喀斯特山区粗裂地钱风兜亚种冬季芽胞杯的形态多样性特征及芽胞传播观察

尚官敏 王智慧* 张朝晖

(1.贵州师范大学生命科学学院，贵阳 550001； 2.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001)

喀斯特山区粗裂地钱风兜亚种冬季芽胞杯的形态多样性特征及芽胞传播观察

尚官敏1王智慧1*张朝晖2

(1.贵州师范大学生命科学学院，贵阳 550001；2.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001)

芽胞杯是地钱属特有的无性繁殖器官，关于其冬季形态特征及繁殖传播的行为研究较少。现以贵州喀斯特山区常见的粗裂地钱风兜亚种(Marchantiapaleaceasubsp.diptera)为代表，在最冷的冬季1月份，对其芽胞杯、杯内芽胞产量及传播方式进行野外定点观察和采样分析。结果显示：(1)冬季芽胞杯形态多样。根据其颜色和杯内芽胞特点将其划分为4个生长时期：未成熟期(透明)、成熟期(绿色)、衰退期(紫色)和衰亡期(紫黑色)，反映了冬季芽胞杯生长发育的不同阶段。(2)各生长时期的芽胞杯数量不同，表现出有序的凋亡特征。在统计的708个芽胞杯中，4个时期芽胞杯数量分别为62、209、254和183个，且不同时期的芽胞杯内芽胞的平均产量明显不同,不同时期单杯芽胞的平均产量分别为42、131、87和0 个；(3)冬季芽胞杯及芽胞在配子体上的密度较高，每平方米分别达到10 139和754 889个；(4)除春夏季常见的被雨滴敲打传播外，通过重力作用传播是冬季芽胞的一种重要传播方式。冬季粗裂地钱风兜亚种配子体上的芽胞杯处在不同的生长时期，形成的芽胞仍十分丰富，这对该物种适应喀斯特山区最冷月严苛环境条件具有积极的意义。

粗裂地钱风兜亚种；芽胞杯；芽胞繁殖；喀斯特山区；冬季

粗裂地钱风兜亚种(Marchantiapaleaceasubsp.diptera)属于苔藓植物门(Bryophyta)地钱科(Marchantiaceae)，生于阴湿环境岩石或土壤上[1],能够进行有性生殖和无性生殖，其中无性生殖是其主要的生殖方式，无性生殖中又以芽胞繁殖为主[2～3]。植物种群的更新及个体生活史的完成依赖于植物的繁殖过程，而在苔藓植物中，无性生殖具有明显的优势，能够在短时间内建立有效种群，占据生态位[4～5]，所以粗裂地钱风兜亚种广泛分布于我国各省，其中以喀斯特地貌为主的贵州的许多森林、河流、峡谷、瀑布等生境中该种均有分布[6～11]。在对粗裂地钱风兜亚种的研究中，研究者们观察了其细胞的超微结构、测定了其植株的化学成分、分析了该种对环境监测的作用以及物理因素对其芽胞萌发的影响等[12～15]。文献中针对地钱芽胞杯及其芽胞的研究较少，国外有研究者介绍了新加坡地钱属一个新记录种MarchantiaemarginataReinw.et al的芽胞杯及芽胞形态[16]，国内有研究者对粗裂地钱风兜亚种的春夏芽胞进行统计分析，发现芽胞杯及芽胞的产量受多因素影响[17]，为进该种的一步研究提供了科学的依据。同时研究者们对15种真藓科(Bryaceae)植物芽胞形态特征和分类学意义的研究[18]，以及对小扭口藓(BarbulaindicaHook.Spreng)芽胞进行的培养观察[19]，为研究粗裂地钱风兜亚种芽胞提供了一定的借鉴。因此本研究通过对喀斯特山区冬季最冷月(图1)的粗裂地钱风兜亚种芽胞杯及芽胞的数量和形态进行定量统计研究，弥补对该种芽胞杯形态和芽胞繁殖研究的一个空缺，同时进一步的说明该物种能在冬季严峻环境下生存和繁殖。

图1 贵阳市2016年1月气温变化趋势图Fig.1 Temperature change trend in Guiyang city in January 2016

