不同鲜重秋茄胚轴形态及其对幼苗生长的影响

刘双双, 杨升, 刘星, 陈秋夏, 王金旺, 郭晋敏, 王佳玉, 王文卿,吴伟志, 梁立成, 张小伟

1. 浙江农林大学林业与生物技术学院, 浙江 杭州 311300;

2. 浙江省亚热带作物研究所, 浙江 温州 325005;

3. 厦门大学环境与生态学院, 福建 厦门 361102;

4. 浙江省森林资源监测中心, 浙江 杭州 310020;

5. 浙江省林业勘测规划设计有限公司, 浙江 杭州 310020

红树林是热带与亚热带海岸潮间带特有的木本植物群落, 具有促淤造陆、防风护堤、净化水源, 维护生物多样性等生态功能(王文卿 等, 2007; Huxham et al, 2010)。秋茄(Kandelia obovata)属于红树科(Rhizophoraceae)秋茄属(Kandelia), 为真红树植物中最耐寒的物种, 在我国不仅分布最广, 而且分布纬度最高, 其分布最北界为浙江乐清(陈秋夏 等,2019)。为了适应潮间带复杂生境, 秋茄发育出一种特殊的胎生繁殖方式, 其繁殖体为胚轴。目前, 对秋茄胚轴的研究主要集中在特征结构、栽培育种、遗传及分子机制等方面(何琴飞 等, 2014; 周晓旋 等,2016; Hong et al, 2018), 对秋茄胚轴鲜重和幼苗生长性状之间的关系未有过详细的研究。

一般认为, 种子大小对幼苗生长发育有正向作用, 种子越大, 萌发出苗率越高(Murray et al, 2003;武高林 等, 2008; 冷天凤 等, 2020)。种子大小对幼苗生长的影响不仅限于萌发, 对幼苗成活率以及后期 生 长 也 有 重 要 作 用(González-Rodríguez et al,2011)。大种子幼苗具有较大的根系, 能从外界获取更多的水分和营养, 生物量显著高于小种子幼苗(张金峰 等, 2020)。但也有研究表明, 种子大小对种子萌发和幼苗生长无显著影响, 主要与种植地的光照、降水等因素有关(Rawat et al, 2011; Ma et al,2019)。有研究表明, 较高纬度的秋茄受低温的影响,胚轴较小, 幼苗的生长表现也相对较差(杨升 等,2020)。然而, 大多关于种子大小对幼苗生长影响的研究只关注某个特定值(闫兴富 等, 2020; 李泽伦等, 2021), 对种子重量对幼苗生长影响的趋势的研究很少, 而对秋茄胚轴重量的研究尚未见报道。在秋茄胚轴造林过程中, 胚轴质量标准不统一直接影响造林成活率的高低, 也影响幼苗初期生长。

种子养分是早期幼苗生长的唯一能量和营养支撑来源(史文辉, 2018)。碳主要构成植物体内干物质,为各种生理生化反应提供能量(吴航 等, 2014)。氮和磷是合成蛋白质、核苷酸、ATP 等重要代谢必须物质的关键元素(Marschner, 2012)。钾通过控制渗透压对植物抗寒性的提高有重要作用(Hawkesford et al, 2012)。淀粉为种子萌发和幼苗生长提供物质和能量, 种子淀粉含量不足直接影响种子发芽率和幼苗生长(赵燕昊 等, 2019)。目前, 对种子养分的研究不多, 已有的研究主要集中在植物本身化学成分方面(Abifarin et al, 2021; Li et al, 2021; 王龙仁 等,2021)。秋茄生境具有高盐、高温、强光、水淹等特征, 胚轴中的营养成分可以为幼苗生长提供能量,从而更好地应对环境挑战。

浙江省从20 世纪50—60 年代开始引种种植红树林, 累计造林面积达到1700 亩, 但保存率不足2%, 除了宜林地选择不当, 人为破坏和自然灾害等原因外, 种苗质量也会影响造林效果(陈秋夏 等,2019)。本研究以秋茄胚轴为材料, 比较不同鲜重等级胚轴的形态特征指标和营养成分含量差异, 以及对幼苗生长指标的影响, 并对秋茄胚轴鲜重等级进行综合评价, 来确定浙江省秋茄胚轴的质量标准,以期为秋茄高质量造林、种苗选择以及种苗的培育提供参考依据。

