全 文 :第38卷 第2期 海 洋 学 报 Vol.38,No.2
2016年2月 Haiyang Xuebao February 2016
刘云龙,张学雷.盐度对大叶藻种子萌发和幼苗发育的影响[J].海洋学报,2016,38(2):104—111,doi:10.3969/j.issn.0253-
4193.2016.02.010
Liu Yunlong,Zhang Xuelei.The effects of salinity on seed germination and seedling development of the seagrass,Zostera marina L.
[J].Haiyang Xuebao,2016,38(2):104—111,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.02.010
盐度对大叶藻种子萌发和幼苗发育的影响
刘云龙1,3,张学雷2,3*
(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛266100;2.国家海洋局 第一海洋研究所,山东 青岛266061;3.国家
海洋局 海洋生态环境科学与工程重点实验室,山东 青岛266061)
收稿日期:2015-08-11;修订日期:2015-11-24。
基金项目:国家自然科学基金委-山东省联合基金项目“海洋生态与环境科学”(U1406403)。
作者简介:刘云龙(1986—),男,山东省临沂市人,博士生,主要从事海洋生态保护与修复研究。E-mail:liuyunlong@fio.org.cn
*通信作者:张学雷(1973—),男,博士,研究员,主要从事海洋生态保护与修复、生物多样性等研究。E-mail:zhangxl@fio.org.cn
摘要:大叶藻海草场是重要生境但在我国严重退化,亟需研究有效的修复方法。本文以桑沟湾的大
叶藻种子为研究对象,探讨了盐度急变(0~30)对种子萌发、萌发后继续发育和存活及幼苗幼叶的光
合与呼吸速率的影响,为以种子繁殖修复大叶藻海草场提供参考。结果表明:盐度降低促进种子萌
发,盐度15及以下效果显著,盐度0时萌发率最高;盐度0~15中萌发的种子均可发育成幼苗,发育
和衰亡的比例和速率受萌发盐度背景和萌发后培养盐度的双重影响———较高萌发盐度有利于种子萌
发后的发育和存活,种子萌发后于盐度5~30中均可建成幼苗并存活、但在盐度0或1中发育至不同
程度后全部死亡。盐度5~30范围内,幼苗幼叶均有净产氧,光合和呼吸作用及净产氧率具随盐度升
高而增强趋势。于盐度0或5中萌发、盐度5~30中进一步培育的变盐育苗策略,最高实现了24%或
12%的种子于2个月内建成幼苗并继续发育,可作为种子繁殖法修复大叶藻海草场的技术参考。
关键词:大叶藻;海草;种子;萌发;幼苗;盐度
中图分类号:Q331 文献标志码:A 文章编号:0253-4193(2016)02-0104-08
1 引言
大叶藻(Zostera marina L.)是温带近岸的海生
沉水性高等植物[1],其形成的海草场与红树林、珊瑚
礁等生态系统齐名[2]:生产力和生物多样性高[3—4],
对近岸生物地球化学循环有重要影响[5—7]。
大叶藻海草场退化会导致环境恶化、渔业资源减
少等[8—9],促使人们重视其意义并尝试进行修
复[10—16]。种子繁殖法已成为大叶藻海草场修复的研
究热点[15—20],但其有效性却一直受种子自然萌发率
低[16,21—22]、萌发周期长[23]及幼苗建成率低[11,16]等瓶
颈问题的限制。因此,盐度、温度和溶氧等[24—26]多种
影响大叶藻种子萌发的因素得到关注,其中关于盐度
对大叶藻种子萌发的影响研究较多却仍存有分歧:许
多研究认为盐度降低促进大叶藻种子萌发、提高种子
萌发率[24—30]。但也有研究发现盐度15与35中萌发
率相 近[23],甚 至 认 为 盐 度 对 萌 发 并 无 重 要 影
响[21]———这或如Philips等[27]所研究和归纳:盐度对
不同区域、不同种群的大叶藻种子萌发具不同效果。
此外,盐度对大叶藻种子发育形成幼苗的影响也未见
确切报道。
我国北方海域一度繁盛的大叶藻海草场[31],目
前已严重退化[6,32],亟需得到保护和修复。本研究拟
阐明盐度对种子萌发和后续发育的影响,为利用种子
繁殖法大规模修复海草场提供依据。
2 材料与方法
2.1 实验材料
2014年7月,当地大叶藻果实集中成熟期[1,33],
