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土壤盐碱化是当今世界性的资源和生态问题[1]，是限制农林业发展的主要因素之一[2]。中国现有盐碱土面积3 600 万hm2，主要分为滨海盐碱土区、黄淮海平原盐碱土区、西北半干旱盐碱土区和干旱盐碱土区以及东北盐碱土区[3]，其中滨海盐碱土区是中国重要的盐碱地土地类型，涵盖大部分沿海地区，分布范围较广[4]。滨海盐碱地土壤含盐量过高，盐分组成以氯化物为主[5]，能够适应生存的植物种类较少，常选用木麻黄Casuarina equisetifolia、乌桕Sapium sebiferum等耐盐人工植被[6]和柽柳属Tamarix先锋树种[7]绿化造林，而深根、肉质根系、喜酸性土壤的木兰科Magnoliaceae植物较少应用。望春玉兰Magnolia biondii系木兰科木兰属Magnolia多年生落叶乔木，为木兰科植物中典型的春花乔木，园林绿化效果好，应用前景广阔。目前，对望春玉兰的研究主要侧重于抗寒性[8]、花色[9]及其花蕾“辛夷”的应用研究[10]上，而其耐盐性方面研究极少。为明确木兰科植物在滨海盐碱土种植的可能性，根据预试验的结果，选择望春玉兰为对象，采用水培法研究了氯化钠胁迫对1年生实生苗形态和生理指标的影响，并探讨了对氯化钠胁迫具有指示性的生理指标，为木兰科植物的耐盐性评价及耐盐树种或品种的筛选提供理论依据。
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以望春玉兰1年生实生苗为材料，于2019年4月定植于上口径6 cm、下口径5 cm、高8 cm的塑料盆中，栽培基质为泥炭土、珍珠岩、蛭石(体积比1∶1∶1)，每盆1株。定植后的苗木置于浙江农林大学平山基地温室中，进行常规管理。待幼苗高生长约10 cm时，挑选生长一致的幼苗转移至浙江农林大学风景园林与建筑学院智能温室中，温室培养条件为光照强度2 200~3 000 lx，光照14 h·d−1，白天温度28 ℃，夜间温度25 ℃，空气相对湿度68%~75%。幼苗经去土洗净根系后置于上口径6 cm、下口径6 cm、高14 cm的玻璃培养瓶中，每瓶1株，采用1/2 Hoagland营养液进行水培，水培过程中隔3 d更换1次1/2 Hoagland营养液，不通气。
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待幼苗恢复正常生长后，选取叶片数为7~8片的幼苗，于2019年7月开始进行盐胁迫处理。根据预试验结果，选取盐胁迫下苗木有明显胁迫反应，又不至于生长明显受到抑制的临界浓度作为试验浓度，设置0(对照组)和200 mmol·L−1(试验组)2个氯化钠浓度处理，每处理5株，重复3次。在处理期间以设定的氯化钠浓度隔3 d更换1次培养液，于盐胁迫后的第1、3、5、7、9天清晨，采集各处理植株从下至上的第3位至第7位叶片，每处理5株植株的叶片混合后进行相应生理指标测定。
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分别于盐胁迫后第1、3、5、7、9天观察植株叶片的受害程度，将盐害症状分为5个级别。①0级：叶片颜色和生长正常；②1级：少量叶尖、叶缘变黄；③2级：部分叶尖变黄萎蔫，少量叶片脱落；④3级：大部分叶片变黄，萎蔫干枯，有明显落叶；⑤4级：叶片脱落较(极)严重。
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生理指标的测定参照李合生[11]的方法，叶绿素采用乙醇提取法测定，质膜相对透性采用电导率法测定，丙二醛采用硫代巴比妥酸法测定，可溶性糖采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白质采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，脯氨酸采用酸性茚三酮法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定。
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采用Excel 2010处理数据、绘图，利用SPSS 22.0进行单因素方差分析、相关性分析和主成分分析。
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观察望春玉兰幼苗叶片受伤害程度(图1)可知：随着盐胁迫时间的延长，望春玉兰的受害症状加重。在胁迫的第1天，叶片颜色和生长正常，在胁迫第3、5、7天时受害症状为1级，少量叶尖、叶缘变黄；在胁迫的第9天受害症状为2级，部分叶尖变黄萎蔫，少量叶片脱落。
图 1 盐胁迫下望春玉兰受害症状调查
Figure 1. Survey on the symptoms of salt damage of M. biondii under NaCl stress
