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Study on geographical variation of morphologic and germination characteristic of different Glycyrrhiza uralensis provenance seeds

甘草种源种子形态与萌发特性的地理变异研究



全 文 :·研究论文·
甘草种源种子形态与萌发特性的地理变异研究
魏胜利1,2,王文全1,秦淑英3,刘长利4,张兆英3,邸 明1
(1.北京中医药大学 中药学院,北京 100102;
2.东北林业大学 森林资源与环境学院,黑龙江 哈尔滨 150040;
3.河北农业大学,河北 保定 071001;4.首都医科大学,北京 100069)
[摘要] 目的:研究甘草种源种子形态特征与萌发特性的地理变异规律,探讨地理变异模式和生态学机制,为
甘草种子区划和种子调拨奠定理论基础。方法:现地调查收集种源种子材料,随机抽样测定形态和千粒重,通过室
内发芽实验观察种子萌发特性。结果:甘草的种子形态特征大致呈现自西向东,种粒逐渐增大的经向变异趋势。
发芽特性呈现随海拔高度的增加,种子的发芽率和发芽势增加,平均发芽速度加快的垂直变异趋势,并且平均发芽
速度呈现自西向东发芽时间逐渐延长的经向变异趋势。与气候因子的相关分析结果表明,甘草种源种子的种粒大
小与该产地年降雨量呈显著正相关,种子发芽速度在干旱、高温、强日照生态环境下加快的变异趋势。结论:甘草
种子形态特征和萌发特性存在显著的地理变异,地理变异的形成与种源适应该产地的生态环境有关。
[关键词] 甘草;地理变异;种源
[中图分类号]S567 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)08086905
[收稿日期] 20070117
[基金项目] 国家自然科学基金项目(30171141)
[通讯作者] 王文全,Tel:(010)84738623,Fax:(010)84738611,E
mail:wwq57@126.com
  多年以来,商品甘草多由野生资源提供,近年
来,由于采挖利用不合理,我国野生甘草资源日趋枯
竭,西部生态环境遭到了严重破坏[1,2]。人工栽培
甘草是保护西部生态实现甘草资源可持续利用的根
本途径[3],我国甘草人工变家种的研究工作始于20
世纪60年代[4],目前栽培所用甘草种子基本来自于
野生,种源混杂,种子调拨混乱,所产药材质量良莠
不齐[1,3]。通过遗传改良实现甘草栽培良种化是实
现优质、稳定人工甘草生产的重要保障[2]。地理变
异和种源研究是实施遗传改良研究基础,目前还未
见有关甘草地理变异的研究报道。
《中国药典》2005年版一部收录的甘草基源植
物有3种,分别为甘草 GlycyrhizauralensisFisch.,
胀果甘草 G.inflateBat.,光果甘草 G.glabraL.。
其中,甘草在我国分布范围最广,西起新疆东到黑龙
江均有甘草的分布,分布区内气候环境差异性为甘
草地理变异的形成提供了可能。此外,甘草是目前
我国人工引种栽培的主要品种。本实验从甘草种子
萌发特性着手,研究甘草的地理变异规律,分析地理
变异形成的生态学机制,对于从生物系统学角度了
解甘草的地理变异规律具有重要的理论参考价值,
同时研究结论对于甘草栽培中的种子调拨、种子处
理等实践环节具有一定的指导意义。
1 材料与方法
1.1 材料
实验所用种源种子于 2001年 8~9月收集获
得,本着最大范围覆盖全国甘草野生分布区,并侧重
传统商品甘草产区的原则设置种源点,西起新疆东
至黑龙江共收集17个种源(表1)。在每种源点分
别设置5个取样点采集种子,取样点间距1km以
上,5样点种子充分混匀作为供试种子材料。各种
源点植物材料标本由北京中医药大学刘春生副教授
鉴定为甘草G.uralensis。
1.2 方法
1.2.1 种子形态指标的测定 每份种源随机选取
10粒种子,用游标卡尺测定种子的长、宽和种子厚
度。
1.2.2 种子千粒重的测定 随机抽取各种源种子
1000粒,用电子天平称取千粒重,重复4次。
1.2.3 种子处理及置床 随机选取种源种子 90
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    中 国 中 药 杂 志
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   表1 甘草种源名称及其分布的经纬度
所属省区 No. 种源名称 经度 纬度
新疆  1 吉木乃  85°50′ 47°25′
  2 布尔津  86°55′ 47°42′
  3 博乐   82°06′ 44°56′
  4 和静   86°21′ 42°19′
  5 尉犁   86°16′ 41°23′
陕西  6 定边   107°35′ 37°36′
