不同鮮重秋茄胚軸形態及其對幼苗生長的影響

劉雙雙, 楊升, 劉星, 陳秋夏, 王金旺, 郭晉敏, 王佳玉, 王文卿,吳偉志, 梁立成, 張小偉

1. 浙江農林大學林業與生物技術學院, 浙江 杭州 311300;

2. 浙江省亞熱帶作物研究所, 浙江 溫州 325005;

3. 廈門大學環境與生態學院, 福建 廈門 361102;

4. 浙江省森林資源監測中心, 浙江 杭州 310020;

5. 浙江省林業勘測規劃設計有限公司, 浙江 杭州 310020

紅樹林是熱帶與亞熱帶海岸潮間帶特有的木本植物群落, 具有促淤造陸、防風護堤、凈化水源, 維護生物多樣性等生態功能(王文卿 等, 2007; Huxham et al, 2010)。秋茄(Kandelia obovata)屬于紅樹科(Rhizophoraceae)秋茄屬(Kandelia), 為真紅樹植物中最耐寒的物種, 在我國不僅分布最廣, 而且分布緯度最高, 其分布最北界為浙江樂清(陳秋夏 等,2019)。為了適應潮間帶復雜生境, 秋茄發育出一種特殊的胎生繁殖方式, 其繁殖體為胚軸。目前, 對秋茄胚軸的研究主要集中在特征結構、栽培育種、遺傳及分子機制等方面(何琴飛 等, 2014; 周曉旋 等,2016; Hong et al, 2018), 對秋茄胚軸鮮重和幼苗生長性狀之間的關系未有過詳細的研究。

一般認為, 種子大小對幼苗生長發育有正向作用, 種子越大, 萌發出苗率越高(Murray et al, 2003;武高林 等, 2008; 冷天鳳 等, 2020)。種子大小對幼苗生長的影響不僅限于萌發, 對幼苗成活率以及后期 生 長 也 有 重 要 作 用(González-Rodríguez et al,2011)。大種子幼苗具有較大的根系, 能從外界獲取更多的水分和營養, 生物量顯著高于小種子幼苗(張金峰 等, 2020)。但也有研究表明, 種子大小對種子萌發和幼苗生長無顯著影響, 主要與種植地的光照、降水等因素有關(Rawat et al, 2011; Ma et al,2019)。有研究表明, 較高緯度的秋茄受低溫的影響,胚軸較小, 幼苗的生長表現也相對較差(楊升 等,2020)。然而, 大多關于種子大小對幼苗生長影響的研究只關注某個特定值(閆興富 等, 2020; 李澤倫等, 2021), 對種子重量對幼苗生長影響的趨勢的研究很少, 而對秋茄胚軸重量的研究尚未見報道。在秋茄胚軸造林過程中, 胚軸質量標準不統一直接影響造林成活率的高低, 也影響幼苗初期生長。

種子養分是早期幼苗生長的唯一能量和營養支撐來源(史文輝, 2018)。碳主要構成植物體內干物質,為各種生理生化反應提供能量(吳航 等, 2014)。氮和磷是合成蛋白質、核苷酸、ATP 等重要代謝必須物質的關鍵元素(Marschner, 2012)。鉀通過控制滲透壓對植物抗寒性的提高有重要作用(Hawkesford et al, 2012)。淀粉為種子萌發和幼苗生長提供物質和能量, 種子淀粉含量不足直接影響種子發芽率和幼苗生長(趙燕昊 等, 2019)。目前, 對種子養分的研究不多, 已有的研究主要集中在植物本身化學成分方面(Abifarin et al, 2021; Li et al, 2021; 王龍仁 等,2021)。秋茄生境具有高鹽、高溫、強光、水淹等特征, 胚軸中的營養成分可以為幼苗生長提供能量,從而更好地應對環境挑戰。

浙江省從20 世紀50—60 年代開始引種種植紅樹林, 累計造林面積達到1700 畝, 但保存率不足2%, 除了宜林地選擇不當, 人為破壞和自然災害等原因外, 種苗質量也會影響造林效果(陳秋夏 等,2019)。本研究以秋茄胚軸為材料, 比較不同鮮重等級胚軸的形態特征指標和營養成分含量差異, 以及對幼苗生長指標的影響, 并對秋茄胚軸鮮重等級進行綜合評價, 來確定浙江省秋茄胚軸的質量標準,以期為秋茄高質量造林、種苗選擇以及種苗的培育提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2020 年5 月下旬, 采集浙江龍港秋茄母樹林上成熟的胚軸, 篩選出健康完整、無蟲害的秋茄胚軸作為試驗材料。

