（微生物学专业论文）沉水植物菹草的人工种子技术研究.pdf

： 硕士学位论文 m a s t e r st l l f ! ；l s 摘要 沉水植物是淡水生态系统尤其是浅水湖泊生态系统的主要成员，沉水植被的恢 复是受损水体生态系统修复的关键。由于大多沉水植物种子难以获得，当水体的植 物种子库受到严重破坏时，水生植被的恢复工程必然需求大量的水生植物种苗。目 前用于水生植被恢复工程的种苗都是从自然水体捞取，这就对种源地的植物种群造 成了破坏。此外，种苗的获得也会受到季节和运输距离的限制。利用人工种子技术， 可避免对种源地植物资源的破坏，且操作简易，不受季节和运输距离限制。 为满足水体生态系统重建及水体景观对沉水植物种苗的需求，本文建立了菹草 人工种子的制作方法，并分析了菹草人工种子的萌发条件。结果表明，以海藻酸钠 为包埋剂，在包埋剂中添加i b a1 om 班+ 6 b a0 5m g l ，制备了菹草人工种子。 该人工种子在灭菌自来水中萌发率可达8 0 ，转株率达2 0 。在1 5 2 5 0 c 之间，温度 对菹草人工种子萌发和转株的影响不显著；氮磷水平对菹草人工种子萌发和转株的 影响不显著；光强对菹草人工种子的萌发和转株有显著影响，较高的光强有较高的 萌发率和转株率，光强为4 0 岬o l n 1 2 s 时，菹草人工种子萌发率、转株率分别为6 8 、 3 6 ；底质对菹草人工种子的萌发和转株有显著影响，菹草人工种子在黄沙壤上的 萌发率为6 0 ，黄沙壤比淤泥和砂石更适合菹草人工种子萌发和转株；菹草人工种 子在武汉东湖的试验中萌发率、转株率分别达到2 8 、1 5 ，在洪湖围隔内菹草人 工种子的萌发率和转株率亦达到了31 和2 9 。 关键词：生态重建；沉水植物；菹草；人工种子；萌发率；转株率 a b s t r a c t i k s t o r a t i o no fs u b m e 玛e dv e g e t a t i o ni sn i ek e ys t e po fr e 咖r a t i o no fa q u a t i c e c o s y s t e mi ne 咖p k cl a 玉s i fm es e e db a l l l ( o fm ew a t e rb o d yw a u ss 仃o n g l yd e s t r o y e d ， i ti s n e c e s s a 巧t 0g e tp l e n t yo fs e e m i n g sf o rr e s t o m t i o no fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e s b e c a u s eo ft h ed i f ! f i c u l t ) ，o fg e t t i n ge n o u g l ls e e d s s e e d l i n g so fs u b m e r g e di n a c r o p h y t e s a r eu s u a l l yh a r v e s t e df r o mo t h e rw a t e rb o d i e s ，t l l i sw a ym a yd 锄a g et l l es o u r c e v e g e t a t i o na n da l s om a ye n c o 眦t e ri n s u 伍c i e n ts u p p l yo fm a c r o p h y t e s 1 1 1 et e c h m q u eo f a r t i f i c i a ls e e d si sap r o m i s i l l gm e m o dt 0p r o v i d eal a 唱en u m b e ro fs e e d l i n g si nas h o r t t i m e 、访t h o u tl i m i t a t i o no fs e a s o i l ，l o i 培d i s t a n tt r a n s p o r t a t i o n 锄dk m 【i lt ot h e 碰m 砌 m a c r o p h y t ec o i l l 咖m i 够 m e m o d sf o rt i l ep r e l 斌a t i o no f 枷f i c i a ls e e d so f 尸d 肠聊呼幻甩如p 螂l 髑 e s t a _ b l i s h e dt o n 屺e tm ed e m a n do fs e e d l i i l g so fs u b m e 唱e dm 跏p h y t e si na q u a t i c e c o l o 西c a lr e s t o r a t i o n t h en o d es e g m e n t so fp o 细研。