宁夏  7 同心   106°29′ 37°14′
  8 灵武   106°20′ 38°06′
  9 盐池   107°25′ 37°47′
内蒙古 10 颚前旗  107°26′ 38°11′
  11 磴口   106°59′ 40°20′
  12 巴音乌素 108°27′ 41°10′
  13 独贵塔拉 108°44′ 40°34′
  14 乌审旗  109°02′ 38°23′
  15 科右前旗 122°02′ 46°07′
  16 长岭   123°58′ 44°18′
黑龙江 17 安达   124°11′ 45°30′
粒,不经任何解除休眠处理,直接用015%的福尔
马林溶液消毒20min,然后在始温60℃的水中浸泡
1d,然后置床观察发芽情况。试验设置3次重复,
每个发芽床置种30粒。试验在光照发芽培养箱中
进行,控制的发芽条件为温度(24±1)℃,光照为每
天16h,保持良好的通风条件。以2d之内无1粒
种子发芽为结束试验时间。
1.2.4 统计分析指标及统计方法 主要对发芽率、
发芽势、平均发芽速度、发芽指数4项反映种子发芽
能力的指标进行测定。
1.2.5 数据统计分析方法 应用 SPSS115进行
方差分析、相关分析和聚类分析。
2 结果与分析
2.1 种子形态特征与种子千粒重的地理变异
种子千粒重是衡量种子质量的主要指标。对收
集到的17个种源的种子形态和千粒重的统计结果
表明(表2),甘草的平均种子长为315cm,平均种
子宽为268cm,平均种子厚为178cm。其中,3项
形态指标的最大值分别为种子长度358cm(乌审
旗种源),种子宽度288cm(乌审旗种源),种子厚
217cm(安达种源)。最小值分别为种子长 286
cm(博乐种源),种子宽240cm(磴口种源),种子
厚138cm(博乐种源)。甘草种子平均千粒重为
1031g,其中,以黑龙江安达种源千粒重最大为
1381g,博乐种源最小为543g,大小相差2倍以
上。经方差分析,上述3项种子形态指标,以及种子
千粒重的种源间差异均达到了极显著水平(P<
001),表明甘草在种子形态和千粒重存在显著的
地理变异。
2.2 种子发芽特性的地理变异
对不同种源发芽率、发芽势、平均发芽速度和发
芽指数4项反应发芽特性的指标进行统计分析,结
果如表2所示。
表2 不同种源甘草种子大小及发芽特性的方差分析(珋x±s,n=51)
种源名称 种子长/cm 种子宽/cm 种子厚/cm 千粒重/g 发芽率/% 发芽势/% 平均发芽速度/d 发芽指数
吉木乃 296±014 256±021 166±013 919±049 1222±770 1000±667 227±046 168±105
布尔津 287±012 244±010 156±014 885±015 1445±385 889±192 244±032 230±112
博乐 286±028 251±025 138±014 543±020 1333±334 889±192 249±043 150±043
和静 313±013 268±013 171±015 1024±015 1000±333 889±385 186±048 178±075
尉犁 288±015 242±029 146±018 830±008 1778±192 1222±192 131±010 450±050
定边 329±021 281±012 167±027 893±036 1111±192 1000±000 244±051 122±013
同心 324±018 283±014 187±029 1120±015 1111±509 889±509 279±150 180±065
灵武 320±016 271±016 190±010 1180±025 1889±839 1778±839 260±042 236±112
盐池 326±016 284±010 195±016 1140±012 3556±1018 2778±770 238±002 482±136
颚前旗 330±014 288±018 197±014 1215±033 3778±1170 3000±1202 247±032 486±188
磴口 286±012 240±010 168±009 896±038 7445±1347 6445±1347 214±003 1067±202
巴音乌素 317±015 274±019 189±017 1069±015 4667±334 3667±334 197±036 907±321
独贵塔拉 304±011 256±015 182±009 978±007 4333±334 4222±192 171±024 844±136
乌审旗 358±027 288±020 190±019 1211±019 1445±694 889±192 202±064 222±188
科右前旗 338±017 271±029 186±012 1158±051 3667±882 2778±1072 290±022 414±086