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可溶性糖、可溶性蛋白质和脯氨酸等物质是植物体内重要的渗透调节物质，能减轻植物在胁迫条件下受到的伤害。由图2可以看出：盐胁迫下，望春玉兰叶片的可溶性糖质量分数呈逐渐上升趋势；可溶性蛋白质质量分数随着盐胁迫时间的延长，总体呈先上升后下降的趋势，在盐胁迫处理的第3、9天，与对照组相比，差异显著(P＜0.05)；脯氨酸质量分数随着胁迫时间的延长，总体呈先上升后下降的趋势，且在胁迫处理的时间范围内始终与对照组差异显著(P＜0.05)。
图 2 盐胁迫下叶片可溶性糖、可溶性蛋白质和脯氨酸的变化
Figure 2. Changes of soluble sugar content, soluble protein content and Pro content in leaves under NaCl stress
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从图3可见：盐胁迫下，望春玉兰叶片的叶绿素质量分数呈先上升后下降的趋势，在盐胁迫的第3天与对照组相比，差异显著(P＜0.05)。望春玉兰叶片的相对电导率在盐胁迫下呈波动上升的趋势，在胁迫末期保持稳定，且在盐胁迫处理的时间范围内均与对照组差异显著(P＜0.05)。望春玉兰叶片的丙二醛质量摩尔浓度随着盐胁迫时间的延长呈上升趋势，在盐胁迫的第9天与对照组差异显著(P＜0.05)。
图 3 盐胁迫下叶片叶绿素、相对电导率和丙二醛的变化
Figure 3. Changes of chlorophyll content, relative conductivity and MDA content in leaves under NaCl stress
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SOD是植物体内防御氧化逆境下自由基形成的关键酶，是植物防御体系的第1道防线[12]，POD是植物体内酶促防御系统的重要保护酶类，用于清除植株体内过多的活性氧[13]。图4结果显示：望春玉兰叶片的SOD活性随着盐胁迫时间的延长呈逐渐上升的趋势，且在胁迫处理的第3、5、7、9天均与对照组差异显著(P＜0.05)；POD活性随着盐胁迫时间的延长呈先上升后下降的趋势，且在胁迫处理的时间范围内均与对照组差异显著(P＜0.05)。
图 4 盐胁迫下叶片SOD和POD活性的变化
Figure 4. Changes of SOD activity and POD activity in leaves under NaCl stress
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对望春玉兰的8个生理指标进行相关性分析(表1)表明：可溶性糖与相对电导率呈显著相关(P＜0.05)，与丙二醛呈极显著相关(P＜0.01)；叶绿素与POD活性呈极显著相关(P＜0.01)。
表 1 盐胁迫下望春玉兰叶片生理指标的相关系数
Table 1. Correlation matrix of physiological indexes of M. biondii under NaCl stress
相对电导率 丙二醛 叶绿素 可溶性糖 可溶性蛋白 脯氨酸 SOD POD 相对电导率 1 丙二醛 0.868 1 叶绿素 −0.071 0.297 1 可溶性糖 0.906* 0.966** 0.100 1 可溶性蛋白 0.260 0.139 −0.090 0.002 1 脯氨酸 0.006 0.255 0.484 0.305 −0.873 1 SOD 0.502 0.818 0.460 0.680 0.356 0.047 1 POD 0.019 0.407 0.982** 0.238 −0.205 0.610 0.512 1 说明：*表示差异显著(P＜0.05)，**表示差异极显著(P＜0.01) 对望春玉兰8个生理指标进行主成分分析(表2)可知：前2个主成分的累计贡献率达78.892%，可以概括原指标的绝大多数数据信息。望春玉兰的第1主成分主要为丙二醛、可溶性糖和超氧化物歧化酶，第2主成分主要为可溶性蛋白质和脯氨酸。
表 2 盐胁迫下望春玉兰叶片生理指标的主成分分析
Table 2. Principal component analysis of physiological indexes of M. biondii under NaCl stress
指标 主成分1 主成分2 指标 主成分1 主成分2 相对电导率 0.721 0.549 脯氨酸 0.425 −0.793 丙二醛 0.958 0.260 超氧化物歧化酶 0.837 0.207 叶绿素 0.549 −0.616 过氧化物酶 0.651 −0.640 可溶性糖 0.882 0.292 特征值 3.821 2.491 可溶性蛋白 0.023 0.759 贡献率/% 47.758 31.134 -
盐胁迫环境中盐分离子的浓度过高会导致植物根系吸收水分困难，引发渗透胁迫[14]。植物通过可溶性蛋白质、可溶性糖和脯氨酸等小分子有机物的合成和积累以降低水势，维持水分平衡。本研究中，望春玉兰叶片的可溶性糖质量分数随盐胁迫时间的延长呈逐渐上升的趋势，而可溶性蛋白质和脯氨酸质量分数总体呈先上升后下降的趋势，但始终高于对照。不同植物选择的主要有机渗透调节物质存在差异[15]，本研究表明：盐胁迫后期望春玉兰主要是通过提高可溶性糖质量分数进行渗透调节的。
