龍蒼溝國家森林公園7種花楸屬植物的葉解剖特征及其環(huán)境適應(yīng)性

朱凱琳 李嘉寶 陳 昕*

（1. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037）

花楸屬（L.）隸屬于薔薇科（Rosaceae）、蘋果亞科（Maloideae），該屬植物有100～250 多種?；ㄩ睂偈撬N薇科內(nèi)分類問題最為復(fù)雜的屬之一，從屬下分類到物種界定均存在著不同觀點。花楸屬有廣義（s.l.）和狹義（s.str.）之分，廣義花楸屬包含復(fù)葉和單葉種類，狹義花楸屬包含除以外的復(fù)葉種類。我國分類學(xué)者多采用廣義花楸屬的概念，本文亦采用此概念?；ㄩ睂僦参飶V布于北半球溫帶地區(qū)，部分種類可延伸到北半球高緯度地帶，少數(shù)分布至熱帶亞洲，我國是該屬植物的多樣性分布中心，其種類在西南山區(qū)尤為豐富?；ㄩ睂僦参锎杭景谆M樹，秋季果實累累，其果色豐富，呈紅、黃、白、或雜色，不僅是高山風(fēng)景區(qū)秋季重要的色彩組成，還是野生獸類和鳥類重要的食物來源。

葉片是眾多高等植物進行同化作用的主要功能器官，其結(jié)構(gòu)特征是物種進化和環(huán)境適應(yīng)的綜合表達(dá)，具有系統(tǒng)學(xué)和生態(tài)學(xué)意義。一方面，葉解剖結(jié)構(gòu)特征可為物種鑒定和系統(tǒng)演化提供依據(jù)；另一方面，葉片受外部環(huán)境的影響較為顯著，其解剖結(jié)構(gòu)的可塑性變化，可以很好地反映植物在不同生態(tài)環(huán)境下的適應(yīng)策略?；ㄩ睂僦参锶~片的外部形態(tài)特征在種間和種內(nèi)均存在較大差異，是造成物種界定困難的重要原因之一。該屬植物分布于我國寒溫帶至亞熱帶高山，從海拔50 m 至樹木線以上，不同種分布的氣候帶和海拔差異較大?；ㄩ睂僦参锶~解剖結(jié)構(gòu)不僅存在種間差異，還表現(xiàn)出一定的環(huán)境適應(yīng)性變化。目前國內(nèi)僅有文獻提及川西亞高山米亞羅人工林下的陜甘花楸（）、山西省西南部中條山區(qū)的水榆花楸（）以及四川貢嘎山天然林下的灰葉花楸（）、西康花楸（）、多對花楸（）、湖北花楸（）6 種花楸屬植物葉解剖特征的環(huán)境適應(yīng)性狀。另有栽培條件下的花楸樹（）、黃山花楸（）、石灰花楸（）面對光照和干旱脅迫時產(chǎn)生的葉結(jié)構(gòu)特征適應(yīng)變化。分布在同一地區(qū)花楸屬植物葉解剖性狀的種間差異和環(huán)境適應(yīng)性研究鮮見報道。

本文以四川龍蒼溝國家森林公園內(nèi)7 種野生花楸屬植物為研究對象，對其葉片和中脈的解剖結(jié)構(gòu)特征、可塑性及其與環(huán)境因子的相關(guān)性進行比較分析，在此基礎(chǔ)上探討了葉解剖結(jié)構(gòu)特征的分類學(xué)意義及其環(huán)境適應(yīng)性狀，以期更好地理解花楸屬植物的種間差異及其環(huán)境響應(yīng)策略，為本屬植物的適應(yīng)性進化研究提供基礎(chǔ)資料，同時為本屬植物的引種馴化提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

四川雅安滎經(jīng)縣龍蒼溝國家森林公園（102°0′～102°9′E，29°28′～29°57′N）地處四川盆地與青藏高原過渡帶，面積達(dá)1 781 km，海拔處于690～3 666 m，為亞熱帶季風(fēng)氣候，全年四季分明，降水量充沛；植物資源極為豐富，是花楸屬植物分布較為集中的區(qū)域之一。

