烏蘇里鼠李莖葉的解剖結(jié)構(gòu)及其生態(tài)適應(yīng)性

吳青松 劉英卉 李 碩 李盼盼 張友民

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

烏蘇里鼠李（Rhamnus ussuriensis）隸屬于鼠李科（Rhamnaceae）鼠李屬（Rhamnus），分布在我國(guó)黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北北部和山東（昆崳山），國(guó)外主要見(jiàn)于俄羅斯西伯利亞和遠(yuǎn)東地區(qū)，朝鮮和日本也有分布［1］。烏蘇里鼠李是一類用途廣泛的小喬木或灌木，種子含油量大，可制作潤(rùn)滑油，耐干旱和耐貧瘠，是重要的水土保持和生態(tài)修復(fù)灌木樹(shù)種［2］，在園林綠化中常用于庭院、公園、風(fēng)景區(qū)的綠化［3-5］。胡海清等［6］研究發(fā)現(xiàn)，烏蘇里鼠李具有較好的抗火性，在森林防火方面具有重要價(jià)值。迄今為止，對(duì)烏蘇里鼠李的研究主要集中在烏蘇里鼠李的分類、生理等方面［7-11］。然而，關(guān)于其植物形態(tài)解剖特征及其生態(tài)適應(yīng)性方面的研究資料相對(duì)較少。枝葉營(yíng)養(yǎng)器官的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征反映了植物適應(yīng)環(huán)境的能力和機(jī)制，可為評(píng)價(jià)植物的抗性提供理論依據(jù)［12］。李蒙蒙等［13］研究認(rèn)為葉表皮有表皮毛覆蓋，氣孔密度越大的植物抗旱性越強(qiáng)；沈萩荻等［14］研究認(rèn)為葉柄中維管束越發(fā)達(dá)，抗旱能力就越強(qiáng)；趙君茹等［15］研究認(rèn)為植物葉片柵欄組織越發(fā)達(dá)，中脈越厚的植株抗旱性越強(qiáng)；陳模舜等［16］研究認(rèn)為，幼莖皮層內(nèi)維管束數(shù)量多，維管束木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)量多，直徑大，髓部薄壁細(xì)胞發(fā)達(dá)的植物抗旱性強(qiáng)；蔣迎紅等［17］研究認(rèn)為老莖的髓部面積大，木質(zhì)部發(fā)達(dá)，導(dǎo)管數(shù)量多、直徑大的植物抗旱性強(qiáng)。以上的研究結(jié)果表明，植物枝葉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其抗旱性密切相關(guān)。

本研究對(duì)烏蘇里鼠李葉片和莖的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行系統(tǒng)的研究，探討其結(jié)構(gòu)與所處生境的關(guān)系，為烏蘇里鼠李抗旱性鑒定和今后可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園林試驗(yàn)基地，于2021 年6 月選取3 株生境和長(zhǎng)勢(shì)相一致的烏蘇里鼠李，取成熟葉片和3 年生枝及1 年生枝。從葉基部以上葉片1/3 處（保留主脈），將葉片切成1 cm×1 cm 的小塊，莖切成1 cm 長(zhǎng)的小段，切好后立即放入FAA 固定液（V（甲醛）∶V（冰乙酸）∶V（50%乙醇）=1∶1∶18）中固定，然后將多年生植株的莖用軟化劑（V（95%乙醇）∶V（丙三醇）=1∶1）軟化15～30 d。

1.2 試驗(yàn)方法

采用常規(guī)石蠟切片法切片，葉片和初生莖的切片厚度為12 μm，次生莖的切片厚度為16 μm，番紅—固綠復(fù)染，中性樹(shù)膠封片［18］。所得樣片用生物顯微鏡（LEICA-DM2500，上海）觀察、拍照和測(cè)量。

掃描電子顯微鏡樣品的制備：參考王玉等［19］研究方法，將處理過(guò)的葉片經(jīng)梯度乙醇脫水，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱（101A-1ET，上海）60 ℃條件下干燥3.5 h 將材料放置在粘有雙面膠的樣品臺(tái)上，后用離子濺射儀（ETD-2000，上海）導(dǎo)電處理，濺射鍍膜厚7～8 nm，在掃描電子顯微鏡（Shimadzux-550，日本）下觀察并拍照。

光學(xué)顯微鏡樣品的制備：采用刀片分別刮去上下表皮葉肉細(xì)胞，滴入0.5%固綠染液，V（無(wú)水乙醇）∶V（二甲苯）=1∶1 溶液沖洗，中性樹(shù)膠封片，放入恒溫箱中35 ℃保存，在生物顯微鏡（LEICADM2500，上海）下觀察、拍照與測(cè)量［20］。

