熱帶海草海菖蒲果實、種子形態及幼苗生長特征

蔡嘉麗, 史云峰, 李照陽, 趙牧秋, 羅慧玨, 史志強, 韓秋影

(1.海南熱帶海洋學院崖州灣創新研究院, 海南 三亞 572022;2.海南省現代化海洋牧場工程研究中心, 海南 三亞 572022;3.海南省近岸海洋生態環境過程與碳匯重點實驗室, 海南 三亞 572022)

海草是生長在溫帶與熱帶海洋沿岸的單子葉植物,成片分布的海草形成海草床[1]。海草床作為海岸帶天然生態屏障,在紅樹林與珊瑚礁生態系統之間起著紐帶作用,能促進海洋元素循環,凈化水質并穩固海床,為多種海洋生物提供產卵、索餌等重要生境[2],每年可為全球提供近2萬億美元的經濟價值[3]。然而20世紀以來,由于全球氣候變化和人為干擾的影響,海草床正在以前所未有的速率退化和縮減[4]。因此,加強針對海草的研究并開展海草床的保護和恢復已刻不容緩。

海菖蒲(Enhalusacoroides)是一種水鱉科海草,雌雄異株,可通過水媒傳粉,主要分布于印度洋和西太平洋區域[5]。海菖蒲于七千多萬年前由陸地被子植物進化而來,并在幾百萬年前重新進入海洋并形成一套對海洋環境特有的適應策略[6],如帶狀的葉片結構、特殊的光能利用模式、可漂浮的絲狀花粉、豐富的單寧細胞、較強的化感作用等[7]。與其他海草一樣,海菖蒲主要通過根狀莖進行無性克隆生長,其根狀莖節間長很短,僅為5 mm,水平擴張速率緩慢,每年僅0.9～5.0 cm[8]。Jover等[9]研究表明,有性繁殖在維持海草種群的遺傳多樣性方面起著重要作用。但由于海菖蒲成功的有性繁殖較為罕見,且其頻率和強度都不可預測[10],迄今為止,人們對海菖蒲果實、種子和幼苗的形態特征及其生態適應意義知之甚少。在我國海菖蒲主要分布于海南陵水、瓊海和文昌沿岸海域[11],這些分布區域的底質類型差異顯著,陵水海草床的底質為潟湖沿岸沖積形成的細砂質硅酸鹽,而瓊海和文昌海草床底質則為珊瑚礁坪向陸側的鈣質珊瑚砂[12]。不同類型底質由于具有不同的有機質含量和氧化還原電位,可能會對海草的有性繁殖產生重要影響。但截至目前,有關不同底質類型對海菖蒲種子萌發和幼苗生長影響的研究鮮少報道。

鑒于此,本研究擬探討熱帶海草海菖蒲果實、種子和幼苗的形態特征及其生態適應意義,同時探索底質類型對海菖蒲種子萌發和幼苗生長的影響,以期為深入剖析海菖蒲有性繁殖策略以及應用種苗法修復海菖蒲草床提供參考。

1 材料與方法

1.1 果實采集

成熟的海菖蒲果實于2021年12月采自海南省陵水縣黎安潟湖南側海草分布區(18°24′46′ N,110°03′18′ E),用海水清洗果實表面雜質和附著物后放入裝有原位海水的泡沫箱運回實驗室。

1.2 果實形態特征觀測

觀察海菖蒲果實形態,分別測定其直徑(取最寬處)和高。用吸水紙吸除果皮上殘留的海水并稱重(記為m果實),然后用鋼針刺入果實柄端,將果實全部壓入盛有一定體積(V0)海水的量筒中,并讀取壓入后液面位置(V1),由公式ρ果實=m果實/(V1-V0)計算果實密度[13]。

將果實放入裝有海水的燒杯中,觀察并記錄其自頂部裂開并釋放種子的過程。待48 h內果實全部自然開裂后,將果皮取出并分別測定其含水率和碳(C)、氮(N)含量(Elementar,vario EL cube,德國)。

