基于葉片解剖結(jié)構(gòu)對(duì)灰楊不同發(fā)育階段的抗旱性評(píng)價(jià)

翟軍團(tuán) 韓曉莉 李志軍

(塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆阿拉爾843300)

在某種特定環(huán)境下長(zhǎng)期生長(zhǎng)的物種或種群，會(huì)有一些特征與之適應(yīng)，特別是葉片解剖性狀的某些定向改變［1-6］。生境變化常導(dǎo)致葉片柵欄組織、海綿組織等形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與適應(yīng)，如在長(zhǎng)期缺水條件下的植物，其葉片具有耐旱性形態(tài)結(jié)構(gòu)特征［7-10］。有研究表明，不同植物的抗旱結(jié)構(gòu)存在差異，如不同物種間或品種間葉的解剖結(jié)構(gòu)及其抗旱性有差異［11-19］，同一個(gè)物種在不同的生境條件下葉的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)及其抗旱性也存在明顯差異［20-22］，即使同一物種不同發(fā)育階段葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)也有較明顯的變化［23］。

異形葉性是植物對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)過(guò)程中積累形成的一種遺傳機(jī)制，并且反映出了葉片對(duì)于環(huán)境改變有著較大的可塑性和變異性［24-25］。有研究表明，臭柏通過(guò)鱗葉將水分生理最優(yōu)化的同時(shí)，也通過(guò)刺葉將光合生理最優(yōu)化，兩種葉形協(xié)調(diào)合作，維持了正常的代謝和生長(zhǎng)，使臭柏在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程中，形成多變的、可調(diào)節(jié)的適應(yīng)各種水分和光照環(huán)境的能力［26-27］。胡楊具有異形葉性，同一個(gè)體上從披針形葉到闊卵形葉，葉片表皮細(xì)胞層數(shù)增多，葉肉細(xì)胞排列更緊密［28］；柵欄組織趨于發(fā)達(dá)，海綿組織減少，角質(zhì)層加厚，氣孔下陷，線粒體逐漸增多［29］；葉綠體的形狀由規(guī)則的紡錘形逐漸變?yōu)椴灰?guī)則的圓形或橢圓形，淀粉含量變少，葉脈中維管組織趨于發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)上明顯趨于旱生結(jié)構(gòu)［28-30］，闊卵形葉較卵形、披針形葉的旱生結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)［31］；在不同的發(fā)育階段，胡楊異形葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)存在顯著差異［32］。

灰楊（也稱灰胡楊、灰葉胡楊）與胡楊同為楊柳科楊屬胡楊派植物，與胡楊相似也具有異形葉性的生物學(xué)特點(diǎn)［33-34］?；覘钣字耆~為長(zhǎng)橢圓形，成年植株樹(shù)冠上有圓形葉、闊卵形葉，不同形態(tài)的異形葉是依次出現(xiàn)在灰楊的不同發(fā)育階段［35］。但目前，灰楊異形葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)是否隨個(gè)體發(fā)育階段而變化，而這種變化與灰楊發(fā)育階段的抗旱性有什么關(guān)系，目前尚不明晰。葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)是其功能的基礎(chǔ)，葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化必然影響其生理生態(tài)功能的改變。因此，研究灰楊不同發(fā)育階段異形葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特征，有助于揭示其不同發(fā)育階段異形葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生態(tài)功能對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。本研究選擇生長(zhǎng)在同一生態(tài)環(huán)境條件下不同發(fā)育階段（樹(shù)齡）的灰楊為研究對(duì)象，研究灰楊不同發(fā)育階段異形葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及其與抗旱性的關(guān)系，為進(jìn)一步揭示灰楊個(gè)體發(fā)育過(guò)程對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆塔里木盆地西北緣（81°17'56.52″E，40°32'36.90″N）。研究區(qū)氣候炎熱干燥，多年平均降雨量?jī)H50 mm 左右，潛在蒸發(fā)量可達(dá)1900 mm，年均氣溫10.8 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2900 h，是典型的溫帶荒漠氣候。研究區(qū)人工灰楊林面積180. 6公頃，株行距1.20 m×4.20 m，平均樹(shù)高6.41 m。林內(nèi)有不同發(fā)育階段（不同樹(shù)齡）的灰楊301株。

1.2 研究材料

徑階劃分及樣株確定：以不同徑階的灰楊代表灰楊不同的發(fā)育階段。以胸徑2 cm 為階距進(jìn)行整化，起始徑階為2 cm。研究區(qū)內(nèi)301株灰楊共劃分出9個(gè)徑階（分為2徑階、4徑階、6徑階、8徑階、10徑階、12 徑階、14 徑階、16 徑階、18 徑階），代表了灰楊9 個(gè)發(fā)育階段。