当盐胁迫超出细胞渗透调节作用的上限时，细胞膜会受到损伤。本研究中，随着胁迫时间的延长，望春玉兰叶片的叶绿素质量分数先升高后降低，说明胁迫初期植物通过促进自身叶绿素的合成以适应盐胁迫环境，但在长时间的盐胁迫下，过量的盐进入植物细胞，使叶绿素分解[16]，这可能与细胞渗透调节能力下降有关。而叶片的相对电导率和丙二醛质量摩尔浓度均呈上升趋势，在胁迫结束时均较对照有显著的提高。说明在盐胁迫条件下，植物体膜结构不断膜脂过氧化，加剧细胞膜受损伤的程度。
盐胁迫下植物体内氧化还原体系的平衡被破坏，诱导产生对植物的生理功能具有破坏作用的活性氧，植物体通过提高超氧化物歧化酶、过氧化物酶等活性氧清除剂的活性以维持植物体内活性氧代谢平衡，维护膜结构完整性。本研究中，望春玉兰叶片的超氧化物歧化酶活性随胁迫时间的延长呈逐渐上升的趋势，过氧化物酶活性呈先升高后下降的趋势。表明在胁迫前期2种酶共同参与清除活性氧，缓解氧化伤害的活动，而到胁迫后期植物体主要通过增加超氧化物歧化酶活性以增强细胞内活性氧的清除能力，保护膜系统。
盐胁迫对植物叶片生理指标的伤害表现在形态上为叶形叶色的变化。在胁迫的第1天，望春玉兰正常生长，各项生理指标均呈上升趋势；在胁迫的第3天后，望春玉兰叶片开始变黄；在胁迫的第9天，即胁迫结束时，叶片开始脱落，此时叶绿素、可溶性蛋白质、脯氨酸、过氧化物酶较前期均有所下降。
植物的耐盐性是复杂的生理生化过程，其耐盐机制涉及多种生理生化的协调作用[17-19]。本研究主成分分析得出：盐胁迫下望春玉兰的丙二醛质量摩尔浓度、可溶性糖质量分数和超氧化物歧化酶活性具有绝对值较大的负荷系数。说明这3个指标可能是望春玉兰受到盐胁迫时起关键作用的生理指标，这3个指标在盐胁迫下的生理表现也一致。
由于植物耐盐性受多基因控制，不同生长发育阶段及生态环境条件下，基因表达存在差异，耐盐性强弱表现也不同。而本研究采用水培法对1年生幼苗进行盐胁迫处理，所用望春玉兰植株偏小，未进行不同大小植株的比较，因此结果不能完全代替成株期的抗盐性情况。且本研究选用的氯化钠浓度为望春玉兰的耐盐临界浓度，与各地滨海盐渍土的实际含盐量存在一定的差异。因此，还需在植物的各个生长阶段采用大田试验进一步验证，以获得更加客观的耐盐性评价结果。
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望春玉兰体内的各项生理指标对盐胁迫均有一定的响应。盐胁迫下望春玉兰幼苗的相对电导率和丙二醛质量摩尔浓度持续增加，可溶性蛋白质、脯氨酸、叶绿素质量分数与过氧化物酶活性在短期胁迫下能有所上升以减缓盐害，而可溶性糖质量分数和超氧化物歧化酶活性在长时间的胁迫下仍能保持较高水平以进行渗透保护和清除活性氧等活动，从而减弱细胞膜损伤程度。对耐盐性生理指标的主成分分析发现：丙二醛质量摩尔浓度、可溶性糖质量分数、超氧化物歧化酶活性对望春玉兰的指示性最强，可以作为望春玉兰等木兰科植物盐胁迫耐性强弱的主要生理指标。
Effect of NaCl stress on the morphology and related physiological indexes of Magnolia biondii seedlings
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摘要:
目的 探讨盐胁迫对望春玉兰Magnolia biondii幼苗形态和相关生理指标的影响，并筛选盐胁迫下的指示性生理指标，为木兰科Magnoliaceae植物的耐盐性评价与筛选优质种质资源提供理论依据。 方法 以望春玉兰1年生实生苗为材料，采用水培法，测定200 mmol·L−1氯化钠胁迫下叶片的相对电导率、丙二醛质量摩尔浓度、叶绿素质量分数、渗透调节物质质量分数和抗氧化酶活性，通过主成分分析筛选关键生理指标。 结果 随着盐胁迫时间的延长，可溶性糖质量分数、相对电导率、丙二醛质量摩尔浓度和超氧化物歧化酶(SOD)活性总体呈上升趋势；可溶性蛋白质质量分数、脯氨酸质量分数、叶绿素质量分数和过氧化物酶(POD)活性总体呈先上升后下降的趋势。利用主成分分析法筛选出3个指示性指标，分别为丙二醛质量摩尔浓度、可溶性糖质量分数和SOD活性。 结论 氯化钠胁迫引起望春玉兰幼苗叶片丙二醛质量摩尔浓度、可溶性糖质量分数和SOD活性显著变化，可作为指示性生理指标用于评价氯化钠胁迫下望春玉兰等木兰科植物的耐盐性强弱。图4表2参19 Abstract:Objective With an investigation conducted of the effects of NaCl stress on the morphology and related physiological indexes of Magnolia biondii seedlings and the physiological indexes indicating the NaCl stress screened, this paper is aimed to provide a theoretical basis for the evaluation of the salt tolerance of Magnoliaceae and the selection of high-quality germplasm