罟它f o 玎c r 趣p 螂w e r ee n c a p s u l a 锄 晰t i ls o d i 啪a i l dc a j c i u mt of 1 0 n 1 1a r t i f i c i a ls e e d s i i lt m ss t u d y 缸l ee e c t so fh o 皿o n e 够p e s 戤l dc o i l c e n t r a t i o n ，t 锄p e r a ：t u r c ，l i g h ti i l t e n s i t y ，c o n c e n 觚t i o no fi l i 协) g e n a n d p h o s p h o r u sa n ds u b s t r a t e 啪 eo n 吐圮g e r m i n a t i o na n dc o n v e r s i o no f 积i f i c i a js e e d so f p o 幻聊o g 它f d 玎c ，趣p 凇、e r ei n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t so fg e r m i n a t i o n 锄dc o n v e r s i o no f 也ea n i f i c i a ls e e d si nl d k e 、v e r ea j s oc o n d u c t e d t h eg l 瑚r i l i n a t i o n 锄dc on v e r s i o n 丘e q u e l l c i e so fa r t i f i c i a ls e e c i s ，w h i c he m b e d d e di n m a1 0m g la n d6 一b a0 5m g l ，w e r e8 0 a n d2 0 r e s p e c t i v e l yi na i i t o c l a v e dt a p w a t e r n os i g l l i f i c a n te 岱：c to ft e m p e r a t u r ew a sf o u n do nt h eg e m i n a t i o na 1 1 dc o n v e r s i o n i 1 1 舳g eo f15 2 5 0 c s i n l i l a j l yn i 们g c na n dp h o s p h o n l sc a u s en os i 鲥f i c 锄tc h a n g eo n n l eg e n n i n a t i o na n dc o n v e 邸i o n l i g mi n t e i l s i 够a f f e c t e dt h eg e m i n a t i o na n dc o n v e r s i o n s i g n i f i c 锄l y h i 曲e rl i g h t 毗n s 时f a v o r c dt h eg e 姗i m t i o no fa r t i f i c i a ls e e d s n l e g e r m i n a t i o n 趾l dc o i e r s i o n 瑚l 钯so ft l l ea r t i f i c i a ls e e d sr e 础l e d 6 8 a i l d3 6 r e s p e c t i v e l ya tl i g h tn e i l s 毋o f4 0 陋l o l m z s s u b s 唿t et ) ，p e s a l s oa 彘c t e dt h e g e n n i i l a t i o ns i g m f i c a n t l y s a n d ys o i lw 嬲b e t t e rt h a i ls 砒l d s t o n e 船ds i ht os u p p o r tm e g e 肌i i l a t i o n t h eg e m l i n a t i o nr a t ew a u s6 0 o nt l l es a i l d ys o i l t h eg e n n i n a t i o na n d c o n v e r s i o n 缸q u e n c i e so f 矾f i c i a ls e e d so fp 卸懈、e r e2 8 a n d15 r e s p e c t i v e l y ， u n d e rw a t e rd 印也o f0 6mi nm ee a s t l a l 【ei nw i l l l 锄c i 够i na d d i t i o n ，t l l ed e v e l o p m e n to f 枷f i c i a ls e e d s 、v 嬲i n v e s t i g a t e dma i le n c l o s u r ei nl a | 【eh o n g ，a n dt l l eg e 枷i o n 锄d c o n v e r s i o nr a t