1.3 種子形態特征觀測

觀察海菖蒲種子形態,分別測定其直徑(取最寬處)和高。隨機選擇3～5粒種子為1組,用1.2的方法測定該組種子的平均密度ρ種子。

將1粒種子貼近水面輕輕放入1 L海水的量筒(水柱長度記為L水柱)中,記錄種子下沉姿態及用時(記為t),由公式V下沉=L水柱/t計算種子下沉速率。

1.4 底質類型對海菖蒲種子萌發及幼苗生長的影響

試驗用鈣質沉積物取自海南省三亞市情人灣(18°13′10″N,109°29′20″E),風干后過2 mm篩備用,其碳酸鹽含量為76.4%,粒徑中值為378 μm。硅質沉積物取自海南省三亞市鐵爐港(18°15′39″N,109°40′58″E),用1 mol/L鹽酸浸泡過夜去除其中的碳酸鈣,多次清洗至近中性,風干后過2 mm篩備用,其碳酸鹽含量為0,粒徑中值為270 μm。

分別取兩種不同類型沉積物作為底質,平鋪在水族箱(40 cm×20 cm×15 cm)底部(厚5 cm),選取大小均勻的海菖蒲種子[直徑(1.5±0.1)cm]種入其中。播種時種子子葉端朝上,2/3埋入底質內,然后添加海水至水面距底質表面10 cm。每箱播種12粒種子,每種底質處理設3次重復。試驗所用海水取自海南省三亞市附近海域,鹽度30～33 psu;試驗過程中使用小型造浪泵保持水族箱內海水緩慢流動;在培養期間,每3 d更換一次海水。

分別于播種后的第14、56、98、140、182天,從各箱取海菖蒲幼苗,并將其分割為葉、殘留種子和根3部分(如圖1 E),分別測定其形態指標、重量、含水率以及C、N含量。海菖蒲幼苗根部所粘附的砂粒(如圖1 E)經自來水沖洗后,仍不脫落的用鑷子小心全部取下,烘干并稱重作為根系粘砂量。

1.5 數據處理

試驗數據以平均值±標準差(SD)表示,應用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 26.0軟件進行數據統計分析和繪圖,不同底質處理海菖蒲幼苗之間的差異顯著性采用獨立樣本t檢驗(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 海菖蒲果實形態與基本生物學特征

海菖蒲植株具有被褐色纖維束包裹著的粗壯根狀莖,從根狀莖上長出很多乳白色細根;其葉呈帶狀,果實附著在螺旋狀的花梗上(圖1 A)。海菖蒲果實呈綠色,卵圓形,上端有尖狀的喙,下端有兩瓣分開的花被,果皮上有密集的突起(圖1 B)。果實直徑(41.57±5.54)mm,高(61.45±11.49)mm;果實質量(33.11±8.92)g,其中果皮占(59±4)%,種子占(41±4)%;果實密度為(0.90±0.04)g/cm3,低于海水。在海水中,成熟的果實會從頂端的喙處裂成6～9個不規則瓣片(圖1 C),而果皮基部仍然相連。果皮含水率(87.58±1.86)%,C含量(15.48±3.25)%,N含量(0.99±0.21)%。每個果實含有3～16粒不等的種子。

注:A為帶有成熟果實的海菖蒲植株;B為海菖蒲成熟果實;C為開裂后的海菖蒲果皮和種子;D為海菖蒲種子形態結構;E為海菖蒲幼苗。圖1 海菖蒲果實、種子和幼苗形態結構Fig.1 Morphology and structure of E. acoroides fruits, seeds and seedlings

2.2 海菖蒲種子形態與基本生物學特征

海菖蒲的種子為黃綠色,呈上小下大的錐形結構,頂部為子葉和葉原基,底部為下胚軸和胚根(圖1 D)。種子直徑(14.23±1.38)mm,高(14.76±2.22)mm;質量(1.15±0.30)g,密度(1.17±0.07)g/cm3;含水率(72.67±0.26)%;C含量(35.20±0.24)%,N含量(2.09±0.14)%。當其剛從果實釋放到海水中時,外部被一層半透明膜質種皮所包裹,膜質種皮與種子間充滿氣泡,導致種子漂浮于海水表層(圖2 A-1、2 A-2)。這層膜質種皮一般會在24 h內破裂并與種子本體分離,此時種子會由于密度高于海水而下沉(圖2 A-3)。下沉過程中,種子由于具有錐形結構和不均勻的密度,總是保持子葉端向上的狀態,直至沉降至水底(圖2 B 1～4)。經測定,海菖蒲種子在海水中的沉降速率為(87.00±0.62)cm/s。

注:A-1為海菖蒲果實剛剛開裂釋放出的種子,種子被一層半透明膜質種皮所包裹,在海水中呈漂浮狀態;A-2為A-1的俯視圖; A-3為種子釋放24 h后,膜質種皮破裂并與種子分離,種子下沉至容器底部;B-1～B-4為海菖蒲種子在水柱中的下沉狀態,其下沉過程中一直保持子葉端向上的姿態。圖2 海菖蒲種子的漂浮和下沉Fig.2 Floating and sinking of E. acoroides seeds