1.2 試驗材料

2020 年9 月于龍蒼溝國家森林公園采集7 種花楸屬植物：毛背花楸（）、江南花楸（）、大果花楸（）、泡吹葉花楸（）、多對西康花楸（var.）、晚繡花楸（）和梯葉花楸（）。每種植物選取3株成年單株（多對西康花楸僅采集到2 株長勢良好的成年植株），每個單株采集5 片成熟、無蟲害葉片立即浸于70%FAA固定液中備用，單株地理信息見表1。

表1 樣本來源Table 1 Sources of samples

1.3 試驗方法與指標(biāo)測定

采用常規(guī)石蠟切片法，將固定后的葉片沿主脈（距葉基部1/3 處）及葉肉部分分別裁剪成0.3 cm×0.5 cm 的樣品，經(jīng)梯度脫水后，浸蠟并包埋。使用Leica RM 2255自動切片機進行常規(guī)石蠟切片制作（切片厚度8μm），番紅—固綠雙重對染，中性樹膠封片。制作完成的樣片在Nikon Eclipse Ci-S 顯微鏡下進行觀察，每個物種隨機選取3～5 張切片的10 個視野，使用NIS-Element D 4.30 成像軟件進行拍攝。使用Image J（https：//imagej.net/）軟件測量葉解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)，包括葉片厚度（LT，Leaf thick‐ness）、上表皮厚度（UET，Upper epidermis thick‐ness）、下表皮厚度（LET，Lower epidermis thick‐ness）、柵欄薄壁組織厚度（PT，Palisade parenchy‐ma thickness）、海綿薄壁組織厚度（ST，Spongy pa‐renchyma thickness）和中脈直徑（DM，Diameter of midrib）。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算以下指標(biāo)：

1.4 環(huán)境數(shù)據(jù)來源與選取

氣候數(shù)據(jù)共包含19 個生物氣候變量，均來源于CHELSA（Climatologies at high resolution for the earth’s land surface areas，https：//chelsa-climate.org/）氣候數(shù)據(jù)集（1979～2013 年）。使用Arc-GIS 10.6（ESRI，Redland，USA）將數(shù)據(jù)集內(nèi)的氣候圖層轉(zhuǎn)換為GCS_WGS_1984 坐標(biāo)系，然后利用空間分析工具提取所有樣本采集點的氣候變量數(shù)據(jù)。

為避免變量過多而產(chǎn)生多重干擾，將氣候變量分為三大類（溫度因子、降水因子和水熱綜合因子），同時使用Pearson 相關(guān)性分析與主成分分析（PCA）法對其進行降維處理。在高度相關(guān)（>0.9，<0.01）的同類氣候因子中，選用主成分貢獻值最大的因子作為影響葉解剖結(jié)構(gòu)與種源地環(huán)境關(guān)系的主導(dǎo)因子（篩選結(jié)果見表2）。

表2 氣候變量Table 2 Climatic variables

1.5 數(shù)據(jù)分析

使 用SPSS 26.0 軟 件（IBM Corporation，Ar‐monk，New York，USA）對葉片解剖結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（one-way ANOVA），以檢驗指標(biāo)差異性，并使用Duncan 法進行組間多重比較。在R4.0.3（https：//www.r-project.org/）軟件中運行相關(guān)性分析與主成分分析；使用cor 和Hmisc 函數(shù)進行相關(guān)性分析的運算，以探究葉片各解剖特征之間以及與環(huán)境因子的關(guān)系；使用prcomp 函數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)化的解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)值進行主成分分析的運算，并使用factoextra 程序包將分析數(shù)據(jù)可視化，以篩選種間差異最大的葉結(jié)構(gòu)指標(biāo)。

2 結(jié)果分析

2.1 花楸屬植物葉解剖結(jié)構(gòu)特征

7 種花楸屬植物的葉均為典型的背腹葉（dor‐si-ventral leaf），由表皮（epidermis）、葉肉（meso‐phyll）和葉脈（vein）3 部分組成（見圖1）。葉片厚度及各結(jié)構(gòu)厚度、柵海比、組織結(jié)構(gòu)緊密度、疏松度與中脈突起度種間差異極顯著（見表3，<0.01）。葉片厚度介于108.16～208.21 μm，毛背花楸的葉片最厚，最薄的為大果花楸。

表3 花楸屬植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Leaf anatomical parameters of Sorbus species