e so ft l l e 积i f i c i a ls e e d sr e a c h e d31 a n d2 9 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：e c 0 1 0 9 i c a lr e 咖m t i o n ；s u b m e r g e dm a c r o p h y t e ；尸d 砌肌p 班r d 刀盯五驴螂l ； a n i f i c i a ls e e d s ；g 咖曲a t i o nr a t e ；c o n v e r s i o nr a t e 硕士擘住论之 m a sie r st l l i ：s l s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 懈名：安彦庶、 一，、| 。 日期：7 伊瞵多月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 储签名：蜜袁枣 日期：膨多月舌日言篓葛船日日期：矽辟莎夤罗日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃意途塞握变卮进卮! 旦圭生；旦二生；旦三生筮鱼! 储虢复彦夸 日期：渺籽占月占日 导师张彩矽 日期：捌年办罗日 硕士学位论戈 m a s t f r st e s l s 第一章文献综述 1 1 沉水植物在水体生态系统中的重要功能 沉水植物是淡水生态系统尤其是浅水湖泊生态系统的主要成员，在维持水体生 态系统的结构和功能及生物多样性方面执行非常重要的作用【l 】。由于水体富营养化 程度、范围的不断扩大以及渔业养殖过度，沉水植物群落普遍退化或消失【拍】，随之 造成整个水体生态系统功能的普遍退化，常引起水华暴发，严重妨害了工农业生产 和人民健康。 1 1 1 水体生物多样性赖以维持的基础 作为生物环境，沉水植物通过有效增加空间生态位、提供避难场所、抑制生物 性和非生物性悬浮物，改善水下光照和溶氧条件，为形成复杂的食物链提供了食物、 场所和其他必要条件：也间接支持了肉食和碎屑食物链，是水体生物多样性赖以维 持的基础【4 】。 在一个生物群落中，物种之间通过各种方式相互依存、相互制约，包括捕食者 一被捕食者、寄生者一寄主、互惠共生等。由于群落中某些物种的灭绝，使这些关系 被破坏而导致与其密切相关的其它物种的灭绝称之为次生性灭绝。在淡水生态系统 中包括有“水下森林”之称的水生高等植物群落的破坏而导致的一系列物种灭绝。 草食性鱼类的过度放养往往导致水草群落的极度破坏及由此诱发的一系列次 生性灭绝。水草又是许多周丛生物及螺类等生存的基础，还为许多鱼类提供了栖息 和产卵场所。水草的存在是整个水生动物群落多样性增加的基础。水草的消失除反 过来导致草食鱼类自身种群的崩溃外，还带来物种的次生性灭绝，包括许多以水草 为食料或栖所的饵料生物以及以这些生物为食料的鱼类，如许多周丛生物及螺类 等，随水草的消失而绝迹。鲤、鲫、乌鳢等产粘性卵鱼类，由于所需的附着基质减 少而使其产卵场所遭受严重破坏，由于螺类等赖以生存的环境条件被破坏，减少了 鲤、青鱼类的天然饵料量，草食性鱼类的优势被滤食性鱼类所取代等【2 l 。 沉水植物通过增加水体生态系统的空间生态位，提高了系统生物多样性【5 1 。沉水 植物的消失可使系统中食物链变短、食物网简化、各主要生物群落的物种多样性下 降【6 】。对许多类群生物的研究均得出相似结果，如纤毛虫【7 1 、腹足类引、底栖动物【9 】、 藻类【l o 】、附着螺类和原生动物等。 磺士学位论文 m a s t f r s r l l f s l s 研究还发现，水草丰富的东太湖的底栖硅藻、底栖动物种类与数量和价值高的 经济鱼类种类与产量均较水草受破坏的西太湖多【1 3 1 。在长荡湖，随着水草的衰败， 大型鱼类资源严重衰竭，鱼类种群结构简单化、小型化；草食性、杂食性鱼类失去 了饵料保证；草丛产卵型鱼类资源骤减，敞水产卵以浮游生物为食的梅鲚、银鱼的 资源量逐渐上升i l 训。沉水植物表面还着生有大量藻类、原生动物和螺类等，一旦沉 水植物消失，将使得水体生物群落结构发生改变，即食物链缩短，水体中的螺类、 草食性鱼类和凶猛性鱼类等减少或消亡，滤食性鱼类增加【1 5 】。 1 1 2 对水质的净化功畿 沉水植物能降低水流流速，有效地抑制风浪和藻类，减弱风浪或鱼类觅食引起 的底质沉积物再悬浮，促进营养物质的沉积，减少沉积物中的磷向水层的释放，达 到对湖泊水体的净化作用。沉水植物所固定的矿质营养在整个生长期中都不会被明 显释放，这对控制营养物的循环速度有明显作用。除根部以外，沉水植物的叶片对水 层的营养物有很强的吸收功能，对藻类的生长能起到控制作用。沉水植物通过控制 藻类、减缓营养循环速度和增加水体稳定性等功能有效提高了水体环境质量【4 】。 沉水植物具有较强的净化能力。为适应水中生长，沉水植物的茎、叶和表皮都 与根一样具有吸收作用，且皮层细胞含有叶绿素，有进行光合作用的功能。 这种结构对水体中营养盐类的吸收降解及对重金属元素的浓缩富集都有很强的 作用。 