4種槭樹葉功能性狀及其關(guān)系對季節(jié)變化的響應(yīng)

劉 陽許麗穎*魏統(tǒng)超申瀾懿劉斗南劉 月

（1.牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，牡丹江 157011；2.牡丹江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，牡丹江 157011；3.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點實驗室，哈爾濱 150040；4.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，長春 130033）

葉片是植物地上部分獲取資源的主要器官，由于長期暴露在外界環(huán)境中其形態(tài)性狀（主要包括葉大小、面積、厚度、葉脈和氣孔性狀等）能夠反映植物對環(huán)境變化的響應(yīng)［1-3］。在生長發(fā)育各階段，植物葉片的資源獲取方式不同，導(dǎo)致葉片形態(tài)有很大差異。如春季葉片通過迅速伸展增加葉片面積來提高光資源的獲?。幌募局参锸艿狡渌仓昙白陨砣~片遮擋，光資源減少，更多的光合產(chǎn)物用來構(gòu)建葉片，以應(yīng)對更復(fù)雜的生境；秋季葉片光合作用能力減弱，營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，這些變化很大程度上造成葉片性狀在不同環(huán)境中的變化［4-6］。以往研究發(fā)現(xiàn)，植物葉性狀會隨季節(jié)變化發(fā)生改變［7］，如葉厚度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)增厚—穩(wěn)定—變薄的趨勢［8-10］，比葉面積隨季節(jié)變化先減小后增大［11-12］。Jurik［13］，Ai Haj Khaled 等［14］和Sack 等［15］分別揭示了季節(jié)變化下，植物的光合能力、葉片干物質(zhì)含量、比葉面積的變化趨勢，還發(fā)現(xiàn)氣孔密度隨時間增加呈現(xiàn)駝峰型變化。但是，以往很少針對彩葉植物的葉性狀進行系統(tǒng)研究。

槭樹是一種重要的園林植物，極具觀賞性，它隨季節(jié)變化會呈現(xiàn)多彩的葉色，以往關(guān)于槭樹的研究多集中于其葉片呈色機理（包括生理層面、環(huán)境影響以及分子層面），槭樹葉片變色的生理變化研究主要集中在植物色素、可溶性糖等方面［16-18］。植物葉綠體的數(shù)量、分布以及結(jié)構(gòu)的變化影響植物色素的合成與分解，進而影響植物光合作用［19-20］。有研究指出，葉脈性狀與葉片大小有關(guān)，葉脈密度與植物光合速率緊密相關(guān)，生長在不同密度的黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）葉綠素質(zhì)量分數(shù)與葉厚度均正相關(guān)［15，21］。有關(guān)槭樹葉片的形態(tài)性狀與色素質(zhì)量分數(shù)之間在不同季節(jié)條件下是否具有一致的變化尚不清楚。本研究選取東北地區(qū)常見的4 種槭樹五角槭（Acer pictumsubsp.mono）、茶條槭（A.tataricumsubsp.ginnala.）、糖槭（A.saccharum）、白牛槭（A.mandshuricum）為研究對象，研究其葉片性狀及光合色素質(zhì)量分數(shù)對季節(jié)變化的響應(yīng)，并進一步分析葉片形態(tài)性狀和光合色素質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系，以此來探究彩葉植物葉片性狀對季節(jié)變化的響應(yīng)策略，也為彩葉植物在城市園林景觀中更好地應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省牡丹江市牡丹江師范學(xué)院植物園（44°59′N，129°56′E），平均海拔230 m，年平均氣溫4.3 ℃，1 月最冷，平均氣溫-17 ℃，極端最低氣溫可達-35 ℃；7月最熱，平均氣溫22 ℃，曾出現(xiàn)過38 ℃的極端最高氣溫。年均降水540 mm左右，年日照平均2 305 h。植物園內(nèi)土壤類型為黑色棕壤土，土壤pH6.41，總碳23.05 g·kg-1，總氮3.14 g·kg-1，總磷0.62 g·kg-1，總鉀28.67 g·kg-1，有效氮 71.54 mg·kg-1，有效磷52.35 mg·kg-1，有效鉀58.48 mg·kg-1。

1.2 取樣

選取植物園中槭樹科（Aceraceae）的4 種彩葉植物（五角槭（AP）、茶條槭（AG）、糖槭（AS）、白牛槭（AM）），于2020年5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）晴朗天氣的09：30—12：00對植物葉片進行取樣。每次取樣，每一樹種選取4棵胸徑、樹高、冠幅一致的植株做標(biāo)記，以減少由于植物個體樹齡差異造成影響。選取的每棵植株，分東南西北4個方位進行采樣，每個方位選取5 片形狀、面積差異小，葉片無病蟲害且葉邊緣完整的葉作為樣本。將采集好的葉片放入自封袋中，帶回實驗室用蒸餾水沖洗干凈，擦干，貼好標(biāo)簽備用。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 葉厚度測定方法

