不同生態(tài)環(huán)境脅迫胡桃楸的演化結(jié)構(gòu)比較研究

陳丹萍，由繼紅，劉丹丹，王曉鈺，李 巖，徐光照，陸靜梅

(東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

胡桃楸(JuglansmandshuricaL.)為胡桃科(Juglandaceae)胡桃屬(Juglans)植物，是我國珍貴樹種[1].其種子內(nèi)含可供食用的油脂，木材性質(zhì)優(yōu)良；又因其青果、樹皮及葉內(nèi)含有的生物活性物質(zhì)和有效的化學(xué)成分較豐富，并對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)有綠化功能，故被譽(yù)為“果材兼?zhèn)?、藥賞兩佳”的經(jīng)濟(jì)樹種[2-6].胡桃楸極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、藥用價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，使其有著廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景，1992年被列為國家二級(jí)珍稀樹種和中國珍稀瀕危樹種的三級(jí)保護(hù)植物[7].近年來，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者致力于胡桃楸的栽培技術(shù)、化學(xué)成分以及生物學(xué)活性等方面的研究[8-9].隨著城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的惡化，土地資源量相對(duì)匱乏問題日益嚴(yán)重，很多土地因處于建筑包圍之中而形成蔭蔽環(huán)境，樓宇旁、樹蔭下的植物無法正常生長(zhǎng)，因此研究和利用植物耐蔭性，選育不同耐蔭性的樹種，相對(duì)增加綠化面積，將從根本上解決蔭脅地的利用問題，同時(shí)可以有效改善人們的生活質(zhì)量及周圍的生態(tài)環(huán)境.環(huán)境決定植物的形態(tài)建成，結(jié)構(gòu)又是功能的基礎(chǔ)，植物結(jié)構(gòu)的變化必然影響到生理生態(tài)功能的改變[10-11].

目前，對(duì)于同一種植物頡頏不同生態(tài)環(huán)境的演化結(jié)構(gòu)研究少有問津，因此，本文通過植物形態(tài)解剖研究，探索了植物頡頏逆境適應(yīng)機(jī)制和相應(yīng)對(duì)策的基礎(chǔ)；通過系列解剖結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，探討了陰生與陽生環(huán)境脅迫下胡桃楸葉片和葉柄解剖結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，以為胡桃楸的抗逆研究以及優(yōu)良品種的選育提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料胡桃楸分別采自吉林省長(zhǎng)春市吉林大學(xué)校園(陰生環(huán)境，43.857°N，125.333°E)和東北師范大學(xué)校園(陽生環(huán)境，43.862°N，125.331°E).

取材時(shí)間均為2016年7月.供試材料為莖的頂端下數(shù)第5片復(fù)葉和小葉柄.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 石蠟切片法

將葉片切成0.3 cm×0.6 cm大小，截取葉柄0.5 cm放入FAA中固定48 h，經(jīng)不同濃度梯度的酒精逐級(jí)脫水，二甲苯逐級(jí)透明，浸蠟包埋待凝固后進(jìn)行修塊切片、展片及粘片，烘干后經(jīng)二甲苯逐級(jí)脫蠟，番紅-固綠復(fù)染法染色制片，最后用中性樹膠封片.

1.2.2 顯微觀察及攝影

使用Olympus光學(xué)顯微鏡鏡檢.挑選合格的裝片在Nikon Eclipse 80i顯微鏡下觀察，并選取目標(biāo)視野進(jìn)行不同倍數(shù)的顯微拍攝.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Nis-Elements圖像分析系統(tǒng)中的Nis-ElementsD2.20，SP2(Build 243) Imaging Software 軟件測(cè)量胡桃楸葉片和葉柄相關(guān)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，取10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示.使用SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[12].

2 結(jié)果與分析

2.1 陰生環(huán)境的胡桃楸葉片解剖結(jié)構(gòu)

陰生環(huán)境中生長(zhǎng)的胡桃楸葉片較薄(見圖1-1、圖1-7)，平均厚度為92.088 μm.表皮細(xì)胞參差不齊，平均直徑為12.393 μm(見圖1-3)，外切向壁角質(zhì)化程度較低，偶見單細(xì)胞表皮毛集生在表皮突起的部位(見圖1-1、圖1-3)，腺毛由倒圓錐狀的多細(xì)胞頭部和多細(xì)胞柄組成，著生在葉的遠(yuǎn)軸面(見圖1-9).葉主脈的機(jī)械組織中有沙晶分布(見圖1-3).葉主脈木質(zhì)部導(dǎo)管孔徑較大(見圖1-5)，排列疏松，其管孔鏈平均長(zhǎng)度為57.590 μm.韌皮部不發(fā)達(dá)(見圖1-1)，平均厚度為66.780 μm.葉片柵欄組織厚度較小，平均厚度為44.696 μm，胞間隙中出現(xiàn)不規(guī)則的晶體狀結(jié)構(gòu)且體積較大，形似鐘乳狀(見圖1-7).海綿組織細(xì)胞形狀不規(guī)則且不發(fā)達(dá)，平均厚度為21.175 μm，有通氣組織存在(見圖1-7).

