橫斷山區(qū)珠子參不同居群葉片形態(tài)變異及其與環(huán)境因子的關(guān)系

楊天梅等

摘要：為探討珠子參多樣性及生態(tài)適應(yīng)性，在橫斷山區(qū)選取具有代表性的24個(gè)珠子參自然居群，對(duì)其葉片的葉長、葉寬、長寬比、正面和背面表皮毛密度及氣孔密度等指標(biāo)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示：珠子參葉片形態(tài)變異顯著，變異系數(shù)大小順序?yàn)檎姹砥っ芏?背面表皮毛密度>氣孔密度>葉長寬比>葉長>葉寬；地理距離鄰近的居群間指標(biāo)差異不顯著，較遠(yuǎn)的居群間指標(biāo)差異顯著；葉長與遮陰度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.51；背面表皮毛密度與經(jīng)度和年均氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.50和0.51，與緯度和遮陰度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.45和-0.54，說明葉長及背面表皮毛密度相對(duì)于其他指標(biāo)對(duì)環(huán)境因子的影響變化更敏感；聚類分析將24個(gè)居群分為3類，地理距離相對(duì)較近的或表皮毛和氣孔密度相近的一般聚為一類。珠子參通過改變?nèi)~形態(tài)及葉片大小，增加或減少表皮毛和氣孔數(shù)量來適應(yīng)環(huán)境的變化。本研究結(jié)果為珠子參對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)與響應(yīng)機(jī)制提供了基礎(chǔ)，也對(duì)研究其生態(tài)適應(yīng)性及資源的保護(hù)和利用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：表皮毛；氣孔；生態(tài)適應(yīng)性；珠子參；葉片形態(tài)；環(huán)境因子；相關(guān)性

中圖分類號(hào)： S567.5+10.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0276-04

葉片是植物進(jìn)化過程中對(duì)環(huán)境變化較敏感且可塑性較大的器官，在不同選擇壓力下已經(jīng)形成各種適應(yīng)類型，其形態(tài)特征最能體現(xiàn)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[1]。葉片形態(tài)特征受到了廣泛的關(guān)注，有學(xué)者從葉表皮形態(tài)特征[2-3]、葉片解剖結(jié)構(gòu)[4-6]等不同角度對(duì)葉片形態(tài)變化及其適應(yīng)特征作了大量研究。研究表明，植物葉片形態(tài)與地理環(huán)境息息相關(guān)，同一種屬植物生長在不同生境下，其葉形態(tài)特征有著較顯著的差異，根據(jù)這些差異可以討論與推測植株進(jìn)化與變異軌跡；因此，深入揭示植物葉片的形態(tài)特征，對(duì)研究植物生態(tài)適應(yīng)性具有重要意義。

橫斷山區(qū)在云南、四川兩省的西部，生物多樣性極強(qiáng)，且富含古老和孑遺類型，是研究生態(tài)適應(yīng)性的熱點(diǎn)地區(qū)，也是人參屬起源中心和多樣性分布及現(xiàn)代分化中心。人參屬植物是經(jīng)歷了第4次冰期的孓遺植物，為典型陰生C3植物，對(duì)光、溫等生態(tài)因子十分敏感，適應(yīng)性差，長期過度采挖導(dǎo)致其資源日益短缺，種群瀕臨滅絕，分布區(qū)也大大縮小，珠子參[Panax japonicus C. A. Mey. var. major （Burk.） C. Y. Wu et K. M. Feng]等分布較廣的種也由于醫(yī)藥工業(yè)開發(fā)而遭到極大的破壞，人參屬珍貴種質(zhì)資源研究及保護(hù)已成為迫切的問題。然而本屬植物各種間的外部形態(tài)、特別是地上部分的形態(tài)甚為相似，一些形態(tài)特征（如葉片、花等）過渡類型頗多[7]，給研究其生態(tài)適應(yīng)能力和開發(fā)利用帶來了困難，因此對(duì)人參屬生態(tài)適應(yīng)能力的研究較為少見。Venugopal等研究了氣候環(huán)境因子變化對(duì)假人參（P. pseudoginseng）生長繁殖能力的影響，發(fā)現(xiàn)溫度、降水和相對(duì)濕度對(duì)其生長繁殖具有協(xié)同效應(yīng)[8]。本研究以橫斷山區(qū)人參屬中變異最為復(fù)雜的珠子參為對(duì)象，分析24個(gè)居群珠子參葉形態(tài)特征，結(jié)合各居群的生境數(shù)據(jù)，試圖闡釋珠子參各居群葉形態(tài)特征的變異與生境的相關(guān)性，來揭示珠子參葉片形態(tài)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)，可為這一瀕危物種在未來氣候環(huán)境變化條件下的保護(hù)和開發(fā)利用及人工種植提供一定依據(jù)，也為研究本屬植物的生態(tài)適應(yīng)能力提供一定的參考數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1樣地選擇與樣品采集

