筇竹葉片解剖結構的研究

劉 培，董文淵，鄭靜楠，浦 嬋，張孟楠

(1.西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室(西南林業(yè)大學)，云南 昆明 650224； 2.西南林業(yè)大學 云南生物多樣性研究院，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224)

筇竹(Qiongzhueatumidinoda)，屬禾本科(Gramineae)筇竹屬(Qiongzhuea)植物， 為地下莖復軸混生的小型竹種，被列為國家三級保護的珍稀瀕危竹種之一[1]，僅分布于中國的西南部分地區(qū)，筇竹節(jié)間隆起獨特，是重要的工藝用竹，筇竹筍味道鮮美，營養(yǎng)豐富，遠銷海內外，具有重要的生態(tài)價值、觀賞價值和經濟價值。近年來筇竹無性系種群嚴重退化，同時開花現(xiàn)象較為常見，群數(shù)量急劇減少[2-3]。竹類植物有生長快速、分布廣泛、使用多樣性等特點，是木材不可或缺的替代物[4]。植物葉結構特征與系統(tǒng)分類[5-6]、光合速率[7]和抗逆性[8]等密切相關。解剖形態(tài)觀察和比較分析作為認識、保護、開發(fā)筇竹的有效途徑卻鮮見報道[9]。筇竹葉解剖學研究作為筇竹研究的基礎，是筇竹后續(xù)研究不可缺少的一部分，將對筇竹資源的可持續(xù)開發(fā)利用和保護提供重要的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

材料：筇竹葉片2016年2-3月采集于云南省昭通市大關縣木桿鎮(zhèn)細沙村大羅漢壩。該地區(qū)地處云南省東北部，屬于中溫帶氣候，溫差較小，年平均氣溫9～12℃，年平均光照966.7 h，年平均降水量991.7 mm。試驗地竹林海拔1 550～1 640 m，坡度39°～44°。土壤以黃棕壤為主，成土母巖為花崗巖，土層深厚且濕潤，呈酸性反應；林分郁閉度大，林下形成深厚的腐殖層，林下生長有其他植物。

主要儀器：生物組織包埋機、石蠟切片機、烘片機、Nikon E100光學顯微-拍攝系統(tǒng)。

1.2 試驗方法

分別取自稈齡1～4年生的筇竹，每一年齡各選取3株，每株從中部冠層取不同枝條上長勢良好、無病蟲害的成熟葉片，每枝至少3片。將取好的葉片立即放入70%的FAA固定液固定，切片前用15%的HF去硅38 h，流水沖洗1 d，常規(guī)石蠟制片，切片厚度8～10 μm，番紅-固綠對染，Nikon E100光學顯微鏡下觀察拍照，D3K-MS測量細胞長度、厚度，每類細胞至少測量50個，同時測量以下指標：主脈木質部導管數(shù)、葉肉細胞層數(shù)、梭形細胞長、梭形細胞寬、泡狀細胞數(shù)。

1.3 指標測定方法

直接觀察制片圖片，獲取主脈木質部導管數(shù)、葉肉細胞層數(shù)、泡狀細胞數(shù)(選取3個視野進行測定，取均值) 。

在40倍鏡下利用圖像分析系統(tǒng)隨機測定梭形細胞、表皮細胞、葉肉細胞、薄壁細胞、厚壁細胞、泡狀細胞的長度和寬度(梭形細胞至少測3個，其余細胞每類至少測50個，取均值)。測量的數(shù)據(jù)利用SPSS 17.0軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 筇竹葉片解剖結構

筇竹葉片的顯微結構與其他竹類植物的葉片在結構上差異不大，主要分為表皮、葉肉、葉脈3部分(圖1)。因此，在種的分類上沒有多少參考意義，符合早期一些學者的研究結論[10]。

2.1.1 表皮 筇竹葉片表皮分為上表皮和下表皮且各只有1層細胞，長5.22～20.38 μm，寬3.90～14.68 μm。上表皮細胞較大，具有光滑平厚的角質層(圖1B-7)，并有少量氣孔和硅細胞，在2個維管束間，具有大型泡狀細胞(圖1A-2，圖1B-2)。泡狀細胞一般為2～5個，長14.98～34.88 μm，寬9.99～32.97 μm，排列為扇形，中間細胞較大，兩旁較小，常深入到葉肉1/3以上的部位。但在葉片的邊緣無泡狀細胞的分布。下表皮細胞形狀差異很大，不存在泡狀細胞，角質層向外突出成刺狀形成大小不等的乳突(圖1A-8，圖1B-8)，并排列著豐富的氣孔和硅質細胞(圖1B-3)。

