兩種生長基質(zhì)下降香黃檀葉片形態(tài)解剖表型可塑性比較*

韋耀妮，楊振德,2，文 黎，席英卓，覃桂麗，玉舒中**

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室，廣西南寧 530004)

0 引言

表型可塑性(Phenotypic plasticity)是同一個基因型的生物個體通過調(diào)節(jié)外部形態(tài)特征和內(nèi)部生理功能等來適應(yīng)異質(zhì)生境的生態(tài)適應(yīng)行為[1,2]。在植物與環(huán)境相互作用過程中，植物通過表型可塑性策略更好地適應(yīng)環(huán)境[3]。葉片作為植物與環(huán)境接觸面積最大的營養(yǎng)器官，在環(huán)境因子(如水分、溫度和光照等)發(fā)生變化的過程中具有較大的可塑性[4]。因此，葉片形態(tài)解剖表型可塑性指數(shù)是評價植物適應(yīng)異質(zhì)性環(huán)境的重要指標(biāo)。目前已有許多學(xué)者從植物功能性狀角度去探討石漠化地區(qū)植物的適應(yīng)策略[5-8]，如葉經(jīng)濟譜[9,10]、光合特性[11-15]、生長特性[16,17]或形態(tài)解剖等生理特征[18-21]。

降香黃檀(Dalbergiaodorifera)，屬豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionaceae)黃檀屬(Dalbergia)常綠半落葉喬木，被列為國家二級保護(hù)植物[22]，原產(chǎn)于我國海南島，在廣東、福建等華南地區(qū)多有分布[23]。降香黃檀對陡坡、巖石裸露和干旱瘦瘠地等貧瘠生境適應(yīng)性強，因其自身具根瘤固氮、抗旱和耐貧瘠等能力多被用作喀斯特石漠化地區(qū)造林的先鋒樹種[24]。但是關(guān)于降香黃檀如何通過葉片表型可塑性策略適應(yīng)石漠化環(huán)境，還未見有關(guān)研究報道。因此，本研究以全壤土和全石礫生長基質(zhì)(模擬極端石漠化土壤基質(zhì))栽培下的降香黃檀幼苗為研究對象，研究不同生長基質(zhì)下葉片形態(tài)解剖參數(shù)及其表型可塑性變化，旨在闡明降香黃檀的石漠化適應(yīng)機制，為降香黃檀在石漠化地區(qū)的推廣栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西大學(xué)林學(xué)院林學(xué)苗圃實驗基地(108°22′E，22°48′N)，氣候為典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.6℃，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-2.4℃，年均降雨量達(dá)1 304.2 mm，降水日數(shù)116-181 d，平均相對濕度79%。其中4-9月為雨季，高溫多雨，降水量占年降水量的70%-85%；10月至次年3月為旱季，干旱少雨，降水量僅占年降水量的15%-30%[25]。

1.2 材料

生長基質(zhì)：生長基質(zhì)全壤土基質(zhì)(赤紅壤)和全石礫基質(zhì)(石灰?guī)r碎石)均采自廣西壯族自治區(qū)南寧市馬山縣石漠化地區(qū)，其中全壤土基質(zhì)pH值5.34，相對含水量為19.63%，全磷含量0.145 g·kg-1，全鉀5.745 g·kg-1，全氮1.753 g·kg-1；全石礫基質(zhì)粒徑約0.51 cm，pH值8.21，相對含水量為2.89%，全磷含量0.002 g·kg-1，全鉀0.105 g·kg-1，而全氮含量極低。

降香黃檀幼苗：試驗材料為長勢較一致的兩年生降香黃檀幼苗(苗高54.0-56.0 cm，地徑0.7-0.9 cm)，于2019年11月分別栽種在65 cm×100 cm裝有全壤土和全石礫的塑料桶中(底部帶有排水孔)，一桶一株，全壤土和全石礫基質(zhì)各栽植10株。為保證幼苗正常生長，自栽苗后，每隔20 min進(jìn)行一次滴灌，每次滴灌5 min，持續(xù)5個月。從2020年4月1日起，每日早上6：00、晚上18：00各滴灌10 min，11月1日起停止滴灌至采樣結(jié)束。試驗期間采用一致的田間管理，定期除去雜草，無額外人工施肥等營養(yǎng)措施。

