Почвенный банк семян — это естественные запасы семян, часто находящихся в состоянии покоя, в почве большинства экосистем. Изучение почвенных семенных банков началось в 1859 году, когда Чарльз Дарвин наблюдал появление всходов, используя образцы почвы со дна озера. Первая научная статья по этому вопросу была опубликована в 1882 году и сообщала о распределении семян на разной глубине почвы. Банки семян сорняков интенсивно изучаются в сельскохозяйственной науке из-за их важного экономического воздействия. Другие области, заинтересованные в создании банков почвенных семян, включают
и .
Генри Дэвид Торо писал, что современное популярное мнение, объясняющее вторичную сукцессию вырубленного леса, в частности деревьев разного вида, по отношению к срубленным деревьям, заключается в том, что семена либо самопроизвольно образуются в почве, либо прорастают после того, как находились в состоянии покоя в течение столетий. Однако он отверг эту идею, отметив, что тяжелые орехи, непригодные для распространения ветром, разносятся животными.
Экологическая значимость банка семян Банк семян — один из ключевых факторов устойчивости и колебаний плотности популяций растений, особенно однолетних растений. Многолетние растения имеют органы для вегетативного размножения, облегчающие формирование новых растений, миграцию на новый грунт или восстановление после уничтожения надземной части, которые аналогичны банку семян по своей способности сохраняться в условиях беспокойства. Эти органы размножения вместе называются «банком почвенных почек» и включают спящие и придаточные почки на столонах, корневищах и луковицах. Более того, термин «банк почвенных диаспор» может использоваться для обозначения нецветковых растений, таких как папоротники и мохообразные.
Банк почвенных семян является важным источником размножения для восстановления растительностиLu, Z.J., Li, L.F., Jiang, M.X., Huang, H.D., and Bao, D.C., Can the soil seed bank contribute to revegetation of the drawdown zone in the Three Gorges reservoir region? Plant Ecol., 2010, vol. 209, no. 1,pp. 153–165. и восстановления богатой видами растительности, поскольку они обеспечивают воспоминания о прошлой растительности и представляют структуру будущей популяции. Более того, состав банка семян часто более устойчив к изменениям окружающей среды, чем растительность, хотя хроническое отложение азота может его истощить. Во многих системах плотность почвенного семенного банка зачастую ниже, чем растительностиDeMalach, Niv; Kigel, Jaime; Sternberg, Marcelo (2023-03-01). "Contrasting dynamics of seed banks and standing vegetation of annuals and perennials along a rainfall gradient". Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics. 58: 125718. arXiv:2301.12696. doi:10.1016/j.ppees.2023.125718. ISSN 1433-8319. и имеются большие различия в видовом составе семенного банка и составе надземной растительностиSanderson, M.A., Goslee, S.C., Klement, K.D., and Soder, K.J., Soil seed bank composition in pastures of diverse mixtures of temperate forages, Agron. J., 2007, vol. 99, no. 6, p. 1514.Hopfensperger, K.N., A review of similarity between seed bank and standing vegetation across ecosystems,Oikos, 2007, vol. 116, pp. 1438–1448.. Кроме того, ключевым моментом является взаимосвязь между банком семян почвы и исходным потенциалом для измерения потенциала восстановления растительностиLu, Z.J., Li, L.F., Jiang, M.X., Huang, H.D., and Bao, D.C., Can the soil seed bank contribute to revegetation of the drawdown zone in the Three Gorges reservoir region? Plant Ecol., 2010, vol. 209, no. 1,pp. 153–165. В местах обитания, находящихся под угрозой исчезновения, таких как илистые отмели, редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды могут присутствовать в больших количествах, состав семенного банка часто более устойчив, чем растительность, к изменениям окружающей среды.
Почвенные семенные банки являются важнейшей частью быстрого восстановления растительности на участках, нарушенных лесными пожарами, катастрофическими погодными условиями, сельскохозяйственными операциями и заготовкой древесины — естественным процессом, известным как вторичная сукцессия. В почвенных семенных банках часто доминируют виды-первопроходцы, те виды, которые специально приспособлены для возвращения в окружающую среду первыми после нарушения. и водно-болотные угодья содержат ряд специализированных видов растений, образующих устойчивые почвенные семенные банки.
Отсутствие почвенного семенного банка препятствует формированию растительности во время первичной сукцессии, тогда как наличие хорошо укомплектованного почвенного семенного банка позволяет быстро развивать богатые видами экосистемы во время вторичной сукцессии.
Долговечность семян
Многие таксоны были классифицированы в зависимости от долговечности их семян в почвенном семенном банке. Семена переходных видов остаются жизнеспособными в почвенном семенном банке только до следующей возможности прорасти, в то время как семена устойчивых видов могут выжить дольше, чем при следующей возможности — часто намного дольше, чем один год. Виды, семена которых сохраняют жизнеспособность в почве более пяти лет, образуют долговременно стойкий банк семян, а виды, семена которых обычно прорастают или погибают в течение одного-пяти лет, называются кратковременно стойкими. Типичным долгоживущим видом является Chenopodium album (Lambsquarters); его семена обычно остаются жизнеспособными в почве до 40 лет, а в редких случаях — до 1600 лет. Видом, вообще не образующим почвенного семенного банка (за исключением засушливого периода между созреванием и первыми осенними дождями), является Agrostemma githago, который раньше был широко распространенным злаковым сорняком.
