光照脅迫對栓皮櫟幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

趙國華，李 廈，尤海舟，馬 闖

(1.承德市灤平國有林場總場，河北灤平 068250；2.河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，河北石家莊 050061；3.河北豐寧沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，河北豐寧 068357；4.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300380)

栓皮櫟(Quercusvariabilis)隸屬于殼斗科櫟屬，分布范圍廣泛，是我國暖溫帶落葉闊葉林和亞熱帶常綠落葉闊葉混交林的重要組成樹種，但隨著全球氣候變化，分布面積逐年減少，穩(wěn)定性遭到破壞[1]。目前學(xué)者對栓皮櫟的研究主要集中于生態(tài)學(xué)特性、地理分布、資源培育與綜合利用等方面[1-3]，未來研究重點為殘敗次生櫟林的恢復(fù)，林下實生更新是恢復(fù)的關(guān)鍵。馬莉薇等[2]研究發(fā)現(xiàn)，幼苗生長喜光，但栓皮櫟種群中上層大樹枝繁葉茂，直接降低了栓皮櫟2～3年生幼苗的成活率，因此，研究光照脅迫對栓皮櫟的影響具有重要意義。

光照是影響植物形態(tài)和功能的重要因子，對植物的生長、發(fā)育和演化具有重要作用[4]，植物在遭受光脅迫時，通常會在根、莖、葉等形態(tài)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出一系列適應(yīng)性特征。 葉片作為植物生長發(fā)育過程中可塑性較強的器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特別是解剖結(jié)構(gòu)特征的變化與植物的耐陰性密切相關(guān)，有研究表明，隨著遮陰程度的加重，核桃葉片上下表皮厚度、海綿組織、柵欄組織厚度、海綿組織/柵欄組織均顯著降低[5]。長期遮陰處理下，多脈青岡和金葉含笑新生葉的葉片表皮細(xì)胞變薄，柵欄組織厚度減小，排列疏松，海綿組織厚度相對增加，新生葉葉片解剖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了適應(yīng)性變化[6]。隨著遮陰程度的增加，白三葉葉片面積、上表皮細(xì)胞厚度、海綿組織厚度增加，其余解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)減小[7]。由此可見，光照脅迫對不同樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響不同，開展光照脅迫下葉片解剖結(jié)構(gòu)特征研究有助于進一步揭示植物對遮陰環(huán)境的形態(tài)響應(yīng)與適應(yīng)機制。因此，筆者設(shè)置3個等級光照脅迫，對栓皮櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)進行研究，分析栓皮櫟葉片對光照脅迫的適應(yīng)性和反應(yīng)機制，旨在為提高栓皮櫟幼年實生苗成活率及增加產(chǎn)量提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況試驗于2019年6月至2020年10月在河北省易縣洪崖山國有林場管理局七里亭示范場苗圃進行，地理位置115°2′E，39°32′N。該區(qū)屬于北溫帶亞濕潤氣候，為典型的大陸性氣候，冬季和春季多風(fēng)，夏季降雨集中，且多暴雨。年均氣溫11.8 ℃，年均降水量623.0 mm，土壤主要是在砂頁巖坡積物上發(fā)育的山地淋溶褐土和山地粗骨性褐土，質(zhì)地為壤土或砂壤土。

1.2 試驗材料于2019年6月20日對2年生長勢良好、健康、無病害的栓皮櫟苗木進行遮陰網(wǎng)遮陰設(shè)計處理，設(shè)置3個光照脅迫梯度，選取3種不同透光率的遮陰網(wǎng)進行遮陰：處理C1，3針遮陽網(wǎng)(透光率45%)；處理C2，6針遮陽網(wǎng)(透光率25%)；處理C3，3針+6針遮陽網(wǎng)(透光率8%)；CK，全光照。通過6400光合測定系統(tǒng)測定各處理的光照強度。每處理不少于50株，試驗進行至2020年生長季末，在試驗期間對每個處理苗木進行相同的日常管護。2020年8月摘取各處理生長健康、長勢均勻的帶枝條新鮮葉片數(shù)枚，于葉面噴施少量保水劑，保存于透明密封袋中，4 ℃低溫條件下運送至天津農(nóng)學(xué)院。

1.3 試驗方法試驗采用石蠟切片法，將4個梯度下栓皮櫟葉片處理后，制成石蠟切片，在Leica DM4000 B 生物顯微鏡下觀察其解剖結(jié)構(gòu)，然后使用LAS V4.5軟件對葉片柵欄組織、海綿組織、上下表皮厚度、葉片厚度、葉脈直徑進行測量，每組數(shù)據(jù)3次重復(fù)。計算柵欄組織厚度/海綿組織厚度，并按下式計算結(jié)構(gòu)緊密度：結(jié)構(gòu)緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度。

