2種生境下翠蘆莉營(yíng)養(yǎng)器官解剖比較

陸 晴，朱栗瓊，賓思晨，呂佳峻，楊鳳蘭

（1.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007）

根、莖和葉都屬于植物的營(yíng)養(yǎng)器官，能夠維持植物的生命活動(dòng)。其中植物主要依靠根和莖吸收、運(yùn)輸水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過葉完成光合作用，為植物體生產(chǎn)有機(jī)物［1］。當(dāng)植物在特定環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的變化來適應(yīng)環(huán)境。植物營(yíng)養(yǎng)器官的解剖結(jié)構(gòu)可以反映植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的情況，在一定程度上顯示出其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略和能力。影響植物的環(huán)境因子主要包括溫度、光照、水分、土壤、大氣及其他生物有機(jī)體。在不同水分的環(huán)境中，植物的組織結(jié)構(gòu)特征會(huì)發(fā)生適應(yīng)性改變，其結(jié)構(gòu)特征通常可作為評(píng)價(jià)植物抗旱性能的重要標(biāo)準(zhǔn)［2］。

翠蘆莉（Ruellia brittoniana），又名蘆莉草、藍(lán)花草，屬于爵床科（Acanthaceae）多年生常綠草本植物，其具有高性或者矮性，花期從春到秋，果期為夏秋。對(duì)光照要求不嚴(yán)格，全日照或半日照均適宜生長(zhǎng)，生長(zhǎng)適溫為22～30 ℃。翠蘆莉具有比較強(qiáng)的抗逆性，其抗旱、耐澇且耐輕鹽堿，常用于街道和公園的綠化［3］。

目前關(guān)于翠蘆莉的研究多在水污染凈化［4-5］以及耐澇性［6］、耐旱性［7-8］等方面。翠蘆莉作為園林景觀營(yíng)造中觀賞價(jià)值較高的夏季花卉，其營(yíng)養(yǎng)器官的解剖結(jié)構(gòu)研究還未見報(bào)道。翠蘆莉在水、旱兩種環(huán)境中都長(zhǎng)勢(shì)良好，推測(cè)其根莖或葉器官中具有與水生和旱生環(huán)境相適應(yīng)的解剖學(xué)構(gòu)造特征,其與水輸送、貯存與散失等有關(guān)結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)特點(diǎn)仍有待進(jìn)一步深入研究。本研究以水生和旱生2種生境中生長(zhǎng)的翠蘆莉?yàn)閷?duì)象，進(jìn)行了解剖學(xué)的比較，探討了翠蘆莉營(yíng)養(yǎng)器官的結(jié)構(gòu)特征與環(huán)境變化之間的關(guān)系，以期為翠蘆莉推廣栽培及生態(tài)適應(yīng)性的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

翠蘆莉采集自南寧市廣西大學(xué)校園內(nèi)，南寧市屬于濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光充足，全年雨量充沛，年平均氣溫在21.6 ℃左右。水生樣地土壤含水量大于20%，為沿水下沉式綠地；旱生樣地土壤濕度小于15%，土壤板結(jié)且受到道路硬質(zhì)鋪裝影響。于2019年10月初進(jìn)行翠蘆莉植物樣本采集，選擇魚塘旁被水淹的栽植點(diǎn)為水生樣地，干旱環(huán)境樣地選擇建筑垃圾填埋地、土層瘠薄的栽植點(diǎn)。在水生和旱生2種生境下各選擇6株長(zhǎng)勢(shì)中等的植株，以距植株基部20～30 cm為半徑挖掘整株植株。取離頂芽第3～4對(duì)的成熟葉片，保留中脈，剪取葉的中間部分，大小約4 mm×5 mm。選取每株植物顏色新鮮的須狀根中下部各5條，取離根尖處5～6 cm；莖截取中部均勻段，再將根、莖切成1 cm左右小段；最后將植物材料保存到FAA固定液中。

1.2 制片方法

將完全脫色后的植物材料用不同濃度的乙醇脫水，經(jīng)過浸蠟后用常規(guī)石蠟切片法切片，切片厚度為5 μm；經(jīng)番紅—固綠雙重染色，用中性樹膠迅速封片［9］。最后用光學(xué)顯微鏡觀察并拍照，拍攝視野不少于30個(gè)。