表1 灰楊各徑階樣本數(shù)及樣株基本信息

于灰楊葉片發(fā)育成熟時(shí)期，在樣株樹(shù)冠5個(gè)層次（以全站儀測(cè)量各徑階樣株樹(shù)高和枝下高，計(jì)算冠高，并將冠高5 等分，定義樹(shù)冠由基部向頂部方向劃分的5等分依次為樹(shù)冠第1層、第2層、第3層、第4層和第5 層。）的中央位置，按東、西、南、北方位各隨機(jī)采取1 個(gè)當(dāng)年生枝條，每一棵樣株共采集20 個(gè)枝條。選取每個(gè)枝條基部開(kāi)始的第3個(gè)葉片為樣葉，每一個(gè)層次4 個(gè)葉片，每顆樣株共計(jì)20 個(gè)葉片，用于制作葉片組織切片。

1.3 測(cè)定方法

從葉片最寬處橫切取材（保留主脈部分）以FAA液固定保存。利用常規(guī)石蠟制片技術(shù)制作組織切片，切片厚度8μm，番紅固綠雙重染色，中性樹(shù)脂封片。在Leica 顯微鏡下觀察測(cè)量表皮組織、柵欄組織及海綿組織結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算柵/海比、葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度、葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度［36-38］。每切片觀測(cè)5 個(gè)視野，每視野觀測(cè)20 個(gè)值，取5 個(gè)視野葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值為每葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)值。按照下列公式計(jì)算［27,39-40］柵/海比、葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度、葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度：

柵/海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度

葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度=（柵欄組織厚度/葉片厚度）×100%

葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度=（海綿組織厚度/葉片厚度）×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

（1）樹(shù)冠每層次葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值：分別為每層次4個(gè)葉片（東、南、西、北方位）的解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)的平均值。

（2）各樣株葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值：為樣株樹(shù)冠5個(gè)層次葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值的平均值。

（3）各徑階葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值：為各徑階3棵樣株葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值的平均值。

采用SPSS17. 0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，其中差異性顯著水平設(shè)定為α=0. 05；用Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)各指標(biāo)間相關(guān)性。

1.5 隸屬函數(shù)計(jì)算方法

如果某一指標(biāo)與抗旱性成正相關(guān)，則公式為：X(U)＝（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）；如果某一指標(biāo)與抗旱性成負(fù)相關(guān)，則公式為：X(U)＝1-（XXmin）/（Xmax-Xmin）式中X為參試徑階某一指標(biāo)的測(cè)定值，Xmin為某一指標(biāo)測(cè)定值中的最小值；Xmax為某一指標(biāo)的最大值。

2 結(jié)果分析

2.1 灰楊不同徑階異形葉解剖結(jié)構(gòu)的比較

對(duì)灰楊各徑階異形葉最寬處橫切面表皮組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。如圖1 所示，隨著徑階增加，灰楊葉片上/下表皮細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞寬度逐漸增加，上、下表皮細(xì)胞長(zhǎng)度變化不明顯。方差分析顯示，上、下表皮細(xì)胞寬度和表皮細(xì)胞數(shù)在2～18 徑階存在“階梯式”差異。結(jié)果表明，灰楊異形葉葉片最寬處橫切面表皮細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞寬度隨徑階增加表現(xiàn)出差異。

圖1 灰楊葉片表皮組織解剖結(jié)構(gòu)隨徑階增加的變化規(guī)律

對(duì)灰楊各徑階異形葉葉片最寬處橫切面葉肉組織進(jìn)行觀測(cè)。圖2 顯示，隨徑階增加，灰楊異形葉柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)度、寬度變化不明顯，但柵欄組織細(xì)胞數(shù)、柵欄組織厚度、葉片厚度逐漸增加，海綿組織厚度逐漸減少。方差分析顯示，柵欄組織細(xì)胞數(shù)、柵欄組織厚度和海綿組織厚度、葉片厚度在2～18 徑階存在“階梯式”差異。結(jié)果表明，隨著徑階增加，灰楊異形葉葉片越來(lái)越厚，柵欄組織越來(lái)越發(fā)達(dá)，而海綿組織則越來(lái)越退化。

圖2 灰楊異形葉葉肉組織解剖結(jié)構(gòu)隨徑階增加的變化規(guī)律

圖3 顯示，灰楊葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度隨徑階增加變化不明顯；葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度隨徑階增加呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。圖4 顯示，灰楊異形葉柵/海比隨著徑階增加而增大，不同徑階間差異顯著。此外，在各徑階、以及同一徑階樹(shù)冠的不同垂直空間柵/海比都大于1，表明灰楊的抗旱性結(jié)構(gòu)特征隨著發(fā)育階段不斷增強(qiáng)。

