7 種秋海棠屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)分析與耐熱性評(píng)價(jià)

周志雄，王龍遠(yuǎn)，郭 微，談 靜，吳 偉，許 凱，薛彬娥，李凌飛

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院，廣東 廣州 510220；2.中國(guó)科學(xué)院仙湖植物園，廣東 深圳 518004）

【研究意義】秋海棠屬（BegoniaL.）是被子植物的第五大屬，廣泛分布于熱帶亞洲、非洲、及美洲，全球約有秋海棠屬植物 2 000 種（含變種）［1］。根據(jù)生長(zhǎng)習(xí)性可以將其分為根莖類(lèi)、直立莖類(lèi)和球根類(lèi)，直立莖和根莖類(lèi)秋海棠一般生長(zhǎng)在較低海拔、林下環(huán)境，球根類(lèi)秋海棠常見(jiàn)于高海拔地區(qū)［2］。不同環(huán)境下生長(zhǎng)的秋海棠在形態(tài)結(jié)構(gòu)上常表現(xiàn)出特殊的適應(yīng)特征，葉部特征表現(xiàn)尤為顯著［3-4］。因此，對(duì)不同生長(zhǎng)環(huán)境下的秋海棠屬植物葉片組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，有助于了解秋海棠屬植物葉片形態(tài)的適應(yīng)機(jī)理，為后續(xù)城市園林中應(yīng)用秋海棠屬植物提供理論基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】對(duì)不同耐熱植物葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特征的研究表明，耐熱植物通常具有共同的特征，如葉片總厚度和海綿組織厚度較大、柵欄組織與海綿組織的比例偏小，以及組織緊密度較高、氣孔密度較大。關(guān)于葉片解剖結(jié)構(gòu)與植物耐熱性的關(guān)系，已在杜鵑、油茶、山茶、珙桐等植物中探討過(guò)［5-7］。陳平等［8］通過(guò)石蠟切片、顯微觀察，對(duì)10 個(gè)海南山茶無(wú)性系的耐熱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，葉片厚度、角質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度、組織結(jié)構(gòu)疏松度、柵欄組織厚度/海綿組織厚度、氣孔密度是主要影響海南山茶耐熱性的葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)。邱義民等［9］在對(duì)7 個(gè)杜鵑花品種葉片解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鏡掃描觀察的基礎(chǔ)上，采用變異系數(shù)、相關(guān)分析和聚類(lèi)分析等方法，評(píng)價(jià)了杜鵑花葉片解剖結(jié)構(gòu)11 個(gè)指標(biāo)與耐熱性的關(guān)系。研究表明，秋海棠屬植物生長(zhǎng)發(fā)育最適宜的溫度為15～25℃，空氣相對(duì)濕度65%～80%，遮陽(yáng)60%（光照強(qiáng)度約5 000～20 000 Lx），栽培介質(zhì)以疏松透氣的混合型基質(zhì)為主［1］。目前我國(guó)秋海棠屬植物應(yīng)用最為廣泛的有四季秋海棠（Begoniacucullata）、龍翅秋海棠（B.coccinea），因其適應(yīng)性和耐熱性強(qiáng)，并能全年開(kāi)花，在南京地區(qū)推廣應(yīng)用效果良好［10］；中華秋海棠（Begonia.grandis）在北京地區(qū)生長(zhǎng)勢(shì)良好，可直接應(yīng)用于園林、護(hù)坡、道路綠化中［11］。對(duì)秋海棠屬植物葉片結(jié)構(gòu)的研究，主要關(guān)注的是其分類(lèi)學(xué)意義，稅玉民等［12］對(duì)原產(chǎn)云南的46 種3 變種的秋海棠屬植物進(jìn)行葉表皮及毛被的觀察發(fā)現(xiàn)，葉表皮及毛被特征可作為區(qū)分種和變種的依據(jù)；張嶸梅等［13］對(duì)原產(chǎn)我國(guó)的秋海棠屬植物葉片表皮進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，秋海棠屬植物葉表皮形態(tài)在屬內(nèi)組間具有較大的相似性；李景秀等［14］通過(guò)石蠟切片對(duì)云南秋海棠屬植物葉片橫切面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)這些秋海棠物種均為異面葉，具有典型的陰生植物葉片結(jié)構(gòu)，葉肉組織有海綿組織和柵欄組織的分化，柵欄組織不發(fā)達(dá)，通常由1層細(xì)胞組成?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】秋海棠屬植物葉色豐富，素有“觀葉植物之王”的美稱(chēng)，目前對(duì)于秋海棠屬植物的耐熱性鑒定主要以生理指標(biāo)進(jìn)行判斷，對(duì)秋海棠的葉片解剖結(jié)構(gòu)與其耐熱性之間的關(guān)系鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究對(duì)7 種不同生長(zhǎng)習(xí)性和葉片顏色的原生秋海棠進(jìn)行葉片解剖結(jié)構(gòu)觀察，旨在了解秋海棠葉片顯色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)不同解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)在耐熱性鑒定上的適用性，開(kāi)發(fā)秋海棠植物耐熱性快速鑒定的方法，為后續(xù)秋海棠屬植物的耐熱性新品種選育以及推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試秋海棠來(lái)自廣州市仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院白云校區(qū)溫室大棚，7 種秋海棠植株均于2022 年3月進(jìn)行扦插、11 月上盆培養(yǎng)，2023 年3 月對(duì)生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲(chóng)害的植株葉片取樣，進(jìn)行葉片組織結(jié)構(gòu)的觀察。

