杜仲雌雄株葉片的解剖結(jié)構(gòu)比較

石匡正，楊 晴，郭學(xué)民

(河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北 秦皇島，066600)

杜仲雌雄株葉片的解剖結(jié)構(gòu)比較

石匡正，楊 晴，郭學(xué)民*

(河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北 秦皇島，066600)

為確定杜仲雌雄株葉片的第二性征，采用石蠟切片法觀察了杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果表明：(1)杜仲雌、雄葉片均由表皮、葉肉和葉脈3部分構(gòu)成，上下表皮細(xì)胞均由一層細(xì)胞構(gòu)成，下表皮具表皮毛；葉肉的柵欄組織和海綿組織分化明顯；葉脈維管束均由木質(zhì)部、少量形成層和韌皮部構(gòu)成，主脈維管束為外韌型。(2)雌株的葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度以及柵欄組織厚度/海綿組織厚度值大于雄株的，而雄株的下表皮厚度和海綿組織厚度大于雌株的，且雄株主脈維管束更加發(fā)達(dá)。這些結(jié)果證明，杜仲雌雄株在結(jié)構(gòu)上有著明顯的差異，這是第二性征的體現(xiàn)，也是杜仲長(zhǎng)期進(jìn)化中為了更好的生存而產(chǎn)生的策略，可能有利于其繁衍生息。

杜仲；葉片；比較解剖；雌雄異株

杜仲(Eucommiaulmoides)又名膠木，是一種極其重要的藥用植物，其應(yīng)用價(jià)值已引起各國(guó)學(xué)者的濃厚興趣。已有學(xué)者對(duì)杜仲葉乙醇提取物的降糖作用機(jī)理[1]、杜仲膠在杜仲葉發(fā)育過(guò)程中含量的變化[2]、杜仲葉片活性成分積累變化規(guī)律[3]、杜仲的化學(xué)藥理及臨床應(yīng)用[4]、生理功能[5]、藥理作用[6]、雌雄異株植物對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)的性別差異[7]以及杜仲葉綜合利用生產(chǎn)工藝優(yōu)化[8]進(jìn)行了大量的研究。在杜仲雌雄株葉片的研究上，趙云云等[9]發(fā)現(xiàn)雌株氨基酸總量高于雄株，王丙武等[10]發(fā)現(xiàn)，雌株葉片的含膠量都明顯高于雄株葉片，葉東旭等[11]認(rèn)為，性別對(duì)杜仲葉綠原酸含量、京尼平苷含量以及京尼平苷酸含量無(wú)明顯影響。迄今，仍未發(fā)現(xiàn)有關(guān)杜仲雌株和雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)比較研究的報(bào)道。

為此，筆者以杜仲雌雄株葉片為研究對(duì)象，對(duì)比探討杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異，以其作為探討杜仲雌雄株對(duì)環(huán)境適應(yīng)差異和生產(chǎn)實(shí)踐的選育提供基礎(chǔ)的資料，豐富人們對(duì)植物第二性征的認(rèn)識(shí)。

1 材料和方法

1.1 采樣地概況

試驗(yàn)材料采自河北科技師范學(xué)院昌黎校區(qū)校園。該校園位于北緯39°71′，東經(jīng)119°18′，氣候類型屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，年平均氣溫7.9～10.1 ℃，≥10 ℃的積溫3 240 ℃，平均降水量一般在667～780 mm，干燥系數(shù)在1.3左右，無(wú)霜期在170～188 d之間。

1.2 方法

選取長(zhǎng)勢(shì)一致、同一方位、同一高度的杜仲雌雄株新鮮葉片各3片，取葉脈中段及葉中約0.5 cm2的組織，用FAA固定液(體積分?jǐn)?shù)為60%乙醇90 mL，體積分?jǐn)?shù)為38%甲醛5 mL，冰醋酸5 mL)固定，依次經(jīng)過(guò)乙醇梯度脫水、透明、浸蠟并用石蠟包埋，制成石蠟切片，厚度為8 μm，接著用番紅固綠染色，中性樹(shù)膠封片。