于山东省荣成市桑沟湾东楮岛近岸(盐度30,水温
22℃)大叶藻海草场[6,34](37.0420°N,122.5726°E)人
工采集成熟种子(具灰绿、暗棕或黑色坚硬外壳作为
成熟标准[1,35],图1a),沉于室内水族箱的循环流动自
然海水(盐度30±2,水温15~20℃)中避光保存2个
月(根据Orth和 Marion[36]修改)。
图1 大叶藻种子萌发、幼苗发育过程形态变化
Fig.1 The morphology changes of Z.marinaduring seed germination and seedling formation and development
a.种子;b.萌动种子种皮胀裂;c.完全萌发种子;d.种子萌发后子叶生长、伸长;e.胚芽分化出第一幼叶;f.完整幼苗具幼
叶和胚根分化成的幼根;g.幼苗分化出第二幼叶;h.幼苗形成第三幼叶和更多幼根。Ⅳ.红色方框示氧代谢测定剪取叶片
部位
a.Seed;b.germinating seed;c.germinated seed;d.germinated seed with elongated cotyledon;e.emergence of the first
young leaf;f.complete seedling with one young leaf and roots developed from the embryo;g.the emergence of the sec-
ond leaf;h.further growth of the seedling.The red rectangles in panelⅣshow the sections of leaves used in the oxy-
gen metabolism measurement
实验中不同盐度的海水培养液由盐度30天然海
水(取自青岛沙子口附近,经孔径0.8μm滤膜过滤)
与盐度0去离子水(自来水经UNIQUE-R20型超纯
水机处理)按比例配制而成。
2.2 实验方法
2.2.1 大叶藻种子萌发培养
随机选取海草种子置于6孔无菌培养板内,每孔
置20粒种子、10mL培养液(去离子水或盐度5、10、
15、20、30的海水),每个盐度处理为1组,设6个平行
(1板6孔),于人工恒温气候室内15℃避光培养(大
叶藻种子萌发适宜水温为10~15℃[37])。每天固定
时间段统计萌发种子数、并将其取出,每3d更换一
次培养液。
2.2.2 萌发种子的继续培育
首先,随机选取海草种子置于盛有去离子水或盐
度5、15海水的锥形瓶中,每瓶置5 000粒种子、2L
培养液,人工恒温气候室内15℃避光培养,每天更换
培养液并取出已萌发种子。
第二步,将上述处理中第20d所获的萌发种子
和盐度30海水保存过程中自然萌发的种子分别转入
无菌培养板中,每孔5粒种子和10mL培养液为一个
平行,每处理组设3~8个平行(因萌发种子数量不同
而有差异)。其中,经盐度0培养萌发的种子直接转
入盐度0、1、5、10、15、20和30的培养液中;盐度5中
5012期 刘云龙等:盐度对大叶藻种子萌发和幼苗发育的影响
萌发的种子直接转入盐度5、10、15、20和30的培养
液中;盐度15中萌发的种子直接转入盐度15、20和
30的培养液中;盐度30中萌发的继续在盐度30的新
培养液中培养。于20℃(大叶藻幼苗生长适温15~
25℃[37-38])人工气候室内的回旋振荡器(120r/min)
上培养40d,光照/黑暗:12h/12h(光照强度:3 000
lx)。每天固定时间段观察、记录已萌发种子的发育
生长情况并取出已建成完整幼苗继续培育,每3d更
换新鲜培养液。
2.2.3 幼苗的继续培育
将2.2.2中所获的完整幼苗转入新的无菌培养
板中继续培育,每孔1苗和10mL与之前培养盐度相
同的海水,光、温条件同2.2.2,与同步进行的2.2.2
实验同时结束。每天固定时间段观察、记录幼苗的发
育情况,每3d更换一次新鲜培养液。
2.2.4 幼苗的氧代谢测定
取盐度0中萌发种子在盐度5、10、15、20和30
海水中发育成的具2片幼叶的幼苗,经黑暗培养6h
后,迅速剪取(位置如图1-Ⅳ中红框示)幼叶、沥去表
面海水后称重(Sartorius分析天平,精确至0.000 1
g),剪切为2~3mm长片段与原海水培养液2mL一
起转入液相氧电极测定仪(Hansatech Chlorolab-2型)
