黃土高原丘陵區棗和酸棗葉脈序特征分析

李曉鵬 ，李新崗

(1.蘭州財經大學，甘肅 蘭州 730020；2.西北農林科技大學林學院，陜西 楊凌 712100)

葉脈系統不僅是植物水分和養分運輸的重要器官[1]，而且對葉片具有機械支撐作用，以保證葉片的生理活動[2]。葉脈序表征了葉脈在葉片里的分布和排列方式[3]，被稱為植物的“血管”。不僅葉脈序特征具有一定的分類學意義[4-5]，而且葉水分利用、光合能力、碳構建等也備受關注[2, 6-7]。葉脈系統具有等級特征，末端葉脈的供給和運輸作用最為關鍵[2]。Roth-Nebelsick等[8]通過研究葉脈形態和功能的關系以及葉脈的演化歷程，認為不同植物類群具有不同類型的葉脈序。不同植物類型的葉脈密度、葉脈寬度和葉脈間距離等性狀共同決定了其葉片水分供給和運輸能力，也反映了葉脈系統對養分和光合產物的運輸能力[9-10]。隨著葉脈序研究的不斷深入，其應用領域也在不斷拓展，已成為研究葉功能多樣性、葉片碳平衡的基礎領域[11]。有關葉脈序特征與環境[3, 12-13]、與植物系統進化[14-15]的研究已取得了一些成果，對植物生理學和生態學的研究及相關預測都具有重要的意義[2]。

關于棗和酸棗適應性方面的研究，主要集中在脅迫條件下，對棗葉片表皮、含水量和葉綠素含量等方面[16-18]。在栽培(棗)和野生(酸棗)生境條件下，研究棗和酸棗葉脈序特征，探討其葉脈序適應機制具有重要意義。

棗(ZiziphusjujubaMill.)和酸棗(Z.jujubavar.spinosa)為棗屬植物，棗是由酸棗演化而來[19]。晉陜黃河峽谷一帶作為我國棗的原產地和栽培中心，一直保留著棗的原生類型和很多過渡型酸棗。本研究以晉陜黃河峽谷的棗、酸棗和過渡型為材料，研究棗和酸棗葉脈序特征，揭示其葉脈序特征及其葉片結構建成，探討其適應機制，有助于深化對棗和酸棗在原始生境中生產力、抗性機制、生態適應能力和生存機制的理解，為棗資源的高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料的收集與準備

采樣區位于陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區，主要采樣地為陜西佳縣、清澗縣、延川縣、吳堡縣，以及山西稷山縣和中陽縣(圖1)。該區屬暖溫帶半干旱大陸性氣候，海拔480～1 300 m，年降雨量為380～400 mm，降雨主要集中在秋季，年蒸發量為1 400～2 000 mm。棗區多在河流沿岸的灘地、或者海拔較低的河谷和丘陵區。

棗和酸棗在形態上各有特點，棗為喬木，托刺易脫落，葉緣疏且較大，果核少仁或無仁，果實可食率94%～97%；酸棗為灌木、小喬木、喬木，托刺多、長，不容易脫落，葉緣鋸齒細密，果核飽滿、多仁，果實可食率僅64%～87%。酸棗與棗間存在很多過渡類型，多為喬木，托刺少、短、容易脫落，葉緣、果核、果實可食率等性狀介于酸棗和棗之間。

7月中、下旬到9月中旬，待葉片發育完全后，采集90份代表種質，其中包括棗55份、酸棗28份和過渡型7份。棗品種有狗頭棗、狗稀疙瘩棗、狗牙棗、靈寶圓棗、木棗、稷山圓棗、牛奶脆棗、帥棗、團棗、板棗、錐棗、蜂蜜罐、伏脆蜜、江淮1號、晉棗、冷白玉、七月鮮、月光棗和豬腰棗等。利用GPS定位，記錄各棗品種和酸棗所處的地理位置。

