青藏高原草地主要單子葉植物的葉表面特征

胡選萍,吉成均,安麗華

1 陜西理工大學生物科學與工程學院,漢中 723000 2 北京大學城市與環境學院,北京 100871 3 北京大學醫藥衛生分析中心,北京 100191

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青藏高原草地主要單子葉植物的葉表面特征

胡選萍1,吉成均2,*,安麗華3

1 陜西理工大學生物科學與工程學院,漢中 723000 2 北京大學城市與環境學院,北京 100871 3 北京大學醫藥衛生分析中心,北京 100191

采用光學顯微鏡對青藏高原草地主要單子葉植物的葉表面特征進行觀測,并運用one-way ANOVA、Pearson相關及線性回歸分析,研究了氣孔數量指標的物種間差異性以及氣孔數量特征與海拔、生長季均溫及生長季降水之間的關系。結果表明：(1)青藏高原草地主要單子葉植物長期受高原氣候環境的篩選,形成了一些特有的葉表面共性特征,(a)葉表面細胞有長細胞與短細胞兩種類型。長細胞呈規則長方形,排列緊密,縱向相接成行；短細胞呈長方形、方形、近圓形或馬鞍形,隨機散生、單生或孿生,短細胞形態與分布方式因植物種類而異。(b)氣孔多分布于葉片下表面,屬于單面分布型氣孔。氣孔選擇性地分布在下表面,可在不影響CO2同化率的情況下,一定程度上起到限制水分蒸發,避免造成生理干旱的作用。(c)不同物種氣孔器形態、保衛細胞及副衛細胞形態表現出較為明顯的多態性。保衛細胞近方形、半月形或啞鈴形；副衛細胞呈低圓頂形、圓頂形或高圓頂形；氣孔器為橢圓形、寬橢圓形或近圓形。(d)氣孔器類型均是平列型(paracytic type),由兩個副衛細胞與保衛細胞共同構成；副衛細胞與保衛細胞平行,并完全包圍保衛細胞。氣孔器等間距或不等間距呈直線排列形成“氣孔帶”。(2)青藏高原草地單子葉植物葉表面的氣孔密度(SD)較大,平均為(194.07±4.74) 個/mm2,氣孔長度(SL)較小(34.50±0.28) μm,氣孔指數(SI)為(18.13±0.31)%,其中SD的變異系數(CV)最大(53.02%),SI的變異系數次之(37.23%),SL的變異系數最小(17.94%)。不同物種間葉表面的SL、SD與SI差異極顯著(P<0.01)。(3)青藏高原草地單子葉植物葉表面氣孔數量特征與環境生態因子顯著相關。海拔與葉表面氣孔特征呈顯著正相關(P<0.01),生長季均溫與SL之間呈弱正相關(P<0.05),與SD、SI之間呈顯著負相關(P<0.01),生長季降水與SL之間呈顯著負相關(P<0.01)。具體表現為隨海拔升高SL、SD與SI增加,隨生長季均溫降低SL減小、SD與SI顯著增大,而隨著生長季降水減少SL變大、SD與SI顯著降低。(4)海拔、生長季均溫與生長季降水對SL、SD與SI的回歸方程分別為Y=0.005X1+0.878X2-0.021X3+12.278、Y=0.046X1-11.688X2+0.466X3-46.391與Y=0.003X1-0.363X2+0.009X3+7.394,回歸方程統計檢驗顯著(P<0.01)；環境生態因子對SD的決定系數最大(R=0.690),SL次之(R=0.557),而對SI的貢獻率(R=0.342)相對最小。