沉水植物有过量吸收营养物质的特性，可降低水体营养水平，从吴振斌等的研 究结果看，沉水植物可以显著降低并维持水体n 、p 营养水平【1 6 1 。乌梁素海优势种沉 水植物一龙须眼子菜氮平均含量1 6 5 ，磷平均含量0 1 7 ，如果每年收获5 1 0 t ( 干重) 即可向湖外转移出8 2 5t 氮和8 5t 磷【1 7 】。有研究者利用实验室人工模拟太湖地 区冬木春初时节的气象条件，选择的几种耐低温的水生植物伊乐藻、微齿眼子菜、 竹叶眼子菜生长良好，且都能较好地吸收水中的营养物质，其中微齿眼子菜在中营 养条件下第1 5 天对t p 的累计吸收率可达4 7 7 9 【1 8 】。 沉水植物有与水体充分接触的茎叶和表浅的底泥根系，有得天独厚的吸收条 件，成为对水体污染物有较大吸收净化能力的生物是可能的。这些已在水体氮、磷 的净化中被证实，而对银的净化富集能力顺序是沉水植物 漂浮和浮叶植物 挺水植 物。杨保华等研究证实，鲜重条件下，两种植物的叶是汞的主要浓缩器官，表明两 种植物对汞有一定的浓缩能力，且水马齿、篦齿眼子菜对低于o 0 5m g l 。浓度汞均 有较好的耐受性【l 引。 2 硕士学位论文 m a s t f r st i l e s i s 1 1 3 对水体物理环境和生物地化环境的影响 沉水植物作为水体中较大的生物群，对水体物理环境的改变比较显著。不同种 沉水植物的消光系数最大可相差4 倍。这种种间差异造成对沉水植物群丛中共生种 和植株上着生生物的生长环境差异。沉水植物区的垂直温差可达1 0 m 1 ，而临近的 无植被区为0 2 m 。白天垂直的稳定梯度与沉水植物的生物量的对数成线性正比。 沉水植被区有利于保持小颗粒底质的稳定性，增加碎屑沉积量【4 】。 沉水植物的生长代谢对环境的生物地球化学环境影响尤为显著【川：( 1 ) 沉水植 物的生长显著影响水体溶氧、p h 、无机碳形态及含量；( 2 ) 水生植物死亡腐烂的 生态学后果是释放初溶解物质、消耗环境溶氧和抬高底质。植物死亡腐烂对生物地 化环境的影响力取决于植物生物量和温度、溶氧浓度和氮浓度等一系列环境因子； ( 3 ) 沉水植物较浮叶植物更有效地提高水体的氧化程度，与相邻的裸地相比，聚 草密集生长区的同溶氧变幅是后者的两倍之多，沉水植物根际的氧化程度也很显 著：( 4 ) 沉水植物主要是通过根系吸收底质中的磷，然后分配到枝条，最后通过 植物的活体释放或死亡腐烂释放到水体中。 沉水植物对其他生物群落的重要性主要取决于其生物量和初级生产力，沉水植 物是附植生物的生活基质，它为附生的牧食生物提供了附植食物、避难所、接近空 气一水层晃面的生存环境、氨基酸和无氨条件【4 】。沉水植物的变化和消失会导致附植 生物和着生动物的生境的减少。 1 2 国内淡水湖泊沉水植被退化现状 湖泊是地球上最重要的水资源之一，中国湖泊众多，面积大于1k m 2 的湖泊有2 8 4 8 个，其中淡水湖泊面积占4 5 【2 0 j 。我国淡水湖泊主要分布在长江及淮河中下游、 黄河及海河下游的东部平原区，且多为浅水湖泊，我国五大淡水湖均分布在该区域。 浅型湖泊是一类较脆弱的生态系统，它具有较低的污染负荷能力【2 1 1 。受人类干 扰较轻的浅型湖泊多以大型水生植物占统治地位，它能有效的抑制风浪和藻类，促 进营养物的沉积，降低营养物含量，提高湖泊的自净能力乜引。水体的污染和渔业过 度养殖导致许多湖泊失去了水生植物的保护，风浪的搅拌引起营养物的释放，导致 了富营养化瞄讲】。 湖泊富营养化的过程是湖泊退化衰老的表征。湖泊富营养化现象的发生，主要 是由于工业废水和生活污水的排放，使湖泊内氮、磷等营养物质大量增加引起藻类 暴发性增长形成水华所至。如洞庭湖区现在工业污染源2 0 0 7 个，每年工业废水入湖 硕士学位论丈 m a s t 弘r st l l l - s i s 量达4 2 7 亿t ，致使湖水水质严重恶化；巢湖每年接纳工业污水1 4 亿t ，生活污水 0 3 5 亿t ，污水处理率只有2 5 ，绝大部分城市污水未经处理而直接排入巢湖【2 5 1 。目 前，我国湖泊富营养化日趋严重。根据对全国2 5 个大中型湖泊进行的调查，已趋富 营养化的湖泊达9 2 。 滇池是我国著名的大型高原淡水湖，是昆明市的重要水源，又是唯一的纳污 水体。上世纪6 0 年代，滇池水质优良，水生生物物种丰富。随着社会经济发展和人 口增长，滇池的富营养化同趋严重。5 0 年代滇池水生维管束植物有2 8 科4 4 种，7 0 年 代为2 2 科3 0 种，8 0 年代末仅存1 2 科2 0 种，至9 0 年代已残存无几，一些敏感的水生植 物群落濒临灭绝，水生植物群落面积急剧减缩，并向浅水区迁移，水生植物群落 面积向小型化发展l z 6 j 。 1 9 5 5 年，西湖进行了为期4 年的大规模疏漉平均水深从o j5 m 增至1 8 m 。疏浚 造成了底栖动物与水生维管束植物的大面积破坏，浮游藻类与水深的增加、透明度 的降低对沉水植物的生长都极为不利。与此同时，对西湖进行了渔业开发，大量放养 草食性鱼类( 草鱼、团头鲂) ，使高等水生植物彻底灭绝。