2013年6—8月，珠子參葉生長茂盛時(shí)期，在云南省昆明、大理鶴慶馬廠、麗江、德欽以及四川省鹽源縣和木里縣等野生珠子參分布較為集中的地方進(jìn)行調(diào)查采樣，共采集了 24個(gè)居群（表1）的樣品，每個(gè)樣地隨機(jī)選擇20株無明顯病蟲害的植株，每株采集中部葉片及時(shí)進(jìn)行葉片特征指標(biāo)測定。

1.2葉片特征指標(biāo)的測定

1.2.1葉片長和寬的測定用直尺按每個(gè)樣地20株，各取正常完整的中部葉片，測量葉長和葉寬，并觀察記錄葉片的形狀和葉緣、葉端的形態(tài)。

1.2.2葉片表皮毛密度的測定用直尺在葉片中部量出1 cm×1 cm 的小塊，放在解剖鏡（XTT型實(shí)體顯微鏡）下觀測方塊面積上、下表皮毛的數(shù)量，即為表皮毛密度。

1.2.3葉片氣孔密度的測定將葉片浸泡在等量的30%過氧化氫-醋酸溶液中，在室溫下放置72 h，在光學(xué)顯微鏡40倍鏡下觀測各視野氣孔的數(shù)量，計(jì)算其平均值，用平均值除以表124個(gè)居群的地理位置

視野面積即為氣孔密度。

1.3數(shù)據(jù)處理方法

用Excel 2003、DPS 7.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同居群珠子參葉片基本形態(tài)特征的比較

珠子參的葉片形態(tài)特征主要為多薄紙質(zhì)，稀厚紙質(zhì)，近圓形、橢圓形、長橢圓形或卵狀橢圓形，先端長漸尖或尾狀漸尖，邊緣有重鋸齒、細(xì)鋸齒或深波狀，兩面脈上均有表皮毛（圖1）。24個(gè)居群中，葉長最長的為9居群，平均為11.03 cm，最短的為23居群，平均為3.50 cm，相差7.53 cm；葉寬最寬為3居群和8居群，平均為3.06 cm，最窄的為23居群，平均為1.50 cm，相差1.56 cm，葉長、葉寬變異系數(shù)分別為0.28、0.20；地理位置臨近的差異不顯著，地理位置較遠(yuǎn)的差異顯著（表2）。

2.2不同居群珠子參葉片表皮特征的比較

通過解剖鏡和顯微觀察顯示，珠子參葉片正面和背面均有表皮毛，且表皮毛的類型表現(xiàn)一致，上表皮細(xì)胞呈不規(guī)則形，垂周壁波狀彎曲，均無氣孔；下表皮細(xì)胞也呈不規(guī)則形，但垂周壁深波狀彎曲，均有氣孔，類型均為不定式，稀不等式，副衛(wèi)細(xì)胞 3～4個(gè)（圖2）。差異分析結(jié)果顯示，正面、背面表皮毛密度差異顯著，平均正面表皮毛密度是32.78個(gè)/cm2，變異系數(shù)為0.92，最大是24居群，為148.33個(gè)/cm2，最小是22居群，為2.00個(gè)/cm2；平均背面表皮毛密度是10.53個(gè)/cm2，變異系數(shù)為0.99，最大是1居群，為39.66個(gè)/cm2，最小是19和22群居，為0個(gè)/cm2；氣孔密度1居群、8居群、16居群、17居群和24居群5個(gè)居群的差異顯著，平均156.71個(gè)/mm2，變異系數(shù)為0.43，最大是24居群，為360.33個(gè)/mm2，最小是8和9居群，為90.00個(gè)/mm2（表3）。

2.3不同居群珠子參葉片特征與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

分析了6個(gè)葉片特征參數(shù)和海拔、經(jīng)度、緯度、年均降水量、遮陰度、植被類型、土壤類型8個(gè)環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果表明：葉長與遮陰度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.51；背面表皮毛密度與經(jīng)度和年均氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.50和0.51，與緯度和遮陰度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.45和-0.54，其余指標(biāo)相關(guān)性不顯著（表4）。

2.4聚類分析

對(duì)珠子參24個(gè)居群的6個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析（Ward法），當(dāng)距離為3.55時(shí)，可分為3類，第1類包括1、14、23、24，共計(jì)4個(gè)居群；第2類包括2、3、4、5、6、8、9、10、11、12、13、15、16、17、18、19、20、22，共計(jì)18個(gè)居群；第3類包括7和21，共計(jì)2個(gè)居群（圖3）。在這3類中，每一類各居群之間有的地理距離相對(duì)較近，如第1類的23和24，都是四川省的；還有第2類中的2、3、4、5和10、12、11、6、13、9等居群為同一個(gè)縣份和市區(qū)的資源。此外，還可以看出，每一類群所處的地理環(huán)境條件也較為相似，如第3類中2個(gè)居群的緯度相差不大，表皮毛密度和氣孔密度也相近。表4珠子參24個(gè)居群葉片特征與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

