基于葉片解剖結構對灰楊不同發育階段的抗旱性評價

翟軍團 韓曉莉 李志軍

(塔里木大學生命科學學院/新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室,新疆阿拉爾843300)

在某種特定環境下長期生長的物種或種群，會有一些特征與之適應，特別是葉片解剖性狀的某些定向改變［1-6］。生境變化常導致葉片柵欄組織、海綿組織等形態解剖結構的響應與適應，如在長期缺水條件下的植物，其葉片具有耐旱性形態結構特征［7-10］。有研究表明，不同植物的抗旱結構存在差異，如不同物種間或品種間葉的解剖結構及其抗旱性有差異［11-19］，同一個物種在不同的生境條件下葉的形態解剖結構及其抗旱性也存在明顯差異［20-22］，即使同一物種不同發育階段葉形態解剖結構也有較明顯的變化［23］。

異形葉性是植物對環境長期適應過程中積累形成的一種遺傳機制，并且反映出了葉片對于環境改變有著較大的可塑性和變異性［24-25］。有研究表明，臭柏通過鱗葉將水分生理最優化的同時，也通過刺葉將光合生理最優化，兩種葉形協調合作，維持了正常的代謝和生長，使臭柏在長期適應環境的過程中，形成多變的、可調節的適應各種水分和光照環境的能力［26-27］。胡楊具有異形葉性，同一個體上從披針形葉到闊卵形葉，葉片表皮細胞層數增多，葉肉細胞排列更緊密［28］；柵欄組織趨于發達，海綿組織減少，角質層加厚，氣孔下陷，線粒體逐漸增多［29］；葉綠體的形狀由規則的紡錘形逐漸變為不規則的圓形或橢圓形，淀粉含量變少，葉脈中維管組織趨于發達，結構上明顯趨于旱生結構［28-30］，闊卵形葉較卵形、披針形葉的旱生結構更發達［31］；在不同的發育階段，胡楊異形葉形態解剖結構存在顯著差異［32］。

灰楊（也稱灰胡楊、灰葉胡楊）與胡楊同為楊柳科楊屬胡楊派植物，與胡楊相似也具有異形葉性的生物學特點［33-34］。灰楊幼株葉為長橢圓形，成年植株樹冠上有圓形葉、闊卵形葉，不同形態的異形葉是依次出現在灰楊的不同發育階段［35］。但目前，灰楊異形葉形態解剖結構是否隨個體發育階段而變化，而這種變化與灰楊發育階段的抗旱性有什么關系，目前尚不明晰。葉的形態結構是其功能的基礎，葉片形態結構的變化必然影響其生理生態功能的改變。因此，研究灰楊不同發育階段異形葉形態解剖結構特征，有助于揭示其不同發育階段異形葉的形態結構和生理生態功能對干旱環境的適應機制。本研究選擇生長在同一生態環境條件下不同發育階段（樹齡）的灰楊為研究對象，研究灰楊不同發育階段異形葉形態解剖結構的變化規律及其與抗旱性的關系，為進一步揭示灰楊個體發育過程對干旱環境的適應機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆塔里木盆地西北緣（81°17'56.52″E，40°32'36.90″N）。研究區氣候炎熱干燥，多年平均降雨量僅50 mm 左右，潛在蒸發量可達1900 mm，年均氣溫10.8 ℃，年均日照時數為2900 h，是典型的溫帶荒漠氣候。研究區人工灰楊林面積180. 6公頃，株行距1.20 m×4.20 m，平均樹高6.41 m。林內有不同發育階段（不同樹齡）的灰楊301株。

1.2 研究材料

徑階劃分及樣株確定：以不同徑階的灰楊代表灰楊不同的發育階段。以胸徑2 cm 為階距進行整化，起始徑階為2 cm。研究區內301株灰楊共劃分出9個徑階（分為2徑階、4徑階、6徑階、8徑階、10徑階、12 徑階、14 徑階、16 徑階、18 徑階），代表了灰楊9 個發育階段。