葉表皮微觀形態(tài)采用離析法制片。將樣本放入FAA液中固定7 d，取出后使用蒸餾水沖洗干凈表面的殘留，將其浸泡在H2O2和冰醋酸（體積比為1:1）溶液中，60 ℃水浴加熱至葉片變白、產(chǎn)生氣泡后，撕取葉表皮，用小毛刷去除葉肉組織。使用1%番紅溶液染色并裝片，用Nikon E100光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察并拍照。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用Image J軟件測(cè)量數(shù)據(jù)，各指標(biāo)均以30個(gè)視野中隨機(jī)測(cè)量和觀察的30個(gè)數(shù)值的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根解剖結(jié)構(gòu)的比較

2.1.1 根解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)觀察 觀察發(fā)現(xiàn)，翠蘆莉幼根橫切結(jié)構(gòu)為初生結(jié)構(gòu)（圖1），由表皮、皮層、維管柱三部分組成。其中表皮細(xì)胞只有1層，已經(jīng)死亡并木栓化，位于最外層形成根被。皮層是位于表皮之內(nèi)維管束之外的多層薄壁細(xì)胞，旱生環(huán)境中翠蘆莉的皮層數(shù)為20～22層，薄壁細(xì)胞排列較為整齊，形狀較規(guī)則，多為圓形或長(zhǎng)方形，細(xì)胞大小不一；水生環(huán)境中翠蘆莉的皮層數(shù)比旱生環(huán)境多，為32～34層，薄壁細(xì)胞形狀較規(guī)則，多為圓形，排列沒有前者整齊。維管柱是內(nèi)皮層以內(nèi)的部分，主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸水分和光合產(chǎn)物，包括初生木質(zhì)部、初生韌皮部、結(jié)合組織、中柱鞘和髓。2種生境中翠蘆莉的木質(zhì)部中的木射線明顯，導(dǎo)管口徑大小不一，水生環(huán)境中翠蘆莉的導(dǎo)管比旱生環(huán)境多且排列呈線狀分布。維管柱中央具有由薄壁細(xì)胞組成的髓，水生環(huán)境中翠蘆莉的髓比旱生環(huán)境稍大。

2.1.2 根解剖結(jié)構(gòu)的量化參數(shù)比較 經(jīng)方差分析，2種生境下翠蘆莉的皮層厚度、皮層和髓所占根半徑比例差異顯著，表皮、維管束、髓厚度差異不顯著（圖2）。與水生環(huán)境相比，旱生環(huán)境中翠蘆莉根的皮層厚度和皮層所占比例顯著減小，髓厚度所占比例顯著增加。水生環(huán)境和旱生環(huán)境下翠蘆莉根的皮層厚度分別為（905.94±148.13） μm和（740.09±74.25） μm，皮層所占比例分別為69.17%±4%和63.02%±4.35%。水生環(huán)境植株在這2個(gè)指標(biāo)上均顯著高于旱生環(huán)境，且前者的皮層厚度和皮層所占比例分別是后者的1.22倍和1.10倍。2種生境中髓的厚度雖無明顯差異，但旱生環(huán)境下髓所占比例（17.13%±2.67%）是水生環(huán)境下（13.29%±2.28%）的1.29倍，具有顯著性差異。

2.2 莖解剖結(jié)構(gòu)的比較

2.2.1 莖初生解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)觀察 翠蘆莉初生莖解剖結(jié)構(gòu)見圖3，均由表皮、皮層、中柱三部分組成，其中表皮由1層細(xì)胞組成，形狀橢圓形且排列整齊而緊密，表皮外附有角質(zhì)層。皮層包含皮層薄壁組織和厚角組織，靠近表層的厚角組織細(xì)胞較小，大小近似表皮細(xì)胞。旱生環(huán)境下翠蘆莉的厚角組織由6～7層細(xì)胞構(gòu)成，皮層薄壁組織由8～9層細(xì)胞構(gòu)成；水生環(huán)境下翠蘆莉的厚角組織由5～6層細(xì)胞構(gòu)成，皮層薄壁組織由9～10層細(xì)胞構(gòu)成。兩者中柱均由維管束、髓和髓射線組成，其中維管束由初生木質(zhì)部、束間形成層和初生韌皮部組成。髓射線清晰可見，髓位于莖中心部位，由薄壁細(xì)胞組成，厚度較大。