1.1 试验材料

2020 年5 月下旬, 采集浙江龙港秋茄母树林上成熟的胚轴, 筛选出健康完整、无虫害的秋茄胚轴作为试验材料。

1.2 试验方法

将采集的秋茄胚轴洗净后称重, 其中80%的胚轴鲜重分布范围为 4.0～10.0g, 平均胚轴鲜重为6.95g, 因此将胚轴根据鲜重分为 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 个等级。每个等级的胚轴数量不少于300 根。每等级随机选取90 根秋茄胚轴种植于温州市龙湾区树排沙岛滩涂, 种植密度为0.4m×1.0m。

1.3 胚轴形态指标测量

每个等级随机选择30 根胚轴, 测量其鲜重、长度、横径、顶径。然后, 105℃下, 杀青30min, 80℃烘干至恒重, 称取每根胚轴的干重。

1.4 胚轴营养成分测定

将测量完形态指标的30 根秋茄胚轴分成3 份,粉碎后, 采用凯氏定氮法测定全氮含量(王鑫磊 等,2020), 钒钼黄比色法测定全磷含量(刘云霞 等,2015), 原子吸收分光光度计法测定全钾含量(吕航等, 2021), 重铬酸钾-硫酸氧化法测定有机碳含量(刘昌岭 等, 2007), 微波消解-原子吸收法测定全钠含量(袁珂 等, 2010), 蒽酮比色法测定淀粉含量(黄光文 等, 2010)。

1.5 幼苗生长情况测定

2020 年9 月, 每个等级随机选择30 株幼苗, 测量每株幼苗的生长高、基径和叶片数, 并且每个等级随机选择10 株, 分根、茎、叶和胚轴采集, 于105℃下杀青30min, 然后80℃下烘干至恒重, 分别测量根、茎、叶和胚轴干重, 计算净生物量(净生物量=根干重+茎干重+叶干重)和总生物量(总生物量=净生物量+胚轴干重)。

1.6 数据分析

利用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理。所有分析均使用SPSS 19.0 软件,P＜0.05 认为差异显著,P＜0.01 认为差异极显著。应用单因素方差分析(ANOVA)检验不同胚轴鲜重下的形态指标、营养成分指标和幼苗生长指标差异是否显著。采用Pearson相关性系数分析胚轴性状与生长性状的相关性。

2.1 不同鲜重等级胚轴的形态特征

从表1 可见, 随着胚轴鲜重的增加, 胚轴长度、横径、顶径和干重均呈现出显著性上升, 但长度在5.0～6.0g 和6.0～7.0g 两个等级间, 以及8.0～9.0g 和9.0～10.0g 两个等级间均无显著差异; 胚轴顶径在7.0～8.0g 和8.0～9.0g 等级间差异不显著。

表1 不同鲜重等级胚轴的形态特征指标Tab. 1 Morphological characteristics of different fresh weight grades of hypocotyls

2.2 不同鲜重等级胚轴的营养成分含量

由表2 可知, 胚轴的N、P 和有机碳百分含量随胚轴鲜重等级增加差异不显著且无明显变化规律。K 百分含量随胚轴鲜重的增加呈现先下降后上升的趋势, 4.0～5.0g 等级时K 含量最大, 7.0～8.0g 等级时最小。Na 百分含量随胚轴鲜重等级的增加而先升高后下降, 6.0～7.0g 等级时最大, 为5.97mg·g–1; 8.0～9.0g 等级时最小。随着秋茄胚轴鲜重等级增加, 胚轴淀粉百分含量呈下降趋势, 在8.0～9.0g 和9.0～10.0g 两个等级显著减小, 分别为254.83mg·g–1和250.89mg·g–1。

表2 不同鲜重等级胚轴的营养成分百分含量Tab. 2 Nutrient percentage content of different fresh weight grades of hypocotyls

从表3 可以看出, 胚轴N、K 和Na 总含量随胚轴鲜重等级的增加而显著增加(P＜0.05)。胚轴P 总含量在4.0～5.0g、5.0～6.0g、6.0～7.0g 和7.0～8.0g 四个等级间无显著差异, 8.0～9.0 等级时显著上升(P＜0.05)。有机碳总含量随胚轴鲜重的增加呈现先上升后下降的趋势, 鲜重等级8.0～9.0g 时有机碳总含量最大, 为 1581.97mg·根–1, 但有机碳总含量在7.0～8.0g、8.0～9.0g 和9.0～10.0g 三个等级间无显著差异。秋茄胚轴个体平均淀粉含量在 5.0～6.0g、6.0～7.0g 等级间差异不显著, 在7.0～8.0g 等级时显著上升, 为900.89mg。