圖3 灰楊葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度和疏密度隨徑階增加的變化規(guī)律

圖4 灰楊異形葉柵/海比隨徑階增加的變化規(guī)律

表2 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)與胸徑的相關(guān)系數(shù)

2.2 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)與胸徑的關(guān)系

表2顯示，灰楊表皮細(xì)胞數(shù)、表皮細(xì)胞長(zhǎng)、柵欄組織細(xì)胞寬度、柵欄組織厚度、柵欄組織細(xì)胞數(shù)與胸徑呈極顯著正相關(guān)（P＜0. 01）；海綿組織厚度與胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），表明葉片最寬處橫切面表皮細(xì)胞數(shù)、表皮細(xì)胞長(zhǎng)度和柵欄組織厚度隨胸徑增加而增加，海綿組織厚度隨胸徑增加而減少。結(jié)果表明，灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)的變化與胸徑變化密切相關(guān)，即與個(gè)體發(fā)育階段變化密切相關(guān)?；覘钊~片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)間也存在極顯著/顯著正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明灰楊異形葉葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)間存在協(xié)同變化關(guān)系。

2.3 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)主成分分析

葉片解剖結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)能夠反映植物為更好的適應(yīng)環(huán)境所變現(xiàn)出來(lái)的可塑性，高的葉片解剖結(jié)構(gòu)變異系數(shù)反映了該結(jié)構(gòu)對(duì)植物適應(yīng)環(huán)境有較強(qiáng)的作用?；覘町愋稳~解剖結(jié)構(gòu)性狀在各徑階的變異系數(shù)如表3。結(jié)果表明，在各徑階，葉片解剖結(jié)構(gòu)性狀中變異系數(shù)最大的均是柵欄組織細(xì)胞數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)；其次是柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)度。

表3 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀在各徑階的變異系數(shù)（CV%）

本主成分的特征值和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，將灰楊9 個(gè)徑階的10 個(gè)與抗旱性有關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)性狀作為10 個(gè)主成分，各主成分的特征值見(jiàn)表4，前2 個(gè)主分量構(gòu)成的信息量占總信息量的84.331%。其中第1主成分特征值為4.558，貢獻(xiàn)率為63.711%，對(duì)第一主分量影響最大的解剖結(jié)構(gòu)性狀是表皮細(xì)胞數(shù)、柵欄組織細(xì)胞數(shù)、柵欄組織厚度、葉片厚度、柵/海比。第2 主成分特征值為1.725，對(duì)總變異的貢獻(xiàn)率為20.62%，對(duì)第二主分量影響最大的解剖結(jié)構(gòu)性狀是表皮細(xì)胞長(zhǎng)度、柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)度。綜合第1、2主成分，有4 個(gè)指標(biāo)都與柵欄組織相關(guān)。結(jié)果表明，葉片厚度、表皮細(xì)胞數(shù)、柵欄組織細(xì)胞數(shù)、柵欄組織厚度、表皮細(xì)胞長(zhǎng)度、柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)度、柵/海比是造成灰楊9 個(gè)徑階異形葉葉片解剖結(jié)構(gòu)差異的主要因素。

表4 灰楊2 ～18徑階異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀主成分分析

2.4 灰楊不同發(fā)育階段的抗旱性比較

在各徑階變異系數(shù)最大的均是柵欄組織細(xì)胞數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)；其次是柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)度。結(jié)合主成分分析結(jié)果，選取葉片厚度、表皮細(xì)胞數(shù)、柵欄組織細(xì)胞數(shù)、柵欄組織厚度、柵/海比5 個(gè)重要主成分作為灰楊抗旱性評(píng)價(jià)。對(duì)各個(gè)抗旱指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值采用隸屬函數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算。供試玉簪種質(zhì)資源抗旱性綜合評(píng)價(jià)的平均隸屬函數(shù)值及抗旱性大小排序如表5 所示?？购敌噪`屬函數(shù)值越大，說(shuō)明該徑階灰楊的抗旱性越強(qiáng)。從表5 可以看出，灰楊9 個(gè)徑階抗旱性由強(qiáng)到弱的排序依次為：18 徑階＞16 徑階＞12 徑階＞14 徑階＞10 徑階＞8 徑階＞6 徑階＞4徑階＞2 徑階。