Срок годности семян очень изменчив и зависит от многих факторов. Семена, закопанные глубже, имеют тенденцию сохраняться дольше. Однако лишь немногие виды живут более 100 летKen Thompson, Jan P. Bakker, and Renée M. Bekker. 1997. The soil seed banks of north west Europe : methodology, density and longevity. New York : Cambridge University Press. p. 276. В типичных почвах продолжительность жизни семян может колебаться от почти нулевой (прорастание сразу при попадании в почву или даже раньше) до нескольких сотен лет. Одними из самых старых, еще жизнеспособных семян были семена лотоса (Nelumbo nucifera), найденные в почве пруда. По данным радиоуглеродного датирования, этим семенам около 1200 лет . Один сорт финиковой пальмы, иудейская финиковая пальма, успешно пророс в 2008 году после случайного хранения в течение 2000 лет.
Знаменитые эксперименты по долговечности семян Одно из самых длительных испытаний жизнеспособности почвенных семян было начато в Мичигане в 1879 году Джеймсом Билом. В ходе эксперимента было закопано 20 бутылок с 50 семенами 21 вида. Каждые пять лет бутылку каждого вида собирали и проращивали на подносе со стерилизованной почвой, который хранился в камере выращивания. Позже, когда ответственность за управление экспериментом была передана смотрителям, период между извлечениями стал длиннее. В 1980 году, спустя более 100 лет после начала испытаний, наблюдалось прорастание семян только трёх видов: коровяка обыкновенного ( Verbascum blattaria ), коровяка обыкновенного ( Verbascum thapsus ) и мальвы обыкновенной ( Malva ignorea ). Было проведено несколько других экспериментов для определения долгосрочной долговечности семян в почвенных банках семян. +Soil seed bank longevity of seeds in experimental conditionsSpeciesTimeCommentsVerbascum blattariaAt least 142 yearsVerbascum thapsusAt least 100 years Malva neglectaAt least 100 yearsOenothera biennis80 years10% of seeds sprouted after the 80-year markRumex crispus80 yearsOnly 2% of seeds survived to this point.Datura stramoniumAt least 39 yearsOver 90 percent germination rate was reportedPhytolacca americanaAt least 39 years80-90 percent germination rate was reportedSolanum nigrumAt least 39 yearsOver 80 percent germination rate was reportedRobinia pseudoacaciaAt least 39 yearsAmbrosia artemisiifoliaAt least 39 yearsPotentilla norvegicaAt least 39 yearsOnopordum acanthiumAt least 39 yearsRudbeckia hirtaAt least 39 yearsCuscuta polygonorumAt least 39 yearsLespedeza frutescensAt least 39 yearsConvolvulus sepiumAt least 39 yearsIpomoea lacunosaAt least 39 yearsVerbena hastataAt least 39 yearsVerbena urticifoliaAt least 39 yearsNicotiana tabacumAt least 39 yearsArctium lappaAt least 39 yearsOnly 1 percent germination was reported.Boehmeria niveaAt least 39 yearsSetaria verticillataAt least 39 yearsTrifolium pratenseAt least 39 yearsRumex obtusifoliusAt least 39 yearsRumex salicifoliusAt least 39 yearsChenopodium albumAt least 39 yearsChenopodium hybridumAt least 39 yearsAbutilon theophrastiAt least 39 yearsLeucanthemum vulgareAt least 39 yearsHibiscus militarisAt least 39 yearsHypericum hypericoidesAt least 39 yearsSporobolus cryptandrusAt least 39 yearsPolygonum scandensAt least 39 yearsGermination rate was very low throughout the experiment.Poa pratensisAt least 39 yearsSetaria viridisAt least 39 yearsPhalaris arundinacea30 yearsOnly 1 percent of seed survived.Portulaca oleracea30 years38 percent of the most deeply buried seeds were viable at 21 years, 1 percent of more shallowly buried seeds are reported sprouting after the 30 year mark.Polygonum pensylvanicum30 yearsPolygonum persicaria30 yearsCassia marilandica30 yearsThlaspi arvense30 yearsTrifolium hybridum30 yearsAmbrosia trifida21 yearsBrassica nigra21 yearsDracocephalum parviflorum24.7 yearsRorippa islandica24.7 yearsMatricaria discoidea24.7 yearsPolygonum aviculare24.7 yearsHelianthus annuus17 yearsSetaria parviflora17 yearsCirsium arvense17 yearsCirsium flodmanii17 yearsIpomoea hederacea17 yearsPersicaria amphibia17 yearsAmaranthus tuberculatus17 yearsSolanum sarrachoides17 yearsAmbrosia grayii17 yearsOnly 1% of seed germinated.Bassia scoparia17 yearsOnly 1% of seed germinated.Echinochloa crus-galli17 yearsOnly 1% of seed germinated.Amaranthus retroflexus12 yearsPyrus calleryanaAt least 11 years
Другие исследования Известно, что виды Striga (ведьмин-трава) оставляют в почве одну из самых высоких плотностей семян по сравнению с другими родами растений; это основной фактор, повышающий их инвазивный потенциал. Каждое растение способно дать от 90 000 до 450 000 семян, хотя большинство этих семян нежизнеспособны. Было подсчитано, что только два вида ведьмы дадут достаточно семян, необходимых для пополнения банка семян после сезонных потерь. До появления гербицидов хорошим примером устойчивого вида семенного фонда был Papaver rhoeas, который иногда был настолько многочисленным на сельскохозяйственных полях в Европе, что его можно было принять за сельскохозяйственную культуру. [ нужна цитата ]
Исследования генетической структуры популяций Androsace septentrionalis в банке семян по сравнению с популяциями устоявшихся растений показали, что разнообразие внутри популяций выше под землей, чем над землей.
См. также
Всемирное семенохранилище
Примечания
Категория:Биологическая терминология Категория:Семя Категория:Размножение растений