2.1.2 葉肉 筇竹葉肉細胞常為3～4層，靠近上表皮的第1層的細胞較大，排列較整齊，為細胞壁自上而下單向指狀向內褶疊的臂細胞(圖1B-4)，長7.67～25.20 μm，寬2.68～13.86 μm。其他層的葉肉細胞壁呈放射狀或不規(guī)則狀。維管束兩側的葉肉細胞為無色透明的大型梭形細胞，長24.49～78.17 μm，寬5.37～15.01 μm。筇竹葉梭形細胞僅存在于離主脈最近的2個一級平行脈之間，且在葉緣的部位沒有觀察到梭形細胞的分布。趙惠如[11]等認為梭形細胞的有無、大小與葉肉細胞的分化程度有關。但有學者根據(jù)梭形細胞的位置特點，推測其可能與葉肉細胞的水分貯存和運輸有關；也有學者根據(jù)其無色透明的特點，認為梭形細胞有利于光線更好的透進葉肉細胞[12]。

2.1.3 葉脈 禾本科植物的葉脈分為主脈及兩側的平行脈，且由維管束鞘及維管束組成[13]。竹類的葉維管束外圍無“花環(huán)”構造，因此它是一個C3低光效植物[14]。按照丁雨龍[15]等的命名方法，又可將主脈兩側的平行脈分為一級平行脈，二級平行脈等。筇竹葉脈的維管束鞘通常由2層細胞組成：外層為較大的薄壁細胞，長5.68～13.74 μm，寬2.70～10.09 μm；內層為厚壁細胞，長3.11～11.64 μm，寬1.83～8.19 μm。葉片以主脈的維管束發(fā)育最為完善，越細脈維管束的結構越簡化，在二級平行脈及葉緣處的維管束往往無后生導管的發(fā)育，僅剩下孔徑較小的管胞和篩胞。

主脈維管束往往與許多小維管束交織在一起形成一個復合的維管系統(tǒng)(圖1-A1，圖2-A1，圖2-A2，圖2-A3，圖2-A4)，這些小維管束具有完備的厚壁內鞘和木質部及韌皮部的分化，主脈外的維管束鞘細胞排列不規(guī)則，外層薄壁細胞大小不一，且往往不成完整的鞘狀，內層是由 1～2 層排列不太整齊的厚壁細胞構成。

注：(A)：筇竹葉片橫切面，10X；(B)(C)：筇竹葉片橫截面，40X；1-主脈維管束；2-泡狀細胞；3-氣孔；4-葉肉；5-二級平行脈；6-梭形細胞；7-上表皮；8-下表皮；9-薄壁細胞；10-厚壁細胞；11-一級平行脈。

圖1筇竹葉片解剖結構

Fig.1 Leaves anatomical structure ofQ.tumidinoda

注：A1、B1、C1分別為1年生稈齡筇竹葉片主脈維管束、一級平行脈、二級平行脈；A2、B2、C2分別為2年生稈齡筇竹葉片主脈維管束、一級平行脈、二級平行脈；A3、B3、C3分別為3年生稈齡筇竹葉片主脈維管束、一級平行脈、二級平行脈；A4、B4、C4分別為4年生稈齡筇竹葉片主脈維管束、一級平行脈、二級平行脈。

圖2不同稈齡筇竹葉片解剖結構

Fig.2 Leaves anatomical structure ofQ.tumidinodawith different stalk ages

一級平行脈有韌皮部、原生木質部、次生木質部導管等結構(圖1-C1，圖2-B1，圖2-B2，圖2-B3，圖2-B4)，韌皮部靠近遠軸面。維管束外被2層鞘細胞包圍，外層為薄壁細胞，內層為厚壁細胞，維管束鞘細胞排列規(guī)則整齊。

二級平行脈木質部沒有大型的導管，韌皮部也較小(圖1-A5，圖2-C1，圖2-C2，圖2-C3，圖2-C4)。外層薄壁鞘細胞比內層厚壁鞘細胞發(fā)達，束外兩層維管束鞘細胞排列規(guī)則整齊。

