4種觀賞草葉片解剖結構的觀察及其對環(huán)境的適應性分析

張詠梅，白小明，田彥鋒, 龔良建

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070； 3.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 4.中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 5.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

觀賞草是指一類色彩豐富、形態(tài)美麗，其纖長的葉片、搖曳的花序或株(叢)型有觀賞價值的草本植物的統(tǒng)稱。觀賞草種類繁多，觀賞價值高，繁殖容易，養(yǎng)護管理成本低，對環(huán)境具有廣泛的適應性，有利于低投入、持續(xù)性園林景觀的建植，可應用于不同類型的城市花園、公園及其他休憩綠地，豐富城市園林景觀，體現(xiàn)園林植物的生物多樣性和景觀多樣性。觀賞草可以形成較單純的禾草花境，更多的是與花卉、觀葉植物、灌木等配置，可作為過渡帶、隔離帶進行栽植，或根據(jù)觀賞草的觀賞特性采用群植或片植的方式，無需與其他植物搭配，可獨立成景，營造出不同的景觀[1],充分體現(xiàn)園林植物的物種多樣性和景觀多樣性，在園林植物造景中發(fā)揮了重要作用，具有廣闊應用前景，但目前對其引種和應用十分盲目。因此，需要加強各類觀賞草的基礎研究，科學評價其對不良環(huán)境的抗性和生態(tài)適應性，為其在園林中的應用提供科學依據(jù)。

馬藺(IrislacteaPall. var.chinensis(Fisch.) Koidz.)是鳶尾科鳶尾屬多年生植物，分布廣泛；其根系發(fā)達，綠期長，花高貴淡雅，植株高矮適中，且有較強抗逆性，近年來逐漸被用作缺水城市綠化、護坡固沙，鹽堿地改良、園林綠化的優(yōu)質(zhì)材料[2]。披針葉苔草(CarexlanceolateBoott)為莎草科苔草屬多年生草本植物，分布于我國東北、內(nèi)蒙古、華北、西北、華中等地[3]，既是一種優(yōu)良牧草，也是一種應用廣泛的觀賞草。紫穗狼尾草(PennisetumalopecuroidesL. Spreng)和花葉虉草(PhalarisarundinaceaL.var.pictaL.)均為禾本科多年生草本植物。紫穗狼尾草株形優(yōu)美、花序美麗、抗逆性強，是一種新型的園林造景植物，尤其在水資源短缺地區(qū)是建造耐旱園林不可缺少的植物種類[4]。花葉虉草具根狀莖，葉扁平，線形；葉面綠色間有白色或黃綠條紋，質(zhì)地光滑、飄逸，形似玉帶，具有很高的觀賞價值。

葉是植物進行光合作用[5]和蒸騰作用[6]的主要器官，在植物整個生命史中占據(jù)相當重要的地位，在植物進化過程中與周圍環(huán)境關系密切[7]。葉片直接暴露于環(huán)境中，與各種環(huán)境因子接觸最為廣泛，是植物感應環(huán)境變化很敏感的器官之一，表現(xiàn)出較大的可塑性[8]，其結構特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物自身對環(huán)境的適應[9-10]。因此，在植物的結構與環(huán)境關系方面，研究最多的器官是葉片[11-12]。了解植物葉片組織解剖結構是探索植物對環(huán)境變化和環(huán)境適應的基礎，具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

供試的4種觀賞草，馬藺采自甘肅省天祝藏族自治縣高寒草甸，紫穗狼尾草、披針葉苔草和花葉虉草購自北京野草之美園林綠化有限公司，陸續(xù)移植于甘肅農(nóng)業(yè)大學校內(nèi)草業(yè)學院草坪實訓基地。適應基地環(huán)境生長至少4年。校區(qū)所在地蘭州市位于隴西黃土高原的西部，北緯36°05′，東經(jīng)103°42′，是青藏高原向黃土高原的過渡地區(qū)。境內(nèi)大部分地區(qū)為海拔1 500～2 500 m的黃土覆蓋的丘陵和盆地，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.3℃，年平均日照時數(shù)為2 446 h，無霜期為180 d，年平均降水量為327 mm。這4種觀賞草在蘭州地區(qū)生長狀況大都良好(表1)，移植成活率高，只是紫穗狼尾草葉枯較早，11月3日左右進入枯黃期，但在深秋仍具有觀賞性。馬藺在11月15日左右葉色枯黃。花葉虉草和披針葉苔草耐寒性較強，在秋季能夠正常生長，直至霜降，地上部葉片凍傷萎蔫。

