山羊和绵羊作为Mimosa caesalpiniifolia Benth种子传播的媒介

《Journal of Arid Environments》：Goats and sheep as seed dispersal agents of Mimosa caesalpiniifolia Benth

　　杰克逊·席尔瓦·诺布雷加（Jackson Silva Nóbrega）、里塞尔兰·德·卢塞纳·阿尔坎塔拉·布鲁诺（Riselane de Lucena Alcantara Bruno）、露西·格莱德·达·席尔瓦（Lucy Gleide da Silva）、安娜·卡罗莱娜·贝泽拉（Ana Carolina Bezerra）、卢卡斯·肯尼迪·席尔瓦·利马（Lucas Kennedy Silva Lima）、卡里阿兰·达·席尔瓦·贝拉尔米诺（Karialane da Silva Belarmino）、阿里奥斯瓦尔多·努内斯·德·梅德埃罗斯（Ariosvaldo Nunes de Medeiros）、阿尔贝里西奥·佩雷拉·德·安德拉德（Alberício Pereira de Andrade）
巴西帕拉州西部联邦大学（Universidade Federal Do Oeste Do Pará），鲁罗波利斯大学分校（Rurópolis University Campus），鲁罗波利斯（Rurópolis），帕拉州

摘要：
卡廷加（Caatinga）植被中的物种具有种子休眠特性，而反刍动物（如山羊和绵羊）的啃食有助于打破这种休眠并帮助种子传播。因此，本研究的目的是评估山羊和绵羊摄入米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚（Mimosa caesalpiniifolia）种子对其传播能力及种子萌发率的影响。研究采用了2×8+1的因子实验设计，包括两种动物（山羊和绵羊）、八个不同的种子摄入时间点（24、48、72、96、120、144、168和192小时），以及一个对照组（未受处理的种子）。山羊的种子回收时间持续了192小时，绵羊为144小时。山羊在摄入120小时和168小时后种子萌发率最高；绵羊则在摄入96小时后种子萌发率最高。通过山羊消化系统的种子长出的幼苗最为健壮。对种子种皮的解剖分析显示，种子在经过消化系统后表面的小裂缝有所扩大。山羊和绵羊的啃食行为有助于种子的传播、打破休眠、提高萌发率，并促进米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚物种的持续存在，从而维护卡廷加地区的植物多样性。

1. 引言
米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚（Mimosa caesalpiniifolia Benth.）原产于卡廷加生物群落，属于豆科植物，分布于巴西东北部半干旱地区（Santos等人，2025年）。该物种在养分循环、能源生产、木材利用、制药工业以及退化土地恢复方面具有巨大潜力（Majeed等人，2021年；Primo等人，2021年；Braga等人，2024年）。由于其高度耐旱性和丰富的蛋白质含量，该植物也是半干旱地区优良的动物饲料来源（Herrera等人，2021年）。

该物种种子的休眠现象与其种皮有关，其木质化的结构阻碍了水分吸收，阻碍了种子萌发过程中的代谢反应（Collete和Ooi，2021年）。这种休眠发生在种子成熟阶段，种皮的主要作用是保护种子胚芽免受环境因素的影响，从而延长种子的存活时间（Wen等人，2024年），但这可能影响种子的空间和时间分布及种群建立。

山羊（Capra hircus）和绵羊（Ovis aries）是巴西东北部主要的家畜，为当地生产者提供食物和收入来源。根据巴西地理与统计局（IBGE）的数据，该地区是全国主要的山羊和绵羊生产区，分别占总产量的95.9%（约12,373,805只山羊）和71.2%（15,521,837只绵羊）。这些动物常在卡廷加地区放牧，当地植被是它们的主要食物来源。反刍动物通过食用果实可将种子随粪便排出，从而有效地促进种子传播和物种多样性（Sena等人，2021年；Egea等人，2022年；Nóbrega等人，2023年）。

山羊和绵羊在啃食果实和种子时可以打破种子的休眠状态，这得益于咀嚼过程中的物理作用、瘤胃内的消化活动以及酸性物质和酶的化学作用，还有瘤胃内微生物的发酵作用（Jibo等人，2018年；Silva等人，2019年；Oveisi等人，2021年）。多项研究证实了反刍动物在种子传播和打破休眠方面的作用，例如Silva等人（2019年）针对Pueraria phaseoloides、Sena等人（2021年针对Prosopsis justiflora）、Xu等人（2022年针对Malus sieversii）以及Nóbrega等人（2024年针对Desmanthus virgatus和Piptadenia stipulacea）的研究。