resources. Method Firstly, the hydroponic culture experiment was done with M. biondii 1-year-old seedlings with the effects of NaCl stress under 200 mmol·L−1 on relative electrical conductivity, MDA contents, chlorophyll contents, osmotic substances and antioxidant enzyme activities in leaves tested, after which the principal component analysis was conducted to screen key physiological indexes. Result With the increase of treatment time, the soluble sugar content, relative electric conductivity, MDA content and SOD activity increased. The soluble protein content, Pro content, chlorophyll content and POD activity first increased and then decreased. The three indicative physiological indexes screened by principal component analysis were MDA content, soluble sugar content and SOD activity. Conclusion The MDA content, soluble sugar content and SOD activity underwent significant changes under NaCl stress, and they could be used as key physiological indexes in the evaluation of the salt tolerance of Magnoliaceae such as M. biondii. [Ch, 4 fig. 2 tab. 19 ref.] -
Key words:
- botany /
- Magnolia biondii /
- NaCl stress /
- physiology responses /
- principal component analysis /
- indicative indexes
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九龙山榧Torreya jiulongshanensis为红豆杉科Taxaceae榧属Torreya高大乔木，雌雄异株，仅分布于浙江中部和西南部，模式产地为遂昌九龙山，被列为浙江省极小种群保护植物，最近一次被评估为极危(CR)植物[1]。2021年颁布的《国家重点保护野生植物名录》中，其被列为国家Ⅱ级保护植物(
http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-09/09/content_5636409.htm )。目前，九龙山榧的种群数量极少，仅17株，其中模式产地仅1雌2雄共3株，每年结籽量很少，无幼树和幼苗，更新困难，而且生境破坏严重，人为干扰程度大[2-4]。九龙山榧作为榧属的古老孑遗植物，对研究古植物学和古地理学具有重要意义，其对于改良香榧T. grandis ‘Merrillii’品质也可能具有很大的潜在价值[5]。植物的有性生殖发育异常是濒危的主要原因之一，珍稀濒危植物或多或少存在生殖障碍[6-7]。研究发现：云南红豆杉Taxus yunnanensis不仅生殖周期长，且在1个雌配子体上有多个颈卵器，但最终只有1个或者少数几个颈卵器能得到精子，传粉效率低及雌雄性生殖系统发育不同步是造成其濒危的主要原因[8]；香果树Emmenopterys henryi在胚发育过程中存在明显胚后熟现象，致使种子萌发率低，更新困难[9]；羊角槭Acer yangjuechi在雌配子体发育过程中存在严重的生殖障碍，出现胚珠败育、胚囊退化及珠心组织细胞死亡等现象，是其濒危的重要原因[10]；崖柏Thuja sutchuenensis从大、小孢子叶球形成至种子成熟的整个发育过程中均存在败育，而胚珠败育及雌配子体游离核时期至幼胚发育期间的败育是其生殖障碍的主要原因[11]。
自20世纪初以来，国内外学者先后对榧属几种植物生殖生物学开展了研究[12-14]。然而，关于九龙山榧生殖生物学的研究至今未见报道。本研究采用石蜡切片法，对九龙山榧大、小孢子的发生和雌、雄配子体的发育过程进行研究，并与红豆杉科其他植物加以比较，旨在从生殖生物学角度探讨九龙山榧的种子发育及结籽率低下是否与其大、小孢子的发生和雌、雄配子的发育异常有关，以期为九龙山榧保育措施的制定提供生殖生物学依据。
1. 材料和方法
1.1 试验材料