青藏高原；草地；單子葉植物；葉表面；生長季均溫；生長季降水

青藏高原位于中國西南部,平均海拔4000 m以上,是中國大陸地勢最高的一級臺階,具有地形復雜、海拔高、輻射強、氣溫低、積溫少、氣壓低、風力大、氣候頻變等高原氣候特點[1-2],屬于氣候變化的敏感區。該區域草地植被覆蓋面積非常廣,占青藏高原植被總面積的63.9%[3],草地植物能在如此極端的環境中廣泛分布與生存繁衍,一定有其特殊的結構特征及生理、生態適應機制[4-8]。草地植物對極端環境的適應方式多種多樣,而葉片作為植物的重要器官,對環境生態因子的變化敏感,可塑性強,能夠快速地反映環境的變化[9- 10],因此可作為植物生態解剖的主要指標。目前關于低溫、干旱、光照、海拔等環境因子對植物葉形態結構特征的影響已有較多研究,但對其在經歷青藏高原極端環境篩選后的葉解剖特征報道較少。前人基于青藏高原草地雙子葉植物總結出了一些葉解剖特征的共性規律[11- 14],但對該區域草地單子葉植物的相關研究非常有限。雖然在嵩草屬植物中有少量報道[15-16],但因材料選取不足以及區域面積的局限,難以歸納出具有普適意義的規律。因此,本研究以青藏高原草地主要單子葉植物為試材,通過對葉表面特征的系統觀察,嘗試在區域尺度上分析高寒極端環境下植物葉表面細胞及氣孔指標的共性特征,探索其對高寒氣候脅迫的響應方式與適應性變化規律,為揭示青藏高原草地單子葉植物對高原極端環境的適應機理提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

材料由北京大學城市與環境學院提供,樣品于2003—2005年采至青藏高原,采集的葉片在野外立即用福爾馬林-醋酸-酒精固定液(Formalin-acetic- alcohol,FAA)溶液固定。研究區域(80.25°—101.03° E,31.06°—37.43° N), 平均海拔 4101 m(2934—4990 m),年平均氣溫-0.41 ℃(-4.44—6.16 ℃),生長季均溫8.05 ℃(3.78—13.38 ℃),年降水361 mm(110—569 mm),生長季降水306 mm(85—485 mm)。研究材料隸屬于莎草科(Cyperaceae)與禾本科(Gramineae),分別為嵩草屬(Kobresia)、苔草屬(Carex)、扁穗草屬(Blysmus)、芨芨草屬(Achnatherum)、賴草屬(Leymus)、洽草屬(Koeleria)、早熟禾屬(Poa)7個屬,包括小嵩草(Kobresiaparva)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、甘肅嵩草(Kobresiakansuensis)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、大花嵩草(Kobresiamacrantha)、粗壯嵩草(Kobresiarobusta)、高原嵩草(KoleusiapusillaIvan)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、葡莖嵩草(Koleusiastolonifera)、藏苔草(Carexthibetica)、無穗柄苔草(Carexivanoviae)、華扁穗草(Blysmussinocompressus)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、醉馬草(Achnatheruminebrians)、賴草(Leymussecalinus)、洽草(Koeleriacristata)、艾松早熟禾(Poaaitchisonii)17個種。

1.2 方法

1.2.1 光學顯微鏡觀察

采用透明膠帶粘取法制備裝片,在光學顯微鏡下觀測葉表面特征。首先用10%的鉻酸對樣品離析12 h,清水沖洗并浸泡。將透明膠帶(普通型：寬度13 mm,厚度0.05 mm)拉開8—10 cm,膠面朝上平放在實驗臺面上；然后將樣品從清水中取出,用吸水紙迅速吸干表面水分；用鑷子夾住材料,分清上下表面,將下表面順長貼于膠帶約1/3處,再將膠帶從1/2處對折,平整地粘貼于材料的上表面,用鑷子柄沿同方向輕刮數下,使膠帶與葉片兩面充分粘著；從對折處剪斷膠帶,并緩慢撕開,分清上下表皮膠面,用清水沖洗除去葉肉細胞殘留物；最后用吸水紙吸干表面水分,將粘有上下表皮的膠帶成對貼于載玻片上,封片后用MoticB5光學顯微鏡觀察,Motic Images Plus 2.0顯微成像系統照相和測定。