1.3 指標(biāo)測定方法

分別于2020年6月中旬和11月中旬進(jìn)行采樣。每種生長基質(zhì)下隨機選出3株無病蟲害、長勢良好的降香黃檀幼苗采集葉片，每株在降香黃檀向陽面生長的樹冠中上部位選取完整成熟葉片30片，裝袋標(biāo)記好后置于冰盒中帶回室內(nèi)分別進(jìn)行葉片形態(tài)與解剖參數(shù)測定。

使用便攜式CI-203葉面積測定儀測量樣葉葉長、葉寬和葉面積。測量結(jié)束后，將葉片置于烘箱內(nèi)105℃殺青處理30 min后于75℃烘干至恒重，同時稱量葉片干重，并計算葉面積與葉干重之比(SLA)。

另外，在室內(nèi)把采摘的新鮮葉片立即用標(biāo)準(zhǔn)固定液(70%酒精∶38%甲醛∶冰醋酸=90∶5∶5，V∶V∶V)進(jìn)行固定，固定好后，沿著主脈，在葉片中部剪出0.5 cm×0.5 cm葉塊，按照常規(guī)石蠟切片流程操作后，用LEICARM2245石蠟切片機切片，切片厚度為8 μm，番紅-固綠雙重染色后，用加拿大中性樹膠進(jìn)行封片，置于LEICA顯微鏡下觀察并拍照，并使用Image J軟件測量葉片總厚度、葉表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度，每個處理測量3個樣本，每個樣本測量10個視野，求平均值，并參照李娟霞等[26]的方法計算柵海比(P/S)、葉片結(jié)構(gòu)緊實度(CTR)和疏松度(SR)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)使用Excel 2010和SPSS20.0進(jìn)行分析，比較兩種生長基質(zhì)下降香黃檀葉片形態(tài)解剖特征的差異。參照Valladares等[27]的方法計算出可塑性指數(shù)(PI)來評價兩種生長基質(zhì)下葉片形態(tài)解剖表型可塑性。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)解剖特征

兩種生長基質(zhì)下降香黃檀葉片均屬于異面葉，包括上表皮、下表皮、柵欄組織和海綿組織。與全壤土基質(zhì)相比，全石礫基質(zhì)下葉片上表皮細(xì)胞個體較小，多呈扁長狀；下表皮細(xì)胞個體變化差異較大，多為近圓或橢圓形狀；柵欄組織排列相對疏松，且上表皮和海綿組織的厚度相對較大，柵欄組織厚度相對較小(圖1)。

U-ep：上表皮；L-ep：下表皮；Pal：柵欄組織；Sp：海綿組織

在同一月份，除葉片結(jié)構(gòu)疏松度(SR)無顯著差異外，不同生長基質(zhì)下降香黃檀葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)差異顯著(P<0.05)(表1)，全石礫基質(zhì)下葉片海綿組織厚度顯著大于全壤土基質(zhì)，葉長、葉面積、葉厚度和柵欄組織等形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)顯著小于全壤土基質(zhì)。

表1 不同生長基質(zhì)下不同月份降香黃檀葉片形態(tài)解剖特征

在全壤土基質(zhì)下，除葉厚度、下表皮厚度和柵海比(P/S)無顯著差異外，11月份降香黃檀葉長、葉寬、葉面積、葉干重、上表皮厚度、海綿組織厚度和SR顯著大于6月份，比葉面積(SLA)、柵欄組織厚度和CTR顯著小于6月份。在全石礫基質(zhì)下，除下表皮厚度和柵海比(P/S)無顯著差異外，11月份降香黃檀葉長、葉寬、葉面積、葉干重、上表皮厚度、海綿組織厚度和SR顯著大于6月份，SLA、葉厚度、柵欄組織厚度和CTR顯著小于6月份。

由此可知，與6月相比，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉片厚度在11月份顯著減小，而全壤土基質(zhì)下降香黃檀葉片葉厚度則無顯著差異。