1.4 數(shù)據(jù)處理先采用Microsoft Excel 2010導(dǎo)入和整理數(shù)據(jù)，然后采用SPSS 18.0軟件對栓皮櫟不同光照脅迫下的上表皮、下表皮、柵欄組織、海綿組織、葉片厚度、主脈直徑厚度進行單因素方差分析，在α=0.05水平上進行一維方差統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行多重比較，判斷差異顯著性，最后采用sigmaplot12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮陰處理下栓皮櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)將制作完成的石蠟切片置于生物顯微鏡下觀察，結(jié)果見圖1。從圖1可以觀察到栓皮櫟4個處理的上下表皮呈單層細(xì)胞排列，排列緊密，上表皮細(xì)胞大于下表皮細(xì)胞。柵欄組織和海綿組織分化明顯，柵欄組織緊挨上表皮，海綿組織緊挨下表皮。圖2為主脈結(jié)構(gòu)。

注：UE.上表皮；LE.下表皮；PA.柵欄組織；SP.海綿組織；VB.維管束Note：UE.Upper epidermis;LE.Lower epidermis;PA.Fence tissue;SP.Sponge tissue;VB.Vascularburndle圖1 栓皮櫟表皮與葉肉解剖結(jié)構(gòu)(標(biāo)尺：100 μm)Fig.1 Anatomical structure of epidermis and mesophyll of Quercus variabilis(Scale:100 μm)

2.2 光照脅迫對栓皮櫟幼苗葉片上、下表皮厚度的影響從圖3可見，在不遮陰處理(CK)下，栓皮櫟幼苗葉片上表皮厚度為(22.45±2.57) μm，下表皮厚度為(7.32±0.19) μm。不同程度光照脅迫均造成栓皮櫟上、下表皮厚度顯著減少，與CK相比，C1、C2、C3處理使栓皮櫟上表皮厚度分別減小18.10%、19.80%和29.84%，下表皮厚度分別減少12.94%、19.45%、28.17%。C1和C2、C2和C3處理間上、下表皮間厚度差異均不顯著，C1處理上、下表皮厚度顯著高于C3。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)圖3 不同光照脅迫下栓皮櫟幼苗葉片上、下表皮厚度Fig.3 Thickness of upper and lower epidermis of Quercus variabilis leaves under different light stress

2.3 光照脅迫對栓皮櫟幼苗葉片厚度、主脈直徑的影響由表1可知，CK的栓皮櫟葉片厚度為157.28 μm，與CK相比，各光照脅迫處理均會造成栓皮櫟葉片厚度顯著減少(P<0.05)，C1、C2、C3處理的栓皮櫟葉片厚度分別降低12.87%、24.19%、25.49%。C2和C3處理栓皮櫟葉片厚度間差異不顯著，C1和C3處理間差異顯著。CK的栓皮櫟主脈直徑為1 119.02 μm。遮陰處理可使栓皮櫟主脈直徑顯著下降(P<0.05)，與CK相比，C1、C2、C3處理的栓皮櫟主脈直徑分別下降5.08%、12.92%、14.54%，且不同處理間主脈直徑差異顯著性變化與葉片厚度一致。

表1 不同光照脅迫下栓皮櫟葉片厚度和主脈直徑

2.4 光照脅迫對栓皮櫟幼苗葉片海綿組織和柵欄組織的影響從圖4可以看出，在CK處理下，栓皮櫟幼苗葉片海綿組織細(xì)胞厚度為(57.90±2.32) μm，柵欄組織細(xì)胞厚度為(65.65±1.12) μm。與CK相比，C1處理栓皮櫟葉片海綿組織厚度增加了7.50 μm，C2、C3處理降低6.06%、19.67%，C1、C2、C3處理柵欄組織細(xì)胞厚度分別降低14.23%、25.87%、36.29%。與CK相比，C1處理栓皮櫟海綿組織細(xì)胞厚度差異不顯著，C3處理顯著降低；C3與C1處理間海綿組織細(xì)胞厚度差異顯著。栓皮櫟葉片海綿組織和柵欄組織細(xì)胞厚度均隨光照脅迫的增加呈顯著降低趨勢(P<0.05)。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)圖4 不同光照脅迫下栓皮櫟幼苗葉片海綿組織和柵欄組織的細(xì)胞厚度Fig.4 Cell thickness of palisade tissue and sponge tissue of Quercus variabilis seedlling under different light stress

