《Scientia Horticulturae》：Morphological and physiological differences between male and female plants of
Kmeria septentrionalis and their effects on sex identification
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为解决濒危、稀有的木兰科唯一雌雄异株物种北越单性木兰（Kmeria septentrionalis）在非花期缺乏可靠性别鉴定技术的难题，研究人员综合运用形态学、解剖学和跨季节生理生化指标动态监测，系统揭示了其雌雄株在叶片形态解剖、花芽特征及季节生理特性上的显著差异，并成功构建了基于叶片特征的性别鉴定模型。该研究突破了传统依赖花期的鉴定局限，为这一濒危物种的保育和定向育种提供了关键技术支撑。
在浩瀚的植物王国中，木兰科以其典雅的花朵和重要的科研价值闻名。然而，该科中却存在一个特殊的成员——北越单性木兰（Kmeria septentrionalis），它是木兰科中已知的唯一雌雄异株物种。这种分布于中国西南部及东南亚石灰岩山地的常绿阔叶林中的树木，不仅树形优美、花香清雅，是优良的园林观赏和用材树种，其花、枝、叶富含精油，在食品、医药和化妆品行业也展现出巨大的开发潜力。更为重要的是，作为木兰科中的一个古老而独特的谱系，其高度退化的单性花结构，使其成为研究木兰科系统发育和被子植物性别决定机制的重要材料，也是生物多样性保护的旗舰物种。
然而，这位植物界的“独行侠”正面临严峻的生存挑战。其野生种群稀少、分布区极其狭窄且片段化，已被列为中国国家一级保护植物和世界自然保护联盟（IUCN）的极度濒危物种。其濒危的原因复杂，栖息地破坏、小种群效应、授粉限制以及雌雄异株植物本身导致的生殖障碍都是主要推手。尤为关键的是，在其种群内部，雌株稀少且空间隔离，自然更新能力弱。更棘手的是，北越单性木兰的幼苗通常需要八年以上才能进入开花期，且在非花期无法通过花朵辨别性别。传统的性别鉴定完全依赖于开花期，这严重制约了其种质资源管理、人工繁殖、种群恢复和可持续利用。因此，开发一种不依赖于花期的、可靠的早期性别鉴定技术，成为了拯救和利用这一珍稀物种的当务之急。
为了破解这一难题，广西大学林学院的研究团队在Pengxiang Li、Junfei Xiong、Song Guo、Lixin Huang、Dongdong Li、Tingyi Lin和Zailiu Li的带领下，开展了一项系统而深入的研究。他们旨在回答三个核心问题：北越单性木兰的雌雄株在外部形态和内部结构上是否存在差异？其生理生化指标在不同生长季节如何变化及相互关联？如何基于雌雄株的形态和理化差异，在开花期和非开花期进行性别鉴定？这项研究成果最终发表在园艺学领域的知名期刊《Scientia Horticulturae》上。
为了开展这项研究，团队从位于中国广西南宁市武鸣区的北越单性木兰种质基地采集了样本。研究整合了多种关键的技术方法：首先，通过叶片形态测量、指甲油拓印法观察叶表特征、以及徒手切片和石蜡切片技术，系统比较了雌雄株在叶片、花芽、枝条的形态与解剖结构差异。其次，通过跨季节（春、夏、秋、冬）动态采样，测定了叶片的一系列生理生化指标，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)的活性，以及可溶性糖、可溶性蛋白和水溶性酚类物质的含量。最后，基于统计学分析筛选出关键差异指标，构建了用于性别判别的数学模型。
研究结果揭示了雌雄株在多方面的显著差异：
3.1. 北越单性木兰雌雄株形态差异分析
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3.1.1. 雌雄株叶片形态差异：研究发现，雌株的叶片长度显著短于雄株，而叶长宽比更是极显著小于雄株。这意味着雄株的叶片通常更为狭长。相反，雌株叶片在距离叶基1厘米和3厘米处的宽度显著大于雄株，表明雌株的阔楔形叶基更宽，叶基角更大。在解剖结构上，雌株的叶片厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度以及栅栏组织与海绵组织厚度比均极显著大于雄株，而上表皮厚度则极显著小于雄株。这些叶片形态和解剖特征上的差异，为性别鉴定提供了稳定的依据。基于此，研究成功构建了一个包含9个核心叶片指标的判别模型，经验证，其对独立测试集的识别准确率高达100%。
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3.1.2. 雌雄株花与芽的形态差异：在花期，可通过花器官直接鉴别：仅具雄蕊的为雄株，仅具雌蕊的为雌株。在蕾期，同一发育阶段的雌花花蕾小于雄花花蕾，且雌花花蕾上端渐尖，雄花花蕾上端急尖。雌花花蕾的横切面长、宽、面积以及花蕾长度均显著大于雄株。
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3.1.3. 雌雄株枝条形态差异：通过对二年生枝条横切面的观察发现，雌株的髓部相对狭窄，组织排列紧密；而雄株的髓部较宽，排列较为疏松。然而，在多年生木材的微观结构上，雌雄株之间未发现显著差异。
3.2. 北越单性木兰雌雄株叶片生理生化特性分析
生理生化指标表现出明显的季节特异性：
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抗氧化酶活性：在春季，雌株的SOD活性极显著低于雄株。POD活性的性别差异则呈现出复杂的季节性变化：雌株在春季显著低于雄株，在秋季极显著低于雄株，但在冬季却显著高于雄株。仅在仲夏，雌株的PPO活性显著高于雄株。
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营养物质含量：可溶性糖含量方面，雌株在春季和秋季显著高于雄株，但在初夏显著低于雄株。可溶性蛋白含量则在冬季表现出极显著差异，雌株含量极显著低于雄株。水溶性酚类物质的含量在各季节均未发现显著的性别差异。
研究结论与意义：
本项研究系统地阐明了北越单性木兰雌雄株在形态、解剖、生理和生化特性上的全方位差异。雌株在叶片形态上更短、更圆，叶基更宽；在解剖结构上具有更厚的叶片、下表皮和栅栏组织；在枝条结构上髓部更窄。花蕾特征和多项具有季节特异性的生理指标（如春季的SOD、秋季的POD、冬季的可溶性蛋白）也提供了有效的鉴别依据。
尤为重要的是，研究创新性地整合了叶片形态解剖特征，并辅以花芽性状和关键季节性生理指标，建立了一个高效的性别鉴定模型。这一模型克服了传统方法必须依赖开花期的局限性，使得在苗木期或非花期对成年植株进行性别鉴定成为可能。这为北越单性木兰的人工栽培、种群恢复中的合理雌雄配置、种质资源管理以及可持续利用提供了至关重要的技术工具和科学依据，对保护这一珍贵的生物多样性资源和推动其相关的生物经济发展具有重要的理论与实践意义。
研究同时指出，当前指标主要适用于成年植株，幼苗期的性别鉴定仍需新方法（如分子标记）。此外，已构建的模型基于特定栽培条件下的性状，其普适性有待在更广泛的地理种群和不同环境梯度下进行验证，以明确环境对性状可塑性的影响。未来的研究将继续深入，以建立更全面、更稳健的性别鉴定与保育利用体系。