葉脈維管束木質部導管及韌皮部的排列，靠近上表皮的近軸面為原生導管，兩側的后生導管和原生導管呈“V”形排列，后生木質部往往在同一側分化出兩個大小相等的導管。韌皮部有大的篩管和小的伴胞組成。無論主脈及次級平行脈維管束的兩側均有厚壁組織與兩側的表皮相連，但以靠近下表皮的厚壁組織較為發(fā)達，數(shù)量多且木質化程度高。這些結構與王曙光[16]等描述的云南箭竹葉片結構相似。

2.2 筇竹葉解剖結構分析

2.2.1 筇竹種群內葉片解剖變異分析 通過對筇竹葉片解剖指標分析(表1)可知，筇竹種群內葉片除葉肉細胞層數(shù)外，其余指標的變異系數(shù)均超過15.68%，說明筇竹葉形態(tài)在種群內遺傳多樣性比較豐富。其中，變異系數(shù)最大的是葉肉細胞寬度，達26.08%，變異系數(shù)最小的是葉肉細胞層數(shù)，僅有9.30%，說明葉肉細胞寬度受環(huán)境影響較大，而葉肉細胞層數(shù)受環(huán)境影響較小，遺傳相對穩(wěn)定。

2.2.2 筇竹葉片不同細胞長寬回歸分析 為了研究筇竹葉片各類細胞長寬之間的相關關系，對筇竹表皮細胞、泡狀細胞、葉肉細胞、薄壁細胞、厚壁細胞的長與寬進行線性回歸分析(表2)。

表1 筇竹種群內葉指標變異系數(shù)

表2 不同細胞長寬線性回歸方程

經F檢驗，F(xiàn)分布的顯著概率全為0.000,說明表皮細胞寬、泡狀細胞寬、葉肉細胞寬、薄壁細胞寬、厚壁細胞寬作為自變量，分別與表皮細胞長、泡狀細胞長、葉肉細胞長、薄壁細胞長、厚壁細胞長作為因變量時存在高度相關的線性關系。由表2也可以看出，除葉肉細胞長與葉肉細胞寬相關性偏低，其余細胞長寬之間具有較高相關性。

表皮細胞長與表皮細胞寬之間的回歸方程為：

Y=X+4.208，R=0.664

泡狀細胞長與泡狀細胞寬之間的回歸方程為：

Y=0.731X+10.229，R=0.779

葉肉細胞長與葉肉細胞寬之間的回歸方程為：

Y=0.621X+9.951，R=0.305

薄壁細胞長與薄壁細胞寬之間的回歸方程為：

Y=0.813X+4.281，R= 0.611

厚壁細胞長與厚壁細胞寬之間的回歸方程為：

Y=0.757X+4.139，R= 0.555

在研究中，可用各類細胞的寬度對各類細胞的長度進行預測。

2.2.3 不同稈齡筇竹葉片解剖結構分析 筇竹葉片的更新是周期性的，通常為1 次/a，可以通過竹葉更新時遺留的小枝痕數(shù)來判斷竹株的年齡。為了研究不同稈齡筇竹葉片之間是否存在差異，對不同稈齡的筇竹葉片細胞進行多重比較，結果見表3。

表3 不同稈齡筇竹葉片細胞差異比較

注：同一列里標有相同字母的平均值在a=0.05水平上差異不顯著。

由表3可知，不同稈齡的泡狀細胞長度、泡狀細胞寬度、薄壁細胞寬度及厚壁細胞寬度差異不顯著。不同稈齡的表皮細胞長度、表皮細胞寬度、葉肉細胞長度、葉肉細胞寬度、薄壁細胞長度、厚壁細胞長度中，僅表皮細胞長度稈齡2年生竹與1、3、4年生竹差異顯著；表皮細胞寬度稈齡1年生竹與2、3、4年生竹差異顯著；葉肉細胞寬度稈齡1年生竹與4年生竹差異顯著；薄壁細胞長度稈齡3年生竹與4年生竹差異顯著；厚壁細胞長度稈齡3年生竹與1、2、4年生竹差異顯著；葉肉細胞長度稈齡1年生竹與2年生竹差異不顯著，其余年生之間均有顯著差異。根據(jù)數(shù)據(jù)比較，多數(shù)指標不同年齡之間的差異并不顯著。即使有差異也是個別之間的差異，因此，筇竹稈齡并沒有對葉片形態(tài)特征產生明顯差別。