2017年10月23日上午10:00采樣。采集成熟葉片剪成1 cm長的小段放置于FAA混合固定液(福爾馬林∶冰醋酸∶70%乙醇=5∶5∶90)中。真空抽氣30～40 min，保證固定液充分浸泡材料以迅速殺死細胞，防止細胞自溶，保存完整的細胞結構。

1.2 切片制作方法

按常規(guī)石蠟切片程序制片：70%乙醇(含1%伊紅)洗滌2～3次(方便包埋時辨認材料)至材料不含冰乙酸氣味。依次采用85%,90%,95%無水乙醇，無水乙醇進行梯度脫水，每級溶液停留2 h；然后在通風櫥中以二甲苯試劑進行組織透明；對透明后的組織材料浸蠟4次，每次6～8 h；最后將材料包埋在石蠟中。對石蠟塊修塊，用Leica RM2265旋轉切片機(德國)切片。切片厚度分6 μm,8 μm和10 μm3種。將切下的石蠟條帶輕輕漂浮在38℃蒸餾水水面上，以載玻片撈起。將得到組織切片置于40℃烘箱中充分烤片至少72 h。以番紅-固綠雙重染色；中性樹膠封片。Olympus BX-61正置萬能顯微鏡(日本)下對切片進行觀察并拍照。

表1 4種觀賞草在蘭州地區(qū)生長狀況

2 結果與分析

2.1 馬藺

馬藺葉片較厚，為等面葉，由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成，且在葉脈處略有突起(圖1A)。表皮細胞呈卵圓形或矩圓形，平行排列，表皮細胞表面光滑，覆蓋有角質(zhì)層。平行葉脈發(fā)育相近，且無大、小葉脈之分，毗鄰兩葉脈相距較遠(圖1A)；葉脈外包圍著一圈直徑大小不一的維管束鞘細胞，但不以花環(huán)狀排列(圖1C)；且在葉脈兩側均有厚壁細胞群與表皮相連。葉肉細胞短圓柱形，3～4層葉肉細胞緊密排列在表皮細胞之下；兩邊葉肉細胞層之間——占葉片厚度1/3的空間——是空腔(圖1A)。葉片解剖結構尤其是葉脈結構顯示馬藺為C3植物。

細胞中的單寧化合物可被氧化成褐色和紅褐色的鞣酐[11]，對20 μm厚的馬藺切片番紅-固綠雙重染色后，葉片一側的葉肉細胞著色較深，呈現(xiàn)紅褐色，表明單側葉肉細胞中含有豐富的單寧物質(zhì)(圖1 A、C、D)。此外，在馬藺葉片中觀察到了含晶細胞(圖1 D)。馬藺葉片大而厚，組成葉片的細胞尺寸也較大，葉表面可以清楚地觀察到氣孔，氣孔口略低于表皮細胞，且覆蓋有較厚的角質(zhì)(圖1C，D)。

2.2 披針葉苔草

披針葉苔草葉片由上、下表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成(圖2A，B，C)。表皮細胞大而圓，尤其是上表皮細胞遠遠大于下表皮細胞，近葉片的1/4厚(圖2 B)。葉肉細胞呈圓形，較小，內(nèi)含豐富的葉綠體。披針葉苔草葉肉細胞間存在少量黑色團狀物；近軸面葉肉細胞3～4層，遠軸面多為1層。葉肉細胞間有巨大的空腔，近葉片的1/2厚(圖2A，B)。披針葉苔草的平行葉脈為外韌型維管束，相距較遠。不同于其它草在葉脈處外突，披針葉苔草葉脈較小，在葉脈處稍有內(nèi)凹(圖2 B)。花環(huán)狀維管束鞘細胞兩層，外層維管束鞘細胞內(nèi)無葉綠體(圖2 B)，內(nèi)層維管束鞘細胞內(nèi)切向壁加厚。維管束鞘細胞結構顯示披針葉苔草是C3植物。葉中脈之上是6～8個大泡狀細胞(圖2 A，C)，干旱缺水時有利于葉片閉合。