当时除北里湖、岳湖和三 潭内湖有少量人工栽培的莲之外，其余湖区无任何水生高等植物生长【l 】。西湖水生生 态系统所发生的水生生物群落的演替，与国内一些著名湖泊以及长江中下游的大部 分湖泊有许多相似之处口7 1 。人类活动的干扰、不合理的渔业开发、高等水生植物的 大面积破坏直至消失是它们共同的特点【2 3 。2 9 】。 太湖是我国著名的淡水湖泊，位于中国经济发展较快的长江下游三角洲地区。 该地区人口密度大，城市化程度高，经济发展速度快。长期以来，太湖集供水、蓄洪、 灌溉、养殖、旅游等多种功能于一体【3 0 j 。上世纪6 0 年代以前，太湖湖区水生高等 植物繁茂，6 0 年代后期放养草食性鱼类以来，水生高等植物开始衰退，到7 0 年代， 除东太湖及局部岸边有少量挺水和漂浮植物分布外，大湖区内水生高等植物绝迹， “水下森林 消失，鱼类和浮游生物小型化趋势日益明显，生态系统失去平衡，沉 积物中的污染物浓度不断升高，湖区富营养化进一步加深。湖区藻类数量急剧上升， “水华出现的频率和持续时间逐年增加，“水华 严重时，一些水厂被迫停产或供 水质量严重下降，直接威胁到生产、生活及生存【3 l - 3 4 】。 目前全世界的水域生态系统正在受到严重地改变和损害，这种变化和破坏的程 度显然大于历史上任何时期，而且受到损害的速率远远大于其自身的及人工的修复 速率印j 。究其原因主要是人们在寻求发展经济和开发享用自然资源的同时，采取短 视行为，忽视了水域生态系统的支持能力，一方面对有限的自然资源进行掠夺性的 开采，另一方面又将生产过程的副产品( 污染物) 大量排放到自然环境中，使许多原 4 硕士学位论丈 m a s r e r st l l l s l s 本健康或一些本来就十分脆弱的水域生态系统急剧退化和受损，其中包括江河湖海 污染严重、水生植被破坏、生物多样性丧失等等一系列生态灾难，致使自然生态系 统的健康或它的完整性受到越来越大的损害1 3 6 1 。因此，恢复和重建受损害的水体生 态系统是摆在全社会面前的紧迫任务。 延缓以至阻止水域生态系统受损进程，保持淡水资源持续健康发展已成为当今 社会关注的焦点。恢复和重建受损水域生态系统的重要性已越来越被人们所认识并 逐渐形成研究热点。沉水植被如同水下森林，对水生态系统结构和功能的稳定起至 关重要作用【3 7 枷】，沉水植被的重建是受损水域生态系统修复的关键【2 4 4 1 1 。 1 3 沉水植被的重建研究 1 3 1 沉水植物重建的理论基础 许多学者认为，生态系统存在两个或多个平衡态( m u l t i p l ee q u i l i m a ) ，在受到外 界干扰时，内部因子不是平稳地做出响应，而是表现出滞后( 1 l y s t e r e s i s ) 和跳跃( s u d d e n j 啪p ) ，这就是多稳态现象1 4 羽。t i m m s m o s s 【4 3 l 指出，富营养化浅水湖泊中存在两种 稳定的状态：一种是水生植被丰富的清水状态，另一种是浮游植物占优势的、沉水和 浮叶植被较少的浑水状态。通常称之为草型清水状态和藻型浊水状态。 浅水湖泊发育的贫营养阶段，作为湖泊初级生产者的高等水生植物和藻类生长 均受到营养缺乏的制约而不能充分发育。随着营养物质的输入与积累，有可能分化 出两条演变途径：一条是沉水植物的不断发展从而抑制了藻类的生长，形成的沉水植 被可以增强湖泊的自净能力，污染物可以通过沉积、生物转化、生物产品收获等途 径离开水体，湖水可保持清澈状态且营养水平上升比较缓慢，这种状态称为“大型 水生植物占优势的清水状态，即“草型清水状态 ：另一条途径是浮游藻类的不断 增长抑制了沉水植物的生长，沉积物的再悬浮作用比较强烈，增加了湖水的混浊度， 营养盐的生物输出和沉积输出减少，湖水营养水平上升较快，这种状态称为“浮游 藻类占优势的浊水状态”，即“藻型浊水状态 。在受到人为干扰较小的情况下，湖 泊往往可自然发育成“草型清水状态 ，但是在强烈的人为干扰下，湖泊的“草型 清水状态”就往往会被“藻型浊水状态 所取代。 生物操纵( b i o m a n i p u l a t i o n ) 是由s i l a p i r 0 掣4 4 j 于1 9 7 5 年首先提出的，就是用调 整生物群落结构的方法控制水质，主要原理是调整鱼群结构，保护和发展大型牧食 性浮游动物，从而控制藻类的过量生长。鱼群结构调整的方法是在湖泊中投放、发 展某些鱼类，从而抑制或消除另外一些鱼种，使整个食物网适合于浮游动物或鱼类 硕士学往论文 m a s 下f r st l e s i s 自身对藻类的牧食和消耗，从而改善湖泊环境质量。1 9 8 5 年，c a r p e n t e r 等【4 5 】提出 了“营养级联相互作用 ( c a s c a d m g 仃0 p l l i c 缸e m c t i o n s ) 的概念。其主要观点是， 食物网顶端生物种群的变化，通过体型大小的选择性捕食，在营养级中自上向下传 递，对初级生产力产生较大影响。1 9 8 6 年，有学者提出了“上行下行 理论【4 6 】， 该理论认为浮游植物生物量是由上行力与下行力共同决定的，而非营养物质单独 决定。 