1.2.2 氣孔測量指標

氣孔的數量特征主要考察氣孔長度(SL)、氣孔密度(SD)與氣孔指數(SI)3個指標。(1)氣孔長度(SL)測定：在顯微鏡下選取10個視野,每個視野隨機選取5個氣孔,測量其保衛細胞長度,即為氣孔長度(μm)。(2)氣孔密度(SD)測定：在顯微鏡下隨機選取10個視野計算氣孔數目,移動載玻片在表皮的不同部位進行氣孔計數,連續計數10次,將其平均值換算為單位面積的氣孔數,即為葉片的氣孔密度(個/mm2)。(3)氣孔指數(SI)測定：隨機觀察10個視野,統計單位視野氣孔個數(S)和單位視野普通表皮細胞個數(P),計算氣孔指數。氣孔指數(%)=(S/S+P)×100 %。

1.2.3 氣候指標及氣候數據來源

對全國670個標準氣象臺站1970—1999年間每月平均溫度和降水數據進行克里格(Kriging)插值分析,該數據來自于世界氣候數據網站(http://www.worldclim.org),然后根據樣地的經緯度從插值結果中提取樣地的每月平均溫度和降水數據,以30 a的平均值作為樣地的溫度和降水數據[17],本文使用生長季均溫、生長季降水兩個氣候指標。

1.2.4 統計分析

對實驗數據采用SPSS19.0統計軟件進行分析。對于不同物種間氣孔數量指標差異采用one-way ANOVA方差分析,氣孔數量指標對環境因子的響應采用Pearson相關分析以及線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 青藏高原草地主要單子葉植物的葉表面形態特征

圖1 青藏高原草地主要單子葉植物葉表皮氣孔特征圖Fig.1 Stomatal characteristics of epidermis on the main monocotyledonous plants of grassland in the Tibetan Plateau1:小嵩草Kobresia parva(下表皮)；2:藏嵩草Kobresia tibetica(下表皮)；3:甘肅嵩草Kobresia kansuensis(下表皮)；4:矮嵩草Kobresia humilis(下表皮)；5:大花嵩草Kobresia macrantha(下表皮)；6:粗壯嵩草Kobresia robusta(下表皮)；7:高原嵩草Koleusia pusillaIvan(下表皮)；8:線葉嵩草Kobresia capillifolia(下表皮)；9:葡莖嵩草Koleusia stolonifera(下表皮)；10:藏苔草Carex thibetica(下表皮)；11:無穗柄苔草Carex ivanoviae(下表皮)；12:華扁穗草Blysmus sinocompressus(下表皮)；13:芨芨草Achnatherum splendens(下表皮)；14:醉馬草Achnatherum inebrians(下表皮)；15:賴草Leymus secalinus(下表皮)；16:洽草Koeleria cristata(下表皮)；17:艾松早熟禾Poa aitchisonii(下表皮)；18:芨芨草Achnatherum splendens(上表皮)；19:醉馬草Achnatherum inebrians(上表皮)；20：草Leymus secalinus(上表皮)；21:艾松早熟禾Poa aitchisonii(上表皮)

