6 種苔草屬植物葉片的力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)

韓戴宇，李英博，鞠志新

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院, 吉林 吉林 132000）

農(nóng)作物的力學(xué)特性研究為遺傳工程改變農(nóng)作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能指出了明確的目標(biāo)，是選育良種的前提[1]。彈性模量與抗拉強(qiáng)度在材料力學(xué)性能中均為重要指標(biāo)。彈性模量指的是材料在彈性的限度內(nèi)對(duì)變形的抵抗能力，抗拉強(qiáng)度是指材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力[2]，兩者是影響植物莖稈彎曲、斷裂、倒伏的關(guān)鍵因素[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)牧草、小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、藺草(Juncus effusus)等進(jìn)行深入研究，解決了有關(guān)農(nóng)作物收割、植株倒伏以及優(yōu)良品種選育等問(wèn)題[4-7]。趙春花等[8]對(duì)收獲期新育牧草進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為牧草莖稈的彈性模量取決于各自機(jī)械組織的厚度、維管束的數(shù)量、各組織及其細(xì)胞間的連接形式和連接強(qiáng)度。王芬娥等[9]對(duì)小麥莖稈的研究指出，植物的厚壁機(jī)械組織越發(fā)達(dá)，自身的最大抗拉力和彈性模量就越高。李秀娟等[10]在對(duì)楊樹(shù)(Ponulus hopeiensis)葉片進(jìn)行拉伸特性與微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)后，認(rèn)為楊樹(shù)葉片的葉脈是由表皮組織、薄壁組織、維管束及其周?chē)臋C(jī)械組織構(gòu)成的多孔蜂窩狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，具有較好的抗拉特性?？梢?jiàn)，植物宏觀尺度上的性能往往是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的，因此需要進(jìn)一步對(duì)植物葉片進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)的觀察，分析影響葉片力學(xué)特性的因素及其變化規(guī)律[11]。

苔草屬(Carex)是莎草科中最大的一個(gè)屬，為多年生草本植物，全球大約有2 000 多種，在中國(guó)分布有大約500 種[12-13]，被廣泛應(yīng)用于園林綠地[14]、水源凈化[15]、紡織纖維材料[16]等方面，也是天然草地資源中飼用價(jià)值較高、耐牧性極強(qiáng)的一類(lèi)優(yōu)良牧草[17]。目前有關(guān)苔草的研究主要集中在分類(lèi)學(xué)[18]、生理特性[19]、觀賞性狀[20]等方面。作為優(yōu)質(zhì)的天然纖維植物，目前有關(guān)苔草葉片力學(xué)特性的研究基本處于空白。為此，以6 種東北地區(qū)常見(jiàn)苔草為研究對(duì)象，進(jìn)行力學(xué)拉伸測(cè)試，觀察葉片微觀結(jié)構(gòu)，探討葉片力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為全面了解東北地區(qū)苔草及其葉片的開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)，并為今后選育優(yōu)良苔草品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為低矮苔草(Carex humilis)、矮叢苔草(C.callitrichos)、烏拉草(C.meyeriana)、大披針苔草(C.lanceolata)、尖嘴苔草(C.leiorhyncha)、麻根苔草(C.arnellii)，均于2019 年4 月－5 月采集，采集后帶回吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院(126°28′ E，43°57′ N)，在溫室花盆中養(yǎng)護(hù)1 個(gè)月后，分株定植在園藝場(chǎng)內(nèi)。試驗(yàn)選用 2021 年7 月上旬采集的成熟期苔草，長(zhǎng)度均大于500 mm，長(zhǎng)勢(shì)良好，無(wú)病蟲(chóng)害。6 種苔草各分成兩份裝入封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室制備試樣。用于力學(xué)特性試驗(yàn)的葉片帶回實(shí)驗(yàn)室立即制備試樣，在當(dāng)天進(jìn)行試驗(yàn)；用于微觀結(jié)構(gòu)研究的葉片帶回實(shí)驗(yàn)室后立 刻 放 入FAA (formalin-acetic acid-alcohol, FAA)固定液(38%甲醛5 mL + 冰醋酸5 mL + 70%酒精90 mL +丙三醇5 mL)中固定24 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