1.3 數(shù)據(jù)及分析

每個(gè)樣片在同倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡下隨機(jī)取5個(gè)視野，每個(gè)視野測(cè)量10 個(gè)數(shù)據(jù)，采用Excel 2019對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉表皮超微特征和葉片解剖結(jié)構(gòu)

2.1.1 掃描電子顯微鏡下葉的表皮特征

掃描電鏡下，烏蘇里鼠李葉上、下表皮蠟質(zhì)紋飾相似，為皺脊?fàn)睿ㄒ?jiàn)圖1：A～B）。氣孔和表皮毛只存在葉下表皮（見(jiàn)圖1：C～D），氣孔形狀為橢圓形，氣孔兩側(cè)的蠟質(zhì)紋飾向下凹陷（見(jiàn)圖1D）。

圖1 掃描電鏡下烏蘇里鼠李葉片上（A）、下表皮（B～D）超微特征Fig.1 Ultrastructural characteristics of upper and lower epidermis of Rh.ussuriensis leaves under scanning electron microscope

2.1.2 光學(xué)顯微鏡下葉的表皮特征

光學(xué)顯微鏡下，烏蘇里鼠李葉上表皮無(wú)氣孔分布，表皮細(xì)胞形狀不規(guī)則，表皮細(xì)胞垂周壁類型為深波狀、A 型（見(jiàn)圖2A）。葉下表皮分布?xì)饪?，為橢圓形，氣孔器類型為無(wú)規(guī)則型，氣孔器由2個(gè)腎型保衛(wèi)細(xì)胞和氣孔組成，無(wú)副衛(wèi)細(xì)胞，表皮細(xì)胞形狀不規(guī)則，表皮細(xì)胞垂周壁類型為淺波狀、G型（見(jiàn)圖2B）。

圖2 光學(xué)顯微鏡下烏蘇里鼠李葉片上（A）、下表皮（B）特征Ec.表皮細(xì)胞；Gc.保衛(wèi)細(xì)胞；Sa.氣孔Fig.2 The characteristics of the upper and lower epidermis of Rh.ussuriensis leaves under the optical microscopeEc.Epidermal cell；Gc.Guard cells；Sa.Stomata

2.1.3 葉的解剖結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，烏蘇里鼠李的葉片橫切面由表皮、葉肉和葉脈3 部分組成，葉肉薄壁組織分化為柵欄組織和海綿組織，為典型的異面葉。

葉表皮結(jié)構(gòu)特征：烏蘇里鼠李其上、下表皮均由1 層排列緊密的橢圓形表皮細(xì)胞組成（見(jiàn)圖3A），上表皮細(xì)胞的平均厚度31.63 μm，外覆蓋厚5.15 μm 的角質(zhì)層，無(wú)氣孔分布。下表皮細(xì)胞平均厚度23.43 μm，外覆蓋厚3.33 μm 的角質(zhì)層，有氣孔分布（見(jiàn)圖3B）。

葉肉結(jié)構(gòu)特征：柵欄組織由2層排列整齊而緊密的長(zhǎng)柱形薄壁細(xì)胞組成，平均厚度為136.29 μm，海綿組織由2～3 層形狀不規(guī)則的細(xì)胞組成，細(xì)胞間隙大，排列疏松，平均厚度為107.31 μm，柵海比為1.40，在柵欄組織與海綿組織之間有維管束分布，葉片平均厚度為337.86 μm（見(jiàn)圖3B）。

主脈結(jié)構(gòu)特征：烏蘇里鼠李葉片主脈發(fā)達(dá)，由機(jī)械組織、基本組織和維管束組成。表皮由1層排列緊密的細(xì)胞組成，外覆較厚的角質(zhì)層，葉脈維管束為無(wú)限外韌維管束，呈半月?tīng)?。木質(zhì)部靠近近軸面，韌皮部靠近遠(yuǎn)軸面，二者之間有微弱的形成層分布，木質(zhì)部由11～13 列導(dǎo)管組成。在維管束周圍環(huán)繞著大量的紅色單寧的異細(xì)胞、晶簇及靠近遠(yuǎn)軸面的細(xì)胞之間存在細(xì)胞間隙，形成了通氣組織（見(jiàn)圖3：C～D）。

