蕨类生境调查及繁育探索

水蕨(Ceratopteris thalictroides)是水蕨科(Parkeriaceae)、水蕨属(Ceratopteris)的蕨类植物[1]。中国境内有2种:水蕨和粗梗水蕨(C.pterioides)[1],分布于长江以南,湿生,茎叶入药治胎毒、消痰积,嫩叶可做蔬菜[1],同时是研究性别决定和基因定位的良好材料[2]。水蕨对生存环境的质量要求较高,可用于农田环境监测,洗涤剂、除草剂、重金属镉等污染对水蕨或粗梗水蕨的生长和繁殖具有严重破坏力[35]。除草剂等在农田中使用普遍,并进入土壤和周边沟渠湖泊,影响非靶标生物(包括水蕨)的生长和繁殖,而且稻田除草剂的施用时期恰好是水蕨的有性生殖时期,从而明显影响水蕨的配子体发育[5]。1999年,我国将水蕨列为国家二级重点保护野生植物[6]。基于水蕨保护方面的考虑,若干学者报道了水蕨的生境调查[7]、离体培养[8],以及孢子萌发方面的研究成果[9]。2011年8月,笔者在福建农林大学作物科学学院实验网室的潮湿地块上发现了一种不知名的蕨类植物,经请教福建农林大学植物学方面的专家张大鹏教授,并与《中国植物志》[1]比对,鉴定其为水蕨。本研究通过对该水蕨的农田环境调查和生态适应性反应观察,探明其适宜的生境条件,并尝试多种培养方法,确立最佳的人工繁育技术,为合理保护水蕨,探索利用水蕨监测农田生境提供科学依据。

1材料与方法

1.1水蕨位置、形态、种群和伴生植物调查

用GPS测定水蕨发现地的经纬度。观察记录水蕨形态特征。用卷尺测量水蕨集中生长地块和稀疏生长地块的面积,统计水蕨植株数目、伴生植物的种类和数量,测定盖度。利用点样法测定水蕨及伴生植物种的盖度[10]。根据盖度和植株数量确定水蕨及伴生植物的相对数量[10]。相对数量采用Braun-Blanquet多度等级划分标准[10],即5:非常多;4:多;3:较多;2:较少;1:少;+:极少。

1.2土壤pH测定

分别采集水蕨生长地、水稻田、茶园红壤土的表层土壤各50g,用DELTA320pH计测定3种土壤的pH[11],重复5次。对调查数据进行单因素方差分析。

1.3移栽试验

设A(全淹)、B(2/3露出水面)、C(全露)3种移栽方式处理,每个处理重复3次。取相同规格的塑料水缸(25cm×60cm×30cm)各1个,底部放置5cm厚泥浆,分别在3个水缸中移栽高约7cm,裂片长度2.2cm的水蕨5株,根系用泥浆轻轻覆盖,在植株周围放一些干枯稻草支撑水蕨植株。向A容器中加清水,使水蕨植株完全淹没;向B容器中加清水,使水蕨植株约2/3露出水面;C容器保持土壤湿润,植株完全露在空气中。经过30d后观察各处理的水蕨生长情况并测量其株高,取平均值。

1.4孢子繁殖

孢子播种采用2种基质(清水、湿土)和2种培养条件(温控培养、室温培养),共4种处理组合,每个组合重复4次,即共准备16个直径9cm的培养皿,8个加入清水15mL,另8个加入泥浆15mL。11月中旬,剪下外观棕褐色的孢子叶,自然干燥,收集孢子。分别称取孢子0.0125g加入准备好的基质中,加盖。取其中8皿(4皿清水和4皿泥浆)进行温控培养(23℃,日光灯光照12h?d1,光强3000Lux),余下的8皿进行室温培养(没有人工光照和温度控制,此时为10月份,室内外自然温度约20℃)。每天肉眼观察孢子的生长情况,并用奥林巴斯体视镜SZX7观察孢子的萌发生长情况。

1.5离体培养

离体培养中采用3种培养基质、2种外植体和2种培养条件(同上1.3),共12种处理组合,每种组合接种3瓶(盘),每瓶接种1个外植体,每盘接3个外植体。3种培养基质分别是:A(MS培养基的无机盐+BA2mg?L1+NAA0.5mg?L1+IAA0.5mg?L1+琼脂7g?L1)、B(清水)和C(平铺瓷盘的2cm厚泥浆);2种外植体为营养叶和孢子叶,分别剪成小段。培养基质和外植体均不经过灭菌处理。接种后,随时观察(观察期为20d)培养过程,并用佳能G11数码相机拍照。