2.3 底質類型對海菖蒲種子萌發及幼苗生長的影響

試驗期間,播種的所有海菖蒲種子全部萌發,萌發率100%。培養過程中,海菖蒲幼苗葉片數為4～6片,且不同底質間沒有顯著差異(圖3 A)。培養前期(≤56 d),幼苗葉片生長較為緩慢且在不同底質處理間無顯著差異;56 d后,葉片生長開始加快,并且呈現出硅質底質處理葉長和葉寬顯著高于鈣質底質處理的趨勢(圖3 B、C)。培養過程中,海菖蒲葉片含水率在74.6%～85.5%范圍內波動(圖3 D);C含量從培養前期(56 d)的30%左右降低到培養中后期(98～182 d)的23%以下,且在培養后期(182 d)鈣質底質處理葉片C含量顯著高于硅質底質處理(圖3 E);N含量從培養前期(56 d)的1.8%左右降低到培養中后期(98～182 d)的1.3%以下,且不同底質處理間無顯著差異(圖3 F)。

注:“*”表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖3 試驗期間海菖蒲幼苗葉片數量、形態、含水率和碳、氮含量的變化Fig.3 Changes of number, morphology, rate of water content, carbon and nitrogen content of the leaves of E. acoroides seedlings during the experiment

如圖4 A、B,試驗過程中海菖蒲幼苗的根數逐漸增加,根逐漸增長;在培養開始后的前98 d,幼苗根系發育(根數和根長)在不同底質處理間無顯著差異;培養后期(≥140 d)硅質底質處理根數和根長均顯著高于鈣質底質處理。試驗期間,幼苗根系含水率在75.3%～87.9%之間,且隨培養時間的延長呈逐漸降低趨勢(圖4 C)。幼苗根系C含量由56 d時的32.0%～33.0%降低到140 d時的16.2%～18.8%,而后又升高到182 d時的18.4%～21.2%,且在培養后期(140～182 d)鈣質底質處理顯著高于硅質底質處理(圖4 D)。培養過程中,幼苗根系N含量從56 d時的2.1%持續降低到試驗結束時的0.4%以下,且不同底質處理間無顯著差異(圖4 E)。

圖4 試驗期間海菖蒲幼苗根的數量、長度、含水率、碳、氮含量以及粘砂量的變化Fig.4 Changes of number, length, rate of water content, carbon and nitrogen content and sand sticking amount of the roots of E. acoroides seedlings during the experiment

圖5 試驗期間海菖蒲殘留種子干重及碳、氮含量的變化Fig.5 Changes of dry weight, carbon and nitrogen content of the residual seeds of E. acoroides during the experiment

伴隨著海菖蒲幼苗根系的生長,在種子基部開始長出濃密的絲狀根毛(圖1 E)。這種絲狀根毛能夠粘附底質中的細小砂粒,水沖不掉,但兩種不同底質處理的根系粘砂量存在顯著差異(圖4 F)。在第56天,鈣質底質處理幼苗開始出現根系粘砂現象(0.31±0.02)g,但此時硅質底質處理根系尚無粘砂;培養的第98、140、182天,生長在鈣質沉積物中的海草幼苗根系粘砂量分別是硅質沉積物處理的1.9倍、5.5倍和2.6倍。

培養期間,海菖蒲殘留種子的干重和N含量持續降低(圖5 A、C)。從14～182 d,硅質底質處理殘留種子干重和N含量的平均降低速率分別為1.57 mg/d和0.059‰/d,顯著高于鈣質底質處理(1.09 mg/d和0.046‰/d)。試驗過程中,不同處理殘留種子的C含量呈前期(14～56 d)下降中后期(56～182 d)穩定的趨勢(圖5 B),且不同底質處理間無顯著差異(p>0.05)。

