兩種野豌豆屬植物葉片形態(tài)結構及其生態(tài)適應性研究

許少祺，劉浩地，李 雪，吳青松，張友民*

（1.吉林農業(yè)大學園藝學院，長春130118；2.松原市哈達山水利樞紐工程管理服務中心，吉林 松原138000）

山野豌豆（Vicia amoena）與大葉野豌豆（V.pseudo-orobus）隸屬豆科（Fabaceae）蝶形花亞科（Papilionatae）野豌豆族（Trib.Vicieae）野豌豆屬（Vicia），為多年生草本，植物資源豐富，耐瘠薄，再生力強，在農業(yè)上不僅多用作優(yōu)良牧草和改土肥田作物，且可作為蜜源、草坪與水土保持植物，是珍貴的藥用植物，同時由于其花色艷麗，花期較長，亦可作園林觀賞植物，在我國農業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[1-2]。世界野豌豆屬植物約有200余種，我國現(xiàn)有40余種，主要分布于華北、西北、西南和東北地區(qū)，多生長于山坡、草甸、灌叢或林緣等環(huán)境中，因其具有產量高、生育期短和種子粗蛋白含量高等特點，廣受科研人員重視，應用前景廣闊[3]。近年來，針對該屬植物研究多集中于分類學[4]、分子[5]、生理[6]和化學[7]等方面，但對其葉片解剖結構研究較少，關于其葉片形態(tài)結構與生態(tài)適應性關系研究尚未見報道。

葉片作為植物直接接受光照器官，其外部形態(tài)特征及內部解剖結構因環(huán)境改變表現(xiàn)差異。形態(tài)特征作為植物分類主要標準和依據(jù)發(fā)揮不可代替作用，研究葉片解剖結構與環(huán)境適應性是保護該植物基礎，具有重要意義[8]。葉片表皮氣孔是影響植物光合、呼吸及蒸騰作用主要因素，常用氣孔密度與指數(shù)等變化分析環(huán)境對植物生長影響[9]。因此，本文以山野豌豆和大葉野豌豆葉片為供試材料，運用掃描電鏡技術、植紋鑒定技術和石蠟切片法，系統(tǒng)研究其形態(tài)結構與解剖學，深入探究其演化關系及抗旱性、抗蟲性與抗寒性，為更好保護野豌豆屬植物資源、人工選育和園林應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

供試材料采自長春市凈月潭林緣（43°66′N，125°48′E，海拔高度約300 m）。試驗地屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫4.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度-39.8℃，年均日照時數(shù)2 688 h，年均降水量522～615 mm，無霜期140 d。選取長勢良好山野豌豆和大葉野豌豆自頂端葉片下數(shù)第五片成熟葉片為樣品，沿主脈將葉片剪成長方形（0.5 cm×1.0 cm），放入FAA固定液中保存。

1.2 方法

1.2.1 掃描電鏡技術

將葉片放入101A-1ET電熱鼓風干燥箱60℃條件下干燥36 h后裁成正方形（0.5 cm×0.5 cm），使用雙面膠將葉片下表皮朝上粘于樣品臺，后用ETD-2000離子濺射儀導電處理，濺射鍍膜厚7～8 nm，在Shimadzux-550掃描電子顯微鏡下觀察并拍照[4]。

1.2.2 植紋鑒定技術

使用表皮撕取法制取植紋并鑒定[10]。分別撕取葉片上下表皮，平放于載玻片上，使用刀片輕輕刮去殘留葉肉細胞，滴入固綠，1/2無水乙醇＋1/2二甲苯溶液沖洗，中性樹膠封片，放入35℃恒溫箱中保存，在Motic Panthera i生物顯微鏡下觀察，Motic Imags Plus 3.0 ML拍照與測量。

1.2.3 石蠟切片法

使用常規(guī)石蠟切片法切片，切片厚度12μm，番紅—固綠復染，中性樹膠封片，制成永久封片，放入35℃恒溫箱中保存[11]。所得樣片用Motic Panthera i生物顯微鏡觀察，Motic Imags Plus 3.0 ML拍照和測量。

1.3 數(shù)據(jù)測量與分析

本文術語依據(jù)Dilcher[12]和陸靜梅[10]研究。由于兩種野豌豆氣孔主要分布于下表皮，因此本文相關數(shù)據(jù)為測量下表皮數(shù)值。每個樣片相同倍數(shù)下隨機取10個完整視野下測量，Excel 2019計算，SPSS 20.0相關分析，并計算以下參數(shù)：