1.2 試驗(yàn)方法

主要取葉片有斑紋的部位進(jìn)行觀察，羅城秋海棠（LC）選擇中脈白色部位和脈間紅褐色部位，鹿寨秋海棠（LZ）、鹿斑秋海棠（LB）、巴塞羅斯秋海棠（BSLS）、德寶秋海棠（DB）選擇脈間斑紋部位，變異秋海棠(BY)選擇中脈白色部位和脈間紅色部位，香花秋海棠（XH）選擇脈間白色部位和綠色部位（表1，圖1）。取不同部位的完整、健康和成熟葉片，切成1cm × 1cm 的小正方形，用標(biāo)準(zhǔn)固定液FAA 固定，常規(guī)石蠟切片法制備［15］。每個(gè)部分制作5 個(gè)切片，每個(gè)切片選取3 個(gè)視野進(jìn)行觀察測(cè)量。采用Image pro plus 6.0（Media Cybernetics）軟件測(cè)量葉片、角質(zhì)層、上表皮、下表皮、柵欄組織和海綿組織的厚度，并計(jì)算柵海比(柵欄組織厚度/海綿組織厚度)、組織結(jié)構(gòu)緊密度（柵欄組織厚度/葉片厚度）、組織結(jié)構(gòu)疏松度（海綿組織厚度/葉片厚度）和變異系數(shù)。

圖1 7 種秋海棠屬植物的葉片斑紋Fig.1 Leaf variegation of 7 Begonia species

表1 7 種秋海棠屬植物來(lái)源和葉片特征Table 1 The origin and leaf characteristics of 7 Begonia species

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 和SPSS19.0（IBM Corp.，Armonk,n.y.，USA）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。相關(guān)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，Ri2為每一類(lèi)中各指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)(i=1，2，........，n)，n為每一類(lèi)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；r為一個(gè)指標(biāo)與同類(lèi)其他指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。根據(jù)相關(guān)指標(biāo)的大小選擇各種典型指標(biāo)，指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)越大，越具有代表性［16］。

采用隸屬函數(shù)法對(duì)不同秋海棠品種的耐熱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。若該指標(biāo)與熱阻正相關(guān)，則計(jì)算公式為：

若該指標(biāo)與耐熱性呈負(fù)相關(guān)，則計(jì)算公式為：

式中，f(xi)為某一耐熱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。xi為該項(xiàng)指標(biāo)觀測(cè)值，xmax是該項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)的最大值，xmin為該項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)的最小值。

根據(jù)勒路真等［17］的方法，通過(guò)隸屬度函數(shù)計(jì)算平均隸屬度，平均隸屬度越高，耐熱性越強(qiáng)，并將耐熱性分為耐熱型（R,0.550～1.000）、中耐熱型（MR,0.500～0.549）和低耐熱型（LR,0.450～0.499）3 個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片結(jié)構(gòu)特征比較

2.1.1 葉片厚度比較 葉片厚度常作為植物耐熱性的指標(biāo)之一，葉片越厚，植物喪失水分越慢，植物越容易在炎熱的環(huán)境下存活。由表2 可知，7種秋海棠的葉片厚度在172.01～355.62 μm，平均厚度為268.53 μm，葉片厚度依次為鹿寨秋海棠＞變異秋海棠＞香花秋海棠＞鹿斑秋海棠＞羅城秋海棠＞巴塞羅斯秋海棠＞德寶秋海棠。厚度差最大幅度為183.61 μm，變異系數(shù)為24.55%，差異極顯著（P＜0.01）。

