植冠种子库及其生态意义研究

植冠种子库由成熟的种子宿存在植冠上形成。种子可在植物植冠中存留1～30年或者更长时间。40属木本植物中有1200种植物具有植冠种子库,它们大多分布在火灾易发区和干旱区。植冠种子库是植物繁殖对策的一个方面,具有延缓繁殖体传播、使繁殖体免受捕食、调节萌发时间、将种子降落在适宜位置等生态功能。本文对植冠种子库的概念、分类、具有植冠种子库物种的地理分布、植冠种子库的研究现状及植冠种子库研究中存在的问题进行了论述。应加强对干旱区植冠种子库种子脱落机制和沙漠地区植冠种子库生态意义的研究。     

荒漠植物种子粘液的生态学意义

种子粘液是在种皮外层细胞的高尔基体内产生并分泌到胞腔内或细胞壁层的吸湿膨胀的一类果胶类多糖物质。具粘液种子的植物大多生长在荒漠地区,广泛存在于十字花科、菊科和车前科等类群中。粘液的存在对荒漠植物种子的扩散、萌发、防御以及幼苗的生长等都具有重要的生态学意义,是荒漠植物适应干旱少雨的生态环境的有效对策之一。对粘液种子的研究不仅可全面揭示荒漠植物的生态适应机制及其进化生态意义,还可为研究基因控制的糖类生物合成和分泌、细胞次生壁的生物合成及形态分化建立理想的模式体系。为此,在广泛查阅相关文献的基础上,该文综合分析了国内外种子粘液的研究进展,并重点探讨了以下几方面问题：（1）种子粘液的化学成分：（2）粘液及粘液种皮的形态特征：（3）粘液细胞分化与粘液生物合成的细胞学及基因调控机制以及粘液的释放方式：（4）种子粘液的生态学意义。在此基础上展望了今后的研究方向,以期为推动我国荒漠植物种子生态学的理论与应用研究及西部荒漠区的植物物种多样性保护和生态保育提供重要理论依据。     

荒漠植物种子粘液的生态学意义

种子粘液是在种皮外层细胞的高尔基体内产生并分泌到胞腔内或细胞壁层的吸湿膨胀的一类果胶类多糖物质。具粘液种子的植物大多生长在荒漠地区, 广泛存在于十字花科、菊科和车前科等类群中。粘液的存在对荒漠植物种子的扩散、萌发、防御以及幼苗的生长等都具有重要的生态学意义, 是荒漠植物适应干旱少雨的生态环境的有效对策之一。对粘液种子的研究不仅可全面揭示荒漠植物的生态适应机制及其进化生态意义, 还可为研究基因控制的糖类生物合成和分泌、细胞次生壁的生物合成及形态分化建立理想的模式体系。为此, 在广泛查阅相关文献的基础上, 该文综合分析了国内外种子粘液的研究进展, 并重点探讨了以下几方面问题: (1)种子粘液的化学成分; (2)粘液及粘液种皮的形态特征; (3)粘液细胞分化与粘液生物合成的细胞学及基因调控机制以及粘液的释放方式; (4)种子粘液的生态学意义。在此基础上展望了今后的研究方向, 以期为推动我国荒漠植物种子生态学的理论与应用研究及西部荒漠区的植物物种多样性保护和生态保育提供重要理论依据。     

黄土丘陵沟壑区80种植物繁殖体形态特征及其物种分布

植物繁殖体的形态特征及其物种分布是植物长期适应环境的结果,对退化生态系统的更新与恢复具有重要的理论与实践指导意义。研究了80种植物的繁殖体形态特征及与其物种分布的关系,结果表明：1）繁殖体重量差别较大（0. 020—357.428 mg）,主要集中在1—9.999 mg（占52.5%）。2）繁殖体的形状指数FI变化范围较大（1.06—12.93）,61.3%的植物繁殖体的形状近圆球形。3）33种植物繁殖体具有明显的附属物,包括毛、翅、芒和刺等。4）87.5%的植物繁殖体表面具有各种纹饰（棱、被毛、纹和颗粒状等）;繁殖体颜色以褐色和黑色为主,少数繁殖体颜色鲜艳;6种植物繁殖体具有吸水分泌粘液的特性。5）黄土丘陵沟壑区繁殖体重量小或形状近圆球形的植物分布数量多、范围广。6）繁殖体具有毛、翅和芒附属物或吸湿分泌粘液的植物在黄土丘陵沟壑区较繁殖体无附属物的植物能够分布更多、更广。繁殖体这些有利于物种分布的形态特征对于植物适应该区干旱与土壤侵蚀干扰具有重要的生态学意义,而且可用于指导该区人工补播促进植被恢复的物种选择。     