2.2 陰生環(huán)境的胡桃楸葉柄解剖結(jié)構(gòu)

陰生胡桃楸葉柄表皮細(xì)胞平均直徑為6.984 μm.表皮下基本組織細(xì)胞較大、細(xì)胞壁較薄，特化程度較低，由3～4層細(xì)胞組成(見圖1-13).維管束排列較松散，為異形維管束，數(shù)目較少(見圖1-11).木質(zhì)部導(dǎo)管分子數(shù)量少，導(dǎo)管直徑大，形成的管孔鏈長(zhǎng)度為91.560 μm，由大小參差不齊的導(dǎo)管分子組成的導(dǎo)管團(tuán)數(shù)量極少(見圖1-13).韌皮部的平均厚度為146.736 μm，篩管分子不發(fā)達(dá)，韌皮纖維特化不顯著(見圖1-13)，平均厚度為72.671 μm.葉柄維管束的中部基本組織細(xì)胞呈心形排列，薄壁細(xì)胞數(shù)量少、直徑大(見圖1-11).

2.3 陽生環(huán)境的胡桃楸葉片解剖結(jié)構(gòu)

陽生胡桃楸葉片厚度為125.834 μm(見圖1-2、圖1-8).葉表皮細(xì)胞平均直徑為10.781 μm，外切向壁角質(zhì)層較厚(見圖1-4)，表皮毛數(shù)量多且粗壯，包括單細(xì)胞簇生表皮毛和多細(xì)胞表皮毛(見圖1-2)，腺毛亦由倒圓錐狀的多細(xì)胞頭部和多細(xì)胞柄組成(見圖1-4、圖1-10).葉主脈維管束的機(jī)械組織發(fā)達(dá)，細(xì)胞內(nèi)具有沙晶，木質(zhì)部導(dǎo)管孔徑小、數(shù)量多且排列緊密(見圖1-6)，管孔鏈長(zhǎng)度為66.469 μm.韌皮部較發(fā)達(dá)(見圖1-2)，平均厚度為73.571 μm，薄壁細(xì)胞中晶體較多(見圖1-4).葉片柵欄組織由3層細(xì)胞組成，平均厚度為71.698 μm，在柵欄組織細(xì)胞中形成了肥大的異形胞，其內(nèi)具有大量晶體(見圖1-8).海綿組織平均厚度為29.064 μm，細(xì)胞間隙較大(見圖1-8).

2.4 陽生環(huán)境的胡桃楸葉柄解剖結(jié)構(gòu)

葉柄表皮細(xì)胞平均直徑為6.252 μm，表皮下的基本組織由8～9層細(xì)胞組成，基本組織細(xì)胞的細(xì)胞壁厚，細(xì)胞小且數(shù)量多(見圖1-14).葉柄中維管束木質(zhì)部導(dǎo)管分子數(shù)量多且排列緊密，葉柄中的異形維管束大小參差不等(見圖1-12).導(dǎo)管分子形成了數(shù)量較多的管孔鏈，平均長(zhǎng)度為150.041 μm，管孔團(tuán)較多(見圖1-14)，葉柄中部的基本組織呈心形排列，其周圍被木質(zhì)部的導(dǎo)管分子等包圍(見圖1-12).薄壁細(xì)胞體積變小且數(shù)量增多.陽生胡桃楸韌皮部發(fā)達(dá)，平均厚度為146.736 μm，韌皮纖維木質(zhì)化顯著，其平均厚度為57.513 μm(見圖1-14).