表2 7 種秋海棠屬植物的葉片組織結(jié)構(gòu)Table 2 Leaf anatomy of 7 Begonia species

2.1.2 葉片表皮特征 表皮是植物抵御外界不良環(huán)境的屏障。由表2 可知，7 種秋海棠均為異面葉，上下表皮均為1 層排列緊密的細(xì)胞。同種秋海棠的上下表皮厚度相差不大，不同物種間均差異極顯著（P＜0.01），上表皮的厚度為45.97～89.83 μm、變異系數(shù)為23.56%；下表皮厚度為38.29～94.78 μm、變異系數(shù)為25.07%，其中巴塞羅斯秋海棠的上下表皮均較厚，香花秋海棠的上下表皮均較薄。由圖2 可知，7 種秋海棠的葉片表皮均由1 層細(xì)胞組成，通常為長(zhǎng)方形、正方形或者不規(guī)則形，表面平滑或者向外凸起，少數(shù)種類(lèi)在表皮細(xì)胞外側(cè)還有1 層角質(zhì)層，上表皮細(xì)胞與下表皮細(xì)胞在大小上相差不大，氣孔幾乎分布在下表皮。

圖2 7 種秋海棠屬植物的葉片橫切面結(jié)構(gòu)Fig.2 Cross-sectional leaf anatomies of 7 Begonia species

2.1.3 葉肉特征 由圖2 可知，7 種秋海棠屬的植物葉肉均有柵欄組織和海綿組織的分化，但是柵欄組織不發(fā)達(dá)，內(nèi)含較多的葉綠體細(xì)胞。觀察發(fā)現(xiàn)，葉片呈白色部位的柵欄組織排列松散，呈圓形，與上表皮之間存在一定的空隙；紅褐色和綠色部位的柵欄組織呈漏斗型，排列緊密，與上表皮之間沒(méi)有間隙，海綿組織相對(duì)發(fā)達(dá)，由多層細(xì)胞組成，細(xì)胞呈圓球形，長(zhǎng)橢圓形，排列松散，通氣組織發(fā)達(dá)，內(nèi)含少量葉綠體。7 種秋海棠屬植物的柵欄組織的變化范圍為24.19～45.84 μm，其中最大為鹿斑秋海棠，最小為巴塞羅斯秋海棠白色部位，變異系數(shù)為24.93%；葉片海綿組織厚度明顯大于柵欄組織，變化范圍為23.17～157.80 μm，其中最大為變異秋海棠，最小為巴塞羅斯秋海棠，變異系數(shù)為52.99%，柵海比為0.24～1.04，組織疏松度為0.11～0.50，組織緊密度為0.11～0.18（表2），6 種秋海棠屬植物的葉片結(jié)構(gòu)均較疏松。

2.2 不同秋海棠屬植物耐熱性綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 葉片耐熱性解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)篩選 為確定評(píng)價(jià)最優(yōu)指標(biāo)，對(duì)7 種秋海棠屬植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)，結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)8 項(xiàng)指標(biāo)可聚成4 類(lèi)：第1 類(lèi)為海綿組織厚度、組織疏松度、葉片總厚度、柵欄組織厚度；第2類(lèi)為組織緊密度；第3 類(lèi)為上表皮厚度、下表皮厚度；第4 類(lèi)為柵海比。根據(jù)相關(guān)指數(shù)計(jì)算，將4 類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行排序，相關(guān)指數(shù)與變異系數(shù)最大的指標(biāo)為最典型指標(biāo)（表3），最典型指標(biāo)為海綿組織厚度、柵海比、葉片總厚度厚度、組織緊密度（表4）。

圖3 葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)聚類(lèi)分析Fig.3 Cluster analysis of leaf indicators of anatomical structure

表3 葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的相關(guān)矩陣Table 3 Correlation matrix based on indicators of leaf anatomical structure

表4 4 類(lèi)葉片結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)與排序Table 4 Relevant indicators and ranking of 4 types of leaf structures

根據(jù)篩選典型指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法對(duì)7 種秋海棠屬植物進(jìn)行耐熱性綜合評(píng)價(jià)，按照平均隸屬度將7 種秋海棠屬植物分為3 個(gè)耐熱等級(jí)，巴塞羅斯秋海棠為耐熱型，鹿寨秋海棠、羅城秋海棠為中耐熱型，德寶秋海棠、鹿斑秋海棠、香花秋海棠、變異秋海棠為低耐熱型，耐熱型由強(qiáng)到弱依次為巴塞羅斯秋海棠、鹿寨秋海棠、羅城秋海棠、鹿斑秋海棠、德寶秋海棠、變異秋海棠、香花秋海棠（表5）。

