橫斷山區珠子參不同居群葉片形態變異及其與環境因子的關系

楊天梅等

摘要：為探討珠子參多樣性及生態適應性，在橫斷山區選取具有代表性的24個珠子參自然居群，對其葉片的葉長、葉寬、長寬比、正面和背面表皮毛密度及氣孔密度等指標進行研究，結果顯示：珠子參葉片形態變異顯著，變異系數大小順序為正面表皮毛密度>背面表皮毛密度>氣孔密度>葉長寬比>葉長>葉寬；地理距離鄰近的居群間指標差異不顯著，較遠的居群間指標差異顯著；葉長與遮陰度呈顯著正相關，相關系數達0.51；背面表皮毛密度與經度和年均氣溫呈顯著正相關，相關系數為0.50和0.51，與緯度和遮陰度呈顯著負相關，相關系數為-0.45和-0.54，說明葉長及背面表皮毛密度相對于其他指標對環境因子的影響變化更敏感；聚類分析將24個居群分為3類，地理距離相對較近的或表皮毛和氣孔密度相近的一般聚為一類。珠子參通過改變葉形態及葉片大小，增加或減少表皮毛和氣孔數量來適應環境的變化。本研究結果為珠子參對環境變化的適應與響應機制提供了基礎，也對研究其生態適應性及資源的保護和利用具有重要意義。

關鍵詞：表皮毛；氣孔；生態適應性；珠子參；葉片形態；環境因子；相關性

中圖分類號： S567.5+10.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0276-04

葉片是植物進化過程中對環境變化較敏感且可塑性較大的器官，在不同選擇壓力下已經形成各種適應類型，其形態特征最能體現植物對環境的適應[1]。葉片形態特征受到了廣泛的關注，有學者從葉表皮形態特征[2-3]、葉片解剖結構[4-6]等不同角度對葉片形態變化及其適應特征作了大量研究。研究表明，植物葉片形態與地理環境息息相關，同一種屬植物生長在不同生境下，其葉形態特征有著較顯著的差異，根據這些差異可以討論與推測植株進化與變異軌跡；因此，深入揭示植物葉片的形態特征，對研究植物生態適應性具有重要意義。

橫斷山區在云南、四川兩省的西部，生物多樣性極強，且富含古老和孑遺類型，是研究生態適應性的熱點地區，也是人參屬起源中心和多樣性分布及現代分化中心。人參屬植物是經歷了第4次冰期的孓遺植物，為典型陰生C3植物，對光、溫等生態因子十分敏感，適應性差，長期過度采挖導致其資源日益短缺，種群瀕臨滅絕，分布區也大大縮小，珠子參[Panax japonicus C. A. Mey. var. major （Burk.） C. Y. Wu et K. M. Feng]等分布較廣的種也由于醫藥工業開發而遭到極大的破壞，人參屬珍貴種質資源研究及保護已成為迫切的問題。然而本屬植物各種間的外部形態、特別是地上部分的形態甚為相似，一些形態特征（如葉片、花等）過渡類型頗多[7]，給研究其生態適應能力和開發利用帶來了困難，因此對人參屬生態適應能力的研究較為少見。Venugopal等研究了氣候環境因子變化對假人參（P. pseudoginseng）生長繁殖能力的影響，發現溫度、降水和相對濕度對其生長繁殖具有協同效應[8]。本研究以橫斷山區人參屬中變異最為復雜的珠子參為對象，分析24個居群珠子參葉形態特征，結合各居群的生境數據，試圖闡釋珠子參各居群葉形態特征的變異與生境的相關性，來揭示珠子參葉片形態對環境變化的響應，可為這一瀕危物種在未來氣候環境變化條件下的保護和開發利用及人工種植提供一定依據，也為研究本屬植物的生態適應能力提供一定的參考數據。

1材料與方法

1.1樣地選擇與樣品采集

2013年6—8月，珠子參葉生長茂盛時期，在云南省昆明、大理鶴慶馬廠、麗江、德欽以及四川省鹽源縣和木里縣等野生珠子參分布較為集中的地方進行調查采樣，共采集了 24個居群（表1）的樣品，每個樣地隨機選擇20株無明顯病蟲害的植株，每株采集中部葉片及時進行葉片特征指標測定。

