青藏高原不同海拔高度下全緣葉綠絨蒿葉表皮特征研究

唐 楠 李苗苗 唐道城*

(1.青海大學(xué)高原花卉研究中心，西寧 810016； 2.青海省園林植物與觀賞園藝重點實驗室，西寧 810016)

全緣葉綠絨蒿(Meconopsisintegrifolia(Maxim.) Franch.)是罌粟科(Papaveraceae)綠絨蒿屬(Meconopsis)一年生至多年生草本植物，主要分布于我國西藏、青海、四川、甘肅及云南西北部，通常生長于海拔3 000 m以上的流石灘、高山灌叢和雪山草甸，具有較強的抗旱、抗寒及耐瘠薄能力，在藥用和觀賞方面具有較高的開發(fā)利用價值[1～2]。目前，對于全緣葉綠絨蒿的研究較少，主要集中在植物化學(xué)成分和藥理方面[2～5]，對全緣葉綠絨蒿的傳粉生態(tài)學(xué)、適應(yīng)進化等方面的了解較少。吳云等[6]在不同海拔高度下對全緣葉綠絨蒿的傳粉生態(tài)學(xué)進行了觀察，探討了全緣葉綠絨蒿的繁育系統(tǒng)特點和其對高山氣候環(huán)境的繁殖適應(yīng)特征。張霓雯等[7～8]對不同海拔下全緣葉綠絨蒿的繁殖分配特征、種子散播功能性狀、種群空間分布格局特征進行了研究，探討了全緣葉綠絨蒿繁殖分配策略對海拔的響應(yīng)，以及種子散播功能性狀與種群空間分布格局特征的相關(guān)性。在葉片解剖結(jié)構(gòu)方面，劉夢穎等[9]對四川省汶川縣臥龍保護區(qū)巴郎山的全緣葉綠絨蒿的葉片形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)進行了研究，為了解全緣葉綠絨蒿對海拔及高山環(huán)境的形態(tài)學(xué)適應(yīng)特征奠定了基礎(chǔ)。

植物進化過程中，葉片結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化較為敏感，其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響以及植物對環(huán)境的適應(yīng)性[10]。青藏高原是中國最大、世界海拔最高的高原，具有獨特的氣候特征，如輻射強烈、日照多、氣溫低、積溫少、氧氣稀薄等[11]。生長在高原環(huán)境的植物葉片結(jié)構(gòu)常表現(xiàn)出一些旱生植物的特征，如氣孔多分布在葉片下表皮，形成氣孔窩，氣孔面積趨小，密度趨多[12～13]，柵欄組織多層且發(fā)達，海綿組織減少或消失等特征[14]。表皮毛是由植物表皮細胞發(fā)育而來，生長在表皮組織的一種特化結(jié)構(gòu)[15～16]。表皮毛與表皮上的氣孔、角質(zhì)層、蠟質(zhì)等表皮特征互相配合，共同完成各種不同的保護功能[17～18]。植物為了適應(yīng)生長環(huán)境，表皮毛會對鹽分、干旱、海拔和光照等環(huán)境因子作出響應(yīng)[19～21]。有關(guān)海拔高度對植物葉片解剖結(jié)構(gòu)影響的研究較少，施海燕等[22]對青藏高原東緣海拔2 100～4 200 m處生長的7種風(fēng)毛菊屬植物的葉結(jié)構(gòu)進行了顯微觀察,分析探討7種植物葉解剖結(jié)構(gòu)與自然環(huán)境的相互關(guān)系。孫會婷等[23]對分布于青藏高原祁連山東部不同海拔高度的蒲公英、火絨草和美麗風(fēng)毛菊的葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)進行了研究,認(rèn)為3種植物采取不同的響應(yīng)機制來適應(yīng)海拔高度的變化，植物對高原環(huán)境變化的適應(yīng)具有多樣性。本文以分布于青藏高原5個不同海拔高度下的全緣葉綠絨蒿基生葉為研究材料，觀測葉片的表皮毛、氣孔及表皮細胞結(jié)構(gòu)特征，分析葉片表皮毛、氣孔器和表皮細胞特征與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，旨在探討全緣葉綠絨蒿葉片表觀特征及解剖學(xué)對高原生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為2007年7～8月采自青藏高原東北部的高山地區(qū)(海拔3 500～4 800 m，97°39′～105°26′E，33°54′～35°13′N)的全緣葉綠絨蒿。采樣點的生境信息詳見表1。每個樣點隨機選取5～10株全緣葉綠絨蒿，每株相同部位摘取健康的基生葉5片，部分裝入塑料自封袋中低溫保存鮮樣，其余剪取葉的中央部分1.5 cm×1.5 cm，用50%酒精配制的FAA固定液固定。