多年生植物欧夏至草集合繁殖体特性

欧夏至草(Marrubium vulgare)为唇形科多年生植物,其扩散单元主要由集合繁殖体和种子组成,该研究以单萼筒集合繁殖体为研究材料,比较其和种子在形态特征、扩散行为及萌发特性上的差异,探讨附属物的生态功能及对可变环境的适应对策。结果表明:(1)欧夏至草集合繁殖体是具萼筒的种子,其质量远大于种子;附属物能保护种子免受机械损伤或逃避捕食者。(2)在自然生境中,欧夏至草集合繁殖体易借风力扩散到较大范围,室内扩散实验表明,静止空气中集合繁殖体比种子降落所需的时间更长、扩散能力更强;集合繁殖体是种子延迟扩散的一种适应策略,其附属物的存在与否直接导致了种子扩散能力与扩散距离的差异,支持"Alternate假说"。(3)欧夏至草集合繁殖体和种子在活力、萌发率及萌发速率方面均不存在显著差异,而吸水率远大于种子,附属物的存在是影响种子承载更多水分并更长期保留水分的重要原因;集合繁殖体内种子的萌发属随机萌发,不具有位置效应,在当季只萌发部分种子,符合间歇性萌发特性,能有效避免种群覆灭。研究表明,多年生植物其扩散单元的形态特征和萌发行为对于种群的生存重要性相对低,母株可以长期占据原有生境,保持种群个体数量,附属物的作用主要用于种群扩散。     

两种集合繁殖体形态及间歇性萌发特性——以蒺藜和欧夏至草为例

集合繁殖体(synaptospermy)是荒漠植物为适应恶劣环境条件而演化出的关键性特征,其作为植物生活史特性之一,有助于了解在荒漠环境下集合繁殖体植物的适应策略。蒺藜(Tribulus terrestris)和欧夏至草(Marrubium vulgare)分别为一年生及多年生草本植物,蒺藜扩散单位由一朵花发育而成的集合繁殖体组成,欧夏至草扩散单位由多朵花发育的集合繁殖体和种子组成,以这两种植物为材料,对其集合繁殖体形态、活力、吸水及萌发特性进行初步研究。结果显示:(1)蒺藜集合繁殖体依照发育成熟先后位置在质量、附属物刺的长度、附属物占质量百分比、种子数、活力、吸水量、萌发率及萌发速率均存在显著差异;欧夏至草集合繁殖体质量及吸水量明显大于种子,而活力、萌发率及萌发速率不存在显著差异。(2)萌发位置上,蒺藜集合繁殖体仅在长刺端位置的种子萌发,属非随机萌发,而欧夏至草集合繁殖体萌发不具有规律性,属随机萌发;萌发时间上,蒺藜和欧夏至草集合繁殖体在当季下均只萌发部分种子,具间歇性萌发特性。(3)对不同生活型植物而言,其集合繁殖体附属物对种子的保护、保水、扩散及萌发行为的功能相同,但一年生草本植物的萌发行为侧重于种群繁衍,因此蒺藜集合繁殖体在当季萌发率及萌发速率较高;多年生草本植物的萌发行为侧重于种群扩散,因此欧夏至草扩散单位多样化,且萌发率及萌发速率较低。     

塔里木河下游主要荒漠植物繁殖体的形状、大小与质量比较

研究了塔里木河下游主要荒漠植物(21种)繁殖体的形状、大小、质量(17种为种子,4种为果实)。用三维方差衡量繁殖体形状,用三维之和衡量繁殖体大小,繁殖体百粒质量衡量繁殖体质量。结果表明：1)21种植物繁殖体的形状差异很大,且豆科(Fabaceae)植物的繁殖体形状接近圆球形,菊科(Compositae)植物的繁殖体形状较大地偏离圆球形(方差>0.05)。21种植物繁殖体大小、质量差异也很大;2)繁殖体大小的表现趋势与其相应的质量的表现趋势具有一定的一致性;3)研究区主要荒漠植物中,多年生草本植物的种类虽然不及灌木(半灌木)的种类丰富,但其繁殖体平均质量却比灌木(半灌木)多18%;4)在21种植物的繁殖体中,9种具有持久土壤种子库。100%的柽柳科(Tamaricaceae)植物、100%的菊科植物都具冠毛,这些附属物对植物繁殖体的传播和定居具有重要的意义。     

