黃土高原丘陵區(qū)棗和酸棗葉脈序特征分析

李曉鵬 ，李新崗

(1.蘭州財經(jīng)大學(xué)，甘肅 蘭州 730020；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

葉脈系統(tǒng)不僅是植物水分和養(yǎng)分運輸?shù)闹匾鞴賉1]，而且對葉片具有機(jī)械支撐作用，以保證葉片的生理活動[2]。葉脈序表征了葉脈在葉片里的分布和排列方式[3]，被稱為植物的“血管”。不僅葉脈序特征具有一定的分類學(xué)意義[4-5]，而且葉水分利用、光合能力、碳構(gòu)建等也備受關(guān)注[2, 6-7]。葉脈系統(tǒng)具有等級特征，末端葉脈的供給和運輸作用最為關(guān)鍵[2]。Roth-Nebelsick等[8]通過研究葉脈形態(tài)和功能的關(guān)系以及葉脈的演化歷程，認(rèn)為不同植物類群具有不同類型的葉脈序。不同植物類型的葉脈密度、葉脈寬度和葉脈間距離等性狀共同決定了其葉片水分供給和運輸能力，也反映了葉脈系統(tǒng)對養(yǎng)分和光合產(chǎn)物的運輸能力[9-10]。隨著葉脈序研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，已成為研究葉功能多樣性、葉片碳平衡的基礎(chǔ)領(lǐng)域[11]。有關(guān)葉脈序特征與環(huán)境[3, 12-13]、與植物系統(tǒng)進(jìn)化[14-15]的研究已取得了一些成果，對植物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的研究及相關(guān)預(yù)測都具有重要的意義[2]。

關(guān)于棗和酸棗適應(yīng)性方面的研究，主要集中在脅迫條件下，對棗葉片表皮、含水量和葉綠素含量等方面[16-18]。在栽培(棗)和野生(酸棗)生境條件下，研究棗和酸棗葉脈序特征，探討其葉脈序適應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

棗(ZiziphusjujubaMill.)和酸棗(Z.jujubavar.spinosa)為棗屬植物，棗是由酸棗演化而來[19]。晉陜黃河峽谷一帶作為我國棗的原產(chǎn)地和栽培中心，一直保留著棗的原生類型和很多過渡型酸棗。本研究以晉陜黃河峽谷的棗、酸棗和過渡型為材料，研究棗和酸棗葉脈序特征，揭示其葉脈序特征及其葉片結(jié)構(gòu)建成，探討其適應(yīng)機(jī)制，有助于深化對棗和酸棗在原始生境中生產(chǎn)力、抗性機(jī)制、生態(tài)適應(yīng)能力和生存機(jī)制的理解，為棗資源的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料的收集與準(zhǔn)備

采樣區(qū)位于陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)，主要采樣地為陜西佳縣、清澗縣、延川縣、吳堡縣，以及山西稷山縣和中陽縣(圖1)。該區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性氣候，海拔480～1 300 m，年降雨量為380～400 mm，降雨主要集中在秋季，年蒸發(fā)量為1 400～2 000 mm。棗區(qū)多在河流沿岸的灘地、或者海拔較低的河谷和丘陵區(qū)。

棗和酸棗在形態(tài)上各有特點，棗為喬木，托刺易脫落，葉緣疏且較大，果核少仁或無仁，果實可食率94%～97%；酸棗為灌木、小喬木、喬木，托刺多、長，不容易脫落，葉緣鋸齒細(xì)密，果核飽滿、多仁，果實可食率僅64%～87%。酸棗與棗間存在很多過渡類型，多為喬木，托刺少、短、容易脫落，葉緣、果核、果實可食率等性狀介于酸棗和棗之間。

7月中、下旬到9月中旬，待葉片發(fā)育完全后，采集90份代表種質(zhì)，其中包括棗55份、酸棗28份和過渡型7份。棗品種有狗頭棗、狗稀疙瘩棗、狗牙棗、靈寶圓棗、木棗、稷山圓棗、牛奶脆棗、帥棗、團(tuán)棗、板棗、錐棗、蜂蜜罐、伏脆蜜、江淮1號、晉棗、冷白玉、七月鮮、月光棗和豬腰棗等。利用GPS定位，記錄各棗品種和酸棗所處的地理位置。

采樣時，針對每個棗品種或酸棗類型，隨機(jī)選取樹齡30 a以上的健康植株10 株，每株上采摘3～5 a生棗股上的棗吊10～20個，標(biāo)記后放入自封袋中，帶回實驗室后在 -4℃ 冰箱內(nèi)保存。

