8種禾本科觀賞草葉片解剖學特征的描述及其適應性分析

張詠梅，白小明，田彥鋒, 龔良建

(1.甘肅農業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；3.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 4.中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；5.甘肅農業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

觀賞草是近幾年興起的一類具有觀賞價值的草本植物，以多年生禾本科植物為主，常見的還有莎草科、帚燈草科、燈心草科、天南星科、香蒲科、木賊科等的植物[1]。觀賞草以葉叢或花序作為主要觀賞部位，莖稈優(yōu)美，葉色斑斕，花序繽紛，植株隨風飄逸，能夠增加紋理、對比、顏色和全年的景觀價值，擴展了設計師的植物調色板[2]。像許多高矮不一的灌木一樣，無須刈剪，可用作主景、綠籬及地被等[3]。觀賞草具有抗逆性強、管理粗放、應用形式多樣、觀賞價值較高、養(yǎng)護成本低廉等優(yōu)點[4]，作為一種新型的、重要的景觀綠化材料日益被重視。此外，蔓延性很強的觀賞草也是坡面綠化的理想植物，一方面，它可以迅速覆蓋坡面從而有效控制坡面的水土流失；另一方面，坡地也是觀賞草充分展示其優(yōu)雅的外觀、搖曳的葉片或花序的理想場所。因此，觀賞草既豐富了園林配置素材，增加了城市園林景觀的生物多樣性，又是鐵路、公路、坡地水土保持、美化綠化造景的先鋒植物，具有良好的觀賞性和生態(tài)適應性[5-6]。隨著近年來中國城鎮(zhèn)化率的提高，人們對生態(tài)環(huán)境文明建設的追求，環(huán)境的綠化美化，園林景觀、藝術造景具有廣闊前景。西北黃土高原地形地貌復雜多樣，由黃土塬、川、溝壑、山、梁、峁、坪等地貌組成，黃土質地疏松，顆粒細小，且具垂直節(jié)理，易遭受侵蝕，是世界上水土流失最嚴重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一[7]。此處地處半干旱、半濕潤地區(qū)，屬大陸性氣候，夏季高溫，全年少雨，氣候干燥，且年溫差大。芨芨草(Achnatherum)、畫眉草(EragrostispilosaL. ‘Beauv’)、冰草(Agropyron)及芒屬禾本科觀賞草具有適應性強，管理粗放，成本低等等諸多優(yōu)點，且觀賞草粗獷的特點，不似花朵般的嬌艷欲滴，符合大西北豪邁的氣質。

觀賞草普遍生態(tài)適應性強。斑葉芒(Miscanthussinensis‘Zebrinus’)抗旱，葉片條形，綠色含黃色橫向不規(guī)則斑馬條紋，具有很強的觀賞性[8-9]。畫眉草是禾本科畫眉草屬多年生草本植物，適應性強，對氣候和土壤要求均不嚴，對高溫和干旱均有不俗的表現(xiàn)[10]。冰草適應半潮濕到干旱的氣候，生長在干旱草原或荒漠草原。天然生冰草很少形成單純的植被，常與其他禾本科草、苔草、非禾本科植物以及灌木混生，生于干燥草地、山坡、丘陵以及沙地[11]。藍莖冰草(Agropyronsmithii)性狀獨特，抗旱性和擴展性很強，具有牧草、草坪草和生態(tài)草的顯著特點，是一種多功能、多用途的優(yōu)良草種[12]。芨芨草是禾本科芨芨草屬多年生草本植物，分布廣泛，從海拔120 m的雀麥芨芨草(A.bromoides(L.) Nevski)到4 600 m的干生芨芨草(A.jacquemontii(Jaub. Et Spach) P. C. Kuo et S. L. Lu.)和藏芨芨草(A.duthiei(Hook. f.) P. C. Kuo et S. L. Lu.)[13]，均能發(fā)現(xiàn)芨芨草屬植物的身影，適應性極強。柳枝稷(Panicumvirgatum)是禾本科黍屬多年生草本植物，具有適應性強，產草量高和易于管理等特性；耐寒、耐旱、耐澇、耐貧瘠[14]，其根系入土尤其深，在適宜的土壤條件下根長可達18 m以上，是重要的水土保持植物和牧草。大量研究資料表明，觀賞草多具有廣泛的環(huán)境適應性。