使用游標(biāo)卡尺測量植物的葉片厚度。每種植物選擇30 片葉片（5 組×6 片），將每組葉片放置在葉片夾處，用精度為0.02 mm 的卡尺的擠壓葉片，直接讀數(shù)，該數(shù)值為葉片厚度。每組葉片做3次重復(fù)試驗，以平均值為該組葉片總厚度，計算出該組葉片的單片葉厚度。每種植物的單片葉片厚度為該植物的5組葉片的單片葉厚度平均值。

1.3.2 氣孔性狀測定方法

指甲油印跡法：選取4 種植物的葉片各15 片，沖洗干凈、擦干，用指甲油在葉片背面（無毛）均勻地輕輕涂一層；靜止3 min，等待指甲油凝固，凝固后用鑷子從葉緣輕輕撕下，放置在干凈的載玻片上；每片葉子在相同位置取材，制作1個裝片，分別在40×物鏡、100×物鏡觀察氣孔數(shù)目和形態(tài)。

氣孔性狀測定：使用顯微鏡測量軟件Motic Images Plus 2.0 測量每張圖片的氣孔數(shù)目，并隨機選取3個清晰氣孔測量其長度和寬度，計算視野面積，以每種植物葉片數(shù)據(jù)取平均值作為該物種的氣孔數(shù)目、氣孔長度和氣孔寬度。計算氣孔密度（氣孔密度=氣孔數(shù)量/視野面積）。

1.3.3 葉脈性狀測定方法

選取4 種植物的葉片各15 片，沖洗干凈、擦干，延主脈在葉子中部切取1 cm×1 cm 的小方塊放置在干凈的加入FAA 固定液的瓶子中，做好標(biāo)記；加入5% NaOH 溶液（NaOH 溶液需每天更換）；將浸泡至透明的葉脈取出，制作裝片并用電子顯微鏡觀察、拍照。

使用顯微鏡測量軟件Motic Images Plus 2.0 測量每張圖片視野內(nèi)所有葉脈長度總和，并計算視野面積，以每種植物葉片數(shù)據(jù)取平均值作為該植物的葉脈長度、葉脈密度（葉脈密度=葉脈總長度/視野面積）。

1.3.4 比葉面積測定

每種植物選擇30 片葉片，沖洗干凈、擦干，壓平。用SONY Alpha 1 相機獲取植物葉片的圖像，用Adobe Photoshop 3.0 軟件計算每種植物葉片的葉面積總和，再計算出每種植物葉片的單片葉面積。將每種植物的30 片葉片均分為5 組，貼好標(biāo)簽放入封口袋中，至于陰暗環(huán)境中48 h 后取出擦干，稱量葉片鮮質(zhì)量，之后放入烘干箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，稱量葉片干質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)并計算出葉片比葉面積（比葉面積=單面葉面積/葉片干質(zhì)量）。

1.3.5 葉綠素質(zhì)量分數(shù)測定

取4種植物的葉片各0.5 g剪碎，分成3組放入試管中，做好標(biāo)記；倒入V（乙醇）∶V（丙酮）=1∶1 的混合液，封口，置于陰暗環(huán)境中48 h；分別于470、663、646 nm 下測定吸光光度值，記錄數(shù)據(jù)。計算光合色素（葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素）的質(zhì)量分數(shù)和葉綠素a/b的值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

分別計算春、夏和秋季4種植物葉片各性狀指標(biāo)的平均值和標(biāo)準誤，計算變化率（變化率指不同季節(jié)之間的變化量，各性狀符號見表1）。使用Pearson 相關(guān)分析檢驗4 種植物葉片各性狀之間的聯(lián)系。采用主成分分析（PCA）法分別檢驗4 種植物葉片形態(tài)性狀和色素質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系。采用Microsoft Excel 2007 和SPSS 軟件（2010，v.19.0；SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）處理數(shù)據(jù)和作圖。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗不同處理之間的差異（LSD，α=0.05，α=0.01）。主成分分析采用CANOCO v.4.5軟件完成。