力學(xué)性能試驗(yàn)使用數(shù)顯式電子拉力試驗(yàn)機(jī)(WDW-200H)，方法參考GB/T1040.1－2018《塑料和復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系》[7]。測(cè)試過(guò)程中，電腦實(shí)時(shí)顯示力、位移變形值、加載速度、試驗(yàn)曲線等試驗(yàn)參數(shù)；微觀結(jié)構(gòu)研究采用德國(guó)徠卡公司生產(chǎn)的徠卡光學(xué)顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 力學(xué)特性測(cè)試

采集到的葉片立刻按種分組，每種苔草選取外側(cè)健康完整的葉片，用手術(shù)刀切除頭尾，保留葉片中部制成長(zhǎng)度為80 mm 的試樣，每種葉片制樣20 個(gè)。對(duì)制成的試樣先用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測(cè)量葉片寬度和厚度，以試驗(yàn)機(jī)夾具的間距(40 mm)作為試樣標(biāo)距，將這些參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)，測(cè)試過(guò)程中由材料測(cè)試軟件bluehill (Instron)直接繪制曲線。為了防止試驗(yàn)機(jī)夾頭對(duì)葉片造成破壞或在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)苔草葉片打滑，將苔草葉片的頭尾處粘上醫(yī)用膠帶，再用雙面膠粘在小紙殼上，最后把如此制作的試樣放入夾具。試驗(yàn)的加載速度為10 mm·min-1，隨載荷增加，斷裂處不在夾子兩端時(shí)，抗拉試驗(yàn)結(jié)果有效[21]。力學(xué)特性試驗(yàn)中為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試10 次。通過(guò)葉片的最大抗拉力和葉片橫截面積計(jì)算它的抗拉強(qiáng)度。

式 中：σb為 抗拉 強(qiáng) 度(MPa)；Fmax為 最 大 抗拉 力；A為試樣的最初橫截面積(mm2)，通過(guò)葉片寬度乘厚度得出。

選取載荷位移曲線的初始彈性變形階段，用來(lái)計(jì)算葉片的彈性模量。

式中：E為彈性模量(MPa)；F為拉力(N)；l為試樣標(biāo)距(mm)；Δl為試樣變形量(mm)；A為試樣最初橫截面積(mm2)，由其寬度乘厚度得出。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)研究

田間采集后的葉片立刻用福爾馬林-醋酸-酒精(FAA)固定液固定，固定完成后按照脫水、番紅染色、脫色、固綠染色、透明封片的步驟將苔草葉片制成石蠟切片，每種苔草制作10 個(gè)石蠟切片，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Image J 軟件進(jìn)行圖像的測(cè)量與分析；采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 20.0 對(duì)各苔草葉片的最大抗拉力、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異進(jìn)行顯著性分析，采用Duncan 法進(jìn)行均值多重比較，顯著性水平設(shè)定為0.05，數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示；采用Pearson 法進(jìn)行苔草葉片微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的相關(guān)性分析；采用Excel 2018 整理數(shù)據(jù)和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片力學(xué)特性

6 種苔草力學(xué)特性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明，麻根苔草和尖嘴苔草最大抗拉力較大(表1)，分別是54.20和49.98 N，顯著高于其他4 種苔草(P< 0.05)；低矮苔草和矮叢苔草最大抗拉力較小，分別是9.09 和7.24 N，顯著低于其他4 種苔草(P< 0.05)。麻根苔草和尖嘴苔草彈性模量較大，分別是580.13 和545.67 MPa，均顯著高于其他4 種苔草(P< 0.05)；低矮苔草和矮叢苔草彈性模量較低，分別是234.18 和216.04 MPa，顯著低于其他4 種苔草(P< 0.05)。低矮苔草抗拉強(qiáng)度(60.01 MPa)最高，顯著高于其他5 種苔草(P< 0.05)；烏拉草、大披針苔草和麻根苔草抗拉強(qiáng)度較低，分別是27.92、22.50 和29.03 MPa，顯著低于其他3 種苔草(P< 0.05)。