1.2葉片特征指標的測定

1.2.1葉片長和寬的測定用直尺按每個樣地20株，各取正常完整的中部葉片，測量葉長和葉寬，并觀察記錄葉片的形狀和葉緣、葉端的形態。

1.2.2葉片表皮毛密度的測定用直尺在葉片中部量出1 cm×1 cm 的小塊，放在解剖鏡（XTT型實體顯微鏡）下觀測方塊面積上、下表皮毛的數量，即為表皮毛密度。

1.2.3葉片氣孔密度的測定將葉片浸泡在等量的30%過氧化氫-醋酸溶液中，在室溫下放置72 h，在光學顯微鏡40倍鏡下觀測各視野氣孔的數量，計算其平均值，用平均值除以表124個居群的地理位置

視野面積即為氣孔密度。

1.3數據處理方法

用Excel 2003、DPS 7.0軟件進行數據整理及分析。

2結果與分析

2.1不同居群珠子參葉片基本形態特征的比較

珠子參的葉片形態特征主要為多薄紙質，稀厚紙質，近圓形、橢圓形、長橢圓形或卵狀橢圓形，先端長漸尖或尾狀漸尖，邊緣有重鋸齒、細鋸齒或深波狀，兩面脈上均有表皮毛（圖1）。24個居群中，葉長最長的為9居群，平均為11.03 cm，最短的為23居群，平均為3.50 cm，相差7.53 cm；葉寬最寬為3居群和8居群，平均為3.06 cm，最窄的為23居群，平均為1.50 cm，相差1.56 cm，葉長、葉寬變異系數分別為0.28、0.20；地理位置臨近的差異不顯著，地理位置較遠的差異顯著（表2）。

2.2不同居群珠子參葉片表皮特征的比較

通過解剖鏡和顯微觀察顯示，珠子參葉片正面和背面均有表皮毛，且表皮毛的類型表現一致，上表皮細胞呈不規則形，垂周壁波狀彎曲，均無氣孔；下表皮細胞也呈不規則形，但垂周壁深波狀彎曲，均有氣孔，類型均為不定式，稀不等式，副衛細胞 3～4個（圖2）。差異分析結果顯示，正面、背面表皮毛密度差異顯著，平均正面表皮毛密度是32.78個/cm2，變異系數為0.92，最大是24居群，為148.33個/cm2，最小是22居群，為2.00個/cm2；平均背面表皮毛密度是10.53個/cm2，變異系數為0.99，最大是1居群，為39.66個/cm2，最小是19和22群居，為0個/cm2；氣孔密度1居群、8居群、16居群、17居群和24居群5個居群的差異顯著，平均156.71個/mm2，變異系數為0.43，最大是24居群，為360.33個/mm2，最小是8和9居群，為90.00個/mm2（表3）。

2.3不同居群珠子參葉片特征與環境因子的相關性分析

分析了6個葉片特征參數和海拔、經度、緯度、年均降水量、遮陰度、植被類型、土壤類型8個環境因子的關系，結果表明：葉長與遮陰度呈顯著正相關，相關系數達0.51；背面表皮毛密度與經度和年均氣溫呈顯著正相關，相關系數為0.50和0.51，與緯度和遮陰度呈顯著負相關，相關系數為-0.45和-0.54，其余指標相關性不顯著（表4）。

2.4聚類分析

對珠子參24個居群的6個性狀進行聚類分析（Ward法），當距離為3.55時，可分為3類，第1類包括1、14、23、24，共計4個居群；第2類包括2、3、4、5、6、8、9、10、11、12、13、15、16、17、18、19、20、22，共計18個居群；第3類包括7和21，共計2個居群（圖3）。在這3類中，每一類各居群之間有的地理距離相對較近，如第1類的23和24，都是四川省的；還有第2類中的2、3、4、5和10、12、11、6、13、9等居群為同一個縣份和市區的資源。此外，還可以看出，每一類群所處的地理環境條件也較為相似，如第3類中2個居群的緯度相差不大，表皮毛密度和氣孔密度也相近。表4珠子參24個居群葉片特征與環境因子的相關性分析

