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濒危植物百山祖冷杉种子发育特征及其胚培养
植物学报
2021, 56 (5):
573-583.
DOI: 10.11983/CBB21096
百山祖冷杉(Abies beshanzuensis)种子萌发率低, 发育特性尚不明确, 极大地限制了种群在原生境的自然更新。该研究以百山祖冷杉不同发育时期的雌球果为材料, 通过研究球果中种子的胚与胚乳数量、重量和显微结构特性, 及测定种子发育关键时期胚乳的初生代谢物, 探究种子发育特征及影响种子发育的主要因素。结果表明, 7月是百山祖冷杉种子发育的关键时期, 此期间胚乳重量快速增加, 胚乳中碳水化合物代谢活动旺盛。解剖学和形态学分析显示, 7月下旬球果中大量种子发育异常。进一步对发育关键时期胚乳中初生代谢物进行分析表明, 海藻糖-6-磷酸含量显著降低。推测在种子发育的关键时期胚乳中海藻糖-6-磷酸降低可能是种子发育异常的重要原因之一。基于种子发育特征, 该研究建立了百山祖冷杉未成熟胚培养技术体系, 并成功获得试管苗。  View image in article
图3
2019年和2020年百山祖冷杉不同发育时期球果含胚乳率和含胚率变化
(A) 百山祖冷杉球果含胚乳率随时间的变化; (B) 百山祖冷杉球果含胚率随时间的变化。不同小写字母表示在0.05水平差异显著。
正文中引用本图/表的段落
种子发育过程中, 胚乳的发育动态直接影响胚的发育(Linkies et al., 2010; 刘美善和刘宝, 2012; 李卫星等, 2016; Yuan et al., 2018)。数量变化是胚和胚乳发育动态的直接表现。我们分别对2019年和2020年6-11月的雌球果中胚和胚乳的数量变化进行了统计, 发现百山祖冷杉球果的含胚乳率(图3A)和含胚率(图3B)在发育过程中整体呈递减趋势。2019年的6-7月, 含胚乳率从76.11%迅速下降至15.00%, 而7-11月下降速率明显减缓。2020年胚乳数量变化规律与2019年相似, 但2020年各月的含胚乳率明显高于2019年。观察百山祖冷杉球果中胚的数量变化, 发现2019年6-8月的百山祖冷杉含胚种子数显著减少, 含胚率从33.33%降至3.89%, 8-11月则无显著变化。2020年6-11月各月百山祖冷杉球果中含胚率均高于2019年。以上结果表明, 6-7月, 百山祖冷杉球果的含胚率与含胚乳率短时间迅速降低, 推测在此期间其种子可能存在大量发育异常现象。
百山祖冷杉种子重量在6-8月迅速增长(图4A), 胚乳中碳水化合物代谢旺盛(图6B)。 然而, 7月开始, 大量种子胚乳中的海藻糖-6-磷酸等物质代谢异常, 发育正常的种子数量骤减(图3)。为解决百山祖冷杉种子自然状态下因代谢异常导致的种子发育问题, 本研究尝试利用胚培养技术对百山祖冷杉的胚进行离体培养(图7A, B)。通过比较百山祖冷杉不同发育时期种子中胚培养的萌发率, 发现胚的萌发率从6-11月呈先上升后下降的趋势。其中, 8月和9月的萌发率最高, 分别为86.67%和93.65% (图7C), 高于7月胚的萌发率(54.17%)。6月的胚处于发育早期, 尚未形成完整植株。此外, 10月开始, 胚的萌发率逐渐降低, 根据对种子的显微观察, 此时胚已分化形成子叶, 接近成熟, 胚萌发率低的原因可能是种子将进入休眠状态, 大量抑制胚萌发物质的逐渐积累。
本文的其它图/表
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