圖3 烏蘇里鼠李葉的解剖結(jié)構(gòu)A.葉中脈兩側(cè)的解剖結(jié)構(gòu)；B.葉中脈兩側(cè)的解剖結(jié)構(gòu)；C.葉主脈處的解剖結(jié)構(gòu)；D.葉主脈處的解剖結(jié)構(gòu)；E.葉柄橫切面輪廓；F.葉柄橫切面維管束形態(tài)；Ue.上表皮；Pt.柵欄組織；St.海綿組織；Le.下表皮；Me.葉肉；Mt.機(jī)械組織；Gt.基本組織；X.木質(zhì)部；Ca.形成層；Ph.韌皮部；Ta.單寧；Cl.晶簇；Cu.角質(zhì)層；Ep.表皮；Mc.黏液細(xì)胞；Is.細(xì)胞間隙Fig.3 Anatomical structure of R.ussuriensis leafA.Anatomical structure on both sides of leaf midvein；B.Anatomical structure on both sides of leaf midvein；C.Anatomical structure of leaf main vein；D.Anatomical structure of leaf main vein；E.The outline of petiole transverse section；F.Vascular bundle morphology on petiole transverse section；Ue.Upper epidermis；Pt.Palisade tissue；St.Spongy tissue；Le.Lower epidermis；Me.Mesophyll；Mt.Mechanical tissue；Gt.Ground tissue；X.Xylem；Ca.Cambium；Ph.Phloem；Ta.Tannins；Cl.Cluster；Cu.Cuticles；Ep.Epidermis；Mc.Mucous cells；Is.Intercellular space

葉柄結(jié)構(gòu)特征：烏蘇里鼠李葉柄由表皮、基本組織、維管束3 部分組成。葉柄的橫切面近圓形，中間有凹陷。表皮細(xì)胞為橢圓形，排列緊密，表皮細(xì)胞的平均厚度為37.23 μm，外覆蓋4.59 μm 厚的角質(zhì)層。維管束的類型為外韌無(wú)限維管束，由木質(zhì)部、形成層和韌皮部組成，成半圓形排列，木質(zhì)部導(dǎo)管分子數(shù)量眾多且排列緊密，導(dǎo)管直徑大，其平均直徑為45.12 μm。葉柄內(nèi)分布著大量的單寧異細(xì)胞和少量的黏液細(xì)胞及晶簇（見(jiàn)圖3：E～F）。

2.2 莖的解剖結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 初生莖結(jié)構(gòu)特征

烏蘇里鼠李初生莖由表皮、皮層和維管柱3個(gè)部分組成（見(jiàn)圖4A）。表皮由單層橢圓形細(xì)胞組成，排列緊密，外覆較厚的角質(zhì)層，平均厚度為4.34 μm。皮層位于表皮的內(nèi)方，介于表皮和維管柱之間，有多層細(xì)胞，細(xì)胞壁較厚，排列緊密。皮層外方為3～4 層的厚角組織，中皮層為8～10 層的薄壁組織細(xì)胞，細(xì)胞體積較大，呈圓形，含有晶簇，內(nèi)皮層不明顯（見(jiàn)圖4：A～D）。烏蘇里鼠李初生莖的維管柱包括維管束、髓和髓射線。維管束為外韌無(wú)限維管束，13～14 個(gè)維管束圍繞髓排列1 輪，維管束由初生木質(zhì)部、束中形成層和初生韌皮部組成（見(jiàn)圖4：A～B）。初生木質(zhì)部中導(dǎo)管3～4 個(gè)為1 列，導(dǎo)管的直徑較大，每個(gè)維管束有2～6 列管孔鏈，初生木質(zhì)部的發(fā)育方式為內(nèi)始式。由初生莖的縱切結(jié)構(gòu)可知，初生莖的導(dǎo)管主要有環(huán)紋導(dǎo)管和螺紋導(dǎo)管2種類型（見(jiàn)圖4C）。初生莖的最中心是髓，較為發(fā)達(dá)，由近圓形的薄壁細(xì)胞組成，薄壁細(xì)胞由中心向四周逐漸變小，中心處細(xì)胞最大（見(jiàn)圖4A）。