表1 苔草葉片縱向力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Tensile performance parameters of Carexleaves

2.2 葉片微觀結(jié)構(gòu)

6 種苔草均為等面葉(圖1)，由表皮細(xì)胞、葉肉細(xì)胞、葉脈組成；葉肉部分未分化為海綿組織和柵欄組織；維管束均為外韌維管束，大小維管束相間排列成一行，橫切面呈長(zhǎng)橢圓形或圓形，有些小維管束呈現(xiàn)出圓形；維管束鞘明顯，由兩層細(xì)胞構(gòu)成，外層為薄壁細(xì)胞，內(nèi)層為厚壁的纖維狀細(xì)胞，細(xì)胞壁有加厚現(xiàn)象(圖2)。6 種苔草葉片的厚壁組織厚度介于34.71～118.25 μm (表2)，麻根苔草最厚，矮叢苔草最薄；厚壁細(xì)胞層數(shù)介于6.40～14.80，麻根苔草最多，矮叢苔草最少；薄壁組織厚度介于93.88～158.72 μm，麻根苔草最厚，烏拉草最薄；薄壁組織層數(shù)在8.80～18.80，尖嘴苔草最多，低矮苔草最少；維管束數(shù)量在6.40～14.00，麻根苔草最多，矮叢苔草最少；維管束密度在4.20～6.60，低矮苔草最大，大披針苔草最小。導(dǎo)管直徑介于9.81～19.80 μm，尖嘴苔草最大，矮叢苔草最小。方差分析表明，6 種苔草之間的厚壁組織厚度、厚壁細(xì)胞層數(shù)、薄壁組織厚度、薄壁細(xì)胞層數(shù)、維管束數(shù)量、維管束密度、導(dǎo)管直徑均存在差異。

圖1 苔草葉片橫切結(jié)構(gòu)(×100)Figure 1 Cross-sections of leaves of Carexplants (×100)

圖2 苔草葉脈橫切結(jié)構(gòu)(×400)Figure 2 Cross-sections of veins of Carexplants (×400)

表2 苔草葉片顯微結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of microstructure of Carexleaves

2.3 力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

6 種苔草葉片的最大抗拉力與維管束數(shù)量、厚壁細(xì)胞組織厚度、厚壁細(xì)胞層數(shù)、薄壁細(xì)胞組織厚度、導(dǎo)管直徑極顯著正相關(guān)(P< 0.01) (表3)；葉片的彈性模量與維管束數(shù)量、厚壁細(xì)胞組織厚度、厚壁細(xì)胞層數(shù)、薄壁細(xì)胞組織厚度、薄壁細(xì)胞層數(shù)、導(dǎo)管直徑極顯著正相關(guān)(P< 0.01)；葉片的抗拉強(qiáng)度與維管束密度極顯著正相關(guān)(P< 0.01)。

表3 微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between microstructure and mechanical properties

3 討論與結(jié)論

植物宏觀尺度上的性能往往是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的[11]，通過(guò)對(duì)植物解剖結(jié)構(gòu)的觀察來(lái)直觀地比較不同植物葉片之間的差異[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，6 種苔草葉片在微觀結(jié)構(gòu)組成上基本一致，均為等面葉，葉肉部分未明顯分化為海綿組織和柵欄組織，上下表皮細(xì)胞大小不同，通氣組織發(fā)達(dá)，維管束以及厚壁機(jī)械組織明顯。主要差異表現(xiàn)為維管束數(shù)量、單個(gè)維管束面積、維管束密度、木質(zhì)部導(dǎo)管直徑、厚壁機(jī)械組織發(fā)達(dá)程度的不同，這與前人研究結(jié)果[22]相似。