采樣時，針對每個棗品種或酸棗類型，隨機選取樹齡30 a以上的健康植株10 株，每株上采摘3～5 a生棗股上的棗吊10～20個，標記后放入自封袋中，帶回實驗室后在 -4℃ 冰箱內保存。

注：1-15為陜西樣品：佳縣樣品(1.佳蘆鎮；2.朱家坬鎮；3.峪口鎮；10.店鎮；14.蟋鎮)；清澗縣樣品(4.高杰村鎮；9.老舍古鄉；13.寬州鎮；15.石咀驛鎮)；延川縣樣品(5.禹居鎮；6.延水關鎮;7.眼岔寺鄉;8.土崗鄉;11.賀家灣鄉)；吳堡縣樣品(12.守家川鎮);16-17為山西樣品：16.稷山縣稷峰鎮；17.中陽縣下棗林鄉。Note: 1-15 represents Shaanxi sample: Samples in Jiaxian County(1. Jialu town; 2. Zhujiagua town; 3. Yukou town; 10. Dian town; 14. Xi town); Samples in Qingjian County(4. Gaojiecun town; 9. Laoshegu town; 13. Kuanzhou town; 15. Shizuiyi town); Samples in Yanchuan County(5. Yuju town; 6. Yanshuiguan town; 7. Yanchasi town; 8. Tugang town; 11. Hejiawan town); Samples in Wubao County(12. Shoujiachuan town); 16-17 represents Shanxi sample: 16. Jifeng town in Jishan County; 17. Xiazaolin town in Zhongyang County.圖1 陜晉黃土高原丘陵棗區(黃河峽谷)17個采樣地分布情況Fig.1 Distribution of 17 sampling sites of jujube leaves on Loess Plateau of Shaanxi and Shanxi (The Yellow River Canyon)

1.2 葉脈序信息獲取

定位3～5 a生二次枝上的中部棗股，選取其棗吊中部3～5個葉片，采用背光掃描法采集葉脈信息，并采用葉脈序信息轉換軟件LEAF GUI(Leaf Extraction and Analysis Framework Graphical User Interface)[20]進行信息轉化，獲取葉脈數據信息。選取葉面積、葉周長、網眼數、環形結構、葉脈寬度、網眼面積、節點數、葉脈間距離、葉脈密度、葉脈總長度、葉脈總面積、葉脈邊緣的平均二維面積、葉脈邊緣的平均三維面積和閉合環狀結構平均體積等14個特征指標[21]。其中，葉脈密度指單位面積葉脈的總長度；環形結構即單位面積網眼數，指葉片內閉合環形結構的數量除以葉面積；節點數指葉片中一、二、三級脈等交匯點的總個數；葉脈間距離指葉脈所圍成的每個閉合區域的最大當量直徑；網眼面積是葉片的一、二、三級脈等圍成的不規則閉合區域的平均面積。

1.3 數據處理

用ArcGIS 10.2軟件制作采樣圖；SPSS 19.0軟件對各葉脈序特征指標數據進行方差分析(ANOVA)、多重比較檢驗(post-hoc tests)和多樣性分析(SPSS_Inc. 2004)；用NTSYSpc V2.1和MEGA 5.1 聚類分析軟件對其葉脈序進行聚類分析[22]；并使用 Sigmaplot 11軟件(Systat Software, Richmond, CA, USA)和R 3.5.1軟件做圖。

2 結果與分析

2.1 棗、酸棗和過渡型葉脈序指標比較

陜北棗、酸棗和過渡型酸棗的14個葉脈序特征，通過主成分分析(PCA)篩選出適合研究棗葉脈序的8個特征指標，即葉面積、葉周長、環形結構、葉脈間距離、網眼面積、節點數、葉脈密度和葉脈寬度。8個葉脈序指標方差分析(SPSS_Inc. 2004)(圖2)表明，就葉面積和葉周長而言，棗、酸棗和過渡型酸棗之間均有顯著差異(P<0.05)，且棗最高、酸棗最低。棗、酸棗和過渡型的葉脈密度也有顯著差異，且棗 < 過渡型 < 酸棗(P<0.05)。對葉脈序環形結構、葉脈間距離、網眼面積和節點數來說，棗與酸棗均有顯著差異(P<0.05)，但棗和過渡型之間無差異。同時，棗、酸棗和過渡型的葉脈寬度無顯著差異(P>0.05)。