青藏高原草地單子葉植物長期受高原氣候環境的篩選,形成了一些特有的葉表面共性特征：(1)從葉表面細胞形態方面分析,葉表面細胞普遍存在長細胞與短細胞兩種類型。長細胞占多數,呈規則長方形,相互嵌合、排列緊密,相鄰細胞縱向相接成行,各行平行排列,細胞垂周壁不同程度地彎曲(圖1)。不同物種短細胞形態、豐缺及著生方式差異明顯(表1)。具體表現為嵩草類植物與洽草(Koeleriacristata),短細胞數量少,呈短長方形、橢圓形或圓形,零星分散在長細胞之間,形態與長細胞差異不大；而芨芨草(Achnatherumsplendens)、醉馬草(Achnatheruminebrians)、賴草(Leymussecalinus)與艾松早熟禾(Poaaitchisonii)短細胞數量多,特化為馬鞍形,單獨分布或兩兩孿生,有規律地排列在長細胞兩端,細胞壁加厚或不加厚。少數種類如芨芨草(Achnatherumsplendens)部分短細胞特化為圓形及正方形,緊密聚集成行與長細胞平行排列(圖2)。(2)從氣孔的分布位置分析,青藏高原草地單子葉植物氣孔多分布于葉片下表面,屬于典型的單面分布型氣孔。實驗研究的17個代表物種,除芨芨草(Achnatherumsplendens)、醉馬草(Achnatheruminebrians)、賴草(Leymussecalinus)與艾松早熟禾(Poaaitchisonii)4個種類在葉片上表面觀測到氣孔；其余種類僅在葉片下表面有氣孔分布(表2)。(3)從氣孔形態方面分析,不同物種氣孔器形態、保衛細胞及副衛細胞形態表現出較為明顯的多態性。保衛細胞呈中部狹窄、兩端膨大的啞鈴形,或兩端與中間寬度相差不大的近平邊形,或中間略微偏大的半月形；副衛細胞與保衛細胞平行,呈圓頂形。氣孔復體橢圓形、寬橢圓形或近圓形,等間距或不等間距地呈直線排列,與表皮細胞長軸平行,形成明顯的“氣孔帶”。(4)從氣孔器類型方面分析,青藏高原草地單子葉植物氣孔器均是平列型(paracytic type),由兩個副衛細胞與保衛細胞共同構成；副衛細胞與保衛細胞平行,并完全包圍保衛細胞。

表1 青藏高原草地主要單子葉植物葉表面細胞類型及特征

圖2 青藏高原草地主要單子葉植物葉表皮的短細胞Fig.2 Short cells of epidermis on the main monocotyledonous plants of grassland in the Tibetan Plateau1:芨芨草Achnatherum splendens(馬鞍形短細胞、成行短細胞)；2:醉馬草Achnatherum inebrians(馬鞍形短細胞)；3:賴草Leymus secalinus(馬鞍形短細胞)；4:艾松早熟禾Poa aitchisonii(馬鞍形短細胞)

Table 2 Stomatal distribution and morphological feature of epidermis on the main monocotyledonous plants of grassland in the Tibetan Plateau

物種名Species氣孔分布Distribution氣孔器Stomatalapparatus保衛細胞Guard-cell副衛細胞Subsidiary-cell氣孔器類型Stomataltype小嵩草Kobresiaparva下表皮近圓形細長,近平邊形高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型藏嵩草Kobresiatibetica下表皮寬橢圓形細長,啞鈴狀高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型甘肅嵩草Kobresiakansuensis下表皮寬橢圓形細長,扁半月形高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型矮嵩草Kobresiahumilis下表皮橢圓形細長,啞鈴形低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型大花嵩草Kobresiamacrantha下表皮近圓形細長,半月形高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型粗壯嵩草Kobresiarobusta下表皮寬橢圓形細長,半月形高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型高原嵩草KoleusiapusillaIvan下表皮橢圓形細長,近平邊形低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型線葉嵩草Kobresiacapillifolia下表皮橢圓形細長,近平邊形低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型葡莖嵩草Koleusiastolonifera下表皮近圓形細長,近平邊形高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型藏苔草Carexthibetica下表皮圓形細長,半月形高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型無穗柄苔草Carexivanoviae下表皮寬橢圓形細長,半月形低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型華扁穗草Blysmussinocompressus下表皮寬橢圓形細長,半月形低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型芨芨草Achnatherumsplendens上、下表皮長橢圓形細長,啞鈴狀低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型醉馬草Achnatheruminebrians上、下表皮橢圓形細長,啞鈴狀低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型賴草Leymussecalinus上、下表皮寬橢圓形細長,啞鈴狀高圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型洽草Koeleriacristata下表皮橢圓形細長,啞鈴狀低圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型艾松早熟禾Poaaitchisonii上、下表皮寬橢圓形細長,啞鈴狀圓頂形,完全包圍保衛細胞平列型