表1 采樣點生境信息

1.2 實驗方法

1.2.1 上下表皮毛密度觀測

每樣點取開花植株5株，每株取5片基生葉，每片基生葉在XTT型實體解剖鏡下直接觀察并記錄表皮毛數(shù)量，上下表皮各觀測5個視野。用單位面積的表皮毛數(shù)量表示表皮毛密度，即：

表皮毛密度(個·mm-2)=視野平均表皮毛數(shù)/視野面積

(1)

1.2.2上下表皮氣孔器和表皮細胞密度及形態(tài)觀測

采用膠帶粘取法[24]制作上下表皮臨時裝片。在Nikon光學(xué)顯微鏡10×10倍下觀察氣孔器形態(tài)、記錄氣孔器數(shù)量，用單位面積的氣孔數(shù)量表示氣孔密度。有關(guān)氣孔類型的術(shù)語參照Dilcher[25]。采用鼠標(biāo)點測法[24]和相應(yīng)的計算公式獲得氣孔長度、寬度以及氣孔面積(氣孔長度是氣孔關(guān)閉狀態(tài)下腎形長度；氣孔寬度是垂直于氣孔器長軸的最寬值)。取基生葉5枚，每枚葉片制作5張切片，每張切片隨機選取5個清晰視野，分別測量相關(guān)指標(biāo)，取平均值作為該葉片的相關(guān)數(shù)據(jù)。表皮細胞測定方法與氣孔器相同。氣孔密度和表皮細胞密度的計算公式如下：

氣孔密度(個·mm-2)=視野平均氣孔數(shù)/視野面積

(2)

表皮細胞密度(個·mm-2)=視野平均細胞數(shù)/視野面積

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 全緣葉綠絨蒿葉片表皮毛與海拔高度的關(guān)系

觀察結(jié)果表明，基生葉上表皮的表皮毛分布比較均勻，下表皮的表皮毛在葉片葉脈處分布密度較大。隨著海拔高度增加，上、下表皮的表皮毛密度顯著增大，而且上表皮的表皮毛分布密度明顯大于下表皮(表2)。

表2 不同海拔高度下全緣葉綠絨蒿葉片表皮毛和氣孔變化特征

注：大寫字母表示0.01水平的顯著性，小寫字母表示0.05水平的顯著性。下同。

Note:Capital letters represent significance on 0.01 level,and lowercase letters represent on significance on 0.05 level.The same as below.