生物土壤结皮对种子萌发和幼苗建植的影响研究进展

生物土壤结皮（BSC）在陆地生态系统中具有重要的生态地位,尤其是旱地生态系统中,BSC占据了种子植物之间的广阔地面。因此,BSC的发展必然影响种子植物更新过程与植被空间格局;但其作用方式、影响程度等因相关研究涉及多气候要素、土壤类型、BSC组成物种和种子植物物种的差异及其不同组合,导致目前的研究结论存在广泛争议。研究综合论述了BSC改变地表微形态对种子传播过程的影响;BSC改变土壤特性（物理、化学、生物学）对种子萌发和幼苗存活与建植等关键环节的影响;并结合种子形态特征及种子萌发、幼苗建植的性状等,综合分析了BSC对种子传播、种子萌发与幼苗建植等更新过程的潜在影响机理;探讨了目前研究矛盾性结论产生的原因。总体来说,深入研究并全面揭示BSC对种子植物更新过程的影响,应加强学科交叉,将分子生物学、植物生理学、生物化学等微观研究,与遥感、野外生态因子过程监测、控制实验等宏观、中观研究结合,从机理到过程方面动态研究BSC对种子植物更新过程的影响,并引入水文模型、气候模型、种群动态模型等模型预测方法,研究气候变化、各类干扰频发的情景下,BSC对种子传播、萌发及幼苗建植过程的潜在影响,以期促进对BSC与种子植物间相互关系的研究,加深对干旱脆弱生态系统植被发展规律的认识。     

植物大年结实及其与动物贮食行为之间的关系

大年结实(mast seeding)是多生年植物种群周期性同步大量繁殖的一种自然现象。大年结实作为植物适应环境条件、提高繁殖能力的一种策略而备受关注, 但其驱动机制和进化意义尚存在较大争议。在依赖动物扩散种子的植物中, 大年结实被认为是一种调控动物贮食行为、提高种子扩散效率, 并最终增加繁殖成功率的一种策略; 动物介导的植物间互作可能是促进植物共存的进化驱动力。本文简要梳理了大年结实现象的各种假说, 提出了一个包括气候、资源、动植物互作的理解大年结实机制的概念框架, 并着重讨论了大年结实和动物贮食行为之间的关系及其进化和生态意义。建议未来研究需要借助长期生态监测和分子生物学方法, 揭示植物大年结实与动物贮食行为之间的生态与进化过程。     

植物种群更新的补充限制

补充限制基于生态位理论, 从种子萌发、幼苗存活和生长、繁殖体扩散等生活史阶段的种群统计特征及环境因素(土壤水分、养分、凋落物等)着手, 探讨种群的更新问题。种源限制和微生境限制是补充限制理论研究的核心内容, 但是哪个更为重要并没有统一的结论。种源限制与种子生产、土壤种子库和地下芽库中的繁殖体数量不足有关。其中, 气候的年际波动、土壤种子库寿命和动物的捕食都会影响种子生产在种群更新中的作用; 土壤种子库常被视为种群更新的保险库, 与地上种子雨共同促进种群更新, 但是, 如果土壤里种子具有较高的死亡率和休眠率, 将会降低种子库的作用; 地下芽库及其产生的无性分株对于种群更新的意义更多地体现在干扰后种群更强的恢复能力上。扩散限制是种群更新中的普遍现象, 与种子产量、散布能力、传播媒介、幼苗密度等因素有关。微生境限制主要表现为水分、养分、凋落物等非生物因素以及竞争、捕食等生物因素对种子的活力、萌发性、幼苗的存活力、物质分配等过程的影响, 其重要性随着植物生活史阶段而发生变化。未来需要进行综合的、长期的实验, 并应着重加强种源限制及相关生态过程的进化与生态相结合的机理性研究, 从而更深刻地认识和理解种群更新问题, 建立更为综合、系统的种群更新理论体系。     

Seed mucilage evolution: Diverse molecular mechanisms generate versatile ecological functions for particular environments

