不同發(fā)育階段胡楊、灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)變化特征

曲文蕊，韓曉莉，翟軍團(tuán) ，李志軍 *

（1塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2塔里木盆地生物資源保護(hù)利用兵團(tuán)重點實驗室/胡楊研究中心，新疆 阿拉爾 843300）

大多數(shù)植物表現(xiàn)出同一植株成熟葉的葉形完全一致，少數(shù)植物表現(xiàn)出同一植株成熟葉的葉形并非完全一致，常因生育時期的不同或環(huán)境條件的變化而出現(xiàn)不同形狀的葉，被稱為異形葉性（heterophyl?ly），異形葉性是同一植株產(chǎn)生了不同的異形葉[1]。少數(shù)植物，同一植株上存在不同形態(tài)的葉，即具有異形葉性的生物學(xué)特點。部分研究表明同一植株上的異形葉具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能。例如，大多數(shù)沙地柏（又名臭柏Sabina vulgaris）幼苗只有針葉一種葉形，然而成熟個體則具有針葉和鱗葉兩種葉形。臭柏（Sabina vulgaris）的針葉和鱗葉在植株上的分布和數(shù)量隨樹齡和水分條件而變化[2]，表明不同異形葉因其功能性狀的不同而呈現(xiàn)在植株的不同部位[3-4]。銀杏（Ginkgo biloba）短枝葉和長枝葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特征明顯不同，短枝和長枝葉片生理性能差異與它們不同的個體發(fā)育階段和結(jié)構(gòu)相對應(yīng)[5]。具有異形葉性特征的物種，可能通過其葉形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性的改變適應(yīng)個體發(fā)育過程環(huán)境條件的變化。

許多研究表明胡楊具有異形葉性的生物學(xué)特性，表現(xiàn)為幼苗到幼株階段只有條形葉，成年植株上有條形葉、披針形葉、卵形葉和闊卵形葉共4類葉形[6-9]，且在不同發(fā)育階段其異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀存在顯著差異[10-11]?；覘畹漠愋稳~性表現(xiàn)為幼苗到幼株階段葉為長闊橢圓形，成年植株葉有長闊橢圓形、圓形葉和闊卵形葉共3類葉形[12]。胡楊、灰楊的各類異形葉均隨胸徑和樹高的增加有規(guī)律地依次從樹冠的頂部開始出現(xiàn)，隨后沿樹冠由頂部向基部的方向出現(xiàn)依次增多，各類異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)和空間分布與個體發(fā)育階段相關(guān)，異形葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的抗旱特征隨發(fā)育階段更加明顯[6-8,13-14]。雖然胡楊、灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀隨個體發(fā)育階段而變化，但引起異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的主要影響因子是什么目前尚不明晰。主成分分析方法是將分散在一組變量上的信息，集中到某幾個綜合指標(biāo)和主成分上的統(tǒng)計分析方法。本文采用主成分分析方法，對相同環(huán)境條件下不同發(fā)育階段的胡楊、灰楊異形葉進(jìn)行研究，為進(jìn)一步揭示胡楊和灰楊異形葉性空間變化特征，明確葉形變化的內(nèi)在機制，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邊緣（81°17'56.52″E，40°32'36.90″N）。研究區(qū)氣候炎熱干燥，多年平均降雨量僅50 mm左右，潛在蒸發(fā)量可達(dá)1 900 mm，年均氣溫10.8℃，年均日照時數(shù)為2 900 h，是典型的溫帶荒漠氣候[15]。

1.2 試驗設(shè)計

本研究以不同徑階的胡楊、灰楊代表其不同的發(fā)育階段。徑階劃分以及標(biāo)準(zhǔn)木確定方法為：以胸徑相差2 cm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃，起始徑階為2 cm。將研究區(qū)內(nèi)355株胡楊劃分為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（9個徑階代表了胡楊9個發(fā)育階段）。研究區(qū)內(nèi)共有灰楊301株，劃分方法與胡楊相同，在胡楊、灰楊2～18 cm徑階分別選取3株作為重復(fù)，胡楊、灰楊標(biāo)準(zhǔn)木各27株見表1、表2。

表1 胡楊各徑階基本信息

表2 灰楊各徑階基本信息

各徑階胸徑和樹齡之間的關(guān)系如下公式：

1.3 采樣方法

胡楊、灰楊葉片發(fā)育成熟時期，將植株冠高（樹高-枝下高）5等分，定義5等分后由樹冠基部向頂部方向依次為樹冠1～5層。在樹冠5個層次的中央位置，按東、南、西、北方位各隨機采取1個當(dāng)年生枝條，每株標(biāo)準(zhǔn)木共采集20個枝條。選取每個枝條基部向頂端方向的第三個葉片為樣葉，每一個層次4個葉片，每株標(biāo)準(zhǔn)木共計20個葉片，用于異形葉形態(tài)測定和制作組織切片。