2.3 紫穗狼尾草

紫穗狼尾草葉片橫切面結構由表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成(圖3A)。葉片近軸面具有肋狀突起，遠軸面平直。上表皮細胞大小不均勻，下表皮細胞小而圓，表面覆蓋厚的角質(zhì)層。平行葉脈為有限外韌型，大、中、小葉脈相間排列。紫穗狼尾草每個肋狀突起下有1個或大或小的葉脈，紫穗狼尾草葉片1個突起下有1個較大的葉脈，或1個突起下具有3個小葉脈。大葉脈的木質(zhì)導管和韌皮部篩管為木質(zhì)化的厚壁細胞所包圍，并與下表皮相連，維管束鞘細胞較小；小葉脈維管束鞘細胞較大，有大而濃的葉綠體，葉脈維管束鞘細胞結構表明紫穗狼尾草是典型的C4植物。小葉脈周邊是排列緊密、胞間隙小的葉肉細胞，葉肉細胞不規(guī)則形，內(nèi)含葉綠體。紫穗狼尾草上表面肋狀突起間的凹陷處有不甚發(fā)達的泡狀細胞存在。

整個葉片的中部有中脈，外圍突出，由大、中、小3種尺寸的葉脈相間排列(圖3B，C)；內(nèi)部有大量髓細胞存在，結構像半個莖(圖3C)。

圖1 馬藺葉片解剖結構

圖2 披針葉苔草葉片解剖結構

2.4 花葉虉草

花葉虉草，商品名、俗名玉帶草、絲帶草，為禾本科虉草屬多年生草本植物。具根狀莖，葉扁平，線形；葉面綠色間有白色或黃綠條紋，質(zhì)地光滑、飄逸，形似玉帶。花葉虉草葉片橫切面由表皮、葉肉、葉脈組成(圖4A，B，C)。上表皮細胞呈圓形或矩圓形；下表皮細胞大小不等；上、下表皮細胞表面覆蓋有角質(zhì)層，無表皮毛。葉肉沒有柵欄組織和海綿組織的分化，葉肉細胞不規(guī)則形，排列緊密，個別葉肉細胞間隙有小型的氣腔存在(圖4A，B，C)。花葉虉草葉面黃綠色或白綠色條紋相間，葉片橫切面顯示綠色條紋處葉肉細胞含有豐富的葉綠體，白色條紋處無葉綠體，有白色體存在(圖4B，C)。平行葉脈相對不發(fā)達，相距較遠。維管束鞘細胞有兩層，內(nèi)層鞘細胞內(nèi)切向壁加厚，外層鞘細胞為大型薄壁細胞，其內(nèi)無葉綠體，表明花葉虉草為C3植物。花葉虉草未觀察到中脈，平行葉脈間有大型的泡狀細胞分布。

圖3 紫穗狼尾草葉片解剖結構

圖4 花葉虉草葉片解剖結構

3 討論

環(huán)境是植物生存與發(fā)展的條件，在各種不同的生態(tài)環(huán)境中，聚生著特定的植物種類。溫度、光照、水分、土壤、大氣和其它生物有機體是重要的環(huán)境因子。植物對自身生長的生態(tài)環(huán)境有特定的響應和適應，在適應多樣化的環(huán)境過程中，葉片各結構表現(xiàn)出了各自的響應特點，構成了類型繁多的響應模式[13]。通過研究植物葉片的形態(tài)結構特征，能在一定程度上說明其對環(huán)境的適應策略[14]。

本研究的4種觀賞草具有一般單子葉植物葉片結構特點：等面葉，由表皮細胞、葉肉細胞和葉脈組成；表皮細胞排列規(guī)則，上表皮含泡狀細胞；葉肉細胞無柵欄組織和海綿組織的分化；平行脈序，葉脈內(nèi)的維管束為有限外韌型，木質(zhì)部和韌皮部之間無形成層。由于這些觀賞草屬不同科、屬，遺傳差異大，適生環(huán)境地理因素、氣候因素、伴生物種等生態(tài)因子亦不同，葉片的解剖結構和特點也不盡相同。

3.1 葉片葉脈結構與適應性

維管束是植物體內(nèi)對水分和養(yǎng)分進行傳導的運輸系統(tǒng)，位于葉片中通常稱為葉脈，而位于根系和莖中常稱為維管束。葉脈為植物葉片提供結構支持、水分傳導和光合碳水化合物轉運，以維持植物的水分狀況和光合能力[15]。研究發(fā)現(xiàn)，C4植物紫穗狼尾草的葉脈格外發(fā)達，水分傳導能力強。葉片對水分的傳導已經(jīng)被證明與光合能力呈正相關[16-18]。這也在解剖學基礎上，從水分供應方面解釋了紫穗狼尾草具有高光合能力的原因[19]。

