17種錦雞兒屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)及抗旱性分析

馬紅英, 呂小旭, 計(jì)雅男, 李小偉

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 銀川 750021; 2.甘肅醫(yī)學(xué)院, 甘肅 平?jīng)?744000)

錦雞兒屬(CaraganaFabr.)是豆科蝶形花亞科灌木或小喬木。全世界約有100種，主要分布于亞洲和歐洲東部溫帶干旱和半干旱地區(qū)，約有66種分布于我國(guó)東北、華北、西北、西南各省區(qū)，是溫帶荒漠、半荒漠地區(qū)及亞熱帶高寒地區(qū)的主要建群種[1]，因此我國(guó)錦雞兒屬植物資源豐富。該屬中許多植物在我國(guó)被用于防風(fēng)固沙、水土保持、牲畜飼料以及生產(chǎn)燃料和纖維的生物資源,其中10余種被用在傳統(tǒng)中藥、蒙藥和藏藥中已有悠久的歷史，被認(rèn)為具有“滋陰，健脾，活血和促血”的功效[2]；錦雞兒屬植物根系發(fā)達(dá)，具根瘤，抗旱耐瘠，是水土保持和防風(fēng)固沙的優(yōu)良樹(shù)種[3]；在黃土高原地區(qū)進(jìn)行了大面積的推廣應(yīng)用，已證實(shí)在退化嚴(yán)重的半干旱和干旱地區(qū)，該屬植物對(duì)植被恢復(fù)具有重要的意義[4]。鑒于此，近年來(lái)，錦雞兒屬植物備受學(xué)者關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)錦雞兒屬植物的系統(tǒng)分類(lèi)與區(qū)系[5]、形態(tài)解剖[6-7]、遺傳與育種[8-9]和細(xì)胞與分子生物學(xué)[10]等方面進(jìn)行了報(bào)道。

干旱是影響植物正常生長(zhǎng)的主要因素之一[11-12]，植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)是形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理和生化等多方面綜合作用的結(jié)果,且形態(tài)結(jié)構(gòu)是植物生理生化反應(yīng)的基礎(chǔ)。而植物葉片直接暴露在外界環(huán)境中，對(duì)外界環(huán)境反應(yīng)最為敏感，其結(jié)構(gòu)特征能夠反映植物對(duì)水分的利用狀況，因此植物葉片、上下表皮、柵欄組織、海綿組織和主脈厚度能夠反映植物的抗旱特征。有研究表明：葉片厚度、柵欄組織厚度、主脈厚度和緊密度等與抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系；海綿組織厚度、疏松度等與抗旱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[13-14]。

本研究選取民勤沙生植物園和賀蘭山南寺17種錦雞兒屬植物葉片為試驗(yàn)材料，借助石蠟切片技術(shù)觀察葉片解剖結(jié)構(gòu)，綜合評(píng)價(jià)其抗旱特性，其研究結(jié)果對(duì)干旱、半干旱地區(qū)植被恢復(fù)樹(shù)種選擇具有指導(dǎo)意義，同時(shí)為錦雞兒屬植物資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料區(qū)概況

本研究所用材料取自甘肅民勤沙生植物園和內(nèi)蒙古賀蘭山南寺。民勤沙生植物園位于民勤縣騰格里沙漠西緣，氣候?qū)贉貛Т箨懶詷O干旱氣候，具有明顯的沙漠氣候特征，風(fēng)大沙多，降雨稀少，氣候干燥，日照強(qiáng)烈，年平均氣溫7.4℃，年平均降水量110 mm，年蒸發(fā)量2 500～2 700 mm，無(wú)霜期180 d左右；賀蘭山南寺位于巴彥浩特東南30 km處，氣候?qū)僦袦貛Ц珊档貐^(qū)，該地區(qū)干旱少雨，風(fēng)大沙多，日照強(qiáng)烈，蒸發(fā)量大，年平均降雨量200 mm，年蒸發(fā)量1 500～3 000 mm，無(wú)霜期145 d左右。

