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极危植物九龙山榧的大小孢子发生和雌雄配子体发育研究

冉钰岑 何芳 刘菊莲 郑子洪 郑伟成 胡江琴 金孝锋

黄晓杰, 丁金华, 汪大庆. 苏南水网地区绿色空间景观生态风险时空演变与调控策略[J]. 浙江农林大学学报, 2024, 41(6): 1283-1292. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240169
引用本文: 冉钰岑, 何芳, 刘菊莲, 等. 极危植物九龙山榧的大小孢子发生和雌雄配子体发育研究[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(5): 940-949. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220181
HUANG Xiaojie, DING Jinhua, WANG Daqing. Spatiotemporal evolution and regulation strategies of ecological risks in green space landscape in the water network area of southern Jiangsu[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(6): 1283-1292. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240169
Citation: RAN Yucen, HE Fang, LIU Julian, et al. Microsporogenesis, megasporogensis and development of male and female gametophytes of Torreya jiulongshanensis, a critically endangered plant[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(5): 940-949. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220181

极危植物九龙山榧的大小孢子发生和雌雄配子体发育研究

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220181
基金项目: 浙江省林业局资助项目(2017-2020);国际植物园保护联盟(BGCI)资助项目(GTC/2022/021);国家自然科学基金资助项目(32070218)
详细信息
    作者简介: 冉钰岑(ORCID: 0000-0003-1819-7561),从事珍稀濒危植物保护研究。E-mail: 2402318583@qq.com
    通信作者: 金孝锋(ORCID: 0000-0002-8195-6738),教授,博士,从事植物系统进化和生物多样性保护研究。E-mail: docxfjin@163.com
  • 中图分类号: S718.4

Microsporogenesis, megasporogensis and development of male and female gametophytes of Torreya jiulongshanensis, a critically endangered plant

  • 摘要:   目的  九龙山榧Torreya jiulongshanensis为浙江特有的古老孑遗植物,数量极少,为国家Ⅱ级重点保护野生植物,也被列为浙江省极小种群保护植物。系统观测九龙山榧大、小孢子的发生和雌、雄配子体的发育过程,有助于发现其配子是否发育异常及导致结籽率低下的原因。  方法  以九龙山榧模式产地的雌、雄植株为研究对象,通过定期观测和取样,采用石蜡切片法对其大、小孢子的发生,雌、雄配子体的发育过程进行切片、染色和观察。  结果  ①小孢子叶球于8月中旬开始分化,8月下旬分化形成次生造孢细胞,11月中旬形成小孢子母细胞,翌年2月下旬进入减数分裂期,3月中旬形成游离小孢子细胞,于3月末逐渐成熟;成熟花粉粒为双核,无气囊。小孢子囊的发育类型为基本型,孢质分裂方式为同时型,四分体有四面体形和左右对称形。②雄配子体从3月中下旬开始发生,到7月底形成精子,整个过程历时约4个月。③翌年3月下旬,大孢子叶球每个苞叶的叶腋基部直立着生2枚胚珠;大孢子母细胞于4月下旬经过减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ形成4个直列大孢子,5月中旬珠孔端的3个大孢子退化,合点端的大孢子最终发育成为雌配子体。④九龙山榧有2个单生型椭圆形的颈卵器,从传粉到受精历时约7个月。  结论  九龙山榧雌雄生殖系统发育的周期均较红豆杉科Taxaceae其他种更长,其冗长的生殖周期、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,加之种群个体数量极度稀少(1雌株、2雄株)是造成结籽率低下、自然更新困难的主要原因。图3表1参34
  • 在城市化快速发展的背景下,城镇建设用地的扩张导致生态空间衰减、系统结构失衡、生态功能下降等问题凸显[1],生态环境面临多重压力和干扰,引起的景观生态风险值得关注。绿色空间是城镇地域范围内对于改善区域生态环境、维持生态系统物质能量循环具有重要作用的生态空间,是由耕地、林地、草地、水域等不同土地单元镶嵌而成的复合生态系统[24]。当前,国内外学者对绿色空间的研究主要集中在绿色空间结构与功能[5]、景观格局动态演化[67]及生态环境效益[89]等方面。景观生态风险评价用于评估自然或人为因素干扰对生态系统及其组分产生不利影响的可能性及损失[10],基于景观格局指数构建景观生态风险评价模型能够定量揭示生态环境健康程度及风险压力的时空分布特征[11]。现有研究主要集中于景观生态风险的静态分析,对时空动态分析视角下景观生态风险演变特征的分析相对薄弱,且研究尺度集中在城市[1213]、城市群[1415]、流域[1617]等典型地区,对具有特殊地域特征的苏南水网地区的研究相对较少。