1.2 試驗方法

將采集的秋茄胚軸洗凈后稱重, 其中80%的胚軸鮮重分布范圍為 4.0～10.0g, 平均胚軸鮮重為6.95g, 因此將胚軸根據鮮重分為 4.0～5.0g、5.0～6.0g、6.0～7.0g、7.0～8.0g、8.0～9.0g、9.0～10.0g共6 個等級。每個等級的胚軸數量不少于300 根。每等級隨機選取90 根秋茄胚軸種植于溫州市龍灣區樹排沙島灘涂, 種植密度為0.4m×1.0m。

1.3 胚軸形態指標測量

每個等級隨機選擇30 根胚軸, 測量其鮮重、長度、橫徑、頂徑。然后, 105℃下, 殺青30min, 80℃烘干至恒重, 稱取每根胚軸的干重。

1.4 胚軸營養成分測定

將測量完形態指標的30 根秋茄胚軸分成3 份,粉碎后, 采用凱氏定氮法測定全氮含量(王鑫磊 等,2020), 釩鉬黃比色法測定全磷含量(劉云霞 等,2015), 原子吸收分光光度計法測定全鉀含量(呂航等, 2021), 重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定有機碳含量(劉昌嶺 等, 2007), 微波消解-原子吸收法測定全鈉含量(袁珂 等, 2010), 蒽酮比色法測定淀粉含量(黃光文 等, 2010)。

1.5 幼苗生長情況測定

2020 年9 月, 每個等級隨機選擇30 株幼苗, 測量每株幼苗的生長高、基徑和葉片數, 并且每個等級隨機選擇10 株, 分根、莖、葉和胚軸采集, 于105℃下殺青30min, 然后80℃下烘干至恒重, 分別測量根、莖、葉和胚軸干重, 計算凈生物量(凈生物量=根干重+莖干重+葉干重)和總生物量(總生物量=凈生物量+胚軸干重)。

1.6 數據分析

利用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據處理。所有分析均使用SPSS 19.0 軟件,P＜0.05 認為差異顯著,P＜0.01 認為差異極顯著。應用單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同胚軸鮮重下的形態指標、營養成分指標和幼苗生長指標差異是否顯著。采用Pearson相關性系數分析胚軸性狀與生長性狀的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同鮮重等級胚軸的形態特征

從表1 可見, 隨著胚軸鮮重的增加, 胚軸長度、橫徑、頂徑和干重均呈現出顯著性上升, 但長度在5.0～6.0g 和6.0～7.0g 兩個等級間, 以及8.0～9.0g 和9.0～10.0g 兩個等級間均無顯著差異; 胚軸頂徑在7.0～8.0g 和8.0～9.0g 等級間差異不顯著。

表1 不同鮮重等級胚軸的形態特征指標Tab. 1 Morphological characteristics of different fresh weight grades of hypocotyls

2.2 不同鮮重等級胚軸的營養成分含量

由表2 可知, 胚軸的N、P 和有機碳百分含量隨胚軸鮮重等級增加差異不顯著且無明顯變化規律。K 百分含量隨胚軸鮮重的增加呈現先下降后上升的趨勢, 4.0～5.0g 等級時K 含量最大, 7.0～8.0g 等級時最小。Na 百分含量隨胚軸鮮重等級的增加而先升高后下降, 6.0～7.0g 等級時最大, 為5.97mg·g–1; 8.0～9.0g 等級時最小。隨著秋茄胚軸鮮重等級增加, 胚軸淀粉百分含量呈下降趨勢, 在8.0～9.0g 和9.0～10.0g 兩個等級顯著減小, 分別為254.83mg·g–1和250.89mg·g–1。

表2 不同鮮重等級胚軸的營養成分百分含量Tab. 2 Nutrient percentage content of different fresh weight grades of hypocotyls

從表3 可以看出, 胚軸N、K 和Na 總含量隨胚軸鮮重等級的增加而顯著增加(P＜0.05)。胚軸P 總含量在4.0～5.0g、5.0～6.0g、6.0～7.0g 和7.0～8.0g 四個等級間無顯著差異, 8.0～9.0 等級時顯著上升(P＜0.05)。有機碳總含量隨胚軸鮮重的增加呈現先上升后下降的趨勢, 鮮重等級8.0～9.0g 時有機碳總含量最大, 為 1581.97mg·根–1, 但有機碳總含量在7.0～8.0g、8.0～9.0g 和9.0～10.0g 三個等級間無顯著差異。秋茄胚軸個體平均淀粉含量在 5.0～6.0g、6.0～7.0g 等級間差異不顯著, 在7.0～8.0g 等級時顯著上升, 為900.89mg。

