二氧化碳倍增對春蘭葉片結(jié)構(gòu)的影響

湯訪評，趙宏波

（1.紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

全球大氣二氧化碳（CO2）正在以 1.5 μL·L－1·a－1的速率遞增，預(yù)計(jì)到 21世紀(jì)末，大氣二氧化碳將會(huì)增加到700 μL·L－1［1］。有關(guān)大氣二氧化碳體積分?jǐn)?shù)增高及其全球氣候變化，一直為全世界關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一［2－8］。春蘭Cymbidium goeringii是中國蘭花大家族中品種最豐富，觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值均極高的一個(gè)種，也是繁殖最困難的種類之一。隨著前幾年春蘭野生資源遭毀滅性破壞，春蘭己瀕臨滅絕的邊緣。加快春蘭的繁殖，更好地保護(hù)國蘭資源，已成為當(dāng)前中國蘭花科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本研究選用春蘭的葉片為試驗(yàn)材料，通過設(shè)定人工氣候箱二氧化碳不同體積分?jǐn)?shù)，研究高二氧化碳體積分?jǐn)?shù)對春蘭葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

春蘭培養(yǎng)基質(zhì)為陶粒（直徑3.0～6.0 mm），在121°C條件下滅菌20 min備用。培養(yǎng)容器是口徑為19 cm、高25 cm的蘭花泥盆。將滅菌過的基質(zhì)裝滿花盆，各花盆中栽含5株成熟蘭苗的蘭叢，15 d用1／2MS（Murashige and Skoog）培養(yǎng)液施肥1次［9］，平時(shí)用蒸餾水進(jìn)行澆灌，實(shí)行 “不干不澆，一次浸透”的原則。

本研究在二氧化碳人工氣候箱中進(jìn)行，一個(gè)氣候箱中的二氧化碳（所用二氧化碳為高純度氣體）體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值為370 μL·L－1，培養(yǎng)箱中實(shí)際數(shù)值為 370±50 μL·L－1，作為對照，以模擬目前大氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)；另一個(gè)培養(yǎng)箱中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值為700 μL·L－1，培養(yǎng)箱中實(shí)際數(shù)值為700±50 μL·L－1，以模擬 21世紀(jì)末大氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。光照時(shí)數(shù)為 16 h·d－1，光強(qiáng)為 400 μmol·m－2·s－1，光期溫度為 26°C，相對濕度為 90%，黑暗時(shí)溫度為20℃，相對濕度大于90%。

研究從2009年4月開始，處理2個(gè)月后，取實(shí)驗(yàn)過程中新長出的成熟葉作為檢測材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 葉面積與葉厚度的測定 分別選取處理組和對照組春蘭各10株，取相同葉位的10片葉片在WDY-500A型葉面積測量儀上測量各組葉片的葉面積。將葉片折疊成塊狀后投入盛有一定體積水的量筒中，用排水法［8］測葉片的體積。葉體積除以葉面積即為葉厚度。

1.2.2 葉綠體質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定 取相同葉位葉片，稱量1.0 g鮮質(zhì)量葉片置于0.35 mol·L－1的氯化鈉等滲溶液中迅速搗碎（在0～5℃溫度下進(jìn)行）。將勻漿用 6層紗布過濾于燒杯中，取濾液在1 000 r·min－1下離心2 min，棄去沉淀。將上清液在3 000 r·min－1下離心5 min，棄去上清液，沉淀的即為葉綠體，稱量［9］。

1.2.3 氣孔密度和氣孔指數(shù)測定 取相同葉位的葉片，刮去上表皮和葉肉細(xì)胞，剩下下表皮，制成光鏡切片。每處理制5個(gè)，置于光學(xué)顯微鏡下，各選取4個(gè)視野進(jìn)行觀測計(jì)數(shù)，換算得氣孔密度（個(gè)·mm－2），單位面積的表皮細(xì)胞數(shù)與氣孔數(shù)之和即表皮細(xì)胞密度（個(gè)·mm－2），氣孔指數(shù) ＝（氣孔密度/表皮細(xì)胞密度）×100%［10］。用SPASS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積與葉厚度變化

春蘭具假鱗莖，一株春蘭約5片葉子，各選取第3葉位的葉子進(jìn)行測量。結(jié)果顯示（表1）：春蘭在CO2體積分?jǐn)?shù)增加情況下，葉面積有了明顯的變化，對照的平均值為20.63 mm2，而處理組葉面積平均值為27.62 mm2，增大了33.88%，差異極顯著，主要表現(xiàn)在葉片寬度的變化，而長度基本無變化。處理組葉片的厚度無顯著性變化。

表1 對照組與處理組春蘭葉片形態(tài)比較Table 1 Comparison with leaf morphology of Cymbidium goeringii of the control and the treated

2.2 葉綠體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由表1結(jié)果可以看出，處理組春蘭葉片的葉綠體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為180.30 mg·g－1，增加了33.09%，差異極顯著，這說明二氧化碳體積分?jǐn)?shù)增加促進(jìn)了葉綠體的形成。