    苏南水网地区位于经济发达、人口密集的长江三角洲,河流、湖荡众多,水系纵横交错,形成了独特的地域生态空间特征。随着城镇建设用地的迅速扩张,苏南水网地区绿色空间日趋破碎化,生态系统稳定性下降。本研究以苏南水网地区江苏省昆山市为研究对象,利用2000、2010、2020年土地利用数据,定量测度其绿色空间景观格局变化引起的景观生态风险,并探究景观生态风险时空演变特征,依据风险等级转移变化特征划定绿色空间管控分区,提出分区调控策略,为优化水网地区空间景观布局,保护地区生态安全,合理开发绿色空间资源提供理论依据,也为地区景观生态风险管理提供决策支持。

    昆山市位于长江三角洲地区江苏省苏州市东部,31°06′~31°32′N,120°48′~121°09′E,全市下辖周庄镇、锦溪镇、淀山湖镇等10个镇,总面积为931 km2。根据《昆山市统计年鉴》,2000—2020年昆山市户籍总人数增加47.3万人,城镇化率由57.31%提升至78.95%,国内生产总值(GDP)增长4 075.96亿元,经济建设水平居于全国经济百强县首位。昆山市境内地势平坦,属北亚热带季风性湿润气候,四季分明,雨量充沛。境内河港纵横交错,湖荡星罗棋布,水域面积占16.4%,包含白莲湖、傀儡湖、明镜荡等湖荡,水网地区风貌特征明显。

    采用2000、2010、2020年3期 Landsat TM/OLI 遥感影像,数据集来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/),空间分辨率为30 m×30 m。利用ENVI 5.3软件对各期遥感影像数据进行校准、图像拼接裁剪等处理。参考中国科学院土地利用/土地覆盖分类系统及GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》相关标准,结合苏南水网地区地域特点,将研究区划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6类土地利用类型,其中耕地、林地、草地和水域为绿色空间,建设用地和未利用地为非绿色空间。对解译后的土地利用类型数据进行精度验证,Kappa系数均>0.85,符合解译精度要求。

    为了便于景观生态风险指数的空间化表达,本研究基于ArcGIS的渔网分析功能划分景观生态风险小区。依据研究区面积大小及数据精度,采用等间距采样的方法将研究区划分为1.5 km×1.5 km正方形格网,共划分景观生态风险样本小区489个(图1),利用 Fragstats 4.2软件计算各个样本小区内的生态风险指数,作为每个风险小区中心点的景观生态风险值。

    图 1  生态风险小区划分示意图
    Figure 1  Schematic diagram of ecological risk area division

    景观格局指数是反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标[18]。基于景观格局指数的生态风险评价方法能够有效评估生态系统受到外部干扰的强弱和内部抵抗力的大小[19]。根据相关研究成果[2021],依据景观格局与生态风险之间的关联,选取景观干扰度指数($ {E}_{i} $)、景观脆弱度指数($ {V}_{i} $)和景观损失度指数($ {R}_{i} $)来构建景观生态风险评价模型。

