三籽两型豆种质特性研究

三籽两型豆种质特性研究

三叶豆是属于科学科的一种蝴蝶科。这是亚洲、美国和非洲的两个品种。在中国，有三种三叶豆（a.edgeworthibenh）、锈毛2型豆（a.russellandzhongett.chen）和双叉豆（a.lischunett.chen）（中国植物志，1995）。荒濑辉夫(1999)报道两型豆(AmphicarpaeaedgeworthiiBenth.)是日本的唯一地下结种子的植物,地下种子千粒重100～300g,无毒,是一种具有很高潜在价值的食用野生植物,它具有地上开放花、地上闭锁花和地下闭锁花三种复杂的繁殖样式;在日本全国已搜集了几十份材料,分析了不同纬度下性状的差异,对种子产量及相关性状进行了研究。郭学民等(2002)对三籽两型豆地上、地下种子的种皮、果皮进行了扫描电镜观察,对种皮裂纹、孔隙及果皮毛进行了描述。《中国中药资源志要》等记载,两型豆种子可入药,医治妇科病。两型豆含有异黄酮类化合物,具抗氧化、抗肿瘤、抗菌、抗炎等作用,还具有降血脂、抗血栓作用(黄芸等,2001)。两型豆可以直接喂食草家畜,粗蛋白、钙磷含量较高,因其分布广、容易采集,具有较高的饲用价值,两型豆是优质牧草(王秋波,1996)。目前,国内外有关三籽两型豆的研究报道较少,日本学者荒濑辉夫,井上直人(1998a,1998b,1999)和我国乔亚科(2000),郭学民(2002)近期就两型豆的相关研究进行了报道。三籽两型豆(A.edgeworthiiBenth.)地上、地下都能结种子,特别是地下种子的独特发育方式很有可能使两型豆成为植物发育生物学研究的一种模式植物。1材料和方法1.1自然生长的三籽两型豆群落调查在河北省秦皇岛祖山(老岭)山区(1998～2001)、山海关山区(1999)、青龙都山自然保护区(1999)等地,于9月下旬对自然生长的三籽两型豆群落进行调查,分单株采收地上、地下种子;用铁锹挖出每个单株的地下部分,收获地下种子,通过地下子叶节部位保留的果皮可以清楚的判断每个植株的来源(由地上种子发育来或是由地下种子发育来)。1.2破皮、处理2-20c取地上、地下种子进行培养皿萌发试验,地上种子的发芽分对照(不破种皮)、处理1(用小刀划破种皮)和处理2(-20°C冷冻15d)共3种方式,萌发温度22～24°C,每皿50粒,三次重复。地下种子不作处理直接发芽,每皿15粒,五次重复。1.3植株移栽方法将地下、地上种子(破皮后)于5月1日播种于营养钵中育苗,当幼苗长至第一片真叶展开时,移栽定植于试验小区中,小区面积3×1.5m2,2行区,株距50cm;及时灌水,用70%透光率遮阳网遮挡阳光,株高达30cm左右时用竹竿搭架;分时期调查植株表现,记载生育进程等。种子成熟时,挖出地下部分,用水冲洗掉泥土,观察地下种子的着生部位及地下分布情况。1.4地下种子发育的初步观察取不同发育时期的地下茎,体视显微镜下观察种子的发育过程。2结果与分析2.1籽两型豆的生长和分布自然状态下,三籽两型豆生长于阴面山坡,在海拔150～1500m范围可生长,平原地带未见分布,喜湿怕高温、怕强光,群集生长,相互缠绕,在河北东北部山区有广泛分布。三籽两型豆是一年生草本植物,盘绕生长,三出复叶,小叶菱形或卵形,叶长2～5cm,叶宽1.5～4.0cm;地上茎着生的花为完全花,开花后可结出正常的种子,地上结扁平豆荚,内含2～3粒种子;在地下生长的变态茎分枝上,也能发育成种子,地下的种子有膜质荚包裹,内含种子1粒,少数为2粒,植株高50～250cm;花期8月中、下旬,地上种子10月上旬成熟,地下种子可以同时收获。2.2地下种子及其上采集观察发现三籽两型豆地下种子来源有两种方式:一是植株基部(地上)分枝的花梗被埋入土中,花梗顶端膨大可发育成地下种子,这部分种子占地下种子总量的小部分;另一方式是起源于未出土的子叶节部位着生的一对地下茎上,地下变态茎有分枝,在地下茎及分枝生长点部位,顶端膨大,最终发育成地下种子,地下每个变态膜质豆荚内结1粒种子,少数结2粒种子,如果结2粒种子,肯定有一粒大,另一粒小,每株结地下种子平均7～13粒,最多每株结41粒地下种子;膜质豆荚表面着生有细绒毛,类似于地上豆荚的绒毛,地下种子扁圆形,结构和地上种子相同,但体积是地上种子10～20倍,地上种子百粒干重2.24～2.53g,地下种子百粒重32.86～34.65g(图1、图2-1、图2-2)。