多樣性分析表明，棗葉脈序指標的多樣性指數(DI)，單位面積網眼數(1.53)、葉脈間距離(1.64)、網眼面積(1.65)、節點數(2.03)、葉脈密度(1.74)均顯著高于酸棗(P<0.05)，過渡型酸棗葉脈序指標的多樣性指數處于棗和酸棗之間。酸棗葉脈序指標中，環形結構的多樣性指數最高，網眼面積的多樣性指數最低；棗葉脈序指標中，節點數的多樣性指數最高，葉脈寬度的多樣性指數最低；過渡型酸棗的葉脈序指標中，節點數的多樣性指數最高，葉脈間距離的多樣性指數最低(圖2)。棗葉脈序特征指標的變異系數(CV)范圍(15.24%～74.69%)比酸棗(20.37%～52.84%)更寬。其中，棗環形結構的變異系數最大(74.69%)，棗葉脈間距離的變異系數最小(15.24%)。酸棗中，環形結構的變異系數最大(52.84%)，葉脈間距離的的變異系數最小(20.37%)。棗、酸棗和過渡型環形結構的變異系數均較高，葉脈間距離的變異系數均較低。

2.2 棗、酸棗和過渡型葉脈序聚類分析

2.2.1 陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區棗、酸棗和過渡型的葉脈序聚類分析 由于延川縣存在著較多典型的古酸棗樹和過渡型酸棗，具有一定的代表性。故首先選取該地區代表性棗、酸棗和過渡型進行葉脈序NJ聚類(Neighbor-joining)分析，結果發現，在相似系數為1.8 時，將其分為兩大類，第I類為酸棗，第II類為棗(圖3)。

圖2 棗、酸棗和過渡型酸棗的葉脈序特征及多樣性指數比較Fig.2 Comparisons of eight leaf venation characteristics and diversity index for cultivated jujube, wild jujube, and transitional type

圖3 陜北酸棗、過渡型酸棗和棗的NJ聚類分析Fig.3 Dengrogram of neighbor-joining clustering analysis of wild, transitional type and cultivated jujube accessions in Northern Shaanxi.

陜晉黃土高原丘陵棗區的棗、酸棗和過渡型的葉脈序 NJ 聚類分析(圖4)表明，品種間遺傳多樣性高，雜合度高。在相似系數為1.69時，將其分為兩大類，第I類為酸棗，第II類為棗；并且，過渡型酸棗的佳縣酸團棗、苦味酸棗、老牙酸棗和酸味酸棗，在兩個類群中都有，說明酸棗經過渡型向棗的演化。同時，在酸棗類群中，清澗酸棗和延川酸棗之間距離較近，而佳縣酸棗與清澗酸棗距離較遠。另外，在棗中，佳縣木棗、清澗木棗和延川木棗的距離較近，聚為一類，為木棗類群。而延川團棗、清澗團棗與木棗中的部分佳縣、清澗木棗的距離較近。狗頭棗、中陽木棗、伏脆蜜、佳縣白棗、晉棗的距離較近，七月鮮、狗牙棗與牛奶脆棗的距離較近。

2.2.2 陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區主栽棗品種的葉脈序聚類分析 為了進一步研究陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區主栽棗品種葉脈序之間的關系，19個棗品種UPGMA聚類分析(圖5)表明，聚類中存在不同的層次(L1-L3)，在相似系數為1.29時，棗被分為4個類群。