    各景观格局指数计算方法及生态学含义详见表1

    表 1  景观格局指数及计算方法
    Table 1  Landscape pattern index and their calculation methods
    指数名称 计算方法 生态学含义
    土地利用生态风险指数
     (IERk)
    ${I_{{\text{ER}}k}} = \displaystyle \sum \limits_{i = 1}^N \dfrac{{{A_{ki}}}}{{{A_k}}} \times {R_i} $ Aki为第k个风险小区内土地利用类型i的面积;Ak为第k个风险小区的面积;Ri为第i类景观的景观损失度指数
    景观损失度指数(Ri) Ri=Ei×Vi Ei为景观干扰度指数,Vi为景观脆弱度指数
    景观干扰度指数($ {E}_{i} $) $ {E}_{i}={aC}_{i}+{bN}_{i}+{cD}_{i} $ 表示不同类型景观生态系统所受外界干扰的程度,主要与人类的开发活动有关。其中:$ a、b、c $分别为$ {C}_{i} $、$ {N}_{i}{\mathrm{、}D}_{i} $的权重,且$ a+b+c= $1,参考前人研究[11, 22],将$ a、b、c $分别赋值为0.5、0.3和0.2
    景观破碎度指数($ {C}_{i} $) $ {C}_{i}=\dfrac{{n}_{i}}{{A}_{i}} $ 表示景观被分割的破碎化程度,值越大表明景观破碎程度越高
    景观分离度指数($ {N}_{i} $) $ {N}_{i}=\dfrac{A}{2{A}_{i}}\sqrt{\dfrac{{n}_{i}}{A}} $ 表示某一景观类型中不同斑块间的分离程度,值越大表明景观空间分布越离散,景观结构稳定性越低。$ {n}_{i} $为景观类型$ i $的斑块个数;$ {A}_{i} $为景观类型$ i $的面积;$ A $为景观总面积
    景观优势度指数($ {D}_{i} $) $ {D}_{i}=\dfrac{\left(\dfrac{{n}_{i}}{N}+\dfrac{{q}_{i}}{Q}\right)}{4}+\dfrac{{A}_{i}}{2A} $ 表示斑块在景观中的地位,值越大代表斑块对景观格局演变影响越大。$ {q}_{i} $为景观类型$ i $斑块出现的样方数;$ Q $为样方总数;$ N $为斑块总数
    景观脆弱度指数($ {V}_{i} $) $ {V}_{i}={I}_{{\mathrm{LS}}}\times \left(1-{I}_{{\mathrm{LA}}}\right) $ 表示不同景观类型抵抗外界干扰的敏感程度。其中:ILS为景观敏感度指数,可通过景观干扰度指数和景观易损度指数相乘而得,景观易损度指数根据前人研究成果[2324],结合研究区实际情况赋以权重:未利用地为6,水域为5,耕地为4,草地为3,林地为2,建设用地为1;ILA为景观适应度指数,由斑块丰富密度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数相乘而得。3种指数均由Fragstats软件计算而得
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    3.1.1   绿色空间面积组成对比分析

    通过ArcGIS软件对遥感影像图进行分类处理,得到昆山市2000、2010和2020年3个时期土地利用类型图(图2),并统计得到各土地利用类型面积与占比(表2)。从分析结果来看:2000—2020年昆山市各绿色空间类型面积发生了较大变化,其中耕地面积下降明显,减少20 203.11 hm2,占比下降21.70%;水域面积在2000—2010年小幅增加,占比上升2.24%,2010—2020年水域面积明显下降,减少了5905.17 hm2,占比下降6.34%;林地面积共减少72.90 hm2,而草地面积则增加了143.64 hm2,两者在绿色空间中占比很小。总体而言,研究期间昆山市绿色空间总面积明显减少,反映了建设用地扩张不断侵占市域内的绿色空间,以耕地面积的缩减最为突出。