葉片形態(tài)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)海拔經(jīng)度緯度年均降水量年均氣溫遮陰度植被類型土壤類型葉長0.10.02-0.070.04-0.40.51*-0.04-0.28葉寬-0.240.17-0.250.14-0.110.25-0.04-0.13葉長寬比0.32-0.090.02-0.2-0.360.28-0.06-0.24正面表皮毛密度 0.150.230.01-0.210.34-0.320.06-0.16背面表皮毛密度-0.150.50*-0.45*-0.320.51*-0.54*0.090.02氣孔密度0.17-0.030.12-0.180.16-0.07-0.14-0.27注：“*”表示顯著相關(guān)（P<0.05），“**” 表示極顯著相關(guān)（P<0.01）。

3結(jié)論與討論

3.1珠子參葉的形態(tài)特征與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系

大多植物形態(tài)性狀是多基因決定的數(shù)量性狀，往往具有適應(yīng)和進(jìn)化意義，可以更清楚地揭示植物與其環(huán)境之間的關(guān)系，而葉是植物暴露在地面環(huán)境中最多的器官，因此植物對(duì)環(huán)境的反應(yīng)通常較多地反映在葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)上。有研究也表明，植物葉片形態(tài)與地理環(huán)境息息相關(guān)，同一種屬植物生長在不同生境下，其葉表皮氣孔密度有著較顯著的差異，根據(jù)這些差異可以討論與猜測植株進(jìn)化與變異軌跡[9-11]。本研究中，珠子參葉上表皮毛大都多于下表皮，但上表皮基本上沒有氣孔，氣孔均存在于下表皮，這樣可以避免強(qiáng)烈的日照，減少呼吸和蒸騰，降低水分的散失，起到自我保護(hù)的作用。差異分析結(jié)果顯示，珠子參葉的6個(gè)形態(tài)特征在地理位置較遠(yuǎn)的居群差異顯著，但地理位置臨近的居群（即在同一縣區(qū)和市區(qū)）差異不顯著，海拔較高的珠子參葉表皮毛密度和氣孔密度增加，這與馬書榮等的研究結(jié)論[12]是相符的，即隨海拔升高，氣孔密度增加，單位面積上的表皮毛數(shù)量增多。聚類分析結(jié)果也顯示24個(gè)居群的6個(gè)葉片特征性指標(biāo)表現(xiàn)出與采集地有一定的相關(guān)性，地理距離相對(duì)較近的資源一般聚為一類。但相關(guān)分析結(jié)果顯示葉長與遮陰度呈顯著正相關(guān)，說明葉片的長度與生長環(huán)境的遮陰程度關(guān)系密切；背面表皮毛密度與經(jīng)度和年均氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.50和0.51，與緯度和遮陰度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.45和-0.54，說明葉長及背面表皮毛密度相對(duì)于其他指標(biāo)對(duì)環(huán)境因子的影響變化更敏感；其余指標(biāo)相關(guān)性不顯著，究其原因，可能是由于珠子參標(biāo)本采集地海拔、植被類型及土壤類型差異不大，各居群珠子參生長環(huán)境有一定相似性或者與光照、土壤濕度等其他因素有關(guān)系。

另外本研究中，聚類分析將四川省木里縣和鹽源縣、云南省昆明市呈貢縣梁王山、云南迪慶州維西縣攀天閣居群聚為一類，4個(gè)居群之間表皮毛和氣孔密度存在著較大差異，且有的地理位置較遠(yuǎn)，究其原因，這可能與光照及其他因素有關(guān)。Ciha等指出氣孔密度隨植株接受光強(qiáng)增加而增加[13-14]；有學(xué)者指出水分脅迫條件下，氣孔密度有升高的趨勢(shì)。四川木里海拔較高，光照度較其他地區(qū)強(qiáng)，土壤濕度也較其他地區(qū)的小，所以氣孔密度高些。綜上所述，珠子參植株葉形態(tài)特征與生境的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

3.2珠子參葉的形態(tài)特征的多樣性

珠子參是人參屬中過渡類型最多的一個(gè)種[15-16]。在本研究中也發(fā)現(xiàn)，同一居群的珠子參在葉形態(tài)上變異顯著，24個(gè)居群中葉形就有近圓形、橢圓形、長橢圓形、卵狀橢圓形；葉緣有鋸齒的、細(xì)鋸齒的、重鋸齒的和深波狀的；葉端有漸尖或尾狀漸尖；形態(tài)上差異很大；上下表皮毛密度上表面較下表面大，上表皮細(xì)胞呈不規(guī)則形，垂周壁波狀彎曲，均無氣孔；下表皮細(xì)胞也呈不規(guī)則形，但垂周壁深波狀彎曲，均有氣孔，類型均為不定式，稀不等式，副衛(wèi)細(xì)胞 3～4個(gè)，單位面積的氣孔數(shù)量和表皮毛數(shù)量有明顯差異。因此，葉片特征對(duì)于珠子參種質(zhì)篩選和保存有一定的指導(dǎo)意義。

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