2.2 形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的可塑性指數(shù)

由圖2可知，在6月份，全壤土基質(zhì)和全石礫基質(zhì)下生長的降香黃檀葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)可塑性指數(shù)(PI)整體均值分別為0.135,0.130，除葉干重、SLA和海綿組織厚度的PI及葉片PI整體均值無顯著差異外，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉面積的PI顯著大于全壤土基質(zhì)(P<0.05)，上表皮厚度和CTR的PI極顯著大于全壤土基質(zhì)(P<0.01)，而葉長、葉寬、葉厚度、P/S和SR的PI顯著小于全壤土基質(zhì)，下表皮厚度和柵欄組織厚度的PI則極顯著小于全壤土基質(zhì)。

LL：葉長；LW：葉寬；LA：葉面積；LDW：葉干重；SLA：比葉面積；LT：葉厚度；TUE：上表皮厚度；TLE：下表皮厚度；TPT：柵欄組織厚度；TST：海綿組織厚度；P/S：柵海比；CTR：葉片結(jié)構(gòu)緊實度；SR：葉片結(jié)構(gòu)疏松度；Means：所有指標(biāo)可塑性指數(shù)的均值;圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，大寫字母A、B表示同一生長基質(zhì)不同月份各指標(biāo)的差異顯著性，小寫字母a、b表示同一月份不同基質(zhì)各指標(biāo)的差異顯著性(P<0.05)

在11月份，全壤土基質(zhì)和全石礫基質(zhì)下生長的葉片PI整體均值分別為0.113,0.165，除SR的PI無顯著差異外，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉寬、上表皮厚度和P/S的PI顯著小于全壤土基質(zhì)(P<0.05)，柵欄組織厚度的PI極顯著小于全壤土基質(zhì)(P<0.01)，而葉面積、比葉面積、葉厚度和下表皮厚度的PI極顯著大于全壤土基質(zhì)，其余指標(biāo)的PI和葉片PI均值則顯著大于全壤土基質(zhì)。

同理，在全壤土基質(zhì)下，除葉干重、SLA和SR的PI及葉片PI整體均值無顯著差異外，11月份降香黃檀葉長和上表皮厚度的PI顯著大于6月份，海綿組織厚度的PI極顯著大于6月份，而葉寬、葉面積、P/S和CTR的PI顯著小于6月份，葉厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度的PI則極顯著小于6月份。

在全石礫基質(zhì)下，6月和11月的葉片PI整體均值差異顯著，11月份降香黃檀葉干重和SR的PI及葉片PI整體均值顯著大于6月份，葉長、葉面積、SLA、下表皮厚度和海綿組織厚度的PI極顯著大于6月份，而葉寬、葉厚度、P/S和CTR的PI顯著小于6月份，上表皮厚度和柵欄組織厚度的PI則極顯著小于6月份。

由此可知，在所有指標(biāo)中，不同月份、不同生長基質(zhì)下葉面積的PI最高，全石礫基質(zhì)下葉片PI整體均值在11月份最大。

3 討論

生長在環(huán)境差異程度不大的不同種植物，其形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)出趨同變化；而生長在環(huán)境條件不一致的同種植物，其形態(tài)結(jié)構(gòu)解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的趨異現(xiàn)象[28-30]。礦質(zhì)元素作為重要的環(huán)境因素在植物生長過程中不可或缺，養(yǎng)分的缺失會嚴(yán)重限制植物正常生長發(fā)育[31]?？λ固氐貐^(qū)巖石裸露面積大，土壤水分和養(yǎng)分虧缺，植物通過降低葉面積和提高葉干物質(zhì)含量來增強其耐干旱、耐貧瘠的能力[5,32]。葉面積LA和比葉面積SLA是反映植物獲取光照資源和光合能力的兩個重要指標(biāo)，LA越大，葉片光合能力越強，而低SLA的植物可以更好地適應(yīng)資源貧瘠和干旱的環(huán)境[1,33-35]。本研究發(fā)現(xiàn)，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉面積和比葉面積顯著小于全壤土基質(zhì)，推測降香黃檀可通過減小葉面積及比葉面積來適應(yīng)干旱、高溫和貧瘠的全石礫生長基質(zhì)，這與其他學(xué)者對唐古特白刺(Nitrariatangutorum)[36]和白刺花(Sophoradavidii)[37]的研究結(jié)果一致。