    图 2  2000—2020年昆山市土地利用类型示意图
    Figure 2  Land use type map of Kunshan City from 2000 to 2020
    表 2  2000—2020年昆山市各用地类型面积变化
    Table 2  Changes in the area of various land types in Kunshan City from 2000 to 2020
    土地利用类型 2000年 2010年 2020年
    面积/hm2 百分比/% 面积/hm2 百分比/% 面积/hm2 百分比/%
    绿色空间 耕地 68 884.11 73.98 51 240.51 55.03 48 681.00 52.28
    林地 122.85 0.13 112.59 0.12 49.95 0.05
    草地 36.36 0.04 78.66 0.08 180.00 0.19
    水域 15 156.36 16.28 17 247.87 18.52 11342.70 12.18
    合计 84 199.68 90.43 68 679.63 73.75 60253.65 64.70
    非绿色空间 建设用地 8 833.95 9.49 24 386.49 26.19 32828.04 35.26
    未利用地 81.36 0.09 48.96 0.05 33.39 0.05
    合计 8 915.31 9.58 24 435.45 26.24 32861.43 35.31
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    3.1.2   绿色空间面积转移矩阵分析

    为了进一步揭示昆山市绿色空间用地类型的时空演变规律,本研究采用土地利用转移矩阵对昆山市各用地类型之间的转移方向和转换数量进行分析,结果如表3所示。2000—2020年昆山市各绿色空间类型转移存在明显差异:耕地净转出量最大,总量达33 918.84 hm2,主要流向建设用地,转出面积达26 327.86 hm2,转出贡献率为77.62%,反映出建设用地侵占耕地现象普遍;水域面积整体呈现先小幅增加后逐渐减少的趋势,其中2000—2010年水域面积小幅增加了2 091.51 hm2,主要由耕地转入,2010—2020年,水域面积持续减少,主要向耕地和建设用地转出,转出总面积为7 150.64 hm2。总体来看,2000—2020年昆山市绿色空间类型转移以耕地和水域的转出为主,均主要转向建设用地。这反映出昆山市在经济社会快速发展下人为开发建设活动对绿色空间侵占现象较为明显,耕地和水域等绿色空间面临较大生态压力。

    表 3  2000—2020年昆山市地类转移矩阵
    Table 3  Land class transfer matrix in Kunshan City from 2000 to 2020
    时间段 土地利用类型 绿色空间/hm2 非绿色空间/hm2 转出合
    计/hm2
    面积变化
    合计/ hm2
    耕地 林地 草地 水域 建设用地 未利用地
    2000—2010 绿色空间 耕地 46 613.56 41.62 71.57 6 168.10 15 825.59 6.48 68 726.91 −17 577.88
    林地 46.23 41.28 0.07 29.54 5.62 0.00 122.74 −10.60
    草地 14.15 0.00 0.16 15.64 6.29 0.11 36.36 42.30
    水域 3 464.97 28.70 5.97 10 742.95 853.90 2.02 15 098.51 2 033.98
    非绿色空间 建设用地 975.40 0.53 0.90 174.01 7 672.25 0.20 8 823.28 15 544.60
    未利用地 34.72 0.00 0.00 2.25 4.23 40.15 81.36 −32.40
    转入合计 51 149.03 112.14 78.66 17 132.48 24 367.89 48.96 92 889.16
    时间段 土地利用类型 绿色空间/hm2 非绿色空间/hm2 转出合
    计/ hm2
    面积变化
    合计/ hm2
    耕地 林地 草地 水域 建设用地 未利用地
    2010—2020 绿色空间 耕地 39 356.15 8.54 127.00 1 161.04 10 502.27 6.64 51 161.64 −2 650.12
    林地 65.13 25.78 0.13 17.69 3.57 0.00 112.30 −62.47
    草地 2.17 0.00 1.46 0.00 74.73 0.30 78.66 101.34
    水域 6 482.98 14.97 37.18 9 906.54 667.66 6.89 17 116.24 −5 812.93
    非绿色空间 建设用地 2 592.59 0.53 14.22 217.65 21 538.87 1.19 24 365.05 8 439.75
    未利用地 12.50 0.00 0.00 0.38 17.71 18.37 48.96 −15.57
    转入合计 48 511.52 49.82 180.00 11 303.31 32 804.80 33.39 92 882.85
      说明:−表示无此项。
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    3.2.1   绿色空间景观格局指数时序变化