葉的上、下表皮均由排列緊密的單層細(xì)胞構(gòu)成，上表皮厚度介于15.11～26.70μm，下表皮厚度介于9.08～21.52 μm，上表皮厚度均大于下表皮；梯葉花楸的上、下表皮均為最厚，而江南花楸的表皮厚度均最薄；多對西康花楸（見圖1：E1）、晚繡花楸（見圖1：F1）和梯葉花楸（見圖1：G1）3種復(fù)葉類群的下表皮細(xì)胞上存在明顯的乳突結(jié)構(gòu)。

葉肉分化成柵欄薄壁組織和海綿薄壁組織，柵欄組織鄰接在上表皮內(nèi)側(cè)，由1～2 層長柱狀薄壁細(xì)胞整齊排列而成；其中毛背花楸、多對西康花楸與梯葉花楸具有明顯的2 層?xùn)艡诮M織（見圖1：A1、E1、G1），其余4 種均只含有1 層?xùn)艡诮M織。多對西康花楸具有最發(fā)達(dá)的柵欄組織，柵海比為1.93，其葉組織結(jié)構(gòu)緊密度也最大（52.07%）；海綿組織鄰接在下表皮內(nèi)側(cè)，由不規(guī)則的薄壁細(xì)胞構(gòu)成，具有顯著的細(xì)胞間隙；泡吹葉花楸具有最發(fā)達(dá)的海綿組織，細(xì)胞間隙較大（見圖1：D1），柵海比僅0.56，組織結(jié)構(gòu)疏松度為49.03%。

葉片主脈發(fā)達(dá)，維管束呈心形，木質(zhì)部、韌皮部均具有明顯的分化，內(nèi)外相接，是典型的外韌型維管束。維管束周圍排列著4～8 層薄壁組織和厚角組織，其中分布著染色較深的異細(xì)胞。中脈直徑介于267.87～1 157.13 μm，中脈突起度介于1.94～10.73，大果花楸的中脈最為發(fā)達(dá)且突起度最大（見圖1：C2），相對于中脈最不發(fā)達(dá)且突起度最小的多對西康花楸（見圖1：E2），其直徑為后者的4.32倍，其中脈突起度為后者的5.53倍。

圖1 花楸屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)（葉肉×20，中脈×10）A1～A2.毛背花楸；B1～B2.江南花楸；C1～C2.大果花楸；D1～D2.泡吹葉花楸；E1～E2.多對西康花楸；F1～F2.晚繡花楸；G1～G2.梯葉花楸；upe.上表皮；pp.柵欄組織；sp.海綿組織；loe.下表皮；st.氣孔；tri.毛狀體；pap.乳突；vb.維管束；xyl.木質(zhì)部；phl.韌皮部Fig.1 Leaf anatomical structure of Sorbus spp（.mesophyll×20，midrib×10）A1-A2.S.aronioides；B1-B2.S.hemsleyi；C1-C2.S.megalocarpa；D1-D2.S.meliosmifolia；E1-E2.S.prattii var.aestivalis；F1-F2.S.sargentia?na；G1-G2.S.scalaris；upe.Upper epidermis；pp.Palisade parenchyma；sp.Spongy parenchyma；loe.Lower epidermis；st.Stomates；tri.Trichomes；pap.Papilla；vb.Vascular bundle；xyl.Xylem；phl.Phloem；

2.2 葉解剖結(jié)構(gòu)變異系數(shù)與可塑性指數(shù)

葉解剖結(jié)構(gòu)特征的變異系數(shù)與可塑性指數(shù)表明（見表4），葉片綜合變異均值在10.41%（大果花楸）～16.73%（梯葉花楸），可塑性均值在0.31（大果花楸）～0.46（江南花楸、梯葉花楸），大果花楸葉解剖結(jié)構(gòu)整體可塑性較小，梯葉花楸與江南花楸整體可塑性較大。

表4 花楸屬植物葉解剖結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)和可塑性指數(shù)Table 4 Coefficients of variations and plasticity indexes of leaf anatomical structures of Sorbus spp.