注：1-15為陜西樣品：佳縣樣品(1.佳蘆鎮(zhèn)；2.朱家坬鎮(zhèn)；3.峪口鎮(zhèn)；10.店鎮(zhèn)；14.蟋鎮(zhèn))；清澗縣樣品(4.高杰村鎮(zhèn)；9.老舍古鄉(xiāng)；13.寬州鎮(zhèn)；15.石咀驛鎮(zhèn))；延川縣樣品(5.禹居鎮(zhèn)；6.延水關(guān)鎮(zhèn);7.眼岔寺鄉(xiāng);8.土崗鄉(xiāng);11.賀家灣鄉(xiāng))；吳堡縣樣品(12.守家川鎮(zhèn));16-17為山西樣品：16.稷山縣稷峰鎮(zhèn)；17.中陽縣下棗林鄉(xiāng)。Note: 1-15 represents Shaanxi sample: Samples in Jiaxian County(1. Jialu town; 2. Zhujiagua town; 3. Yukou town; 10. Dian town; 14. Xi town); Samples in Qingjian County(4. Gaojiecun town; 9. Laoshegu town; 13. Kuanzhou town; 15. Shizuiyi town); Samples in Yanchuan County(5. Yuju town; 6. Yanshuiguan town; 7. Yanchasi town; 8. Tugang town; 11. Hejiawan town); Samples in Wubao County(12. Shoujiachuan town); 16-17 represents Shanxi sample: 16. Jifeng town in Jishan County; 17. Xiazaolin town in Zhongyang County.圖1 陜晉黃土高原丘陵棗區(qū)(黃河峽谷)17個采樣地分布情況Fig.1 Distribution of 17 sampling sites of jujube leaves on Loess Plateau of Shaanxi and Shanxi (The Yellow River Canyon)

1.2 葉脈序信息獲取

定位3～5 a生二次枝上的中部棗股，選取其棗吊中部3～5個葉片，采用背光掃描法采集葉脈信息，并采用葉脈序信息轉(zhuǎn)換軟件LEAF GUI(Leaf Extraction and Analysis Framework Graphical User Interface)[20]進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化，獲取葉脈數(shù)據(jù)信息。選取葉面積、葉周長、網(wǎng)眼數(shù)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、葉脈寬度、網(wǎng)眼面積、節(jié)點數(shù)、葉脈間距離、葉脈密度、葉脈總長度、葉脈總面積、葉脈邊緣的平均二維面積、葉脈邊緣的平均三維面積和閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)平均體積等14個特征指標(biāo)[21]。其中，葉脈密度指單位面積葉脈的總長度；環(huán)形結(jié)構(gòu)即單位面積網(wǎng)眼數(shù)，指葉片內(nèi)閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的數(shù)量除以葉面積；節(jié)點數(shù)指葉片中一、二、三級脈等交匯點的總個數(shù)；葉脈間距離指葉脈所圍成的每個閉合區(qū)域的最大當(dāng)量直徑；網(wǎng)眼面積是葉片的一、二、三級脈等圍成的不規(guī)則閉合區(qū)域的平均面積。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用ArcGIS 10.2軟件制作采樣圖；SPSS 19.0軟件對各葉脈序特征指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)、多重比較檢驗(post-hoc tests)和多樣性分析(SPSS_Inc. 2004)；用NTSYSpc V2.1和MEGA 5.1 聚類分析軟件對其葉脈序進(jìn)行聚類分析[22]；并使用 Sigmaplot 11軟件(Systat Software, Richmond, CA, USA)和R 3.5.1軟件做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗、酸棗和過渡型葉脈序指標(biāo)比較

陜北棗、酸棗和過渡型酸棗的14個葉脈序特征，通過主成分分析(PCA)篩選出適合研究棗葉脈序的8個特征指標(biāo)，即葉面積、葉周長、環(huán)形結(jié)構(gòu)、葉脈間距離、網(wǎng)眼面積、節(jié)點數(shù)、葉脈密度和葉脈寬度。8個葉脈序指標(biāo)方差分析(SPSS_Inc. 2004)(圖2)表明，就葉面積和葉周長而言，棗、酸棗和過渡型酸棗之間均有顯著差異(P<0.05)，且棗最高、酸棗最低。棗、酸棗和過渡型的葉脈密度也有顯著差異，且棗 < 過渡型 < 酸棗(P<0.05)。對葉脈序環(huán)形結(jié)構(gòu)、葉脈間距離、網(wǎng)眼面積和節(jié)點數(shù)來說，棗與酸棗均有顯著差異(P<0.05)，但棗和過渡型之間無差異。同時，棗、酸棗和過渡型的葉脈寬度無顯著差異(P>0.05)。

