中国桫椤科植物近年出现了以幼苗减少为特征的生殖障碍新趋势,该研究首次观察了桫椤科笔筒树有性生殖关键环节即游动精子的行为及形态,以明确中国桫椤科植物生殖障碍发生的发育环节及其解剖特征.结果表明:(1)笔筒树的游动精子可分为初游期、平稳期、衰亡期.精子开始游动后经1～3 s的初游期,即可达到约200r·min-1的自转频率、约130 μm·s-1的位移速度;在17～22 min的平稳期内,精子自转频率和位移速度基本稳定,对水体质量即颈卵器释放的化学诱导物质较为敏感;衰亡期为5～7 min,精子的自转频率、位移速度和敏感性逐渐降低,直至消失.(2)笔筒树的精子为长条状螺旋形,长10～12 μm,螺旋2.5～3.5圈,自上而下由顶脊、鞭毛带、鞭毛、精核、细胞质等5部分构成.(3)笔筒树精子的鞭毛带沿精核呈螺旋状分布在精核的前1/3处,着生有鞭毛32～48条,细胞质呈泡状,随精子游动时间的延长而逐渐萎缩,精核不均质.

中国桫椤科植物部分居群近年来出现了较大面积的病害和幼苗不足等问题,为探究幼苗不足与土壤重金属污染的关系,该研究在观察笔筒树[Sphaeropteris lepifera (Hook.)R.M.Tryon]精子正常行为形态的基础上,首次研究了铅与镉重金属胁迫下笔筒树精子受害的行为和形态变化规律.结果 表明:(1)在铅浓度为1.25、5.00 mg· kg-1,镉浓度为0.25、1.00 mg· kg-1的胁迫培养条件下,笔筒树精子的寿命、游动位移速度、自转频率与对照组相比均显著下降.(2)铅离子会影响笔筒树精子的运动能力,镉离子影响精子对雌性物质浓度的辨别能力而使精子迷失方向.(3)重金属胁迫后精子形态和行为出现的变化包括精子伸展受限,鞭毛收缩、脱落,精核畸形、肿胀、降解,精子相互粘连、逆向运动及自溶解体等,且铅与镉胁迫后精子的畸形类型具有差异性.研究证明,轻污染浓度的铅与镉单一胁迫会显著影响笔筒树精子的行为和形态,严重阻断桫椤科植物的有性生殖.

为了明确土壤污染对中国产桫椤科植物的生殖影响,以探讨中国桫椤类乃至其他濒危蕨类濒危的内在原因.该研究以中国产9种桫椤植物为材料,采用各植物原产地地表土壤培养孢子至配子体成熟,全程比较观察配子体畸变类型,统计畸变率;并分别取3个属的代表种笔筒树、大叶黑桫椤和中华桫椤的孢子,以MS培养基为对照,分别用5 mg·kg-1 Pb2+和1 mg·kg-1 Cd2+单因素胁迫培养配子体,比较观察各组的配子体形态畸变类型,统计畸变率.结果表明:(1)中国产桫椤类9种植物配子体培养过程中共出现17种形态畸变类型,其中4种为分化畸变,7种为假根畸变,4种为细胞畸变,2种为性器畸变.(2)不同培养基——对照组(M S培养基)、原产地土壤、Cd2+胁迫、Pb2+胁迫对中国产桫椤科9种植物配子体的平均畸变比例分别是2.28％ 、12.61％ 、31.58％ 和33.58％.(3)9种桫椤的配子体畸变类型及其畸变率均与培养基的胁迫程度呈正相关关系,其配子体发育都受到了产地土壤污染的严重伤害.(4)3种桫椤属植物配子体对土壤环境胁迫的耐受力强弱为黑桫椤属>白桫椤属>桫椤属.(5)桫椤科配子体的形态畸变多样性与胁迫条件之间具有稳定的对应关系.

物种是生物多样性的基本单元,生殖隔离被认为是物种形成的关键;然而物种并不是静止的而是处于不断的分化演变之中,已经稳定成型但尚未到达分化后期的物种可能存在不完全的生殖隔离.对于物种的认识不能单从某一侧面或局部特征来界定,而应通过“整合物种概念”来确定物种地位.Flora of China记载了中国产白桫椤属(Sphaeropteris)2种,即白桫椤(S.brunoniana)和笔筒树(S.lepifera),并认为原产中国海南的海南白桫椤(S.hainanensis)和白桫椤为同一物种而将其并入白桫椤;但海南白桫椤在形态上已出现了分化.为探讨白桫椤及其近缘物种的亲缘关系和物种多样性分化的情况,本文采集到9个居群共21个样本,通过GBS简化基因组测序技术获得单核苷酸变异位点(SNP),进行系统发育树的构建和主成分及遗传结构的分析,并结合叶片数量性状的统计分析和孢子形态的观察测量.结果 表明,海南白桫椤不仅与云南产白桫椤的基因型不同,且在叶片特征和孢子纹饰上有明显差异;但两个居群的生殖隔离较弱,在广西沿海地区形成杂交产物,其叶片特征为亲本的中间类型.因此,我们认为海南白桫椤是由于地理隔离而形成的一个处在分化路上的物种,建议恢复其物种地位;广西产白桫椤为自然杂交群体,应另处理为独立的自然杂交分类群——广西白桫椤(S.brunoniana×hainanensis).

为探究外源物质对干旱胁迫下笔筒树生长的缓解效应和生理机制,对实验室培养的笔筒树幼苗进行了自然干旱胁迫,期间分别叶面喷施1.0 mmol/L水杨酸(SA)、150μmol/L褪黑素(MT)、100 mg/L多效唑(PP333)、2.5 mmol/L氯化钙(CaCl2)以及0.3 mg/L的2,4-表油菜素内酯(EBR)溶液,测定各处理幼苗的生长和光合作用、抗氧化酶、渗透调解物质等相关生理指标.结果表明:(1)与正常生长对照(CK)相比,干旱胁迫(DCK)显著抑制笔筒树幼苗地上部分的生长,但能够显著促进地下部分的生长;干旱胁迫显著抑制笔筒树叶片抗氧化酶活性,加剧对细胞膜的损害,进而引起幼苗叶片相对电导率和丙二醛含量显著上升,显著增加渗透调节物质的积累;干旱胁迫也使叶片叶绿素含量显著降低,不能正常进行光合作用,其净光合速率、气孔导度和蒸腾速率都显著降低.(2)与DCK处理相比,叶面喷施外源物质可以显著提高笔筒树幼苗叶片抗氧化酶活性,有效清除细胞内过多的活性氧,显著降低相对电导率和丙二醛含量,使细胞膜系统代谢正常,减轻干旱胁迫对笔筒树幼苗造成的伤害,并提高净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和叶绿素含量,有效减轻干旱胁迫对光合作用的抑制.(3)隶属函数法综合评价表明,适宜浓度的水杨酸(SA)和褪黑素(MT)处理对笔筒树幼苗干旱胁迫的缓解效应最好.