2.3 表皮細(xì)胞密度變化

處理組春蘭葉片表皮細(xì)胞密度為1 561.29個(gè)·mm－2，比對照下降了9.72%，差異顯著（表1）。

2.4 氣孔密度與氣孔指數(shù)變化

結(jié)果顯示（表1），處理組春蘭葉片氣孔密度顯著下降，為139.82個(gè)·mm－2，與對照組相比下降了27.71%。同樣，隨著二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的倍增，氣孔指數(shù)也處于下降趨勢，處理組和對照組之間差異極顯著。與對照相比，處理組春蘭氣孔密度下降比表皮細(xì)胞密度的下降幅度要大，可能是由于氣孔器的發(fā)生和發(fā)育受到高體積分?jǐn)?shù)二氧化碳抑制造成的。

2.5 氣孔形態(tài)變化

掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，處理組春蘭的氣孔器長度發(fā)生了明顯的變化，對照組的氣孔呈圓形（圖1-A），而處理組的葉片氣孔呈長橢圓形（圖1-B）。處理組氣孔開度變小，使得細(xì)胞內(nèi)的水分散失減少，在細(xì)胞內(nèi)儲存的水分增加，從而使細(xì)胞看起來較飽滿。

圖1 電鏡下春蘭葉片的氣孔形態(tài)（A對照組葉片氣孔；B處理組葉片氣孔）Figure 1 SEM stomatal morphology of Cymbidium goeringii leaf of the control（A）and the treated（B）

3 討論

迄今為止，已達(dá)60多種植物被用于進(jìn)行二氧化碳體積分?jǐn)?shù)增加的影響研究，其中包括30多種農(nóng)作物和近30種樹木和雜草［11］，但很少涉及到觀賞植物，春蘭對二氧化碳體積分?jǐn)?shù)升高響應(yīng)的研究未見報(bào)道。以往關(guān)于植物對大氣二氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化的響應(yīng)，主要集中在植物光合與呼吸強(qiáng)度、營養(yǎng)器官各種生長參數(shù)和結(jié)構(gòu)、水分利用效率、生物量與產(chǎn)量、植物化學(xué)成分以及主要酶系統(tǒng)含量等方面的影響［3－6］，對植物器官形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化則研究較少。如植物的光合器官——葉片，作為植物對環(huán)境條件變化較為敏感的營養(yǎng)器官，其表型特征和生理生化特征的變化都能體現(xiàn)環(huán)境因子變化對它的影響或植物對環(huán)境的適應(yīng)［12－14］。

從多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果來看，在高體積分?jǐn)?shù)二氧化碳環(huán)境下，葉片的數(shù)量普遍增多、葉片增厚、葉面積增大［15］。本研究中，經(jīng)二氧化碳倍增處理2個(gè)月后，春蘭的葉片葉面積比對照極顯著增大，但春蘭葉片數(shù)量、厚度與長度并沒有增大。這與前人的研究結(jié)果不一致，有待進(jìn)一步研究。

在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)倍增條件下，栽培植物表皮細(xì)胞密度和維管束鞘細(xì)胞中的葉綠體數(shù)明顯增加，野生植物則呈相反趨勢。魏氓等［13］觀察發(fā)現(xiàn)高二氧化碳體積分?jǐn)?shù)處理下黃瓜Cucumis sativus葉片葉綠體的長度和寬度分別比對照增加 8.36%和 26.49%。楊松濤等［14］的實(shí)驗(yàn)表明，在高二氧化碳體積分?jǐn)?shù)下水稻Oryza sativa葉綠體內(nèi)的淀粉粒增加，葉綠體由原來的近梭形變成橢圓形或近圓形。該研究中，經(jīng)二氧化碳倍增處理后春蘭葉綠體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有極顯著提高，說明高二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的升高有利于增強(qiáng)春蘭的光合作用。

在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)升高對氣孔參數(shù)的影響方面，不同植物表現(xiàn)各不相同［15］。Woodward［3］通過比較不同年代的植物標(biāo)本和分析一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果后認(rèn)為，有60.00%的植物會(huì)因二氧化碳體積分?jǐn)?shù)升高氣孔密度下降。二氧化碳體積分?jǐn)?shù)升高可造成氣孔關(guān)閉，長期處于高二氧化碳體積分?jǐn)?shù)環(huán)境還會(huì)影響氣孔的發(fā)育。該研究發(fā)現(xiàn)，高體積分?jǐn)?shù)二氧化碳下春蘭氣孔密度下降，氣孔變狹長，即氣孔開度變小。氣孔密度減少和氣孔關(guān)閉的重要生理意義在于使植物的水分利用效應(yīng)發(fā)生改變，這種效應(yīng)越大，意味著植物光合速率越高［16］。而Murry［17］曾假設(shè)高二氧化碳體積分?jǐn)?shù)引起的氣孔導(dǎo)度與水分利用率的變化是調(diào)節(jié)氣孔內(nèi)腔空間的結(jié)果，而非氣孔的多少引起的?？梢?，對二氧化碳體積分?jǐn)?shù)升高影響氣孔的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)育情況的研究應(yīng)與氣體交換的研究結(jié)合起來，才能正確理解高體積分?jǐn)?shù)二氧化碳對植物葉片氣孔的生理生化影響。

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