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【中科院之声】大自然的匠心独具:奇特的种子(二)丨凡此种种

文章来源:中科院之声  |  发布时间:2021-12-29  |  作者:杜燕  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  编者按:种瓜得瓜,种豆得豆,种子到底有多神奇?中科院之声与中国科学院昆明植物研究所联合开设“凡此种种”专栏,为大家讲述种子的有趣故事,介绍大自然中匠心独具的种子植物。

  种子是裸子植物和被子植物的繁殖和散布器官,由胚珠经过传粉受精形成。虽然只包括种皮、胚和胚乳三个部分,但它们在形态和结构上却千变万化,并且每一种种子都有其独特的物种特性。为了成功进行传播,使该物种顺利繁衍,种子们八仙过海,各显神通,不仅能自力更生,也能借助果皮、花萼、花托等进行传播,并进化出了各种匪夷所思的传播机制。

  鸟播种子——南方红豆杉 

 

南方红豆杉不同成熟度的种子 

  南方红豆杉 (Taxus wallichiana  var. mairei)为红豆杉科(Taxaceae)植物,是我国特有的一级保护植物,是第四纪冰期遗留下来的古老树种。

  南方红豆杉的种子呈倒卵形,半包于杯状的假种皮中。该假种皮在未成熟时为绿色,且硬而涩,藏于枝头极难被发现。可当9-10月种子成熟,变为褐色或黑色后,假种皮就会由绿经黄,最后变成鲜艳的红色,与种子和树叶形成巨大反差,极易引起鸟儿的关注。此时的假种皮肉而多汁,酸甜可口,且富含糖、脂肪、蛋白质等多种营养物质,是鸟儿喜欢取食的对象。更为奇特的是,南方红豆杉的树皮和种子中含有毒性物质——紫杉醇,而假种皮中却没有,这是专门用来吸引鸟儿为它传播种子而准备的特殊礼物。

  为了适应鸟播,南方红豆杉的种子进化出了硬而光滑、厚达0.32-0.54毫米的骨质外种皮,以保证种子被鸟儿吞食后,能抵御消化液的作用,安全通过其长长的消化道。此外,种子还进化出了形态生理休眠特性,保证其能顺利度过寒冷的冬天,只有待春天来临时,才萌发成苗,并顺利成长。

  通过与鸟儿建立长期固定的合作关系,南方红豆杉得以从远古成功繁衍至今。

   

  种子滑翔机——千张纸 

 

千张纸薄薄的种子 

  千张纸 (Oroxylum indicum)为紫葳科(Bignoniaceae)落叶乔木,高7-12米,生于海拔500-900米的热带及亚热带低丘河谷密林中。

  千张纸的果实长而扁平(长30-120厘米,宽5-9厘米,厚1厘米),常高高地悬垂于树梢。10月至翌年2月,它就发育成熟了,由绿色变成了棕褐色,质地也由肉质变成了木质,并2瓣裂开,露出藏于其中排列有序的数百粒种子。千张纸的种子为钝的倒梯形,四周具有薄如宣纸的白色种翅,极富特色,因此成了该植物名称的由来。其种子长6-7厘米,宽3.5-4厘米,但只有0.08-0.83克重,具有较大的表体比,故能借助风和气流进行传播。另外种子内几无胚乳,只具有一个直立大胚,为整粒种子的重心所在。其两片薄薄的子叶紧紧地贴在一起,每片上部中央深凹而呈两肾形,就如蝴蝶的翅膀,可在种子飞行过程中起到平衡作用。而胚根呈扁圆锥形,位于子叶中下部中间的裂口处,能在种子飞行过程中起到确定方向的作用。

  一阵风吹来,千张纸的种子便一片片滑出,在风中飞翔,宛如一只只翩翩飞舞的白色蝴蝶,因此千张纸又名“木蝴蝶”。千张纸种子的结构极符空气动力学原理,即使在室内没有风的情况下,也能借助气流,沿纵轴作回旋运动,或如滑翔机般平稳滑行,让人惊叹不已!

   

  异型果实——金腰箭 

 

金腰箭的异型果实 

  金腰箭 (Synedrella nodiflora )为菊科(Asteraceae) 一年生草本,起源于南美洲,现已广布世界热带和亚热带地区,是该区域中最常见的入侵植物之一。

  6-10月开花时,其一朵头状花序上会开出两种在形态、性别方面存在显著差异的花。花序的外围1-2层为金黄色、舌状的雌花,中央的为浅黄色、筒状的两性花。相应地,结出的果实也分为两种,舌状花对应的瘦果为扁椭圆形(平均长4.43毫米,宽1.85毫米,厚0.41毫米,重1.069毫克)、表面光滑、边缘有撕裂状宽刺(平均长1.39毫米)。筒状花对应的瘦果为扁倒锥形或倒卵状长圆形(长5.81毫米,宽1.07毫米,厚0.40毫米,重0.607毫克),表面有疣状突起、顶端具2-5根尖刺(平均长2.24毫米),可附着于人的衣物和动物皮毛上进行传播。

