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【中科院之聲】大自然的匠心獨(dú)具:奇特的種子(二)丨凡此種種

文章來源:中科院之聲  |  發(fā)布時(shí)間:2021-12-29  |  作者:杜燕  |  瀏覽次數(shù):  |  【打印】 【關(guān)閉

 

  編者按:種瓜得瓜,種豆得豆,種子到底有多神奇?中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所聯(lián)合開設(shè)“凡此種種”專欄,為大家講述種子的有趣故事,介紹大自然中匠心獨(dú)具的種子植物。

  種子是裸子植物和被子植物的繁殖和散布器官,由胚珠經(jīng)過傳粉受精形成。雖然只包括種皮、胚和胚乳三個(gè)部分,但它們?cè)谛螒B(tài)和結(jié)構(gòu)上卻千變?nèi)f化,并且每一種種子都有其獨(dú)特的物種特性。為了成功進(jìn)行傳播,使該物種順利繁衍,種子們八仙過海,各顯神通,不僅能自力更生,也能借助果皮、花萼、花托等進(jìn)行傳播,并進(jìn)化出了各種匪夷所思的傳播機(jī)制。

  鳥播種子——南方紅豆杉 

 

南方紅豆杉不同成熟度的種子 

  南方紅豆杉 (Taxus wallichiana  var. mairei)為紅豆杉科(Taxaceae)植物,是我國(guó)特有的一級(jí)保護(hù)植物,是第四紀(jì)冰期遺留下來的古老樹種。

  南方紅豆杉的種子呈倒卵形,半包于杯狀的假種皮中。該假種皮在未成熟時(shí)為綠色,且硬而澀,藏于枝頭極難被發(fā)現(xiàn)。可當(dāng)9-10月種子成熟,變?yōu)楹稚蚝谏?,假種皮就會(huì)由綠經(jīng)黃,最后變成鮮艷的紅色,與種子和樹葉形成巨大反差,極易引起鳥兒的關(guān)注。此時(shí)的假種皮肉而多汁,酸甜可口,且富含糖、脂肪、蛋白質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是鳥兒喜歡取食的對(duì)象。更為奇特的是,南方紅豆杉的樹皮和種子中含有毒性物質(zhì)——紫杉醇,而假種皮中卻沒有,這是專門用來吸引鳥兒為它傳播種子而準(zhǔn)備的特殊禮物。

  為了適應(yīng)鳥播,南方紅豆杉的種子進(jìn)化出了硬而光滑、厚達(dá)0.32-0.54毫米的骨質(zhì)外種皮,以保證種子被鳥兒吞食后,能抵御消化液的作用,安全通過其長(zhǎng)長(zhǎng)的消化道。此外,種子還進(jìn)化出了形態(tài)生理休眠特性,保證其能順利度過寒冷的冬天,只有待春天來臨時(shí),才萌發(fā)成苗,并順利成長(zhǎng)。

  通過與鳥兒建立長(zhǎng)期固定的合作關(guān)系,南方紅豆杉得以從遠(yuǎn)古成功繁衍至今。

   

  種子滑翔機(jī)——千張紙 

 

千張紙薄薄的種子 

  千張紙 (Oroxylum indicum)為紫葳科(Bignoniaceae)落葉喬木,高7-12米,生于海拔500-900米的熱帶及亞熱帶低丘河谷密林中。

  千張紙的果實(shí)長(zhǎng)而扁平(長(zhǎng)30-120厘米,寬5-9厘米,厚1厘米),常高高地懸垂于樹梢。10月至翌年2月,它就發(fā)育成熟了,由綠色變成了棕褐色,質(zhì)地也由肉質(zhì)變成了木質(zhì),并2瓣裂開,露出藏于其中排列有序的數(shù)百粒種子。千張紙的種子為鈍的倒梯形,四周具有薄如宣紙的白色種翅,極富特色,因此成了該植物名稱的由來。其種子長(zhǎng)6-7厘米,寬3.5-4厘米,但只有0.08-0.83克重,具有較大的表體比,故能借助風(fēng)和氣流進(jìn)行傳播。另外種子內(nèi)幾無胚乳,只具有一個(gè)直立大胚,為整粒種子的重心所在。其兩片薄薄的子葉緊緊地貼在一起,每片上部中央深凹而呈兩腎形,就如蝴蝶的翅膀,可在種子飛行過程中起到平衡作用。而胚根呈扁圓錐形,位于子葉中下部中間的裂口處,能在種子飛行過程中起到確定方向的作用。