植物形態(tài)結構能反映外界環(huán)境因子對植物的影響，以及植物自身對環(huán)境的適應[15-16]。葉片是植物進行光合作用[17]、蒸騰作用以及呼吸作用等生理代謝活動的重要器官[18]，其直接暴露在空氣中，是受環(huán)境影響最大，也是對不同環(huán)境反應最敏感的器官。葉片在不同的環(huán)境中可以形成各種適應類型，主要體現(xiàn)在葉片形態(tài)學和解剖結構的綜合性狀差異上[19-21]。因此，了解植物葉片形態(tài)解剖結構是探索植物對環(huán)境變化和環(huán)境適應的基礎，具有重要的理論和實踐意義。

本研究所選觀賞草多具有較強抗逆性及較高觀賞性，了解其葉片各組織的解剖結構與其功能相適應的解剖特征，探索它們對環(huán)境變化的適應機制和適應不同環(huán)境的相應策略，以期為加快觀賞草的引種、豐富北方地區(qū)園林植物材料種類和園林景觀配置、提升綠化景觀多樣性提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與方法

試驗所用花葉芒(M.sinensis‘Variegatus’)、斑葉芒、纖細芒(M.sinensis‘Gracilimus’)、金酒吧芒(M.sinensis‘Gold Bar’)、芨芨草、畫眉草、藍莖冰草、柳枝稷8種禾本科觀賞草均購自北京野草之美園林綠化有限公司，種植于甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院草坪實訓基地。適應基地環(huán)境生長至少4年?；厮诘靥m州市位于隴西黃土高原的西部，北緯36°05′，東經(jīng)103°42′，是青藏高原向黃土高原的過渡地區(qū)。境內大部分地區(qū)為海拔1 500～2 500 m、黃土覆蓋的丘陵和盆地。屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.3℃，年平均日照時數(shù)2 446 h，無霜期180 d，年平均降水量327 mm。這幾種觀賞草在蘭州地區(qū)生長狀況良好，可露天正常越冬。

2017年10月23日上午10:00-11:00采集1 cm長的葉段快速放置于FAA混合固定液(福爾馬林∶冰醋酸∶70%乙醇=5∶5∶90)中。真空抽氣30～40 min，以保證固定液充分浸泡材料并迅速殺死細胞，防止細胞自溶，保存完整的細胞結構。

表1 觀賞草材料屬、科名

1.2 切片制作方法

參考Zhang[20]方法，按常規(guī)石蠟切片程序制片：70%乙醇洗滌2～3次至材料不含冰乙酸氣味；85%，90%，95%(含1%伊紅)(方便包埋時辨認材料)、無水乙醇、無水乙醇梯度脫水，每次2 h；通風櫥中以二甲苯透明；浸蠟，由于植物材料致密以純蠟更換4次，每次6～8h；包埋。Leica RM2265旋轉切片機(德國)切片，切片厚度分別為6 μm，8 μm及10 μm；充分烤片至少72 h；番紅-固綠雙染；中性樹膠封片。Olympus BX-61正置萬能顯微鏡(日本)下對切片進行觀察并拍照。