表3 不同鮮重等級胚軸的個體平均營養成分含量Tab. 3 Nutrient content of different fresh weight grades of hypocotyls

秋茄胚軸C:N、N:P、C:P 值隨胚軸鮮重的增加呈先升高后下降的趨勢(表4)。C:N 值和C:P 值在胚軸鮮重7.0～8.0g 時顯著上升, 并達到最大值, 分別為70.30 和1019.51。N:P 值在鮮重等級5.0～6.0g 時顯著升高, 在鮮重等級7.0～8.0g 時最大, 為14.35;8.0～9.0g 等級時顯著下降。隨胚軸鮮重增加, K:Na值無明顯變異規律, 在8.0～9.0g 等級時最大。

2.3 不同鮮重等級胚軸的幼苗生長差異

在田間試驗中, 秋茄幼苗生長高、基徑、葉片數隨胚軸鮮重等級的增加呈上升趨勢(表4)。幼苗生長高在 4.0～5.0g 和 5.0～6.0g 等級間差異顯著(P＜0.05), 兩組生長高相差3.45cm, 但6.0～7.0g、7.0～8.0g、8.0～9.0g 與9.0～10.0g 四個組間差異不顯著。4.0～5.0g 等級時生長高最小, 為 11.08cm,9.0～10.0g 時生長高最大, 為18.18cm。隨著胚軸鮮重等級的增加, 幼苗基徑顯著增加(P＜0.05)。葉片數隨胚軸鮮重等級的增加而逐漸增加, 在5.0～6.0g、6.0～7.0g 和7.0～8.0g 等級間, 幼苗平均每株葉片數差異不顯著, 為8～9 片; 而8.0～9.0g 和9.0～10.0g 等級時平均每株葉片數顯著增加, 分別達到10.23 和12.28 片。在4.0～5.0g 和5.0～6.0g 等級間, 幼苗根干重、莖干重、葉干重、胚軸干重、凈生物量和總生物量差異顯著(P＜0.05), 但 5.0～6.0g、6.0～7.0g 和7.0～8.0g 三個等級間幼苗莖干重、葉干重、凈生物量和總生物量差異不顯著; 在8.0～9.0g 和9.0～10.0g兩個等級, 根干重、莖干重、葉干重、胚軸干重、凈生物量和總生物量均顯著增加(P＜0.05)。

表4 不同鮮重等級胚軸的營養成分組成比例Tab. 4 The proportion of nutrient content of different fresh weight grades of hypocotyls

2.4 胚軸性狀與幼苗生長性狀相關性分析

由表6 可知, 胚軸鮮重和長度、橫徑、頂徑及N、K、Na、有機碳和淀粉總含量之間呈極顯著正相關(P＜0.01), 和P 總含量之間呈顯著正相關(P＜0.05)。胚軸鮮重與幼苗生長指標間呈顯著正相關, 而且與基徑、總生物量之間相關性達到了極顯著水平(P＜0.01)。胚軸鮮重與C:N、N:P、C:P、K:Na 有正相關關系, 但不顯著。

表6 秋茄胚軸與幼苗生長性狀間的相關系效Tab.6The correlation coefficient between hypocotyls and seedling growing traits of Kandelia obovata

胚軸表型性狀與幼苗生長指標之間的相關性均呈顯著水平, 其中胚軸長度與幼苗生長高和生物量之間以及橫徑與幼苗生物量之間呈顯著正相關(P＜0.05), 其他相互間均呈極顯著正相關(P＜0.01)。

除胚軸P 總含量與生長高之間的相關性不顯著外, N、K、Na 總含量與幼苗生長指標之間呈顯著正相關(P＜0.05)。胚軸有機碳總含量與幼苗生長高、基徑和總生物量之間呈顯著正相關關系(P＜0.05), 與凈生物量間相關性不顯著。淀粉總含量與生長性狀間呈顯著正相關, 而且與生長高和基徑之間的相關性達到了極顯著水平(P＜0.01)。胚軸C:N、N:P、C:P值與生長高和基徑呈正相關, 與凈生物量和總生物量呈負相關, 但關系均不顯著。K:Na 值與幼苗生長指標呈正相關關系。

2.5 不同鮮重等級胚軸主成分分析

對6 個不同鮮重等級秋茄胚軸的形態指標、營養成分指標和幼苗生長指標進行主成分分析(表7),分析提取得到3 個主成分, 第一主成分方差貢獻率為76.485%, 載荷較高的有胚軸干重、N、K 含量、幼苗葉干重和幼苗胚軸干重。第二主成分方差貢獻率為16.746%, 載荷較高的有胚軸N:P、C:P 值。3個主成分累計貢獻率達98.059%, 因此這三個主成分可以較好的代表不同鮮重等級胚軸的形態指標和營養成分指標以及不同鮮重等級胚軸對秋茄幼苗生長指標的影響。