本研究中麻根苔草和尖嘴苔草的最大抗拉力和彈性模量數(shù)值最大，說(shuō)明麻根苔草和尖嘴苔草不易發(fā)生形變，剛度大；低矮苔草和矮叢苔草最大抗拉力和彈性模量數(shù)值最小，說(shuō)明兩者易發(fā)生形變，剛性小，這與柴曉娟等[7]對(duì)藺草(Juncus effusus)底部莖稈解剖構(gòu)造與力學(xué)性能的研究結(jié)果相似。在抗拉強(qiáng)度方面，低矮苔草抗拉強(qiáng)度最高，抵抗破壞斷裂的能力最強(qiáng)；大披針苔草抗拉強(qiáng)度最低，抵抗破壞斷裂的能力最弱，這與李紅波等[2]對(duì)谷子(Setaria italica)莖稈葉鞘葉片及其結(jié)合部位的拉伸力學(xué)性能的研究結(jié)果相似。在應(yīng)用方面，烏拉草具有保暖、透氣、抑菌等獨(dú)特的功能[23]，對(duì)于腳癬、腳氣等各種腳部疾病的預(yù)防和治療有很積極的作用[24]，其纖維堅(jiān)韌耐久，是編織草鞋、床席、坐墊、保健枕等生活用品的優(yōu)良材料[16]。而低矮苔草與矮叢苔草抵抗破壞斷裂的能力最強(qiáng)，適合用做編織繩索、造紙等[25]。麻根苔草和尖嘴苔草株形較高、葉片寬大不易形變，適宜用作觀賞草或者與其他花卉、地被植物搭配使用[26]。

厚壁機(jī)械組織是細(xì)胞壁明顯增厚的一類(lèi)細(xì)胞，主要對(duì)植物起支持作用，具有抗拉、抗形變、抗彎曲的能力[27]。有研究發(fā)現(xiàn)葉片強(qiáng)度與厚壁機(jī)械組織厚度成正比，隨著厚壁機(jī)械組織厚度的增加，葉片的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性越好[28]。植物葉片的厚壁機(jī)械組織越發(fā)達(dá)，自身的最大抗拉力和彈性模量就越高[9]，抵抗變形能力較強(qiáng)的植物通常都有更多更發(fā)達(dá)的機(jī)械組織[29]。本研究的相關(guān)性分析中，葉片的彈性模量和最大抗拉力與厚壁組織厚度、厚壁細(xì)胞層數(shù)極顯著正相關(guān)(P< 0.01)。彈性模量和最大抗拉力最大的麻根苔草，厚壁組織最厚，厚壁細(xì)胞層數(shù)較多；而彈性模量最小的矮叢苔草，厚壁組織最薄，厚壁細(xì)胞層數(shù)最少。所以苔草葉片的彈性模量和最大抗拉力是隨厚壁機(jī)械組織發(fā)達(dá)程度增加而提高的，與趙春花等[8]對(duì)新育牧草莖稈收獲期力學(xué)特性與顯微結(jié)構(gòu)研究以及王芬娥等[9]對(duì)小麥莖稈力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)研究得出的結(jié)論一致。說(shuō)明6 種苔草的厚壁組織發(fā)達(dá)程度與它們的最大抗拉力和彈性模量密切相關(guān)，厚壁組織越發(fā)達(dá)，6 種苔草葉片的最大抗拉力和彈性模量越大。