多樣性分析表明，棗葉脈序指標(biāo)的多樣性指數(shù)(DI)，單位面積網(wǎng)眼數(shù)(1.53)、葉脈間距離(1.64)、網(wǎng)眼面積(1.65)、節(jié)點數(shù)(2.03)、葉脈密度(1.74)均顯著高于酸棗(P<0.05)，過渡型酸棗葉脈序指標(biāo)的多樣性指數(shù)處于棗和酸棗之間。酸棗葉脈序指標(biāo)中，環(huán)形結(jié)構(gòu)的多樣性指數(shù)最高，網(wǎng)眼面積的多樣性指數(shù)最低；棗葉脈序指標(biāo)中，節(jié)點數(shù)的多樣性指數(shù)最高，葉脈寬度的多樣性指數(shù)最低；過渡型酸棗的葉脈序指標(biāo)中，節(jié)點數(shù)的多樣性指數(shù)最高，葉脈間距離的多樣性指數(shù)最低(圖2)。棗葉脈序特征指標(biāo)的變異系數(shù)(CV)范圍(15.24%～74.69%)比酸棗(20.37%～52.84%)更寬。其中，棗環(huán)形結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)最大(74.69%)，棗葉脈間距離的變異系數(shù)最小(15.24%)。酸棗中，環(huán)形結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)最大(52.84%)，葉脈間距離的的變異系數(shù)最小(20.37%)。棗、酸棗和過渡型環(huán)形結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)均較高，葉脈間距離的變異系數(shù)均較低。

2.2 棗、酸棗和過渡型葉脈序聚類分析

2.2.1 陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)棗、酸棗和過渡型的葉脈序聚類分析 由于延川縣存在著較多典型的古酸棗樹和過渡型酸棗，具有一定的代表性。故首先選取該地區(qū)代表性棗、酸棗和過渡型進(jìn)行葉脈序NJ聚類(Neighbor-joining)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相似系數(shù)為1.8 時，將其分為兩大類，第I類為酸棗，第II類為棗(圖3)。

圖2 棗、酸棗和過渡型酸棗的葉脈序特征及多樣性指數(shù)比較Fig.2 Comparisons of eight leaf venation characteristics and diversity index for cultivated jujube, wild jujube, and transitional type

圖3 陜北酸棗、過渡型酸棗和棗的NJ聚類分析Fig.3 Dengrogram of neighbor-joining clustering analysis of wild, transitional type and cultivated jujube accessions in Northern Shaanxi.

陜晉黃土高原丘陵棗區(qū)的棗、酸棗和過渡型的葉脈序 NJ 聚類分析(圖4)表明，品種間遺傳多樣性高，雜合度高。在相似系數(shù)為1.69時，將其分為兩大類，第I類為酸棗，第II類為棗；并且，過渡型酸棗的佳縣酸團(tuán)棗、苦味酸棗、老牙酸棗和酸味酸棗，在兩個類群中都有，說明酸棗經(jīng)過渡型向棗的演化。同時，在酸棗類群中，清澗酸棗和延川酸棗之間距離較近，而佳縣酸棗與清澗酸棗距離較遠(yuǎn)。另外，在棗中，佳縣木棗、清澗木棗和延川木棗的距離較近，聚為一類，為木棗類群。而延川團(tuán)棗、清澗團(tuán)棗與木棗中的部分佳縣、清澗木棗的距離較近。狗頭棗、中陽木棗、伏脆蜜、佳縣白棗、晉棗的距離較近，七月鮮、狗牙棗與牛奶脆棗的距離較近。

2.2.2 陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)主栽棗品種的葉脈序聚類分析 為了進(jìn)一步研究陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)主栽棗品種葉脈序之間的關(guān)系，19個棗品種UPGMA聚類分析(圖5)表明，聚類中存在不同的層次(L1-L3)，在相似系數(shù)為1.29時，棗被分為4個類群。

類群1包括白棗、豬腰棗、伏脆蜜、江淮1號、延川狗頭棗、狗稀疙瘩棗、團(tuán)棗、冷白玉、七月鮮和月光棗等11個品種；類群2包括晉棗、牛奶脆棗、錐棗和帥棗4個品種，主要為鮮食和制干的兼用品種；類群3有脆脆棗、狗牙棗和靈寶圓棗3個品種；類群4只有木棗。從葉脈序特征的角度分析，類群3中的脆脆棗、狗牙棗、靈寶圓棗和類群4中的木棗之間的距離較近。

