牛膝菊屬兩種外來入侵植物葉片的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)比較研究

昌恩梓，齊淑艷，2，孔令群，李曉春，申 柳

（1.沈陽大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧省城市有害生物治理與生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110044）

牛膝菊屬（Galinsoga）植物全世界約有5種，主要分布于美洲.我國有牛膝菊（Galinsoga parviflora）和粗毛牛膝菊（Galinsogaquadriradiata）2種，均為外來入侵植物，目前這2種植物在遼寧省都有分布［1－2］.牛膝菊和粗毛牛膝菊作為一種入侵性雜草，其分布范圍較廣，生境條件多樣，目前還不很清楚它們?yōu)槭裁淳哂腥绱藦?qiáng)的入侵能力.植物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特征是植物最為主要的性狀，入侵植物對(duì)生境的適應(yīng)和散布能力是以內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)的，探討入侵植物結(jié)構(gòu)與生態(tài)適應(yīng)性、入侵機(jī)理的關(guān)系，對(duì)入侵植物的防范和治理具有一定的意義.有關(guān)牛膝菊和粗毛牛膝菊的生理、生態(tài)學(xué)方面的研究在國內(nèi)外已有報(bào)道［3－11］，但對(duì)其葉的比較解剖學(xué)研究尚缺乏系統(tǒng)的材料.本文對(duì)分布于遼寧省的牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，以為防控入侵植物及入侵機(jī)理的研究提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料采自沈陽大學(xué)校園（N41°46′，E123°26′），本地區(qū)是沈陽市人口密集的商業(yè)文化中心地帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，雨熱同季.年平均氣溫為7.4℃，1月平均氣溫為－12.6℃，7月平均氣溫為27.5℃；年平均降水量為755.4mm，多集中在6—8月，可占全年降水量的64.4%；無霜期150d.在植物區(qū)系上，沈陽屬于華北植物分布區(qū)，但正處于長白、蒙古植物分布區(qū)的交匯地帶［12］，植物種類比較豐富，給外來種入侵創(chuàng)造了生態(tài)環(huán)境條件.

2011年8月15日至9月6日9：00～11：00，于沈陽大學(xué)校區(qū)采集分布于不同草坪正常生長開花的牛膝菊（G.parviflora）和粗毛牛膝菊（G.quadriradiata）.

1.2 研究方法

1.2.1 葉片形態(tài)特征的觀測(cè)

分別取牛膝菊和粗毛牛膝菊新鮮植株各20株，每株取頂端成熟葉片至下數(shù)第3節(jié)完整、成熟的葉片2枚.利用清華紫光B700掃描儀將葉片形狀掃描成圖片文件，編號(hào)保存.將編號(hào)后的葉片分別裝袋，80℃（24h）烘干至恒重，用電子天平（1／10000）稱量每個(gè)葉片的干重.用AUTOCAD軟件測(cè)量每片葉的長度、寬度、周長、面積；計(jì)算葉片的長寬比、葉形指數(shù)（葉面積／（長×寬））、比葉重（葉生物量／葉面積）［14］.

1.2.2 氣孔形態(tài)的觀測(cè)

分別取牛膝菊和粗毛牛膝菊植株各30株，取其頂端成熟葉片至下數(shù)第3節(jié)完整、成熟的葉片，采用雙刃刀片刮取葉片位于主脈兩側(cè)和近葉邊緣的上、下表皮制作臨時(shí)水裝片.將制好的裝片利用Motic（DMB52223IPL）數(shù)碼顯微鏡攝像系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)（10×40倍），每個(gè)裝片隨機(jī)選取3個(gè)視野進(jìn)行拍攝，利用Motic mages Advanced 3.2圖像處理軟件，測(cè)量氣孔（兩個(gè)腎形保衛(wèi)細(xì)胞的胞間隙）的長度、寬度、周長、面積及氣孔數(shù)、表皮細(xì)胞數(shù)，計(jì)算氣孔指數(shù)（100×每個(gè)視野單位面積內(nèi)的氣孔個(gè)數(shù)／（氣孔個(gè)數(shù)＋表皮細(xì)胞數(shù)））、氣孔密度（個(gè)／mm2）、變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差／平均數(shù)×100%）［4］.

1.2.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)

將上述采集的新鮮葉片用刀片過中脈切成0.5cm×0.5cm左右的小片，F(xiàn)AA固定液固定，過夜.常規(guī)石蠟切片法制作葉的永久橫切片［13］，切片厚度10～12μm，酒精脫水，二甲苯透明，番紅－固綠對(duì)染，加拿大樹膠封片.每種植物葉片各制作有效石蠟切片30片.利用Motic（DMB52223IPL）數(shù)碼顯微鏡攝像系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)（10×10倍），每個(gè)裝片隨機(jī)選取3個(gè)視野進(jìn)行拍攝，利用Motic mages Advanced 3.2圖像處理軟件，測(cè)量葉片表皮細(xì)胞厚度和寬度、柵欄組織長度和寬度、海綿組織厚度等，并計(jì)算柵欄組織與海綿組織的比值.