反应杯中,加封电极后微转子搅拌(30r/min)于20℃
测定溶解氧值的变化:首先无光处理,1min后记录5
min溶解氧值下降数据;随后打开LED光源(波长
627nm,光量子通量400μmol/(m
2·s);预试验表明
此光照强度无光抑制作用)记录15min溶解氧值变
化数据。
2.3 数据统计、分析
子叶端(内含种胚)种皮发生胀裂后,子叶和胚轴
均完全显露的大叶藻种子为已萌发种子[26](图1c);
萌发后的种子分化出第一幼叶和幼根为建成的完整
大叶藻幼苗[29](图1f);大叶藻幼苗分化出第二幼叶
(图1g)为进一步发育的标志。
萌发率=n/N×100%,N 和n分别为培养孔中
种子粒数和观察期内萌发种子的累积粒数;
第一幼叶分化率、完整幼苗建成率均按n/N×
100%计算,n为萌发种子经培育40d分化出第一片
幼叶或建成完整幼苗的个数,N为培养孔中的初始萌
发种子数;
死亡率=n/N×100%,n为40d培育期内培养
孔中发生死亡、腐烂的种子和幼苗累积总数,N为培
养孔中的初始萌发种子数;
第二幼叶分化率=n/N×100%,n为实验期内各
处理组中由N 个完整幼苗形成的具2幼叶幼苗的
个数。
以液相氧电极测定仪自配软件,分别计算溶解氧
曲线在无光降低和有光上升段的变化速率[Δ,μmol/
(mL·min)],再计算大叶藻叶片的呼吸耗氧[R,
μmol/(min·g)]和净产氧速率[P,μmol/(min·g)]:
R或P=Δ×v/m, (1)
式中,v为反应杯内液体体积(单位:mL),m为受试叶
片鲜重(单位:g);光合作用产氧速率[μmol/(min·
g)]=R+P。
以SPSS 17.0软件的单因素方差分析(One-way
ANOVA)检验盐度对种子萌发率和育苗盐度对萌发
种子的第一幼叶分化率、幼苗建成率、死亡率、幼叶耗
氧及净放氧速率的总体效应,如检验出显著总体效应
则以LSD或Tamhanes T2检验比较各盐度处理间
的效果差异[39]。统计检验中的萌发率、第一幼叶分
化率、幼苗建成率和死亡率值均经反正弦转换,以p<
0.05作为显著性水平。
图2 不同盐度海水培养21d大叶藻种子累积萌发率
(平均值±标准误差,字母示萌发率的统计分析差异)
Fig.2 Accumulated germination rates(mean±S.E.)of
Z.marinaseeds incubated at different salinities in 21
days.The letters above bars indicate the significant differ-
ences of the germination rates
3 结果
3.1 盐度对种子萌发率的影响
大叶藻种子萌发率呈随盐度降低而增加的趋势
(图2),实验盐度0~15的培养液中均有种子萌发而
盐度20~30中无种子萌发。低盐度0~15中培养
3d即有种子萌发,培养20d后萌发率仅有缓慢增加。
601 海洋学报 38卷
第21d盐度0中萌发率平均为57.5%,高于盐度5
及以上中的萌发率(p<0.05);盐度5中萌发率平均
为17.5%,高于盐度10及以上的萌发率(p<0.05),
盐度10和15中萌发率平均分别为5.8%和4.2%。
与之相比,盐度30中堆存2个月的种子自然萌发率
低于0.2%。
图3 后续培养盐度对0~15盐度中萌发的大叶藻种
子发育和死亡率的影响(平均值±标准误差)
Fig.3 Effects of post-germination incubation salinities on
development and mortality of Z.marinaseeds germi-
nated at salinities 0-15
字母“a、b”示相同盐度中萌发种子经不同盐度后续培养40d的
第一幼叶分化率、幼苗建成率和死亡率间的统计分析差异;未
标注字母示无统计分析差异
Letters“a and b”above bars indicate the significant differences of
the accumulated percentages(mean± S.E.)of the seeds with
first leaf and the complete seedling,and mortality in 40days,oth-
erwise there were no significant differences between the treatme-