  一陣風(fēng)吹來,千張紙的種子便一片片滑出,在風(fēng)中飛翔,宛如一只只翩翩飛舞的白色蝴蝶,因此千張紙又名“木蝴蝶”。千張紙種子的結(jié)構(gòu)極符空氣動(dòng)力學(xué)原理,即使在室內(nèi)沒有風(fēng)的情況下,也能借助氣流,沿縱軸作回旋運(yùn)動(dòng),或如滑翔機(jī)般平穩(wěn)滑行,讓人驚嘆不已!

   

  異型果實(shí)——金腰箭 

 

金腰箭的異型果實(shí) 

  金腰箭 (Synedrella nodiflora )為菊科(Asteraceae) 一年生草本,起源于南美洲,現(xiàn)已廣布世界熱帶和亞熱帶地區(qū),是該區(qū)域中最常見的入侵植物之一。

  6-10月開花時(shí),其一朵頭狀花序上會(huì)開出兩種在形態(tài)、性別方面存在顯著差異的花?;ㄐ虻耐鈬?-2層為金黃色、舌狀的雌花,中央的為淺黃色、筒狀的兩性花。相應(yīng)地,結(jié)出的果實(shí)也分為兩種,舌狀花對(duì)應(yīng)的瘦果為扁橢圓形(平均長(zhǎng)4.43毫米,寬1.85毫米,厚0.41毫米,重1.069毫克)、表面光滑、邊緣有撕裂狀寬刺(平均長(zhǎng)1.39毫米)。筒狀花對(duì)應(yīng)的瘦果為扁倒錐形或倒卵狀長(zhǎng)圓形(長(zhǎng)5.81毫米,寬1.07毫米,厚0.40毫米,重0.607毫克),表面有疣狀突起、頂端具2-5根尖刺(平均長(zhǎng)2.24毫米),可附著于人的衣物和動(dòng)物皮毛上進(jìn)行傳播。

  在結(jié)實(shí)性和散布特性方面,中央果的數(shù)量多、小而輕、散布早,主要傳播媒介為人和動(dòng)物,傳播距離較遠(yuǎn),故能不斷拓殖新的分布地,擴(kuò)大種群數(shù)量。而邊花果數(shù)量少、大而重、散布晚,主要散布于母株周圍,故在母株死亡后,仍能占據(jù)母株原有的分布地。

  金腰箭的這種二型性結(jié)實(shí)方式減弱了同胞之間的競(jìng)爭(zhēng),并利用兩頭下注的策略來適應(yīng)時(shí)空異質(zhì)性,從而使金腰箭在高度不穩(wěn)定環(huán)境中,仍具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大入侵性。金腰箭于1912年在我國(guó)香港始成為常見雜草,目前已是我國(guó)香港、臺(tái)灣、海南、福建、廣西、廣東、云南、四川、江西、湖南、浙江等省的常見農(nóng)田雜草,對(duì)棉、玉米、大豆、甘薯、花生等旱生作物為害嚴(yán)重,常與農(nóng)作物爭(zhēng)水、爭(zhēng)肥、爭(zhēng)空間,造成農(nóng)作物減產(chǎn);并漸漸入侵到了一些經(jīng)濟(jì)園林,如橡膠園、茶園和果園,給人們帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,影響了我國(guó)農(nóng)林業(yè)的健康發(fā)展。目前其還在不斷向外擴(kuò)張,急需防治。

   

  沙滾果實(shí)——沙拐棗 

 

沙拐棗多刺的果實(shí) 

  沙拐棗(Calligonum mongolicum)是一種多分枝灌木,生長(zhǎng)于我國(guó)內(nèi)蒙古、甘肅、青海和新疆的各種沙丘、沙地、沙礫質(zhì)荒漠和礫質(zhì)荒漠的粗沙積聚處,是防風(fēng)固沙的先鋒植物,也是優(yōu)良的薪炭材、蜜源植物和藥用植物。另外由于其莖具節(jié),節(jié)間短而彎折,且果實(shí)的形狀和大小與棗子相似,故名“沙拐棗”。