葉片形態指標相關系數海拔經度緯度年均降水量年均氣溫遮陰度植被類型土壤類型葉長0.10.02-0.070.04-0.40.51*-0.04-0.28葉寬-0.240.17-0.250.14-0.110.25-0.04-0.13葉長寬比0.32-0.090.02-0.2-0.360.28-0.06-0.24正面表皮毛密度 0.150.230.01-0.210.34-0.320.06-0.16背面表皮毛密度-0.150.50*-0.45*-0.320.51*-0.54*0.090.02氣孔密度0.17-0.030.12-0.180.16-0.07-0.14-0.27注：“*”表示顯著相關（P<0.05），“**” 表示極顯著相關（P<0.01）。

3結論與討論

3.1珠子參葉的形態特征與生態環境的關系

大多植物形態性狀是多基因決定的數量性狀，往往具有適應和進化意義，可以更清楚地揭示植物與其環境之間的關系，而葉是植物暴露在地面環境中最多的器官，因此植物對環境的反應通常較多地反映在葉的形態結構上。有研究也表明，植物葉片形態與地理環境息息相關，同一種屬植物生長在不同生境下，其葉表皮氣孔密度有著較顯著的差異，根據這些差異可以討論與猜測植株進化與變異軌跡[9-11]。本研究中，珠子參葉上表皮毛大都多于下表皮，但上表皮基本上沒有氣孔，氣孔均存在于下表皮，這樣可以避免強烈的日照，減少呼吸和蒸騰，降低水分的散失，起到自我保護的作用。差異分析結果顯示，珠子參葉的6個形態特征在地理位置較遠的居群差異顯著，但地理位置臨近的居群（即在同一縣區和市區）差異不顯著，海拔較高的珠子參葉表皮毛密度和氣孔密度增加，這與馬書榮等的研究結論[12]是相符的，即隨海拔升高，氣孔密度增加，單位面積上的表皮毛數量增多。聚類分析結果也顯示24個居群的6個葉片特征性指標表現出與采集地有一定的相關性，地理距離相對較近的資源一般聚為一類。但相關分析結果顯示葉長與遮陰度呈顯著正相關，說明葉片的長度與生長環境的遮陰程度關系密切；背面表皮毛密度與經度和年均氣溫呈顯著正相關，相關系數為0.50和0.51，與緯度和遮陰度呈顯著負相關，相關系數為-0.45和-0.54，說明葉長及背面表皮毛密度相對于其他指標對環境因子的影響變化更敏感；其余指標相關性不顯著，究其原因，可能是由于珠子參標本采集地海拔、植被類型及土壤類型差異不大，各居群珠子參生長環境有一定相似性或者與光照、土壤濕度等其他因素有關系。

另外本研究中，聚類分析將四川省木里縣和鹽源縣、云南省昆明市呈貢縣梁王山、云南迪慶州維西縣攀天閣居群聚為一類，4個居群之間表皮毛和氣孔密度存在著較大差異，且有的地理位置較遠，究其原因，這可能與光照及其他因素有關。Ciha等指出氣孔密度隨植株接受光強增加而增加[13-14]；有學者指出水分脅迫條件下，氣孔密度有升高的趨勢。四川木里海拔較高，光照度較其他地區強，土壤濕度也較其他地區的小，所以氣孔密度高些。綜上所述，珠子參植株葉形態特征與生境的關系還需進一步研究。

3.2珠子參葉的形態特征的多樣性

珠子參是人參屬中過渡類型最多的一個種[15-16]。在本研究中也發現，同一居群的珠子參在葉形態上變異顯著，24個居群中葉形就有近圓形、橢圓形、長橢圓形、卵狀橢圓形；葉緣有鋸齒的、細鋸齒的、重鋸齒的和深波狀的；葉端有漸尖或尾狀漸尖；形態上差異很大；上下表皮毛密度上表面較下表面大，上表皮細胞呈不規則形，垂周壁波狀彎曲，均無氣孔；下表皮細胞也呈不規則形，但垂周壁深波狀彎曲，均有氣孔，類型均為不定式，稀不等式，副衛細胞 3～4個，單位面積的氣孔數量和表皮毛數量有明顯差異。因此，葉片特征對于珠子參種質篩選和保存有一定的指導意義。

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