1.4 葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)測定方法

異形葉形態(tài)測定方法：將當(dāng)年生枝條上的葉片按節(jié)位帶葉柄取下，以MRS-9600TFU2掃描儀對葉進(jìn)行掃描，用萬深LA-S型植物圖像分析軟件進(jìn)行葉片長、葉片寬、葉面積、葉柄長、葉周長、葉片厚度、葉形指數(shù)（葉片長/寬比值）的測量。

異形葉解剖結(jié)構(gòu)測定方法：取當(dāng)年生枝條上第3節(jié)位的葉，切取異形葉最寬處材料以FAA固定液保存。采用常規(guī)石蠟制片方法制作組織切片，切片厚度8 μm、番紅固綠雙重染色，中性樹脂封片。在Lei?ca顯微鏡下觀察測量異形葉最寬處橫切面表皮組織（表皮細(xì)胞數(shù)、表皮細(xì)胞長度和寬度）、柵欄組織（柵欄組織厚度、柵欄組織細(xì)胞長度和寬度）及海綿組織（海綿組織厚度）結(jié)構(gòu)參數(shù)。計算柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值（柵/海比值）。每葉片觀測5個視野，每視野觀測20個值，取5個視野葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值為每葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

各發(fā)育階段異形葉形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)為各徑階3株標(biāo)準(zhǔn)木異形葉形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)值的平均值。

采用SPSS 17.0軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對胡楊、灰楊9個徑階異形葉7個形態(tài)性狀和9個解剖結(jié)構(gòu)性狀進(jìn)行主成分分析，確定不同徑階異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)差異的主要性狀。常用描述統(tǒng)計量的計算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換使用Microsoft Office Excel 2003軟件。變異系數(shù)(CV)、主成分分析均采用SPSS 17.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 胡楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀主成分分析

2.1.1 胡楊異形葉形態(tài)性狀主成分分析

從表3看出，胡楊異形葉7個形態(tài)性狀在各徑階的變異系數(shù)平均值，從大到小依次為∶葉形指數(shù)、葉柄長度、葉片厚度、葉面積、葉片寬度、葉片長、葉周長，說明各徑階均是葉形指數(shù)變異最大（CV=41.9%），說明不同徑階的胡楊異形葉形態(tài)差異較大；其次是葉柄長度、葉片厚度、葉面積變異系數(shù)較大。葉片寬度變異系數(shù)大于長度變異系數(shù)，表明葉片寬度變化比長度變化更豐富，而葉片長寬的變化間接影響到葉面積的變化，從而導(dǎo)致葉面積的變異較大。

表3 胡楊異形葉形態(tài)性狀在各徑階的變異系數(shù)（CV/%）

從各徑階7個形態(tài)性狀變異系數(shù)可以看出，胡楊異形葉形態(tài)性狀變異系數(shù)從2徑階至18徑階呈現(xiàn)“拋物線”式的變化，說明8～14徑階是胡楊異形葉形態(tài)性狀變異比較大的階段，而18徑階葉形態(tài)性狀的變異系數(shù)變化的幅度，是所有徑階中最小的，說明18徑階胡楊異形葉形態(tài)性狀趨于穩(wěn)定。由此表明，胡楊異形葉形態(tài)性狀的變異在不同徑階有所不同，異形葉形態(tài)性狀變異具有階段性的特點。

由表4可知，前兩個主成分占總變異的97.6%，其中第一主成分對總變異的貢獻(xiàn)率為52.8%，7個形態(tài)性狀對第一主成分影響較大的三個性狀有葉周長、葉面積、葉片厚度；第二主成分對總變異的貢獻(xiàn)率為44.8%，對第二主成分影響最大形態(tài)性狀為葉片長度?？偟目磥恚~周長、葉面積、葉片厚度、葉片長度4個性狀影響異形葉形態(tài)變化，是造成胡楊不同徑階異形葉形態(tài)性狀差異的主要內(nèi)在因素。

表4 胡楊異形葉形態(tài)性狀主成分分析

2.1.2 胡楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀主成分分析

從表5可以看出，胡楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀在各徑階的變異系數(shù)具有明顯的差異，葉片解剖結(jié)構(gòu)性狀中9個指標(biāo)均有變異，其中變異系數(shù)最大的是柵欄組織細(xì)胞數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)。