原始數(shù)據(jù)的整理采用Excel軟件完成，差異顯著性檢測(cè)利用DPS軟件進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片形態(tài)特征

牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片形態(tài)特征測(cè)量結(jié)果見表1.分析結(jié)果表明，生長在相同的生境下，兩種植物葉片的長寬比、葉形指數(shù)、單葉干重和比葉重差異不顯著（P＞0.05），而單葉面積表現(xiàn)為牛膝菊＜粗毛牛膝菊，差異非常顯著（P＜0.01）.

表1 牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片的形態(tài)數(shù)量特征

2.2 葉表皮細(xì)胞形態(tài)特征

牛膝菊和粗毛牛膝菊的上、下表皮細(xì)胞均為不規(guī)則形，垂周壁呈波狀，但上表皮呈淺波狀，下表皮呈深波狀.上、下表皮均有氣孔分布，且下表皮多于上表皮，差異非常顯著（P＜0.01）.保衛(wèi)細(xì)胞為腎形，氣孔器類型為不規(guī)則型（見圖1）.牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片的氣孔形態(tài)數(shù)量特征和氣孔參數(shù)見表2.由表2可見，牛膝菊上表皮與下表皮氣孔的長度、寬度和周長差異不顯著（P＞0.05）；上表皮的氣孔面積＞下表皮的氣孔面積，差異顯著（P＜0.05）；而氣孔指數(shù)和氣孔密度均為上表皮＜下表皮，差異非常顯著（P＜0.01）.粗毛牛膝菊上表皮與下表皮氣孔的長度、寬度和周長差異不顯著（P＞0.05）；而上表皮的氣孔面積＜下表皮的氣孔面積，差異顯著（P＜0.05）；氣孔指數(shù)和氣孔密度均表現(xiàn)為上表皮＜下表皮，差異非常顯著（P＜0.01）.

圖1 葉片表面觀（10×40）

表2 牛膝菊和粗毛牛膝菊的氣孔形態(tài)數(shù)量特征和氣孔參數(shù)

2.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)

2.3.1 表皮

牛膝菊和粗毛牛膝菊的上、下表皮細(xì)胞均為一層，橫切面呈長方形或橢圓形.粗毛牛膝菊表皮毛為3－細(xì)胞單列型（見圖2）.牛膝菊和粗毛牛膝菊的表皮細(xì)胞解剖特征見表3.數(shù)據(jù)分析表明：牛膝菊和粗毛牛膝菊上表皮細(xì)胞的厚度＞下表皮的厚度，差異非常顯著（P＜0.01）；上表皮細(xì)胞的寬度＞下表皮的寬度，差異顯著（P＜0.05）.

2.3.2 葉肉

牛膝菊和粗毛牛膝菊具有明顯的柵欄組織和海綿組織分化，為異面葉，其解剖結(jié)構(gòu)特征詳見表3.柵欄組織細(xì)胞呈長柱狀，1層位于近軸面（見圖2）.牛膝菊的柵欄組織細(xì)胞長度和寬度分別為72.20，23.82μm，海綿組織厚度為91.74μm，柵欄組織厚／海綿組織厚為0.7963，海綿組織細(xì)胞排列較疏松.粗毛牛膝菊柵欄組織細(xì)胞長度和寬度分別為72.85，29.85μm，海綿組織厚度為80.87μm，柵欄組織厚／海綿組織厚為0.9224，海綿組織細(xì)胞排列較緊密.

表3 牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片的解剖特征

2.3.3 葉脈

牛膝菊和粗毛牛膝菊的中脈僅有1束維管束，外有2層維管束鞘，屬于C3植物類型（見圖2）.

3 討論

生態(tài)適應(yīng)是生物個(gè)體為了適應(yīng)環(huán)境變化，從形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征等方面做出的有利于生存的改變.葉片是植物體進(jìn)行光合作用的營養(yǎng)器官，同時(shí)也是對(duì)環(huán)境變化最為敏感的器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)［14］.

3.1 葉片形態(tài)特征

入侵植物具有對(duì)異質(zhì)性環(huán)境的快速適應(yīng)能力和快速進(jìn)化的特點(diǎn)［15］.調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，粗毛牛膝菊生境多樣，而牛膝菊一般生長在蔽蔭和水分充足的環(huán)境中.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粗毛牛膝菊的單葉面積（4.8890cm2）大于牛膝菊的單葉面積（2.9957cm2），大的葉面積具有增強(qiáng)光合作用效率、保持體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的作用，說明粗毛牛膝菊比牛膝菊能更好地適應(yīng)資源貧瘠和干旱的環(huán)境，擴(kuò)散能力更強(qiáng)，這也是目前粗毛牛膝菊分布多于牛膝菊的原因之一.而粗毛牛膝菊和牛膝菊植物葉片的長寬比、葉形指數(shù)差異不顯著，表明生長在相同生境下同屬不同種植物葉片的形態(tài)特征差別不大.