2.2 全緣葉綠絨蒿葉片氣孔特征與海拔高度的關(guān)系

全緣葉綠絨蒿的基生葉片上、下表皮的氣孔僅由保衛(wèi)細胞組成，無副衛(wèi)細胞，由數(shù)目可變的普通表皮細胞不規(guī)則的圍繞在氣孔周圍(圖1)。氣孔類型均為無規(guī)則型；上表皮氣孔器近于橢圓形，下表皮氣孔器近于紡錘形。由表2可知，全緣葉綠絨蒿上、下表皮的氣孔長度隨海拔升高而逐漸變短，上表皮氣孔長度<下表皮氣孔長度；隨著海拔的升高，氣孔寬度逐漸減小，上表皮氣孔寬度>下表皮氣孔寬度。在海拔3 870 m，上、下表皮的氣孔長度達到最大；在海拔3 870～4 450 m，上、下表皮的氣孔長度急劇縮短，當(dāng)海拔高于4 450 m時，上、下表皮的氣孔長度穩(wěn)定保持在較短水平，上表皮的氣孔長度/氣孔寬度均小于下表皮。上、下表皮的單個氣孔面積隨海拔的增高逐漸減小，上表皮的單個氣孔面積>下表皮的單個氣孔面積，其變化規(guī)律與氣孔長度變化規(guī)律基本一致。上、下表皮的氣孔密度變化趨勢與氣孔面積變化趨勢相反，即隨著海拔高度的增加，氣孔密度逐漸增加，上表皮的氣孔密度<下表皮的氣孔密度。

2.3 全緣葉綠絨蒿葉片的表皮細胞特征與海拔高度的關(guān)系

隨著海拔高度增加，葉片的上、下表皮細胞形狀、大小及垂周壁式樣均發(fā)生明顯變化(圖1，表3)。在海拔4000 m以下，葉片的上、下表皮細胞呈無規(guī)則形，垂周壁呈波狀；在海拔4 000 m以上，葉片的上、下表皮細胞呈多邊形，垂周壁呈弓形或平直；并且隨著海拔高度增加，葉片的上、下表皮細胞逐漸演變至近圓形，垂周壁逐漸演變成圓弧形。研究結(jié)果還顯示，葉片表皮細胞的各特征參數(shù)也隨海拔高度增加也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化，即上表皮細胞長度<下表皮細胞長度，上表皮細胞寬度﹤下表皮細胞寬度，上表皮細胞面積>下表皮細胞面積，上表皮細胞密度<下表皮細胞密度，上表皮細胞長度/細胞寬度<下表皮細胞長度/細胞寬度(表3)。此外，隨海拔高度增加，上、下表皮細胞長度、寬度和面積的變化趨勢與氣孔長度、寬度和面積的變化情況相一致。

表3 不同海拔高度下全緣葉綠絨蒿葉表皮細胞變化特征

3 討論

青藏高原是綠絨蒿屬植物的集中分布區(qū)，其總量占綠絨蒿屬植物的15%左右[1]，全緣葉綠絨蒿是綠絨蒿屬的一個種。青藏高原生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，氣候多變，空氣稀薄、O2和CO2分壓低，太陽輻射量大、短波輻射(紫外線)強，勁風(fēng)頻發(fā)，晝夜溫差大、氣候寒冷，降水量少，大氣及土壤干旱嚴(yán)重[26]，而這些環(huán)境因子很大程度隨海拔高度的變化而隨之發(fā)生變化。海拔劇變對這些環(huán)境因子的綜合作用必然會對植物的分布、生長及發(fā)育產(chǎn)生一定的影響。葉片是植物進化過程中對環(huán)境變化較敏感，而且是可塑性較大的器官，對環(huán)境的反應(yīng)通常較多的反映在葉片的表觀特征及解剖結(jié)構(gòu)上，其中解剖結(jié)構(gòu)及微觀特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物對環(huán)境因子的響應(yīng)[27～29]。

本研究結(jié)果表明，隨著海拔高度的增加，全緣葉綠絨蒿葉片上、下表皮毛的密度逐漸增加，這與段喜華等[30]對不同海拔泡沙參(Adenophorapotaninii)的研究結(jié)果相似。表皮毛增加了植物表皮厚度，為植物提供了一道天然的物理屏障，減輕生物和非生物脅迫對植物的傷害[31]。表皮毛的密度增大，減少了高海拔強氣流對氣孔的影響，降低蒸騰，同時有效防止強光直射對植物的傷害。隨著海拔增加，葉片的上、下表皮毛密度逐漸增加，這是植物對高山環(huán)境中的強輻射以及寒冷氣候的適應(yīng)性表現(xiàn)。

