5種蕨類植物葉片解剖結構及其對陰生環境的適應性研究

張澤宏，吳小霞

（閩南師范大學 生物科學與技術系，福建 漳州 363000）

現存蕨類植物有12 000余種，我國的蕨類植物有63科230屬2 600余種［1］.大多數蕨類植物喜溫暖、濕潤、通風和比較蔭蔽的環境，忌悶熱，其生長的適宜光照強度在300～6 000lx之間，并且喜歡過濾性、間接性或反射性等柔和的光線［2］.目前，對蕨類植物的研究主要集中在蕨類植物的應用、繁殖技術、資源調查［3－5］，以及對蕨類植物的黃酮類、多糖類等化合物的提取等方面［6－7］，而對蕨類植物葉片解剖結構特征與環境適應性方面的研究報道較少.本實驗選用海金沙、井欄邊草、腎蕨、鐵線蕨、銀脈鳳尾蕨這5種常見蕨類植物作為研究對象，通過對葉表皮及橫切面進行顯微結構觀察，初步探討其葉片組織形態結構，以及對陰生環境的適應性，為蕨類植物系統分類提供形態學依據，同時也為蕨類植物的開發利用及優化栽培管理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

海金沙（Lygodiumjaponicum（Thunb.）Sw.）、井欄邊草（Pterismultifida）、腎蕨（Nephrolepis cordifolia）、鐵線蕨（Adiantumcapillus－veneris）、銀脈鳳尾蕨（Pterisensiformiscv.victoriae）均采自漳州市芝山公園，群落層次及生境條件基本一致.

1.2 試驗方法

1.2.1 葉表皮制片 取葉浸水0.5h，葉中部切成約1cm 長的小段，放入2%的NaOH 溶液中，室溫下過夜，蒸餾水沖洗，用鑷子分別剝離上表皮和下表皮，10%的H2O2溶液漂白5～10min，蒸餾水沖冼，1%番紅酒精溶液染色5min，1%甘油封片.

1.2.2 石蠟制片 選擇完整、無病害的成熟葉片，用鋒利的刀片在葉中部截縱長約0.8cm 的小段.然后經過固定及保存→整染→脫水→透明→浸蠟→包埋→切片→展片及粘片→脫蠟→復水→染色→脫水及透明→封藏等程序，完成制片全過程并保存［8］.

1.2.3 顯微觀察 顯微觀察并測量表皮細胞形狀、垂周壁式樣、表皮毛的存在情況、氣孔密度（取10個視野求平均植）、氣孔長、氣孔寬、氣孔形狀、葉片厚度、葉脈厚度、上下表皮厚度、葉肉細胞形狀、葉脈形態.

2 結果與分析

2.1 葉表皮細胞特征

對5種蕨類植物葉片上、下表皮的研究發現，葉表皮細胞形態特征基本相似，種間差異不明顯.其共有的基本特征表現為表皮細胞1層、表面觀呈不規則形狀、且排列緊密，沒有細胞間隙，無表皮毛.表皮細胞垂周壁呈深淺不同的波浪狀（圖1），橫切面觀，表皮細胞的外形較規則，呈近似的長方形、方形或橢圓形，外壁較厚，有輕度的角質化，表皮細胞內具少量葉綠體.

氣孔是由保衛細胞和它們間的孔口共同組成的，如有副衛細胞存在，則副衛細胞及氣孔又共同組成氣孔器［9］.通過對葉表皮的觀察發現，這5種蕨類植物的上表皮不存在氣孔，而下表皮存在氣孔，氣孔的保衛細胞呈腎型，兩個腎型細胞對稱排列.其中，海金沙、鐵線蕨和銀脈鳳尾蕨的氣孔器為無規則型，幾個與表皮細胞大小、形狀相同的細胞無規則地圍繞著保衛細胞，無副衛細胞；井欄邊草和腎蕨的氣孔器為橫列型，每一氣孔由兩個副衛細胞圍繞著，它們的共同壁與氣孔的長軸成直角排列（圖2）.

圖1 示葉上表皮形態（×1000）和下表皮及氣孔形態（×400）Fig.1 Shows the upper epidermis morphology（×1000）and palisade epidermis and stomatal morphology（×400）

圖2 示葉橫切形態（×400）和葉脈橫切形態Fig.2 Shows crosscut morphology of leaf（×400）and veins

除上述共同特征，蕨類植物的各種類之間也存在較為明顯的差異（表1）.種間的氣孔密度差異很大，表現為：海金沙＞井欄邊草＞腎蕨＞鐵線蕨＞銀脈鳳尾蕨，其中海金沙氣孔密度最大，達103.75個／mm2，說明其在單位面積內氣孔的分布最為密集，而銀脈鳳尾蕨的氣孔密度最小，僅55.18個／mm2，說明其在單位面積內氣孔分布最為稀疏.氣孔的大小不等，表現為：腎蕨＞銀脈鳳尾蕨＞鐵線蕨＞井欄邊草＞海金沙，其中腎蕨的氣孔最大，其氣孔器長、寬分別為46.84μm、32.63μm，而海金沙的氣孔最小，其氣孔長、寬分別為32.63μm、22.11μm.種間的氣孔長寬比差異也很大，表現為：井欄邊草＞銀脈鳳尾蕨＞海金沙＞腎蕨＞鐵線蕨，其中井欄邊草和鐵線蕨這兩種蕨類植物的氣孔長寬比相差懸殊，達到了0.71的水平，所以從氣孔器大小可以很容易區分這兩種蕨類植物.5種蕨類植物的垂周壁式樣僅腎蕨為淺波狀嵌合，其它均為深波狀嵌合.以上特征種間差異較大，故以傳統分類學進行種間分類時，也可以作為區別它們的重要特征.