1 陰生環(huán)境胡桃楸葉的單生毛(×10)

3 陰生胡桃楸單細(xì)胞表皮毛、薄壁細(xì)胞、表皮細(xì)胞、角質(zhì)層(×20)

5 陰生胡桃楸主葉脈維管束、薄壁細(xì)胞、晶體(×20)

7 陰生胡桃楸柵欄組織、海綿組織、晶體(×40)

9 陰生胡桃楸腺毛、表皮細(xì)胞(×40)

11 陰生胡桃楸葉柄的解剖結(jié)構(gòu)(×4)

13 陰生胡桃楸表皮細(xì)胞、基本組織、維管束(×10)

3 討論

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陽生胡桃楸和陰生胡桃楸葉與葉柄的基本結(jié)構(gòu)組成仍保持一致，代表了種的基本特征不變，即：穩(wěn)定性和保守性.但與陽生胡桃楸相比，陰生胡桃楸頡頏弱光逆境脅迫后其葉和葉柄演化出了明顯的差異.陰生胡桃楸葉片表皮細(xì)胞外切向壁角質(zhì)層較薄，表面簇生毛數(shù)量顯著減少，利于降低植物葉片因反射和遮擋而造成的光能損耗，從而增加植物葉片對(duì)低光量子的有效吸收率.陰生胡桃楸葉肉細(xì)胞的胞間隙和葉表皮細(xì)胞相對(duì)較發(fā)達(dá)，海綿組織較疏松，增加了植物葉片對(duì)低光量子的透過率從而促進(jìn)了植物的光合作用，有助于植物抵御弱光脅迫.陽生和陰生胡桃楸葉片柵欄組織間隙中均出現(xiàn)了不規(guī)則的異形細(xì)胞，其內(nèi)布滿了大量的晶體結(jié)構(gòu)，具有解毒作用，增強(qiáng)了胡桃楸的抗逆能力.晶體的化學(xué)特性尚待進(jìn)一步的鑒定、研究.

陰生胡桃楸葉柄基本組織細(xì)胞較大，細(xì)胞間的接壤表面積明顯小于陽生的，因此陰生環(huán)境的胡桃楸葉柄細(xì)胞之間的物質(zhì)交流功能下降，因?yàn)榧?xì)胞體積小數(shù)量多其表面積就會(huì)變大.其異形維管束數(shù)量少是頡頏陰濕環(huán)境的演化結(jié)構(gòu)[13].陽生胡桃楸葉柄中演化出較多的管孔團(tuán)，代表了其較為進(jìn)化的特征.

陰生胡桃楸的葉片面積大、薄，顏色呈深綠色，為典型的陰生植物特征，是植物頡頏弱光逆境的演化結(jié)果：葉面積大有利于捕捉彌散光，葉片薄有利于在弱光下進(jìn)行光合作用，葉片顏色深綠是因?yàn)槿~綠體的長(zhǎng)軸面與葉表面呈平行分布的結(jié)果.這也是陰生環(huán)境生長(zhǎng)的胡桃楸為維持其正常的生理代謝需求，生理活動(dòng)的活躍程度保持在相對(duì)較低水平的特殊形態(tài)和結(jié)構(gòu).陰生胡桃楸另一個(gè)頡頏逆境的演化結(jié)構(gòu)為木質(zhì)部導(dǎo)管分子直徑變大，這是因?yàn)樵陉幧h(huán)境中水分充足，進(jìn)而增強(qiáng)了導(dǎo)管輸導(dǎo)水分和溶解在水中的無機(jī)鹽的功能，是用進(jìn)廢退的重要結(jié)構(gòu)演化特征.

從圖1-3，1-4，1-11，1-12的對(duì)比可以看出，陽生胡桃楸的導(dǎo)管分子直徑明顯小于陰生環(huán)境的.由于陽生環(huán)境相對(duì)干燥缺水，多且直徑小的導(dǎo)管分子，擴(kuò)大了導(dǎo)管分子縱向和橫向的輸導(dǎo)面積，增強(qiáng)了輸導(dǎo)水分的功能，利于頡頏干旱逆境.

數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析可以看出，二者的葉片、柵欄組織、海綿組織、葉韌皮部、葉韌皮纖維、葉柄韌皮纖維厚度、葉柄木質(zhì)部管孔鏈長(zhǎng)度及葉與葉柄表皮細(xì)胞直徑等特征參數(shù)均存在極顯著差異(P<0.01)，而葉主脈厚度、葉主脈木質(zhì)部管孔鏈長(zhǎng)度及葉柄韌皮部厚度等特征參數(shù)間差異顯著(P<0.05)(見表1、表2).

表1 不同生態(tài)環(huán)境胡桃楸葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=20)；*P<0.05，**P<0.01，下同.

表2 不同生態(tài)環(huán)境胡桃楸葉柄解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)

綜上所述，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了不同生態(tài)環(huán)境的胡桃楸適應(yīng)各自逆境演化出來的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能之間的辯證統(tǒng)一；同時(shí)，在一定程度上闡明了陰生胡桃楸葉和陽生胡桃楸頡頏逆境的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律.

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