九龙山榧取自模式产地：丽水市遂昌县王村口镇西坑下村(28°20′01″N，118°55′22″E，海拔501 m)。以林缘仅有的1雌株和与雌株相近的1雄株为样株。
1.2 试验方法
2018年6月底至2019年4月初，在小孢子叶球(雄球花)的芽分化到散粉期间，对其外部形态发育过程进行观测、拍照，并记录发育的各个时间段和重要时间节点。2018年6月28日至2019年2月13日，隔3 d采1次；2019年2月中旬至2019年4月初散粉，每天采样。每次取样5个。
2018年11月12日至2019年11月30日，在大孢子叶球(雌球花)的芽分化到种子发育期间，对其外部形态发育过程进行观测、拍照，记录各个发育时间段和重要时间节点。2018年11月12日至2019年4月4日，隔6 d采1次；2019年4月5—30日，每天取样。每次取样5个。
2019年4月5—6日的散粉期间，用毛笔对吐露传粉滴的胚珠进行人工授粉，授粉2 h后进行观察，对仍有传粉滴吐露的胚珠进行补粉，直到该大孢子叶球不再吐露传粉滴。2019年5月1日至2019年11月30日，隔6 d对大孢子叶球进行采样。每次采集3~5个。
采集的大、小孢子叶球浸泡固定于FAA溶液(体积分数为38%甲醛溶液∶冰醋酸∶体积分数为70%乙醇溶液=1∶1∶18，体积比)中，置于4 ℃冰箱中冷藏保存。采用常规石蜡切片法进行制片，切片厚度为5~7 μm[15]，用改良爱氏苏木精染色[16]，中性树胶封片，在Motic BA410E显微镜下观察并拍照。
2. 结果与分析
2.1 大小孢子叶球的生长发育
2.1.1 小孢子叶球的生长发育
2018年6月29日，九龙山榧雄株的多数枝条叶腋处已经可见新生的混合芽，长为2.78~3.96 mm[(2.40±0.11) mm]，宽为1.18~1.58 mm[(1.38±0.14) mm]，混合芽着生于当年生枝条上，偶见于2年生枝条(图1A)。2018年9月22日，幼嫩的小孢子叶球体积明显变大，长为2.24~2.55 mm[(2.40±0.11) mm]，宽为1.18~1.58 mm[(1.36±0.16) mm]，外裹鳞片叶，深绿色，顶端扁而宽；营养芽的体积变化不大，顶端与茎端相似，保持较尖的圆锥形(图1B)。此时，从外观上很容易将小孢子叶球与营养芽区分出来。2018年10月12日，小孢子叶球呈圆锥形(图1C)，外裹绿色鳞片叶，基部着生4枚苞片，2轮鳞片。小孢子叶球单生，长为2.78~3.96 mm[(3.37±0.47) mm]，宽为1.01~1.91 mm[(1.62±0.38) mm]，有一短轴，轴上螺旋状紧密排列着30~40枚小孢子叶，小孢子叶背面常着生4个(稀为3或5个)小孢子囊。2019年2月26日，小孢子叶球中下部变圆，呈浅绿色，芽鳞逐渐张开，露出小孢子囊(图1D)。2019年3月25日，小孢子叶球叶轴伸长，小孢子囊突破苞片、鳞片，逐渐伸到芽鳞外(图1E)，紧密的小孢子叶变得松散，小孢子囊完全暴露在空气中，开裂后花粉散出，此时小孢子叶球成熟(图1F)。成熟的小孢子叶球呈长圆柱形，饱满，小孢子叶逐渐变成黄绿色。
图 1 大、小孢子叶球(雌、雄球花)的发育Figure 1 Development of microstrobilus and macrostrobilus (male and female strobili)2019年4月4日，小孢子囊开始散粉，散粉时间持续4 d，时间较快。散粉前小孢子囊开裂，花粉散出，颜色呈黄色。同一小孢子叶球中，叶轴基部的小孢子囊散粉通常比叶轴上部的早开裂(图1G)。散粉后，小孢子叶球迅速干缩(图1H)。
2.1.2 大孢子叶球的生长发育
2018年11月12日，1年生枝条顶端存在普通芽和生殖芽，外观难以区分(图1I)。此时，生殖芽内部的苞叶叶腋出现珠被原基的隆起(图2A)。此后珠被不断生长，2019年3月25日，珠被生长至珠心上方，包被珠心(图2B)。此时，大孢子叶球2个，成对生于叶腋，外观呈圆锥形，长为0.38~0.49 mm[(0.47±0.12) mm]，宽为0.26~0.29 mm[(0.28±0.09) mm]，两侧微微隆起，外裹绿色鳞片状叶，着生于1年生雌株枝条顶端。每一大孢子叶球的短轴上紧密排列着4枚两两交互对生的苞片和最基部1枚侧生的苞片，具1个直立胚珠。2019年3月28日，在小孢子叶球即将散粉前，大孢子叶球逐渐从外包苞片和鳞片中突破，伸到芽鳞外，胚珠开始暴露在空气中，为接收花粉做准备(图1J)。2019年4月6日，假种皮开始露出(图2C)。此时，大孢子叶球呈圆球形，长为1.48~2.12 mm[(1.86±0.24) mm]，宽为1.07~1.47 mm[(1.37±0.28) mm]。2019年4月4—7日为散粉期，胚珠的珠孔端吐露出传粉滴，授粉后传粉滴消失(图1K)。2019年4月23日，假种皮的长度逐渐生长至珠被1/2处，可见明显的珠孔和珠心上部的溶解腔(图2D)。2019年4月30日，胚珠个体逐渐变大，外层的珠被和假种皮逐渐伸长，但还未完全包裹住胚珠的珠孔(图1L)。2019年6月8—29日，成对的大孢子叶球仅1个发育，发育的假种皮长度逐渐超过珠被，突破鳞片，包裹住胚珠(图1M和图1N)，先端较尖。2019年8月29日，胚珠长度增大，深绿色，胚珠着生的枝条顶端出现新生的小孢子叶球(图1O)。2019年9月22日，大孢子叶球呈卵球形，长为6.18~7.28 mm[(6.85±0.42) mm]，宽为3.15~3.50 mm[(3.32±0.11) mm]，胚珠底部变黄，假种皮先端变红(图1P)。
