干旱脅迫對(duì)3種觀賞灌木葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響及抗旱性分析1)

常英俏 徐文遠(yuǎn) 穆立薔 姜雪昊 柴春榮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

隨著城市綠地面積的增加和水資源的日益緊缺，節(jié)水型園林已成為城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求，而應(yīng)用耐旱植物綠化是發(fā)展節(jié)水型園林的主要措施之一［1］。小葉丁香(Syringa pubescens)、紅王子錦帶(Weigela florida‘Red Prince’)和金銀忍冬(Lonicera maakii)均為常見的綠化樹種，并且都均有抗旱性。小葉丁香樹姿秀麗，花色鮮艷，且一年兩度開花，解決了夏秋無花的現(xiàn)狀，丁香姿容娟柔，但卻毫不嬌慣，極為耐旱。金銀忍冬是園林綠化植物中最常見的樹種之一，金銀木花果并美，具有較高的觀賞價(jià)值，春天可賞花聞香，秋天可觀果累累。紅王子錦帶是錦帶花的一個(gè)園藝品種，性喜光，抗旱，抗寒，樹形格外美觀，紅花點(diǎn)綴綠葉中，具有很高的觀賞價(jià)值。因此選用小葉丁香、紅王子錦帶、金銀忍冬這3種觀賞灌木具有一定代表性?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外已有許多對(duì)這3種觀賞灌木的抗性研究［2－3］，但都是從生理指標(biāo)的角度進(jìn)行的抗性比較，未見從植物的解剖結(jié)構(gòu)角度上進(jìn)行研究。由于植物體內(nèi)的水分絕大部分通過葉片蒸騰消耗掉，葉與環(huán)境的關(guān)系最為密切，環(huán)境不僅影響到葉的外部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也影響到葉的內(nèi)部構(gòu)造和生理活動(dòng)［4］。因此，運(yùn)用解剖學(xué)方法，研究特定生境下植物葉片的解剖結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律已成為生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)重要方面［5－7］。本文研究了不同水分含量的干旱處理對(duì)3種灌木解剖結(jié)構(gòu)的影響及抗旱性分析，并對(duì)3種灌木基于葉片解剖結(jié)構(gòu)的抗旱性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為解剖結(jié)構(gòu)的研究提供理論性的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)林場(chǎng)溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，并采用小葉丁香(Syringa pubescence)、紅王子錦帶(Weigela florida‘Red Prince’)、金銀忍冬(Lonicera maakii)2年生苗作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽控水法進(jìn)行不同程度的水分處理，每盆栽植幼苗1株，每個(gè)處理3盆，共36盆，盆內(nèi)裝入等量土壤并適當(dāng)拍實(shí)，每盆底放置1個(gè)托盤。每隔1d充分補(bǔ)水1次，幼苗正常生長(zhǎng)6周后，用50 cm3環(huán)刀取盆中土樣(每樹種1盆)，測(cè)定土壤水分物理性質(zhì)參數(shù)。隨后，采用稱質(zhì)量法設(shè)置4種不同的土壤水分處理，土壤含水量分別為41%(CK)、34%(處理1)、27%(處理2)和20%(處理3)。每天17:00稱土壤的質(zhì)量，并補(bǔ)充失去的水分。取新鮮葉片進(jìn)行清洗，用紗布擦拭干凈，V(FAA:70%乙醇)∶V(福爾馬林)∶V(冰醋酸)=90∶5∶5，固定液固定48 h，經(jīng)常規(guī)乙醇系列脫水，二甲苯透明，37℃恒溫下浸蠟，石蠟包埋，切片機(jī)切片(切片厚度為8～10μm)，最后用番紅—固綠雙重染色，中性樹膠封片。在OlympusBH—2光學(xué)顯微鏡下觀察，并測(cè)量葉片厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度等9項(xiàng)指標(biāo)，其中所有數(shù)據(jù)均為每個(gè)切片上5個(gè)視野的平均值，重復(fù)5次。葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%;葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度×100%［4］。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用One－way ANOVA進(jìn)行方差分析和多重比較。最后用模糊隸屬函數(shù)值進(jìn)行種間抗性比較。其中隸屬函數(shù)值具體公式為:如果指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)，X(μ)=(X－Xmin)/(Xmax－Xmin);如果指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，X(μ)=1－(X－Xmin)/(Xmax－Xmin)。式中:X表示各指標(biāo)的測(cè)定值;Xmax和Xmin分別表示各灌木樹種對(duì)應(yīng)指標(biāo)的最大值和最小值［8－9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種灌木種內(nèi)抗旱性比較