表5 灰楊2 ～18徑階抗旱性指標(biāo)隸屬函數(shù)值

3 討論

葉片解剖結(jié)構(gòu)特征是響應(yīng)環(huán)境變化、反映植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的最重要的指標(biāo)［41-42］。已有的研究認(rèn)為，葉片和表皮系統(tǒng)越厚，表皮細(xì)胞越大，葉片的儲(chǔ)水、保水及抗旱能力越強(qiáng)［16,17,25,43］，在炎熱的環(huán)境下，水分散失越慢，可降低水分蒸騰速率及緩解高溫對(duì)葉片的傷害程度［18］；表皮細(xì)胞越長(zhǎng)，其控制水分的能力越強(qiáng)［2］，上表皮細(xì)胞的長(zhǎng)寬比、柵欄組織細(xì)胞的長(zhǎng)寬比則主要反映了植物對(duì)光照條件的適應(yīng)。葉片柵欄組織和海綿組織的分化程度受著環(huán)境水分的影響，干旱會(huì)使葉肉的柵欄組織發(fā)達(dá)，海綿組織簡(jiǎn)化。一般而言，柵欄組織越厚，葉片結(jié)構(gòu)緊實(shí)度越大，說(shuō)明葉肉細(xì)胞排列越緊密，這樣可避免強(qiáng)光的灼射［16］，利用衍射光進(jìn)行光合作用，這些都極大地提高光合速率，植株抗旱性越強(qiáng)［36］；海綿組織越厚，葉片疏松度越大，說(shuō)明葉肉細(xì)胞排列較疏松，葉片抗旱性越差［17,36］。我們的研究結(jié)果表明，灰楊異形葉橫切面最寬處上下表皮細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞長(zhǎng)、柵欄組織厚度、柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)和寬均隨胸徑增加逐漸增加，海綿組織厚度則隨胸徑增加而逐漸減少（圖1、圖2）。相關(guān)分析顯示，灰楊表皮細(xì)胞數(shù)、表皮細(xì)胞長(zhǎng)、柵欄組織細(xì)胞寬度、柵欄組織厚度、柵欄組織細(xì)胞數(shù)與胸徑呈極顯著正相關(guān)（P＜0. 01）；海綿組織厚度與胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)變化與個(gè)體發(fā)育階段密切相關(guān)?；覘町愋稳~葉片厚度及柵欄組織厚度隨個(gè)體發(fā)育階段越來(lái)越發(fā)達(dá)、海綿組織越來(lái)越退化的變化規(guī)律，從異形葉的解剖結(jié)構(gòu)反映了灰楊的抗旱性隨個(gè)體發(fā)育階段不斷增強(qiáng)。這一結(jié)果同趙鵬宇等［32］對(duì)胡楊不同發(fā)育階段異形葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)與個(gè)體發(fā)育階段關(guān)系研究所得到的結(jié)果相似。

Levitt（1980）認(rèn)為，柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值是評(píng)價(jià)植物控制蒸騰失水的重要指標(biāo)之一，柵欄組織和海綿組織厚度、細(xì)胞層數(shù)及柵欄細(xì)胞的形態(tài)變化等組合的差異，必然影響到葉綠體的分布和光合作用的效率，增加了受光面積，從而體現(xiàn)出植物對(duì)光照條件變化的適應(yīng)。通常認(rèn)為柵/海比大于1 的植物具有較好的抗寒抗旱性［19］，柵/海比越大，其耐寒耐旱性越強(qiáng)［12,27］。而且我們的研究結(jié)果表明，灰楊異形葉柵/海比在各徑階都大于1，且隨徑階增加逐漸增大，說(shuō)明灰楊的抗旱性隨徑階增加逐漸增強(qiáng)。作為葉片柵欄組織、海綿組織與葉片厚度之間關(guān)系的重要指標(biāo)，葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度越大抗旱能力越強(qiáng)，而葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度越大，抗旱能力越弱［22］?；覘钊~片組織結(jié)構(gòu)緊密度隨徑階增加而增加，葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度則隨胸徑的增加而減小，這兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)的變化也進(jìn)一步說(shuō)明說(shuō)明灰楊的抗旱性隨徑階增加逐漸增強(qiáng)。

基于灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)并通過(guò)隸屬函數(shù)分析綜合評(píng)價(jià)了灰楊不同發(fā)育階段抗旱性強(qiáng)弱，得出9個(gè)徑階抗旱性由強(qiáng)到弱依次為：18 徑階＞16 徑階＞12 徑階＞14 徑階＞10 徑階＞8 徑階＞6 徑階＞4 徑階＞2 徑階。這與灰楊異形葉抗旱結(jié)構(gòu)特征隨發(fā)育階段變化而更加明顯的結(jié)果是一致的。很顯然，灰楊在個(gè)體發(fā)育過(guò)程，通過(guò)出現(xiàn)葉面積和葉片厚度越來(lái)越大的異形葉，及其解剖結(jié)構(gòu)上柵欄組織越來(lái)越發(fā)達(dá)而海綿組織越來(lái)越簡(jiǎn)化的協(xié)同變化，逐步獲得其適應(yīng)干旱脅迫的能力，這是灰楊滿足其生長(zhǎng)發(fā)育需求并長(zhǎng)期適應(yīng)干旱環(huán)境的結(jié)果。