表1 相關(guān)葉性狀Table 1 Related leaf traits

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)變化對彩葉植物葉片形態(tài)性狀的影響

4 種彩葉植物葉形態(tài)性狀隨季節(jié)變化差異顯著（P＜0.05）（見圖1）。在6 個性狀中，夏季變化率最大的性狀是葉厚度（見圖1C），依次為104.34%、110.44%、129.90%、98.09%，除五角槭外，變化率最小的性狀是氣孔長度（見圖1D），分別為4.19%、4.78%、1.97%。秋季最大變化率隨物種的不同而變化，變化區(qū)間為31.83%～45.16%，其中白牛槭和糖槭氣孔密度變化最大（見圖1B），依次為39.15%、31.83%，茶條槭葉脈密度變化率最大為45.16%（見圖1E），五角槭葉厚度變化率最大為35.85%，除白牛槭外，變化率最小的性狀與夏季相同為氣孔長度，其變化區(qū)間為0.43%～2.27%。

圖1 季節(jié)變化對4種槭樹葉片形態(tài)性狀的影響不同小寫字母表示不同季節(jié)差異顯著（P＜0.05）Fig.1 Effects of seasonal variation on leaf morphological traits of four Acer species Different lower case letters show significant differences in different seasons at 0.05 level

2.2 季節(jié)變化對彩葉植物光合色素的影響

春季葉綠素a 和葉綠素b 質(zhì)量分數(shù)白牛槭最高，糖槭最低，2個物種的葉綠素a和葉綠素b質(zhì)量分數(shù)分別相差2.85 倍、5.24 倍，類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)為茶條槭最高，糖槭和五角槭為最低（見表2）。4 種植物的葉綠素a 均呈現(xiàn)夏季升高，秋季降低的統(tǒng)一變化趨勢，變化率依次為夏季12.23%、16.76%、129.44%、14.61%，秋季77.40%、98.66%、98.80%、98.64%，除五角槭外，均與春季差異顯著。白牛槭、糖槭、五角槭葉綠素b 質(zhì)量分數(shù)由高到低均表現(xiàn)為夏季、春季、秋季，其季節(jié)變化區(qū)間為6.02%～133.25%，白牛槭和茶條槭和五角槭春季與夏季差異不顯著，與秋季差異顯著，糖槭春季與夏季、秋季與對照差異顯著。而類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢不一致，白牛槭和茶條槭均春季最高，糖槭和五角槭為夏季最高，夏季變化區(qū)間為20.21%～91.68%，秋季變化區(qū)間為4.29%～78.52%，白牛槭和茶條槭春季與夏季、秋季差異均顯著，糖槭春季與夏季差異顯著與秋季差異不顯著，五角槭均春季與夏季、秋季均不顯著。葉綠素a/b 比值在不同季節(jié)的變化趨勢不一致。

表2 季節(jié)變化對4種槭樹葉片光合色素質(zhì)量分數(shù)的影響Table 2 Effects of seasonal variation on leaf photosynthetic pigment contents of four Acer species

2.3 葉片各性狀間的相關(guān)性及其對季節(jié)變化的響應(yīng)

由表3 可知，4 種彩葉植物的9 個性狀間具有一定的相關(guān)性。首先，在春季，葉綠素a 與氣孔長度顯著負相關(guān)（P＜0.05），葉綠素b與葉厚度顯著負相關(guān)，與葉綠素a 顯著正相關(guān)（P＜0.05），類胡蘿卜素與氣孔長度顯著負相關(guān)，與葉綠素a顯著正相關(guān)（P＜0.05），其他性狀間相關(guān)性不顯著。與春季相比，夏季葉綠素a 與氣孔長度、葉綠素b 與葉厚度仍然顯著負相關(guān)但二者負相關(guān)減弱（P＜0.05），而與其他性狀間相關(guān)性不顯著。秋季氣孔密度與葉脈密度顯著正相關(guān)（P＜0.05），葉綠素a 與葉綠素b極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表3 不同季節(jié)4種槭樹葉性狀之間的相關(guān)性Table 3 Relationships between leaf traits of four Acer species in different seasons

主成分分析結(jié)果表明（見圖2A），春季，第一排序軸解釋的物種變異為79.64%，第二排序軸解釋的物種變異為19.38%，兩者累計解釋率達99.02%。第一軸與氣孔密度、葉脈密度正相關(guān)，與氣孔長度、氣孔寬度負相關(guān)（P＜0.05），第二軸與色素、比葉面積正相關(guān)，與葉厚度負相關(guān)（P＜0.05）。夏季（見圖2B），第一軸與葉綠素a正相關(guān)（P＜0.05），第二軸與葉綠素b正相關(guān)，與類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)負相關(guān)（P＜0.05），其他指標(biāo)均與春季相同。秋季，第一排序軸、第二排序軸的總變異率達98.87%（見圖2C），葉片各指標(biāo)變化與春季相同。