表1 灰楊各徑階樣本數及樣株基本信息

于灰楊葉片發育成熟時期，在樣株樹冠5個層次（以全站儀測量各徑階樣株樹高和枝下高，計算冠高，并將冠高5 等分，定義樹冠由基部向頂部方向劃分的5等分依次為樹冠第1層、第2層、第3層、第4層和第5 層。）的中央位置，按東、西、南、北方位各隨機采取1 個當年生枝條，每一棵樣株共采集20 個枝條。選取每個枝條基部開始的第3個葉片為樣葉，每一個層次4 個葉片，每顆樣株共計20 個葉片，用于制作葉片組織切片。

1.3 測定方法

從葉片最寬處橫切取材（保留主脈部分）以FAA液固定保存。利用常規石蠟制片技術制作組織切片，切片厚度8μm，番紅固綠雙重染色，中性樹脂封片。在Leica 顯微鏡下觀察測量表皮組織、柵欄組織及海綿組織結構參數。計算柵/海比、葉片組織結構緊密度、葉片組織結構疏松度［36-38］。每切片觀測5 個視野，每視野觀測20 個值，取5 個視野葉片解剖結構參數的平均值為每葉片解剖結構參數值。按照下列公式計算［27,39-40］柵/海比、葉片組織結構緊密度、葉片組織結構疏松度：

柵/海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度

葉片組織結構緊密度=（柵欄組織厚度/葉片厚度）×100%

葉片組織結構疏松度=（海綿組織厚度/葉片厚度）×100%

1.4 數據處理方法

（1）樹冠每層次葉片解剖結構指標參數值：分別為每層次4個葉片（東、南、西、北方位）的解剖結構指標參數的平均值。

（2）各樣株葉片解剖結構指標參數值：為樣株樹冠5個層次葉片解剖結構指標參數值的平均值。

（3）各徑階葉片解剖結構指標參數值：為各徑階3棵樣株葉片解剖結構指標參數值的平均值。

采用SPSS17. 0 軟件對數據進行單因素方差分析，其中差異性顯著水平設定為α=0. 05；用Pearson相關系數檢驗各指標間相關性。

1.5 隸屬函數計算方法

如果某一指標與抗旱性成正相關，則公式為：X(U)＝（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）；如果某一指標與抗旱性成負相關，則公式為：X(U)＝1-（XXmin）/（Xmax-Xmin）式中X為參試徑階某一指標的測定值，Xmin為某一指標測定值中的最小值；Xmax為某一指標的最大值。

2 結果分析

2.1 灰楊不同徑階異形葉解剖結構的比較

對灰楊各徑階異形葉最寬處橫切面表皮組織結構進行觀測。如圖1 所示，隨著徑階增加，灰楊葉片上/下表皮細胞數和細胞寬度逐漸增加，上、下表皮細胞長度變化不明顯。方差分析顯示，上、下表皮細胞寬度和表皮細胞數在2～18 徑階存在“階梯式”差異。結果表明，灰楊異形葉葉片最寬處橫切面表皮細胞數和細胞寬度隨徑階增加表現出差異。

圖1 灰楊葉片表皮組織解剖結構隨徑階增加的變化規律

對灰楊各徑階異形葉葉片最寬處橫切面葉肉組織進行觀測。圖2 顯示，隨徑階增加，灰楊異形葉柵欄組織細胞長度、寬度變化不明顯，但柵欄組織細胞數、柵欄組織厚度、葉片厚度逐漸增加，海綿組織厚度逐漸減少。方差分析顯示，柵欄組織細胞數、柵欄組織厚度和海綿組織厚度、葉片厚度在2～18 徑階存在“階梯式”差異。結果表明，隨著徑階增加，灰楊異形葉葉片越來越厚，柵欄組織越來越發達，而海綿組織則越來越退化。