3 討 論

3.1 棗、酸棗和過渡型葉脈序特征比較

植物在進(jìn)化過程中，為適應(yīng)環(huán)境變化自身會啟動相應(yīng)的基因改變或調(diào)整生理生化代謝過程，表現(xiàn)出相應(yīng)的生態(tài)適應(yīng)性[23]。植物葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)與其生理功能和環(huán)境關(guān)系密切，其對環(huán)境的變化最敏感，可塑性最大[24]。

棗和酸棗葉脈序特征指標(biāo)方差分析表明，酸棗葉脈間距離顯著低于棗(圖2)，說明其葉脈與氣孔間的距離較短。當(dāng)終端葉脈之間的距離越小、葉脈直徑越大時，葉脈運輸水分的能力越強(qiáng)[11]，碳通量越高[25]。因此，與栽培條件下的棗相比，野生條件下的酸棗具有較高的碳通量和水分運輸能力，并且其環(huán)形結(jié)構(gòu)顯著高于棗和過渡型。有研究表明，當(dāng)植物受到損傷時，葉脈的環(huán)形結(jié)構(gòu)能通過對葉片水分運輸途徑的重新布局，把損傷減少到最小[3, 26]，環(huán)形結(jié)構(gòu)的不斷演化也與氣孔的分布及密度相關(guān)[8]。與棗相比，酸棗的生存環(huán)境更為惡劣，正是由于酸棗較高的環(huán)形結(jié)構(gòu)，使其在遭受機(jī)械損傷后，能夠通過增加更多水分運輸途徑的方式，彌補(bǔ)和減少外界傷害。酸棗葉脈密度顯著高于棗和過渡型(圖2)。對較高葉脈密度植物的研究發(fā)現(xiàn)，減少土壤有效水分和植物所需養(yǎng)分均可提高植物的葉脈密度，而植物可通過較高的碳投入量來補(bǔ)償土壤中水分和營養(yǎng)的缺失[11]。酸棗在干旱環(huán)境中，具有比棗更高的葉脈密度，說明其單位面積有更多的水分、養(yǎng)分運輸通道和碳投入量，發(fā)達(dá)的輸導(dǎo)組織能保證和提高水分輸導(dǎo)效率，從而保證葉肉組織不因失水受到傷害。以上結(jié)果均從葉脈序的角度上解釋了酸棗能在極度寒冷、干旱的環(huán)境中正常生長的原因。

葉脈序聚類分析表明，第I類為酸棗，第II類為棗(圖3和4)，說明葉脈序可以作為一個重要的指標(biāo)來劃分棗和酸棗。同時，過渡型酸棗在兩個類群中都有，這是由于過渡型酸棗的葉脈序特征代表著酸棗到棗演化過程的不同階段，葉脈序也反映了棗是由酸棗經(jīng)過渡型酸棗演化而來。

3.2 棗、酸棗和過渡型葉脈序的多樣性分析

植被表型特征的變異是其不斷應(yīng)對不同環(huán)境的一種生存機(jī)制[11]。本研究表明，酸棗葉片形態(tài)和大部分葉脈序特征的變異系數(shù)顯著高于棗(圖2)。Richards[27]研究發(fā)現(xiàn)，表型可塑性較高的植物，其對環(huán)境條件具有較強(qiáng)的耐受性，因而分布范圍較廣；反之分布范圍較小。長期進(jìn)化過程中，過渡型和棗多為喬木，而酸棗有喬木和灌木兩種類型。這說明酸棗在水平空間分布上有生態(tài)位重疊，是一種互利共生，也能減少或避免它們之間對生態(tài)資源的直接競爭，表現(xiàn)出酸棗對有限資源充分利用的一種有效生存機(jī)制。

圖4 黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)棗、酸棗和過渡型酸棗的葉脈序特征及其聚類分析Fig.4 Leaf venation characteristics and clustering analysis for cultivated, wild, and transitional-type jujube sampled on hilly region Loess Plateau(The Yellow River Canyon)

本研究發(fā)現(xiàn)，棗葉脈序特征的多樣性指數(shù)均顯著高于酸棗(圖2)。棗的栽培和馴化受人為選擇和自然選擇的影響，尤其是人為選擇，深刻影響著棗品種選擇，從而形成了適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的品種和生態(tài)類型，并在各地進(jìn)行廣泛的交流[28]。各異的生長環(huán)境，為棗品種多樣性提供了充分的外在條件。