nts
3.2 盐度对种子萌发后继续发育的影响
萌发和育苗盐度对种子萌发后的第一幼叶分化
率、幼苗建成率和死亡率均有影响:总体上,随萌发培
养盐度升高,第一幼叶分化率、幼苗建成率有增加趋
势而死亡率呈降低趋势(图3);育苗盐度对第一幼叶
分化率、幼苗建成率和死亡率的影响程度不同,其中
育苗盐度0中种子形成第一幼叶后即死亡、育苗盐度
1中幼苗建成后即死亡(图3),盐度0~15中萌发的
种子在盐度5~30中可建成幼苗并继续发育(图3、4)
(但盐度0、5中萌发种子于盐度30中的第一幼叶分
化率和幼苗建成率均较低而死亡率高,图3),育苗盐
度升高呈促进已建成幼苗继续发育的趋势(图4)。
图4 幼苗在不同盐度中的第二幼叶分化率
Fig.4 Percentages of Z.marinaseedlings with two
leaves at different salinity treatments
在适宜育苗的盐度5~30中,平均60%以上萌发
种子可形成第一幼叶(但盐度0萌发盐度30育苗仅
35%形成第一幼叶)、平均35%~85%可建成幼苗(但
盐度0萌发盐度30建苗率低于5%)(图3),建成的
幼苗50%以上可以继续发育(图4)。与之相比,盐度
30中堆存种子自然萌发后的建苗率为67%、死亡率
为33%(图5),建成的幼苗90%可以继续发育(图4)。
图5 盐度30中堆存种子自然萌发后的继续发育进程
Fig.5 The development of Z.marinaseeds that germina-
ted naturaly during massive storage at salinity 30
盐度对种子萌发后的发育和死亡速率也有影响,
趋势是随萌发盐度的降低、育苗盐度的升高,种子萌
发后的发育减缓,死亡也随萌发盐度降低和适宜育苗
盐度升高而较早出现。盐度30中堆存种子自然萌发
7012期 刘云龙等:盐度对大叶藻种子萌发和幼苗发育的影响
后4d初现第一幼叶、7d全部形成第一幼叶,第11d
出现完整幼苗,12d出现死亡(图5)。与之相比,盐
度0~15中种子萌发后,第一幼叶最早出现在4d和
3d,育苗盐度15~30间又有1~2d的延迟;完整幼
苗最早形成于6d,但相同的适宜育苗盐度(15、20或
30)中完整幼苗初现时间因萌发盐度0~15变化而有
1d~2d提前,育苗盐度5~30间也有1d~17d的
延迟;死亡最早于5d、6d和7d初现,适宜育苗盐度
15~30间死亡初现也有3d~5d的提前(图6)。
图6 后续培养盐度对0~15盐度中萌发的大叶藻种子第一幼叶、完整幼苗和死亡初现时间的影响
Fig.6 Effects of post-germination incubation salinities on the emergence of the first leaf,seedling and mortality of
Z.marinaseeds germinated at salinities 0-15
3.3 盐度对幼苗叶片氧代谢的影响
大叶藻幼苗幼叶光合作用的产氧速率(净产氧与
耗氧速率之和)于盐度5中最低[平均0.501μmol/
(min·g)]、盐度30中最高[平均0.687μmol/(min·
g)],呈现随盐度升高而增加的趋势;幼叶净产氧速率
随盐度升高也有增加的趋势,净产氧速率在盐度30
中最高[平均0.363μmol/(min·g)]、盐度10中最低
[平均0.226μmol/(min·g)];幼叶呼吸耗氧率亦呈
随盐度升高而增加的趋势,于盐度5中最低、盐度30
中最高[平均分别为0.246μmol/(min·g)、0.324
μmol/(min·g)](图7)。
4 讨论
如引言中述及,关于盐度对大叶藻种子萌发影响
的研究结果存有分歧;本研究的结果显示桑沟湾的大
叶藻种子萌发率受盐度影响显著,且萌发率具随盐度
降低而提高趋势、在淡水中具显著最高的萌发率(图
2),这与Yamaki和 Ogawa[40]对相近纬度的日本中部
同种海草研究结果相符,支持关于低盐度对大叶藻种
子萌发有促进作用的多数研究结果[24—30]。低盐度促
进萌发作用的机制仍尚不明确,可能与种子萌发需自
外界吸收水分以支持其胚细胞横向扩张、子叶及胚轴
图7 海草幼苗叶片在不同盐度海水中的氧代谢速率
(平均值±标准误差)
Fig.7 Rates(mean±S.E.)of respiration and net oxy-