圖2 灰楊異形葉葉肉組織解剖結構隨徑階增加的變化規律

圖3 顯示，灰楊葉片組織結構緊密度隨徑階增加變化不明顯；葉片組織結構疏松度隨徑階增加呈現出逐漸減小的規律。圖4 顯示，灰楊異形葉柵/海比隨著徑階增加而增大，不同徑階間差異顯著。此外，在各徑階、以及同一徑階樹冠的不同垂直空間柵/海比都大于1，表明灰楊的抗旱性結構特征隨著發育階段不斷增強。

圖3 灰楊葉片組織結構緊密度和疏密度隨徑階增加的變化規律

圖4 灰楊異形葉柵/海比隨徑階增加的變化規律

表2 灰楊異形葉解剖結構指標參數與胸徑的相關系數

2.2 灰楊異形葉解剖結構與胸徑的關系

表2顯示，灰楊表皮細胞數、表皮細胞長、柵欄組織細胞寬度、柵欄組織厚度、柵欄組織細胞數與胸徑呈極顯著正相關（P＜0. 01）；海綿組織厚度與胸徑呈顯著負相關（P＜0.05），表明葉片最寬處橫切面表皮細胞數、表皮細胞長度和柵欄組織厚度隨胸徑增加而增加，海綿組織厚度隨胸徑增加而減少。結果表明，灰楊異形葉解剖結構指標參數的變化與胸徑變化密切相關，即與個體發育階段變化密切相關。灰楊葉片解剖結構指標參數間也存在極顯著/顯著正、負相關關系，說明灰楊異形葉葉片解剖結構指標參數間存在協同變化關系。

2.3 灰楊異形葉解剖結構主成分分析

葉片解剖結構的變異系數能夠反映植物為更好的適應環境所變現出來的可塑性，高的葉片解剖結構變異系數反映了該結構對植物適應環境有較強的作用。灰楊異形葉解剖結構性狀在各徑階的變異系數如表3。結果表明，在各徑階，葉片解剖結構性狀中變異系數最大的均是柵欄組織細胞數和表皮細胞數；其次是柵欄組織細胞長度。

表3 灰楊異形葉解剖結構性狀在各徑階的變異系數（CV%）

本主成分的特征值和貢獻率是選擇主成分的依據，將灰楊9 個徑階的10 個與抗旱性有關的解剖結構性狀作為10 個主成分，各主成分的特征值見表4，前2 個主分量構成的信息量占總信息量的84.331%。其中第1主成分特征值為4.558，貢獻率為63.711%，對第一主分量影響最大的解剖結構性狀是表皮細胞數、柵欄組織細胞數、柵欄組織厚度、葉片厚度、柵/海比。第2 主成分特征值為1.725，對總變異的貢獻率為20.62%，對第二主分量影響最大的解剖結構性狀是表皮細胞長度、柵欄組織細胞長度。綜合第1、2主成分，有4 個指標都與柵欄組織相關。結果表明，葉片厚度、表皮細胞數、柵欄組織細胞數、柵欄組織厚度、表皮細胞長度、柵欄組織細胞長度、柵/海比是造成灰楊9 個徑階異形葉葉片解剖結構差異的主要因素。

表4 灰楊2 ～18徑階異形葉解剖結構性狀主成分分析

2.4 灰楊不同發育階段的抗旱性比較

在各徑階變異系數最大的均是柵欄組織細胞數和表皮細胞數；其次是柵欄組織細胞長度。結合主成分分析結果，選取葉片厚度、表皮細胞數、柵欄組織細胞數、柵欄組織厚度、柵/海比5 個重要主成分作為灰楊抗旱性評價。對各個抗旱指標的統計值采用隸屬函數公式進行計算。供試玉簪種質資源抗旱性綜合評價的平均隸屬函數值及抗旱性大小排序如表5 所示。抗旱性隸屬函數值越大，說明該徑階灰楊的抗旱性越強。從表5 可以看出，灰楊9 個徑階抗旱性由強到弱的排序依次為：18 徑階＞16 徑階＞12 徑階＞14 徑階＞10 徑階＞8 徑階＞6 徑階＞4徑階＞2 徑階。

