中国特产濒危蕨类水韭科植物生殖生物学研究

水韭亚门仅存1科，是古老而灵敏的湿地指示植物，由于生殖结构和生殖生理的高度特化，一直无法人工繁殖。我国特产的4种水韭都对水环境变化极其敏感，仅二十多年，自然种群就几乎全部消失，全被列为国家一级保护。十多年来，我们独创了孢子繁殖国产3种水韭的有效方法，先后获得中华水韭、云贵水韭和高寒水韭上万株或数百株，初步掌握了独特的生殖规律。本项目将继续对这三种水韭和即将获赠的台湾水韭，在严格的人工条件下进行不同水质的分组对照培养，系统采集孢子萌发、配子体发育、游动精子行为、胚胎发生等生殖环节的详细数据，观察相应的亚显微结构，统计分析正常生殖的基本规律，结合各个对照组的生殖参数和生殖结构的畸变程度，科学排查各自的生殖濒危原因。理论上，构建国产水韭生殖模型，验证Charles假说，阐明濒危与水质变化的内在规律，为评估湿地生态寻求灵敏指标；实践上，复壮两万株国产水韭，捐赠给植物保护或湿地保护的有关部门。

水韭是古老的维管植物，是研究植物系统演化、古生态变迁和湿地生态的珍贵材料。我国的5种水韭都是特产种，都受到一级重点保护，但生殖生物学研究十分匮乏。本项目通过人工繁殖获得足量活体材料，进行显微亚显微观察和逆境生理学检测，取得了如下主要成果：①补充了孢粉学信息，记录了每种水韭大小孢子的萌发特征；研究了雌雄配子体、精子器、颈卵器、精子和卵等有性世代规律，报道了精子的形态结构和受精行为，分别归纳了国产水韭的雌雄发育模式；②获得了国产水韭胚胎发育的大量基础资料，讨论了Charles等人关于水韭类有性世代简化和特化学说；发现合子都没有休眠期，胚胎发育始终依赖大孢子壁和雌配子体组织的双重保护，早期胚胎具有下沉、旋转、分界沟等共同特征，根叶优先发育；③研究了国产水韭无性生殖规律，包括大小孢子囊的组织分化、开裂方式、减数分裂、孢子产量等；④发现国产水韭的生殖濒危因素主要有孢子囊败育、孢子萌发率低、雌雄配子体败育、雌配子体抗污染能力差、颈卵器发育畸形、精子对洁净水质高度依赖、胚胎发育需要大孢子壁和雌配子体的双重保护；⑤研究了有关种类在干旱、低温、化肥、除草剂、生活污水等单因素胁迫下的保护酶系统、渗透调节物质、光合系统和相对电导率的变化规律，检测了铅离子和镉离子引起的DNA甲基化和细胞器损伤，认为化肥、除草剂、重金属等现代水质污染是造成国产水韭濒危的主要原因，污水对生殖生理的直接破坏远大于对营养生理的间接破坏；⑥水韭胚胎后期及幼孢子体器官分化具有特殊的系统学价值，如层片结构早于第二叶发育，叶舌和缘膜发达等，为探讨水韭类的系统发育、生殖演化和生态适应找到了新的遡祖形态；发现了水韭类植物根的横隔板、叶片通气道、叶舌3D形态、气孔内部构造等许多特殊现象；⑦人工繁殖并复壮30000多株国产水韭，无偿捐赠给国家级自然保护区、植物园和科研院所等12个单位，受到了国家植保协会领导、国内外蕨类学者和数十家媒体的关注，收到了良好的社会效果。