1.2 研究材料

采集的材料包括南口錦雞兒(C.zahlbruckneri)、狹葉錦雞兒(C.stenophylla)、甘蒙錦雞兒(C.opulens)、短腳錦雞兒(C.brachypoda)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyii)、邊塞錦雞兒(C.bongardiana)、樹(shù)錦雞兒(C.sibirica)、紅花錦雞兒(C.rosea)、黃刺條錦雞兒(C.frutex)、多刺錦雞兒(C.spinosa)、刺葉錦雞兒(C.acanthophylla)、灰毛小葉錦雞兒(C.microphylla)、檸條錦雞兒(C.korshinskii)、粉刺錦雞兒(C.pruinosa)、中間錦雞兒(C.intermedia)、鬼箭錦雞兒(C.jubata)和川西錦雞兒(C.erinacea)共17種(表1)。每種植物選取發(fā)育良好、有代表性的植株，選取其葉，每種錦雞兒采6株，共6次重復(fù)。于2018年6月采樣，經(jīng)FAA固定，采用石蠟切片法切片(取材、固定、脫水、透明、透蠟、包埋、切片、貼片、染色、封藏等步驟)制成永久制片，將制片置于Olympus顯微鏡下觀察、并用Motic Image Advanced 3.0軟件測(cè)量并進(jìn)行顯微照相，2018年10月完成測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

選擇葉片厚度、上表皮細(xì)胞厚度、下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、主脈厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊密度和葉片結(jié)構(gòu)疏松度共8項(xiàng)葉片抗旱性結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。柵/海=柵欄組織厚度/海綿組織厚度，組織結(jié)構(gòu)緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度，組織結(jié)構(gòu)疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度。Microsoft Excel 2010軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用SPSS 21.0軟件對(duì)葉片樣本進(jìn)行層次聚類(lèi)分析。

1.4 抗旱能力綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)值法綜合評(píng)價(jià)17種錦雞兒屬植物的抗旱性[15]。

R(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(i=1，2，3，…，n)

(1)

式中：Xi為指標(biāo)測(cè)定值；Ximax和Ximin分別為所有材料中同一指標(biāo)的最大值和最小值。若測(cè)定指標(biāo)與抗旱性為負(fù)相關(guān)關(guān)系，則計(jì)算方法為：

R(Xi)=1-(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(i=1，2，3，…，n)

(2)

將抗旱隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，求其平均數(shù)：

X=∑R(Xi)/n(i=1，2，3，…，n)

式中：X為平均抗旱隸屬值。X大表示抗旱性強(qiáng)；X小表示抗旱性弱。

表1 材料名稱(chēng)及來(lái)源

2 結(jié)果與分析

2.1 17種錦雞兒屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)17種錦雞兒屬植物葉片橫切面結(jié)構(gòu)(圖1)觀察，葉表皮細(xì)胞均為單層；但葉肉結(jié)構(gòu)組成有顯著差異，其解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：葉肉組織類(lèi)型出現(xiàn)普通型、過(guò)渡型和環(huán)柵型，其中普通型柵欄組織和海綿組織并存，過(guò)渡型柵欄組織趨于發(fā)達(dá)，海綿組織逐漸退化，環(huán)柵型海綿組織基本消失。因此可分為以下3種類(lèi)型：(1) 普通型，即葉肉組織在近軸面分化為柵欄組織，在遠(yuǎn)軸面分化為海綿組織，分別為南口錦雞兒、甘蒙錦雞兒、樹(shù)錦雞兒、紅花錦雞兒、黃刺條錦雞兒、粉刺錦雞兒和中間錦雞兒；(2) 環(huán)柵型，即葉肉組織在近軸面和遠(yuǎn)軸面都分化為柵欄組織，這種類(lèi)型是狹葉錦雞兒、短腳錦雞兒、荒漠錦雞兒、多刺錦雞兒和灰毛小葉錦雞兒；(3) 過(guò)渡型，其海綿組織細(xì)胞形狀趨于柵欄細(xì)胞狀，且有些部位呈柵欄狀，分別是邊塞錦雞兒、刺葉錦雞兒、檸條錦雞兒、鬼箭錦雞兒和川西錦雞兒。