基于以上背景，我们预测山羊和绵羊摄入米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚种子可以打破种子休眠，促进种子传播，进而提升种子的生理质量和物种初期存活率。鉴于山羊消化系统对种子的影响尚未得到充分研究，本研究旨在探讨：（1）山羊和绵羊摄入种子对种子传播能力的影响；（2）种子的萌发生理机制；（3）米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚种子种皮的解剖结构。

2. 材料与方法
2.1. 实验地点
实验分为两部分：第一部分在动物科学部门进行，种子由工作人员提供给动物；第二部分在种子分析实验室（LAS）完成，两者均隶属于帕拉伊巴联邦大学（UFPB）的第二校区（Areia，帕拉州，巴西）（图1）。

2.2. 种子采集与处理
实验所用种子来自10株健康状况良好的米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚植株的果实，这些植株位于UFPB的试验农场。采集后的果实经处理后，在室温和相对湿度条件下干燥7天。

2.3. 实验设计
实验采用完全随机设计的因子实验方案（2×8+1），包括两种动物（山羊和绵羊）和八个不同的摄入时间点（24、48、72、96、120、144、168和192小时），以及一个对照组（未受处理的种子）。动物被隔离15天以适应环境和新食物。随后将它们放入单独的代谢笼中，提供水和均衡饲料。笼子下方放置收集粪便的容器，实验期间共观察三天。每天使用水和次氯酸钠清洁环境和笼子。

每只动物每天提供相当于其体重3%的均衡饲料，包含49.99%的蒂夫顿草干草、39.05%的玉米粉、7.99%的大豆粉、1.79%的矿物质补充剂和1.18%的甘蔗糖蜜。

2.4. 种子供应与回收
每只山羊和绵羊每次提供400颗米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚种子，与早晨（07:00）的饲料一起喂食。种子表面涂有糖蜜以便于动物吞咽（Nóbrega等人，2024年）。每天早上07:00收集粪便，将其放入标有动物标识的塑料托盘中，并加入水。粪便经手动处理后通过筛子分离出种子。收集到的种子送至UFPB的种子分析实验室进行生理质量检测。

2.5. 评估方法
通过物理、生理和解剖学分析来评估山羊和绵羊摄入种子的影响。种子物理特性包括长度、厚度和宽度，使用数字卡尺测量。每组重复100颗种子。种子重量通过称重法测定（Brasil，2025年）。种子含水量通过在105°C下强制通风烘箱中干燥24小时后称重获得。回收的种子数量通过统计每次排泄物中的种子数量得出。种子按种类混合，用2.5%次氯酸钠消毒1分钟后用蒸馏水洗涤，用于后续生理质量测试。

种子萌发在含有2.5倍于种子干重的湿润培养基中进行，置于25°C、光照12小时的培养箱中。第八天记录首次萌发情况，第15天确定最终萌发率。实验结束后计算种子硬度及死亡率（Brasil，2013年）。萌发速度指数根据Maguire（1962）的方法计算。平均萌发时间根据Labouriau（1983）的方法确定，平均萌发速度根据Labouriau和Valadares（1976）的方法计算。实验结束时测量根、地上部分和幼苗的长度。种皮解剖分析基于每次摄入实验中10颗种子的样本，包括对照组。为便于切割种皮，种子先浸泡8小时后再进行穿孔处理。使用切割刀在种皮中部制作横切面，用1%次氯酸钠溶液消毒后用蒸馏水清洗，再用10%藏红花溶液染色。切片经Olympus Bx70显微镜观察并使用DP Controller软件进行处理。

2.6. 统计分析
使用箱形图表示山羊和绵羊摄入种子后的种子回收数量。通过相关矩阵对处理组与种子生理特性变量之间的交互作用进行主成分分析，保留特征值大于1的成分。聚类分析采用Gower方法确定理想簇数，以最大化组内相似性和组间差异（R Core Team，2021）。

3. 结果
米莫萨·卡塞斯皮尼伊福利亚种子的形状呈球形，平均长度、宽度和厚度分别为4.21毫米、3.34毫米和0.8毫米（表1）。每1000颗种子的重量为4.33克，含水量为11.5%。