表7 秋茄胚軸性狀的主成分載荷矩陣及方差貢獻率Tab. 7 Principal component loading matrix and variance contribution rate of Kandelia obovata hypocotyl characteristics

根據秋茄胚軸性狀相關矩陣的特征向量, 可以得到3 個主成分得分表達式:

對6 個不同鮮重等級秋茄胚軸進行綜合評價(表8), 根據主成分方差貢獻率, 建立綜合評價模型:F=76.485%F1+16.746%F2+4.827%F3。結果顯示, 第一主成分中, 排名最高的是鮮重等級9.0～10.0g 的胚軸; 第二主成分中, 排名最高的是鮮重等級8.0～9.0g 的胚軸; 第三主成分中, 排名最高的是鮮重等級7.0～8.0g 的胚軸。6 個不同鮮重等級胚軸的綜合評價得分中, 鮮重7.0g 以上的胚軸得分較高。

表5 不同鮮重等級胚軸的秋茄幼苗生長表現Tab. 5 The seedling growth of Kandelia obovata of different fresh weight grades of hypocotyls

表8 秋茄胚軸性狀的主成分得分和綜合得分Tab. 8 Main ingredient score and comprehensive score of Kandelia obovata hypocotyl characteristics

2.6 秋茄胚軸鮮重與幼苗生長指標回歸分析

為了解秋茄胚軸鮮重對幼苗生長趨勢的影響,分別將秋茄幼苗生長高和凈生物量作為因變量, 胚軸鮮重作為自變量進行回歸分析, 結果見圖1。秋茄幼苗生長高和凈生物量與胚軸鮮重存在較好的曲線回歸關系,R2分別為0.978 和0.951 (P＜0.01)。胚軸鮮重和幼苗生長高擬合程度最高的模型為二次模型,回歸方程為:y=–0.185x2+ 4.247x– 4.306。胚軸鮮重和幼苗凈生物量擬合程度最高的模型為三次模型,回歸方程為:y= 0.009x3– 0.034x2+ 3.636。根據擬合的曲線可知, 胚軸鮮重小于5.22g 時, 幼苗生長高隨胚軸鮮重的增加緩慢增加, 鮮重5.22～8.66g 時, 生長高增長加快, 鮮重大于8.66g 時, 生長高增長減緩。胚軸鮮重小于5.34g 時, 隨著鮮重的增加, 幼苗凈生物量迅速增加, 鮮重5.34～8.74g 時, 凈生物量增長減緩, 鮮重大于8.74g 時, 凈生物量增長加快。

圖1 胚軸鮮重-生長高(a)和胚軸鮮重-凈生物量(b)擬合曲線Fig. 1 Fit curves between hypocotyl fresh weight and growth height (a) and between hypocotyl fresh weight and net biomass (b)

3 討論

3.1 秋茄胚軸表型性狀與胚軸營養物質及組成比例間的關系

大種子含有更多的營養物質, 可以為種子萌發和幼苗生長提供更多的能量(王素玉, 2020)。在本研究中, 胚軸N、K、Na 含量隨鮮重的增加而顯著增加, 胚軸鮮重與N、K、Na 含量呈極顯著正相關, 說明大胚軸中含有更多的營養物質, 因此大胚軸的種子可以從胚軸中獲得更多的能量, 產生大而旺盛的幼苗, 從而更好地應對環境脅迫。有機碳和淀粉含量在7.0～8.0g 等級顯著升高, C:N、N:P、C:P 值在鮮重7.0～8.0g 等級時均顯著高于其他鮮重等級, 說明中等質量胚軸利用較高的營養成分含量來彌補其產生較小幼苗的劣勢, 從而增強較小幼苗抵抗逆境的能力(吳航, 2014)。González-Rodríguez 等(2011)認為在種子萌發和幼苗生長過程中, 不同的營養物質所起的作用不同, 其組成差異可能導致植物采取不同的生長對策, 因此不同大小胚軸中營養物質含量的差異可能是小胚軸的秋茄幼苗對抗競爭劣勢的基礎。