1 研究区概况

研究地鹿冲关森林公园(106°42′60″～106°42′75″E,26°37′78″～26°37′89″N)位于贵州省贵阳市内，公园占地面积约700 hm2，海拔约1 315 m，属于亚热带湿润温和期气候,兼有高原性和季风性气候特点，历年平均气温为15.3℃，年平均总降水量为1 129.5 mm，年平均阴天日数为235 d，年平均日照时数为1 148.3 h，年降雪日数少，平均仅为11.3 d，其中一月份为每年当中的最冷月，平均气温是4.6℃。该公园始建于2003年，园中群峰雄峙，森林茂密，有植物190科844属2 037种。其中珙桐(DavidiainvolucrataBaill.)、红花木莲(Manglietiainsignis(Well.) Blume)、红豆杉(Taxuschinensis(Pilger) Rehd)等珍稀植物达56种。森林覆盖率为86.6%，其主要植被群落类型主要是以马尾松(PinusmassonianaLamb)为优势的森林群落，以华山松(PinusarmandiiFranch)为优势的群落和以黑松(PinusthunbergiiParl)为优势的3种群落。该公园建设以来，园内植被群落几乎保存完整，地钱属等苔藓植物生长较好。

2 材料和方法

2.1 材料培养与采集

于2015年11月在鹿冲关森林公园人工边坡随机采集部分地钱，在室内用装有原生土的实验花盆进行培养，放在光线适宜的地方,每天浇适量的水,保持一定的湿度让其自然生长。2016年1月在同一地点根据该地钱的分布状况随机选取了5个1 m×1 m的样地，然后在每个样地中设置3个0.1 m×0.1 m的样方，用0.1 m×0.1 m的样方框测量其盖度并记录，然后对地钱进行采集并按顺序装入采集袋中。

2.2 数据收集与观察

通过解剖镜、显微镜等工具对采集的地钱进行鉴定，观察记录培养和采集的地钱的形态特征，定量统计地钱芽胞杯和芽胞数量，最后用Excel软件对所收集的数据进行整理分析。

2.3 折算盖度

假设每个样地中3个样方的盖度分别为X%、Y%、Z%。

折算盖度=[(X+Y+Z)/300]×100%

(1)

3 结果与分析

3.1粗裂地钱风兜亚种冬季芽胞杯的4个生长时期

粗裂地钱风兜亚种春夏季配子体及芽胞杯几乎都为绿色，冬季配子体虽也为绿色，但芽胞杯却呈现出不同颜色，分别是透明色、绿色、紫色、紫黑色(图2)。通过解剖镜对芽胞观察和计数时发现，透明芽胞杯的底部着生芽胞的地方较厚，其中的芽胞相对幼嫩；而绿色的芽胞杯大小相对统一且固定，其底部着生芽胞的位置幼嫩，芽胞数量是几种颜色中最多的；紫色芽胞杯内的芽胞大部分已经脱离底部的着生柄，幼嫩芽胞较少；观察时看到部分绿色和紫色相间的芽胞杯，计数时将其按绿色占该芽胞杯50%以上的归为绿色，紫色占50%以上的归为紫色，其芽胞杯内幼嫩芽胞和成熟芽胞数量介于绿色和紫色之间；紫黑色的芽胞杯内的芽胞已经完全脱离着生柄，且已全部传播出去。

图2 冬季芽胞杯的4个生长期 A.未成熟期(透明色)；B.成熟期(绿色) ；C.衰退期(紫色)；D.衰亡期(紫黑色)Fig.2 The four growth period of gemma cup in winter A.Immature period(transparent); B.Mature period(green); C.Recession period(purple); D.Decline period(atropurpureus)

粗裂地钱风兜亚种冬季芽胞杯及其中的芽胞有着不同的成熟度，代表着4个不同的生长时期：未成熟期(透明色)、成熟期(绿色)、衰退期(紫色)和衰亡期(紫黑色)。这4个时期为不同的生长发育阶段，在没有人为干扰的情况下，未成熟的芽胞杯及其中的芽胞能逐渐发育成熟进而衰退，最后衰亡。

3.2粗裂地钱风兜亚种冬季各时期芽胞杯数量及其芽胞产量

在统计的708个芽胞杯中，未成熟期芽胞杯占8.76%，成熟期芽胞杯占29.52%，衰退期芽胞杯占35.88%，而颜色呈现紫黑色，其内已经没有芽胞的衰亡期芽胞杯占25.85%。除衰亡期芽胞杯外，其余芽胞杯内均产一定量的芽胞(表1)。其中成熟期的芽胞杯平均芽胞产量为131个，接近春季的120个和夏季的147个[17]，可见该种较强的产芽胞能力并未因冬季的不良环境而受到影响，且产生的芽胞仍能够继续生长和行使繁殖功能。