由于上行效应的存在，湖泊中的营养物质对于生物操纵的实施效果有着不可忽 视的影响。对于生物操纵来说，营养物质是存在有效浓度范围的【4 7 1 。1 9 9 0 年，b e 衄d o r f 提出了生物操纵有效的磷负荷阈值删( t l l l e s h o l do f p h o s p h o m sl o a d i n g ) 概念，认为 只有当湖泊磷负荷低于阈值时，下行效应才能在食物链的底层起作用。而且，不同 类型水体的这种磷负荷阈值差异极大。j e p p e s s e n 等【4 9 】将浅水湖泊生物操纵有效的磷 负荷阈值定为夏季o 1 m g l 左右( 0 0 8 0 1 5 m g l ) 。 在水体营养水平消减到允许水生植物占优势的清澈状态存在时，生物操纵作为 一种附加措施，可能发生从浮游植物占优势到水生植物占优势的转变，在湖泊的恢 复中具有重要作用【5 。欧洲的荷兰、丹麦等国利用生物操纵技术对小型浅水富营养 湖泊进行恢复，获得一定效果。但对以武汉东湖为代表的长江中下游浅水湖泊而言， 亚热带水体枝角类的生活史与欧洲、北美的温带湖泊不同，在夏初秋术大型枝角类 种群存在季节交替，加之营养水平高，生物操纵的作用还有待进一步研究【5 。 1 3 2 沉水植物重建的研究及实践 我国在“八五 期间开始研究富营养化水体沉水植被的恢复与重建技术，沉水 植被的重建已经被作为湖泊富营养化治理的重要手段，已经完成或正在实践中。 黄文成1 9 9 0 年调查并论证了恢复沉水植物是治理草海的最佳生物措施【5 2 1 。任久 长认为恢复沉水植物，不同深度水域必须具备应有的透明度数值【5 3 1 。程南宁做了有 关重污染水体中沉水植物繁殖及移栽技术方面的探讨【5 4 1 。 邱东茹等【5 5 j 在武汉东湖进行了水生植被恢复方面的研究工作，分别在东湖水果 湖、汤林湖和后湖等三个湖建立水生植被恢复示范区挺水植物莲和芦苇、浮叶植 物菱和选择型的沉水植物苦草、聚草、菹草和大茨藻等在三个植被恢复示范区均可 以恢复：而黄丝草、伊乐藻、黑藻等在后湖示范区可以恢复，在水果湖恢复未能成 功；黑藻在汤林湖示范区也未能恢复。在水生植被演替动态研究和中试规模的恢复 试验的基础上，提出了以东湖为代表的富营养浅水湖泊水生植被恢复对策。 金刚等在保安湖开展了有关沉水植被恢复及其渔业效益的研究工作【5 6 】。通过消 6 ：， 硕士学位论文 m a sr f r 。s 下l l e s l s 除对沉水植物生长有破坏作用的草食性鱼类和杂食性鱼类，在低水位的早春选择无 风浪的天气移栽水草，于1 9 9 4 年在保安湖一个面积为3 3 h m 2 网栏湖汊成功地恢复了 绝迹8 个月的水草群落，至秋季时水草覆盖率达5 0 。 成小英等【57 j 于大多数水生植物处于衰亡期且引种和恢复水生植物往往十分困 难的秋术冬初，借助物理生态工程技术，在重富营养化湖泊中新建l o o o m 2 围隔，引 种漂移植物和沉水植物；利用群落间的相互作用及人工干预，若干种水生高等植物， 不仅能够引种存活，而且能够快速提高水体透明度、改善水质。 李文朝在富营养湖泊五里湖中开展了常绿型人工水生植被组建实验，在面积为 2 0 0 0 m 2 的半封闭式围隔实验区中，选用耐寒植物伊乐藻和喜温植物菱及风眼莲，组 建成了常绿型人工水生植被1 58 。这种常绿型人工水生植被不仅使实验区内常年保持 较好的水质，而且对外来污染冲击有很强的缓冲能力，它可用于水源保护，局部性 水质控制，污水净化生态工程，小型富营养水体的生态恢复等。如能解决耐寒型沉 水植物伊乐藻与喜温型沉水植物种类间的衔接过渡，这种常绿型人工水生植被技术 还可望用于富营养水体中天然水生植被的恢复。 沉水植被退化已成为世界范围内一个普遍现象，众多研究表明，在水污染得到 一定程度治理，水体透明度得到一定程度的改善，水体在截污的前提下，重建水体 生态系统，恢复健康水生态系统的自净能力被认为是长期稳定地解决水污染的根本 措施。沉水植物的恢复成为水污染综合治理的关键环节。由于大多沉水植物种子难 以获得，当水体的植物种子库受到严重破坏时，水生植被的恢复工程不可避免对水 生植物种苗有大量需求。 通常每平方米水面需要5 1 0 株( 蔸) 水生植物种苗，而每平方公里水面则需要种 苗上千万株( 蔸) ，即使每株种苗按0 2 元计算，每平方公里水面所需种苗的费用也 达二百万元。目前在水生植被的恢复工程中使用的种苗完全是从自然水体捞取，这 种方法实质上是拆东墙补西墙的做法，不仅对种苗来源地的水生植物资源造成破 坏，事实上也经常遇到种苗资源的缺乏，即无法获得某些植物的足够种苗量，而且 由于种苗采集一般都要经过长途运输，植物在种植后成活率低，这就造成成本高而 效益低，得不偿失。除此之外，水生植物种苗的获得还常常受到季节的影响。因此， 为了满足水生植物种苗的迫切需求，亟需发展水生植物种苗新的来源方式。 1 4 人工种子的概念、结构及优点 人工种子( 硼i f i c i a ls e e d s ) 或合成种子( s y n l e t i cs e e d s ) 的概念是m u r 嬲l l i g e 于1 9 7 8 年在国际园艺植物学会上提出的5 9 1 。