在光學(xué)顯微鏡Olympus BX51下觀察，用照相機(jī)DP72拍照，每個(gè)樣品觀察30個(gè)圖像，用PhotoshopCSS6.0軟件測(cè)定葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)：葉片厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、主脈維管束高度、主脈維管束木質(zhì)部高度，并計(jì)算出組織結(jié)構(gòu)致密度和組織結(jié)構(gòu)疏松度以及主脈木質(zhì)部面積占維管束百分比，所有數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并作如下計(jì)算：

*通訊作者，男，博士，教授。主要研究方向：植物結(jié)構(gòu)生理學(xué)。E-mail: xueminguo@126.com。

組織結(jié)構(gòu)致密度=(柵欄組織厚度/葉片厚度)×100%

組織結(jié)構(gòu)疏松度=(海綿組織厚度/葉片厚度)×100%

主脈木質(zhì)部面積占維管束比例=(主脈木質(zhì)部面積/主脈維管束面積)×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用軟件DPS7.05，對(duì)雌雄株葉片厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、主脈維管束高度、主脈維管束木質(zhì)部高度、組織結(jié)構(gòu)致密度、組織結(jié)構(gòu)疏松度和主脈木質(zhì)部面積占維管束百分比等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行t-檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)觀察

杜仲雌雄株葉片屬于典型的異葉面，其解剖結(jié)構(gòu)均由表皮、葉肉、葉脈3部分組成，其形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特征基本一致(圖1)。

2.1.1葉片表皮組織結(jié)構(gòu)特征 雌雄株葉片上、下表皮均由1層表皮細(xì)胞組成，較厚。上表皮細(xì)胞一列，排列緊密，類方形，未見(jiàn)氣孔；下表皮細(xì)胞類長(zhǎng)方形，外被表皮毛，較少，有氣孔分布(圖1C和圖1D)。

2.1.2葉肉組織結(jié)構(gòu)特征 杜仲雌雄株葉片均有明顯的柵欄組織和海綿組織的分化，其中均含有大量葉綠體。柵欄組織位于葉近軸面下方，排列緊密，細(xì)胞呈長(zhǎng)圓柱形，內(nèi)含類似小泡樣結(jié)構(gòu)；海綿組織位于葉遠(yuǎn)軸面上方，排列較為松散無(wú)序，可見(jiàn)圓狀類蛋白物質(zhì)(圖1C和圖1D)。

2.1.3主脈維管束結(jié)構(gòu)特征 由圖1A和圖1B可看出，杜仲雌雄葉片主脈維管束均由木質(zhì)部、少量形成層和韌皮部構(gòu)成。主脈維管束為外韌型，導(dǎo)管由徑向排列成行，形成層較為明顯，韌皮部細(xì)胞呈密集無(wú)規(guī)則分布[12]。

2.2 杜仲雌雄株葉片結(jié)構(gòu)的比較分析

杜仲雌、雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)組成幾乎一致，只是各類型組織在細(xì)胞構(gòu)成，大小、數(shù)量、厚度等方面存在些許差異。

2.2.1雌雄株葉表皮結(jié)構(gòu)比較分析 杜仲雌株上表皮厚度比雄株大48.8%，差異顯著(Ρ<0.05)；而雌株下表皮比雄株小12.1%，差異顯著(Ρ<0.05)(表1)。

2.2.2雌雄株葉肉組成比較 杜仲雌株葉片厚度比雄株的大11.2%(Ρ<0.05)，柵欄組織厚度比雄株的大25.9%(Ρ<0.05)，柵欄組織占葉肉百分比比雄株的大30.6%(Ρ<0.05)，柵欄組織厚度/海綿組織厚度比雄株的大37.5%(Ρ<0.05)，組織結(jié)構(gòu)致密度比雄株的大10.7%(Ρ<0.05)，而雌株海綿組織厚度比雄株的小7.0%(Ρ<0.05)，組織結(jié)構(gòu)疏松度比雄株的小20.8%(Ρ<0.05)(表1)。