類群1包括白棗、豬腰棗、伏脆蜜、江淮1號、延川狗頭棗、狗稀疙瘩棗、團棗、冷白玉、七月鮮和月光棗等11個品種；類群2包括晉棗、牛奶脆棗、錐棗和帥棗4個品種，主要為鮮食和制干的兼用品種；類群3有脆脆棗、狗牙棗和靈寶圓棗3個品種；類群4只有木棗。從葉脈序特征的角度分析，類群3中的脆脆棗、狗牙棗、靈寶圓棗和類群4中的木棗之間的距離較近。

3 討 論

3.1 棗、酸棗和過渡型葉脈序特征比較

植物在進化過程中，為適應環境變化自身會啟動相應的基因改變或調整生理生化代謝過程，表現出相應的生態適應性[23]。植物葉片形態結構與其生理功能和環境關系密切，其對環境的變化最敏感，可塑性最大[24]。

棗和酸棗葉脈序特征指標方差分析表明，酸棗葉脈間距離顯著低于棗(圖2)，說明其葉脈與氣孔間的距離較短。當終端葉脈之間的距離越小、葉脈直徑越大時，葉脈運輸水分的能力越強[11]，碳通量越高[25]。因此，與栽培條件下的棗相比，野生條件下的酸棗具有較高的碳通量和水分運輸能力，并且其環形結構顯著高于棗和過渡型。有研究表明，當植物受到損傷時，葉脈的環形結構能通過對葉片水分運輸途徑的重新布局，把損傷減少到最小[3, 26]，環形結構的不斷演化也與氣孔的分布及密度相關[8]。與棗相比，酸棗的生存環境更為惡劣，正是由于酸棗較高的環形結構，使其在遭受機械損傷后，能夠通過增加更多水分運輸途徑的方式，彌補和減少外界傷害。酸棗葉脈密度顯著高于棗和過渡型(圖2)。對較高葉脈密度植物的研究發現，減少土壤有效水分和植物所需養分均可提高植物的葉脈密度，而植物可通過較高的碳投入量來補償土壤中水分和營養的缺失[11]。酸棗在干旱環境中，具有比棗更高的葉脈密度，說明其單位面積有更多的水分、養分運輸通道和碳投入量，發達的輸導組織能保證和提高水分輸導效率，從而保證葉肉組織不因失水受到傷害。以上結果均從葉脈序的角度上解釋了酸棗能在極度寒冷、干旱的環境中正常生長的原因。

葉脈序聚類分析表明，第I類為酸棗，第II類為棗(圖3和4)，說明葉脈序可以作為一個重要的指標來劃分棗和酸棗。同時，過渡型酸棗在兩個類群中都有，這是由于過渡型酸棗的葉脈序特征代表著酸棗到棗演化過程的不同階段，葉脈序也反映了棗是由酸棗經過渡型酸棗演化而來。

3.2 棗、酸棗和過渡型葉脈序的多樣性分析

植被表型特征的變異是其不斷應對不同環境的一種生存機制[11]。本研究表明，酸棗葉片形態和大部分葉脈序特征的變異系數顯著高于棗(圖2)。Richards[27]研究發現，表型可塑性較高的植物，其對環境條件具有較強的耐受性，因而分布范圍較廣；反之分布范圍較小。長期進化過程中，過渡型和棗多為喬木，而酸棗有喬木和灌木兩種類型。這說明酸棗在水平空間分布上有生態位重疊，是一種互利共生，也能減少或避免它們之間對生態資源的直接競爭，表現出酸棗對有限資源充分利用的一種有效生存機制。

圖4 黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區棗、酸棗和過渡型酸棗的葉脈序特征及其聚類分析Fig.4 Leaf venation characteristics and clustering analysis for cultivated, wild, and transitional-type jujube sampled on hilly region Loess Plateau(The Yellow River Canyon)

本研究發現，棗葉脈序特征的多樣性指數均顯著高于酸棗(圖2)。棗的栽培和馴化受人為選擇和自然選擇的影響，尤其是人為選擇，深刻影響著棗品種選擇，從而形成了適應當地環境的品種和生態類型，并在各地進行廣泛的交流[28]。各異的生長環境，為棗品種多樣性提供了充分的外在條件。