与传统的组织培养相比，人工种子在完成包被 7 | 酉i ： 硕士学位论文 m a s + l e r st i l e s l s 后，不需实验室条件支持，能够更广泛地应用于生产【砷】。2 0 多年来，人工种子技术在 农作物【6 l j 、园艺植物6 2 1 、药用植物【6 3 1 、牧草脚1 和林木嘲等方面都有了很大的发展。 1 4 1 人工种子的概念 人工种子是指利用细胞的全能性，将离体培养所产生的体细胞胚或具有发育成 完整植株能力的分生组织( 如芽和茎段等) 包裹在一层含有营养物质并具有保护功 能的外膜内，形成在适宜条件下能够发育成完整植株的小颗粒嘲。 1 4 2 人工种子的结构 它具备类似天然种子的基本结构和功能，主要由3 部分组成【6 7 】( 图1 ) ：一、是 体细胞胚( 或分生组织) ，它相当于天然种子的胚，是有生命的物质结构；二、是供体 细胞胚维持生命力和保证其在适宜的环境条件下生长发育的人工胚乳；三、是具有 保护作用的“人工种皮”，它应象天然种皮一样能在适宜条件下维持胚状体正常的 生长发育，这就要求它必须具备透水透气、固定成型、耐机械冲击且不易损坏的特 性。 1 2 3一 圈l 天然种子和人工种子的示意 a 以蓖麻种。f 为傍| l 的乏然种j 严，1 螽f 耱：2 聪乳；3 种皮。 b 人t 种：f 。l 俸细施艇；2 人置髋乳：3 人誓种瘦 r 哩。 ， 3 1 4 3 人工种子的优点 ( 1 ) 人工种子在本质上属于无性繁殖，与天然种子相比具有快速繁殖优良品种 或杂种，对于利用杂种一代优势的作物，不需要三系或二系配套及其复杂育种程序； ( 2 ) 对于自然条件下结实率低或难以用种子繁殖、育性欠佳的作物，以及濒危、 珍稀植物及宝贵的种质资源可藉此得以大量地快速繁殖【6 8 】； ( 3 ) 人工种子内的培养物( 不定芽、胚状体等) 因通过组织培养而产生，繁殖速度 8 硕士学位论圣： 蛐a s r f r st l l e s i s 快、生产周期短，能人工控制，特别对遗传工程创造出的新型物种( 如转基因植物或 杂种) ，可用该项技术繁殖或保存； ( 4 ) 在人工种子的制作过程中还可加入多种生长调节剂、有益微生物、农药、 除草剂等，以改善种子生长发育，提高品种的抗逆境能力； ( 5 ) 人工种子还具有节约种源，不占用土地，一年四季均可工厂化生产的特点； ( 6 ) 与普通试管苗相比，人工种子具有可自动化批量生产、运输方便、可直接 播种、发芽和生长发育比较整齐等优点 1 5 体细胞胚人工种子研究动态 体细胞胚是指由植物营养器官经离体培养产生的一种类似于自然种胚( 合子 胚) 的结构，具有胚根和胚芽的双极性，在形态上它与合子胚一样具有经原胚、心 形胚、鱼雷形胚及至具子叶的成熟胚的发育程序；在组织学上，它同外植体无维管 束相联，易于分离。 从1 9 5 8 年l k 硫r t 首先在胡萝卜的组织培养中发现胚状体以来，现在已在檀香、 芫荽、人参、大麦、油棕、侧柏、石刁柏、水稻、小麦、玉米等4 3 科9 2 属的1 0 0 多种植物的细胞组织培养中获得体细胞胚。外植体的表皮细胞、愈伤组织的表层或 深层细胞、悬浮培养的单细胞、原生质体和花粉均可在适当条件下形成体细胞胚。 从外植体分离下来单个体细胞胚具有子叶、胚轴、胚根，在适宜条件下它可以萌发， 长出真叶，胚根伸长长成根，最终形成小植株。 讹等【5 2 j 用聚氧乙烯包裹胡萝卜体细胞胚于1 9 8 1 年首次制成了人工种子， 1 9 8 4 年美国植物遗传公司的r e d e n b a u 曲等【7 0 】经过对多种胶的筛选，首次使用海藻 酸钠为体细胞胚的包裹介质，获得了芹菜的人工种子，并申请了专利，用此技术制 作的苜蓿人工种子和芹菜人工种子在有菌条件下的发芽率分别为7 和1 0 。无菌条 件下，苜蓿人工种子成苗率可达8 6 。目前，美国种植的普通芹菜，大多是由该公 司提供的人工种子繁殖出来的。很快，美国、日本、法国等已有多家生物公司或大 学从事这方面研究。 随着人工种子技术的发展，研究范围逐渐由胡萝卜、芹菜、苜蓿等模式作物扩 展到小麦、水稻、玉米、三七、西洋参、黄连、一品红、甘薯、扁蓿豆、青扦等重 要粮食作物和药用植物、花卉、树木等经济作物【7 卜7 7 1 。 目前，大多数植物产生的体细胞胚存在两大问题：一是体胚非同步化，给人工 种子的制作带来困难：二是体细胞胚易发生变异，给人工种子的应用带来一定的困难。 体细胞胚作为人工种子的核心，它的质量好坏直接关系着人工种子制作的成 9 硕士学位论文 m a s t f r st i i s l s 败，是保证人工种子具有发芽力及转换为正常植株的关键。因此，如何获得高质量 的体细胞胚则是研制人工种子需首先考虑的问题。 高质量体细胞胚就是指发育完整、生长健壮、具有明显胚根和胚芽双极性结构， 并在无菌试管培养下正常萌发和转换成完整小植株的能力在9 0 以上的体胚。这里 的转株( c o n v e r s i o n ) 一词，它不是通常所说的萌发，而是指由体胚发育成j 下常表现型 的绿色植株的能力，转株的百分率即为转株率，具有高转株率的体胚才是制作人工 种子的适宜体胚。 