圖4 烏蘇里鼠李初生莖解剖結(jié)構(gòu)A～B.初生莖橫切面；C～D.初生莖縱切面；Cu.角質(zhì)層；Ep.表皮；Co.皮層；Col.厚角組織；Cpc.皮層薄壁細(xì)胞；Vc.維管柱；Cl.晶簇；Pph.初生韌皮部；Fca.束中形成層；Px.初生木質(zhì)部；Pi.髓；Av.環(huán)紋導(dǎo)管；Sv.螺紋導(dǎo)管Fig.4 Anatomy of primary stem of Rh.ussuriensisA-B.Transverse section of primary stem；C-D.Primary stem longitudinal section；Cu.Cuticles；Ep.Epidermis；Co.Cortex；Col.Collenchyma；Cpc.Cortical parenchyma cells；Vc.Vascular cylinder；Cl.Cluster；Pph.Primary phloem；Fca.Fascicular cambium；Px.Primary xylem；Pi.Pith；Av.Annular vessel；Sv.Spiral vessel

2.2.2 次生莖結(jié)構(gòu)特征

烏蘇里鼠李次生莖主要由周皮、次生維管組織和髓組成，周皮呈褐色，由木栓層、木栓形成層和栓內(nèi)層組成，周皮上分布皮孔（見(jiàn)圖5A）。次生維管組織由次生韌皮部、維管形成層、次生木質(zhì)部和維管射線組成（見(jiàn)圖5A）。次生木質(zhì)部中導(dǎo)管多為復(fù)管孔和孔團(tuán)，導(dǎo)管類型主要以孔紋導(dǎo)管和螺紋導(dǎo)管為主，管壁上存在具緣紋孔，多為互列式（見(jiàn)圖5：B～D）。導(dǎo)管分子的平均長(zhǎng)度為489.86 μm，平均直徑為52.68 μm。木射線由薄壁細(xì)胞組成，維管形成層由2～3 層排列緊密的薄壁組織細(xì)胞組成。韌皮部較厚，細(xì)胞排列緊密。木質(zhì)部年輪顯明，是典型的環(huán)孔材（見(jiàn)圖5A）。髓位于最中心，由排列緊密的多邊形薄壁細(xì)胞組成。烏蘇里鼠李木射線屬于異形Ⅱ型，主要由單列射線和雙列射線組成，單列射線多，雙列射線少，由直立細(xì)胞和橫臥細(xì)胞組成，直立細(xì)胞有3 層，橫臥細(xì)胞有2 層（見(jiàn)圖5：E～F）。

圖5 烏蘇里鼠李次生莖解剖結(jié)構(gòu)A～B.次生莖橫切面；C～D.次生莖縱切面；E.次生莖縱切面；F.次生莖弦切面；Le.皮孔；Pd.周皮；Phf.韌皮纖維；Sx.次生木質(zhì)部；Ve.導(dǎo)管；Wr.木射線；Px.初生木質(zhì)部；Pi.髓；Far.第1 年年輪；Sar.第2 年年輪；Tar.第3 年年輪；Wpc.木薄壁細(xì)胞；Pv.孔紋導(dǎo)管；Sv.螺紋導(dǎo)管；Prc.橫臥射線細(xì)胞；Urc.直立射線細(xì)胞；Dr.雙列射線；Sr.單列射線Fig.5 Anatomical structure of secondary stems of Rh.ussuriensisA-B.Transverse section of secondary stem；C-D.Longitudinal section of secondary stem；E.Longitudinal section of secondary stem；F.Secondary stem tangential section；Le.Lenticel；Pd.Periderm；Phf.Phloem fiber；Sx.Secondary xylem；Ve.Vessel；Wr.Wood ray；Px.Primary xylem；Pi.Pith；Far.First annual ring；Sar.Second annual ring；Tar.Third annual ring；Wpc.Wood parenchyma cells；Pv.Pitted vessel；Sv.Spiral vessel；Prc.Procumbent ray cell；Urc.Upright ray cell；Dr.Double ray；Sr.Single ray

3 討論與結(jié)論

3.1 葉片結(jié)構(gòu)特征對(duì)環(huán)境的適應(yīng)

