濒危植物邢氏水蕨和海南岛水蕨叶绿体序列rbcL比较及隐种分析

2021年,水蕨属(Ceratopteris)所有植物包括邢氏水蕨(C.shingii)、水蕨(C.thalictroides)和粗梗水蕨(C.pteridoides)被列为国家二级重点保护野生植物。水蕨属植物是研究植物性别决定、配子体形态建成以及遗传学、细胞生物学和生物化学等学科的模式植物之一,也是中国重要的野生水生植物种质资源。隐种(Cryptic species)问题已经成为系统分类研究、物种形成机制、生物进化和基于保护目的的种群遗传研究及保护计划共同关注的重要问题。基于叶绿体rbcL序列评价邢氏水蕨和海南岛陵水黎族自治县白水岭(BSL)、陵水黎族自治县木号镇(BJC)、海口城西镇(SPSK)等3个新发现的水蕨种群叶绿体序列rbcL的差异及系统发育关系,分析新发现尚未被评价的3个水蕨种群的隐种类型,为水蕨属不同物种和隐种的保护及利用提供科学依据。结果表明,邢氏水蕨和3个种群水蕨的rbcL序列长度为1227 bp,邢氏水蕨有2个变异位点,分别在783 bp处和1164 bp处。采用邻近法(NJ)构建了水蕨属叶绿体rbcL系统发育树。系统发育树显示BSL、BJC、SPSK等3个种群的水蕨与南方型水蕨隐种聚为同一支,表明这3个地方的水蕨隐种为南方型;而邢氏水蕨单独成一支。遗传距离分析显示BSL、BJC、SPSK种间遗传距离为0,与南方型水蕨之间遗传距离也为0;邢氏水蕨与BSL、BJC、SPSK遗传距离为0.002。结果进一步表明,海南岛的BSL、BJC、SPSK等3个种群水蕨为南方型水蕨,同时为邢氏水蕨的分类提供了佐证。不同的水蕨及隐种应该采取不同的保护策略,且邢氏水蕨应得到优先保护。保护邢氏水蕨和3个南方型水蕨种群的原生境是最有效的保护策略。

多壁碳纳米管对水蕨配子体发育及孢子体产生的影响

探究多壁碳纳米管在水蕨配子体发育及孢子体产生中的作用,以期为濒危蕨类植物的保护和繁育奠定基础。以蕨类模式植物水蕨(Ceratopteris thalictroides)为供试材料,设置0(对照)、0.5、1.0、2.5、5.0 mg·L^(-1)多壁碳纳米管5个处理组,采用光学显微镜观察不同质量浓度多壁碳纳米管对水蕨配子体发育及孢子体产生的影响。结果显示:与对照组相比,0.5~2.5 mg·L^(-1)多壁碳纳米管处理可使水蕨孢子萌发提前约15 d,其中,0.5 mg·L^(-1)多壁碳纳米管对水蕨孢子萌发的促进效果最好,0.5~1.5 mg·L^(-1)多壁碳纳米管对丝状体和片状体产生的促进效果最好,2.5 mg·L^(-1)多壁碳纳米管对原叶体和孢子体产生的促进效果最好。高质量浓度(5.0 mg·L^(-1))多壁碳纳米管处理会导致部分配子体出现畸形,精子器退化,细胞中叶绿体出现失绿现象,部分发育出的孢子体上的细胞也出现叶绿体失绿等衰退现象。此外,多壁碳纳米管的加入促进了水蕨雄配子体的产生。综上所述,0.5~2.5 mg·L^(-1)多壁碳纳米管处理可以明显促进水蕨配子体发育和孢子体的产生,且精子器数量明显增多,有雌雄同株和雌雄异株配子体同时出现,高质量浓度多壁碳纳米管处理会使水蕨配子体发育出现“高浓度抑制”现象,在实际应用过程中应根据具体的需要选择相应的添加量。

濒危植物粗梗水蕨孢子高效无菌萌发及成苗技术

粗梗水蕨(Ceratopteris pteridoides)为一年生蕨类植物,是水体和湿地生态系统中重要成员之一。上世纪80年代以来,由于生存环境受到了严重破坏,我国粗梗水蕨的数量锐减。虽然早在1999年粗梗水蕨就被国务院列为国家二级重点保护濒危植物,但自然界中粗梗水蕨还是越来越稀少,对其进行人工保护势在必行。我们研究并解决了粗梗水蕨孢子无菌培养中的一些主要问题,建立了一套简单、高效的孢子萌发成苗方法。首先,用0.5%有效氯的次氯酸钠消毒孢子5 min,在含3 mL/L抗菌剂Plant Preservation Mixture^(TM)(PPM)和20 g/L蔗糖的1/2 MS液体培养基中培养5周;然后,将孢子萌发形成的培养物转到含20 g/L糖和6 g/L琼脂的1/2 MS培养基上培养1个月,得到大量的幼孢子体(幼苗);最后,将幼苗转到新鲜的含20 g/L糖和6 g/L琼脂的1/2 MS培养基上,1个月后可长成健壮的大苗。2021年组培苗投放到野外保护区后能正常生长和形成孢子,次年部分孢子自然萌发形成了新的植株。