  在结实性和散布特性方面,中央果的数量多、小而轻、散布早,主要传播媒介为人和动物,传播距离较远,故能不断拓殖新的分布地,扩大种群数量。而边花果数量少、大而重、散布晚,主要散布于母株周围,故在母株死亡后,仍能占据母株原有的分布地。

  金腰箭的这种二型性结实方式减弱了同胞之间的竞争,并利用两头下注的策略来适应时空异质性,从而使金腰箭在高度不稳定环境中,仍具有巨大的竞争优势和强大入侵性。金腰箭于1912年在我国香港始成为常见杂草,目前已是我国香港、台湾、海南、福建、广西、广东、云南、四川、江西、湖南、浙江等省的常见农田杂草,对棉、玉米、大豆、甘薯、花生等旱生作物为害严重,常与农作物争水、争肥、争空间,造成农作物减产;并渐渐入侵到了一些经济园林,如橡胶园、茶园和果园,给人们带来了严重的经济损失,影响了我国农林业的健康发展。目前其还在不断向外扩张,急需防治。

   

  沙滚果实——沙拐枣 

 

沙拐枣多刺的果实 

  沙拐枣(Calligonum mongolicum)是一种多分枝灌木,生长于我国内蒙古、甘肃、青海和新疆的各种沙丘、沙地、沙砾质荒漠和砾质荒漠的粗沙积聚处,是防风固沙的先锋植物,也是优良的薪炭材、蜜源植物和药用植物。另外由于其茎具节,节间短而弯折,且果实的形状和大小与枣子相似,故名“沙拐枣”。

  沙拐枣植株生长1-2年即能结实,果实5-7月成熟,此时其长7.02-11.40毫米,宽5.10-9.24毫米,厚4.55-8.19毫米,由绿色变成了黄棕色,形状为圆球形或椭球形,表面密被顶端互相交错的柔软细刺,刺的基部稍扁,分离或联合,连着角质果皮表面,整个就为一刺球,这就是沙拐枣的散布体。沙拐枣果实的结构特点保证了其在散布后,不会立即被埋入沙中,而能在有风的情况下,在沙丘表面不断滚动,寻找适合自己萌发、生长的地方。另外,沙拐枣果实表面的刺还能有效防止动物的取食,并能挂在动物的毛发上被传播到远方,极好地适应干旱的荒漠环境。

  沙拐枣的种子具有生理休眠,从而可以保证它在散布后有足够的时间去寻找“宜居地”,并能安全度过沙漠地区寒冷的冬季,在适合小苗生长的春季来临时,再萌发。

   

  钻土果实——牻(máng)牛儿苗 

 

牻牛儿苗钻头状的分果 

  牻牛儿苗 (Erodium stephanianum)为牻牛儿苗科 (Geraniaceae) 多年生草本植物,生于山坡、河岸沙地及草地生境。它具有一种能将自己埋藏起来的“钻头”状果实。

  8-9月,牻牛儿苗的果实就成熟了,变成了黄褐色或黑褐色,于是其室间开裂,沿长喙状花柱基部向上反卷,形成5个分果。每个分果顶端都具有一根长3-4厘米、被毛的扁平长芒,这就是牻牛儿苗分果吸湿运动的武器。当分果掉落地面后,长芒的下部会随着空气变干而不断螺旋状卷曲,而上部则不会。在芒上部的支撑下,分果的尖端斜插入土壤缝隙,而芒下部则随着空气或地面的干湿变化而反复螺旋和解螺旋,不断产生一个向下的机械力,将分果推入土壤中埋藏起来。为了成功钻土,牻牛儿苗的分果在形状上进化成了圆锥形;基部锐化成针状,轻易就能扎进土中,甚至人的皮肤里;表面密被短糙毛,方向全部向上,可防止钻入土壤的分果再倒退出来。

  牻牛儿苗分果的这些特点和传播机制成功使其免被动物取食,及干旱和火灾的伤害,而能安全地处于一个温暖湿润的环境中,更好地萌发,从而大大提高后代的成活率,这也是牻牛儿苗能够广泛分布于我国华北、东北和西北地区,以及四川和西藏的重要原因之一。

  为了完成传宗接代的使命,小小的种子中竟藏着那么多的智慧,让人不得不感叹大自然的神奇!

 

  参考资料:

  1. 马金双. 中国外来入侵植物调研报告[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. 中国林业局国有林场和林木种苗工作总站. 中国木本植物种子[M]. 北京:中国林业出版社, 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. 陈黎,刘成功,戴淑娟等. 南方红豆杉种子生物学特性及催芽技术研究[J]. 种子, 2015, 5(34): 72-74.

    摄影:李涟漪、刘克明


    (中科院之声 2020年11月25日)

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


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