图1显示山羊和绵羊摄入的种子数量：山羊排泄的种子数量最多（箱形图），中位数为72颗，最小值和最大值分别为30颗和406颗（图2A）；绵羊的种子数量分布较分散，中位数为109颗，最小值和最大值分别为4颗和180颗（图2B）。从时间上看（图2B），山羊在摄入后192小时内排泄最多种子，尤其是在前48小时（50%的种子数量超过38颗）；24小时后中位数为8颗，最小值和最大值分别为1颗和1颗；72小时后分别为16颗、1颗和45颗。在96小时、120小时和144小时后，我们分别得到了平均种子数量为7.0粒、5.0粒和2.0粒的结果。
**图2.** 山槐（Mimosa caesalpiniifolia Benth.）种子被山羊和绵羊摄入后的回收情况。在绵羊体内，种子回收时间可延伸至144小时，其中摄入后72小时内的种子数量最多，有50%的样本至少含有29粒种子。48小时后，50%的样本含有22粒种子；24小时后，中位数、最小值和最大值分别为10粒、1.0粒和24粒；96小时、120小时和144小时后，平均种子数量分别为3.0粒、2.0粒和1.0粒。
根据Gower的分类方法，我们将从山羊和绵羊体内回收的种子分为四组（图3A）：第一组包括摄入后168小时被回收的种子，其发芽率（GER）和首次发芽计数（FGC）最高，评分位于上限；第二组包括摄入后96小时和120小时被回收的种子，以及摄入后24小时和96小时被回收的种子；第三组包括完整的种子（SI）。第三组表现出与MGT相关的特征，其评分在0.5到接近1.0之间。

**图3.** Gower聚类分析（A）显示，主成分分析（B）根据生理品质和幼苗活力变量（C）对山槐种子进行了研究。
- GER：发芽率
- FGC：首次发芽计数
- GSI：发芽速度指数
- MGT：平均发芽时间
- MGS：平均发芽速度
- DS：死种子
- HS：硬种子
- RL：根长
- SL：茎长
- SEL：幼苗长
- RDM：根干重
- SDM：茎干重
- SEDM：幼苗干重

第三组还包括摄入后24小时和48小时被回收的山羊种子以及摄入后48小时被回收的绵羊种子，这些种子中死种子的比例最高（评分超过1.0）。第四组包括摄入后72小时、144小时和192小时被回收的山羊种子，以及摄入后72小时、120小时、144小时和192小时被回收的绵羊种子，这些种子中硬种子的比例最高（评分接近3.0）。

主成分分析显示，两个因素解释了71.2%的变异性（图3B）：第一个因素（PC1）解释了53.5%的数据变异，与发芽率（GER）和平均发芽速度（MGS）高度相关；第二个因素解释了17.6%的变异，主要与硬种子（HS）的行为相关。

Gower的聚类分析还显示了四个关于幼苗活力的组别（图3C）：第一组包括摄入后120小时被回收的山羊种子，这些种子与根干重（RDM）和幼苗干重（SEDM）相关，评分高于1.0；第二组包括摄入后48小时和96小时被回收的绵羊种子及完整种子（SI），评分介于0.2到略高于1.0之间；第三组包括摄入后24小时和48小时被回收的山羊种子以及摄入后48小时被回收的绵羊种子，这些种子中死种子的比例较高；第四组包括摄入后168小时被回收的山羊种子，这些种子产生的幼苗活力较低。

根据幼苗活力的主成分分析，两个因素解释了92.6%的数据变异：第一个因素（PC1）解释了71.4%的变异，与根长（RL）和幼苗长（SEL）相关；第二个因素解释了17.6%的变异，与硬种子（HS）相关。

通过对种皮的组织学分析，我们发现完整种子的种皮非常厚，由第一层角质层（ct）、透明层（lc）以及多层厚壁细胞（ma）、骨细胞（os）和填充组织（pp）组成，这些结构使种子对内部的水分和气体具有阻隔作用（图4、图5A）。

**图4.** 山槐种子在山羊体内摄入后的种皮结构：(A) 完整种子；(B) 恢复24小时后的种子；(C) 48小时后的种子；(D) 72小时后的种子；(E) 96小时后的种子；(F) 120小时后的种子。
**图5.** 山槐种子在绵羊体内摄入后的种皮结构：(A) 完整种子；(B) 恢复24小时后的种子；(C) 48小时后的种子；(D) 72小时后的种子；(E) 96小时后的种子；(F) 120小时后的种子。

**图4**显示，山羊摄入的种子种皮上存在小裂缝，尤其是在摄入后96小时和120小时回收的种子中更为明显，表明种子摄入促进了种皮的磨损。绵羊摄入的种子种皮也出现了明显的损伤（图5E和F）。

**讨论**
山槐种子具有某些生物特征（表1），可能有助于山羊和绵羊的食用行为，使其在被摄入后仍能被回收。与绵羊相比，山羊回收到的种子数量更多且回收时间更长。由于绵羊的选择性较低，可能导致种子被更剧烈地咀嚼和破坏（?ahin等人，2021年）。此外，种子的较大尺寸和形状表明它们在动物肠道中停留时间更长（Jaganathan等人，2016年；Cirujeda等人，2019年）。