2 結果與分析

2.1 畫眉草葉片解剖結構

畫眉草葉片結構接近于中生環(huán)境生長的禾草，由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成(圖1)。葉片近軸面的上表皮細胞具有肋狀突起，頂部呈圓弧形；遠軸面的下表皮細胞則較為平直，且下表皮細胞角質層厚于上表皮細胞(圖1C，D)；肋狀突起下是發(fā)達的維管系統(tǒng)——葉脈。畫眉草維管組織十分發(fā)達，平行葉脈大小稍有差異，大葉脈的維管束鞘靠下表皮處為厚壁細胞所隔，呈非閉合形；小葉脈的維管束鞘為閉合形。每2個大葉脈之間相間3個小葉脈，大葉脈上下方，有成群的厚壁組織與表皮相接，將葉肉細胞隔開(圖1C，D)。葉肉細胞無柵欄細胞和海綿細胞的分化，分布于葉脈兩側，葉肉細胞為不規(guī)則形，緊密排列，細胞間隙小，內含2～5個體積較小的葉綠體。肋狀突起之間的凹陷處是1～2個大的泡狀細胞，以及2～4個小泡狀細胞?；ōh(huán)狀的單層薄壁細胞組成維管束鞘，維管束鞘中含有體積較大的葉綠體。畫眉草是典型的C4植物，整個葉片中部的主脈外突，較厚，結構更像半個莖，1大1小葉脈相間排列于外側，內部由薄壁細胞組成髓(圖1B)。

圖1 畫眉草葉片解剖結構

2.2 芒屬觀賞草葉片解剖結構

禾本科芒屬植物是觀賞草中重要的利用類型?；ㄈ~芒、斑葉芒、纖細芒、金酒吧芒等芒屬觀賞草株型優(yōu)美，葉色斑斕，鳳尾形花序隨風搖曳，極具觀賞性。

對花葉芒葉片橫切面進行觀察發(fā)現(xiàn)，其葉片結構與畫眉草結構相似，各結構在細節(jié)上又有所不同。由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成(圖2)。上、下表皮細胞平行排列，僅在大葉脈處略有突起。上表皮細胞圓角矩形，表面光滑，覆蓋有角質層；而下表皮細胞呈卵圓形或矩圓形，且下表皮表面有角質化的乳突，表面凹凸不平(圖2A，C，D)。維管系統(tǒng)也較發(fā)達，葉脈發(fā)育大小不一，有大、中、小之分。每2個大葉脈之間相間3～5個中、小葉脈。不規(guī)則形泡狀細胞多個，分布于小葉脈之上或較大葉脈兩側(圖2C，D)。葉肉細胞無分化，排列緊密。與花葉芒葉色白綠相間相一致，在白色條紋處，葉肉細胞中無葉綠體，質體為白色體；相反綠色條紋處，葉內細胞含有豐富的葉綠體。

對纖細芒、斑葉芒、金酒吧芒和花葉芒的葉解剖結構觀察發(fā)現(xiàn)，芒屬為C4植物。在此主要展示了花葉芒葉片剖面結構。纖細芒、斑葉芒、金酒吧芒與花葉芒結構差異不大。只是花環(huán)狀的維管束鞘在白色條或斑紋處含白色體，在綠紋或綠斑處含有濃綠的葉綠體。整個葉片的中脈結構類似于畫眉草葉中脈，只是大葉脈間相間3個小葉脈排列于外側(圖2B)，大量髓細胞有利于水分貯存。

圖2 芒屬觀賞草葉片解剖結構

2.3 芨芨草葉片解剖結構

芨芨草葉片結構具有典型的旱生植物葉片特點。葉片也由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成，葉脈向近軸面強烈突起，大葉脈與小葉脈尺寸差異巨大(圖3A，C)。上表皮細胞由長細胞和短細胞組成，短細胞含有硅質向外突出形成剛毛或乳突；下表皮細胞近圓形，大小較一致；上、下表皮外均被角質膜。葉肉細胞排列緊致，但細胞間有部分氣腔存在，且靠近表皮的葉肉細胞含葉綠體豐富，而近葉脈處含葉綠體少(圖3B)。平行葉脈，一大一小相間；大葉脈之下有厚壁細胞與下表皮細胞相連，大葉脈之上有薄壁細胞及厚壁細胞與上表皮細胞相連，將葉肉細胞分隔在葉脈兩側，厚壁細胞似帽形保護在薄壁細胞和葉肉細胞上面。小葉脈組成結構與大葉脈類似，只是形態(tài)分化不如大葉脈明顯(圖3C)。大、小葉脈間有大型的泡狀細胞，在水分供應不足時有利于葉片縱卷成筒狀。葉脈有雙層維管束鞘，外層薄層細胞較大，內層厚壁細胞較小且胞壁內側向加厚，維管束鞘細胞內無葉綠體存在，芨芨草是典型的C3植物。