2.2.2 莖初生解剖結(jié)構(gòu)的量化參數(shù)比較 經(jīng)方差分析，2種生境下翠蘆莉的角質(zhì)層厚度、表皮厚度、維管束厚度、初生韌皮部厚度、初生木質(zhì)部厚度和初生木質(zhì)部與維管束的比例存在顯著性差異（圖4）。與水生環(huán)境相比，旱生環(huán)境下翠蘆莉的角質(zhì)層、維管束、初生韌皮部、初生木質(zhì)部、初生木質(zhì)部與維管束的比例明顯增加。旱生環(huán)境下翠蘆莉的角質(zhì)層厚度為（6.57±1.31） μm，為水生環(huán)境的1.32倍。旱生環(huán)境和水生環(huán)境下翠蘆莉的維管束厚度分別為（139.22±26.02） μm和（114.38±22.59） μm，初 生 木 質(zhì) 部 分 別 為（80.87±13.54） μm和（53.19±19.56） μm，初生木質(zhì)部與維管束的比例分別為58.67%±7.08%和46.02%±10.91%，前者均顯著高于后者。雖然旱生環(huán)境下的翠蘆莉初生韌皮部厚度為（28.29±6.67） μm，比水生環(huán)境厚5.48 μm，但兩者的初生韌皮部與維管束的比例并無顯著差異。旱生環(huán)境下翠蘆莉的表皮細(xì)胞厚度低于水生環(huán)境，分別為（12.30±1.87） μm和（14.22±3.31） μm。

2.3 葉解剖結(jié)構(gòu)的比較

2.3.1 葉解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)觀察 翠蘆莉葉結(jié)構(gòu)由表皮、葉肉、葉脈組成（圖5）。其中表皮包含上、下表皮，表皮均有雙環(huán)形氣孔器呈不規(guī)則分布，并覆有厚薄不等的角質(zhì)層，上角質(zhì)層比下角質(zhì)層厚。表皮細(xì)胞為1層，形狀為規(guī)則的方形，排列緊密。通過對(duì)比可知，水生環(huán)境下翠蘆莉的表皮細(xì)胞明顯大于旱生環(huán)境。葉肉組織發(fā)達(dá)，為異面葉，明顯分化出柵欄組織和海綿組織。葉片的海綿組織由2～3層細(xì)胞組成，細(xì)胞大小不等，近圓形，含有葉綠體，細(xì)胞排列疏松，有間隙；旱生環(huán)境下翠蘆莉的海綿組織排列比較雜亂，而水生環(huán)境下排列得較規(guī)則且部分海綿組織發(fā)育成發(fā)達(dá)的儲(chǔ)水組織。2種生境下翠蘆莉的柵欄組織均為2層，上層長(zhǎng)柱狀，下層短柱狀。但旱生環(huán)境中的翠蘆莉柵欄組織排列較為疏松；水生環(huán)境下的柵欄組織排列較為緊密，且含有較多葉綠體，葉綠體多分布在邊緣。二者葉片主脈發(fā)達(dá)，由角質(zhì)層、表皮、厚壁組織、薄壁細(xì)胞和維管束構(gòu)成。主脈表皮外被角質(zhì)層，厚壁組織2～3層，薄壁細(xì)胞6～8層。維管束形狀較為相似，均為長(zhǎng)橢圓形，導(dǎo)管呈徑向放射排列，但旱生環(huán)境下翠蘆莉的維管束比水生環(huán)境長(zhǎng)。

2.3.2 葉表皮氣孔量化參數(shù)比較 由表1可知，2種生境中的翠蘆莉葉片氣孔指標(biāo)有差異，從氣孔指數(shù)方面來看，旱生環(huán)境下翠蘆莉的上、下表皮氣孔指數(shù)均較大，分別是0.10±0.29和30.57±3.27，顯著高于水生環(huán)境下的0.04±0.09和28.33±3.39。從氣孔密度方面來看，旱生環(huán)境下翠蘆莉的氣孔密度較大，平均每個(gè)視野內(nèi)有255.40±30.22個(gè)氣孔，顯著高于水生環(huán)境。從氣孔的大小來看，兩者氣孔長(zhǎng)度無顯著差異，但旱生環(huán)境下翠蘆莉的氣孔寬度顯著高于水生環(huán)境。

