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作为一种重要的种子性状,种子粘液层被认为在植物的生活史对策中发挥重要的生态功能。前人对种子粘液层生态功能的研究多局限于种子传播和定居方面,对粘液层在种子萌发和幼苗生长中的生态功能研究开展少且多局限于猜测和理论探讨,缺乏直接的实验生态学证据。本文以我国西北荒漠地区流动和半固定沙丘上的优势植物和重要固沙植物白沙蒿粘液种子为研究案例,利用野外调查、野外控制实验和实验室分析等实验生态学的研究方法,系统研究和揭示了白沙蒿粘液层的多糖组成以及在种子萌发、种子活力维持和幼苗建成中的生态功能及其生理生态学机制。研究结果如下：
⑴研究了白沙蒿瘦果粘液层的物质组成。白沙蒿的粘液层是覆盖在瘦果(以下简称种子)外表皮上的果胶物质,遇水膨胀能够吸收大量的水分。采用高效阴离子色谱技术(HPAEC)鉴定出种子粘液主要是由6种中性糖和2种酸性糖组成的多糖物质粘液中主要成分是葡萄糖(29.4％)、甘露糖(20.3％)和阿拉伯糖(19.5％)。
⑵研究了粘液层在异质性生境条件下种子萌发中的作用。结果表明,完整种子和去除粘液种子的萌发率均随着PEG和NaCl浓度的升高而降低,而在相同浓度下完整种子的萌发率显著高于去除粘液种子,但是在渗透和盐分胁迫条件下,完整种子的早期幼苗生长与去除粘液种子没有显著差异。因而,粘液层能够促进种子在干旱和盐分胁迫下的萌发从而有助于白沙蒿种群的更新。
⑶研究了粘液层在种胚细胞DNA修复和种子活力维持中的作用。当前对粘液层在种子萌发前的过程(特别是生理生化过程)以及活力维持中的作用知之甚少。本文研究了种子粘液层在有效利用荒漠小水量(露水)事件中对种子细胞受损DNA修复过程所具有的作用。实验通过750 Gy的γ射线处理白沙蒿种子诱导种子细胞产生DNA损伤,处理后半数种子去除粘液层。然后将种子置于荒漠露水条件下处理一定时间,再用彗星分析方法测定有无粘液层的两种类型种子细胞DNA修复状态。结果显示,种子细胞DNA损伤随着处理射线剂量的增加而增加,且DNA损伤与射线剂量间呈线性关系。荒漠露水在午夜或凌晨出现,单次露水时间最长可达421min。完整种子比去除粘液种子能够吸收更多的露水,并在日出后可以持水更长时间。在4天露水处理后,经750Gy处理的完整种子和去除粘液种子细胞DNA损伤分别下降到46.84％和24.38％。在露水处理中,完整种子表现出显著高于去除粘液种子的DNA修复比率。完整种子在露水处理后萌发率有增加的趋势,这种增加在露水处理1115min后变的显著。完整种子在露水处理后,无活力种子数呈下降趋势,在露水处理1020min后两种类型种子间的无活力种子数量有显著差异。因而,种子粘液层可以在小量降水的条件下促进种子细胞DNA的修复,维持DNA的完整性,从而保证白沙蒿在基因胁迫的荒漠条件下维持种子活力和有效土壤种子库。
⑷研究了粘液物质在土壤中的分解及其对幼苗生长的作用。尽管目前对于种子粘液合成的研究日益深入,但是对于种子粘液在生境中是如何降解及其在种子萌发所处的土壤中的作用(特别是考虑到土壤微生物)还一无所知。本文首次报道了种子粘液被自然生境中的土壤微生物所降解的过程及这一过程对幼苗早期生长的影响。Biolog微孔板、化学分析、磷脂脂肪酸分析(PLFA)和核糖体间隔基因分析(RISA)表明,传播到土壤中的种子粘液层能够被来自于自然生境中的土壤微生物所降解,使种子粘液多糖分解为C02和其它降解产物,并使微生物群落生物量增加。多糖的荧光标记实验和幼苗的生长分析表明,通过植物.土壤微生物相互作用的多糖降解过程产生的降解产物和改善的微生物群落共同显著促进了白沙蒿幼苗的早期生长。白沙蒿种子粘液层生态功能分析的研究案例表明,粘液层的吸水和保水特性能够促进种子在干旱生境下的萌发,促进种子受损DNA的修复和维持种子的活力,同时粘液多糖还通过土壤微生物降解有效促进了幼苗的生长。因此,种子粘液层在荒漠植物成功适应异质性生境中具有重要的生态功能,是荒漠植物生活史的重要种子适应对策。