生物量和比葉重作為植物葉片的生長指標(biāo)能夠反映植物的生長和生產(chǎn)力大小.比葉重的增大可減少植物因葉表面蒸騰而引起的水分喪失，保水能力更強(qiáng)；此外比葉重增大可使葉片具有較強(qiáng)的支持和抵御能力［16］.粗毛牛膝菊的比葉重（0.0030g／cm2）大于牛膝菊的比葉重（0.0003g／cm2），表明粗毛牛膝菊比牛膝菊具有更強(qiáng)的抗旱能力，這也是粗毛牛膝菊向西北和東北入侵潛力較強(qiáng)的原因之一.

3.2 葉表皮細(xì)胞形態(tài)特征

牛膝菊和粗毛牛膝菊上表皮氣孔密度小于下表皮的，且差異非常顯著，這樣的氣孔分布特點(diǎn)可使植物能夠抵御強(qiáng)烈的日光照射、減少呼吸和蒸騰以達(dá)到降低水分散失的目的，說明牛膝菊和粗毛牛膝菊都是典型的陽生植物.野外觀察表明，在沈陽霜降以后，其他植物地上部分均已死亡，而牛膝菊和粗毛牛膝菊仍能存活，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗寒能力.本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，牛膝菊和粗毛牛膝菊的上、下表皮細(xì)胞垂周壁呈波狀，細(xì)胞更具彈性，可使其不受表皮細(xì)胞因寒冷失水所產(chǎn)生的壓力影響［17］，而植物葉片表皮細(xì)胞具有波浪狀垂周壁，是抗寒能力較強(qiáng)的表現(xiàn)［18］，這一結(jié)論與觀察結(jié)果相吻合.

牛膝菊和粗毛牛膝菊氣孔密度的變異系數(shù)都比氣孔指數(shù)的變異系數(shù)大，說明在影響氣孔參數(shù)因素相同的情況下，氣孔指數(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)演替性狀.這一結(jié)果與馬清溫等對(duì)北美紅杉和水杉的氣孔參數(shù)的研究結(jié)論一致［19－20］.實(shí)驗(yàn)表明牛膝菊和粗毛牛膝菊的下表皮氣孔密度和氣孔指數(shù)的變異系數(shù)均大于上表皮，表明牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片下表皮的氣孔分布情況比上表皮更加穩(wěn)定.但是粗毛牛膝菊的氣孔面積小于牛膝菊的氣孔面積，這種特點(diǎn)的氣孔對(duì)外界條件變化反應(yīng)靈敏，當(dāng)植株受到干旱脅迫而葉片水分狀況并未發(fā)生改變時(shí)，氣孔導(dǎo)性下降，蒸騰降低，氣孔可較快關(guān)閉，防止葉片可能發(fā)生的水分虧缺，從而提高植株的抗旱能力［21］.在干旱環(huán)境下氣孔密度一般隨著環(huán)境中水分和濕度的減少而增加，但氣孔面積則向小型化發(fā)展［22］.粗毛牛膝菊氣孔面積較小表現(xiàn)出對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)性要強(qiáng)于牛膝菊.

葉片表皮結(jié)構(gòu)，特別是氣孔參數(shù)，對(duì)環(huán)境條件變化的響應(yīng)與適應(yīng)多樣、復(fù)雜，要深入揭示入侵植物葉表皮細(xì)胞形態(tài)特征對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的適應(yīng)性仍需要進(jìn)一步開展相關(guān)的研究工作.

3.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)

牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片上表皮細(xì)胞厚度均大于下表皮，柵欄組織與海綿組織的厚度比分別為0.7963和0.9224.柵欄組織與海綿組織的厚度比越大其耐寒、耐旱性越強(qiáng)，厚度比大于1的植物通常被認(rèn)為是典型的抗寒、抗旱性植物［23］.牛膝菊和粗毛牛膝菊柵欄組織與海綿組織的厚度比均較高，說明這兩種植物的耐旱性、耐寒性都較強(qiáng).而粗毛牛膝菊柵欄組織與海綿組織的厚度比大于牛膝菊的，且差異顯著，表明在相同的環(huán)境條件下，粗毛牛膝菊比牛膝菊具有更強(qiáng)的光合能力，可以積累更多的有機(jī)物.粗毛牛膝菊的比葉重（0.0052g／cm2）大于牛膝菊的比葉重（0.0038g／cm2），且差異顯著，也證明了這一點(diǎn).海綿組織的厚薄主要反映了植物對(duì)水分條件的適應(yīng)性，水分條件越好其海綿組織也就越厚［24］，牛膝菊海綿組織厚度為91.74μm，粗毛牛膝菊海綿組織厚度為80.87μm，差異顯著，說明粗毛牛膝菊對(duì)干旱環(huán)境條件的適應(yīng)性強(qiáng)于牛膝菊.

以上葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的特征反映出粗毛牛膝菊比牛膝菊適應(yīng)范圍更廣、對(duì)逆境的忍耐力更強(qiáng)，能較好的適應(yīng)干旱、寒冷環(huán)境，入侵潛力更大，這也是粗毛牛膝菊成功入侵的重要原因之一.同時(shí)這也說明水分和寒冷條件不能成為牛膝菊和粗毛牛膝菊等入侵植物繼續(xù)擴(kuò)大分布范圍的限制因素.

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