图 2 大孢子发生和雌配子体发育(含受精作用)Figure 2 Megasporogenesis and female gametophyte development (including fertilization)2.2 小孢子发生与雄配子体发育
2018年8月20日，小孢子叶原基表皮下方的孢原细胞已经分化形成次生造孢细胞。次生造孢细胞紧密相连，呈多边形(图3A)。2018年11月12日，外层的次生壁细胞开始分裂、分化，小孢子囊由外而内最终形成矩形的表皮层，呈椭圆形的小孢子囊内壁，呈不规则散状排列的2层中层细胞，以及最内呈长条形的绒毡层(图3B)。小孢子囊发育类型为基本型。2018年11月15日，造孢细胞分化形成小孢子母细胞，最初的小孢子母细胞由于体积较大、排列紧密，呈多边形，胞质浓厚，细胞核大(图3C)。2019年1月3日，在小孢子母细胞不断形成时期，最外层的表皮细胞经垂周分裂后，垂周壁加厚，径向壁延长，细胞内液泡化，细胞核和核仁逐渐消失，木质化加强，以适应内部小孢子母细胞数目的增加；内壁细胞径向延长，并纤维化加厚；中层细胞被挤压，切向壁延长呈扁平状紧贴内壁；绒毡层细胞在小孢子母细胞时期最初呈长条形单核延长，发育后期细胞个体逐渐变大，细胞质变浓，并以单核或双核形式存在(图3D)。2019年2月2日，排列紧密的小孢子母细胞逐渐从胼胝质中解离，变成游离的小孢子母细胞，形状从多边形变为圆形(图3E)。
图 3 小孢子发生和雄配子体发育(含精子形成)Figure 3 Microsporogenesis and male gametophyte development (including spermatogenesis)2019年2月26日至3月6日为小孢子母细胞减数分裂期。小孢子母细胞经过第1次减数分裂，形成2个子核(图3F)，2个子核之间不形成细胞壁直接进入减数分裂Ⅱ期，再次分裂之后形成四面体形、左右对称形2种类型的四分体(图3G)。小孢子囊壁和中层细胞开始解体，绒毡层细胞多为双核，由绒毡层出现的位置判断绒毡层细胞为周原质团细胞，绒毡层类型为变形绒毡层。小孢子囊内约7%绒毡层出现异常膨大，堆叠在一起(图3H)。2019年3月12日，四分体中的4个小孢子之间开始形成各自的细胞壁(图3I)。2019年3月16日，四分体开始解体，胼胝质壁消失，小孢子的细胞壁逐渐加厚，形成游离小孢子细胞(图3J)，绒毡层部分细胞进入药室内部(图3K)。2019年3月19日为小孢子细胞单核靠边期，表皮细胞木质化加强，内壁继续解体，中层细胞仅留下残迹，绒毡层仍以双核或单核形式存在(图3L)。一些小孢子囊内游离小孢子内液泡化导致细胞变形，约占11%(图3M)。
2019年3月31日，单核靠边的小孢子细胞壁开始逐渐增厚，细胞核经过有丝分裂形成2个核，细胞质也在2个核之间形成细胞板将2个核隔开，其中大的核为管核，小的核为生殖核。此时，成熟花粉粒形成(图3N)。成熟花粉粒的直径为30 μm，双核，表面褶皱成不规则状，无气囊。花粉成熟期时，小孢子囊内壁与中层细胞仅剩残迹，绒毡层消失，表皮细胞完全木质化并且带状加厚(图3O)。2019年4月4—7日，开始散粉时，小孢子囊囊基部囊壁没有加厚的开裂口破裂，从开裂口散出(图3P)。2019年5月30日，在胚珠上方花粉粒萌发成花粉管，伸入珠心组织1/3处，花粉管中可清晰看到管细胞、生殖细胞和不育细胞，生殖细胞比不育细胞稍大(图3Q)。2019年6月24日，花粉管入侵至珠心1/2处，生殖核明显增大，管核与不育核明显变小，且即将消失(图3R)。2019年7月27日，花粉管抵达雌配子体壁，此时管核和不育核已消失，位于花粉管先端的精原细胞已分裂成2个形状相似、大小相同的精细胞。精细胞核大、细胞质浓，形状为椭圆形或圆形(图3S)。2019年11月29日，花粉管伸长至颈卵器上方，精细胞明显增大，细胞质浓厚(图3T)。九龙山榧小孢子及雄配子体发育进程见表1。
表 1 九龙山榧的有性生殖过程Table 1 Process of sexual reproduction in T. jiulongshanensis发育时期(年-月-日) 小孢子和雄配子体发育 大孢子和雌配子体发育 2018-08-20 次生造孢细胞 2018-11-15 小孢子母细胞形成 2019-02-26—2019-03-06 小孢子母细胞减数分裂期 2019-03-12—2019-03-16 四分体时期 2019-03-16 小孢子从四分体中相互分离 2019-03-19 单核靠边期 2019-04-06 散粉与传粉 造孢组织 2019-04-23 减数分裂Ⅱ后期 2019-05-18 功能大孢子 2019-05-30 管细胞、生殖细胞和不育细胞 2019-06-06 游离核时期 2019-06-24 管核与不育核即将消失 2019-07-27 精原细胞分裂形成两个大小相同的精细胞 2019-08-11 细胞化阶段 2019-09-22 颈卵器母细胞 2019-09-22—2019-11-29 颈卵器阶段 2019-11-29 受精 2.3 大孢子发生与雌配子体发育