葉各解剖結(jié)構(gòu)性狀之間的變異系數(shù)與可塑性指數(shù)差異較大，上、下表皮厚度的變異程度最大（15.42%～30.74%）、可塑性最強（PI=0.45～0.70），但種間區(qū)別較??；作為主要輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的主脈，其變異系數(shù)為0.71%～14.67%，可塑性指數(shù)介于0.02～0.33，整體較低，但種間區(qū)別最大。

2.3 葉解剖結(jié)構(gòu)的自相關(guān)性和主成分分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示（見表5），各結(jié)構(gòu)參數(shù)間存在著一定的自相關(guān)性。葉片厚度與上表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度呈極顯著正相關(guān)性（<0.01）；與葉片厚度相關(guān)性最大的海綿組織厚度（=0.858），是影響葉片厚度的重要因素。上、下表皮厚度之間存在正相關(guān)性（<0.05），此外，上表皮厚度還與柵欄組織厚度存在正相關(guān)（<0.05）。在葉肉組織厚度及組織比例之間，柵欄組織厚度與緊密度存在正相關(guān)（<0.01）；海綿組織厚度與疏松度存在正相關(guān)（<0.01），與柵海比呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.01）。在中脈結(jié)構(gòu)指標(biāo)與各結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間，中脈突起度僅與中脈直徑正相關(guān)（<0.01），而與葉片厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均呈負(fù)相關(guān)（<0.05）。

表5 葉解剖結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of anatomical structures of leaves

主成分分析結(jié)果顯示（見表6），前3 個主成分的累計貢獻率達(dá)到86.87%，表明這3 個主成分足以表達(dá)10 個解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的主要信息。其中，第一主成分占36.83%，載荷量最高的為葉片厚度和海綿組織厚度，主要反映葉片總厚度的組成特點；第二主成分占比35.42%，載荷量最高的為柵海比和緊密度，反映了葉肉組織的分布情況；第三主成分占比14.62%，載荷量最高的為上、下表皮厚度，反映的是表皮組織的特點。變量坐標(biāo)圖（見圖2）顯示了各葉解剖結(jié)構(gòu)所占權(quán)重，其中，柵海比是主成分中貢獻值最高的變量（0.991），其次為組織結(jié)構(gòu)緊密度（0.933）、海綿組織厚度（0.931）、中脈突起度（0.890）和柵欄組織厚度（0.880）。

圖2 PCA分析生成的葉解剖結(jié)構(gòu)變量坐標(biāo)圖Fig.2 Coordinates map of anatomical structures of leaves generated by PCA analysis

表6 葉解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)在3個主成分中的載荷系數(shù)Table 6 Loading factors of leaf anatomical traits in three principal components

2.4 葉解剖結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

葉解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性顯示（見表7），受環(huán)境影響最大的是與柵欄組織、海綿組織和中脈密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。氣候因子中，季節(jié)性溫差與中脈直徑、中脈突起度呈顯著正相關(guān)（<0.01），與柵欄組織厚度、柵海比和緊密度呈負(fù)相關(guān)（<0.05）；年降水量和最暖季降水均與柵欄組織厚度、柵海比和緊密度3個指標(biāo)存在正相關(guān)（<0.05），與中脈直徑、中脈突起度存在顯著負(fù)相關(guān)（<0.01）；地理因子中，海拔與柵欄組織厚度和緊密度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（<0.01），而與中脈直徑及其突起度呈負(fù)相關(guān)（<0.05）。

表7 葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 7 Correlation coefficient between leaf anatomical traits and environmental factors

3 討論

本研究中所取的花楸屬植物均具有典型的背腹葉，從結(jié)構(gòu)上看，葉片厚度的變化主要是由海綿組織厚度變化而引起，葉片上表皮厚度均大于下表皮厚度，與陜甘花楸、水榆花楸、黃山花楸、石灰花楸、歐亞花楸（）和棠楸（）等花楸屬植物的葉特征相同。7 種植物在柵海比、緊密度、海綿組織厚度、中脈突起度和柵欄組織厚度上顯示出最大的差異性，因此，柵欄組織、海綿組織和中脈組織是7種花楸屬植物中種間差異最顯著的解剖結(jié)構(gòu)，可以為將來探討屬下親緣關(guān)系提供解剖學(xué)分類依據(jù)。此外，僅3種復(fù)葉類群（多對西康花楸、晚繡花楸和梯葉花楸）的下表皮具有乳突結(jié)構(gòu)，與郗連連對花楸屬復(fù)葉組植物葉微形態(tài)特征的研究結(jié)果一致，單、復(fù)葉類群在該結(jié)構(gòu)上的區(qū)別對花楸屬的系統(tǒng)分類及演化具有重要意義。