    运用Fragstats软件计算得到昆山市2000、2010、2020年各绿色空间类型景观格局指数。统计结果表明:2000—2020年昆山市绿色空间景观格局发生了较大变化(表4)。①研究期间耕地破碎度和分离度指数显著上升,表明建设用地快速扩张,促使耕地空间分布趋于离散,破碎化程度加剧,景观优势度不断降低,受外界干扰程度增加。景观损失度逐年上升。②水域破碎度指数先下降后上升,总体呈上升趋势,景观优势度降低,且水域周边城镇较为密集,易受人为活动干扰,使景观脆弱程度不断增加,损失度上升。③林地破碎度、干扰度、脆弱度指数均先下降后上升,总体呈下降趋势,表明林地斑块分布逐渐聚集,景观结构稳定性提升。④草地破碎度指数先上升后下降,表明草地斑块在空间上趋于集聚与整合,抗外界干扰能力提高,景观脆弱度与损失度有所降低。

    表 4  2000—2020年昆山市绿色空间景观格局指数变化
    Table 4  Change of green space landscape pattern index in Kunshan City from 2000 to 2020
    土地利用类型 年份 斑块数量 斑块面积/hm2 破碎度 分离度 优势度 干扰度 脆弱度 损失度
    耕地 2000 1378 68 884.11 0.020 0.973 0.647 0.431 0.082 0.035
    2010 4401 51 240.51 0.086 0.987 0.602 0.459 0.087 0.040
    2020 4667 48 681.00 0.096 0.992 0.597 0.465 0.088 0.041
    林地 2000 494 122.85 4.021 1.000 0.092 2.329 0.222 0.516
    2010 355 112.59 3.153 1.000 0.076 1.892 0.180 0.340
    2020 172 49.95 3.443 1.000 0.046 2.031 0.193 0.392
    草地 2000 56 36.36 1.540 1.000 0.025 1.075 0.153 0.165
    2010 195 78.66 2.479 1.000 0.017 1.551 0.221 0.343
    2020 123 180.00 0.683 1.000 0.047 0.651 0.093 0.060
    水域 2000 4128 15 156.36 0.272 1.000 0.417 0.520 0.124 0.064
    2010 3566 17 247.87 0.207 1.000 0.399 0.483 0.115 0.056
    2020 3770 11 342.70 0.332 1.000 0.365 0.539 0.128 0.069
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    3.2.2   绿色空间景观生态风险时空分布格局

    基于景观生态风险评价指标计算结果,在ArcGIS 10.2中利用克里金插值法对昆山市生态风险值进行空间插值,得到昆山市绿色空间景观生态风险空间分布图,使用自然断点法将景观生态风险值(IERk)划分为5个等级:低生态风险(0<IERk≤0.026)、较低生态风险(0.026<IERk≤0.031)、中生态风险(0.031<IERk≤0.037)、较高生态风险(0.037<IERk≤0.041)和高生态风险(IERk>0.041),结果如图3,并统计得到不同景观生态风险等级的面积及占比(表5)。

