香菇草匍匐莖及葉結(jié)構(gòu)對不同水濕生境的生態(tài)適應(yīng)性

繆麗華 王瑩瑩 喬東東 楊琴琴 季夢成*

(1 中國濕地博物館，浙江 杭州 310013; 2 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300)

為了適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境，植物進(jìn)化過程中器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征能明顯表現(xiàn)出環(huán)境因子的影響，植物莖、葉在環(huán)境壓力下形成各種適應(yīng)類型，是對環(huán)境變化較敏感且可塑性較大的器官（Randy,2002）。形態(tài)結(jié)構(gòu)改變越顯著，植物對環(huán)境適應(yīng)性越強（王桂芹等, 2011）。在干旱脅迫下，葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，其形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變與植物的耐旱性有著密切的關(guān)系（Jiang et al, 2001），葉肉柵欄組織的細(xì)胞層數(shù)增加，密度增大，既可避免干旱地區(qū)強光照對葉肉細(xì)胞的灼傷，又能有效利用衍射光進(jìn)行光合作用（薛靜等,2010）。

表型可塑性指同一個基因型對不同環(huán)境變化而產(chǎn)生不同表型的能力，是植物適應(yīng)自然選擇的基本特征（解焱,2008）。表型的高度可塑性是植物與其生長環(huán)境長期相互作用的結(jié)果，也可體現(xiàn)外來植物的入侵特征（Rejmanek et al,2003）。許多外來入侵植物莖的形態(tài)結(jié)構(gòu)對水分變化具有較強的可塑性（陶勇等,2004a; 趙相健等,2015），空心蓮子草莖結(jié)構(gòu)隨水分條件的變化有顯著差異，可在旱生性與水生性特點之間轉(zhuǎn)換（陶勇等,2004b）。

香菇草Hydrocotyle vulgaris為傘形科天胡荽屬多年生草本植物，原產(chǎn)歐洲及北美，作為水生觀賞植物引入我國，在長江以南地區(qū)廣泛應(yīng)用。該種生態(tài)適應(yīng)性較強，化感作用明顯（楊琴琴等,2013），入侵風(fēng)險較大（繆麗華等,2011;全晗等,2016）。目前，對香菇草的研究主要還涉及生理特性（閆道良等,2014）、生長繁殖（Liu et al,2017）、化感作用（楊琴琴等,2013）、水污染防治（金樹權(quán)等,2010）、環(huán)境修復(fù)（Vafaei et al, 2013）等方面，未見香菇草解剖結(jié)構(gòu)對水分變化的適應(yīng)性、表型可塑性報道。

1 材料與方法

取材地點為浙江省杭州市西溪濕地國家公園內(nèi)的濕地植物觀測點，觀測點坡度20°，沿池塘淺水水域向漫灘及陸地過渡，周邊隔離不受外界干擾，豐枯水期水位差約10 cm。以池塘淺水水域作為水生生境，以池塘漫灘（豐水期浸潤）作為濕生生境，全年未入水的陸地作為旱生生境。2011年4月定植，2012年10月取樣，3種生境香菇草蓋度均為100%。隨機(jī)選取10株生長良好、無病蟲害的香菇草植株，將葉片切割為3 mm×5 mm左右的片段，匍匐莖切割長度為5 mm左右，F(xiàn)AA固定液固定，按常規(guī)石蠟切片制作方法制成永久裝片。制作香菇草鮮葉下表皮臨時玻片標(biāo)本，鏡檢計測氣孔長度。

統(tǒng)計分析：采用EXCEL軟件完成所有數(shù)據(jù)處理與分析。葉片結(jié)構(gòu)緊密度CTR=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%；葉片結(jié)構(gòu)疏松度SR=海綿組織厚度/葉片厚度×100%；氣孔指數(shù)（%）=單位視野氣孔數(shù)/（單位視野普通表皮細(xì)胞數(shù)+單位視野氣孔數(shù)）×100%。可塑性指數(shù)參考Valladares等（2000）的方法計算，即各個性狀所測量的最大、最小值之差與最大值的比值，表示為PL=[max(i)- mix(i)]/max(i)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分變化對香菇草葉表皮氣孔的影響

隨著生境水分含量的降低，香菇草葉片表皮氣孔長度先增大后減小，氣孔指數(shù)逐漸增大（表1）。濕生型氣孔長度和氣孔指數(shù)較水生型均無顯著差異，旱生型氣孔長度較濕生型降低了12.34%，氣孔指數(shù)較濕生型增加了14.08%，差異均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01，下同)。

表1 水分對香菇草葉表皮氣孔的影響Table 1 Eあect of water condition on stoma of H. vulgaris

2.2 水分變化對香菇草葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

對3種不同生境香菇草葉片的上、下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、兩層?xùn)艡诩?xì)胞厚度比、海綿組織厚度、葉片厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊密度、疏松度、柵海比（柵欄組織與海綿組織厚度比值）9個參數(shù)進(jìn)行比較分析（表2）。