圖2 季節(jié)變化下4種槭樹葉性狀的主成分分析A.春季；B.夏季；C.秋季Fig.2 Principal component analysis of leaf traits among four Acer species under seasonal variation A.Spring；B.Summer；C.Autumn

春季9個性狀間具有明顯的區(qū)別，茶條槭位于第一軸的正向區(qū)域，具有較高的色素質(zhì)量分數(shù)、氣孔密度、葉脈密度，白牛槭、五角槭和糖槭位于第一軸的負向區(qū)域，具有較高的比葉面積、葉厚度、氣孔長度和氣孔寬度。夏季白牛槭與茶條槭具有較高的葉綠素a 質(zhì)量分數(shù)、葉綠素b 質(zhì)量分數(shù)，五角槭和糖槭具有較高的類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)。秋季茶條槭位于第一軸的正向區(qū)域，具有較高的氣孔密度和葉脈密度，白牛槭、五角槭、糖槭位于第一軸的負向區(qū)域，具有較高的葉綠素質(zhì)量分數(shù)。總體來看，不論何種季節(jié)，第一軸總與氣孔密度、葉脈密度正相關(guān)，與氣孔長度、氣孔寬度負相關(guān)，相關(guān)性均隨季節(jié)變化（春季—夏季—秋季）逐漸加強；第二軸與比葉面積正相關(guān)，與葉厚度負相關(guān)，相關(guān)性均隨季節(jié)變化逐漸減弱。

3 討論

植物在生長發(fā)育各階段，葉片的資源獲取方式不同，導(dǎo)致葉片形態(tài)差異較大，這與不同環(huán)境條件下，植物葉結(jié)構(gòu)建成資源投入不同有關(guān)［22-23］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨季節(jié)變化，4種槭樹夏季氣孔寬度、密度，比葉面積和葉脈密度均降低，氣孔長度和葉厚度增加，葉綠素質(zhì)量分數(shù)增加，秋季各指標(biāo)的變化趨勢與夏季變化部分相反（圖1，表2）；在春季，葉綠素a 與氣孔長度顯著負相關(guān)（P＜0.05），葉綠素b與葉厚度顯著負相關(guān)（P＜0.05），類胡蘿卜素與氣孔長度顯著負相關(guān)（P＜0.05），其他性狀間相關(guān)性不顯著，季節(jié)變化下，葉片各性狀之間的關(guān)系減弱（表3，圖2）?？傊? 種槭樹葉形態(tài)性狀與色素之間具有一定的關(guān)系，而且這種關(guān)系在不同季節(jié)條件下具有一致性。

夏季溫?zé)岫嘤曛参锾幵谏L期，此時葉片光資源獲取具優(yōu)勢，光合作用增強，養(yǎng)分儲存增多，但是蒸騰作用降低，導(dǎo)致4種槭樹的葉厚度顯著增加，比葉面積減少，氣孔密度顯著降低，葉脈密度變化趨勢不一致，體現(xiàn)了4種槭樹為了適應(yīng)這一環(huán)境而形成的光和水分的動態(tài)平衡［24］。各指標(biāo)中，葉厚度變化率最大，這與夏季植物葉片水分積累大、葉片海綿組織變厚有一定的關(guān)系。秋季降溫快，植物葉片處在衰老期，與春季相比，4個物種葉厚度均顯著增加，比葉面積顯著降低，2 個物種氣孔密度、葉脈密度差異顯著，增強了植物對環(huán)境的適應(yīng)能力。有研究表明，植物葉片細胞分裂和細胞擴張的相對速率發(fā)生變化［25］，一旦細胞膨脹停止，細胞內(nèi)物質(zhì)積累會導(dǎo)致比葉面積降低［26-27］。本研究中，在葉片穩(wěn)定和衰老階段時期，4 種槭樹的比葉面積均顯著低于春季，證實了前人的觀點。本研究中，秋季白牛槭的氣孔密度顯著降低，氣孔長度顯著增大，與其他3 個樹種有差異，這體現(xiàn)了白牛槭葉片與外界間的氣體交換降低，運輸水分的能力增強。