與抗旱有關(guān)的葉肉結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)(表3)顯示，多刺錦雞兒葉片厚度最大，為302.91 μm，樹(shù)錦雞兒的葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和主脈厚度最小，分別為101.44 μm，31.18 μm，23.82 μm，53.96 μm。短腳錦雞兒上表皮細(xì)胞厚度最大，為21.02 μm。川西錦雞兒上表皮細(xì)胞厚度和下表皮細(xì)胞厚度最小，但組織結(jié)構(gòu)緊密度最大，分別為10.34 μm，8.632 μm和0.50。狹葉錦雞兒下表皮細(xì)胞厚度和主脈厚度最大，但組織結(jié)構(gòu)緊密度最小，分別為19.06 μm，125.16 μm和0.27。邊塞錦雞兒柵欄厚度和海綿厚度最大，分別為126.46 μm和67.88 μm。中間錦雞兒組織結(jié)構(gòu)疏松度最大，為0.31；粉刺錦雞兒組織結(jié)構(gòu)疏松度最小，為0.18。

2.2 解剖結(jié)構(gòu)的聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析結(jié)果表明(圖2)：17種錦雞兒屬植物分為2類(lèi)；第1類(lèi)包括荒漠、短腳、邊塞和多刺錦雞兒4種，葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊密度大，表皮細(xì)胞層厚度較第2類(lèi)偏小(除短腳錦雞兒)，葉片結(jié)構(gòu)疏松度??；第2類(lèi)包括灰毛小葉、鬼箭、中間、紅花、黃刺條、甘蒙、川西、檸條、粉刺、南口、刺葉、樹(shù)和狹葉錦雞兒13種，葉片結(jié)構(gòu)疏松度大，葉片厚度、柵欄組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊密度小，表皮細(xì)胞厚度小。

注：A南口錦雞兒，B狹葉錦雞兒，C甘蒙錦雞兒，D短腳錦雞兒，E荒漠錦雞兒，F(xiàn)邊塞錦雞兒，G樹(shù)錦雞兒，H紅花錦雞兒，I黃刺條錦雞兒，J多刺錦雞兒，K刺葉錦雞兒，L灰毛小葉錦雞兒，M檸條錦雞兒，N粉刺錦雞兒，O中間錦雞兒，P鬼箭錦雞兒，Q川西錦雞兒。

2.3 基于隸屬函數(shù)對(duì)錦雞兒屬植物抗旱性分析

不同錦雞兒屬植物具有不同的抗旱性，本研究選取了8項(xiàng)葉片抗旱性結(jié)構(gòu)指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)錦雞兒屬植物的抗旱能力，其數(shù)值越大表明抗旱性越強(qiáng)。結(jié)果顯示，17種錦雞兒屬植物抗旱能力由大到小排序?yàn)椋憾棠_錦雞兒>荒漠錦雞兒>多刺錦雞兒>狹葉錦雞兒>川西錦雞兒>粉刺錦雞兒>邊塞錦雞兒>南口錦雞兒>紅花錦雞兒>甘蒙錦雞兒>鬼箭錦雞兒>檸條錦雞兒>黃刺條錦雞兒>刺葉錦雞兒>灰毛小葉錦雞兒>中間錦雞兒>樹(shù)錦雞兒(表4)。

3 討 論

在整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，環(huán)境對(duì)植物的形態(tài)建成起著重要作用，形態(tài)特征是植物適應(yīng)環(huán)境的直接表現(xiàn)形式[16]，干旱是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一，不同種植物受自身遺傳特性與外界環(huán)境的共同影響，對(duì)干旱形成了不同的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策。植物葉片與外界進(jìn)行水分和氣體交換，承擔(dān)著光合和蒸騰作用，是植物對(duì)逆境脅迫最敏感的部位，在復(fù)雜的外界環(huán)境中形成了特殊的結(jié)構(gòu)與功能[17]，可較好地反映植物對(duì)干旱等逆境條件的適應(yīng)性。根據(jù)葉的生長(zhǎng)狀況和形態(tài)結(jié)構(gòu)等特征可判斷植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[18]，因此植物葉片常被植物生理學(xué)家用來(lái)作為主要研究對(duì)象[19]。