表1 杜仲雌、雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

注：表中小寫(xiě)英文字母表示0.05水平的差異顯著性。

圖1 杜仲雌株和雄株葉片橫切結(jié)構(gòu) A：雌株主脈；B：雄株主脈；C：雌株非主脈；D：雄株非主脈。

2.2.3雌雄株主脈維管束比較分析 杜仲雄株主脈維管束高度比雌株的大5.2%(Ρ<0.05)，主脈維管束木質(zhì)部高度比雌株的大4.7%(Ρ<0.05)，主脈木質(zhì)部面積占維管束百分比比雌株的大8.7%(Ρ<0.05)，這說(shuō)明杜仲雄株主脈維管束較雌株更發(fā)達(dá)(表1)。

3 結(jié)論與討論

本次研究發(fā)現(xiàn)，杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)組成大致相似，上表皮外被角質(zhì)層，下表皮外被單細(xì)胞非腺毛；柵欄組織與海綿組織分化程度明顯；主脈維管束為外韌型，韌皮部細(xì)胞呈密集無(wú)規(guī)則分布。但是，雌株的葉片厚度、上表皮厚度以及柵欄組織厚度/海綿組織厚度值大于雄株的，而雄株的下表皮厚度和海綿組織厚度大于雌株的，且雄株主脈維管束更加發(fā)達(dá)，雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了顯著地分化。

植物器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)是對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境和生理功能長(zhǎng)期適應(yīng)的一種遺傳特性，葉片持續(xù)地在外部暴露著，不僅是光合作用的主要器官，也是生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，其形態(tài)結(jié)構(gòu)的敏感度和變異性都是最大的，即對(duì)環(huán)境的反應(yīng)是最為強(qiáng)烈和明顯的，可從一定程度上反映出植物的抗逆性[13]。

表皮具有貯水和保護(hù)的作用，葉片和表皮較厚可減少蒸騰作用[14]。環(huán)境水分會(huì)影響葉片柵欄組織與海綿組織的分化，干旱使得柵欄組織分化程度增強(qiáng)，細(xì)胞層數(shù)增多，且海綿組織簡(jiǎn)化，有利于CO2由氣孔傳遞至葉綠體進(jìn)行光合作用，提高水分的利用率[15]。一般認(rèn)為，柵欄組織和葉片越厚，柵欄組織與海綿組織的比值越大，其控制水分的能力就越強(qiáng)，即耐旱性越強(qiáng)[16]。主脈維管束的木質(zhì)部是參與葉片蒸騰作用的主要水分通道，維管束面積的大小決定著葉片蒸騰作用的強(qiáng)弱，即水分的散失程度。本研究發(fā)現(xiàn)，杜仲雌株葉片表皮厚度顯著大于雄株；杜仲雌株葉片厚度、柵欄組織厚度、柵欄組織與海綿組織的比值均大于雄株，這表明，在這個(gè)意義上，杜仲雌株的耐旱性更強(qiáng)；杜仲雌株主脈維管束高度、主脈維管束木質(zhì)部高度以及主脈木質(zhì)部面積占維管束的百分比均小于雄株，這表明，杜仲雌株的耐旱性更強(qiáng)。

雌雄異株的植物對(duì)光、水分、養(yǎng)料等非生物因素也會(huì)存在種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，因此雌雄個(gè)體適應(yīng)自然界時(shí)會(huì)采取不同的生存對(duì)策，其一就是形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的不同。杜仲雌雄株葉片上表皮均無(wú)氣孔，它有效地控制了葉片內(nèi)水分的散失[15]。杜仲雌株葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度/海綿組織厚度比值均大于雄株，表現(xiàn)出良好的耐旱性，而雄株主脈維管束更加發(fā)達(dá)，具有更強(qiáng)的輸導(dǎo)水分和無(wú)機(jī)鹽的能力，故也有很好的耐旱特性。也是由于這些不同，才使得杜仲成為對(duì)嚴(yán)寒、干旱、潮濕等各類復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)力極強(qiáng)的藥材之樹(shù)，這是長(zhǎng)期的自然選擇和自身變異，不斷進(jìn)化的結(jié)果。