本研究中，總體上葉片上、下表皮氣孔大小參數(shù)隨海拔升高而逐漸減小，氣孔密度逐漸增加，但有在海拔3 870 m處出現(xiàn)折點的現(xiàn)象。一般情況下，隨海拔上升CO2分壓降低，在低CO2分壓下，氣孔密度會升高，增加氣孔吸收CO2面積，從而保證光合作用的進行[32]。在3 870 m出現(xiàn)折點，可能是因為在增強氣孔吸收面積的同時，增強了水分蒸發(fā)，這在高海拔的低溫、大風(fēng)環(huán)境中更易造成植物的“生理干旱”[33]，因而氣孔特征參數(shù)出現(xiàn)折點，這與李芳蘭[27]、賀金生[28]、馬書榮等[34]的研究結(jié)論一致。然而，也有研究表明蒲公英和美麗風(fēng)毛菊的上、下表皮氣孔密度則隨海拔的增加而降低[23]，這可能是不同植物對環(huán)境因子的敏感性不同所致，這兩種植物對環(huán)境變化十分敏感，海拔高度增加，氣溫下降，植物通過降低氣孔密度來適應(yīng)低溫環(huán)境[35]。

圖1 光鏡下全緣葉綠絨蒿葉片表皮顯微結(jié)構(gòu) 圖1、3、5、7、9分別表示海拔3 550、3 870、4 064、4 450、4 800 m時的全緣葉綠絨蒿上表皮顯微結(jié)構(gòu)；圖2、4、6、8、10分別表示海拔3 550、3 870、4 064、4 450、4 800 m時的全緣葉綠絨蒿下表皮顯微結(jié)構(gòu)。Fig.1 Morphology of M.integrifolia leaf epidermis structure under LM Figure 1,3,5,7,9 represent upper leaf epidermis structure under altitude 3 550,3 870,4 064,4 450 and 4 800 m; Figure 2,4,6,8,10 represent lower leaf epidermis structure under altitude 3 550,3 870,4 064,4 450 and 4 800 m

本文對全緣葉綠絨蒿葉片上、下表皮細胞的大小及密度變化進行了觀測和分析，其變化趨勢與氣孔特征參數(shù)的變化趨勢基本一致。前人曾對不同海拔下全緣葉綠絨蒿的葉片表皮厚度進行了觀測，結(jié)果表明葉表皮細胞厚度隨海拔的升高而減小[9]，但沒有對葉片表皮細胞面積和密度進行觀測。本研究發(fā)現(xiàn)葉片上、下表皮細胞的大小總體上隨海拔增高而減小，這可能是受高海拔環(huán)境脅迫，表皮細胞控水能力受阻，根系吸收的水分不能滿足蒸騰散失的水分，導(dǎo)致植物缺水，出現(xiàn)“生理饑渴”，為了適應(yīng)這種情況，葉片會發(fā)生表皮細胞變小，細胞壁加厚，角質(zhì)膜增厚等變化[36]。盡管環(huán)境因子變化對葉表皮細胞的影響研究報道較少，但通過對不同海拔全緣葉綠絨蒿表皮細胞特征變化規(guī)律的研究，可對于以后的研究提供借鑒。

本文通過對青藏高原5個不同海拔高度下全緣葉綠絨蒿葉片表皮毛、氣孔和表皮細胞特征變化規(guī)律的研究，對于揭示全緣葉綠絨蒿與生態(tài)適應(yīng)性之間的關(guān)系和對環(huán)境變化的響應(yīng)及其適應(yīng)機理奠定了一定的理論基礎(chǔ)，有助于對揭示該物種的生態(tài)演變及在未來氣候環(huán)境變化條件下的保護和開發(fā)應(yīng)用都具有重要意義。