注：圖中數(shù)字表示：1南口錦雞兒，2狹葉錦雞兒，3荒漠錦雞兒，4中間錦雞兒，5邊塞錦雞兒，6灰毛小葉錦雞兒，7多刺錦雞兒，8刺葉錦雞兒，9紅花錦雞兒，10檸條錦雞兒，11鬼箭錦雞兒，12川西錦雞兒，13黃刺條錦雞兒，14甘蒙錦雞兒，15短腳錦雞兒，16粉刺錦雞兒，17樹(shù)錦雞兒。

環(huán)境對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在葉片厚度、上表皮細(xì)胞厚度、下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、主脈厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊密度、葉片結(jié)構(gòu)疏松度等方面。其中葉片厚度是植物的抗旱特征之一，吳林等[20]認(rèn)為植物葉片越厚，保水能力越強(qiáng)，植株則越抗旱；徐揚(yáng)等[21]認(rèn)為葉片柵欄組織越發(fā)達(dá)，植株的抗旱性越強(qiáng)；任媛媛等[22]和劉紅茹等[13]認(rèn)為主脈中發(fā)達(dá)的維管束和強(qiáng)化的機(jī)械組織可以使植株更加抗旱。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：17種錦雞兒屬植物抗旱機(jī)制各異，其中短腳錦雞兒葉肉組織較疏松，但其表皮比較厚，葉片的儲(chǔ)水、保水及抗旱能力則越強(qiáng)[23]；多刺錦雞兒葉片厚度大且柵欄組織厚度也較大，抗旱性也較強(qiáng)，但表皮細(xì)胞厚度卻小于短腳錦雞兒，可見(jiàn)表皮細(xì)胞越厚可以更大程度的限制蒸騰的發(fā)生，增強(qiáng)抗旱能力；狹葉錦雞兒主脈較發(fā)達(dá)、表皮厚度較大，以此來(lái)提高植物的抗旱性；川西錦雞兒與粉刺錦雞兒通過(guò)增加?xùn)藕１忍岣咧参锏目购敌?，但川西錦雞兒發(fā)達(dá)的柵欄組織使它的組織結(jié)構(gòu)緊密度增加，因此它的抗旱性更強(qiáng)；邊塞錦雞兒通過(guò)增加?xùn)艡诮M織厚度提高植物的抗旱性。在葉肉結(jié)構(gòu)從普通型過(guò)渡到環(huán)柵型的過(guò)程中，葉片厚度、柵欄組織、海綿組織等發(fā)生一系列的變化，使得不同錦雞兒對(duì)干旱有不同的應(yīng)對(duì)策略，這也是錦雞兒屬植物從東向西抗旱性增強(qiáng)，出現(xiàn)替代分布的重要原因之一[24]。

表2 17種錦雞兒屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)及主要特征

通過(guò)對(duì)17種錦雞兒屬植物進(jìn)行聚類(lèi)分析，可將不同種錦雞兒屬植物分為2類(lèi)。層次聚類(lèi)分析的第1類(lèi)錦雞兒中短腳錦雞兒葉片厚度較小，但其依靠表皮細(xì)胞厚度以及柵欄組織厚度防止水分過(guò)分蒸發(fā)，使其適應(yīng)干旱的環(huán)境[25]。多刺錦雞兒表皮細(xì)胞厚度較小，葉片厚度、柵欄組織厚度以及組織結(jié)構(gòu)緊密度大，這些特征可以增強(qiáng)光合能力，提高光合效率，達(dá)到高效利用水分的能力[26]。邊塞錦雞兒雖主脈厚度較小，但其具有發(fā)達(dá)的柵欄組織，使得抗旱性增強(qiáng)。第2類(lèi)錦雞兒中狹葉錦雞兒雖然柵欄組織厚度較小，但其表皮細(xì)胞厚度大、主脈發(fā)達(dá)，主脈密度越高，抑制水分散失的能力越強(qiáng)，能夠忍耐的最低水勢(shì)也越低，則其抗旱能力越強(qiáng)[27]。川西錦雞兒葉片厚度以及表皮細(xì)胞厚度較小，其柵欄組織厚度以及組織結(jié)構(gòu)緊密度較大，可提高水分利用效率，減少水分散失，使其抗旱性增強(qiáng)。