單因素方差分析的結(jié)果表明，生境水分含量的變化對香菇草葉片結(jié)構(gòu)的全部參數(shù)都有顯著影響，其中對下表皮厚度的影響呈顯著水平(P＜0.05，下同)，對其他參數(shù)的影響呈極顯著水平。濕生型上、下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊密度、柵海比較水生型均極顯著增大，兩層?xùn)艡诩?xì)胞厚度比和葉片厚度較水生型顯著增大，濕生型海綿組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)疏松度較水生型均極顯著減小，旱生型葉片上表皮細(xì)胞、海綿組織厚度、葉片疏松度、葉片厚度較濕生型均極顯著減小，兩層?xùn)艡诩?xì)胞厚度比、葉片結(jié)構(gòu)緊密度、柵海比較濕生型均極顯著減小，下表皮細(xì)胞厚度和柵欄組織厚度較濕生型差異不顯著。

隨著土壤含水量的降低，香菇草上、下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度以及葉片厚度均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，濕生型較水生型增加比例依次為：柵欄組織厚度＞上表皮細(xì)胞厚度＞下表皮細(xì)胞厚度＞葉片厚度；旱生型較濕生型減小比例依次為：上表皮細(xì)胞厚度＞葉片厚度＞下表皮細(xì)胞厚度＞柵欄組織厚度。海綿組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)疏松度隨生境含水量降低而減小，濕生型較水生型分別減小了7.64%和9.14%，旱生型較濕生型分別減小了53.77%和42.16%。兩層?xùn)艡诩?xì)胞厚度比、葉片結(jié)構(gòu)緊密度與柵海比隨生境水分含量減少而增加，濕生型較水生型增加了6.94%、29.40%和42.33%，旱生型較濕生型分別增加16.98%、24.72%和115.54%。

表2 三種生境香菇草葉片解剖結(jié)構(gòu)單因素方差分析結(jié)果Table 2 The result of One Way-ANOVA for eight morphological parameters of leaves on 3 populations of H. vulgaris

當(dāng)生境水分減少到干旱狀態(tài)時，葉片上表皮細(xì)胞縮小，形成緊密的表皮細(xì)胞層，能夠有效防止水分散失。干旱型葉片結(jié)構(gòu)緊密度與柵海比增大，較水生型和濕生型具有更緊密的柵欄細(xì)胞層，能夠有效防止水分散失。葉片的解剖結(jié)構(gòu)反映出香菇草具有一定的耐旱性。

2.3 不同生境水分含量對香菇草匍匐莖解剖結(jié)構(gòu)特征的影響

香菇草匍匐莖結(jié)構(gòu)主要包括表皮細(xì)胞層、厚角細(xì)胞層、薄壁組織、髓和維管束。生境水分含量變化對香菇草匍匐莖的厚角組織厚度和導(dǎo)管數(shù)有顯著影響，對其他參數(shù)的影響均達(dá)到極顯著水平。

旱生型匍匐莖表皮細(xì)胞厚度/匍匐莖直徑的比值與濕生型沒有顯著差異，旱生型厚角組織厚度和薄壁組織厚度較濕生型顯著減小，但厚角組織和薄壁組織在匍匐莖中所占比值較濕生型增加，有利于水分和養(yǎng)分的貯存。旱生型維管束數(shù)量較濕生型顯著增加，兩種生境匍匐莖的導(dǎo)管數(shù)量差異不顯著（表3）。

表3 三種生境香菇草匍匐莖解剖結(jié)構(gòu)單因素方差分析結(jié)果Table 3 The result of One Way-ANOVA for nine morphological parameters on 3 populations of H. vulgaris

香菇草匍匐莖表皮細(xì)胞厚度、厚角組織厚度、薄壁細(xì)胞厚度、髓直徑、匍匐莖直徑以及髓直徑/匍匐莖直徑的比值均隨著生境水分含量的降低表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中，濕生型較水生型增加比例最大的參數(shù)是髓直徑，為82.99%，其次分別為薄壁組織厚度、匍匐莖直徑、髓直徑/匍匐莖直徑、表皮細(xì)胞厚度和厚角組織厚度；各參數(shù)旱生型較濕生型減小比例依次為：髓直徑＞表皮細(xì)胞厚度＞匍匐莖直徑＞薄壁組織厚度＞髓直徑/匍匐莖直徑＞厚角組織厚度。維管束數(shù)和導(dǎo)管數(shù)隨生境水分含量的降低逐漸增加，濕生型較水生型增加比例分別為25.53%和81.25%，旱生型較濕生型增加比例分別為6.78%和17.24%。莖中氣孔長度隨生境水分含量的降低逐漸減小，濕生型較水生型減小了34.50%，旱生型較濕生型減小了43.96%。

2.4 不同生境下香菇草各解剖結(jié)構(gòu)可塑性指數(shù)分析

2.4.1 葉片解剖結(jié)構(gòu)可塑性指數(shù)分析 不同水分生境下香菇草葉片解剖結(jié)構(gòu)特征值的可塑性指數(shù)見表4。

表4 三種生境香菇草葉片解剖結(jié)構(gòu)可塑性指數(shù) %Table 4 Elasticity index for eight morphological parameters of leaves on 3 populations of H. vulgaris %

