnan

將采自白馬雪山、蒼山、丙中洛鎮(zhèn)、小中甸鎮(zhèn)及云嶺鄉(xiāng)這5個地區(qū)的冷杉種子的蟲蝕粒率、空秕粒率、飽滿率及生活力進行比較分析，發(fā)現(xiàn)采自蒼山的冷杉種子的蟲蝕粒率最低，而采自小中甸鎮(zhèn)的冷杉種子的蟲蝕粒率最高（圖7A）。采自小中甸鎮(zhèn)和蒼山地區(qū)的冷杉種子的空秕粒率高于采自其他地區(qū)的冷杉種子的空秕粒率（圖7B）。采自白馬雪山和丙中洛鎮(zhèn)的冷杉種子的飽滿率較高，而采自小中甸鎮(zhèn)的冷杉種子的飽滿率最低（圖7C）。通過對采自不同地區(qū)的冷杉種子生活力比較分析發(fā)現(xiàn)，采自小中甸鎮(zhèn)的冷杉種子生活力高于采自其他地區(qū)的種子生活力，采自云嶺鄉(xiāng)的冷杉種子生活力在5個采集地區(qū)的種子生活力最低（圖7D）。

圖7 滇西北5個地區(qū)冷杉的結(jié)實特性Fig.7 Fruiting properties of Abies species in five regions of Northwest Yunnan

另外，對滇西北地區(qū)6 種冷杉的物種、采集地點與蟲蝕粒率、空秕粒率、飽滿率及生活力的相關(guān)性進行了多元線性回歸分析，結(jié)果如表4 所示，蟲蝕粒率與種間及地區(qū)間差異的顯著性P值分別為0.204 和0.750，差異不顯著；空秕粒率與種間及地區(qū)間差異的顯著性P值分別為0.007和0.493，種間差異顯著而分布地區(qū)差異不顯著；飽滿率與種間差異顯著（P=0.005）而分布地區(qū)差異不顯著（P=0.215）；冷杉種子生活力與種間（P=0.008）及地區(qū)間（P=0.036）均存在顯著差異。

表4 滇西北冷杉結(jié)實特性和生活力多元線性回歸分析Table 4 A multiple linear regression analysis of fruiting characteristics and viability of Abies in Northwest Yunnan

3 討論

3.1 滇西北冷杉種子形態(tài)特征具有豐富的多樣性

種子的體積與形狀是種子形態(tài)特征的三維表現(xiàn)形式，與種子的傳播、持久土壤種子庫和種子萌發(fā)都有一定的關(guān)系，是研究種子形態(tài)性狀的重要指標(biāo)之一。質(zhì)量比較輕、表面積與體積比高或者具有種翅、羽毛等特殊構(gòu)造的種子，可以通過風(fēng)力傳播［2，19-20］，形狀扁平或細(xì)長，或有特殊鉤狀結(jié)構(gòu)的種子，比較容易粘附到動物皮毛上，進行較遠(yuǎn)距離的傳播［21］，而體積小、形狀近圓形的種子壽命會較長，且更容易形成持久的土壤種子庫［22］。本研究采集的冷杉種子，大多分布于滇西北地區(qū)海拔3 000 m 以上的山地，采樣地多為海拔高、氣溫低、濕度大的地區(qū)，除云南黃果冷杉的種子是非常明顯的三角形，其他冷杉種子多為長橢圓形，種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量的均值分別為7.91、2.81、1.81 mm 和18.91 g，種子質(zhì)量和體積較小，主要通過風(fēng)力傳播。同一分布區(qū)內(nèi)的不同種冷杉的種子形態(tài)特征，以及不同分布區(qū)的同種冷杉種子形態(tài)特征均具有豐富的多樣性。

3.2 滇西北冷杉種子形態(tài)特征的地理變異規(guī)律

植物生長的環(huán)境對種子形態(tài)特征也有很大的影響，研究表明植物種間種子形態(tài)存在明顯的地理變異規(guī)律，種子的千粒質(zhì)量、體積、厚度等性狀與熱量、水分因子、年均溫、無霜期等條件顯著相關(guān)［23］。羅大慶等［24］研究發(fā)現(xiàn)西藏色季拉山東坡低海拔區(qū)域急尖長苞冷杉在單果種子數(shù)量、種子千粒質(zhì)量及飽滿率等方面高于高海拔地區(qū)，而本研究對香格里拉小中甸鎮(zhèn)（海拔3 400～3 550 m）和德欽縣白馬雪山（海拔3 770～4 050 m）分布的中甸冷杉種子形態(tài)特征的比較分析也發(fā)現(xiàn)，低海拔的小中甸鎮(zhèn)分布的中甸冷杉種子的長度、寬度、厚度及千粒質(zhì)量均顯著大于高海拔的德欽縣白馬雪山分布的中甸冷杉（P＜0.05），推測低海拔地區(qū)可能更利于中甸冷杉種子生長與發(fā)育。

3.3 滇西北冷杉結(jié)實特性及其應(yīng)用價值

冷杉種子普遍存在結(jié)實率不高、空秕粒和蟲蝕粒嚴(yán)重的情況，且冷杉種子萌發(fā)困難，發(fā)芽周期較長，萌發(fā)不整齊，這些因素共同導(dǎo)致冷杉屬大多數(shù)植物天然更新緩慢，甚至許多冷杉屬植物瀕臨滅絕［16］。種子的大小、千粒質(zhì)量、飽滿率等因素是研究種子萌發(fā)過程的先決因素，只有充分了解這些因素，才能在研究種子萌發(fā)過程時，對可能出現(xiàn)的萌發(fā)率低，萌發(fā)周期長，發(fā)芽勢低等問題作出相對正確合理的判斷。本研究發(fā)現(xiàn)滇西北分布冷杉的種子飽滿率、蟲蝕粒和空秕粒的平均值分別為27.51%、4.92%和67.58%，種子飽滿率不高、空秕粒和蟲蝕粒嚴(yán)重，而種子生活力為27.27%～100.00%，不同個體間生活力也存在顯著差異。因此，以上研究結(jié)果對篩選飽滿率和生活力高的冷杉個體，進行冷杉林繁育與更新具有重要的指導(dǎo)意義。

通過多元線性回歸分析了滇西北地區(qū)6 種冷杉的物種、地點與蟲蝕粒率、空秕粒率、飽滿率及生活力的相關(guān)性，結(jié)果顯示蟲蝕粒率不存在顯著的種間及地區(qū)間差異（P＞0.1）；空秕粒率和飽滿率存在種間差異（P＜0.01），但與分布地區(qū)沒有顯著相關(guān)性（P＞0.1）；冷杉種子生活力存在種間（P=0.008）及地區(qū)間（P=0.036）的差異，因此生活力同時受物種特性及環(huán)境因素的影響。白馬雪山分布的3 種冷杉的種子特征分析發(fā)現(xiàn)，中甸冷杉、長苞冷杉和急尖長苞冷杉種子特征也存在差異（圖6）。因此，將種子特征、結(jié)實特性和生活力與物種及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地形地勢等因素相結(jié)合，探究影響冷杉種子發(fā)育和萌發(fā)的關(guān)鍵因素，為挽救冷杉屬瀕危植物、促進冷杉林更新恢復(fù)提供材料和理論支持。