水蕨(Ceratopteris thalicroides)种群的分布格局

对国家二级重点保护野生植物水蕨(C.thalicroides)部分分布区进行了野外调查,共发现13个野生水蕨种群.水蕨种群的生境主要为海拔低于1000m的水稻田.各种群分布面积较小,种群内植株数和密度相差很大.采用方差/均值比率、t值检验、负二项参数、扩散型指数、Cassie指标、丛生指标、平均拥挤度和聚块性指标等方法,研究了种群内植株数大于50株的10个野生水蕨种群的分布格局,并运用邻接格子样方法进行了格局规模检验,结果表明水蕨种群分布格局类型为聚集分布型,但各种群聚集分布强度不同.水蕨孢子及无性繁殖体近距离传播是造成其聚集分布的主要原因.人为因素的作用导致水蕨种群的灭绝.

水蕨配子体发育的研究

研究了我国产水蕨(Ceratopteristhalictroides)配子体发育的全过程,水蕨孢子为四面体型,三裂缝,孢子萌发为向心型,丝状体4～8个细胞长,无明显的顶端细胞,丝状体顶部细胞同时分裂形成片状体,分生组织位于片状体一侧,使原叶体成为不对称的心脏形,原叶体发育为水蕨型,无毛状体,精子器和颈卵器较大,该配子体表现为较原始的性状。

粗梗水蕨孢子无菌繁殖的研究

观察了在MS培养基中粗梗水蕨(Ceratopteris pteridoides)孢子萌发和配子体发育的过程,探究了不同无机盐浓度对粗梗水蕨发育过程的影响.结果表明:粗梗水蕨孢子在MS全培养基中萌发率最高,可达60.5%;3/4MS培养基中配子体成苗率最高,可达74.5%;试管苗移栽成活率达到80%以上.由此提供了孢子无菌繁殖粗梗水蕨的方法.

镉胁迫对水蕨幼苗叶绿素荧光参数和生理指标的影响

以一年生水蕨幼苗为试验材料,用不同浓度的Cd Cl2[0(对照组)、20、40、60 mg/L]溶液进行胁迫处理,研究其叶绿素荧光特性对重金属Cd2+胁迫的响应。结果表明:随着Cd2+浓度的增加,水蕨幼苗叶片的初始荧光Fo和非光化学猝灭系数(qN)呈显著增加趋势,而PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光合效率(Yield)、光化学猝灭系数(qP)和电子传递ETR显著降低,说明Cd Cl2溶液处理下的水蕨幼苗PSⅡ受到损伤,且损伤程度随着处理浓度的增大而加剧。此外,Cd2+胁迫引起水蕨幼苗叶绿素含量下降;且随着Cd2+浓度的增加,细胞内膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)和脯氨酸(proline)含量也显著增加。说明水蕨幼苗代谢机制只能抵御较低浓度的Cd2+胁迫,而高浓度的Cd2+处理将对该植株的叶绿素荧光性状及生长发育造成严重的伤害。

水蕨性别决定研究进展

介绍了成精子囊素、赤霉素、培养密度等环境因素对水蕨性别决定的影响以及和水蕨性别决定有关的遗传学和分子生物学研究,概述了以水蕨为材料研究植物性别决定的优势及研究意义,明确了水蕨作为研究植物性别决定的模式植物的地位。

光照强度对水蕨孢子萌发及配子体性别分化的影响

研究了不同光照强度条件对水蕨孢子萌发以及配子体性别分化的影响。结果表明：2 000~4 000 lx的光照强度条件有利于水蕨孢子萌发,4 000 lx光照条件下孢子萌发最快。光照强度约为4 000 lx时最有利于使水蕨发育为两性配子体。光照强度约为1 000 lx时最有利于使水蕨发育为雄性配子体。为水蕨的人工栽培和分子生物学研究提供理论依据。

中国水蕨属孢子形态及其系统学意义的研究

利用扫描电镜和透射电镜技术对我国产水蕨属 2种的孢子形态进行了观察 ,对 2种的形态结构进行了描述。本属孢子是同型孢子蕨类植物中最大的孢子 ,三裂缝 ,肋状纹饰 ,由外壁形成纹饰的轮廓 ;具较薄的周壁 ,在高倍放大的情况下呈颗粒或杆状。我们从孢子形态角度 ,支持水蕨作为一个独立的科 ,它与海金沙科的非洲蕨属 (Mohria)的亲缘关系较近 。