氣孔長寬比=氣孔長度/氣孔寬度；

氣孔指數(shù)（%，SI）=氣孔數(shù)/（氣孔數(shù)＋表皮細胞數(shù)）×100%；

氣孔密度（SD）=氣孔數(shù)/視野面積；

柵海比=柵欄薄壁組織厚度/海綿薄壁組織厚度；

細胞結構緊密度（%，CTR）=（柵欄薄壁組織厚度/葉片厚度）×100%；

細胞結構疏松度（%，SR）=（海綿薄壁組織厚度/葉片厚度）×100%；

葉脈突起度（%，VPD）=（主脈直徑/葉片厚度）×100%。

2 結果與分析

2.1 表皮特征

山野豌豆和大葉野豌豆葉片下表皮氣孔突出，角質層紋飾存在差異。其中，山野豌豆角質層紋飾為線狀、顆粒狀，無表皮毛；大葉野豌豆角質層紋飾為線狀、脊狀，具單細胞表皮毛。掃描電鏡照片見圖1。

圖1 兩種野豌豆屬植物葉片下表皮特征Fig.1 Characteristics of leaf lower epidermis of two Vicia species under scanning electron microscope

2.2 植紋鑒定

2.2.1 植紋特征

如圖2所示，兩種野豌豆葉片表皮植紋特征為：上、下表皮均有氣孔，但主要分布于下表皮，為無規(guī)則橢圓形，僅有保衛(wèi)細胞，無副衛(wèi)細胞，在腎形保衛(wèi)細胞周圍環(huán)繞不規(guī)則表皮細胞。由表1可知，山野豌豆氣孔長度和寬度，保衛(wèi)細胞長度、寬度、周長和面積以及表皮細胞周長和面積均明顯大于大葉野豌豆，氣孔長寬比為4.09，氣孔指數(shù)為31.55%，氣孔密度為110.55個·mm-2，表皮細胞垂周壁類型為：淺波狀、C型；大葉野豌豆氣孔長寬比為4.37，氣孔指數(shù)與氣孔密度較大，分別高達34.67%和169.98個·mm-2，表皮細胞垂周壁類型為深波狀、F型。

表1 兩種野豌豆屬植物葉片下表皮植紋特征Table 1 Characteristics of leaf lower epidermal plant print of two Vicia species

圖2 兩種野豌豆屬植物葉片下表皮植紋特征Fig.2 Characteristics of leaf lower epidermal plant print of two Vicia species under biological microscope

2.2.2 植紋特征相關分析

如表2和3所示，使用Pearson相關系數(shù)分別分析山野豌豆和大葉野豌豆葉片下表皮植紋特征6個參數(shù)：保衛(wèi)細胞長度（GL）、保衛(wèi)細胞寬度（GW）、保衛(wèi)細胞周長（GP）、保衛(wèi)細胞面積（GA）、表皮細胞周長（EP）、表皮細胞面積（EA）多變量相關性發(fā)現(xiàn)：兩種野豌豆部分植紋特征間關聯(lián)方向與關聯(lián)程度存在差異。

其中，山野豌豆表皮細胞周長和表皮細胞面積間相關系數(shù)r=0.938μm，差異極顯著，即具有極顯著線性正相關關系（P＜0.01）；大葉野豌豆氣孔保衛(wèi)細胞周長和保衛(wèi)細胞面積間相關系數(shù)r=0.953μm，差異極顯著，即具有極顯著線性正相關關系（P＜0.01），表皮細胞周長和表皮細胞面積間相關系數(shù)r=0.651μm，差異顯著，即具有顯著線性正相關關系（P＜0.05）。

表2 山野豌豆葉片下表皮植紋特征相關分析Table 2 Correlation analysis of leaf lower epidermal plant print characteristics of V.amoena

表3 大葉野豌豆葉片下表皮植紋特征相關分析Table 3 Correlation analysis of leaf lower epidermal plant print characteristics of V.pseudo-orobus