有研究表明，植物雌株在干旱生境中的凈同化作用明顯增高，在濕潤(rùn)生境中顯著降低，而在濕潤(rùn)生境中的反應(yīng)不一致；另一方面CO2濃度的增高會(huì)有利于雌雄植株的生殖和生長(zhǎng)，尤其是對(duì)雌株；在自然干旱脅迫下，雌株的CO2同化速率和氣孔導(dǎo)度更低，即其受到的水分脅迫比雄株少[7]。雌雄株在環(huán)境脅迫下所采用的生存策略不盡相同，采用不同的生存策略提高了在不同生境下的環(huán)境適應(yīng)度，使其擁有更加優(yōu)質(zhì)的生長(zhǎng)特性和繁殖策略。杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異，正是其適應(yīng)不同環(huán)境、能夠更好的生存繁衍下去的策略的體現(xiàn)。

杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異也反映了杜仲的第二性征。第二性征就是指雌株和雄株在營(yíng)養(yǎng)器官中存在一系列不同的特征，以此來(lái)適應(yīng)生殖過(guò)程中的不同需要，即同種植物的雌雄株的孢子體在營(yíng)養(yǎng)器官上表現(xiàn)出的一系列反映個(gè)體不同性別的特征。杜仲雌雄株葉片解剖結(jié)構(gòu)的第二性征主要表現(xiàn)在各項(xiàng)數(shù)據(jù)大小的差異和結(jié)構(gòu)上的差別上[17]。

總之，杜仲葉片雌雄株在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的性別差異都是在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程中所形成的，而雌株在葉片解剖結(jié)構(gòu)上的一系列優(yōu)勢(shì)，可能正是杜仲雌株在自然界中分布更為廣泛的重要原因。

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(責(zé)任編輯：朱寶昌，陳于和)

Abstract： The differences in leaf anatomical structure between the male and the female plants were observed using paraffin sectioning to investigate leaf secondary sex characteristics ofEucommiaulmoides. The results showed that: (1) Both the male and the female leaves consisted of epidermis, mesophyll and veins. The epidermis consisted of a layer of cells, and divided into upper epidermis and lower epidermis with some trichomes; the differentiation of palisade tissue and spongy tissue was obvious in mesophyll; the vascular bundles in all veins were composed of xylem, a small amount of cambium and phloem, and the one in the main vein belonged to collateral bundle. (2) The thickness of the leaves, the thickness of the upper epidermis, the thickness of the palisade tissue and the ratio of the thickness of the palisade tissue and the thickness of the sponge tissue were larger than those of the male plants, while the thickness of the lower epidermis and the thickness of the sponge tissue of male were larger than those of the female plants, and the main vascular bundle of male plants developed much better than that of the females. These results indicated that the female and male plants had obvious differences in structure, which were the embodiment of the second sexual characteristics and the strategy of the long-term evolution in order to survive better. It might be beneficial to its prosperity.

Keywords：Eucommiaulmoides; leaf blade; comparative anatomy; dioecism

ComparisononLeafAnatomicalStructuresBetweenFemaleandMalePlantsofEucommiaulmoides

SHI Kuangzheng，YANG Qing,GUO Xuemin

(College of Life Science & Technology, Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao Hebei, 066600, China)

Q944.56

A

1672-7983(2017)02-0024-04

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2017.02.005

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：C2016407106)。

2017-05-27;修改稿收到日期2017-06-18

石匡正(1997-)，男，河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院學(xué)生。主要研究方向：植物結(jié)構(gòu)生理學(xué)。