隨著干旱脅迫加劇，植物呈葉片變薄、柵欄組織縮短變緊密等變化趨勢[38,39]。從雨季到旱季，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉片變薄、疏松度顯著增大，而全壤土基質(zhì)下降香黃檀葉片厚度變化無顯著差異，疏松度顯著減少。全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉片變薄的原因可能是降香黃檀受到養(yǎng)分和水分虧缺的影響，葉片細(xì)胞分裂受阻，生長速率受限。另外，葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度越高，從側(cè)面也反映出葉片海綿組織發(fā)達(dá)或者葉片較薄，此結(jié)果與其他學(xué)者對三葉木通(Akebiatrifoliate)[39]和野生葡萄(VitisquinquangularisRehd)[40]的研究結(jié)果一致。

表型可塑性是植物適應(yīng)環(huán)境的重要機制之一，可塑性指數(shù)是對可塑性大小的數(shù)值量化，可以直觀地表達(dá)出植株形態(tài)、生理生態(tài)性狀對環(huán)境資源變異的響應(yīng)程度[41,42]。在雨季，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉長、葉厚度和下表皮厚度的PI顯著小于全壤土基質(zhì)，而上表皮厚度的PI極顯著大于全壤土基質(zhì)。在旱季，全石礫基質(zhì)下降香黃檀葉長、葉厚度和下表皮厚度的PI顯著大于全壤土基質(zhì)，而上表皮厚度的PI則顯著小于全壤土基質(zhì)，表明降香黃檀葉長、葉厚度、上表皮厚度和下表皮厚度在應(yīng)對生長季節(jié)旱濕度起著重要作用。

從雨季到旱季，降香黃檀葉面積和下表皮厚度的PI在全石礫基質(zhì)下極顯著增大，在全壤土基質(zhì)下顯著減??；而上表皮厚度的PI在全石礫基質(zhì)下極顯著減小，在全壤土基質(zhì)下則顯著增大，表明降香黃檀葉片上、下表皮厚度和葉面積的表型可塑性強，并在適應(yīng)不同生長環(huán)境過程中起著主導(dǎo)作用。而降香黃檀葉片上表皮較為光滑、無氣孔，下表皮密被表皮毛且分布大量氣孔，表皮毛和氣孔的密度、大小對下表皮厚度是否有影響還有待進(jìn)一步研究。

綜合來看，在旱季中全石礫生長基質(zhì)下葉片表型可塑性最大，說明降香黃檀葉片在干旱環(huán)境中適應(yīng)能力強，并能較好地適應(yīng)高溫、干旱且貧瘠的石漠化環(huán)境，此結(jié)果與鐘悅鳴等[43]對胡楊(Populuseuphratica)的研究結(jié)果一致。不同月份、不同生長基質(zhì)下葉面積的PI最高，說明降香黃檀葉片的葉面積在應(yīng)對生長季節(jié)旱濕度和生長基質(zhì)的變化時最敏感，在適應(yīng)不同生長環(huán)境和不同生長季節(jié)時葉面積起著重要作用，可作為降香黃檀生長環(huán)境適應(yīng)性評價的重要指標(biāo)。

4 結(jié)論

綜上所述，降香黃檀葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)在兩種生長基質(zhì)下表現(xiàn)出明顯的趨異現(xiàn)象。其形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)表型可塑性在雨旱兩季的差異性不同；其中，在旱季，全石礫生長基質(zhì)下的降香黃檀葉片形態(tài)解剖參數(shù)可塑性顯著高于在全壤土基質(zhì)生長的降香黃檀葉片形態(tài)解剖參數(shù)可塑性。在本研究各項指標(biāo)中，葉面積對生長基質(zhì)和季節(jié)旱濕度變化的可塑性指數(shù)最大，可作為降香黃檀生長環(huán)境適應(yīng)性評價的重要指標(biāo)。