在自然界，体胚的发生是一种普遍现象，但获得的许多物种的体胚质量太低， 还不能满足人工种子的需要；有些植物的组织培养中已观察到体胚发生，但不能继 续发育成株：有的体胚根系发育不良：有的体胚早期发育正常，但在后期停止发育甚 至死亡；有的则子叶畸形或多子叶等。这些不正常的现象致使体胚不宜或未达到制 作人工种子的质量，具较低的转换率r 7 8 】。 高质量体细胞胚的发生除了受植物自身基因型、生物性状等内部因素影响外， 还受激素、氮源、碳源等许多外界条件的影响。 很多研究证实，2 ，4 d 的作用是十分重要且非常特殊的。一方面，它对诱导胚 性愈伤组织的产生必不可缺：另一方面，在胚性愈伤组织形成后，它又抑制体胚进 一步发育，所以，人们常把诱导体胚发生分为2 个阶段：第一阶段为诱导阶段，培 养基中必须加人2 ，4 一d ；第二阶段为胚状体形成阶段，要降低2 ，4 一d 含量或去除 2 ，4 d ，以保证胚状体正常生长。但在有些植物如五加科的西洋参、刺五加的研究中， 无论是胚性细胞的诱导还是体胚的分化均需要较高浓度的2 ，4 一d ，无需转换培养基 就可以产生大量的体胚。在玉米、水稻的花药培养中，即使不加任何激素，胚状体 也能形成。这些不同植物的差别，可能与各种植物内源激素的存在状况有关u 引。 由外植体诱导最初产生的体胚不一定十分理想，需经不同培养条件下多次继 代，才会使体胚质量不断提高。在体胚发生过程中，每种激素各有其作用的特异性， 只有将2 ，4 一d ，6 b a ，m 气a ，a b a 等几种植物激素交替配合使用，才能充分发挥激素平 衡的调节作用，对体胚质量的提高才会有良好的效用。 氮的类型和用量不但影响体胚的发生，而且对其发生的同步化也有作用【7 引。高 的无机氮浓度是胡萝卜体胚的发生必需的，减少氮和硝酸铵浓度有利于棉花、薯芋 胚胎的分化和成熟。培养基中加入适量的的氨基酸或水解酪蛋白，可提高体胚发生 的频率，促进健壮、饱满的体胚产生，提高体胚质量。 此外碳源在组织培养中，作为外植体的渗透压调节物和体胚发育的能源，对体 胚的诱导和转换成苗都有一定的作用。渗透压可以影响胚性细胞的生长发育，对裸 1 0 硕士学位论文 m a s t r sfl i i - s t s 子植物来说，利用蔗糖及盐类改变培养细胞的渗透压来研究胚性细胞的发育与分 化，其效果不如使用聚乙二醇( p e g ) 好。 在体胚发生过程中植物激素的调节作用是首要的，但在不同的阶段，如将氮源 或碳源与激素交替，有利于诱导产生大量的高质量体胚。 1 6 非体细胞胚人工种子的研究动态 r e d e n b a u 曲等l 7 9 j 将人工种子生产的候选植物分为两大类：一类是技术基础强的 植物，这类植物已有建立好的体细胞胚发生系统；另一类是经济价值高的植物。早 期的人工种子研究多集中于胡萝卜、苜蓿和芹菜等模式植物，都是利用包埋体细胞 胚来制作人工种子，k 哪a d a 指出，若从经济角度出发，多年生或无性繁殖植物首先 具有人工种子应用的潜力【8 0 1 。但是，这类植物一般难以得到同步高质量体细胞胚，加 之其体细胞胚存在无性系变异、幼苗期较长以及苗转化率较低等缺点，限制了人工 种子技术的广泛应用【8 1 1 。当非体细胞胚人工种子在上世纪八十年代术期制作成功后， 迅速成为研究的热点。据陈德富等l 6 6 】1 9 9 5 年的报道，当时非体细胞胚的应用比例就 已达到了4 6 4 。 所谓非体细胞胚，即指芽、短枝、愈伤组织、花粉胚、块茎等繁殖体，陈德富等 脚j 还将芽茎段、原球茎、粒状组织、试管苗等也归入芽中。使用非体细胞胚制作人 工种子，免去了体细胞胚发生时的分化和再分化过程，大大降低了变异的可能性 恻。非体细胞胚人工种子的萌发率及转株率比体细胞胚人工种子都要高一些，这正 是衡量人工种子制作是否成功的重要因素，其应用前景广阔。 以芽作为制种材料的研究最多，b 印a t 等【8 3 j 1 9 8 7 年首次成功地采用桑树腋芽制 备人工种子，苗转换率达6 3 ，p a t n l 2 l i k 【8 4 】报道以桑树营养芽为材料制成了桑树人 工种子，黄美娟【8 5 】分别以烟草腋芽、芽球为材料进行了烟草、花叶芋人工种子的研 究，汤绍虎等脚8 。7 】则以腋芽为材料进行蕹菜及甘薯人工种子的研究，在m s 琼脂培 养基上萌发率分别可达5 l 和6 1 ，此外，汤绍虎【8 8 】还以珊瑚树腋芽为材料制成人 工种子，在蛭石+ m s 液的基质上萌发率亦达5 3 ；s l l a n i l a 等【8 9 j 以枝芽为材料制作姜 的人工种子，其转换率为8 1 8 ，r a o 【删等报道了香蕉枝顶芽人工种子在w 1 l i t e 培养 基上转化率达l o o ，不过在土壤中转换率仅有l o ，u o z u m i 掣9 1 】报道了以芽原基 为材料制作的辣根人工种子，转换率达5 3 ，p i c c i o i l i 等【9 2 】还以小鳞茎、微繁殖获得 的芽为材料研究了百合及六种树木的人工种子；沈大棱等【9 3 】用水稻花药培养产生的 微不定芽成功制成了水稻人工种子，郑卫红等畔】贝