除草剂苄嘧磺隆对粗梗水蕨配子体生长和性器官分化的影响

稻田施用的除草剂可能会污染邻近水域,对非靶标水生植物产生影响。国家二级重点保护野生植物粗梗水蕨(Ceratopteris pteridoides)主要分布于稻田及其周围水域,其有性繁殖敏感阶段与除草剂施用时间一致,配子体易暴露在除草剂污染中。为了评价除草剂污染对水生态环境特别是对非靶标国家重点保护野生水生植物的影响,保护生物多样性和水生生态环境,该文研究了除草剂苄嘧磺隆(Bensulfuron-methyl)对粗梗水蕨配子体生长和性器官分化的影响。结果表明,苄嘧磺隆对粗梗水蕨孢子萌发没有影响,但对其配子体生长有抑制作用。苄嘧磺隆浓度和粗梗水蕨配子体面积呈明显的剂量-效应关系,苄嘧磺隆对粗梗水蕨配子体生长抑制的EC50(半数效应浓度)为0.086μg·L-1,低于已报道的环境背景浓度。随着苄嘧磺隆浓度升高,粗梗水蕨的雌雄同体配子体逐渐减少,且配子体上颈卵器形成时间推迟。在苄嘧磺隆为10μg·L-1时,粗梗水蕨没有雌雄同体配子体形成。以上研究结果表明,低浓度苄嘧磺隆可抑制粗梗水蕨配子体的生长并影响其性器官的分化,使粗梗水蕨有性繁殖能力减弱。

不同光照度下水蕨配子体叶绿素荧光特性的研究

以模式植物水蕨的两性配子体和雄配子体为材料,研究了不同光照度下蕨类植物配子体叶绿素荧光参数的差异,探讨水蕨配子体光系统Ⅱ(PSⅡ)对不同光照的响应规律。结果表明:同一光照度条件下,水蕨两性配子体的实际光化学效率(ФPSⅡ)和潜在光化学效率(Fv/Fm)均高于雄配子体,但无显著差异,此时两者间的光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(qN)值也无显著差异;在4000lx光照条件下,两性配子体PSⅡ驱动的电子传递速率(ETRPSⅡ)显著高于雄配子体。随着光照度的增加,水蕨两性配子体的ФPSⅡ、ETRPSⅡ和qP值逐渐增加,且在4000lx光照下显著增加,但Fv/Fm和qN值无显著变化;而雄配子体的ФPSⅡ、ETRPSⅡ、Fv/Fm、qP和qN值均呈先增后减趋势,但各光照处理间无显著差异。研究发现,水蕨两性配子体PSⅡ的活性相对比雄配子体高;两性配子体和雄配子体的光保护能力相似;光照度对水蕨雄配子体的光合能力没有显著影响,而4000lx的光照度对水蕨两性配子体的生长最有利。

水蕨颈卵器的形成与发育

主要运用电子透射显微镜技术对水蕨(Ceratopteris thalictroides(L.)Brongn)颈卵器形成与发育进行了研究。结果表明:水蕨颈卵器是由原叶体分生组织内颈卵器原始细胞形成的。该原始细胞经2次分裂形成3层细胞,上下两层发育成颈卵器颈部与底部的壁细胞,中层为初生细胞。初生细胞是颈卵器内雌配子发生的第一个细胞,该细胞经2次不等分裂形成1个卵细胞,1个腹沟细胞、1个双核的颈沟细胞。本研究首次阐明了水蕨颈卵器内细胞的发育顺序和特征。

水蕨卵膜的形成及其超微结构的观察(英文)

蕨类植物成熟卵的周围有一层卵膜,但其细微结构和形成过程仍不清楚,本研究应用透射电镜技术对水蕨(Ceratopteris thalictroides)卵细胞发育过程中卵膜的形成及超微结构进行了观察。结果表明水蕨卵细胞在发育中期开始形成卵膜,卵上方的卵膜十分显著,是由多层嗜锇性内质网片层附着于质膜内表面形成的,成熟时卵上方的卵膜中心部分厚,向边缘逐渐变薄,在嗜锇性片层之间填充有嗜锇性物质。比较而言,卵下方及侧面的卵膜薄,由两层紧密连接的嗜锇性膜构成。首次阐明了蕨类植物卵膜形成的超微结构,并对卵膜的一些功能进行了探讨。