表1 2種生境中翠蘆莉葉表皮氣孔特征比較

2.3.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)量化參數(shù)比較 2種生境中的翠蘆莉葉片在葉片、上角質(zhì)層、上下表皮、柵欄組織、海綿組織的厚度、柵海比、葉片結(jié)構(gòu)緊密度、葉片結(jié)構(gòu)疏松度及主脈維管束長(zhǎng)度上均存在顯著性差異，而下角質(zhì)層、主脈厚度和主脈維管束寬度無顯著差異(表2)。水生環(huán)境下翠蘆莉葉片厚度是旱生環(huán)境的1.08倍，上表皮細(xì)胞厚度是后者的1.76倍，下表皮細(xì)胞厚度是1.62倍，海綿組織厚度是1.24倍，葉片疏松度是1.14倍。旱生環(huán)境下翠蘆莉的上角質(zhì)層厚度是水生環(huán)境的1.14倍，柵欄組織厚度是后者的1.51倍，主脈維管束長(zhǎng)度是1.49倍。旱生環(huán)境下翠蘆莉的柵欄組織厚度、柵海比、葉片結(jié)構(gòu)緊密度均大于水生環(huán)境，說明旱地環(huán)境中翠蘆莉葉片的柵欄組織排列更緊密且更發(fā)達(dá)。

表2 2種生境中翠蘆莉葉片解剖結(jié)構(gòu)特征比較

2.3.4 葉片解剖特征可塑性比較 通過計(jì)算得到不同生境翠蘆莉葉片解剖結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)和可塑性指數(shù)（表3），結(jié)果表明：葉片厚度、角質(zhì)層厚度、上表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度的變異系數(shù)及可塑性指數(shù)均表現(xiàn)為旱生環(huán)境中的較大。從葉片大部分解剖結(jié)構(gòu)和葉片整體平均水平來看，在旱生環(huán)境中，翠蘆莉葉片結(jié)構(gòu)變異較大，說明它適應(yīng)了更加多樣化的生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，2種生境中葉片的主脈維管束長(zhǎng)度的變異系數(shù)和可塑性指數(shù)都最大，說明主脈維管束長(zhǎng)度更易對(duì)環(huán)境變化做出改變，可作為一個(gè)較好的指標(biāo)用于評(píng)價(jià)植物的環(huán)境適應(yīng)能力。旱生環(huán)境中翠蘆莉的葉片結(jié)構(gòu)緊密度變異系數(shù)最低，主脈厚度可塑性指數(shù)最低；水生環(huán)境中翠蘆莉葉片厚度的變異系數(shù)和可塑性指數(shù)最低，可認(rèn)為是較穩(wěn)定的系統(tǒng)演化性狀。

表3 不同生境翠蘆莉葉片解剖結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)和可塑性指數(shù)

3 結(jié)論與討論

植物為了適應(yīng)干旱環(huán)境，會(huì)通過減小根皮層數(shù)目及皮層厚度的方式來減小水分運(yùn)輸?shù)木嚯x及阻力，從而提高水分的運(yùn)輸速率［10］。翠蘆莉的幼根為初生結(jié)構(gòu)，表皮細(xì)胞木栓化，保護(hù)性強(qiáng)，可防止根內(nèi)部水分過度散失。維管柱中的髓主要用于儲(chǔ)存水分和保護(hù)維管組織，因此發(fā)達(dá)的髓可以幫助提高植株的儲(chǔ)水能力。在本研究中，旱生環(huán)境下翠蘆莉根的皮層厚度顯著低于水生環(huán)境，髓占維管束的比例顯著高于水生環(huán)境。由此可說明旱生環(huán)境下翠蘆莉通過減小皮層厚度來提升水分運(yùn)輸效率，并通過增加髓占維管束比例的方式來儲(chǔ)藏水分，從而適應(yīng)干旱。

植物莖內(nèi)發(fā)達(dá)的維管組織、韌皮部、木質(zhì)部和髓都具有很強(qiáng)的輸導(dǎo)作用，從而使水分得到高效運(yùn)輸［11-12］。翠蘆莉莖為四棱形，皮層的厚角組織可起到支持作用［13］。角質(zhì)層作為一個(gè)屏障，能夠有效地減緩植物體內(nèi)水分的流失，莖的角質(zhì)層越厚，抵抗干旱和強(qiáng)光的能力越強(qiáng)［14-15］。翠蘆莉在旱生環(huán)境中莖的角質(zhì)層較厚，抵抗干旱能力增強(qiáng)。旱生環(huán)境下翠蘆莉的莖維管束厚度、初生韌皮部厚度、初生木質(zhì)部厚度均高于水生環(huán)境，說明旱生環(huán)境下翠蘆莉的莖具有更強(qiáng)的輸導(dǎo)能力，水分運(yùn)輸效率較高。