3.2 秋茄胚軸表型性狀與幼苗生長情況的關系

大種子儲藏的更多能量可以為種子萌發和幼苗生長發育提供保障, 而且能更好的抵御外界風險(張金峰 等, 2020; Mechergui et al, 2021)。有研究發現,幼苗早期生長和種子大小有顯著正相關關系(Moles et al, 2004; Tumpa et al, 2021)。本研究中, 在不同胚軸鮮重下, 秋茄幼苗生長性狀表現為極顯著的差異性。不同鮮重等級秋茄胚軸的幼苗生長趨勢表現為隨著秋茄胚軸鮮重的增加, 其生長高、基徑、葉片數均顯著增加。這與Sousa 等(2003)的研究結果一致,即紅樹植物胚軸鮮重越大, 其幼苗出苗率越高, 生長優勢越強。秋茄幼苗的生長高、基徑、生物量與胚軸鮮重、長度、橫徑、頂徑均呈顯著正相關, 說明胚軸大小顯著影響幼苗生長。胚軸越大, 幼苗初期生長越旺盛, 這與吳亞麗(2016)研究中種子千粒重與幼苗苗高具有密切相關性的結果類似。大胚軸的幼苗各部分生物量及總生物量顯著高于中等質量胚軸和小胚軸, 說明相比小胚軸的幼苗, 大胚軸的幼苗有更強的干物質積累優勢(J?rgensen et al,2019)。但在鮮重5.0～6.0g 等級, 幼苗根干重顯著高于6.0～7.0g 和7.0～8.0g 等級, 原因可能是小胚軸自身含有較少的儲藏物質, 因此需要發育出較大的根系, 才能從外界獲取更多的水分和營養。胚軸鮮重和幼苗生長高的回歸分析結果顯示, 雖然幼苗生長高隨著胚軸鮮重的增加而顯著增加, 但在鮮重8.66g 后, 幼苗生長高增長趨勢減緩。因此本研究需要深入探究幼苗生長狀況隨胚軸鮮重的變化規律,如在9.0～10.0g 后繼續增設處理組。

3.3 秋茄胚軸營養物質及組成比例與幼苗生長情況的關系

種子萌發與早期幼苗生長沒有受到外界供應養分的影響, 幼苗生長所需的養分完全來源于種子,因此種子中的營養物質對早期幼苗生長有重要作用(楊慧仙, 2016)。本研究發現, 秋茄幼苗生長指標與胚軸N、P、K、Na、有機碳和淀粉含量呈顯著正相關關系, 這說明秋茄幼苗生長受到胚軸營養物質含量的影響, 可以利用N、P、K、Na、有機碳和淀粉含量預判幼苗初期生長情況。這與Caliskan 等(2014)研究中地中海柏木種子中C、N 含量與種子萌發能力呈正相關關系的結果類似。C:N、N:P、C:P 值與生長高、基徑呈正相關關系, 但與生物量呈負相關,說明N、P 含量高的胚軸萌發出的幼苗生物量大, 秋茄幼苗對胚軸N 和P 有較高的利用率。

3.4 不同鮮重等級秋茄胚軸綜合評價

對種子品質進行科學合理的評價, 需要對多項指標進行綜合分析(何文 等, 2021)。劉博文 等(2021)對48 份野豌豆屬植物種子形態指標的主成分分析結果表明, 百粒重、種子長、種子寬等為主要形態指標。本研究選取秋茄胚軸的23 項性狀作為評價6個不同鮮重等級胚軸優劣的指標, 采用主成分分析將23 個指標轉換成3 個主成分指標, 其中胚軸形態指標中的干重, 營養成分指標中的N、K 含量、N:P值、C:P 值, 以及幼苗生長指標中的葉干重、胚軸干重為主要指標, 能夠代表所測的23 個性狀的絕大多數信息。6 個不同鮮重等級胚軸的綜合評價結果顯示, 鮮重7.0g 以上的胚軸綜合得分較高, 同時通過回歸分析發現, 胚軸鮮重大于5.22g 時, 幼苗生長高急劇增加; 鮮重大于8.74g 時, 凈生物量增長加快,因此應優先選擇7.0g 以上的胚軸進行造林。另外,胚軸干重、N 含量、K 含量、N:P 值和C:P 值也可作為篩選優質秋茄胚軸的重要指標。

4 結論

秋茄胚軸的表型性狀和營養成分含量以及幼苗生長性狀在不同胚軸鮮重間差異顯著。胚軸表型性狀和營養成分含量與幼苗生長高、基徑、生物量存在顯著正相關關系。因此, 胚軸越重, 含有的營養物質越多, 可以為幼苗提供更多的營養和能量,從而發育得更加健壯。在浙江省紅樹植物秋茄生產實踐中, 建議選擇鮮重7.0g 及以上的秋茄胚軸進行造林。