探秘植物葉片微觀結構及其應用

尹天齊

【摘要】：植物分類研究，是一項科學而重要的工作。本文從微觀視角，觀察與探究相似葉片的微觀結構，并以此區(qū)分植物不同種類。從體式顯微鏡的觀察中，我們發(fā)現(xiàn)不同植物甚至是葉片非常相似的植物的葉片表面的微觀結構也可能是有很大區(qū)別的，植物葉片的微觀結構是植物分類鑒別的重要依據(jù)，并保存不同植物的微結構圖片，豐富植物鑒別數(shù)據(jù)。

【關鍵詞】：植物，微觀，比對，顯微鏡，分類

【引言】： 科學課上，老師教我們可以通過葉子的外形辨別植物的種類，如葉脈、葉形等。當我走進植物園發(fā)現(xiàn)有很多外形相似的葉子，尤其秋天地上的落葉來自不同的植物，僅從葉子外形很難分辨。利用植物葉片形態(tài)進行分類鑒別已經(jīng)得到廣泛應用，而利用微觀形態(tài)進行植物分類鑒別則相對較少，另外，即使分類專家在鑒別難以區(qū)分的物種時，微觀也會成為重要參考依據(jù)，但由于科學儀器發(fā)展的限制，微觀形態(tài)照片并沒有大量保存。即使我們訪問一些專業(yè)植物鑒別網(wǎng)站，植物葉片的微觀結構圖片也是有著大量缺失的，有待進一步的補充。本實驗目的在于驗證植物微觀形態(tài)的重要性，并保存其微觀照片以作為后續(xù)其他人研究時的參考，豐富植物鑒別數(shù)據(jù)，并為進一步的計算機圖片鑒別提供可靠材料。

1、實驗材料與工具

體式顯微鏡一臺、計算機一臺、植物樣本袋若干

2、實驗步驟

1） 采集兩片來自不同樹木、外形相似的葉子，并標注物種名稱。

2） 觀察兩片葉子的外形，葉脈形狀，拍照記錄。

3） 用顯微鏡觀察第一片葉子，在計算機上保存圖片。

4） 用顯微鏡觀察第二片葉子，在計算機上保存圖片。

5） 詳細觀察兩片葉子的微觀圖片，分別記錄它們微觀特征。

6） 選擇另外兩組葉子，重復上面的步驟。

3、觀察結果

通過對外形相似葉片的微觀結構觀察，大部分不同物種的微觀結構呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，如氣孔形狀、氣孔分布疏密度、絨毛長短等。

首先，從圖中可以發(fā)現(xiàn)玉蘭枯葉的氣孔形態(tài)保持仍然完好，這說明植物葉片不會因為掉落而改變氣孔形態(tài)；其次，從木蘭科的幾個物種看來，二喬木蘭與玉蘭的氣孔形態(tài)較為相近，天目木蘭和望春玉蘭的氣孔形態(tài)較為相近；而玉蘭葉片氣孔密度相對來說要比二喬木蘭要高，天目木蘭的氣孔密度與望春玉蘭的氣孔密度相差不明顯。

對比可以發(fā)現(xiàn)，玉蘭葉片的氣孔小，排列緊密；二喬木蘭葉片的氣孔大，排列緊密。另外， 玉蘭葉片與二喬木蘭葉片上的絨毛分布差別也較為明顯。這一組葉片通過顯微鏡能夠清楚地分辨出來。

對比可以發(fā)現(xiàn)，毛白楊與加州白楊葉片背面氣孔及形狀都比較相似，但加州白楊葉片正面有較多氣孔，而毛白楊葉片正面上幾乎沒有氣孔。這一組葉片通過顯微鏡也能比較清楚地分辨出來。

紫薇與郁香忍冬的葉片外觀形態(tài)極為相似，一般人員直接鑒別困難，借助體式顯微鏡我們可以看到郁香忍冬葉片背面的葉脈部位有絨毛，而紫薇葉片葉脈部位則比較光滑，另外從葉片正面來看其形態(tài)也有較大區(qū)別；郁香忍冬的氣孔密度要小

還有部分外形相似的葉片，其微觀結構也很類似，如不清楚其物種類別，很難鑒別分類。

對比可以發(fā)現(xiàn)，歐洲白榆葉片上的氣孔較小 ，分布稠密；垂枝榆葉片上的氣孔也較小，分布稠密。這一組葉片的微觀照片也很相似，通過顯微鏡很難分辨出來。

植物葉片氣孔器的分布、密度、形態(tài)等特征穩(wěn)定，氣孔器縱徑、橫徑、縱徑與橫徑比值、孔徑等各項數(shù)值離散程度低，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且不同種類植物葉片的氣孔器具有不同的特征；因此基于氣孔器特征的植物葉片樣品的微觀形態(tài)分析可適用于法庭科學領域相關物證的檢驗鑒定[1]。

4、討論

通過對外觀形態(tài)相似的不同植物葉片的微觀形態(tài)觀察，我們發(fā)現(xiàn)植物的微觀結構能明顯的將不同植物區(qū)別開來，這與國內(nèi)其他研究結果一致[2][4][5]。

盡管利用植物微觀形態(tài)進行植物鑒別已經(jīng)得到廣泛應用，植物的微觀形態(tài)結構圖片保存還存有較大缺口，進行植物分類鑒別將極度依賴專業(yè)分類人員，若能利用專業(yè)人員觀察的微觀形態(tài)圖片，則非專業(yè)人員根據(jù)已經(jīng)確定的微觀形態(tài)的照片也可以進行分類鑒別；另外，由于能將微觀形態(tài)以圖片形式進行存儲，非專業(yè)人員依靠現(xiàn)在高速發(fā)展的網(wǎng)絡進行專家求助或借助自動分析軟件，也能達到精確鑒別的目的，打破時空限制。

基于葉片圖像進行計算識別的研究在國內(nèi)外已經(jīng)得到快速發(fā)展[3]，但植物葉片的微觀結構的圖片還有待補充和完善，我們所進行的植物葉片微觀形態(tài)的觀察，不僅可補充植物葉片微觀形態(tài)鑒別內(nèi)容，還能為將來進一步利用植物微觀形態(tài)圖片進行計算機深度學習鑒別植物物種提供基礎材料。

根據(jù)我們的實驗觀察，植物葉片的微觀形態(tài)不是植物鑒別的唯一依據(jù)，不同的植物的某些微觀形態(tài)可能會有相似結構，尤其是同科及同屬植物，因此，在進行植物物種鑒別時，應將其微觀形態(tài)與植物其他形態(tài)特征進行結合。

參考文獻

[1] 基于氣孔器特征的植物葉片微觀形態(tài)的鑒別，夏攀等，理化檢驗：物理分冊2013年第6期 371-374頁，391頁；

[2] 大青屬6種藥用植物葉片的顯微鑒別研究，喬娟娟等，現(xiàn)代中藥研究與實踐，2016年03期，10-15；

[3] 基于葉片圖像的植物鑒別技術研究進展，邵新慶等，甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2010年02期，156-160；

[4] 北細辛及其近緣植物葉片顯微結構比較研究， 歐陽艷飛等，特產(chǎn)研究，2016年03期，36-41

[5] 基于藥材性狀及顯微組織特征的芫花條與其混淆品的鑒別， 金艷等，中國中藥雜志，http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2272.R.20171030.1834.024.html . DOI：10.19540/j.cnki.cjcmm.20171030.012.