同時，酸棗葉脈序特征的變異系數顯著高于棗和過渡型，使其具有比棗更寬的生態幅。張繼義等[29]研究發現，與生態位寬度較小的植物相比，生態位寬度較大的植物對資源的有效利用能力較強，分布范圍較廣。與低表型可塑性植物相比，高表型可塑性的植物通常對不同環境條件具有較強的耐受性，因而分布廣[30]。在長期進化過程中，酸棗面對干旱、貧瘠的生長條件，為保證生長發育順利進行，通過表型性狀(尤其是葉片)的變異適應環境變化，表現出較高的表型可塑性和較強的生態適應性。

3.3 基于葉脈序的棗品種關系

陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區19個棗品種UPGMA聚類結果表明，在相似系數為1.29時，棗分為4個類群(圖5)。類群1中有11個品種，其中白棗、豬腰棗、伏脆蜜、冷白玉、七月鮮、月光棗、江淮1號和團棗是鮮食品種，狗稀疙瘩棗為制干品種，延川狗頭棗為鮮食與制干兼用品種。類群2中，晉棗和牛奶脆棗為鮮食品種，錐棗和帥棗分別為制干和蜜棗品種。類群3中，脆脆棗和狗牙棗是鮮食品種，靈寶圓棗是制干品種。類群4只有木棗品種，為該棗區的原生品種群。該部分的劃分更多是源于葉脈序特征及其功能相近的結果，與棗品種類別關系不大。但也看到，類群1中的狗頭棗屬關中品種群，與類群4中的木棗的距離較遠，這與棗遺傳多樣性的研究結果一致[31]。

陜北地區保存著較為原始的棗品種類型，如木棗品種群，雖然它們在樹形、果形等差異很大，但其葉脈序特征差異較小。現存的千年古樹與其分化的木棗親緣關系較近，原生木棗品種群的遺傳變異很小[32]。葉脈序特征聚類結果與栽培棗遺傳多樣性的分布格局基本一致。從葉脈序特征的角度分析，類群3中的脆脆棗、狗牙棗、靈寶圓棗和類群4中的木棗之間的距離較近。這與其遺傳演化研究結果基本一致，親緣關系較近，可能是由于脆脆棗、狗牙棗和靈寶圓棗是從原始品種木棗中的變異株系中形成的。Geber和Griffen[33]研究發現，植物在進化過程中，植物會選擇易適應當地條件的表型。

4 結 論

本研究分析了我國棗起源地——黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區的棗、酸棗和過渡型的葉脈序特征，發現葉脈作為穩定性狀可用于酸棗和棗的鑒別。過渡型葉脈特征在栽培棗與酸棗之間，從葉形態上證實了酸棗到栽培棗的進化。在干旱、貧瘠生境中生長的酸棗，其葉脈間距離、網眼面積和節點數都顯著低于栽培棗，而環形結構和葉脈密度顯著高于棗。說明棗和酸棗通過權衡葉脈序而采取不同的適應策略。棗葉脈序的多樣性指數(DI)中，單位面積網眼數(1.53)、葉脈間距離(1.64)、網眼面積(1.65)、節點數(2.03)、葉脈密度(1.74)均顯著高于酸棗。棗葉脈序特征指標的變異系數范圍(15.24%～74.69%)比酸棗(20.37%～52.84%)更寬。這是由于在棗的栽培生產中，人類往往以自身需要為目的選擇棗品種，因此深刻影響著品種的選擇方向。酸棗葉脈序變異系數顯著高于棗和過渡型，說明其具有更寬的生態幅，表現出較高的表型可塑性和較強的生態適應性，體現了對有限環境資源充分利用的生存機制。

圖5 陜晉黃土高原丘陵(黃河峽谷)棗區19個主栽棗品種的UPGMA聚類圖Fig.5 Dengrogram based on clustering analysis of unweighted pair group method with arithmetic average for 19 varieties of cultivated jujube sampled on Loess Plateau of Shaanxi and Shanxi (The Yellow River Canyon)