植物與其生長(zhǎng)的環(huán)境關(guān)系密切，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，為了適應(yīng)周圍環(huán)境和滿足生長(zhǎng)需要，形成了不同的表型特征［21-22］。葉片作為應(yīng)對(duì)環(huán)境變化較敏感的器官，其外部形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征的變化能較好地反映出植物對(duì)干旱等逆境的適應(yīng)性［23］。任哲等［24］和王爽等［25］研究中發(fā)現(xiàn)葉片越厚其儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，蒸騰速率越低，抗旱性也越強(qiáng)。潘昕等［26］發(fā)現(xiàn)葉片柵欄組織厚，海綿組織薄，柵海比大的植物更加耐旱。張金玲等［27］發(fā)現(xiàn)葉片主脈越厚，木質(zhì)部越發(fā)達(dá)，葉片的水分輸導(dǎo)效率也越高，葉片越耐旱。許少祺等［28］研究指出海綿組織疏松的植物對(duì)濕生環(huán)境適應(yīng)性好，耐寒性強(qiáng)。本研究中烏蘇里鼠李葉片較厚，柵欄組織發(fā)達(dá)，柵欄組織由2 層薄壁組織細(xì)胞組成，結(jié)構(gòu)緊密，海綿組織排列疏松，柵欄組織的厚度厚于海綿組織，柵海比達(dá)到1.4。烏蘇里鼠李葉片主脈較厚，主脈維管束發(fā)達(dá)，木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)量多，直徑大，輸水效率高。烏蘇里鼠李這些結(jié)構(gòu)特征均可以說(shuō)明烏蘇里鼠李耐旱性和耐寒性較強(qiáng)。陳燕等［29］和陳健輝等［30］在研究中發(fā)現(xiàn)葉片內(nèi)富含單寧不僅可以阻礙水分流動(dòng)，避免過(guò)度蒸騰引致生理干旱，還可以在鹽漬環(huán)境中更好地生長(zhǎng)。在本研究中發(fā)現(xiàn)烏蘇里鼠李葉片維管束周圍環(huán)繞著大量的單寧，因此可以推斷烏蘇里鼠李具有很強(qiáng)的耐旱性，同時(shí)還對(duì)鹽漬環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。

管東旭等［31］研究發(fā)現(xiàn)葉片較厚的角質(zhì)層可以降低蒸騰，提高抗旱能力。高艷等［32］研究認(rèn)為氣孔器集中于下表皮，可以使氣孔不易受到直接的機(jī)械傷害，避免陽(yáng)光直射而減少氣孔蒸騰。王孟珂等［33］研究認(rèn)為高光合效率的植物一般氣孔小而多，密度大，以減少水分散失。尤鳳麗等［34］認(rèn)為表皮毛可以反射強(qiáng)光照射，減少水分蒸發(fā)。本研究中烏蘇里鼠李葉上下表皮都有較厚的角質(zhì)層，氣孔集中分布在下表皮，氣孔直徑較小，密度大，在下表皮上附著著表皮毛，由此可以說(shuō)明烏蘇里鼠李的葉片具有抵御干旱環(huán)境的能力。

3.2 莖的結(jié)構(gòu)特征對(duì)環(huán)境的適應(yīng)

莖作為植物運(yùn)輸水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響植物的抗旱能力。胡云等［35］研究認(rèn)為莖表皮外被角質(zhì)層可以減少水分蒸騰、增強(qiáng)抗旱性。張般般等［36］研究發(fā)現(xiàn)，莖皮層較厚的植物保水性和抗旱性更強(qiáng)。錢雪等［37］指出發(fā)達(dá)的髓可以增強(qiáng)莖的貯水能力，滕麗等［38］發(fā)現(xiàn)維管束發(fā)達(dá)，維管束導(dǎo)管數(shù)量多的植物更能適應(yīng)干旱環(huán)境。烏蘇里鼠李莖的初生結(jié)構(gòu)中表皮外被角質(zhì)層，皮層較厚，皮層細(xì)胞排列緊密，維管束發(fā)達(dá)，維管束導(dǎo)管數(shù)量多，直徑大，髓部所占面積大，細(xì)胞排列緊密，較為發(fā)達(dá)，這些結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了烏蘇里鼠李的抗旱性，使其更好的適應(yīng)干旱環(huán)境。

烏蘇里鼠李莖的次生結(jié)構(gòu)中，木質(zhì)部發(fā)達(dá)，導(dǎo)管數(shù)量多，個(gè)體較大，形狀近圓形。與黃萍等［39］研究中莖的結(jié)構(gòu)相似，這些結(jié)構(gòu)說(shuō)明烏蘇里鼠李的莖具有較高的水分輸送效率，進(jìn)而提高植株的抗旱能力。上官方京等［40］研究認(rèn)為木質(zhì)部中直徑大的導(dǎo)管，具有更高的輸水效率和導(dǎo)水率，來(lái)滿足干旱環(huán)境下蒸發(fā)需求的加劇，烏蘇里鼠李木質(zhì)部導(dǎo)管的直徑大，這表明烏蘇里鼠李能夠適應(yīng)干旱環(huán)境。

綜上所述，烏蘇里鼠李葉片和莖的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征表明，烏蘇里鼠李能夠很好的適應(yīng)干旱環(huán)境，這是其長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境而進(jìn)化的結(jié)果。