2.4 藍莖冰草葉片解剖結構

藍莖冰草葉片呈月芽形，兩頭葉緣處，葉片漸尖(圖4A)。由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成，葉脈向近軸面方向強烈突起，大葉脈與小葉脈尺寸差異巨大。上、下表皮細胞圓形或卵圓形，大小較一致；上、下表皮外均被角質膜。平行葉脈，一大一小葉脈相間排列。大葉脈之下由薄壁細胞逐漸過渡為厚壁細胞與下表皮相連；而大葉脈上由薄壁細胞與上表皮相連。葉肉細胞呈不規(guī)則形，含有豐富的葉綠體，分布在大葉脈兩側(圖4B，C)。藍莖冰草與芨芨草最大的不同之處在于：大、小葉脈間無泡狀細胞存在；葉肉細胞間隙巨大，形成體積驚人的氣腔(圖4B)。這可能是兩種植物能夠適應不同生境的關鍵所在。葉脈2層維管束鞘，外圈環(huán)繞著較大的薄壁細胞，內圈維管束鞘細胞壁內側向加厚，2層維管束鞘細胞內無葉綠體存在，藍莖冰草是典型的C3植物。

圖3 芨芨草葉片解剖結構

圖4 藍莖冰草葉片解剖結構

2.5 柳枝稷葉片解剖結構

柳枝稷葉片橫切面酷似串珠，等面葉對稱(圖5B，C)。由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成。上、下表皮細胞較大，矩圓形或圓形，表皮外被厚的角質層。葉脈向兩面外突，難以區(qū)分葉片的近、遠軸面。維管組織十分發(fā)達，平行葉脈無大小之分。單層薄壁細胞6～8個合圍形成花環(huán)狀維管束鞘，鞘細胞內含有濃綠的大型葉綠體。因此，柳枝稷具有典型的C4植物特征。葉肉細胞小，內含葉綠體也小，緊密圍繞在維管束花環(huán)結構之外，表皮細胞之間。兩葉脈間有不含葉綠體的薄壁細胞，將相鄰兩葉脈及其外環(huán)繞的葉肉細胞隔開。兩突起葉脈間的凹陷外有泡狀細胞存在。中脈部位的葉脈之上有髓細胞(圖5A)。

3 討論

3.1 葉片角質層結構與適應性

表皮細胞和角質層都屬于保護組織，對葉片有保護作用。角質層是一種完全由表皮細胞合成的脂類和碳水化合物的聚合物[22]，浸潤著可溶性蠟，覆蓋在陸生維管植物主要器官的外表面[23]，形成一個連貫的外保護膜。表皮細胞無色透明有利于透光；角質層不透水有利于葉片防止水分損失。干旱生境下，葉表面氣孔閉合，表皮角質層蒸騰成為植物水分散失的主要途徑[24]。較厚的角質層是植物控制水分蒸發(fā)的天然物理屏障，可以防止高溫干旱環(huán)境下葉片內水分的過度散失[24]，以維持葉的正常生理需要。此外，角質層還可以提高葉片表面的反射率，防止強光照對葉片內部細胞的傷害，保證光合作用的正常進行[25]。角質層的蠟膜還有防御功能，形成物理屏障以抵抗病毒、細菌和真菌浸染[26]。畫眉草、柳枝稷、芨芨草、芒屬觀賞草表皮細胞外覆蓋有較厚的角質層，可能對干旱和強光照環(huán)境具有較強的適應性，具有一定的抗病性。