    图 3  2000—2020年昆山市绿色空间景观生态风险空间分布示意图
    Figure 3  Spatial distribution of ecological risks in green space landscape of Kunshan City from 2000 to 2020
    表 5  2000—2020年昆山市绿色空间景观生态风险等级面积及比例
    Table 5  Area and proportion of landscape ecological risk level of green space in Kunshan City from 2000 to 2020
    年份低风险区较低风险区中等风险区较高风险区高风险区
    面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%
    20001 116.9025.661 830.8742.06918.0921.09345.157.93141.483.25
    2010642.7819.941 210.4137.55745.5623.13409.3212.70215.826.69
    2020452.7015.93961.0233.81692.6424.37455.5816.03280.269.86
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    2000—2020年昆山市绿色空间景观生态风险整体呈上升趋势,呈现“南北高,中间低”的空间分布特征。高、较高风险区面积明显上升,面积占比分别增加8.10%、6.61%,主要分布于淀山湖、白莲湖等湖荡密集地区,且不断向湖荡周围辐射扩张。该区域绿色空间类型以水域为主,由于围网养殖等人为活动对水域干扰程度加大,景观损失度逐年增加,使区域风险等级不断升高。中风险区面积小幅上升,面积占比增加3.28%,集中分布于渡头村、双洋潭等地区,并逐步沿较高风险区外围向四周扩散,区域内耕地、水域交错分布,受人为活动干扰较大,生态稳定性下降。较低、低风险区面积明显缩减,占比分别减少8.25%和9.73%,主要分布于研究区中部白渔潭村、荣家厍及北部范潭村、横泾等地区,且分布逐渐变得零散破碎,人为开发建设活动频繁,绿色空间不断减少,抗干扰能力减弱,景观生态风险值有增强趋势。

    3.2.3   绿色空间景观生态风险等级空间变化

    借助景观生态风险等级变化分布(图4)分析2000—2020年期间研究区各风险等级的变化情况。①风险等级升高区域的面积为21 503.12 hm2,占绿色空间总面积的36.69%,其中较低风险区域上升为中风险的区域面积最大,为6 413.09 hm2,其次为中风险区域上升为较高风险区域。主要分布在白莲湖、明镜荡、汪洋荡等地区,区域内湖荡、耕地镶嵌分布,城镇建设用地的扩张使生态斑块破碎化程度加剧,生态结构和功能受到损害,生态系统稳定性和恢复力下降。②风险等级基本不变区域的面积为31 026.25 hm2,占绿色空间总面积的52.61%,其中较低风险区域面积最大,为13 102.74 hm2。主要分布在白渔潭村、荣家厍、范潭村片区等。该区域生态环境相对较好,生态系统结构和整体格局较为完整,对外界干扰具备一定的抵御能力,可维持基本的生态功能。③风险等级降低区域的面积为5 241.88 hm2,占绿色空间总面积的10.70%,其中中风险区域下降为较低风险区域面积最大,为2 925.90 hm2,其次为较低风险区域下降为低风险区域。在空间上集中在大渔新村、朱家湾村、黄家埭等地区。区域内具有较好的生态基底,生态斑块间连续性较强且受经济建设活动干扰较小,生态系统稳定性提高,能够提供较好的生态服务效益。

    图 4  2000—2020年昆山市绿色空间景观生态风险等级变化示意图
    Figure 4  Change of landscape ecological risk level of green space in Kunshan City from 2000 to 2020

    基于2000—2020年昆山市绿色空间景观生态风险等级变化特征,将风险等级升高、不变和降低的区域分别划定为重点修复区、协调缓冲区和优化利用区。依据《苏州市“十四五”生态环境保护规划》《昆山市生态环境保护“十四五”规划》《昆山市国土空间总体规划(2021—2035)》等规划政策,结合调控分区的景观生态风险水平,提出有针对性的空间分区调控策略。

    3.3.1   重点修复区实施生态保育,降低绿色空间生态风险

    重点修复区为景观生态风险等级升高的区域,主要表现为较低风险向中风险、中风险向较高风险转移。片区内绿色空间破碎度增加,生态系统稳定性下降,景观生态风险水平不断上升。应加强生态保育与生态修复,对淀山湖、白莲湖等主要核心水域开展生态治理与修复工程,提升水域生态涵养功能;系统梳理、串通河网水系,在河网沿线严格管控开发强度大的建设活动;对破碎的绿色空间斑块进行整合,特别是南部长白荡、明镜荡等水域密集地区,着力提升水网景观的连通性和抗干扰能力,维护绿色空间的完整性与稳定性。