  沙拐棗植株生長(zhǎng)1-2年即能結(jié)實(shí),果實(shí)5-7月成熟,此時(shí)其長(zhǎng)7.02-11.40毫米,寬5.10-9.24毫米,厚4.55-8.19毫米,由綠色變成了黃棕色,形狀為圓球形或橢球形,表面密被頂端互相交錯(cuò)的柔軟細(xì)刺,刺的基部稍扁,分離或聯(lián)合,連著角質(zhì)果皮表面,整個(gè)就為一刺球,這就是沙拐棗的散布體。沙拐棗果實(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了其在散布后,不會(huì)立即被埋入沙中,而能在有風(fēng)的情況下,在沙丘表面不斷滾動(dòng),尋找適合自己萌發(fā)、生長(zhǎng)的地方。另外,沙拐棗果實(shí)表面的刺還能有效防止動(dòng)物的取食,并能掛在動(dòng)物的毛發(fā)上被傳播到遠(yuǎn)方,極好地適應(yīng)干旱的荒漠環(huán)境。

  沙拐棗的種子具有生理休眠,從而可以保證它在散布后有足夠的時(shí)間去尋找“宜居地”,并能安全度過沙漠地區(qū)寒冷的冬季,在適合小苗生長(zhǎng)的春季來臨時(shí),再萌發(fā)。

   

  鉆土果實(shí)——牻(máng)牛兒苗 

 

牻牛兒苗鉆頭狀的分果 

  牻牛兒苗 (Erodium stephanianum)為牻牛兒苗科 (Geraniaceae) 多年生草本植物,生于山坡、河岸沙地及草地生境。它具有一種能將自己埋藏起來的“鉆頭”狀果實(shí)。

  8-9月,牻牛兒苗的果實(shí)就成熟了,變成了黃褐色或黑褐色,于是其室間開裂,沿長(zhǎng)喙?fàn)罨ㄖ肯蛏戏淳?,形?個(gè)分果。每個(gè)分果頂端都具有一根長(zhǎng)3-4厘米、被毛的扁平長(zhǎng)芒,這就是牻牛兒苗分果吸濕運(yùn)動(dòng)的武器。當(dāng)分果掉落地面后,長(zhǎng)芒的下部會(huì)隨著空氣變干而不斷螺旋狀卷曲,而上部則不會(huì)。在芒上部的支撐下,分果的尖端斜插入土壤縫隙,而芒下部則隨著空氣或地面的干濕變化而反復(fù)螺旋和解螺旋,不斷產(chǎn)生一個(gè)向下的機(jī)械力,將分果推入土壤中埋藏起來。為了成功鉆土,牻牛兒苗的分果在形狀上進(jìn)化成了圓錐形;基部銳化成針狀,輕易就能扎進(jìn)土中,甚至人的皮膚里;表面密被短糙毛,方向全部向上,可防止鉆入土壤的分果再倒退出來。

  牻牛兒苗分果的這些特點(diǎn)和傳播機(jī)制成功使其免被動(dòng)物取食,及干旱和火災(zāi)的傷害,而能安全地處于一個(gè)溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境中,更好地萌發(fā),從而大大提高后代的成活率,這也是牻牛兒苗能夠廣泛分布于我國(guó)華北、東北和西北地區(qū),以及四川和西藏的重要原因之一。

  為了完成傳宗接代的使命,小小的種子中竟藏著那么多的智慧,讓人不得不感嘆大自然的神奇!

 

  參考資料:

  1. 馬金雙. 中國(guó)外來入侵植物調(diào)研報(bào)告[M]. 北京:高等教育出版社, 2014.

  2. Wolfgang Stuppy, Rob Kesseler. Fruit – Edible, Inedible, Incredible[M]. UK: Papadakis publisher, 2008.

  3. 中國(guó)林業(yè)局國(guó)有林場(chǎng)和林木種苗工作總站. 中國(guó)木本植物種子[M]. 北京:中國(guó)林業(yè)出版社, 2001.

  4. Chauhan BS, Johnson DE. Seed germination and seedling emergence of Synedrella (Synedrella nodiflora) in a tropical environment[J]. Weed Science, 2009, 57(1): 36-42.

  5. 陳黎,劉成功,戴淑娟等. 南方紅豆杉種子生物學(xué)特性及催芽技術(shù)研究[J]. 種子, 2015, 5(34): 72-74.

    攝影:李漣漪、劉克明


    (中科院之聲 2020年11月25日)

  來源:https://mp.weixin.qq.com/s/AmuIsWEJH2rEieG1qUJiFA


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