2.3 葉肉解剖結構特征

在葉片橫切面上，山野豌豆和大葉野豌豆葉片均由表皮、葉肉和葉脈三部分組成，其中，葉肉薄壁組織分化為柵欄薄壁組織和海綿薄壁組織，為典型異面型葉。兩種野豌豆葉片上、下表皮均由單層細胞組成且外被角質層，上表皮細胞長柱形，下表皮細胞近球形；表皮細胞大小不一、排列緊密；柵欄薄壁組織由1層長柱形薄壁細胞構成。山野豌豆葉片上下表皮、柵欄薄壁組織與海綿薄壁組織中有較多后含物，表皮細胞較薄，柵欄薄壁組織較薄，排列稀疏，海綿薄壁組織略薄，胞間隙明顯，柵海比為1.17，細胞結構疏松度高于大葉野豌豆，為34.81%；大葉野豌豆葉片、角質層和表皮細胞較厚，柵欄薄壁組織與海綿薄壁組織中偶見后含物，柵欄薄壁組織發(fā)達，排列緊密，海綿薄壁組織較厚，胞間隙較小，柵海比和細胞結構緊密度分別高達1.38和45.38%，均明顯大于山野豌豆（見圖3，表4）。

表4 兩種野豌豆屬植物葉片解剖結構特征Table 4 Characteristics of leaf anatomical structure of two Vicia species

圖3 兩種野豌豆屬植物葉片解剖結構Fig.3 Leaf anatomical structure of two Vicia species under biological microscope

2.4 主脈解剖結構特征

在生物顯微鏡下，山野豌豆和大葉野豌豆葉片主脈發(fā)達，由機械組織、基本組織和維管束組成，在下表皮呈圓弧狀隆起；維管束個數(shù)均為1，由位于近軸面近心形初生木質部和遠軸面半環(huán)狀初生韌皮部組成，維管束鞘呈環(huán)狀，山野豌豆葉片主脈維管束鞘較明顯。

由表4可知，山野豌豆葉脈突起度為281.17%，大葉野豌豆葉片主脈和維管束直徑分別為528.41和301.97μm，均明顯大于山野豌豆，導管和篩管直徑也較大，葉脈突起度高達387.17%（見表4，圖4）。

圖4 兩種野豌豆屬植物主脈解剖結構特征Fig.4 Main vein anatomical structure of two Vicia species under biological microscope

3 討論與結論

植物外部形態(tài)和內部結構與其生存環(huán)境關系緊密，山野豌豆和大葉野豌豆可在山坡、草甸、林緣等瘠薄環(huán)境中維持正常生長，是因其對該生境具有一定適應能力。本文研究的兩種野豌豆因隸屬于同一科屬，在葉表皮、葉肉和主脈方面結構特征既有相似之處，亦存在不同。

3.1 演化關系及其抗旱性、抗蟲性

植紋是植物表觀紋理，具有獨特性與排他性，因此植物葉片表觀結構可作為植紋鑒定依據(jù)[10]。吳葉等認為，植物葉表皮微形態(tài)特征可為屬內種分類和系統(tǒng)演化提供理論依據(jù)[13]。葉表皮氣孔與植物光合作用密切相關，密集氣孔有助于植物體與外界氣體交換，進而促進光合效應[14]。陸嘉惠等研究表明，葉表皮細胞垂周壁式樣演化趨勢為平直-弓形到淺波狀，再到深波狀；氣孔密度和氣孔指數(shù)可映射植物對干旱環(huán)境適應性，二者呈正相關，二者值越大，植物抗旱能力越強[15]。趙重陽等認為氣孔長寬比值反映氣孔形態(tài)特征，同屬不同種間比值大的有進化表現(xiàn)，可作為判斷植物種間進化程度依據(jù)[16]。本研究結果表明，在兩種野豌豆葉片表觀結構中，氣孔類型均為無規(guī)則型，但表皮細胞垂周壁鑲嵌類型不同，山野豌豆和大葉野豌豆垂周壁式樣分別為淺波狀和深波狀，表現(xiàn)為C型和F型，且大葉野豌豆氣孔密度、氣孔指數(shù)和氣孔長寬比均較大，此種間差異可作為鑒定野豌豆屬植物依據(jù)之一。由此推斷，山野豌豆葉片表現(xiàn)較原始，大葉野豌豆葉片表現(xiàn)較進化，抗旱性較強，這也與雒宏佳等研究結果一致[17]。同時分析二者葉片表皮植紋特征參數(shù)相關性發(fā)現(xiàn)，兩種野豌豆部分植紋特征間關聯(lián)方向與關聯(lián)程度不同，將表觀結構特征量化是對傳統(tǒng)植物分類方法的補充與完善。