表3 不同鲜重等级胚轴的个体平均营养成分含量Tab. 3 Nutrient content of different fresh weight grades of hypocotyls

秋茄胚轴C:N、N:P、C:P 值随胚轴鲜重的增加呈先升高后下降的趋势(表4)。C:N 值和C:P 值在胚轴鲜重7.0～8.0g 时显著上升, 并达到最大值, 分别为70.30 和1019.51。N:P 值在鲜重等级5.0～6.0g 时显著升高, 在鲜重等级7.0～8.0g 时最大, 为14.35;8.0～9.0g 等级时显著下降。随胚轴鲜重增加, K:Na值无明显变异规律, 在8.0～9.0g 等级时最大。

2.3 不同鲜重等级胚轴的幼苗生长差异

在田间试验中, 秋茄幼苗生长高、基径、叶片数随胚轴鲜重等级的增加呈上升趋势(表4)。幼苗生长高在 4.0～5.0g 和 5.0～6.0g 等级间差异显著(P＜0.05), 两组生长高相差3.45cm, 但6.0～7.0g、7.0～8.0g、8.0～9.0g 与9.0～10.0g 四个组间差异不显著。4.0～5.0g 等级时生长高最小, 为 11.08cm,9.0～10.0g 时生长高最大, 为18.18cm。随着胚轴鲜重等级的增加, 幼苗基径显著增加(P＜0.05)。叶片数随胚轴鲜重等级的增加而逐渐增加, 在5.0～6.0g、6.0～7.0g 和7.0～8.0g 等级间, 幼苗平均每株叶片数差异不显著, 为8～9 片; 而8.0～9.0g 和9.0～10.0g 等级时平均每株叶片数显著增加, 分别达到10.23 和12.28 片。在4.0～5.0g 和5.0～6.0g 等级间, 幼苗根干重、茎干重、叶干重、胚轴干重、净生物量和总生物量差异显著(P＜0.05), 但 5.0～6.0g、6.0～7.0g 和7.0～8.0g 三个等级间幼苗茎干重、叶干重、净生物量和总生物量差异不显著; 在8.0～9.0g 和9.0～10.0g两个等级, 根干重、茎干重、叶干重、胚轴干重、净生物量和总生物量均显著增加(P＜0.05)。

表4 不同鲜重等级胚轴的营养成分组成比例Tab. 4 The proportion of nutrient content of different fresh weight grades of hypocotyls

2.4 胚轴性状与幼苗生长性状相关性分析

由表6 可知, 胚轴鲜重和长度、横径、顶径及N、K、Na、有机碳和淀粉总含量之间呈极显著正相关(P＜0.01), 和P 总含量之间呈显著正相关(P＜0.05)。胚轴鲜重与幼苗生长指标间呈显著正相关, 而且与基径、总生物量之间相关性达到了极显著水平(P＜0.01)。胚轴鲜重与C:N、N:P、C:P、K:Na 有正相关关系, 但不显著。

表6 秋茄胚轴与幼苗生长性状间的相关系效Tab.6The correlation coefficient between hypocotyls and seedling growing traits of Kandelia obovata

胚轴表型性状与幼苗生长指标之间的相关性均呈显著水平, 其中胚轴长度与幼苗生长高和生物量之间以及横径与幼苗生物量之间呈显著正相关(P＜0.05), 其他相互间均呈极显著正相关(P＜0.01)。

除胚轴P 总含量与生长高之间的相关性不显著外, N、K、Na 总含量与幼苗生长指标之间呈显著正相关(P＜0.05)。胚轴有机碳总含量与幼苗生长高、基径和总生物量之间呈显著正相关关系(P＜0.05), 与净生物量间相关性不显著。淀粉总含量与生长性状间呈显著正相关, 而且与生长高和基径之间的相关性达到了极显著水平(P＜0.01)。胚轴C:N、N:P、C:P值与生长高和基径呈正相关, 与净生物量和总生物量呈负相关, 但关系均不显著。K:Na 值与幼苗生长指标呈正相关关系。

2.5 不同鲜重等级胚轴主成分分析

对6 个不同鲜重等级秋茄胚轴的形态指标、营养成分指标和幼苗生长指标进行主成分分析(表7),分析提取得到3 个主成分, 第一主成分方差贡献率为76.485%, 载荷较高的有胚轴干重、N、K 含量、幼苗叶干重和幼苗胚轴干重。第二主成分方差贡献率为16.746%, 载荷较高的有胚轴N:P、C:P 值。3个主成分累计贡献率达98.059%, 因此这三个主成分可以较好的代表不同鲜重等级胚轴的形态指标和营养成分指标以及不同鲜重等级胚轴对秋茄幼苗生长指标的影响。