表5 灰楊2 ～18徑階抗旱性指標隸屬函數值

3 討論

葉片解剖結構特征是響應環境變化、反映植物對環境適應能力的最重要的指標［41-42］。已有的研究認為，葉片和表皮系統越厚，表皮細胞越大，葉片的儲水、保水及抗旱能力越強［16,17,25,43］，在炎熱的環境下，水分散失越慢，可降低水分蒸騰速率及緩解高溫對葉片的傷害程度［18］；表皮細胞越長，其控制水分的能力越強［2］，上表皮細胞的長寬比、柵欄組織細胞的長寬比則主要反映了植物對光照條件的適應。葉片柵欄組織和海綿組織的分化程度受著環境水分的影響，干旱會使葉肉的柵欄組織發達，海綿組織簡化。一般而言，柵欄組織越厚，葉片結構緊實度越大，說明葉肉細胞排列越緊密，這樣可避免強光的灼射［16］，利用衍射光進行光合作用，這些都極大地提高光合速率，植株抗旱性越強［36］；海綿組織越厚，葉片疏松度越大，說明葉肉細胞排列較疏松，葉片抗旱性越差［17,36］。我們的研究結果表明，灰楊異形葉橫切面最寬處上下表皮細胞數和細胞長、柵欄組織厚度、柵欄組織細胞長和寬均隨胸徑增加逐漸增加，海綿組織厚度則隨胸徑增加而逐漸減少（圖1、圖2）。相關分析顯示，灰楊表皮細胞數、表皮細胞長、柵欄組織細胞寬度、柵欄組織厚度、柵欄組織細胞數與胸徑呈極顯著正相關（P＜0. 01）；海綿組織厚度與胸徑呈顯著負相關（P＜0.05），說明灰楊異形葉解剖結構變化與個體發育階段密切相關。灰楊異形葉葉片厚度及柵欄組織厚度隨個體發育階段越來越發達、海綿組織越來越退化的變化規律，從異形葉的解剖結構反映了灰楊的抗旱性隨個體發育階段不斷增強。這一結果同趙鵬宇等［32］對胡楊不同發育階段異形葉形態解剖結構與個體發育階段關系研究所得到的結果相似。

Levitt（1980）認為，柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值是評價植物控制蒸騰失水的重要指標之一，柵欄組織和海綿組織厚度、細胞層數及柵欄細胞的形態變化等組合的差異，必然影響到葉綠體的分布和光合作用的效率，增加了受光面積，從而體現出植物對光照條件變化的適應。通常認為柵/海比大于1 的植物具有較好的抗寒抗旱性［19］，柵/海比越大，其耐寒耐旱性越強［12,27］。而且我們的研究結果表明，灰楊異形葉柵/海比在各徑階都大于1，且隨徑階增加逐漸增大，說明灰楊的抗旱性隨徑階增加逐漸增強。作為葉片柵欄組織、海綿組織與葉片厚度之間關系的重要指標，葉片組織結構緊密度越大抗旱能力越強，而葉片組織結構疏松度越大，抗旱能力越弱［22］。灰楊葉片組織結構緊密度隨徑階增加而增加，葉片組織結構疏松度則隨胸徑的增加而減小，這兩個指標參數的變化也進一步說明說明灰楊的抗旱性隨徑階增加逐漸增強。

基于灰楊異形葉解剖結構并通過隸屬函數分析綜合評價了灰楊不同發育階段抗旱性強弱，得出9個徑階抗旱性由強到弱依次為：18 徑階＞16 徑階＞12 徑階＞14 徑階＞10 徑階＞8 徑階＞6 徑階＞4 徑階＞2 徑階。這與灰楊異形葉抗旱結構特征隨發育階段變化而更加明顯的結果是一致的。很顯然，灰楊在個體發育過程，通過出現葉面積和葉片厚度越來越大的異形葉，及其解剖結構上柵欄組織越來越發達而海綿組織越來越簡化的協同變化，逐步獲得其適應干旱脅迫的能力，這是灰楊滿足其生長發育需求并長期適應干旱環境的結果。