由圖1可以看出，3種灌木的葉片主要由表皮、柵欄組織及葉脈組成。3種灌木葉片的厚度不等，其平均厚度在182.06～226.54μm之間，上下表皮均有明顯的角質(zhì)層，厚度為1.28～2.01μm，角質(zhì)層能夠防止植物體內(nèi)水分的過分蒸騰，為了更好地適應(yīng)缺水環(huán)境，植物葉片角質(zhì)層會(huì)加厚，增加水分的擴(kuò)散阻力，使葉片葉肉細(xì)胞更有效地利用水分。上下表皮均有1層細(xì)胞組成，大小不等，細(xì)胞排列整齊、緊密、呈圓形或類圓形。3種灌木葉肉薄壁組織分化為柵欄薄壁組織和海綿薄壁組織，柵欄組織均為2層以上，細(xì)胞排列緊密，組織結(jié)構(gòu)的緊密度為60%～95%，其中金銀忍冬組織結(jié)構(gòu)的緊密度高達(dá)95%，說明柵欄組織排列的很緊密，具有較強(qiáng)的抗旱性。海綿薄壁組織厚度為46.66～67.21μm，占葉片厚度的22%～36%。葉肉組織中柵欄組織發(fā)達(dá)(厚度增加)而海綿組織退化(厚度減小)，也是旱生植物區(qū)別于中生植物的一個(gè)重要特征。

圖1 3種灌木解剖結(jié)構(gòu)變化

彭威［10］認(rèn)為，柵欄薄壁組織發(fā)達(dá)是生長(zhǎng)在不良水分平衡條件下的植物的一個(gè)特征。趙翠仙等［11］認(rèn)為，具有發(fā)達(dá)的柵欄薄壁組織及退化的海綿薄壁組織結(jié)構(gòu)是植物耐旱的一個(gè)特征。張振師等［12］也通過解剖研究證明了柵欄薄壁組織緊密度及厚度與抗旱性有最密切的關(guān)系。在葉片的組織形態(tài)建造過程中，當(dāng)環(huán)境條件逐步惡劣時(shí)，植物有葉片增厚、柵欄組織增加、葉肉組織結(jié)構(gòu)緊密度增加等現(xiàn)象［5］。從觀測(cè)結(jié)果來看，3種灌木中柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織與海綿組織的比值以及葉松密度和葉緊密度均發(fā)生了顯著性的變化。由表1、表2、表3均可以看出，隨著水分含量的降低，3種灌木呈現(xiàn)柵欄組織厚度逐漸增加，海綿組織不斷分化，柵欄組織與海綿組織的比值逐漸變大，葉片的緊密度不斷增加，松密度逐漸下降的趨勢(shì)。由此可以看出，隨著水分含量脅迫的增強(qiáng)，3種灌木的抗旱性也逐漸增強(qiáng)。

表1 小葉丁香葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

2.2 3種灌木種間抗旱性比較

2.2.1 各抗旱性指標(biāo)的主成分分析

植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)經(jīng)歷著不同的方式和途徑，這些特征在不同的植物中表現(xiàn)的差異度不一致［13］。從表1～表3可以看出，3種灌木的9項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生了顯著性的變化，其中小葉丁香中柵欄組織與海綿組織比值的變異系數(shù)最大，而紅王子錦帶中葉片緊密度變異系數(shù)最大，所以所選指標(biāo)必須具有一定的代表性才能進(jìn)行種間抗性評(píng)價(jià)。但如果選入過多相關(guān)密切的指標(biāo)不僅不利于揭示類型特征，還會(huì)產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的偏差［14］，所以選擇彼此獨(dú)立的有代表性的指標(biāo)才能獲得最優(yōu)的方案。本文采用主成分分析法對(duì)9項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，并根據(jù)各主成分中每個(gè)指標(biāo)載荷量及其變異系數(shù)的大小篩選出具有代表性的指標(biāo)。文中選擇處理1為代表進(jìn)行主成分分析。

表2 紅王子錦帶葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

表3 金銀忍冬葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

由表4可以看出，通過主成分分析法將9項(xiàng)指標(biāo)分成了兩大類。一類反映的是葉片組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，另一類則反映的是葉片表皮的特性。前2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)100.00%，說明前2個(gè)主成分較好地保留了9個(gè)指標(biāo)的大部分信息。由表5可看出，各指標(biāo)對(duì)應(yīng)于2個(gè)主成分的載荷值具有極大差異。載荷值越大的指標(biāo)，說明其對(duì)主成分的貢獻(xiàn)越大，典型性越強(qiáng)［14］。在第一主成分中，柵欄組織厚度、海綿組織、柵欄組織與海綿組織的比值、葉緊密度、葉松密度有較大載荷值，主要反映了葉片組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在第二主成分中，上下表皮細(xì)胞的長(zhǎng)與寬有較大載荷值，反映了葉片表皮的特性。