在葉解剖結(jié)構(gòu)中，變異系數(shù)大于50%的性狀被認(rèn)為是生態(tài)適應(yīng)性狀，變異系數(shù)較小的被認(rèn)為是相對穩(wěn)定的系統(tǒng)演化性狀，反映的是物種潛在適應(yīng)能力?？伤苄灾笖?shù)反映了物種抵御環(huán)境壓力的能力，較高的可塑性水平意味著較強的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。本研究中花楸屬植物葉結(jié)構(gòu)變異系數(shù)較低，各結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，可以被認(rèn)為是演化性狀。其中，變異性和可塑性最大的是表皮組織厚度，表皮組織的變化可以增強細(xì)胞對光的捕獲能力，有利于光輻射穿透葉表皮到達(dá)葉肉組織，提高光合效益。龍蒼溝國家森林公園分布的花楸屬植物多生長于高海拔地區(qū)，氣溫較低且風(fēng)速較大，影響了植物葉片的液流速度，上表皮較下表皮更厚有利于氣體交換，充分加強了葉的碳吸收能力。表皮組織的這些適應(yīng)性變化是龍蒼溝地區(qū)花楸屬植物對高海拔環(huán)境和林下不同光條件的共同響應(yīng)。變異性和可塑性最小的是中脈直徑，中脈是葉片進行水分吸收與貯藏的主要結(jié)構(gòu)，其直徑的穩(wěn)定性較大可能與當(dāng)?shù)乜諝鉂穸却?、土壤含水量高等良好的水分條件有關(guān)。

葉解剖結(jié)構(gòu)綜合變異系數(shù)的種間差異也在一定程度上反映了物種的環(huán)境適應(yīng)能力。綜合變異系數(shù)和可塑性指數(shù)均為最高的梯葉花楸，在龍蒼溝國家森林公園內(nèi)分布的海拔梯度最大（1 300～2 300 m），而2 項指標(biāo)值均最低的大果花楸海拔分布范圍最?。? 300～1 500 m）。由此可見，變異性和可塑性較高的植物具有較強的潛在適應(yīng)能力和克服環(huán)境異質(zhì)性的能力，也往往分布得更為廣泛。

種間差異最大的柵欄組織、海綿組織和中脈組織受氣候與海拔因子的影響也最大，因此，葉解剖結(jié)構(gòu)性狀的差異不僅與自身的生長特性有關(guān)，也與環(huán)境因子密不可分。當(dāng)季節(jié)性溫差變大時，7 種花楸屬植物通過降低柵欄組織厚度、提升葉脈突起度來增加葉脈能量分配的方式來適應(yīng)溫差變化、抵御寒冷氣候條件，進一步反映了葉脈與葉片各輸導(dǎo)組織和同化組織之間相互協(xié)調(diào)、相互制約的關(guān)系。年降水量、最暖季降水的增加以及海拔梯度的升高，導(dǎo)致了水熱綜合條件的改變，高海拔山區(qū)強光照、低溫、低CO濃度等環(huán)境條件影響了植物的蒸騰作用，導(dǎo)致體內(nèi)水分及無機鹽的運輸速率降低，進而影響植物的生長發(fā)育。柵欄組織的增厚引起了葉片緊密度的提升，是7種花楸屬植物為適應(yīng)濕潤環(huán)境而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化，與石灰花楸和花楸樹的適應(yīng)策略一致。同時，這一特征變化還提高了植物在高海拔地區(qū)的抗寒性及光合效能，花楸屬植物葉解剖結(jié)構(gòu)對海拔的適應(yīng)性變化與劉夢穎等的研究結(jié)果一致。

本研究中，7種植物對四川龍蒼溝國家森林公園環(huán)境產(chǎn)生的適應(yīng)性變化，與川西地區(qū)（貢嘎山和米亞羅林區(qū)）其他花楸屬植物的生存策略一致。同質(zhì)環(huán)境下，葉片各解剖結(jié)構(gòu)間的協(xié)同變化，是該屬植物面對環(huán)境壓力時提高自身生存適應(yīng)性、協(xié)調(diào)與生境的合作關(guān)系的有效方式。7種花楸屬植物的葉解剖特征不僅表現(xiàn)出了顯著的種間差異，還很好地詮釋了花楸屬植物對高海拔環(huán)境的響應(yīng)，對闡釋花楸屬植物在葉解剖性狀上的進化關(guān)系及其環(huán)境適應(yīng)性具有重要意義。