    3.3.2   协调缓冲区加强缓冲区建设,筑牢绿色空间生态安全屏障

    协调缓冲区为景观生态风险等级基本不变的区域,片区内绿色空间生态稳定性较强,能够抵御一定程度的外界干扰,景观生态风险维持在稳定水平。这些区域可作为生态缓冲地,提升绿色空间抗风险能力。通过强化河流水系、滨水绿带等生态廊道结构连通性[25],串联湖荡、农田大型生态斑块,构建水陆联动的网络化生态空间格局;加强傀儡湖、阳澄湖等生境敏感区的缓冲区建设,构建区域生态安全屏障,维护生态保护网络边界,增强区域景观生态风险缓冲能力。

    3.3.3   优化利用区优化生态建设,发挥绿色空间生态效益

    优化利用区为景观生态风险等级降低的区域,主要表现为中风险向较低风险、较低风险向低风险转换。片区内绿色空间生态系统结构较为完整,对外界干扰具有较强的适应能力,景观生态风险水平有所下降。应依托片区内良好的生态优势,适度优化建设,提升水网空间活力,维护生态系统的稳定性。首先明确生态保护红线边界,保护绿色空间健康稳定发展;其次对绿色空间进行分级分类管控,加强对城市生态森林公园、夏驾河湿地公园等核心生态资源的保护与管理,定期监测与评估生态用地的环境状况;同时在生态保护基础上优化建设,结合黄家埭等地区独特的水网空间优势开展科普教育、休闲游憩等服务,提升绿色空间的生态效益。

    本研究表明:绿色空间用地类型转变与景观生态风险具有关联性。研究期间昆山市南部水域及周边地区由于城镇用地扩张,耕地、水域等绿色空间面积持续减少,生态系统结构稳定性下降,景观生态风险等级呈上升趋势。这与于淑会等[26]、陈斌等[27]的研究结论一致。水网地区以纵横交错的河流、湖荡为主体,水域面积较大,易受外界城镇建设用地扩张的干扰而破碎化,景观脆弱度高。本研究结果表明:水域范围内的景观生态风险指数普遍较高。这与何钊全等[28]对延安市的研究存在一定差异。延安市地处黄土丘陵区,林地和耕地是优势景观类型,受经济发展和建设用地扩张影响较大,林地、耕地破碎化程度加剧,抗干扰能力下降,景观损失度增加,使林地与耕地的景观生态风险值较高。

    本研究在快速城镇化背景下,基于景观生态风险评价,加强绿色空间分区规划调控,对提升区域生态安全水平,优化国土空间结构,促进区域可持续发展具有一定理论指导意义。但研究仍存在一定局限性:①研究侧重从景观空间结构变化视角来评价绿色空间景观生态风险状况,对社会、经济等层面影响因素研究不足,还需进一步完善景观生态风险影响因素和驱动机制研究。②生态过程具有复杂性和抽象性,其具体演变过程很难做到定量表述。需要对生态风险展开多尺度分析,深入探讨景观格局生态风险和生态过程的耦合关系,为区域风险管理提供更加科学的依据。

    ①2000—2020年昆山市绿色空间总面积持续减少,其中耕地面积缩减最多;水域面积先小幅增加后持续减少,总体呈减少趋势;林地、草地面积占比较小,维持相对平稳。研究区用地类型转换主要表现为耕地和水域转向建设用地。②2000—2020年昆山市绿色空间景观格局变化特征明显,耕地空间分布在建设用地扩张影响下趋于分散,破碎化程度加大,损失度增加;水域破碎度指数先下降后上升,总体破碎度呈增大趋势,景观受外界干扰增加;林地破碎度、干扰度和脆弱度呈下降趋势,斑块分布呈集聚态势;草地破碎度指数先上升后下降,总体破碎度呈下降趋势,空间分布趋于集聚,景观损失度降低。③2000—2020年昆山市绿色空间景观生态风险等级总体呈上升趋势,其中高风险区、较高风险区面积显著扩大,占比分别增加8.10%、6.61%,空间分布上主要集中在南部淀山湖、白莲湖等水域密集地区,并有进一步向外围蔓延发展的趋势;较低风险区、低风险区面积缩减明显,占比分别下降8.25%和9.73%;景观生态风险以低风险等级向更高一级转变为主,绿色空间受人工建设干扰生态风险不断增强。④依据景观生态风险等级变化特征将研究区划分为重点修复区、协调缓冲区和优化利用区。