根据这4个时期芽胞杯的不同芽胞产量以及其中芽胞的成熟度和繁殖的状况，说明未成熟期的芽胞杯处于芽胞杯生长发育的幼年期，新陈代谢快，生长快速，繁殖潜力大；成熟期芽胞杯生理机制稳定，繁殖能力强；衰退期芽胞杯光合作用产生的能量只能少部分用于繁殖；而衰亡期的紫黑色芽胞杯新陈代谢缓慢，繁殖能力丧失。可见芽胞杯的生长呈一个代谢性死亡的过程。

表1各生长期芽胞杯的数量及杯内芽胞产量

Table1Thegemmacupquantityandgemmaeoutputinthecupofgrowthperiod

芽胞杯生长时期Thegrowthperiodofgemmacup芽胞杯数量Thenumberofgemmacup(ind)百分比Percentage(%)杯内生芽胞总数量Thenumberofgemmaeinthegemmacup(ind)平均每个芽胞杯内芽胞产量Theaveragegemmaeoutputofgemmacup(ind)未成熟期(透明)Immatureperiod(transparent)628.76261842成熟期(绿色)Matureperiod(green)20929.5227275131衰退期(紫色)Recessionperiod(purple)25435.882198287衰亡期(紫黑色)Declineperiod(atropurpureus)18325.8500共计Total7081005185773

3.3 粗裂地钱风兜亚种冬季芽胞杯及其芽胞的密度

根据每个样地3个样方配子体的盖度，按比例折算出每个样地配子体的盖度(表2)。对各样地芽胞杯计数分析，结果显示样地四芽胞杯密度最低为8 889 ind·m-2，样地五最高为12 342 ind·m-2，五个样地的平均芽胞杯密度为10 139·ind·m-2；从表中还可看出，样地最低芽胞密度为478 235 ind·m-2，最高芽胞密度达到了964 609 ind·m-2，平均芽胞密度是754 889 ind·m-2。可见冬季粗裂地钱风兜亚种配子体有部分死亡，但存活配子体上单位面积的芽胞杯及其芽胞产量仍然很高，说明其能够在冬季的不良环境中产生大量的芽胞杯，且芽胞杯仍具有较高的芽胞产率。由表2中数据还可看出，在配子体折算盖度最低的样地五中，

芽胞杯的密度却最高，而在折算盖度最高的样地一中芽胞杯的密度却最低，说明配子体的面积大小并不是影响其产芽胞杯多少的原因，配子体产芽胞杯的量可能与配子体自身的代谢速率、储备的物质能量等有关。

表2单位面积芽胞杯及芽胞密度

Table2Densityofgemmacupsandgemmaeperunitarea

样地Sample折算盖度Conversioncoverage(%)芽胞杯密度Thedensityofthegemmacup(ind·m-2)芽胞杯平均密度Theaveragegemmacup’density(ind·m-2)芽胞密度’Thedensityofthegemmae(ind·m-2)芽胞平均密度Theaveragegemmae’density(ind·m-2)样地1Sample1629358样地2Sample23810609样地3Sample3609497样地4Sample4398889样地5Sample5371234210139478235964609800503668034863063754889

3.4 粗裂地钱风兜亚种冬季芽胞的传播方式

研究已知花叶藓科(Calymperaceae)某些藓类植物芽胞除受外力作用传播外，也能利用自身重力传播[20]。粗裂地钱风兜亚种垂直朝上生长的芽胞杯有利于春夏多雨季节杯中的芽胞在雨滴敲打下从杯中扩散出来[17](图3)，完成传播繁殖过程。但冬季在室内和野外采样观察时发现除受常见的雨滴敲打传播之外，部分成熟期芽胞杯中的芽胞会有不同程度的聚集，形成不规则的柱状且向芽胞杯外伸出(图4)，这种聚集能使芽胞在重力的作用下从芽胞杯中传播出来(图5)，且地钱中含有的芳香类化合物—地钱素等能够使大部分昆虫不会去吞食和破坏传播出来的芽胞[21～22]，芽胞能有利的进行生长繁殖。