2.2 青藏高原草地主要單子葉植物葉表面氣孔數量特征分析

上表面氣孔數量特征分析結果表明(表3)：艾松早熟禾(Poaaitchisonii)的氣孔長度最大(46.85±0.86) μm,賴草(Leymussecalinus)次之(45.78±1.06) μm,芨芨草(Achnatherumsplendens)與醉馬草(Achnatheruminebrians)氣孔較小,保衛細胞縱向長度分別為(29.41±0.518)μm與(29.84±1.57)μm；芨芨草(Achnatherumsplendens)上表面的氣孔密度最高(356.57±15.07) 個/mm2,約是其下表面氣孔密度的6倍；醉馬草(Achnatheruminebrians)上表面氣孔密度為(120.08±17.51) 個/mm2,也顯著大于其下表面氣孔密度(80.21±3.24) 個/mm2；而賴草(Leymussecalinus)與艾松早熟禾(Poaaitchisonii)上表面的氣孔密度分別為(75.68±5.52) 個/mm2與(86.49±9.13) 個/mm2,卻明顯小于下表面的氣孔密度(250.88±16.22) 個/mm2與(166.52±7.38) 個/mm2。

下表面氣孔數量特征觀測結果表明(表4)：氣孔長度最大的為洽草(Koeleriacristata)(47.50±0.89) μm,最小的為藏苔草(Carexthibetica)(30.48±0.58) μm,平均氣孔長度為(34.50±0.28) μm；矮嵩草(Kobresiahumilis)氣孔密度最大(299.52±9.51) 個/mm2,無穗柄苔草(Carexivanoviae)的氣孔密度最小(50.22±4.72) 個/mm2,平均氣孔密度為(194.07±4.74) 個/mm2；氣孔指數的極大值與極小值分別為洽草(Koeleriacristata)(26.68±1.61)%與無穗柄苔草(Carexivanoviae)(8.35±0.69)%。就下表面3個氣孔數量指標而言,氣孔密度的變異系數最大(53.02%),氣孔長度的變異系數最小(17.94%)。另外,One-way ANOVA結果表明：不同物種間葉片下表面在SL、SD與SI指標上差異均極顯著(P<0.01)。

表3 青藏高原草地主要單子葉植物葉片上表面氣孔數量特征

表4 青藏高原草地主要單子葉植物葉片下表面氣孔數量特征

2.3 青藏高原草地主要單子葉植物氣孔特征與環境之間的關系

2.3.1 氣孔特征參數與環境因子的相關分析

Pearson相關分析結果表明：(1)海拔與葉表面氣孔特征之間呈正相關關系,相關系數檢驗極顯著(P<0.01),即隨著海拔的升高,SL、SD與SI均呈現上升的趨勢。(2)生長季均溫與SL之間呈弱正相關(P<0.05),與SD、SI之間呈極顯著負相關關系(P<0.01),即隨著生長季均溫的降低,氣孔長度變小,而SD與SI呈現增加的趨勢。(3)生長季降水與SL之間呈負相關,相關系數檢驗極顯著(P<0.01),而與SD、SI之間呈極顯著正相關關系(P<0.01),即隨著生長降水的減少,氣孔長度一定程度上增大,而SD與SI則呈下降趨勢。

表5 青藏高原草地主要單子葉植物氣孔數量特征與環境的相關性分析

Table 5 The correlation analysis between stoma quantitative characteristics and environment factors on the main monocotyledonous plants of grassland in the Tibetan Plateau

皮爾遜相關分析Pearsoncorrelationanalysis氣孔長度SLStomatallength氣孔密度SDStomataldensity氣孔指數SIStomatalindex海拔Altitude0.187**0.330**0.242**生長季均溫Temperatureingrowingseason0.091*-0.461**-0.279**生長季降水Precipitationingrowingseason-0.447**0.525**0.158**

**P<0.01,*P<0.05,無標識表示P>0.05

2.3.2 生態環境因子對氣孔特征參數的回歸分析

為了分析環境生態因子的綜合效應以及各因子的效應大小,以海拔、生長季均溫與生長季降水為自變量對氣孔數量指標進行線性回歸分析(表6)。

表6 環境生態因子對青藏高原草地主要單子葉植物氣孔數量特征的回歸分析

Table 6 The linear regression analysis of environmental factors and stoma quantitative characteristics on the main monocotyledonous plants of grassland in the Tibetan Plateau