Plant myxodiasporous species have the ability to release a polysaccharidic mucilage upon imbibition of the seed (myxospermy) or the fruit (myxocarpy). This is a widespread capacity in angiosperms providing multiple ecological functions including higher germination efficiency under environmental stresses. It is unclear whether myxodiaspory has one or multiple evolutionary origins and why it was supposedly lost in several species. Here, we summarize recent advances on three main aspects of myxodiaspory. (a) It represents a combination of highly diverse traits at different levels of observation, ranging from the dual tissular origin of mucilage secretory cells to diverse mucilage polysaccharidic composition and ultrastructural organization. (b) An asymmetrical selection pressure is exerted on myxospermy-related genes that were first identified in Arabidopsis thaliana. The A. thaliana and the flax intra-species mucilage variants show that myxospermy is a fast-evolving trait due to high polymorphism in a few genes directly acting on mucilage establishment. In A. thaliana, these actors are downstream of a master regulatory complex and an original phylogenetic overview provided here illustrates that this complex has sequentially evolved after the common ancestor of seed plants and was fully established in the common ancestor of the rosid clade. (c) Newly identified myxodiaspory ecological functions indicate new perspectives such as soil microorganism control and plant establishment support.     

不同降水量处理时5种蒿属植物瘦果粘液溶出

用粘沙法对科尔沁沙地西部5种蒿属植物冷蒿(Artemisiafrigida)、差巴嘎蒿(A.halodendron)、大籽蒿(A.sieversiana)、黄蒿(A.scoparia)、乌丹蒿(A.wudanica)进行了瘦果粘液溶出及粘沙量的比较。主要模拟埋深5mm、降水量为1、2、4、8mm时瘦果的粘液溶出。5种供试植物均有粘液瘦果。在降水量1mm时,供试植物的粘液瘦果就能溶出粘液。当降水量达到2～4mm时,典型的沙生植物乌丹蒿和差巴嘎蒿的粘液瘦果粘沙量平均值分别达到7.31～13.56mg、0.63～2.55mg。除冷蒿外,其它4种植物均有随降水增多、粘液溶出量加大的趋势。粘液瘦果比例从大到小的排序是冷蒿>乌丹蒿>差巴嘎蒿>大籽蒿>黄蒿。在各种处理时,粘沙瘦果百粒瘦果粘沙量由大到小的顺序是乌丹蒿>差巴嘎蒿>大籽蒿>冷蒿>黄蒿。溶出粘液粘沙后,冷蒿瘦果所形成沙团重量达到瘦果重量的5～7倍,差巴嘎蒿2～9倍,大籽蒿3～5倍,黄蒿5～8倍,乌丹蒿5～29倍。流沙先锋植物乌丹蒿和差巴嘎蒿百粒瘦果粘沙量较其它植物大、在较低降水量时这两种植物粘液瘦果粘沙量较大表明瘦果溶出粘液粘沙是植物针对沙地流动性的进化适应之一。     

抱茎独行菜种皮粘液质相关基因TTG1的克隆、表达分析及功能鉴定

抱茎独行菜（Lepidium perfoliatum L.）为十字花科具典型粘液质繁殖体植物,而TTG1基因（Transpa-rent testa glabra 1）所编码的蛋白是调控种皮细胞分化并影响粘液质释放的转录因子。目前关于TTG1基因在粘液质繁殖体植物中的研究报道较少,为探究TTG1基因在抱茎独行菜粘液质发育中的作用,本研究利用同源克隆技术获得抱茎独行菜TTG1基因cDNA开放阅读框（ORF）序列,命名为LpTTG1。序列分析表明,该基因ORF全长为1032 bp,编码343个氨基酸,含有WD40基序;qRT-PCR分析结果显示,该基因在抱茎独行菜各组织中均有表达,反映了该基因功能的多样性;免疫组织化学定位结果表明,LpTTG1在种子发育过程中内珠被和外珠被的表达水平变化与外珠被粘液质的合成过程相一致,推测该基因可能参与调控抱茎独行菜种皮的发育及粘液质的形成。将LpTTG1基因转化拟南芥,该基因的过量表达显著促进了粘液质合成途径下游基因AtMUM4在角果中的表达,表明该基因有可能参与粘液质合成途径调控,并促进下游产物MUM4的产生。然而,对LpTTG1转基因拟南芥与野生型植株表型的比较发现,两者种子形态及粘液质分泌与释放方式均无显著差异,这可能是因为抱茎独行菜种皮发育和粘液质形成是一个多基因调控的复杂过程,某一基因的过量表达也许不会引起明显的表型变化。     

Fine Structure and Biomineralization of the Mucilage in Envelopes of Trachelomonas lefevrei (Euglenophyceae)1