由表3還可知，不同稈齡筇竹葉片細胞變化規(guī)律，表皮細胞長寬均為稈齡2年生>4年生>3年生>1年生；泡狀細胞長度為稈齡2年生>3年生>4年生>1年生；泡狀細胞寬度為稈齡1年生≥3年生>2年生>4年生；葉肉細胞長寬均為稈齡1年生>2年生>3年生>4年生；薄壁細胞長度為稈齡3年生>1年生>2年生>4年生；薄壁細胞寬度為稈齡3年生>2年生>1年生>4年生；厚壁細胞長度為稈齡4年生>2年生>1年生>3年生；厚壁細胞寬度為稈齡1年生>4年生>2年生>3年生。葉肉細胞中含大量葉綠體，葉片進行光合作用的主要部分。葉綠素含量決定植物對太陽輻射的利用率[17]，從不同稈齡的葉肉細胞長寬變化規(guī)律看出，1、2年生筇竹光合作用能力明顯高于3、4年生竹，因此，在筇竹無性系繁殖造林中，最好選用1、2年生新竹，有利于提高筇竹存活率。

3 結論與討論

植物葉的形態(tài)結構，在不同的環(huán)境條件下會表現(xiàn)出差異，這是植物對環(huán)境適應的結果，從植物組織結構的研究中可以了解植物對特定環(huán)境的適應性[18]。

本研究通過石蠟切片，對筇竹的葉片的顯微結構進行了分析，發(fā)現(xiàn)筇竹葉片表皮細胞長5.22～20.38 μm，寬3.90～14.68 μm；泡狀細胞長14.98～34.88 μm，寬9.99～32.97 μm；葉肉細胞長7.67～25.20 μm，寬2.68～13.86 μm；薄壁細胞長5.68～13.74 μm，寬2.70～10.09 μm，厚壁細胞長3.11～11.64 μm，寬1.83～8.19 μm。筇竹葉片整體顯微結構與其他竹類葉片結構差異不大，在種的分類上沒有多少參考意義，只有找出各種竹類葉間結構穩(wěn)定的差異性，才是對竹類系統(tǒng)分類有價值的參考依據(jù)。

對筇竹葉片顯微結構統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，種群內筇竹葉片在顯微結構上存在變異，各指標變異系數(shù)范圍為9.30%～26.08%，除個別指標外，變異系數(shù)均在15%以上。

構建了筇竹葉片各類細胞長寬之間的回歸方程，表皮細胞長與表皮細胞寬之間的回歸方程為Y=X+4.208，R=0.664；泡狀細胞長與泡狀細胞寬之間的回歸方程Y=0.731X+10.229，R=0.779；葉肉細胞長與葉肉細胞寬之間的回歸方程Y=0.621X+9.951，R=0.305；薄壁細胞長與薄壁細胞寬之間的回歸方程Y=0.813X+4.281，R=0.611；厚壁細胞長與厚壁細胞寬之間的回歸方程Y=0.757X+4.139，R=0.555，可用各類細胞的寬度對各類細胞的長度進行預測。

對不同稈齡的筇竹葉片細胞進行多重比較，發(fā)現(xiàn)僅少數(shù)指標之間存在差異，多數(shù)指標不同年齡之間的差異并不顯著，筇竹稈齡并沒有對葉片形態(tài)特征產生明顯差別。1、2年生筇竹光合作用能力明顯高于3、4年生竹，因此，在筇竹無性系繁殖造林中，最好選用1、2年生新竹，有利于提高筇竹存活率。

筇竹葉片的更新是周期性的，通常為1 次/a，種群內葉片顯微結構存在變異，說明筇竹葉對生境變化反應靈敏，形態(tài)可塑性大，對環(huán)境適應能力強，遺傳多樣性比較豐富，原因可能是形態(tài)特征是基因與環(huán)境共同作用的產物。這些變異都將有利于筇竹的保護和開發(fā)利用，本文豐富了筇竹研究的基礎信息，但僅對筇竹葉片進行了研究，在實踐中還需要對筇竹其他營養(yǎng)器官的變異進行系統(tǒng)的研究。

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