紫穗狼尾草和馬藺葉脈上下厚壁組織發(fā)達。下皮層、厚壁組織、纖維等機械組織的存在被認為可以降低葉片萎蔫時的損傷，同時也能阻擋光線的直接照射，從而達到降低蒸騰的作用[20]。這2種觀賞草葉脈內(nèi)木質(zhì)部細胞壁加厚，維管束鞘細胞內(nèi)切向壁五面加厚，葉脈上下兩側有厚壁細胞與表皮細胞相連，有利于葉脈木質(zhì)導管內(nèi)水分的縱向運輸，限制水分的橫向擴散，保證了整個葉片尤其是遠離根系的葉尖的水分供應，有利于葉片的伸長生長。這種結構可能也是大部分禾草葉片纖長的原因。

3.2 葉片氣腔或氣室結構與適應性

馬藺、披針葉苔草和花葉虉草葉片結構顯示葉肉細胞間具有氣腔。說明這3種觀賞草在一定程度上能夠適應水生或濕生環(huán)境生長。其中，披針葉苔草的葉脈退化，葉脈內(nèi)木質(zhì)部較小，具有濕生植物的特點；花葉虉草氣腔體積稍小，推測此草能夠適應濕生環(huán)境；而馬藺和披針葉苔草葉肉細胞間氣腔格外發(fā)達，這2種觀賞草可能能夠適應水生環(huán)境生長。此外，馬藺葉肉中含有豐富的丹寧或膠狀物質(zhì)，葉肉細胞排列整齊緊密，適應于干旱生境生長；其葉片較厚，質(zhì)地較硬，葉肉細胞緊實程度高，可以在低溫環(huán)境下為葉片提供更好的“圍墻效應”[21-22],具有高山植物的特點，可以適應寒冷環(huán)境。披針葉苔草表皮細胞之下、葉肉細胞間存在有數(shù)量不少的黑色團狀物(可能為石細胞或含晶細胞)[23-24]，這可能有助于其對寒冷條件的適應[23]。植物的結構往往與其功能相適應。根據(jù)葉片結構特點推斷，馬藺、花葉虉草和披針葉苔草具有很強的適應性和抗性，馬藺和花葉虉草在干旱、嚴寒和水澇的不良環(huán)境中可正常生長；而披針葉苔草對寒冷和濕生環(huán)境適應性更強。研究表明：苔草屬植物因其固有的生殖對策，具有極強的營養(yǎng)繁殖能力，特殊生理功能以及頑強的生命力，能夠生長在極其脆弱的生態(tài)環(huán)境，如高寒草原，高寒冰緣、許多濕地系統(tǒng)以及森林最下層，對維持脆弱的生態(tài)環(huán)境起著極其重要的作用[25]。苔草亞屬的Spirostachyae絕大多數(shù)種類分布在歐亞大陸和北非的濕地，而在澳大利亞、南非和南美洲干旱地區(qū)幾乎沒有分布[26-27]。

3.3 葉片光合作用方式與適應性

C4植物進行光合作用時的CO2補償點很低，固定CO2效率很高，光合作用很強，具有更高的光合效率、水分利用效率和氮素利用效率，表現(xiàn)出更高的產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量穩(wěn)定性[28-29]。在強光、高溫或干旱時，C4植物能夠通過部分地收縮氣孔孔徑，減少蒸騰失水，利用葉片內(nèi)細胞間隙中含量很低的CO2進行光合作用，從而提高了水分的利用率，這一特性在干旱的沙漠、草原、熱帶、亞熱帶地區(qū)尤其具有明顯的優(yōu)勢[30]。然而，由于C4光合作用(2個額外的ATP/CO2固定)比傳統(tǒng)C3途徑具更高的內(nèi)在能量需求，可能導致C4植物在低光強下的光利用效率降低[31-32]。因此，在利用紫穗狼尾草及其他C4型觀賞草造景時，應注意避免將其配置在林下或陰蔽的弱光環(huán)境，或冷涼的氣候條件下[33]，光照較弱則株型開張、松散，易倒伏從而影響景觀效果。

4 結論

葉片解剖結構顯示，馬藺葉片、角質(zhì)層較厚，葉肉細胞多層，葉片富含單寧；披針葉苔草葉肉層間氣腔發(fā)達，中脈處泡狀細胞大而多；紫穗狼尾草為典型C4植物，大、中、小葉脈相間排列；花葉虉草葉肉細胞間有小氣腔，葉肉含葉綠體或白色體，與葉面黃綠色或白綠色條紋相對應。4種觀賞草的葉片解剖學結構既呈現(xiàn)較大的不同，有些種又有一些相似的結構特點以適應相近的生長環(huán)境。馬藺、披針葉苔草和花葉虉草可適應干旱環(huán)境和濕生環(huán)境；馬藺具有一定的耐寒性；紫穗狼尾草對干旱和熱帶高溫生境均有較強的適應性。