大自然的匠心獨具:奇特的種子(二)丨凡此種種_風聞
中科院之声-中国科学院官方账号-2020-11-25 12:29
編者按:種瓜得瓜,種豆得豆,種子到底有多神奇?中科院之聲與中國科學院昆明植物研究所聯合開設“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具的種子植物。
種子是裸子植物和被子植物的繁殖和散佈器官,由胚珠經過傳粉受精形成。雖然只包括種皮、胚和胚乳三個部分,但它們在形態和結構上卻千變萬化,並且每一種種子都有其獨特的物種特性。為了成功進行傳播,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、花托等進行傳播,並進化出了各種匪夷所思的傳播機制。
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,是我國特有的一級保護植物,是第四紀冰期遺留下來的古老樹種。
南方紅豆杉的種子呈倒卵形,半包於杯狀的假種皮中。該假種皮在未成熟時為綠色,且硬而澀,藏於枝頭極難被發現。可當9-10月種子成熟,變為褐色或黑色後,假種皮就會由綠經黃,最後變成鮮豔的紅色,與種子和樹葉形成巨大反差,極易引起鳥兒的關注。此時的假種皮肉而多汁,酸甜可口,且富含糖、脂肪、蛋白質等多種營養物質,是鳥兒喜歡取食的對象。更為奇特的是,南方紅豆杉的樹皮和種子中含有毒性物質——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備的特殊禮物。
為了適應鳥播,南方紅豆杉的種子進化出了硬而光滑、厚達0.32-0.54毫米的骨質外種皮,以保證種子被鳥兒吞食後,能抵禦消化液的作用,安全通過其長長的消化道。此外,種子還進化出了形態生理休眠特性,保證其能順利度過寒冷的冬天,只有待春天來臨時,才萌發成苗,並順利成長。
通過與鳥兒建立長期固定的合作關係,南方紅豆杉得以從遠古成功繁衍至今。
種子滑翔機——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,生於海拔500-900米的熱帶及亞熱帶低丘河谷密林中。
千張紙的果實長而扁平(長30-120釐米,寬5-9釐米,厚1釐米),常高高地懸垂於樹梢。10月至翌年2月,它就發育成熟了,由綠色變成了棕褐色,質地也由肉質變成了木質,並2瓣裂開,露出藏於其中排列有序的數百粒種子。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6-7釐米,寬3.5-4釐米,但只有0.08-0.83克重,具有較大的表體比,故能借助風和氣流進行傳播。另外種子內幾無胚乳,只具有一個直立大胚,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,位於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。
一陣風吹來,千張紙的種子便一片片滑出,在風中飛翔,宛如一隻只翩翩飛舞的白色蝴蝶,因此千張紙又名“木蝴蝶”。千張紙種子的結構極符空氣動力學原理,即使在室內沒有風的情況下,也能借助氣流,沿縱軸作迴旋運動,或如滑翔機般平穩滑行,讓人驚歎不已!