2结果与分析

2.1形态特征

所调查生境中水蕨植株长势良好,平均株高25cm,全株绿色,柔嫩光滑,茎发生叶5~8枚,簇生于短的根状茎上,根系浅,叶二型。营养叶2回羽裂浅裂,裂片卵状三角形;孢子叶2回羽状深裂,裂片线形,裂片两侧边缘反卷,内着生孢子囊,初时绿色,成熟时变为棕色,且裂片展开,孢子散落。

2.2生境及种群基本特征

供试水蕨生长地处于福州金山福建农林大学校内,地理坐标:119°23′E,26°09′N。该地块前作是小麦。毗邻田块种植的作物有水稻、玉米和赤豆。田块比较湿润。水蕨集中种群面积为6m2,植株数278株,盖度为50%,多度为4。在毗邻地块100m2范围内,也稀疏分布着水蕨,植株数11株,盖度为1%,多度为1。

2.3伴生植物调查

该田块多年来实行人工除草,极少施用农药和化肥,生长有各种植物。8月份调查伴生植物多度等级,水虱草为5,丁香廖为4,将两种植物拔除后,种植了苋菜(多度为4),但丁香廖继续生长,水虱草数量变少(多度为2)。苋菜出苗后,发现少量水蕨(多度为2)。到10月上旬,水蕨生长良好,调查多度等级:水蕨为4,长蒴母草为3,白花蛇舌草为2,空心莲子草和叶下珠(Phyllanthusurinaria)为1,紫花地丁、碎米莎草和泥花草为+。

2.4土壤pH

土壤pH是影响水蕨生长的重要因素[12]。距水蕨生长处约200m有一片茶园,红壤土,但茶园内没有发现水蕨。为了解水蕨生长地的pH,以及其与其他类型土壤的不同,调查水蕨所在地块土壤、水稻土和红壤土的pH。结果表明,水蕨生长地土壤pH为6.42,水稻土pH为6.38,两者pH差异不显著,可能水稻土的pH也适合水蕨的生长。酸性达到5.93的红壤土是否适合水蕨生长有待进一步试验。

2.5植株移栽

原株高7cm、裂片长度2.2cm的水蕨15株,进行3种处理(A、B、C),经过30d后,B处理水蕨生长旺盛,抽出新叶,孢子叶形成,叶色浓绿,且植株粗壮;C处理水蕨生长情况基本正常,叶色稍浅,孢子叶裂片长度及株高明显小于B处理;A处理水蕨生长停滞,叶片发暗呈褐色,无光泽,裂片末端腐烂,株高稍降低。说明植株露出水面2/3的浅水环境最适宜水蕨生长。

2.6孢子繁殖

室温培养和温控培养有较大差异。在解剖镜下观察,温控培养处理的孢子于12d左右陆续萌发成丝状体,经过片状体阶段,约50d时形成成熟心形原叶体;其中,清水培养处理形成孢子体数量较少,而泥浆培养处理约80d陆续形成单片叶的孢子体,约100d时长出第2片叶。室温培养的孢子萌发缓慢,比温控培养迟20d左右,且孢子萌发的数量上比温控培养的少,随着气温逐步降低,最终未形成成熟原叶体和孢子体。说明适宜的温度和光照,以及土壤中的各种成分对孢子的萌发和提高成苗率是有利的。

2.7离体培养

离体培养试验发现培养基质对诱导效果存在较大差异(表1,图1)。A培养基质无水层,外植体根系不容易生长,叶片慢慢发黄、发暗、发黑,最终没有成活。12瓶B培养基质处理(孢子叶和营养叶各6瓶)中有5瓶(4瓶营养叶、1瓶孢子叶)10d左右开始长出新根新叶,营养叶诱导新植株比例为66%,孢子叶诱导新植株比例为16%;诱导部位在裂片或羽片的夹角处。C培养基质为泥浆,培养7d左右,就能诱导产生新株,同样是营养叶的诱导率高,孢子叶诱导率相对较低。温控培养和室温培养对外植体的诱导率表现为：温控培养对孢子叶的诱导率有一定的促进作用,对营养叶的诱导率未产生影响。试验表明,清水或泥浆是诱导新株的好培养基质,不仅诱导率高,而且培养基质成本低廉,还不需无菌操作;尤其是泥浆的诱导时间短,是大批量短时间内扩大水蕨种群的好方法。

3结论

综上所述,调查地点水蕨生长良好,土壤pH为6.42;水蕨适宜的移栽环境为能保证大部分植株露出水面的浅水地;孢子人为播种于适宜的环境中可以提高孢子的成苗率;离体营养叶和孢子叶均可在清水或泥浆中诱导产生水蕨新植株,尤其是营养叶,在清水中的诱导率可达66%,在泥浆中的诱导率可达77%。移栽、孢子播种、清水或泥浆诱导离体叶片等多种途径并举能快速扩大水蕨的数量,稳定水蕨的种群,为监测农田生境提供一定数量的指示性植物。