植物葉片上下表皮細胞外壁被角質層，增強不透水性，可防止植物體內水分過分蒸騰，角質層還具有機械支撐作用，避免植株在水分供應不足時立即萎蔫，提高機體對炎熱干旱環(huán)境耐受能力，同時折光性較強，可防止紫外線對植物造成光化學傷害，表皮細胞和角質層越厚，抗旱性越強[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，兩種野豌豆葉片表皮細胞排列緊密而整齊，可減少體內水分蒸騰，葉片上下表皮均被角質層，且氣孔主要分布在下表皮，是對強光和缺水環(huán)境長期適應結果。其中，山野豌豆葉片角質層略薄；大葉野豌豆表皮細胞和角質層較厚，兩種野豌豆均具有一定抗旱能力，但綜合比較，大葉野豌豆更適應干旱強光環(huán)境，抗旱能力較強。

劉一華認為表皮毛作為天然物理屏障，可有效預防蟲害、食草動物傷害和寄生植物危害[19]。趙延霞研究表明，葉片下表皮細胞越厚，組織結構緊密度越大，抗蟲性越強[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，山野豌豆下表皮無毛，表皮細胞較??；大葉野豌豆下表皮具單細胞表皮毛，表皮細胞較厚，組織結構緊密度較大，推測其抗蟲性強于山野豌豆。

3.2 葉肉結構及其抗旱性、抗寒性

葉肉是葉片光合作用主要部位，在葉肉薄壁組織中，柵欄薄壁組織和海綿薄壁組織厚度差異直接影響葉綠體分布和光合作用效率，二者分化程度可間接反映環(huán)境中水分狀態(tài)及光照變化，柵海比越大，植物抗旱能力越強，反之則弱[21]。對兩種野豌豆葉片橫切發(fā)現(xiàn)，二者葉肉中后含物使其表現(xiàn)出耐旱特征[22]。郭學民等認為，柵海比、細胞結構緊密度與抗寒性呈正相關，細胞結構疏松度與抗寒性呈負相關[23]。山野豌豆較薄的柵欄薄壁組織及疏松的海綿薄壁組織，對較弱光照或中生、濕生環(huán)境適應，耐陰性較強；大葉野豌豆較厚葉片、發(fā)達柵欄薄壁組織、排列緊密海綿薄壁組織、較厚角質層和下表皮單細胞表皮毛，且因其柵海比和細胞結構緊密度較大，細胞機構疏松度較小，推測其抗旱性與抗寒性較強。

3.3 主脈結構及其抗旱性、抗寒性

主脈在葉片中發(fā)揮支持與輸導作用，主脈及其維管束發(fā)達程度直接影響水分的輸導效率，反映植物抗旱性[24]。維管束鞘也有助于水分傳輸，可增強光合作用，抵御不良環(huán)境因子脅迫[25]。研究認為，葉脈突起度與抗寒性呈正相關，即葉脈突起度越大，葉脈維管組織加快物質運輸能力，補償更多失水，植物抗寒性越強[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，兩種野豌豆葉片主脈維管束發(fā)達，薄壁組織和多層厚角組織有助于貯藏營養(yǎng)物質與水分，提高葉片支撐力，適應瘠薄環(huán)境，增強自身抵抗惡劣環(huán)境能力。其中，山野豌豆維管束鞘明顯，說明其具有抵抗干旱脅迫能力；但大葉野豌豆主脈及維管束較發(fā)達，可顯著提高其輸水效率，說明其更適應干燥環(huán)境，且由于其葉脈突起度較大，說明其具有抗寒特征，推測其抗寒性較強。

綜上所述，山野豌豆葉片表現(xiàn)較原始；耐陰性較強。大葉野豌豆葉片表現(xiàn)較進化；抗旱性、抗蟲性與抗寒性較強。兩種野豌豆屬植物經強日照輻射、干旱貧瘠和寒冷等環(huán)境長期作用，其葉片形成一系列適應結構特征。因此，對研究植物葉片形態(tài)結構及其生態(tài)適應性評價具有重要價值，將山野豌豆和大葉野豌豆作為園林植物，根據(jù)二者生態(tài)適應性將其種植于不同環(huán)境，應用前景十分廣闊。