图3 冬季芽胞通过雨滴的传播方式Fig.3 The gemmae spread by raindrops in winter

图4 冬季芽胞的聚集过程 A.芽胞未聚集；B.芽胞部分聚集；C.芽胞完全聚集Fig.4 The aggregation process of gemmae in winter A.The gemmae has not yet gathered; B.The gemmae has been partially gathered; C.The gemmae has been fully gathered

图5 冬季芽胞通过重力的作用传播方式Fig.5 The gemmae spread by gravity in winter

4 结论

(1)粗裂地钱风兜亚种冬季繁殖以无性生殖为主，无性生殖器官—芽胞杯具透明、绿色、紫色、紫黑色四种颜色分类，分别代表着芽胞杯的不同生长时期：未成熟期、成熟期、衰退期和衰亡期。

(2)粗裂地钱风兜亚种冬季未成熟型芽胞杯占所统计的芽胞杯的8.76%，成熟型芽胞杯的平均芽胞产量为每个杯131 ind，说明该种冬季不仅能产生新的芽胞杯，且成熟型芽胞杯的芽胞产量接近春夏季的芽胞产量。

(3)粗裂地钱风兜亚种冬季配子体上的平均芽胞杯密度为10 139 ind·m-2，平均芽胞密度为754 889 ind·m-2，芽胞杯及芽胞产量并未受冬季低温气候影响，芽胞仍能够继续生长和行使繁殖功能。

(4)除春夏季常见的被雨滴敲打传播外，通过重力作用传播是冬季芽胞的一种重要传播方式。

粗裂地钱风兜亚种芽胞杯在冬季并未停止生长，存活的配子体上仍能形成新的芽胞杯并产生大量的芽胞，这种生长状态使得其芽胞繁殖能一直不间断的进行。使该物种在恶劣的环境中得以延续，为该种进行物种多样性保护提供了另一种可能的途径，同时也揭示了该物种能够广泛分布的原因。

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Natural Science Foundation of China(31360035)

introduction：SHANG Guan-Min(1994—),female,master student,mainly engaged in the study of bryophytes and biology teaching .

date:2016-09-26

MorphologicalDiversityofGemmaCupsonMarchantiapaleaceasubsp.dipteraandGemmaSpreadatKarstMountainsAreainWinter

SHANG Guan-Min1WANG Zhi-Hui1*ZHANG Zhao-Hui2

(1.School of Life Sciences Guizhou Normal University,Guiyang 550001；2.Key Laboratory for Information System of Mountainous Area and Protection of Ecological Environment of Guizhou Province,Guizhou Normal University,Guiyang 550001)

Gemma cup is Marchantia peculiar asexual reproductive organs, but there is little study on its morphological characteristics and spread behavior in winter. WithMarchantiapaleaceasubsp.dipteraat Guizhou karst mountain area, we observed the gemma cup and gemma output in wild, and analyzed sample in the coldest winter in January 2016. The gemma cups form were varied. The gemma cups were divided into four growth period: immature period(transparent), mature period(green), recession period(purple) and decline period(atropurpureus) according to their color and gemma characteristics. The four growth periods reflected the different stages of growth and development of gemma cup. Each growth period had a different number of gemma cup, showing apoptotic characteristics orderly. In 708 gemma cups, the numbers of four period were 62, 209, 254 and 183, respectively. The average output of gemmae in different period of gemma cup was significantly different, the average gemmae output of four-period cups were 42, 131, 87 and 0, respectively. The densities of the gemma cup and gemma on the gametophyte were higher in winter, each square meter reached 10139 and 754889. Except the common by raindrops tapping spread, the winter gemma could spread by gravity. Therefore,M.paleaceasubsp.dipteragemma cup in different periods and the formation of gemma are still very rich, and with the positive survival significance for the species to adapt to severe environmental conditions at karst mountains area in the cold months.

Marchantiapaleaceasubsp.diptera;gemma cup;gemma output;Karst mountain;winter

国家自然科学基金(31360035)

尚官敏(1994—)，女，硕士研究生，主要从事苔藓植物研究和生物教学研究。

* 通信作者：E-mail:wangzhihui222@126.com

2016-09-26

* Corresponding author：E-mail:wangzhihui222@126.com

Q949.35+1.1

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.01.005