線性回歸分析Linearregression氣孔長度SLStomatallength氣孔密度SDStomataldensity氣孔指數SIStomatalindex常量Constant12.278-46.3917.394海拔Altitude0.005**0.046**0.003**生長季均溫Temperatureingrowingseason0.878**-11.688**-0.363生長季降水Precipitationingrowingseason-0.021**0.466**0.009**回歸模型顯著性Significanceofregressionmodel******決定系數Determinationcoefficient0.5570.6900.342

**P<0.01,*P<0.05,無標識表示P>0.05

回歸分析表明：海拔、生長季均溫與生長季降水對SL的回歸方程為Y=0.005X1+0.878X2-0.021X3+12.278,回歸方程統計檢驗顯著(P<0.01),3個環境變量的回歸系數顯著(P<0.01)；環境生態因子對SD的回歸方程為Y=0.046X1-11.688X2+0.466X3-46.391,回歸方程檢驗顯著(P<0.01),各環境變量的回歸系數顯著(P<0.01)；3個環境生態因子對SI的回歸方程為Y=0.003X1-0.363X2+0.009X3+7.394,回歸方程檢驗顯著(P<0.01),生長季均溫回歸系數不顯著(P>0.05),海拔與生長季降水回歸系數極顯著(P<0.01)。總體而言,環境因子對SD的決定系數最大(R=0.690),SL次之,而對SI的貢獻率相對最小。

3 討論

青藏高原高達60%的區域被高寒草甸與高寒草原覆蓋,草本植物居多數[18],這些植物長期生活在極端脅迫環境中,進化出多種生理生態適應機制。該區域主要草地單子葉植物葉表面的獨有特征,印刻著其在經歷生理干旱、晝夜溫差大的高原氣候等逆境篩選后結構飾變的痕跡,是植物對多種生態因子綜合響應的結果,體現了植物對高寒獨特生境的適應。

3.1 葉表皮細胞的生態適應

青藏高原草地植物對高寒氣候環境的生態適應突出體現在葉表面厚度指標方面,具體表現為葉表面細胞及角質層均加厚,且許多植物發育出表皮毛等附屬物[11]；不同區域橫向比較結果表明青藏高原草地雙子葉植物上、下表面細胞厚度普遍大于內蒙古草原葉表面厚度[12],厚的表皮細胞具有隔熱、保水、抗損傷等功能。本研究對青藏高原主要草地單子葉植物葉表面細胞形態的觀察,佐證了葉表面細胞對高寒嚴酷環境適應的另一種機制。本研究的草地單子葉植物葉表面細胞普遍存在長、短兩種類型。長細胞為規則長方形,垂周壁為波紋狀,縱向嵌接成行,與葉脈平行緊密排列,為典型的單子葉植物葉表皮組合式樣,這種結構有助于增強細胞剛性,是植物抗旱抗寒能力較強的表現[19]。短細胞形態多樣,具有明顯的類群差異性。尤其是禾本科的短細胞特化為馬鞍形,以單生或孿生方式,有規律地固定在長細胞兩端,這種結構可能具有“錨定”加固作用,有助于增強長細胞之間的結合力度,增強抗風撕裂能力,使植物在受到大風、冰雹、溫度極變、強輻射等不良環境損傷時,能更好地保護其內部結構。這也是青藏高原草地單子葉植物在葉表面解剖層次上對嚴酷生境的適應。