3 討論與結論

為了適應海洋環境和保持種群的遺傳多樣性,在漫長的進化過程中,海菖蒲獲得了多樣化的有性繁殖生態策略[14]。漂浮的果實和種子隨海流向外擴散是海菖蒲種子傳播并開拓新領地的重要方式,而漂浮狀態的持續時間是其充分擴散的保障[15]。本研究發現,成熟的海菖蒲果實密度低于海水,其脫離母體后在海水中浸泡一段時間(48 h內)會自然開裂,而釋放的種子盡管密度較高(1.17±0.07)g/cm3,但被含有大量氣泡的半透明膜質種皮所包裹,釋放后仍可保持漂浮狀態,直至膜質種皮腐爛破裂釋放氣泡后種子方可下沉。這就為種子的充分擴散提供了時間保障。Lacap等[16]通過模型測算了不同天氣條件下海菖蒲果實和種子的擴散距離,認為在正常天氣條件下其散播距離在60 km左右,而臺風期間其散播距離可達400 km。

海菖蒲種子具有上小下大的錐形結構,縱切面的顏色分布說明其頂端和基部存在明顯的質地差異。這種結構和質地特征決定了海菖蒲種子在下沉過程中以及沉降到海床后總能保持直立姿態而不是隨海流而滾動,使其基部與海底底質充分接觸,進而確保根系的正常發育和種苗著床。海菖蒲幼苗初生根生長的同時,種子基部開始長出濃密的絲狀根毛并粘附一定量的砂粒,也能夠起到增強幼苗對底質的附著力,防止幼苗在波浪和海流環境中流失,提升有性繁殖成功率的作用。海草幼苗的絲狀根毛可能是由種子內的糊粉層細胞發育而來[17]。本研究結果還表明,這種絲狀根毛更傾向于粘附鈣質材料而非硅質材料,原因可能是其通過分泌酸性化學物質將其粘附在碳酸鹽砂粒的凹槽和細孔上,而這些分泌物對硅質沉積物的主要成分不能起到溶解作用。

本研究發現,當海菖蒲種子尚在果實內未釋放前,其幼苗的葉片已開始萌發,說明海菖蒲的有性繁殖采取無種子庫、無休眠期的胎生策略[18]。種子質量是種子儲能大小的決定因素,一般小型種子能夠維持幼苗生長的能力較低,而大型種子能夠更充分保障幼苗初始生長過程所需的營養和能量[19]。不同種類的海草種子尺寸相差近2個數量級,從喜鹽草屬(Halophila)[20]的0.2 mm到波喜蕩草屬(posidonia)[21]的20 mm不等。本研究所獲得的海菖蒲種子直徑為(14.23±1.38) mm,說明其有性繁殖傾向于“大種子”策略,這可能是由于海菖蒲生長在營養較為缺乏的熱帶海區,其幼苗生長更多地依賴于種子的養分儲備而不是通過幼苗的光合作用[22]。該繁殖策略與另一種熱帶大型海草大洋波喜蕩草(P.oceanica)比較類似,其種子在萌發8個月后仍可為幼苗提供營養[23]。本研究結果也表明,在6個月的培養過程中,殘留種子的干重和N含量持續下降,說明種子內部的營養和能量儲存一直支持其幼苗的生長發育。

底質類型對海草的種子萌發和幼苗建成具有重要影響[24]。劉松林等[25]研究表明,沉積物粒徑增大會顯著降低海菖蒲幼苗的存活率和生長速率。Nugraha等[26]研究表明,海草幼苗在泥沙底質中比在珊瑚砂底質中生長得更快。本研究結果表明,海菖蒲幼苗在硅質底質中的生長速率明顯高于鈣質底質,其原因一方面可能是硅質沉積物較鈣質沉積物含有更多的營養物質;另一方面可能是硅質沉積物粒徑較小,質地較為松軟,幼苗在扎根時不需要消耗太多能量,因此其根系生長速率更快并能從沉積物中吸收更多養分。

綜上,海菖蒲為了提高在流動的海洋環境中的有性繁殖成功率,其果實、種子和幼苗進化出了一系列形態和生理策略。胎生縮短了海菖蒲種苗的發育時間,大型種子為幼苗的快速生長積累了更多營養和能量。成熟果實密度低于海水,果實脫離植株后在海水中漂浮一段時間后開裂,由膜質種皮包裹的種子釋放后仍呈漂浮狀態,這些特征為種子的有效擴散創造了條件。種子呈上小下大的錐形結構且下重上輕,幼苗根系發育時產生大量能夠粘附鈣質砂粒的絲狀根毛,這些特征保障了海洋環境中種子的穩定和幼苗根系對底質的有效附著。此外,研究還表明,沉積物類型不影響海菖蒲種子的萌發率;但與鈣質沉積物相比,粒徑較小、質地松軟的硅質底質更有利于海菖蒲幼苗的生長發育。