表5 胡楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀在各徑階的變異系數(shù)（CV/%）

從表6可見，前3個主成分構(gòu)成的信息量占總信息量的91.3%。其中第一主成分對總變異的貢獻(xiàn)率為42.1%，對第一主成分影響最大的結(jié)構(gòu)性狀是葉片的柵欄組織厚度；第二主成分對總變異的貢獻(xiàn)率為35.2%，對第二主成分影響最大的結(jié)構(gòu)性狀是海綿組織厚度；第三主成分占總變異的14.0%，表皮細(xì)胞長度具有最大的影響。結(jié)果表明，表皮細(xì)胞長度、海綿組織厚度、柵欄組織厚度是造成不同發(fā)育階段胡楊9個徑階異形葉解剖結(jié)構(gòu)差異的主要因素。

表6 胡楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀主成分分析

2.2 灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀主成分分析

2.2.1 灰楊異形葉形態(tài)性狀主成分分析

對灰楊異形葉的7個形態(tài)性狀進(jìn)行測量統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)灰楊異形葉的7個形態(tài)性狀在各徑階都存在不同程度的變異（表7），變異系數(shù)平均值從大到小依次為∶葉柄長、葉面積、葉形指數(shù)、葉片寬度、葉片厚度、葉周長、葉片長度。變異系數(shù)最大的是葉柄長（CV=12.4%）說明不同徑階間異形葉葉柄長度變異較大；其次變異系數(shù)較大的是葉面積（CV=11.0%），葉片寬度變異系數(shù)大于葉片長度變異系數(shù)，當(dāng)葉片長度變異最小時，葉片寬度變異可能就成為影響葉面積變異的主要因素。

表7 灰楊異形葉形態(tài)性狀在各徑階的變異系數(shù)（CV/%）

從各徑階7個形態(tài)性狀變異系數(shù)可以看出，12～14徑階異形葉形態(tài)性狀變異幅度最大的階段，而8徑階異形葉形態(tài)性狀變異幅度最小。說明該階段異形葉形態(tài)性狀比較穩(wěn)定。由此說明，灰楊異形葉形態(tài)性狀的變異在不同徑階存在差異。

表8表明提取的主成分占總變異的93.1%，其中第一主成分占總變異的75.6%，影響較大的有：葉片寬度、葉片厚度、葉面積、葉周長；第二主成分對總變異的貢獻(xiàn)率為17.5%，對其影響最大的性狀為葉形指數(shù)?？偟目磥恚~周長、葉片厚度、葉面積、葉片寬度與葉形指數(shù)5個性狀是造成灰楊不同徑階異形葉形態(tài)性狀差異的主要因素。

表8 灰楊異形葉形態(tài)性狀主成分分析

2.2.2 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀主成分分析

灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀在各徑階的變異系數(shù)如表9，在各徑階中，異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀均是柵欄組織細(xì)胞數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)變異系數(shù)最大，說明各徑階異形葉解剖結(jié)構(gòu)的變化主要體現(xiàn)在柵欄組織細(xì)胞數(shù)和表皮細(xì)胞數(shù)的變化上。

表9 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)性狀在各徑階的變異系數(shù)（CV/%）

從表10可以得出，提取出的信息量占總信息量的93.5%。其中第一主成分占總變異貢獻(xiàn)率的46.7%，對第一主成分影響最大是表皮細(xì)胞數(shù)、柵欄組織細(xì)胞數(shù)、海綿組織厚度；第二主成分對總變異的貢獻(xiàn)率為24.4%，對第二主成分影響最大的結(jié)構(gòu)性狀是表皮細(xì)胞寬度、柵欄組織厚度；第三主成分占總貢獻(xiàn)率的22.4%，對第三主成分影響最大的性狀是表皮細(xì)胞長度、柵欄組織細(xì)胞長度。表皮細(xì)胞數(shù)、海綿組織厚度、柵欄組織厚度及柵欄組織細(xì)胞數(shù)是決定灰楊不同發(fā)育階段異形葉結(jié)構(gòu)差異的主要內(nèi)在因素。

表10 灰楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)主成分分析

2.3 胡楊、灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀與徑階相關(guān)性分析

表11顯示，胡楊葉柄長、葉片寬度、葉面積、葉周長、葉厚度、表皮細(xì)胞數(shù)目、表皮細(xì)胞寬度、柵欄組織數(shù)目、柵欄組織長度、柵欄組織寬度與徑階呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），柵海比與徑階呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而葉片長度、葉形指數(shù)與徑階呈極顯著負(fù)相關(guān)，海綿組織厚與徑階呈顯著負(fù)相關(guān)，結(jié)果表明胡楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀與徑階有密切的相關(guān)性，即與胡楊不同發(fā)育階段有關(guān)聯(lián)。

表11 胡楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀與徑階相關(guān)系數(shù)

從表12可以看出灰楊葉柄長、表皮細(xì)胞數(shù)目、表皮細(xì)胞寬度、柵欄組織數(shù)目、柵欄組織寬度、柵欄組織厚度、柵海比與徑階呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），葉面積、葉周長與徑階呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而海綿組織厚度與徑階呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明葉柄長、葉面積、葉周長及在葉片最寬處橫切面表皮細(xì)胞長度、表皮細(xì)胞寬度、柵欄組織長度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵海比隨徑階的增加而增加。說明灰楊形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀與徑階具有一定的關(guān)聯(lián)性。