2.5 光照脅迫對栓皮櫟葉片柵欄組織厚度/海綿組織厚度和結(jié)構(gòu)緊密度的影響由表2可知，隨著光照脅迫的增強，栓皮櫟葉片柵欄組織厚度/海綿組織厚度呈波動式變化，結(jié)構(gòu)緊密度(柵欄組織/葉片厚度)均表現(xiàn)不同程度的降低。CK柵欄組織厚度大于海綿組織厚度，隨著光照強度減弱，柵欄組織厚度逐漸小于海綿組織厚度。一般而言，葉片柵欄組織越厚，細(xì)胞排列越緊密，海綿組織越厚，細(xì)胞排列越疏松，說明不同程度光照脅迫下，栓皮櫟葉片柵欄組織厚度下降趨勢大于海綿組織厚度。

表2 不同光照脅迫下栓皮櫟幼苗葉片柵欄組織/海綿組織、結(jié)構(gòu)緊密度

3 結(jié)論與討論

一般來說，葉片厚度增加、表皮結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)和柵欄組織發(fā)達(dá)是適應(yīng)強光和旱生葉片的典型特征，而葉片變薄、海綿組織疏松通氣則是葉片適應(yīng)弱光和水分供給充足環(huán)境的一種適應(yīng)特性[8]。該研究中，栓皮櫟葉片細(xì)胞通過改變自身結(jié)構(gòu)來適應(yīng)弱光環(huán)境，葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、柵欄組織厚度/海綿組織厚度隨著光照脅迫程度的增強呈現(xiàn)降低趨勢，海綿組織厚度隨著光照脅迫程度的減弱呈現(xiàn)先增加后降低的特點。

3.1 光照脅迫對表皮厚度和主脈直徑的影響葉片上下表皮由一層扁平長橢圓形保衛(wèi)細(xì)胞組成，無色透明，有利于光線進入，細(xì)胞不規(guī)則，彼此嵌合，排列緊密，且下表皮細(xì)胞厚度較低。葉片表皮細(xì)胞通過改變自身結(jié)構(gòu)來適應(yīng)弱光環(huán)境，光照越弱，對葉片表皮厚度影響越大，通過降低葉片厚度來提高自身光能利用效率，有逐漸趨于陰生葉的趨勢[9]。李冬林等[10]研究光照脅迫對連香樹幼苗光合特性及葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響，王家保等[11]研究光照脅迫對番茄幼苗葉片影響時也得到與該研究同樣的結(jié)果。

主脈是葉片疏導(dǎo)組織，主要運送水和無機鹽等，其在遮陰較弱時，葉片為保持水分、無機鹽等運輸?shù)姆€(wěn)定性，積極適應(yīng)光照環(huán)境改變，耐性較強，但隨光照脅迫程度逐漸增強，對葉片主脈影響也變大[12]。這與覃鳳飛等[13]對光照脅迫條件下3個不同秋眠型紫花苜蓿品種葉片解剖研究結(jié)果一致，而薛黎等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著光照脅迫程度的增強，閩楠幼苗光合及其葉片主脈有增大趨勢。

3.2 光照脅迫對柵欄組織和海綿組織的影響柵欄組織是葉肉組織的一部分，位于葉片上表皮下方，呈長棒狀結(jié)構(gòu)，排列緊密，對葉片起著支撐作用，且葉綠體含量豐富，是進行光合作用的主要場所。相關(guān)研究表明[15]，方形或橢圓形的柵欄細(xì)胞可提高近軸面和側(cè)面葉綠體數(shù)量，有利于進行光合作用。該研究發(fā)現(xiàn)，光照脅迫程度增強會使栓皮櫟葉片柵欄組織厚度顯著減小，說明栓皮櫟通過降低葉片柵欄組織厚度來適應(yīng)弱光環(huán)境，使葉綠體含量增加，從而促進光合作用。原慧芳等[16]研究土沉香幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)對光的適應(yīng)性變化規(guī)律，楊文權(quán)等[7]研究不同光照脅迫處理下白三葉葉片解剖結(jié)構(gòu)，均發(fā)現(xiàn)隨光照環(huán)境減弱，柵欄組織厚度顯著下降。

海綿組織也屬于葉肉組織，位于柵欄組織和下表皮之間，細(xì)胞大小和形狀不規(guī)則，有時形成短臂狀凸起，并相互連接形成較大的細(xì)胞間隙，有利于水分蒸騰及氣體交換。一般認(rèn)為，在弱光環(huán)境下，葉片趨于陰生葉特征，海綿組織發(fā)達(dá)，這對減少光量子投射損失，提高弱光環(huán)境下光量子利用效率具有重要意義[17]。李萍[12]對3種卷瓣鳳梨中“格拉齊”的海綿組織研究和王榮等[18]對遮陰下楓香幼苗的研究結(jié)果均表明，隨著遮陰程度的增加，海綿組織厚度呈增大趨勢。該試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，栓皮櫟海綿組織厚度也隨著遮陰程度的增加呈先增加后降低趨勢。