異型果實——金腰箭
金腰箭的異型果實
金腰箭 (Synedrella nodiflora )為菊科(Asteraceae) 一年生草本,起源於南美洲,現已廣佈世界熱帶和亞熱帶地區,是該區域中最常見的入侵植物之一。
6-10月開花時,其一朵頭狀花序上會開出兩種在形態、性別方面存在顯著差異的花。花序的外圍1-2層為金黃色、舌狀的雌花,中央的為淺黃色、筒狀的兩性花。相應地,結出的果實也分為兩種,舌狀花對應的瘦果為扁橢圓形(平均長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1.39毫米)。筒狀花對應的瘦果為扁倒錐形或倒卵狀長圓形(長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2.24毫米),可附着於人的衣物和動物皮毛上進行傳播。
在結實性和散佈特性方面,中央果的數量多、小而輕、散佈早,主要傳播媒介為人和動物,傳播距離較遠,故能不斷拓殖新的分佈地,擴大種羣數量。而邊花果數量少、大而重、散佈晚,主要散佈於母株周圍,故在母株死亡後,仍能佔據母株原有的分佈地。
金腰箭的這種二型性結實方式減弱了同胞之間的競爭,並利用兩頭下注的策略來適應時空異質性,從而使金腰箭在高度不穩定環境中,仍具有巨大的競爭優勢和強大入侵性。金腰箭於1912年在我國香港始成為常見雜草,目前已是我國香港、台灣、海南、福建、廣西、廣東、雲南、四川、江西、湖南、浙江等省的常見農田雜草,對棉、玉米、大豆、甘薯、花生等旱生作物為害嚴重,常與農作物爭水、爭肥、爭空間,造成農作物減產;並漸漸入侵到了一些經濟園林,如橡膠園、茶園和果園,給人們帶來了嚴重的經濟損失,影響了我國農林業的健康發展。目前其還在不斷向外擴張,急需防治。
沙滾果實——沙拐棗
沙拐棗多刺的果實
沙拐棗(Calligonum mongolicum)是一種多分枝灌木,生長於我國內蒙古、甘肅、青海和新疆的各種沙丘、沙地、沙礫質荒漠和礫質荒漠的粗沙積聚處,是防風固沙的先鋒植物,也是優良的薪炭材、蜜源植物和藥用植物。另外由於其莖具節,節間短而彎折,且果實的形狀和大小與棗子相似,故名“沙拐棗”。
沙拐棗植株生長1-2年即能結實,果實5-7月成熟,此時其長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的柔軟細刺,刺的基部稍扁,分離或聯合,連着角質果皮表面,整個就為一刺球,這就是沙拐棗的散佈體。沙拐棗果實的結構特點保證了其在散佈後,不會立即被埋入沙中,而能在有風的情況下,在沙丘表面不斷滾動,尋找適合自己萌發、生長的地方。另外,沙拐棗果實表面的刺還能有效防止動物的取食,並能掛在動物的毛髮上被傳播到遠方,極好地適應乾旱的荒漠環境。
沙拐棗的種子具有生理休眠,從而可以保證它在散佈後有足夠的時間去尋找“宜居地”,並能安全度過沙漠地區寒冷的冬季,在適合小苗生長的春季來臨時,再萌發。
鑽土果實——牻(máng)牛兒苗
牻牛兒苗鑽頭狀的分果
牻牛兒苗 (Erodium stephanianum)為牻牛兒苗科 (Geraniaceae) 多年生草本植物,生於山坡、河岸沙地及草地生境。它具有一種能將自己埋藏起來的“鑽頭”狀果實。
8-9月,牻牛兒苗的果實就成熟了,變成了黃褐色或黑褐色,於是其室間開裂,沿長喙狀花柱基部向上反捲,形成5個分果。每個分果頂端都具有一根長3-4釐米、被毛的扁平長芒,這就是牻牛兒苗分果吸濕運動的武器。當分果掉落地面後,長芒的下部會隨着空氣變幹而不斷螺旋狀捲曲,而上部則不會。在芒上部的支撐下,分果的尖端斜插入土壤縫隙,而芒下部則隨着空氣或地面的乾濕變化而反覆螺旋和解螺旋,不斷產生一個向下的機械力,將分果推入土壤中埋藏起來。為了成功鑽土,牻牛兒苗的分果在形狀上進化成了圓錐形;基部鋭化成針狀,輕易就能扎進土中,甚至人的皮膚裏;表面密被短糙毛,方向全部向上,可防止鑽入土壤的分果再倒退出來。
牻牛兒苗分果的這些特點和傳播機制成功使其免被動物取食,及乾旱和火災的傷害,而能安全地處於一個温暖濕潤的環境中,更好地萌發,從而大大提高後代的成活率,這也是牻牛兒苗能夠廣泛分佈於我國華北、東北和西北地區,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,小小的種子中竟藏着那麼多的智慧,讓人不得不感嘆大自然的神奇!
參考資料:
1. 馬金雙. 中國外來入侵植物調研報告[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. 中國林業局國有林場和林木種苗工作總站. 中國木本植物種子[M]. 北京:中國林業出版社, 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特性及催芽技術研究[J]. 種子, 2015, 5(34): 72-74.
攝影:李漣漪、劉克明
來源:中國科學院昆明植物研究所