表1 光鏡下蕨類植物葉片表皮特征（表面觀）Tab.1 Epidermis Characteristics of leaf under optical microscope（surface view）

2.2 葉肉結構特征

葉肉是位于上、下表皮之間的綠色組織的總稱，是葉的主要部位，通常由薄壁細胞組成.5種蕨類植物在葉肉組織結構上表現出某些共性：葉肉組織中無明顯的柵欄組織和海綿組織的分化，葉肉細胞形狀不規則，內含大量體積較大的葉綠體，并且呈狹長的串狀分布，細胞排列疏松，細胞之間存在較大的間隙，形成葉肉中較為發達的通氣組織.

通過對葉的橫切面精細觀察測量，發現5種蕨類植物葉片的主要結構也存在明顯差別（表2）.葉片厚度表現為：銀脈鳳尾蕨＞腎蕨＞井欄邊草＞海金沙＞鐵線蕨，其中銀脈鳳尾蕨的葉片厚度最大，達144.74 μm，而鐵線蕨的葉片厚度最小，僅67.90μm.葉脈厚度表現為：井欄邊草＞銀脈鳳尾蕨＞海金沙＞腎蕨＞鐵線蕨，厚度最大的井欄邊草的葉脈為522.79μm，厚度最小的鐵線蕨的葉脈僅73.24μm.葉脈突起度表現為：井欄邊草＞海金沙＞銀脈鳳尾蕨＞腎蕨＞鐵線蕨，其中井欄邊草和鐵線蕨兩種蕨類植物的葉脈突起度相差懸殊，達到4.18的水平.從表皮厚度的對比研究發現，5種蕨類植物表皮細胞的厚度差異較小，并且下表皮細胞厚度普遍大于上表皮細胞厚度.

表2 光鏡下蕨類植物葉片的主要結構特征Tab.2 The main structural features of fern leaves under optical microscope

3 結論與討論

3.1 葉表皮形態特征對陰生環境的適應

氣孔是植物與外界環境進行氣體交換的門戶，氣孔密度關系到植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用.BoardmanNK［10］通過研究發現，生長在高光強下的植物通常比低光強下的植物具有較高的氣孔密度.5 種蕨類植物的葉下表皮氣孔密度都較低，最多的海金沙也僅103.75個／mm2，最少的銀脈鳳尾蕨只有55.18 個／mm2，這可能與長勢有關.海金沙長勢較高，在樹林內的較上層，接受較多光照，光合作用較強，因而氣孔密度也較大；銀脈鳳尾蕨的長勢較低，在樹林內的底層，接受光照較少，光合作用較弱，因而氣孔的分布也較少.其它3種蕨類植物氣孔密度也不相同，說明光照對氣孔分布的影響因植物生物學特性的不同而不同.此外，5種蕨類植物的氣孔張開度均較大，蕨類植物這種氣孔密度低、開張度大的特點，使其能更有效利用少量的光進行光合作用，從而更好地適應陰生環境.

袁王俊［11］對陰生植物黃連的研究表明，氣孔分布于下表皮，這是黃連葉適應陰濕環境的結果.本研究發現蕨類植物的氣孔均分布于下表皮，上表皮不存在氣孔，這與袁王俊的研究結果一致.

在葉片的解剖結構中，表皮是控制葉片吸收光量子的重要因素.葉表皮附屬物，如表皮毛、短柔毛等，可以降低葉片對光量子吸收［12－13］.蕨類植物生長在陰生環境中，沒有受到過高光強的照射，林蔭下濕度也較高，故本實驗研究的5種蕨類植物均無表皮毛.同時，表皮細胞內具有少量葉綠體，這有利于表皮細胞對光的吸收利用，是植物對弱光環境的一種適應.

3.2 葉肉結構特征對陰生環境的適應

5種蕨類植物葉肉組織中無柵欄組織和海綿組織分化，且葉肉組織的分布不規則，這樣可以減少光量子的投射損失，使植物能夠更充分地利用有限的光能進行光合作用，積累有機物質，提高對陰生環境的適應性.

5種蕨類植物的葉肉組織中存在大量葉綠體，且體積較大，保證了光合作用以及營養物質的供給，甚至連葉表皮細胞中都存在少量葉綠體，這樣更能保證蕨類植物在弱光下生存良好，體現對陰生環境的適應性.同時，蕨類植物的葉綠體呈狹長的串狀分布，這種結構可以通過減少光量子穿透葉片的量而提高弱光照條件下光量子的利用率，從而提高葉片的光合作用效率，使葉片更好的適應陰生環境.

葉片的厚度是判斷植物耐陰性的重要指標，5種蕨類植物葉片厚度都較小，厚度最大的銀脈鳳尾蕨也僅144.74μm，厚度最小的鐵線蕨只有67.90μm，葉片薄使蕨類植物的葉綠體能更充分地發揮吸收光能的作用，從而提高蕨類植物的光合作用效率，使其更好的適應陰生環境.

葉肉是葉光合功能的主要場所.本研究表明蕨類植物的葉肉細胞中具有較多的細胞間隙，形成較發達的通氣組織.通氣組織可以貯藏氣體，用來供光合作用和呼吸作用的部分需要，彌補氣體吸收的不足，這也是植物對陰生環境的一種適應.

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