长岭 322±036 280±014 178±016 1077±036 2111±509 2000±333 357±040 192±046
安达 325±017 279±018 217±011 1381±034 889±509 556±193 303±087 105±071
F  120611)  81521)  142891)  1850581)  199921)  184611)  28631)  142771)
  注:F005=18503,F001=23816;1)表示极显著差异(P<001)
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  从表2可见,自然条件下甘草种子发芽率平均
为2565%,以磴口种源最大为8667%,和静和安
达种源最小为833%,最大比最小高出10多倍;发
芽势平均为2121%;以磴口种源最大为7667%,
安达种源最小为500%,大小相差15倍以上。平
均发芽时间以长岭种源最长为375,尉犁种源最短
为131,平均为243,长短相差2倍以上。发芽指
数平均为387,以磴口种源最大为1250,安达最小
为092,大小相差10倍以上。经方差分析,4项指
标的不同种源间差异均达到了极显著水平(P<
001),表明甘草的发芽特性存在显著的地理变异。
2.3 种子形态特征及种子发芽特性的地理变异格
局分析
种源种子形态指标、千粒重和发芽特性指标与
种源原产地的海拔和经纬度进行相关分析结果表
明,种子长、宽、厚和千粒重均与经度呈显著正相关
(表3),而与海拔和纬度相关均未达到显著水平,说
明种子形态和种子千粒重均呈现以经向变异为主的
变异模式,在调查范围内,甘草大致呈现自西向东,
种粒逐渐增大的变异趋势。发芽率、发芽势、平均发
芽速度和发芽指数4项发芽特性指标均与海拔的相
关性均达到了显著水平,此外平均发芽速度还与经
度显著正相关,说明甘草的发芽特性指标呈现以垂
直变异为主的地理变异模式,表现为随海拔高度的
增加,种子的发芽率和发芽势增加,平均发芽速度加
快,并且随着经度的增加平均发芽速度逐渐延长的
变异趋势。
2.4 种子形态特征及种子发芽特性与地理气候因
子的相关分析
一般认为广布种植物在其分布范围内的不同地
区,由于地理气候条件的差异和植物所承受的选择
压不同,在自然选择的过程中就会形成不同的遗传
结构,从而产生地理变异[5]。为探讨诱发甘草种子
指标地理变异的生态学因子,将种源种子形态指标、
千粒重和发芽特性指标与种源原产地气候因子进行
相关分析,结果如表3所示。
表3 甘草种子大小与发芽特性指标与海拔、地理气候因子的相关分析(n=17)
因子 种子长/cm 种子宽/cm 种子厚/cm 千粒重/g 发芽率/% 发芽势/% 平均发芽速度/d 发芽指数
经度 06572) 06001) 07732) 07262) 0282 0295 05781) 0146
纬度 -0406 -0452 -0266 -0218 -0215 -0239 0251 -0238
海拔 0105 0039 0109 0062 05051) 05071) -06021) 05401)
年均温 -0053 0135 -0157 -0187 -0128 -0094 -0424 -0042
1月均温 0028 0181 -0052 -0080 0045 0076 -05141) 0118
7月均温 -0158 0029 -0201 -0232 -0268 -0235 -0223 -0177
年降水量 06041) 05251) 05521) 05891) 0112 0098 06942) -0023
年蒸发量 -0188 -0073 0070 -0021 0402 0451 -07412) 05471)
年均相对湿度 0210 0077 -0003 0077 -0313 -0357 07422) -0448
各月日照时数 -0268 -0217 0062 0006 0286 0329 -07812) 0471
日照百分率 -0254 -0203 0069 0016 0305 0346 -07832) 04831)
年均地面温 -0135 0031 -0183 -0238 0035 0067 -04941) 0110
年总辐射量 -0239 -0110 -0281 -0338 -0342 -0368 0069 -0257
  注:r005=0482,r001=0606;1)表示显著差异(P<005),2)表示极显著差异(P<001)
  由表3可以看出,在10项气候因子指标中,有
7项与平均发芽速度显著相关,2项与发芽指数显著
相关,年降雨量与种子长、宽、厚和种子千粒重显著
相关,而无一项与发芽率和发芽势相关显著,说明平
均发芽速度的地理变异与气候因子的相关最为密
切,发芽指数、种子形态和种子千粒重次之,而发芽
率和发芽势与环境相关性不明显。从气候因子的角