一般，在一組指標(biāo)中變異系數(shù)大的指標(biāo)對(duì)分析結(jié)果具有重要意義［14］。在第一主成分所反映的葉肉組織結(jié)構(gòu)的特征中，盡管柵欄組織與海綿組織的比值和葉片緊密度的相關(guān)指數(shù)小于海綿組織的相關(guān)指數(shù)，但它們的變異系數(shù)較高，所以選擇柵欄組織與海綿組織比值及葉片緊密度更具有此類的代表性。第二主成分主要反映了葉片表皮的特性，因此選擇載荷值大、并且變異系數(shù)高的上表皮細(xì)胞厚度則具有代表性。較大的表皮細(xì)胞具有貯水作用，對(duì)于增強(qiáng)水分的調(diào)節(jié)能力有一定意義，這也是植物適應(yīng)干旱的一種途徑［15－16］。

表4 解釋的總方差(處理1)

表5 主成分載荷矩陣表(處理1)

2.2.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)特征與抗旱性的隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)分析是在多指標(biāo)測(cè)定的基礎(chǔ)上對(duì)材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。根據(jù)篩選的具有代表性的葉片的抗旱性解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)，應(yīng)用隸屬函數(shù)值法［8］，對(duì)不同水分含量脅迫下小葉丁香的抗旱性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。對(duì)3種灌木2個(gè)典型指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行累加，求取平均值，平均值越大，抗旱性就越強(qiáng)［9］。

由表6的隸屬函數(shù)值的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，在水分含量為34%時(shí)，3種灌木抗旱性的大小為:金銀忍冬＞紅王子錦帶＞小葉丁香;由表7的隸屬函數(shù)值的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，在水分含量為27%時(shí)，3種灌木抗旱性大小為:小葉丁香帶＞金銀忍冬＞紅王子錦帶;由表8的隸屬函數(shù)值的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，在水分含量為20%時(shí)，3種灌木抗旱性的大小為:金銀忍冬＞紅王子錦帶＞小葉丁香。

表6 3種灌木2項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及抗旱性評(píng)價(jià)結(jié)果(處理1)

表7 3種灌木2項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及抗旱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(處理2)

表8 3種灌木2項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及抗旱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(處理3)

4 結(jié)論與討論

3種灌木在不同水分含量脅迫下，抗旱性均隨水分含量脅迫的增強(qiáng)而增強(qiáng)。由表6～表8可以看出，水分含量為34%和20%時(shí)，抗性的大小是一致的，即:金銀忍冬＞紅王子錦帶＞小葉丁香;水分含量為27%時(shí)，抗性大小為:小葉丁香帶＞金銀忍冬＞紅王子錦帶。

葉片的解剖結(jié)構(gòu)特征是反映樹木對(duì)干旱生境適應(yīng)能力非常重要的一個(gè)方面，是樹木抗旱性綜合評(píng)定必不可少的一部分［14］。生長(zhǎng)在不同生態(tài)環(huán)境中的同種植物，它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)也會(huì)表現(xiàn)出明顯的趨異現(xiàn)象，這通常被認(rèn)為是植物對(duì)特殊環(huán)境的適應(yīng)［5］。葉片暴露在空氣中的面積比例在整個(gè)植物體上最大，并且是植物最基本、最主要的生命活動(dòng)場(chǎng)所，因此它是植物對(duì)不同環(huán)境反應(yīng)最敏感的器官［17］。旱生植物的葉通常較小，以減少葉的蒸騰面積，但是葉面積的縮小雖可以減少蒸騰，卻對(duì)光合作用不利。因此，旱生植物的葉肉向著提高光合效能方面發(fā)展，而高度發(fā)達(dá)的柵欄組織既可避免干旱地區(qū)強(qiáng)烈光照對(duì)葉肉細(xì)胞的灼傷，又可以有效地利用衍射光進(jìn)行光合作用［18］。也就是說，柵欄組織越厚，柵欄組織細(xì)胞越小，且排列越緊密，植物利用光能的效率越高。柴春榮［19］曾經(jīng)通過測(cè)定生理指標(biāo)對(duì)6種園林綠化植物的抗旱性進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)，得出紅王子錦帶的抗旱性大于金銀忍冬。而本文則在植物形態(tài)結(jié)構(gòu)上對(duì)抗旱性進(jìn)行了分析，研究表明，不同的水分含量脅迫時(shí)，得到的結(jié)果也不同，說明植物的抗旱性不僅與自身形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，而且也取決于內(nèi)部的多種生理生化活動(dòng)。因而，具體評(píng)價(jià)某種樹木的抗旱性時(shí)，還需考慮多方面的因素，從而作出科學(xué)的解答［14］。

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