同時，酸棗葉脈序特征的變異系數(shù)顯著高于棗和過渡型，使其具有比棗更寬的生態(tài)幅。張繼義等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與生態(tài)位寬度較小的植物相比，生態(tài)位寬度較大的植物對資源的有效利用能力較強(qiáng)，分布范圍較廣。與低表型可塑性植物相比，高表型可塑性的植物通常對不同環(huán)境條件具有較強(qiáng)的耐受性，因而分布廣[30]。在長期進(jìn)化過程中，酸棗面對干旱、貧瘠的生長條件，為保證生長發(fā)育順利進(jìn)行，通過表型性狀(尤其是葉片)的變異適應(yīng)環(huán)境變化，表現(xiàn)出較高的表型可塑性和較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性。

3.3 基于葉脈序的棗品種關(guān)系

陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)19個棗品種UPGMA聚類結(jié)果表明，在相似系數(shù)為1.29時，棗分為4個類群(圖5)。類群1中有11個品種，其中白棗、豬腰棗、伏脆蜜、冷白玉、七月鮮、月光棗、江淮1號和團(tuán)棗是鮮食品種，狗稀疙瘩棗為制干品種，延川狗頭棗為鮮食與制干兼用品種。類群2中，晉棗和牛奶脆棗為鮮食品種，錐棗和帥棗分別為制干和蜜棗品種。類群3中，脆脆棗和狗牙棗是鮮食品種，靈寶圓棗是制干品種。類群4只有木棗品種，為該棗區(qū)的原生品種群。該部分的劃分更多是源于葉脈序特征及其功能相近的結(jié)果，與棗品種類別關(guān)系不大。但也看到，類群1中的狗頭棗屬關(guān)中品種群，與類群4中的木棗的距離較遠(yuǎn)，這與棗遺傳多樣性的研究結(jié)果一致[31]。

陜北地區(qū)保存著較為原始的棗品種類型，如木棗品種群，雖然它們在樹形、果形等差異很大，但其葉脈序特征差異較小?，F(xiàn)存的千年古樹與其分化的木棗親緣關(guān)系較近，原生木棗品種群的遺傳變異很小[32]。葉脈序特征聚類結(jié)果與栽培棗遺傳多樣性的分布格局基本一致。從葉脈序特征的角度分析，類群3中的脆脆棗、狗牙棗、靈寶圓棗和類群4中的木棗之間的距離較近。這與其遺傳演化研究結(jié)果基本一致，親緣關(guān)系較近，可能是由于脆脆棗、狗牙棗和靈寶圓棗是從原始品種木棗中的變異株系中形成的。Geber和Griffen[33]研究發(fā)現(xiàn)，植物在進(jìn)化過程中，植物會選擇易適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件的表型。

4 結(jié) 論

本研究分析了我國棗起源地——黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)的棗、酸棗和過渡型的葉脈序特征，發(fā)現(xiàn)葉脈作為穩(wěn)定性狀可用于酸棗和棗的鑒別。過渡型葉脈特征在栽培棗與酸棗之間，從葉形態(tài)上證實了酸棗到栽培棗的進(jìn)化。在干旱、貧瘠生境中生長的酸棗，其葉脈間距離、網(wǎng)眼面積和節(jié)點數(shù)都顯著低于栽培棗，而環(huán)形結(jié)構(gòu)和葉脈密度顯著高于棗。說明棗和酸棗通過權(quán)衡葉脈序而采取不同的適應(yīng)策略。棗葉脈序的多樣性指數(shù)(DI)中，單位面積網(wǎng)眼數(shù)(1.53)、葉脈間距離(1.64)、網(wǎng)眼面積(1.65)、節(jié)點數(shù)(2.03)、葉脈密度(1.74)均顯著高于酸棗。棗葉脈序特征指標(biāo)的變異系數(shù)范圍(15.24%～74.69%)比酸棗(20.37%～52.84%)更寬。這是由于在棗的栽培生產(chǎn)中，人類往往以自身需要為目的選擇棗品種，因此深刻影響著品種的選擇方向。酸棗葉脈序變異系數(shù)顯著高于棗和過渡型，說明其具有更寬的生態(tài)幅，表現(xiàn)出較高的表型可塑性和較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，體現(xiàn)了對有限環(huán)境資源充分利用的生存機(jī)制。

圖5 陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區(qū)19個主栽棗品種的UPGMA聚類圖Fig.5 Dengrogram based on clustering analysis of unweighted pair group method with arithmetic average for 19 varieties of cultivated jujube sampled on Loess Plateau of Shaanxi and Shanxi (The Yellow River Canyon)