Envelope development in Trachelomonas lefevrei (Deflandre) begins with the production of short, coarse mucilaginous strands, morphologically similar to the mucilage produced by non-enveloped euglenoids. These initial mucilaginous secretions subsequently become impregnated with manganese (Mn) and/or iron (Fe). Continued mucilage secretion and mineralization results in a mature envelope that is characteristic for the species. When these mature envelopes are treated with oxalic acid to remove the Mn and Fe, the envelopes collapse and are composed only of short, coarse mucilaginous strands similar to those present during early stages of development, prior to their mineralization. Brief treatment with 10 mM EDTA renders dark envelopes colorless, and our EM-EDS analyses show that this corresponds to a loss of Mn from the envelope; however, if Fe is present in the envelope, it is unaffected by the brief treatment. The mucilage present during early stages of envelope development and that remaining after complete demineralization is also morphologically similar to the mucilage in the plug at the anterior end of the envelope.     

Mucilage secretion: an adaptive mechanism to reduce seed removal by soil erosion?

Diaspores of many plant species inhabiting open vegetation in semi‐arid environments secrete mucilage after wetting (myxospermy) that glues the diaspores to the ground and prevents movement when the mucilage dries. In the present study, we test whether mucilage secretion can be considered as a selective response to soil erosion in plant species inhabiting semi‐arid environments. We relate the amount and type of mucilage secretion by seeds of Helianthemum violaceum and Fumana ericifolia (Cistaceae) to the number of raindrop impacts needed to remove these seeds after gluing them with their own mucilage to the ground and also the time that these seeds resist water run‐off without detaching. We also compare the amount of seed mucilage production by plants growing in habitats without erosion and plants affected by severe erosion by fitting mixed effect models. Our results show an important phenotypic variation in the amount of mucilage secretion in both species, although it is suggested that the effect of mucilage secretion in the rate of seed removal by erosion is species‐ and mechanism‐dependent. For F. ericifolia, the amount of mucilage secreted by the seeds is directly proportional to their resistance to raindrop impacts and is positively related to the intensity of the erosive processes that the plants experience. Nevertheless, all the seeds resist the force of run‐off during 60 min, irrespective of the amount of mucilage they produce. In H. violaceum, mucilage secretion per se, and not the amount of mucilage produced by the seeds, has an effect on the rate of seed removal by erosive processes. Furthermore, cellulosic fibrils were found only in the mucilage of F. ericifolia but not in H. violaceum. Overall, our results only partially support the hypothesis that a selective response to soil erosion exists. © 2013 The Linnean Society of London, Biological Journal of the Linnean Society, 2014, 111 , 241–251.     

Seed morphology of Rotala L., Ammannia L., Nesaea Kunth and Hionanthera Fernandes & Diniz (Lythraceae)

PANIGRAHI, S. G., 1986. Seed morphology of Rotala L., Ammannia L., Nesaea Kunth and Hionanthera Fernandes & Diniz (Lythraceae) . Seed-surface characteristics of Ammonia lalifolia L., Rotala verticillaris L., Nesaea triflora Comm. ex Kunth and Hionanthera garciae Fernandes & Dinz were studied using the SEM. Seeds from herbarium specimens moistened in water produce cracks along the intercellular walls and distinctive types of invaginating 'hairs'. These 'hairs' are mucilaginous in nature and diagnostic at the species level. They are released in profusion from the upper convex surface of the testa. Viable seeds of Ammonia baccifera L., similarly treated, exude, in addition to the 'hairs', mucilaginous globules from the lower concave surface during germination. The invaginating 'hairs' arise diagonally from the roof of the epidermal cells of the testa and protrude to the lumen of the epidermal cells. A sac of mucilage is observed swelling out on the inner flat surface of the developing seeds. The biological functions of these 'hairs' and mucilage globules in germinating seeds in relation to seed dispersal and regulation of germination in appropriate habitats is discussed.     

粘液繁殖体种子的粘液质形成、分泌及释放相关基因

种皮粘液质是在种皮外层细胞的高尔基体内产生并分泌到胞腔内或细胞壁层的一种果胶类多糖物质.当干燥种子遇水后,粘液质即刻被释放形成透明胶质并完全包被整个种子.粘液质对种子的扩散定居、种子萌发以及幼苗的存活和生长均具有重要作用.粘液质作为一种模型研究细胞壁的产生及其形成的分子机制已经成为植物种皮发育与环境变化相适应关系的研究...