表3 17種錦雞兒屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)(n=6)

表4 17種錦雞兒屬植物隸屬函數(shù)值分析及排序

植物的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的、受多重因素影響的綜合特性[28]，因此，錦雞兒屬不同植物的抗旱機(jī)制也不盡相同，每種植物僅憑某一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)抗旱性具有片面性[22]。因此使用基于模糊數(shù)學(xué)原理的隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱性研究分析，其結(jié)果更加準(zhǔn)確客觀。本研究結(jié)果顯示：短腳、荒漠和狹葉錦雞兒表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性，這與李蒙蒙等[1]基于葉片微形態(tài)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)錦雞兒屬植物的抗旱性得到的研究結(jié)果一致，且葉片厚度、表皮細(xì)胞厚度與主脈厚度隨著抗旱性的增強(qiáng)逐漸變厚；檸條錦雞兒比中間錦雞兒與灰毛小葉錦雞兒抗旱性強(qiáng)，這是由于檸條錦雞兒的葉片厚度與表皮細(xì)胞厚度更大，這與李晶[29]研究輸水結(jié)構(gòu)與抗旱性所得出的結(jié)果一致；荒漠、中間、檸條和樹(shù)錦雞兒的抗旱性，與周萌[30]以形態(tài)適應(yīng)特征和生理機(jī)制對(duì)錦雞兒研究所得出的結(jié)果不完全一致。這是因?yàn)橹参镌谏L(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中受到多種因素的影響，且植物適應(yīng)干旱環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的形態(tài)特征和生理生化的協(xié)調(diào)過(guò)程。目前，檸條錦雞兒和中間錦雞兒已在典型荒漠帶沙地、荒漠化草原中大量種植，且取得了較好的生態(tài)效益[31]；而本試驗(yàn)結(jié)果表明：短腳錦雞兒、荒漠錦雞兒、狹葉錦雞兒和刺葉錦雞兒抗旱性強(qiáng)，可以在年降雨量少，蒸發(fā)量大的荒漠地區(qū)種植；川西錦雞兒、粉刺錦雞兒與南口錦雞兒也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗旱性，在以后的干旱區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)中種植，來(lái)增加群落物種的多樣性。

該研究對(duì)西北干旱地區(qū)植被建設(shè)與生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。因此不論是依據(jù)形態(tài)特征還是生理特征來(lái)判斷植物的抗旱性，都有一定的局限性。不同錦雞兒植物的抗旱機(jī)制不同，因此在以后的研究過(guò)程中應(yīng)綜合主要指標(biāo)且從各方面來(lái)衡量每種植物的抗旱性。

4 結(jié) 論

17種錦雞兒屬植物葉肉解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出3種不同類(lèi)型，在抗旱性增強(qiáng)的過(guò)程中，葉肉結(jié)構(gòu)從普通型、過(guò)渡型、環(huán)柵型依次過(guò)渡，在此過(guò)程中葉片逐漸變厚，柵欄組織、主脈越來(lái)越發(fā)達(dá)、葉片緊密度增強(qiáng)；聚類(lèi)分析將17種錦雞兒依據(jù)各自不同特征聚為2類(lèi)；根據(jù)隸屬函數(shù)法對(duì)17種錦雞兒抗旱能力大小進(jìn)行排序，結(jié)果為：短腳錦雞兒>荒漠錦雞兒>多刺錦雞兒>狹葉錦雞兒>川西錦雞兒>粉刺錦雞兒>邊塞錦雞兒>南口錦雞兒>紅花錦雞兒>甘蒙錦雞兒>鬼箭錦雞兒>檸條錦雞兒>黃刺條錦雞兒>刺葉錦雞兒>灰毛小葉錦雞兒>中間錦雞兒>樹(shù)錦雞兒。