3.2 氣孔分布及形態的生態適應

雖然氣孔總面積僅占葉片表面積的5%[20],但氣孔的分布與大小會對環境因子感知并趨勢應答[21],直接決定著植物的蒸騰與光合作用。有研究表明高山植物與旱生植物類似,氣孔多分布在葉片下表面[4,22],有利于減少水分蒸發。青藏高原主要草地單子葉植物氣孔分布觀察結果表明,大多種類(75%)僅下表面分布氣孔,從較大規模尺度上驗證這一分布規律。氣孔選擇性地分布在下表面,可在不影響CO2同化率的情況下,一定程度上起到限制水分蒸發的作用,可避免水分過度蒸發而造成生理干旱。氣孔是高等陸生植物在進化中形成的關鍵結構,該結構使植物體可以適應各種環境的變化[23]。不同于青藏高原草地雙子葉植物的腎形保衛細胞以及無規則型氣孔器[24],草地單子葉植物保衛細胞除了啞鈴形這種主體結構外,還分化出半月形或近平邊形的結構變式,反映了草地單子葉植物以氣孔形態的豐度來應對環境的多變,從而增加適應環境變化的潛勢,可能是植物結構在進化上的一種適應策略。草地單子葉植物氣孔器均為平列型(paracytic type),副衛細胞呈圓頂形,完全包圍保衛細胞。從整體結構上看,氣孔器形態一致,排列整齊,且有副衛細胞在結構與功能上的協助,能夠較好地營建穩定的氣孔微生態環境,增強CO2同化功能,更有利于光能的有效利用,可快速高效地對開闊生境的環境因子做出響應以避旱,是一種比雙子葉植物更加進化、適應性更強的氣孔類型。

3.3 氣孔數量特征對環境的響應與適應

植物葉形態特征對環境的響應十分敏感。海拔作為重要的環境變量,可以通過氧分壓、二氧化碳分壓、空氣濕度等變量間接地對植物施加影響[4,22],這些因素長期綜合作用的結果必然導致植物內部結構發生適應性改變。Woodward[25]對比200年前的草本植物與現在的植物,發現氣孔密度和氣孔指數與CO2濃度呈負相關關系。隨海拔上升CO2分壓降低,在低CO2分壓下,氣孔密度與氣孔指數會升高,以利于吸收CO2[26- 27]。青藏高原海拔高、空氣稀薄,因此葉片在長期自然選擇中形成較高的氣孔密度,且隨著海拔的升高,SL、SD與SI均呈現上升的趨勢,從宏觀數量角度解釋了海拔與氣孔密度之間的協變關系,驗證了海拔對葉表面特征的間接效應作用。

由于受西南季風控制,環境相對濕潤,但生長季溫度較低,晝夜溫差大,因此低溫是限制青藏高原草地植物生長的重要因子[28]。本研究發現隨生長季均溫的下降,氣孔密度與氣孔指數增加,氣孔長度變小。氣孔數目與密度的增加,可提高葉片與外界環境的氣體交換能力[29]。青藏高原草地單子葉植物通過氣孔絕對數量與相對數量的同步增加,增強葉片單位面積的CO2攝入量,提高光合速率,保證正常生理功能得以維持；而氣孔變小,開閉調節靈活[30],可在一定程度上減少水分蒸發,對高的氣孔密度與氣孔指數可能造成的“生理干旱”進行生態代償。這也是植物在數量特征上對高原寒冷逆境條件下長期生存所選擇的另一種適應性策略。

已有研究表明水分對葉特征具有可塑性[31],氣孔的分布、大小、密度等受環境中水分狀況的影響[32]。青藏高原由于低溫的影響,植物的生理干旱往往為常態。本研究氣孔長度與生長季降水相關系數為-0.447(P<0.01),表明氣孔長度和干旱感知間存在明顯負相關,反映出氣孔大小在干旱條件下起主要作用[33]。隨著生長季節降水的減少,水分脅迫成為主導限制因子,植物葉表皮氣孔密度與氣孔指數降低,雖然減弱了葉片的CO2同化能力,但同時也可降低水分散失。植物通過這種“犧牲”光合“換取”水分優化利用的策略,保證植物正常生命活動進行,是草地單子葉植物對青藏高原極端氣候環境長期適應的結果。

植物氣孔對特定生態環境的適應機制綜合且復雜,青藏高原草地單子葉植物葉表皮結構的特異性,是對高寒特殊綜合生態環境長期作用的結果,因此考慮各因子之間的綜合效應,建立數學回歸模型,深入探討各生態因子之間的協同效應,從整體上洞悉高寒環境對草地單子葉植物葉表面特征的影響具有重要意義。