葉片大面積暴露在環(huán)境中，是發(fā)生光合作用和呼吸作用的主要場(chǎng)所，易受到環(huán)境條件的影響而發(fā)生葉片結(jié)構(gòu)特征上的變化［16］。因此，可以通過分析葉片的解剖結(jié)構(gòu)來反映植物對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力。植物體內(nèi)大量的水分會(huì)通過葉片氣孔在蒸騰作用中散失，氣孔的規(guī)格以及密度都會(huì)影響蒸騰效率，因此，耐旱植物會(huì)表現(xiàn)出植物葉片氣孔密度變大的典型特征［17-18］。旱生環(huán)境下翠蘆莉的氣孔密度較大，符合這一特征。同時(shí)，旱生環(huán)境中翠蘆莉的葉片上角質(zhì)層較厚，能夠減少水分散失，增強(qiáng)保水能力。柵欄組織和海綿組織會(huì)影響植物抗旱性的強(qiáng)弱，植物抗旱性會(huì)隨柵欄組織厚度的增加而增強(qiáng)，隨海綿組織厚度增加而減弱［19］。發(fā)達(dá)的柵欄組織通常可以提高水分自輸導(dǎo)組織至表皮的運(yùn)輸效率，降低蒸騰耗散；提高光能利用效率，避免高溫和光照對(duì)植物的傷害［20］。因此，旱生環(huán)境下的翠蘆莉柵欄組織較厚、葉片緊密度較高，能更有效地利用水分和光能，抗旱性更強(qiáng)。葉片結(jié)構(gòu)疏松度是指海綿組織厚度占葉片厚度的比例，一般來說，疏松度越大，抗旱能力就越弱［21］。在水生環(huán)境下，翠蘆莉的海綿組織厚度及葉片結(jié)構(gòu)疏松度較大，說明在土壤水分含量較高的水生環(huán)境中，翠蘆莉抗旱性相對(duì)減弱。柵海比大于1的植物通常被認(rèn)為是典型的抗旱性植物［9］。旱生環(huán)境下翠蘆莉柵海比大于1，屬于抗旱性植物。葉脈結(jié)構(gòu)不僅為葉片提供機(jī)械支撐、保障葉片生理機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還負(fù)責(zé)將水分轉(zhuǎn)運(yùn)至葉片各細(xì)胞中。王樹森等［22］認(rèn)為發(fā)達(dá)的葉脈有利于植物在干旱環(huán)境中生存。旱生環(huán)境下翠蘆莉的葉片主脈維管束結(jié)構(gòu)要比水生環(huán)境更發(fā)達(dá)，從而能夠更好地適應(yīng)缺水環(huán)境。綜上所述，在旱生環(huán)境下，翠蘆莉的葉片解剖結(jié)構(gòu)上主要表現(xiàn)為以較大的氣孔密度，較厚的角質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度及更大的主脈維管束長(zhǎng)度來適應(yīng)高溫、干旱環(huán)境。

變異系數(shù)法和可塑性指標(biāo)可用于反映植物對(duì)周圍環(huán)境的自我適應(yīng)性，變異系數(shù)反映物種的潛在適應(yīng)能力，而可塑性指標(biāo)則反映物種克服自然環(huán)境異質(zhì)化的能力，指標(biāo)的數(shù)值愈大，表示植物適應(yīng)自然環(huán)境的能力愈強(qiáng)［23］。因此，旱生環(huán)境中的翠蘆莉葉片結(jié)構(gòu)變異系數(shù)較大，即適應(yīng)了變化性更多樣的生境。在所有解剖結(jié)構(gòu)中，主脈維管束長(zhǎng)度的變異性和可塑性較高，表明主脈維管束在長(zhǎng)度上的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，更容易根據(jù)環(huán)境的變化做出改變，這在翠蘆莉葉片適應(yīng)不同生境中起著非常重要的作用，是翠蘆莉能夠適應(yīng)環(huán)境的重要結(jié)構(gòu)。2種生境下翠蘆莉葉片各解剖結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)和可塑性指數(shù)的不同，說明翠蘆莉適應(yīng)于多樣化生境的策略與其葉片解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的變異性與靈活性密切相關(guān)。

綜上，翠蘆莉在水生和旱生環(huán)境中生長(zhǎng)良好，反映在營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)上均有各自適應(yīng)不同環(huán)境的策略，表明該植物生態(tài)幅較寬，同時(shí)能形成穩(wěn)定的景觀效益，是本氣候區(qū)域中一種優(yōu)秀的綠化植物，值得推廣應(yīng)用。