在体视显微镜下,对地下茎进行连续不同时期的观察,发现地下茎及各分枝顶端逐渐膨大,起初内含2粒幼嫩胚珠,随后1粒逐渐退化,一般只有1粒发育成地下种子;地下茎分枝顶端一旦膨大,内部已经形成球形胚珠,地下茎分枝顶端质地松软,用解剖针极易剥离胚珠;在胚珠形成过程中没有任何花器官的分化,没有正常两性花的受精过程。地下种子的多少、大小与地上植株的生长状态、生育期、土壤的疏松程度等有关。一般地上植株进入开花期时,地下茎顶端就开始膨大。2.3种子苗与种子萌发的关系三籽两型豆的地上种子表面光滑,有褐色斑点,扁圆形,种皮坚实,不能吸水萌发,说明种子存在硬实现象。经小刀破皮种子30min可吸胀达最大体积,能正常萌发;地下种子浸种后可正常萌发、出苗,不存在硬实现象(图3,表1)。表1结果还表明低温冷冻处理可以略提高发芽率,但不能完全解除籽粒的硬实现象。地下种子的幼苗生长明显优于地上种子。将同一株上采收的地下种子(未去果皮)和地上种子(破皮处理),分别同时播种于营养钵中,二者出苗期一致。地下种子长出的幼苗,在生长势、叶片大小、胚轴直径等方面,比地上种子苗有明显的优势;发现两型豆幼苗属于子叶不出土类型,地下种子幼苗出土后,果皮在地下一直残留到植株成熟,这一特征可作为判断自然种群中来源于地下种子植株的标志。实验表明两型豆种子萌发需要12d,比其他豆类所需时间长,地上、地下种子发育的植株,都可以正常开花、结实,并且,都可以结出地上和地下种子,说明地上和地下的种子都能正常完成个体发育的全过程。连续4年播种收获地下种子,表明地下种子及其植株具有稳定的性状表现。2.4地下种子发育的作用通过野外多个地点的调查,发现较小的群落中由地下种子长成的植株占较大比例,在大的自然群落中由地上种子长成的植株所占比例有所提高(表2)。实地考察发现在含水较少的林下山坡处生长的两型豆大部分由地下种子发育而来,说明地下种子在繁衍中起主要作用;在湿度大的阴面山坡、山脚处生长的两型豆群落中,地上种子发育的植株所占比例增加较多;调查显示在较高的土壤含水条件下,经过冬季的低温阶段,可有效的打破地上种子存在的硬实现象,使地上种子能够萌发生长。地下种子能正常发芽生长,不存在硬实现象,在自然群落繁衍后代中起了主要作用,在不利的生存条件下,地上种子对保存物种可能更有利。3地下种子起源于地面的分布3.1三籽两型豆地上发育有完全花,受精后可结出正常种子,起源于子叶节部位的地下茎一直在土壤中生长,其顶端生长点部位膨大,也形成具有完整结构的种子;地下、地上都结种子这一现象在植物界实属罕见。中国植物志(1995)有关三籽两型豆的开花结实特性进行了如下描述:三籽两型豆花两型,生长在植株上部的花为完全花,授粉后发育成种子,一般每荚内种子3粒;生长在植株基部的花为闭锁花,受精后伸入地下发育成种子。河北植物志(1986,第一卷,P779)描述三籽两型豆为:花两型,由地上茎生出的腋生总状花序,有花2～6朵;另一种花生于下部叶腋或分枝基部,无花冠或仅有花冠遗迹,有少数分离的雄蕊,受精后在地下结实。以上植物志中的描述只认为地下种子来源于地上茎基部闭锁花受精后伸入地下后的结实,没有提及地下茎;本试验结果表明地下种子的主要形成部位是起源于子叶节部位的地下茎及分枝的顶端,这与荒濑辉夫(1998)的报道是一致的。所以,上述植物志有关三籽两型豆的描述需要完善。3.2三籽两型豆地上种子存在硬实现象,经冰冻处理可以略微提高发芽率,地下种子不经处理可以正常萌发;本试验对地下种子的生长发育特性进行了研究,并种植单株收获的地下种子,发现比地上种子植株具有更强的生长优势。根据自然群落中,地下种子发育植株所占比例的调查结果认为,在自然生长状态下,地下种子在种群繁衍中起到了重要作用;考虑到地上种子具有硬实现象,且经过冰冻处理后有一定的发芽率,推测在自然界中经过冬季低温阶段,每年可以有一定比例的地上种子萌发生长,这与野生大豆的种子可能类似。关于地上种子在自然状态下的存活年限、每年的发芽比例以及地下种子的休眠等需要进一步研究。3.3地下种子起源于地下茎及分枝的顶端生长点部位,没有通过形成花器官而直接发育成种子,并且地下种子可以正常萌发长成植株、结出地上和地下种子,连续多代单株收获和种植地上、地下种子,发现地下种子的植株生育正常并具有优势。据此推测地下