度分析,反应水分状况的年降雨量、年蒸发量和年均
相对湿度3项因子总共与种子形态指标、千粒重、平
均发芽速度等6项指标8次相关达显著水平。反应
光照条件的各月日照时数、日照百分率和年总辐射
量3项因子总共与2项种子发芽特性指标3次相关
达显著水平,而反应温度状况的年均温、1月均温、7
月均温和平均地面温度4项因子只与平均发芽速度
1项指标2次相关达显著水平。表明水分因子是导
致甘草种子千粒重和发芽特性地理变异的主导环境
因子,光照因子次之,而温度因子影响相对最小。大
致表现为随年降水量的增加甘草种粒增大,随年降
水量、年均相对湿度的增加种子发芽速度变慢,随着
1月均温、年蒸发量、各月日照时数、日照百分率和
年均地面温度的增加发芽速度变快。总体表现为在
甘草分布区以水分条件好的地方种粒大,而干旱、高
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温、强日照条件下的种子发芽速度快的变异趋势。
2.5 种子形态特征及萌发特性的聚类分析
种源区是指立地条件基本相同,植物遗传特性
基本一致的自然地理区域[6],通过种源试验揭示植
物的地理变异规律,科学的划分种源区,对于种子调
拨具有重要的指导意义。有研究表明,以亲代特征
为指标的地理变异模式与种源试验的结果基本相
符[7],因此,对亲代表型性状进行聚类分析对于早
期获得种源区划信息具有重要意义。种子形态及其
发芽特性是甘草亲代重要的表型形状,对表2列出
的17个种源的种子长、宽、厚、千粒重以及发芽率等
差异显著8项指标进行聚类分析,见图1。
图1 甘草种源种子形态与萌发特性的聚类分析
  部分地理分布相近的种源聚在一起,例如盐池、
鄂前旗、巴音乌素、磴口、独贵塔拉5个种源,再例如
新疆的博乐、尉犁、布尔津3种源。但是也有部分地
理分布相差很远的种源聚在一起,例如新疆吉木乃、
陕西定边、新疆和静、宁夏同心和内蒙古乌审旗种
源。广布种植物地理变异的形成与自然选择作用,
基因流作用和基因飘动作用多种因素相关,在诸多
因素综合作用下,植物会形成连续变异,区域板块变
异以及随机变异等多种变异模式[5]。以上结果说
明,甘草种子形态特征和发芽特性在部分地区呈现
典型的区域板块化特征,部分地区呈现随机变异的
特征。
3 讨论
3.1 种子形态特征地理变异的主导生态因子
各种子形态特征指标及千粒重与种源原产地气
候因子的相关分析结果显示,种子长、宽、厚和千粒
重均与降雨量呈显著正相关,说明降水量是导致甘
  
草种子形态特征地理变异的主导生态因子。
3.2 种子萌发特性地理变异的生态学机制
各萌发特性指标与种源原产地气候因子的相关
分析结果显示,在甘草分布区内,分布于干旱、高温
和强日照地区的种子发芽速度快。甘草是耐旱能力
强的深根性植物,但耐旱能力必须在其深根系统建
立之后才能实现,在干旱地区,由于降水量小,蒸发
量大,即使有小量降水也会很快蒸发掉,土壤维持湿
润的时间十分短暂,分布于如此环境条件下的甘草
只要保证在短暂的土壤湿润期间迅速萌发生根,建
立深根系才能确保物种生存繁衍。因此,综合上述
结果可以认为,甘草种源种子发芽特性的地理变异
的形成与种源适应该产地的生态环境有关,是自然
选择的结果。
3.3 种子形态特征及萌发特性的变异模式及种源
区划
种源聚类分析结果显示,即存在地理分布相近
的种源聚为一类现象,也存在地理分布相差较远种
源聚为一类的现象,基于上述结果,可以说甘草种子
形态特征和萌发特性地理变异部分地区呈现区域板
块变异模式,部分地区呈现随机变异模式。但是从
遗传学角度出发,种源亲代表型性状的变异是自身
遗传变异和外界环境饰变综合作用的结果,因此单
基于上述结果尚不能完全辨析甘草遗传结构变异模
式,因此,对于甘草地理变异模式辨析以及科学的种
源区划,还有待于通过种源试验和分子标记手段进
一步研究。
[参考文献]
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April,2008
Studyongeographicalvariationofmorphologicandgermination
characteristicofdiferentGlycyrrhizauralensisprovenanceseeds
WEIShengli1,2,WANGWenquan1,QINShuying3,LIUChangli4,ZHANGZhaoying3,DIMing1
(1.ChineseMedicineColege,BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100102,China;
2.ForestryResourcesandEnvironmentsColege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;