  • 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)

    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)

    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)

    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
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-27
  • 修回日期:  2022-05-28
  • 录用日期:  2022-05-31
  • 网络出版日期:  2022-09-22
  • 刊出日期:  2022-10-20

极危植物九龙山榧的大小孢子发生和雌雄配子体发育研究

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220181
    基金项目:  浙江省林业局资助项目(2017-2020);国际植物园保护联盟(BGCI)资助项目(GTC/2022/021);国家自然科学基金资助项目(32070218)
    作者简介:

    冉钰岑(ORCID: 0000-0003-1819-7561),从事珍稀濒危植物保护研究。E-mail: 2402318583@qq.com

    通信作者: 金孝锋(ORCID: 0000-0002-8195-6738),教授,博士,从事植物系统进化和生物多样性保护研究。E-mail: docxfjin@163.com
  • 中图分类号: S718.4

摘要:   目的  九龙山榧Torreya jiulongshanensis为浙江特有的古老孑遗植物,数量极少,为国家Ⅱ级重点保护野生植物,也被列为浙江省极小种群保护植物。系统观测九龙山榧大、小孢子的发生和雌、雄配子体的发育过程,有助于发现其配子是否发育异常及导致结籽率低下的原因。  方法  以九龙山榧模式产地的雌、雄植株为研究对象,通过定期观测和取样,采用石蜡切片法对其大、小孢子的发生,雌、雄配子体的发育过程进行切片、染色和观察。  结果  ①小孢子叶球于8月中旬开始分化,8月下旬分化形成次生造孢细胞,11月中旬形成小孢子母细胞,翌年2月下旬进入减数分裂期,3月中旬形成游离小孢子细胞,于3月末逐渐成熟;成熟花粉粒为双核,无气囊。小孢子囊的发育类型为基本型,孢质分裂方式为同时型,四分体有四面体形和左右对称形。②雄配子体从3月中下旬开始发生,到7月底形成精子,整个过程历时约4个月。③翌年3月下旬,大孢子叶球每个苞叶的叶腋基部直立着生2枚胚珠;大孢子母细胞于4月下旬经过减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ形成4个直列大孢子,5月中旬珠孔端的3个大孢子退化,合点端的大孢子最终发育成为雌配子体。④九龙山榧有2个单生型椭圆形的颈卵器,从传粉到受精历时约7个月。  结论  九龙山榧雌雄生殖系统发育的周期均较红豆杉科Taxaceae其他种更长,其冗长的生殖周期、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,加之种群个体数量极度稀少(1雌株、2雄株)是造成结籽率低下、自然更新困难的主要原因。图3表1参34

English Abstract

黄晓杰, 丁金华, 汪大庆. 苏南水网地区绿色空间景观生态风险时空演变与调控策略[J]. 浙江农林大学学报, 2024, 41(6): 1283-1292. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240169
引用本文: 冉钰岑, 何芳, 刘菊莲, 等. 极危植物九龙山榧的大小孢子发生和雌雄配子体发育研究[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(5): 940-949. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220181
HUANG Xiaojie, DING Jinhua, WANG Daqing. Spatiotemporal evolution and regulation strategies of ecological risks in green space landscape in the water network area of southern Jiangsu[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(6): 1283-1292. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240169
Citation: RAN Yucen, HE Fang, LIU Julian, et al. Microsporogenesis, megasporogensis and development of male and female gametophytes of Torreya jiulongshanensis, a critically endangered plant[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(5): 940-949. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220181
  • 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。

    • 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。

    • 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。

    • 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)。

    • 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)

    • 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
    • 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

    • 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)。

    • 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。

    • 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!

参考文献 (34)

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