圖5 柳枝稷葉片解剖結構

3.2 葉片表面的泡狀細胞與適應性

表皮層分布有泡狀細胞是旱生卷葉植物最大的旱生特點。泡狀細胞，又稱運動細胞，是一種大型的、空心、無色的薄壁細胞，多成群分布在許多單子葉植物的上表皮細胞，相鄰兩葉脈之間，或中脈之上[27]。其長軸與葉脈平行，中間的細胞大而厚，兩旁的小而薄，不含或少含葉綠體。當水分供應不足時，泡狀細胞首先失水收縮，使葉片卷曲，通過減小有效葉面積，降低蒸騰作用，減輕葉片的能量負荷，并增加水分利用效率；當水分供應充足時，泡狀細胞充水，又使葉片展平[27-28]。葉片卷曲是禾本科和莎草科植物中常見的一種對干旱脅迫的生理生態(tài)反應現(xiàn)象[28]，泡狀細胞通過吸水與失水過程調節(jié)葉片卷曲程度，從而調節(jié)植物的水分平衡。芒屬多種觀賞草、柳枝稷和芨芨草葉片有泡狀細胞間隔分布在表皮層，對干旱生境具有一定的適應性。尤其是芨芨草泡狀細胞結合大、小葉脈相間排列，干旱缺水時葉片可卷成筒狀大大地減少了葉片的蒸騰面積。

3.3 葉片維管束鞘結構差異與適應性

畫眉草、柳枝稷和芒屬觀賞草的葉脈外有單層花環(huán)狀維管束鞘細胞包圍，維管束鞘細胞內含有大而多的葉綠體，可以進行光合作用，是典型的C4植物。眾所周知，C4植物光合作用既有C4途徑，又有C3途徑參與。C4植物利用強日光下產生的ATP推動兩種葉綠體采用不同的途徑共同完成CO2的固定。同C3途徑中有關的酶與CO2的親和力相比，C4途徑中PEP與CO2的親和力約高60倍，意味著C4植物可以利用大氣中濃度很低的CO2。C4光合作用較C3光合作用在高光強、高溫和水分供應受限的情況下表現(xiàn)出更強的優(yōu)勢[29-31]。因此，畫眉草、柳枝稷和芒屬觀賞草在強光、高溫或干旱逆境環(huán)境表現(xiàn)更為卓越。然而，由于C4光合作用(2個額外的ATP/CO2固定)比傳統(tǒng)C3途徑更高的內在能量需求，可能導致C4植物在低光強下的光利用效率降低[32-33]。因此，在利用這些C4型觀賞草造景時，應注意避免將其配置在林下或陰蔽的弱光環(huán)境，或冷涼的氣候條件下[34]，光照較弱則株型開張、松散，易倒伏從而影響景觀效果。

另外，畫眉草和柳枝稷葉脈密度很高，光合能力極強，具有較高的能量轉化效率和經(jīng)濟效益。尤其柳枝稷因其優(yōu)越的生長特性被美國能源部和農業(yè)部作為纖維素乙醇轉化模式植物[14]，作為觀賞草以其良好的環(huán)境適應性，耐貧瘠和多年生的特點，配置在公路、鐵路或荒地具有顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

4 結論

畫眉草、柳枝稷、芨芨草、芒屬4種觀賞草具有一般單子葉植物葉片結構的特點，且表皮細胞外的角質層較厚，對干旱和強光照環(huán)境具有一定的適應性。畫眉草、芒屬、柳枝稷維管束鞘細胞中含有豐富的大型葉綠體，是典型的C4植物；尤其是畫眉草和柳枝稷葉脈密度很高，光合能力極強。芨芨草和藍莖冰草為C3植物，葉肉細胞間氣腔發(fā)達，對濕生環(huán)境有相應的耐受性。芨芨草大、小葉脈尺寸相差巨大，大、小葉脈相間排列，具泡狀細胞，具有典型卷葉植物的特點，干旱缺水時葉片可卷成筒狀大大地減少了葉片的蒸騰面積。