3 討論

植物葉片是植物進(jìn)行光合作用、氣體交換以及蒸騰作用的主要場(chǎng)所，其形態(tài)受到環(huán)境的深刻影響，因此植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)能在一定程度上反映植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力［18-21］。眾多學(xué)者對(duì)不同植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)與耐熱性之間的關(guān)系進(jìn)行研究，大多數(shù)認(rèn)為葉片總厚度、海綿組織厚度、柵欄組織與海綿組織的比例以及組織緊密度是決定植物耐熱性的主要解剖學(xué)指標(biāo)，植物不同，葉片解剖的耐熱性指標(biāo)也有所不同，因此，完全利用前人的研究結(jié)果選擇耐熱性指標(biāo)對(duì)秋海棠屬植物進(jìn)行耐熱性綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果有可能降低其耐熱性鑒定的準(zhǔn)確性。鑒于此，本研究采用聚類(lèi)分析、相關(guān)性分析篩選出7 種秋海棠屬植物耐熱性的主要指標(biāo)為葉片總厚度、海綿組織厚度、柵海比、組織緊密度。

秋海棠屬植物有三大分布中心，分別是亞洲、非洲和美洲［12,22-23］。一般而言，美洲的秋海棠種類(lèi)在耐熱性方面優(yōu)于亞洲和非洲的種類(lèi)，亞洲的秋海棠種類(lèi)又以廣西的耐熱性最好，原產(chǎn)于云南的秋海棠種類(lèi)耐熱性較差。本研究分別對(duì)原產(chǎn)于中美洲和中國(guó)廣西、云南的秋海棠種類(lèi)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，原產(chǎn)中美洲的巴塞羅斯秋海棠耐熱性，最好，原產(chǎn)云南的香花秋海棠耐熱性最差，這與前人的研究結(jié)果相符［24］。國(guó)內(nèi)對(duì)于秋海棠植物耐熱性方面主要是基于生理指標(biāo)進(jìn)行判斷，如胡永紅等［25］通過(guò)測(cè)定幾種球根秋海棠葉片的氣孔數(shù)量和結(jié)構(gòu)、體內(nèi)過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶的活性，以及光合速率、蒸騰速率等指標(biāo)，探討了其與耐熱性的相關(guān)性。目前，秋海棠屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)主要是用于其顯色結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的判斷。Zhang等［26］對(duì)大王秋海棠的葉片進(jìn)行解剖觀察，發(fā)現(xiàn)其白色部位的柵欄細(xì)胞與上表皮之間存在較大空隙，而綠色部位的柵欄細(xì)胞與上表皮之間沒(méi)有細(xì)胞間隙，因此判斷其為空隙型葉斑。杜文文等［27］對(duì)7 種秋海棠屬植物進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)銀點(diǎn)秋海棠、鋪地秋海棠、假厚葉秋海棠、‘皮卡’和‘非洲叢林’秋海棠的葉斑為空隙型，彩紋秋海棠和‘虎斑’秋海棠為色素型，而關(guān)于葉片解剖結(jié)構(gòu)與秋海棠耐熱性方面鮮有報(bào)道，本研究首次評(píng)價(jià)了秋海棠屬的葉片解剖結(jié)構(gòu)與其耐熱性之間的關(guān)系，然而，要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)秋海棠屬植物的耐熱性，還需要結(jié)合生理生化、分子生物學(xué)指標(biāo)等，特別是高溫環(huán)境下的同質(zhì)園比較試驗(yàn)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)7 種秋海棠屬植物不同顏色葉片進(jìn)行切片觀察，發(fā)現(xiàn)7 種秋海棠植物葉片為典型的異面葉結(jié)構(gòu)，葉肉有柵欄組織和海綿組織的分化，柵欄組織不發(fā)達(dá)，通常由1～2 層細(xì)胞組成，不同顏色柵欄細(xì)胞的形態(tài)和排列方式不同，這是秋海棠屬植物葉片顯色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。對(duì)秋海棠屬植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)，其耐熱性相關(guān)的指標(biāo)具有類(lèi)群特異性。同時(shí)，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)各組織厚度進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，秋海棠屬植物的葉片結(jié)構(gòu)具有較大的疏松度，即海綿組織相對(duì)發(fā)達(dá)而柵欄組織不發(fā)達(dá)，這與秋海棠屬植物的耐熱性顯著相關(guān)。本研究對(duì)秋海棠耐熱性與葉片形態(tài)解剖的關(guān)系進(jìn)行探究，可為耐熱性秋海棠品種的選育提供參考。