槭樹作為彩葉植物，其葉片呈色與體內(nèi)色素質(zhì)量分數(shù)及存在位置有關(guān)［16，18］，色素質(zhì)量分數(shù)和種類受到如光質(zhì)［28］、光照強度［29-30］和土壤水分［31-32］等的影響，這些因素會影響色素合成所需的酶的活性。葉綠素質(zhì)量分數(shù)的變化與植物對光合作用和葉片構(gòu)建的投資比例相關(guān)，葉綠素質(zhì)量分數(shù)降低，植物對光合作用的投資降低，對葉片構(gòu)建的投資升高［8，33］。本研究中，在季節(jié)變化下，4種槭樹的葉綠素質(zhì)量分數(shù)差異顯著，類胡蘿卜素差異不明顯。除茶條槭外，3種槭樹葉綠素質(zhì)量分數(shù)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，這與洪麗［34］和賴玖鑫［35］的研究一致。春季到夏季，茶條槭葉綠素a/b值增大，葉綠素b 質(zhì)量分數(shù)降低，一方面這有利于植物吸收波長較長的光，增加植物的光合產(chǎn)量，另一方面，這也避免了茶條槭獲取過多的光對植物自身照成傷害［36］。還有研究表明，秋季植物葉片色素質(zhì)量分數(shù)的變化與養(yǎng)分吸收有關(guān)［6］?？傮w來看，4 種槭樹各性狀對季節(jié)變化的響應(yīng)尺度有差異，雖然為同一科屬，但是環(huán)境對其各性狀的調(diào)控機制不同，其內(nèi)部機理還有待進一步研究。

李衛(wèi)星等［37］的研究表明，彩葉植物葉綠體的發(fā)育并不完全，蘇金［38］也指出，在不同光照條件下，彩葉植物葉片解剖結(jié)構(gòu)、葉綠素結(jié)構(gòu)發(fā)育情況、光合酶活性也不同，這可能是季節(jié)變化影響了植物體內(nèi)生理生化反應(yīng)，進而影響到葉片性狀及色素含量。氣孔長度與氣孔密度存在穩(wěn)定的負相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系使得植物體內(nèi)的水分與碳固定之間達到一種平衡［39］，而水和二氧化碳參與植物體內(nèi)的多種反應(yīng)，其中包括色素的合成。Pearson相關(guān)性表明，季節(jié)變化影響植物各性狀間的相關(guān)性（表3）。春季氣孔長度和葉厚度與色素之間存在明顯的負相關(guān)，這說明葉片形成初期，形態(tài)性狀的構(gòu)建與色素形成之間存在一定的競爭關(guān)系。夏季氣孔長度與葉綠素a顯著負相關(guān)，葉厚度與葉綠素b 顯著負相關(guān)，而且這種關(guān)系與春季表現(xiàn)一致。葉綠素a、葉綠素b 具有不同的功能，二者在與植物形態(tài)性狀資源獲取方面具有對應(yīng)性。秋季葉片形態(tài)性狀和色素之間的關(guān)系減弱，可見，隨著植物形態(tài)生長趨于穩(wěn)定的狀態(tài)下，與色素資源獲取的競爭關(guān)系也減弱。在主成分分析中，隨季節(jié)變化白牛槭始終具有較高的色素質(zhì)量分數(shù)和比葉面積，茶條槭始終具有較高的氣孔密度和葉脈密度，糖槭具有較高的葉厚度，五角槭始終具有較高的氣孔長、寬度。這表明4種彩葉植物雖然是同屬于槭樹科槭樹屬，但物種間也存在差異，而這種差異的出現(xiàn)可歸因于環(huán)境和生物競爭，不同的物種選取了不同的策略去應(yīng)對各種條件的改變，如白牛槭對光的捕獲能力強，光合作用強，能產(chǎn)生更多的營養(yǎng)物質(zhì)保障自身的生存；茶條槭的光合能力、蒸騰作用有季節(jié)適應(yīng)性，隨季節(jié)變化而變化；糖槭、五角槭抗旱能力強，可以在水分條件差的情況下更好的生存。

4 結(jié) 論

通過對4 種槭樹葉片的9 個指標(biāo)進行測定發(fā)現(xiàn)，夏秋季植物的葉性狀與春季相比均呈現(xiàn)出顯著的差異，尤其是兩季的葉厚度和比葉面積以及夏季的氣孔密度和葉脈密度，而且植物對夏季的響應(yīng)幅度大于秋季。夏季槭樹通過構(gòu)建更多的保衛(wèi)組織、更強儲水能力和光合作用，而形成較厚和色素質(zhì)量分數(shù)更高的葉片，以此來降低葉片構(gòu)建成本。4種彩葉植物雖然為同一屬，但各物種的性狀對環(huán)境的響應(yīng)尺度有差異，體現(xiàn)了植物各性狀應(yīng)對環(huán)境的調(diào)控機制不同。葉片形態(tài)性狀與色素具有相關(guān)性，但隨季節(jié)變化，相關(guān)性強弱有差異，這可能與遺傳、環(huán)境等因素有關(guān)，是接下來需要進一步研究的問題。