2019年4月6日，在散粉期，珠心下方与珠被齐平的水平线上出现一团核大、质浓、呈多边形的造孢细胞(图2E)。①大孢子发生时期：2019年4月23日，造孢细胞分化，在近中央位置形成大孢子母细胞，并进行减数分裂Ⅰ，形成大孢子二分体，二分体再进行减数分裂Ⅱ(图2F)，最终形成纵向直列的4个大孢子。2019年5月18日，合点端的大孢子不断发育，最终形成功能性大孢子，近珠孔的3个大孢子逐渐退化(图2G)。②游离核时期：2019年6月6日，合点端的功能大孢子继续进行多次有丝分裂，形成多核的雌配子体，但不形成细胞壁，细胞核呈游离状态，分布在雌配子体的细胞质中(图2H)。游离核之间由染色质丝相连。③细胞化时期：2019年8月11日，当游离核分裂8次，形成256个游离核后，在连接游离核间原生质丝的基础上，开始向心式形成细胞壁，最后整个雌配子体完全细胞化(图2I)。④颈卵器时期：当雌配子体不断发育到一定程度，近珠孔端的一些细胞开始逐渐膨大，形成颈卵器母细胞。2019年9月22日，颈卵器母细胞进行平周和垂周分裂，最终形成4个较小的颈细胞和1个较大的中央细胞(图2J)。刚形成的颈细胞呈圆形，细胞核明显，个体较周围细胞小，中央细胞呈圆形，细胞核较大，周围细胞质浓。中央细胞进行1次不均等分裂，形成卵核和腹沟核，腹沟核很快消失。由于此过程发生较快，因此未捕捉到正在退化的腹沟核。2019年9月30日，初形成的卵核位于颈卵器的近珠孔端，周围有少量细胞质包围，卵核下方有1个大液泡(图2K)。2019年10月13日，卵核开始下沉，往颈卵器的中央开始移动，同时蛋白泡出现(图2L)。2019年11月12日，受精前，成熟的颈卵器中蛋白泡消失，细胞质变浓，卵细胞发育成熟且位于中央，等待受精(图2M)。九龙山榧的颈卵器为椭圆形，多数位于雌配子体的近珠孔端，同一胚珠中有2个颈卵器。颈卵器的周围通常紧密排列着1层套细胞，套细胞的细胞核大、体积较小(图2L~M)。本研究观察到九龙山榧每个胚珠中只产生1个雌配子体，含2个单生型颈卵器，与香榧相同。九龙山榧的大孢子及雌配子体发育进程见表1。
2.4 精卵受精
九龙山榧的受精作用发生于2019年11月29日，从传粉到受精约7个月，在花粉管中产生2个大小相似的精细胞(图3T)，受精前其中一个精细胞进入颈卵器中与卵细胞结合，另一个则停留在花粉管中(图2N)。在精细胞接触卵细胞前，精细胞边缘整齐，细胞核明显，两者接触时，精细胞边缘开始变得模糊，细胞质因变得蓬松而染色较浅(图2O)。在精细胞和卵细胞逐渐融合的过程中，精细胞核区逐渐消失，细胞质相融(图2P)。
3. 讨论
裸子植物小孢子母细胞发育节律主要分为4种类型[17-20]：①小孢子母细胞的减数分裂过程起始于初冬，进入休眠期停止减数分裂，在翌年春季解除休眠后完成后续发育，如侧柏Platycladus orientalis。②翌年春天形成造孢细胞，再分化成小孢子母细胞，小孢子母细胞不经过休眠直接开始进行减数分裂，如穗花杉Amentotaxus argotaenia。③小孢子母细胞于当年年底前已经分化形成，经过翌年春季才开始后续的减数分裂过程，如欧洲赤松Pinus sylvestris。④小孢子母细胞进行减数分裂并形成游离小孢子再越冬，翌年春季继续发育为成熟花粉，红豆杉属Taxus加拿大红豆杉T. canadenesis、短叶红豆杉T. brevifolia、南方红豆杉T. wallichiana var. mairei和云南红豆杉T. yunnanensis等属此类型。九龙山榧与香榧小孢子母细胞的发育方式相同[21]，这种发育方式避免了其减数分裂过程受到寒冷冬季低温影响，降低了减数分裂发生异常的风险。九龙山榧在减数分裂时期部分小孢子囊的绒毡层发生异常增生和膨大现象。陈祖铿等[22]对穗花杉研究发现：绒毡层细胞发生异常膨大在裸子植物发育中为异常现象，其结果会导致小孢子母细胞受到挤压，在减数分裂过程中发生异常，最终引起花粉败育。这也曾在太白红杉Larix chinensis [23]的小孢子发育过程中有过报道。九龙山榧花粉囊中的绒毡层从小孢子母细胞时期一直持续存在到单核靠边期，直到形成成熟花粉粒才完全降解。绒毡层的延迟降解可能会争夺游离小孢子细胞发育所需的营养物质和空间。单核靠边期时，少部分小孢子囊中出现小孢子细胞内液泡化现象，导致一些细胞形状变化、破裂。但由于花粉粒能在雌花胚珠的珠心上方萌发出花粉管，且雄配子体的发育基本正常，说明花粉粒具备正常的生理活性和后期生殖功能，这与本研究对其花粉活力测定的结果一致。由此可见，小孢子的发生和雄配子体的发育均正常。
裸子植物的花粉萌发普遍迟缓且花粉管的生长非常缓慢[24]。穗花杉于5月底开始散粉，7月中下旬形成精子，历时约2个月[25]；短叶红豆杉于4月底萌发花粉管，6月初形成精子，历时1个多月[26]；南方红豆杉2月中下旬散粉，4月中旬体细胞迅速分裂形成2个精子，历时约2个月[20]；香榧于4月下旬散粉，7月中下旬花粉管中体细胞核分裂出2个大小相等的精核，过程近3个月[27]。九龙山榧4月初散粉，4月底花粉才开始萌发出花粉管，7月底雌配子体上方产生2个精原细胞。因此，九龙山榧从传粉到形成精子，整个过程历时近4个月，发育周期均较红豆杉科其他种更长。这可能是雄配子体在花粉管中发育缓慢以等待颈卵器中的卵细胞发育成熟以完成受精[20]。受精延迟现象在裸子植物中普遍存在。白豆杉Pseudotaxus chienii于4月17日传粉，5月下旬陆续发生受精作用，两者相隔1个多月[28]；穗花杉于5月25日至6月15日传粉，7月20—29日受精，两者相隔约2个月[22]；云南红豆杉的受精作用发生于3月底至4月初，传粉与受精相隔约4个月[8]；香榧于4月下旬授粉，9月上旬发生受精作用，从传粉到受精间隔4~5个月[27]。在本研究中，九龙山榧于4月初开始传粉，11月下旬发生受精作用，从传粉到受精需要约7个月，晚于红豆杉科已经报道的大多数植物。