3.AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001,China;4CapitalMedicalUniversity,Beijing100069,China)
[Abstract] Objective:TostudythegeographicalvariationofmorphologicandgerminationcharacteristicofdiferentGlycyrhiza
uralensisprovenanceseeds,approachthegeographicalvariationmodeandecologymechanism,andlaidtheoreticalfoundationfordis
trictingandalocatingofG.uralensisseeds.Method:Fieldinvestigationandlaboratoryanalysiswereapplied.Seedshapeandkilos
seedweightweresampledrandomly,germinationrategerminationforcebygeneralmethods.Result:Themorphologiccharacteristicof
G.uralensisseedsshowedroughlylongitudevariationtendencythattheseedsincreasedgradualyfromwesttoeast.Whilethegermina
tioncharacteristicshowedroughlyaltitudevariationtendencythattheseedsgerminationrateandgerminationforceincreasedwiththe
increaseofthealtitude,andtheaveragegerminationratewasthesamewiththeseedsmorphologiccharacteristic.Theresultsofanaly
siscorelatedwiththeclimaticfactorsshowthatthemorphologiccharacteristicofG.uralensiswaspositivecorelatedwithannualrain
falofthehabitat,andthegerminationratewasquickenedbydrought,hightemperatureandstrongsunshine.Conclusion:Themor
phologicandgerminationcharacteristicandofG.uralensisseedspresentdistinguishedgeographicalvariation,andtheformationofthe
variationwasrelatedtotheecologicalenvironmentinwhichtheseedprovenanceadapted.
[Keywords] Glycyrhizauralensis;geographicalvariation;provenance
[责任编辑 张宁宁]
[收稿日期] 20061218
[基金项目] 中国科学院知识创新工程重大项目子课题(KSCX1SW116)
[通讯作者] 陈钧,Tel:(0511)8780196,Email:shchen@ujs.edu.cn
微生物对蛇足石杉扦插生根及若干生理
生化指标的影响
李 娜1,陈 钧1,承 曦1,朱大元2
(1.江苏大学 药学院,江苏 镇江 212013;
2.中国科学院 上海生命科学研究院 上海药物研究所 新药研究国家重点实验室,上海 201023)
[摘要] 目的:研究原生境土壤微生物、内生真菌和根表真菌对蛇足石杉扦插生根率和若干生理生化指标的
影响。方法:蛇足石杉分别在原生境土壤(土壤Ⅰ)、接种了内生真菌和根表真菌的灭菌土壤(土壤Ⅱ)、灭菌土壤
(土壤Ⅲ)上进行扦插,调查蛇足石杉扦插生根率,测定可溶性蛋白含量,可溶性糖含量,PPO(多酚氧化酶),POD
(过氧化物酶)活性、黄酮类化合物和石杉碱甲含量。结果:与土壤Ⅲ上的扦插蛇足石杉相比,土壤Ⅰ和土壤Ⅱ上植
株生根率,分别提高了10%和16%,土壤Ⅱ上扦插植株茎中的可溶性蛋白含量显著提高(P<005),土壤Ⅰ上扦插
植株叶片和茎中的可溶性糖含量显著提高(P<005),土壤Ⅰ和土壤Ⅱ上的扦插植株的黄酮类化合物含量显著提
高。结论:原生境土壤微生物、内生真菌和根表真菌对扦插蛇足石杉的生根有促进作用,提高蛇足石杉体内的代谢
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第33卷第8期
2008年4月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 8
April,2008