水蕨——温州新发现的国家二级重点保护野生植物

报道了温州新发现的国家二级重点保护野生植物——水蕨,并对其生境特点进行了描述,提出了保护的措施和建议。

狭眼凤尾蕨配子体发育及其成精子囊素对水蕨配子体发育的影响

对狭眼凤尾蕨(Pteris biaurita)配子体发育特征及其外源成精子囊素对模式植物水蕨(Ceratopteris thalic-troides)在黑暗和光照条件下孢子萌发和配子体发育的影响进行了研究。结果表明:(1)狭眼凤尾蕨孢子深褐色,三裂缝,孢子萌发为书带蕨型,原叶体发育为水蕨型,无毛状体产生;培养发现,其配子体能产生精子器,但不产生颈卵器,当接种密度适中时,可进行无配子生殖。(2)在光照和黑暗条件下狭眼凤尾蕨成精子囊素有促进和抑制水蕨孢子萌发的作用,但效果均不显著。(3)在光照条件下,狭眼凤尾蕨成精子囊素可以延迟水蕨心脏形配子体分生组织缺刻的形成,但对其配子体形态和性别分化无明显影响;而在黑暗条件下狭眼凤尾蕨成精囊素对水蕨长条形配子体的形态发育具有一定影响,与对照组相比其顶端分生组织发达,整体呈长楔形,对性别分化影响不显著。可见,狭眼凤尾蕨和水蕨不具有同种成精子囊素系统。

除草剂二氯喹啉酸对粗梗水蕨有性繁殖的影响

研究了除草剂二氯喹啉酸对国家二级重点保护野生植物粗梗水蕨(Ceratopteris pteridoides)有性繁殖的影响。研究发现二氯喹啉酸对粗梗水蕨孢子萌发没有影响,但对粗梗水蕨配子体生长有抑制作用,二氯喹啉酸浓度和粗梗水蕨配子体面积呈明显剂量-效应关系,二氯喹啉酸对粗梗水蕨配子体生长抑制的EC50为0.48 mg.L-1。随着二氯喹啉酸浓度从0.1 mg.L-1开始升高,粗梗水蕨配子体分化形成的雌雄同体配子体逐渐减少,同时雌雄同体配子体上颈卵器形成时间推迟,颈卵器数量减少。当二氯喹啉酸浓度为4 mg.L-1时,没有雌雄同体配子体形成。以上研究结果表明,粗梗水蕨配子体生长受到二氯喹啉酸的抑制,自身的成精子囊素性别调控系统间接受到影响,导致粗梗水蕨有性繁殖能力减弱。该研究可为除草剂对非靶标水生植物的生态风险评价提供基础资料,保护水生植物多样性。

水蕨孢子壁的形成和发育

利用光镜、扫描电镜和透射电镜对水蕨科(Parkeriaceae)水蕨(Ceratopteris thalictroides(L.)Brongn.)孢子壁的形成和发育进行了研究。结果表明,水蕨孢子呈辐射对称,三裂缝,表面具肋条状纹饰。孢子壁由内壁、外壁和周壁三部分构成。在四分体阶段外壁已基本形成,其外壁显著,表面光滑,质地均匀,由孢粉素形成,外壁厚约3-5μm,脊高约5-7μm。周壁由绒毡层残余物在外壁表面沉积形成,较薄,厚度只有0.1μm,表面具有杆状突起。研究结果对揭示孢子纹饰和孢子壁各层的形成过程、来源和稳定性有一定的意义,并为蕨类植物孢粉学和系统学研究提供基础资料。

水蕨(Ceratopteris thalictroides)查尔酮合成酶基因的克隆和表达(英文)

查尔酮合酶(chalcone synthase,CHS)是植物类黄酮化合物合成的关键酶,有关蕨类植物CHS基因的序列及功能信息尚不完善。本研究采用快速扩增c DNA末端(RACE)技术克隆获得了模式蕨类植物——水蕨(Ceratopteris thalictroides)Ct CHS基因(Gen Bank登录号:JX027616.1),其c DNA序列全长为1616 bp,具有3个外显子和2个内含子,开放阅读框(ORF)为1215 bp,编码404个氨基酸。进化树分析表明,Ct CHS与问荆(Equisetum arvense)、松叶蕨(Psilotum nudum)和3种薄囊蕨的查尔酮合成酶基因聚为一枝,说明这些蕨类植物亲缘关系较近且为单系起源。通过构建原核表达体系成功获得Ct CHS蛋白的多克隆抗体并用于免疫印迹分析,结果表明Ct CHS基因的表达明显受紫外光(UV)诱导。Ct CHS基因的克隆与表达分析为进一步研究水蕨类黄酮化合物的合成及其调控机制提供了依据。