表7 秋茄胚轴性状的主成分载荷矩阵及方差贡献率Tab. 7 Principal component loading matrix and variance contribution rate of Kandelia obovata hypocotyl characteristics

根据秋茄胚轴性状相关矩阵的特征向量, 可以得到3 个主成分得分表达式:

对6 个不同鲜重等级秋茄胚轴进行综合评价(表8), 根据主成分方差贡献率, 建立综合评价模型:F=76.485%F1+16.746%F2+4.827%F3。结果显示, 第一主成分中, 排名最高的是鲜重等级9.0～10.0g 的胚轴; 第二主成分中, 排名最高的是鲜重等级8.0～9.0g 的胚轴; 第三主成分中, 排名最高的是鲜重等级7.0～8.0g 的胚轴。6 个不同鲜重等级胚轴的综合评价得分中, 鲜重7.0g 以上的胚轴得分较高。

表5 不同鲜重等级胚轴的秋茄幼苗生长表现Tab. 5 The seedling growth of Kandelia obovata of different fresh weight grades of hypocotyls

表8 秋茄胚轴性状的主成分得分和综合得分Tab. 8 Main ingredient score and comprehensive score of Kandelia obovata hypocotyl characteristics

2.6 秋茄胚轴鲜重与幼苗生长指标回归分析

为了解秋茄胚轴鲜重对幼苗生长趋势的影响,分别将秋茄幼苗生长高和净生物量作为因变量, 胚轴鲜重作为自变量进行回归分析, 结果见图1。秋茄幼苗生长高和净生物量与胚轴鲜重存在较好的曲线回归关系,R2分别为0.978 和0.951 (P＜0.01)。胚轴鲜重和幼苗生长高拟合程度最高的模型为二次模型,回归方程为:y=–0.185x2+ 4.247x– 4.306。胚轴鲜重和幼苗净生物量拟合程度最高的模型为三次模型,回归方程为:y= 0.009x3– 0.034x2+ 3.636。根据拟合的曲线可知, 胚轴鲜重小于5.22g 时, 幼苗生长高随胚轴鲜重的增加缓慢增加, 鲜重5.22～8.66g 时, 生长高增长加快, 鲜重大于8.66g 时, 生长高增长减缓。胚轴鲜重小于5.34g 时, 随着鲜重的增加, 幼苗净生物量迅速增加, 鲜重5.34～8.74g 时, 净生物量增长减缓, 鲜重大于8.74g 时, 净生物量增长加快。

图1 胚轴鲜重-生长高(a)和胚轴鲜重-净生物量(b)拟合曲线Fig. 1 Fit curves between hypocotyl fresh weight and growth height (a) and between hypocotyl fresh weight and net biomass (b)

3.1 秋茄胚轴表型性状与胚轴营养物质及组成比例间的关系

大种子含有更多的营养物质, 可以为种子萌发和幼苗生长提供更多的能量(王素玉, 2020)。在本研究中, 胚轴N、K、Na 含量随鲜重的增加而显著增加, 胚轴鲜重与N、K、Na 含量呈极显著正相关, 说明大胚轴中含有更多的营养物质, 因此大胚轴的种子可以从胚轴中获得更多的能量, 产生大而旺盛的幼苗, 从而更好地应对环境胁迫。有机碳和淀粉含量在7.0～8.0g 等级显著升高, C:N、N:P、C:P 值在鲜重7.0～8.0g 等级时均显著高于其他鲜重等级, 说明中等质量胚轴利用较高的营养成分含量来弥补其产生较小幼苗的劣势, 从而增强较小幼苗抵抗逆境的能力(吴航, 2014)。González-Rodríguez 等(2011)认为在种子萌发和幼苗生长过程中, 不同的营养物质所起的作用不同, 其组成差异可能导致植物采取不同的生长对策, 因此不同大小胚轴中营养物质含量的差异可能是小胚轴的秋茄幼苗对抗竞争劣势的基础。