3種生境中香菇草葉片可塑性指數(shù)總平均值大小排序為：水生型＞旱生型＞濕生型。其中，水生型上、下表皮細(xì)胞厚度和柵欄組織厚度可塑性指數(shù)較濕生型和旱生型高。兩層?xùn)艡诩?xì)胞厚度比、葉片結(jié)構(gòu)緊密度、海綿組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)疏松度、柵海比和葉片厚度可塑性指數(shù)為旱生型最高。香菇草下表皮細(xì)胞厚度可塑性平均值較上表皮高，葉片結(jié)構(gòu)緊密度的可塑性平均值較疏松度參數(shù)高。在各參數(shù)可塑性指數(shù)中，葉片厚度的平均值最小，其次是葉片結(jié)構(gòu)疏松度和海綿組織厚度，其可塑性指數(shù)平均值均不超過10%。

2.4.2 匍匐莖解剖結(jié)構(gòu)可塑性指數(shù)分析 不同水分生境下香菇草匍匐莖各解剖結(jié)構(gòu)可塑性指數(shù)見表5。匍匐莖各參數(shù)中導(dǎo)管數(shù)的可塑性指數(shù)最高，其次為氣孔長度，可塑性指數(shù)最低的為匍匐莖直徑。3種生境香菇草匍匐莖可塑性指數(shù)強弱依次為：水生型＞濕生型＞旱生型，但平均可塑性指數(shù)差異不明顯。就不同生境而言，水生型香菇草匍匐莖氣孔長度、匍匐莖直徑的可塑性指數(shù)分別為最高(56.55%)和最低(5.05%)；導(dǎo)管數(shù)可塑性指數(shù)最高均出現(xiàn)在旱生型(85.71%)和濕生型(60%)，濕生型和旱生型匍匐莖直徑的可塑性指數(shù)最低，分別為2.85%和3.37%。

3 結(jié)論與討論

植物長期在某一特定環(huán)境生存，必然形成適應(yīng)該環(huán)境的形態(tài)結(jié)構(gòu)以保證植株的正常生長。葉片作為植物重要的營養(yǎng)器官，受到環(huán)境中光照、溫度、水分等因素的影響較大，是植物進(jìn)化過程中對環(huán)境變化較敏感且可塑性較大的器官（李芳蘭等,2005）。于海秋等（2003）對水分脅迫下玉米氣孔變化的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)水分脅迫的玉米葉片氣孔密度增大, 氣孔的長、寬明顯減小。香菇草葉片表皮氣孔長度減小，氣孔指數(shù)增加，旱生型葉片小而多的氣孔更有利于減少水分散失，與前人的研究結(jié)果一致。

葉片上表皮受到陽光直接照射，在長期干旱的環(huán)境下，葉片會形成小而密的表皮細(xì)胞以減少水分的散失，從而提高水分利用率（Bosabaalidiset al,2002），旱生植物的葉肉向著提高光合作用效率的方向發(fā)展，柵欄組織高度發(fā)達(dá)，海綿組織退化甚至缺失(燕玲等, 2000)。本試驗中，隨著生境水分含量的降低，香菇草葉片厚度減小，柵欄組織與海綿組織比增大，柵欄組織細(xì)胞層顯著增厚。在香菇草葉片濕生型與水生型各參數(shù)中，柵海比受生境水分含量變化影響最大，其次是柵欄組織厚度；在香菇草旱生型與濕生型各參數(shù)中，受水分含量變化影響最大的分別是柵海比和海綿組織厚度，葉肉組織厚度變化是香菇草葉片應(yīng)對生境水分含量變化最主要的方式。隨著生境水分含量的降低，匍匐莖的直徑先增大后減小，氣孔長度減小，導(dǎo)管數(shù)量增加，有利于干旱環(huán)境下香菇草植株地上、地下部分之間以及各植株之間水分的運輸。葉片和匍匐莖的解剖結(jié)構(gòu)變化顯示香姑草對水濕生及干旱環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)變化趨勢取決于環(huán)境的水分條件。

表5 三種生境香菇草匍匐莖解剖結(jié)構(gòu)可塑性指數(shù) %Table 5 Elasticity index for eight morphological parameters of runners on 3 populations of H. vulgaris %

表型可塑性是衡量香菇草對不同水分條件適應(yīng)能力的重要指標(biāo)，表型可塑性高低常與其對環(huán)境的潛在適應(yīng)能力大小緊密聯(lián)系。香菇草葉片上、下表皮細(xì)胞厚度都具有較高的可塑性，而柵欄組織厚度、海綿組織厚度和葉片厚度可塑性指數(shù)較低，說明直接接觸環(huán)境的葉片表皮細(xì)胞層對環(huán)境的變化反應(yīng)最為迅速。濕生型葉片結(jié)構(gòu)各項可塑性指數(shù)均較低，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，可見較水生型和旱生型生境，香菇草更適宜于濕生型生境。

香菇草（作者供圖）