表12 灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀與徑階相關(guān)系數(shù)

結(jié)合表11、表12來看，胡楊、灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀與徑階具有密切的相關(guān)性，隨徑階的變化而變化，并且在胡楊、灰楊個體間的異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)間也有極顯著的正、負(fù)相關(guān)性。說明胡楊、灰楊個體間的異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)形狀指標(biāo)也存在著相輔相成的協(xié)同變化關(guān)系。

3 討論

杭悅宇等[18]通過對盾葉薯蕷葉片形態(tài)多樣性研究表明，盾葉薯蕷葉片形態(tài)特征：葉全長、葉寬、葉長等在單株內(nèi)存在很大差異。已有研究表明，胡楊異形葉的葉柄、葉寬、葉長、葉面積、葉片厚在單株內(nèi)存在很大差異[6-7,10]。為了排除環(huán)境條件對胡楊、灰楊葉形結(jié)構(gòu)性狀變化的影響，我們選擇了生長在同一生態(tài)環(huán)境條件下的9個不同發(fā)育階段（徑階）的胡楊、灰楊個體為研究對象進(jìn)行胡楊、灰楊葉形態(tài)結(jié)構(gòu)在不同發(fā)育階段的變化研究。結(jié)果表明，胡楊、灰楊異形葉16個形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀在9個不同發(fā)育階段存在很大差異。從變異系數(shù)來看，胡楊異形葉形態(tài)性狀變異最大的是葉形指數(shù)和葉柄長，解剖結(jié)構(gòu)性狀變異最大的是表皮細(xì)胞數(shù)目和柵欄組織細(xì)胞數(shù)目；灰楊異形葉形態(tài)性狀變異最大的是葉柄長和葉面積，解剖結(jié)構(gòu)性狀變異最大的是表皮細(xì)胞數(shù)目和柵欄組織細(xì)胞數(shù)目。說明胡楊、灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)變化與發(fā)育階段有關(guān)（表11、表12），同時也表明引起異形葉結(jié)構(gòu)變化的主要因素是表皮細(xì)胞數(shù)和柵欄組織細(xì)胞數(shù)，這驗證了我們的前期研究提出的胡楊、灰楊個體發(fā)育過程葉片寬度變化是葉片橫切面表皮細(xì)胞數(shù)變化引起的，進(jìn)而引起葉形指數(shù)、葉面積變化的結(jié)果[10-11]，這與KUWABARA A[19]等人對水生植物窄葉和寬葉的形成是葉片橫切面上表皮細(xì)胞數(shù)目變化引起的結(jié)論有相似之處。此外，胡楊、灰楊異形葉16個形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀還在9個不同發(fā)育階段變異幅度不同，如胡楊在8～14徑階異形葉形態(tài)性狀變異幅度最大，而灰楊則是在12～14徑階異形葉形態(tài)性狀變異幅度最大，同樣說明胡楊、灰楊異形葉形態(tài)結(jié)構(gòu)與各發(fā)育階段存在緊密的關(guān)聯(lián)性。

通過植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的變化，是了解植物個體發(fā)育及適應(yīng)環(huán)境能力的最重要指標(biāo)[20-21]。從主成分分析結(jié)果來看，影響胡楊異形葉解剖結(jié)構(gòu)的主要性狀為表皮細(xì)胞數(shù)和表皮細(xì)胞寬度、表皮細(xì)胞長度、柵欄組織細(xì)胞數(shù)、海綿組織厚度、柵欄組織厚度；影響灰楊異形葉結(jié)構(gòu)的主要性狀是表皮細(xì)胞數(shù)、海綿組織厚度、柵欄組織厚度及柵欄組織細(xì)胞數(shù)。這與前人研究得到的胡楊葉片柵欄組織厚度隨胸徑的增加而增加，海綿組織厚度隨胸徑的增加而減少結(jié)論相輔相成[10]。而葉片中柵欄組織發(fā)達(dá)，海綿組織簡化是植物適應(yīng)干旱環(huán)境的表現(xiàn)[22]由此進(jìn)一步說明，異形葉表皮細(xì)胞數(shù)、柵欄組織細(xì)胞數(shù)目、柵欄組織厚度和海綿組織厚度在不同發(fā)育階段的變化是胡楊、灰楊不同發(fā)育階段異形葉形態(tài)差異的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。分析認(rèn)為，胡楊、灰楊異形葉在不同的發(fā)育階段呈現(xiàn)不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)組合，以應(yīng)對和滿足不同發(fā)育階段的生長需求和生態(tài)適應(yīng)。