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Leaf epidermis characteristics of the main grassland monocotyledonous plant species on the Tibetan Plateau

HU Xuanping1, JI Chengjun2,*, AN Lihua3

1CollegeofSciencesandEngineering,ShaanxiSci-techUniversity,Hanzhong723000,China2CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China3MedicalandHealthAnalysisCenter,PekingUniversity,Beijing100191,China

The characteristics of the leaf epidermis of the main monocotyledonous plant species from grasslands on the Tibetan Plateau were investigated using optical microscopy. The differences in stoma quantitative indices among plant species was studied using one-way ANOVA and the relationships between stoma quantitative indices and environmental factors, such as altitude, and average temperature and precipitation in the growing season, were analyzed using the Pearson correlation and linear regression analysis. The results indicated that: (1) The main monocotyledonous plant species on the grassland shared many special leaf epidermis characteristics, due to long-term adaptation to the plateau environment. These characteristics included: (a) Two types of cells on the leaf epidermis: long cells were generally rectangular and closely arranged in rows; and short cells were rectangular, square, suborbiculate, or saddle-shaped, and their distribution was randomly scattered, solitary, or twinned among species. (b) Most stomas were distributed in the lower epidermis and belonged to the single-sided type. This pattern might play an important role not only in maintaining high CO2assimilation rates but also to limit water evaporation and avoid physiological drought. (c) Morphologies of stomatal apparatus, guard cells, and subsidiary cells showed obvious polymorphism. Guard cells were nearly square, half-moon, or dumbbell-shaped. Subsidiary cells were low-dome, dome, or high-dome shaped. The stomatal apparatus appeared in an ellipse, wide-ellipse, or intimate circle. (d)The stomatal apparatus was paracytic, containing two guard and two subsidiary cells, and was further aligned into stomatal bands with equal or unequal intervals. Subsidiary cells were surrounded by and parallel to guard cells. (2) Average stomatal density (SD), length (SL), and index (SI) were (194.07±4.74) units/mm2, (34.50±0.28) μm, and (18.13±0.31)%, respectively. The coefficient of variation (CV) ofSD(53.02%) was largest, followed by those ofSI(37.23%), andSL(17.94%). There were significant differences among species in these three stoma quantitative indices (P< 0.01). (3) Stoma quantitative indices of monocotyledonous plants of grasslands on the Tibetan Plateau were distinctly correlated with environmental factors. Altitude was significantly associated with stomatal characteristics of the leaf epidermis (P< 0.01). Average temperature in the growing season had a weak positive correlation withSL(P< 0.05), and a notable negative correlation withSDandSI(P< 0.01). Precipitation in the growing season was significantly negatively correlated toSI(P< 0.01). Specifically,SL,SD, andSIincreased with increasing altitude;SLdecreased, andSDandSIincreased as average temperature in the growing season decreased;SLincreased, andSDandSIdecreased with reduced precipitation in the growing season. (4) The linear regression equations ofSL,SD, andSIfrom altitude, average temperature, and precipitation in the growing season wereY= 0.005X1+ 0.878X2- 0.021X3+ 12.278;Y= 0.046X1- 11.688X2+ 0.466X3- 46.391; andY= 0.003X1- 0.363X2+ 0.009X3+ 7.394, respectively, which were extremely significant (P< 0.01). The relationship between environmental factors and the leaf epidermis characteristics showed that the coefficient ofSDwas the largest (R= 0.690), followed by those ofSL(R= 0.557), andSI(R= 0.342).

Tibetan Plateau; grassland; monocotyledons plants; leaf epidermis; average temperature in the growing season; precipitation in the growing season

國家自然科學基金項目(31370419)

2015- 03- 30;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201503300612

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jicj@ pku.edu.cn

胡選萍,吉成均,安麗華.青藏高原草地主要單子葉植物的葉表面特征.生態學報,2016,36(20):6465- 6474.

Hu X P, Ji C J, An L H.Leaf epidermis characteristics of the main grassland monocotyledonous plant species on the Tibetan Plateau.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6465- 6474.