3.2 秋茄胚轴表型性状与幼苗生长情况的关系

大种子储藏的更多能量可以为种子萌发和幼苗生长发育提供保障, 而且能更好的抵御外界风险(张金峰 等, 2020; Mechergui et al, 2021)。有研究发现,幼苗早期生长和种子大小有显著正相关关系(Moles et al, 2004; Tumpa et al, 2021)。本研究中, 在不同胚轴鲜重下, 秋茄幼苗生长性状表现为极显著的差异性。不同鲜重等级秋茄胚轴的幼苗生长趋势表现为随着秋茄胚轴鲜重的增加, 其生长高、基径、叶片数均显著增加。这与Sousa 等(2003)的研究结果一致,即红树植物胚轴鲜重越大, 其幼苗出苗率越高, 生长优势越强。秋茄幼苗的生长高、基径、生物量与胚轴鲜重、长度、横径、顶径均呈显著正相关, 说明胚轴大小显著影响幼苗生长。胚轴越大, 幼苗初期生长越旺盛, 这与吴亚丽(2016)研究中种子千粒重与幼苗苗高具有密切相关性的结果类似。大胚轴的幼苗各部分生物量及总生物量显著高于中等质量胚轴和小胚轴, 说明相比小胚轴的幼苗, 大胚轴的幼苗有更强的干物质积累优势(Jørgensen et al,2019)。但在鲜重5.0～6.0g 等级, 幼苗根干重显著高于6.0～7.0g 和7.0～8.0g 等级, 原因可能是小胚轴自身含有较少的储藏物质, 因此需要发育出较大的根系, 才能从外界获取更多的水分和营养。胚轴鲜重和幼苗生长高的回归分析结果显示, 虽然幼苗生长高随着胚轴鲜重的增加而显著增加, 但在鲜重8.66g 后, 幼苗生长高增长趋势减缓。因此本研究需要深入探究幼苗生长状况随胚轴鲜重的变化规律,如在9.0～10.0g 后继续增设处理组。

3.3 秋茄胚轴营养物质及组成比例与幼苗生长情况的关系

种子萌发与早期幼苗生长没有受到外界供应养分的影响, 幼苗生长所需的养分完全来源于种子,因此种子中的营养物质对早期幼苗生长有重要作用(杨慧仙, 2016)。本研究发现, 秋茄幼苗生长指标与胚轴N、P、K、Na、有机碳和淀粉含量呈显著正相关关系, 这说明秋茄幼苗生长受到胚轴营养物质含量的影响, 可以利用N、P、K、Na、有机碳和淀粉含量预判幼苗初期生长情况。这与Caliskan 等(2014)研究中地中海柏木种子中C、N 含量与种子萌发能力呈正相关关系的结果类似。C:N、N:P、C:P 值与生长高、基径呈正相关关系, 但与生物量呈负相关,说明N、P 含量高的胚轴萌发出的幼苗生物量大, 秋茄幼苗对胚轴N 和P 有较高的利用率。

3.4 不同鲜重等级秋茄胚轴综合评价

对种子品质进行科学合理的评价, 需要对多项指标进行综合分析(何文 等, 2021)。刘博文 等(2021)对48 份野豌豆属植物种子形态指标的主成分分析结果表明, 百粒重、种子长、种子宽等为主要形态指标。本研究选取秋茄胚轴的23 项性状作为评价6个不同鲜重等级胚轴优劣的指标, 采用主成分分析将23 个指标转换成3 个主成分指标, 其中胚轴形态指标中的干重, 营养成分指标中的N、K 含量、N:P值、C:P 值, 以及幼苗生长指标中的叶干重、胚轴干重为主要指标, 能够代表所测的23 个性状的绝大多数信息。6 个不同鲜重等级胚轴的综合评价结果显示, 鲜重7.0g 以上的胚轴综合得分较高, 同时通过回归分析发现, 胚轴鲜重大于5.22g 时, 幼苗生长高急剧增加; 鲜重大于8.74g 时, 净生物量增长加快,因此应优先选择7.0g 以上的胚轴进行造林。另外,胚轴干重、N 含量、K 含量、N:P 值和C:P 值也可作为筛选优质秋茄胚轴的重要指标。

秋茄胚轴的表型性状和营养成分含量以及幼苗生长性状在不同胚轴鲜重间差异显著。胚轴表型性状和营养成分含量与幼苗生长高、基径、生物量存在显著正相关关系。因此, 胚轴越重, 含有的营养物质越多, 可以为幼苗提供更多的营养和能量,从而发育得更加健壮。在浙江省红树植物秋茄生产实践中, 建议选择鲜重7.0g 及以上的秋茄胚轴进行造林。

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