植物有性生殖过程的任何一个环节出现障碍，都会造成生殖失败，种子减少，更新困难从而致濒[29]。九龙山榧小孢子叶球8月中旬开始发生，至2019年7月底才形成精子，历时11个月余；大孢子叶球11月中上旬开始发生，至2019年11月底才进行受精作用，过程历时12个月余，雌雄生殖系统发育的周期均较红豆杉科以往报道的其他种更长。生殖过程历时久、环节多，增加花粉败育、胚珠死亡的概率[8]，且从传粉到受精时间跨度大，加之个体数量极少，仅1雌株2雄株，胚珠发育严重滞后于小孢子叶球的散粉期，可能导致受精率降低甚至受精作用受阻。此外，陈佳妮等[30]发现：香榧结籽高于榧树，在于前者成熟叶片的氮含量和光合能力显著高于后者。九龙山榧为喜光的阳生树种[31]，其结籽率低的原因可能还与雌株树体老化、光合生理特性、外界营养不足等有关。
可见，九龙山榧冗长的生殖周期、复杂的生殖过程和雌性生殖系统发育明显滞后于雄性生殖系统，加之人为干扰强、树体老化、营养不足、个体数量少等均可能造成其结籽率底、自然更新困难，进而致濒。从实际出发，对九龙山榧的保育可以借鉴香榧的培育技术：①由于九龙山榧雌雄异株，小种群中的花粉密度很难达到较高的水平，胚珠传粉滴的吐露容易受不良天气的影响，因此在散粉期收集足够的花粉，将花粉合理优化保存，分期在晴天进行人工授粉以提高授粉率[32]；②加强雌株的科学管理，平衡施肥，追施磷、钾复合肥[33]，浅根多次施肥，繁殖期叶面施淡肥[34]，从而促进胚的发育和提高坐果率。
4. 致谢
材料采集过程中得到浙江遂昌王村口镇西坑下村严东根先生的无私帮助。在此深表谢意！
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图 1 盐胁迫下望春玉兰受害症状调查
Figure 1 Survey on the symptoms of salt damage of M. biondii under NaCl stress
图 2 盐胁迫下叶片可溶性糖、可溶性蛋白质和脯氨酸的变化
Figure 2 Changes of soluble sugar content, soluble protein content and Pro content in leaves under NaCl stress
图 3 盐胁迫下叶片叶绿素、相对电导率和丙二醛的变化
Figure 3 Changes of chlorophyll content, relative conductivity and MDA content in leaves under NaCl stress
图 4 盐胁迫下叶片SOD和POD活性的变化
Figure 4 Changes of SOD activity and POD activity in leaves under NaCl stress
表 1 盐胁迫下望春玉兰叶片生理指标的相关系数
Table 1. Correlation matrix of physiological indexes of M. biondii under NaCl stress
相对电导率 丙二醛 叶绿素 可溶性糖 可溶性蛋白 脯氨酸 SOD POD 相对电导率 1 丙二醛 0.868 1 叶绿素 −0.071 0.297 1 可溶性糖 0.906* 0.966** 0.100 1 可溶性蛋白 0.260 0.139 −0.090 0.002 1 脯氨酸 0.006 0.255 0.484 0.305 −0.873 1 SOD 0.502 0.818 0.460 0.680 0.356 0.047 1 POD 0.019 0.407 0.982** 0.238 −0.205 0.610 0.512 1 说明：*表示差异显著(P＜0.05)，**表示差异极显著(P＜0.01) 
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表 2 盐胁迫下望春玉兰叶片生理指标的主成分分析
Table 2. Principal component analysis of physiological indexes of M. biondii under NaCl stress
指标 主成分1 主成分2 指标 主成分1 主成分2 相对电导率 0.721 0.549 脯氨酸 0.425 −0.793 丙二醛 0.958 0.260 超氧化物歧化酶 0.837 0.207 叶绿素 0.549 −0.616 过氧化物酶 0.651 −0.640 可溶性糖 0.882 0.292 特征值 3.821 2.491 可溶性蛋白 0.023 0.759 贡献率/% 47.758 31.134
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