維管束可以為植物提供力學(xué)性能的支持，是連接微觀到宏觀性能的重要環(huán)節(jié)[30]。維管束中木質(zhì)部的木纖維具有較大的硬度，所以具有支撐植物抵抗外力的作用[3]。有研究發(fā)現(xiàn)維管束的數(shù)量和大小以及維管束中導(dǎo)管的直徑都會(huì)影響莖稈強(qiáng)度，并且維管束的數(shù)量與莖稈強(qiáng)度正相關(guān)[31]。本研究發(fā)現(xiàn)彈性模量和最大抗拉力最大的麻根苔草，其本身維管束數(shù)量最多；而彈性模量最小的矮叢苔草，其本身維管束數(shù)量最少。相關(guān)性分析顯示，維管束數(shù)量與最大抗拉力和彈性模量極顯著正相關(guān)(P< 0.01)，這與周愛(ài)萍等[32]對(duì)竹材維管束分布及其抗拉力學(xué)性能的研究結(jié)果相似。植物葉片在單位面積內(nèi)維管束越密集，抗拉強(qiáng)度越高[33]。但是隨著材料厚度和寬度的增加，抗拉強(qiáng)度隨之減小[34]。本研究中，低矮苔草的葉片雖然細(xì)窄，但是在單位面積內(nèi)維管束排列得更為密集，所以抗拉強(qiáng)度更高。而大披針苔草單位面積內(nèi)維管束數(shù)量最少，所以導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度最低。抗拉強(qiáng)度不光與材料的最大抗拉力有關(guān)，還和材料的橫截面積有關(guān)[35]，本研究中矮叢苔草和尖嘴苔草抗拉強(qiáng)度相近，而尖嘴苔草的最大抗拉力卻顯著大于矮叢苔草(P< 0.05)，正是因?yàn)榧庾焯Σ萑~片比矮叢苔草葉片更加寬厚，在維管束密度相近的情況下?lián)碛懈鄶?shù)量的維管束。相關(guān)性分析顯示，6 種苔草葉片的維管束密度與抗拉強(qiáng)度極顯著正相關(guān)(P< 0.01)，維管束密度越高，葉片抗拉強(qiáng)度越高，與張西良等[33]對(duì)黃瓜(Cucumis sativus)藤秸稈力學(xué)特性與顯微結(jié)構(gòu)研究以及柴曉娟等[7]對(duì)藺草底部莖稈解剖構(gòu)造與力學(xué)性能的研究的結(jié)果一致。

環(huán)境在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，對(duì)其形態(tài)建成起著不可替代的作用，植物則通過(guò)自身形態(tài)特征的表現(xiàn)來(lái)反映對(duì)當(dāng)前環(huán)境的適應(yīng)情況[36]。有研究表明，木質(zhì)部導(dǎo)管是葉片中運(yùn)輸水分的重要組成部分[37]，導(dǎo)管直徑是水力導(dǎo)度決定因素，導(dǎo)管直徑越大水分疏導(dǎo)能力越強(qiáng)[38]。隨著葉片主脈厚度和導(dǎo)管直徑的增大，有利于提升葉片對(duì)水分和無(wú)機(jī)鹽的運(yùn)輸能力，從而提高植物對(duì)干旱的抵抗能力和適應(yīng)能力[39]。同時(shí)，發(fā)達(dá)的維管束結(jié)構(gòu)還可以為植物葉片提供良好的機(jī)械支撐能力，在植物缺水時(shí)不會(huì)立即蔫萎，提高了植物對(duì)干旱的抵抗能力[40]。麻根苔草和尖嘴苔草的導(dǎo)管直徑最大，維管束數(shù)量最多，在牧草種植的選擇上，兩者可能更適合作為干旱地區(qū)優(yōu)先選擇的牧草種類(lèi)。

綜上所述，6 種苔草葉片均為等面葉，由表皮、基本薄壁組織、厚壁組織、維管束等組成；維管束數(shù)量和厚壁機(jī)械組織發(fā)達(dá)程度是決定苔草葉片最大抗拉力和彈性模量的重要因素；維管束密度是決定苔草葉片抗拉強(qiáng)度的重要因素。其中麻根苔草和尖嘴苔草抵抗變形能力最強(qiáng)，低矮苔草和矮叢苔草抵抗破壞斷裂的能力最強(qiáng)。在未來(lái)對(duì)苔草屬植物的研究中還應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合其他相關(guān)形態(tài)和生理生化指標(biāo)進(jìn)行綜合研究，為苔草屬園林植物的篩選及適應(yīng)性研究奠定基礎(chǔ)。