种子在反刍动物消化系统中的停留时间对打破物理休眠至关重要，也会影响种子死亡率。因此，山羊和绵羊可以作为种子传播者，通过粪便将种子携带出去（内传播），同时调节Caatinga地区的植物种群（Almeida等人，2025年，以山槐为例）。我们的研究表明，种子摄入不仅可能促进种子传播，还能改善种子的发芽率和活力。在进食过程中，反刍动物将食物与唾液混合，在瘤胃和网胃中细菌、原生动物和真菌会促进食物发酵，从而降解种子（?ahin等人，2021年）。

Sena等人（2021年）在Prosopsis juliflora中观察到种子发芽率升高；Espinosa等人（2021年）在Acacia macracantha、Albizia multiflora和Piscidia carthagenensis中也观察到类似现象；Almeida等人（2025年）在Libidibia ferrea和Senna spectabilis中也有类似发现。绵羊摄入种子后，Prosopsis juliflora的发芽率也有提升（Abbas等人，2020年）。Wang等人（2019年）发现绵羊摄入种子后，Potentilla bifurca、Eragrostis pilosa、Dodartia orientalis和Lollium bicolor的发芽得到了促进。Nóbrega等人（2023年）发现山羊摄入Mimosa tenuiflora种子120小时后，以及绵羊摄入24小时和96小时后，种子的休眠被打破，发芽得以促进。

值得注意的是，山羊摄入48小时和48小时后以及绵羊摄入48小时后，死种子的数量最多。这可能是由于种皮上出现裂缝所致（图4、图5C）。种子存活取决于肠道通过过程中的累积效应，其中咀嚼、反刍和胃液暴露等因素直接相关（Abbas等人，2018年）。种子的形态特征（如大小和种皮硬度）也会影响存活率，较大的种子在被反刍动物摄入后更容易死亡（Delibes等人，2019年）。

种子摄入后，幼苗的活力得到提升，这可能与更好的初始生长条件有关，因为它们具有更强的吸水能力，这对物种在Caatinga地区的传播和存活至关重要。Houndjo等人（2019年）指出，某些豆科植物的种皮具有很强的抵抗力，能够承受咀嚼和消化过程中的酸的作用，从而促进种皮的磨损和物种的建立。在自然条件下，这种有益效果对物种的建立和延续至关重要，尤其是在干旱和半干旱地区，因为消化系统的通过不仅增强了种子发芽和存活能力，还促进了植物的生长和生态系统的动态（Mhiripiri和Mlambo，2021年）。

山槐种子的休眠特性是豆科植物的共同特征，种皮由多层构成，形成物理屏障阻止水分进入。第一层是角质层，含有亲水性物质；接下来是长形棱柱细胞组成的层；然后是透明层和骨细胞层，以及填充组织。种子摄入后，种皮出现裂缝，尤其是在山羊体内停留时间较长的情况下（图4、图5C）。种子存活取决于肠道通过过程中的各种因素，如咀嚼、反刍、停留时间和胃液暴露（Abbas等人，2018年）。种子的形态特征（如大小和种皮硬度）也会影响存活率，较大的种子更容易死亡。

种子摄入增强了幼苗的活力，这可能与更好的初始生长条件有关，因为它们具备更强的吸水能力，这对物种在Caatinga地区的传播和存活至关重要。根据Houndjo等人（2019年）的研究，一些豆科植物的种皮具有很强的抵抗力，能够承受咀嚼和消化过程中的酸的作用，从而促进种皮的磨损。同样，这一现象也在Prunus spinosa的种子中得到观察（?ahin等人，2021年）。M. caesalpiniifolia种子通过山羊和绵羊的消化系统后，有助于克服种皮带来的物理休眠，使这些物种能够在野外初步建立种群，这表明这些动物具有作为种子传播者的潜力。然而，仍需要在自然环境中进行更多的研究，以明确这些动物在管理自然牧场区域中的作用，以及它们对构成植被层的物种多样性的影响，从而进一步了解这些物种在半干旱的Caatinga生物群落中的生存和延续情况。

作者贡献声明：
Jackson Silva Nóbrega：撰写、审稿与编辑；初稿撰写；方法论设计；调查研究；数据分析。
Riselane de Lucena Alcantara Bruno：撰写、审稿与编辑；项目管理和资金争取；概念构建。
Lucy Gleide da Silva：方法论设计；调查研究；数据分析；数据管理。
Ana Carolina Bezerra：方法论设计；调查研究；数据分析；数据管理。
Lucas Kennedy Silva Lima：数据可视化；软件应用；数据分析；数据管理。
Karialane da Silva Belarmino：数据可视化；结果验证；调查研究；数据分析。
Ariosvaldo Nunes de Medeiros：撰写、审稿与编辑；项目监督；项目管理。
Alberício Pereira de Andrade：撰写、审稿与编辑；项目管理和概念构建。