gen production by young leaves of Z.marinaseedlings at
different salinities
字母示幼苗幼叶的光合净产氧速率间的统计差异;不同盐度中
幼叶耗氧速率统计差异不显著
Letters above bars indicate the significant differences of the net
oxygen production rates;there was no significant difference of the
respiration rates between different salinities
增大与伸长[41—42]有关,而低盐度和淡水中的低渗透
环境有利于大叶藻种子吸收水分。此外,大叶藻等海
801 海洋学报 38卷
草被认为是远古淡水或陆生植物在海侵中演化成的
适应海洋沉水生活的高等植物[43—44],低盐度甚至淡
水促进其种子萌发或反映了其进化遗迹,或呈现了许
多生物早期发育中会出现的“返祖现象”[45]。
本研究还发现,萌发盐度和育苗盐度对大叶藻种
子萌发后的发育均有影响(图3、4和6),即较高萌发
盐度有利于种子萌发后的发育和存活、盐度0~15中
萌发的种子于盐度5~30中进一步培养均可建成幼
苗并存活,与已报道的低盐度中萌发的种子发育和存
活能力减弱[46]相符,也支持盐度0~30中萌发种子
均可形成幼苗的报道[29,46]。种子萌发后的发育和存
活也受育苗盐度的限制,尽管有大叶藻能于含足够无
机碳的蒸馏水中存活的报道[47],本研究却发现大叶
藻于盐度5及以上才能继续存活、发育(图3、4),支持
大叶藻存活于盐度5~42中的报道[47—49];这和育苗
盐度升高(5~30)利于幼苗继续发育的结果(图4、6)
一起反映了大叶藻作为海生植物的进化适应,即尽管
其种子萌发期仍保留淡水适应的返祖现象,其成苗和
生长仍对海水有绝对需求。
结果显示盐度5~30中的幼苗幼叶均有净产氧
(图7),即有机物在体内有净积累,部分解释了上述范
围盐度中大叶藻幼苗可存活、发育的生理基础;同时,
幼叶光合作用随盐度升高而增强的趋势也支持已有
报道[50],与随育苗盐度升高幼苗的继续发育受促进
的趋势一起,支持较高盐度23~31更适合大叶藻幼
苗生长的报道[49,51]。但随着育苗盐度升高(15~30),
种子萌发后的发育减缓、死亡也较早出现(图6),提示
存在除有机物合成积累以外的因素制约。
本文中,大叶藻种子经低盐度0、5或15萌发培
养21d,再转入盐度5~30继续培育40d,最高分别
可实现平均24.4%、12.3%或2.5%的建苗并继续发
育,这显著高于同期在盐度30堆存的大叶藻种子2
个月内的自然萌发成苗率(小于0.2%),也优于已报
道的人工播种在海区的大叶藻种子6个月的成苗率
(0~3.7%)[18]。该结果揭示了人为低盐或淡水促萌
接续适宜盐度培育进行大叶藻育苗的优越性,展示了
利用种子繁殖修复大叶藻海草场的可行性。但本研
究也发现,低盐度0~5中萌发的种子直接转入较高
盐度育苗的高死亡率(图3)会影响利用该人工育苗
技术的有效性,育苗盐度升高(15~30)有延迟幼苗发
育和缩短存活期的趋势(图6),因此对相应盐度处理
(如:萌发种子对盐度变化的过渡适应)需进一步
探索。
5 总结
盐度对大叶藻种子萌发、幼苗的形成发育和存活
均具影响,也影响其幼苗的光合和呼吸作用速率。降
低盐度促进大叶藻种子萌发,盐度降为15及以下时
有显著高的萌发率,淡水中萌发率最高;由此获得的
萌发种子在盐度5~30中均可建成完整幼苗、存活并
继续发育,较高盐度更适宜幼苗发育和生长;通过适
当变盐度培养处理(盐度0或5培养种子萌发、盐度5
~30培育萌发种子),最高可实现24%或12%的种子
于2个月内形成健全幼苗并继续发育,展示出利用种
子繁殖修复大叶藻海草场的可行性和有效性。
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The effects of salinity on seed germination and seedling development
of the seagrass,Zostera marina L.
Liu Yunlong1,3,Zhang Xuelei 2,3
(1.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao266100,China;2.First Institute of O-
ceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China;3.Key Lab of Science and Engineering for Marine Ecology
and Environment,State Oceanic Administration,Qingdao266061,China)
Abstract:Critical habitats of Zostera marina beds have greatly declined and request studies of efective method(s)
for rehabilitation.Seeds of Z.marina were colected from Sanggou Bay,Dongchudao,Rongcheng,Shandong,Chi-
na,and the efects of acute salinity variation(0-30)on the seed germination and seedling development were stud-
ied in the laboratory,to provide information for the rehabilitation of seagrass bed with seed reproduction.The re-
sults showed that lowering salinity induced the germination rate of Z.marinaseeds,with significance occurred at
salinities 15and lower,and the highest germination rate at salinity 0.Seeds germinated at salinities 0,5and 15
could develop into seedlings and survive,with the percentage and time period influenced by both germination salini-
ty background and post-germination incubation salinity:(1)higher germination salinities promoted germinated
seeds developing into seedlings and surviving better,(2)seedlings were established and continued growth and fur-
ther development at post-germination incubation salinities 5-30,while 100% mortality occurred after various de-
velopment at salinity 0or 1.Seedling leaves presented net production of oxygen at salinities 5-30,with a trend of
higher gross and net production of oxygen and higher respiration rates at higher salinities.The results indicated
that Z.marinaseeds could produce 24%or 12%of health seedlings within two months treatment of acute salinity
variation,germinating at salinities 0or 5and developing at salinities 5-30,which presented a practical method of
seagrass bed rehabilitation with Z.marinaseeds.
Key words:Zostera marina L.;seagrass;seed;germination;seedling;salinity
1112期 刘云龙等:盐度对大叶藻种子萌发和幼苗发育的影响