胡楊異形葉的抗旱適應對策

趙龍　劉衛國　楊曉東　高興旺　黃廷溫

摘要：以3種胡楊葉片結構性狀與其光合特性間關系為切入點揭示荒漠植物葉的抗旱適應對策。結果表明：（1）胡楊老樹凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度值在葉形上均表現為鋸齒卵形葉>近卵形葉>披針形葉，且差異顯著;而從幼樹到老樹發育過程中，葉凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均有顯著增加，胞間二氧化碳濃度沒有明顯差異。（2）幼樹到老樹發育過程中，胡楊葉片角質層厚度、柵欄組織厚度、表皮組織厚度、外層細胞壁厚度、氣孔密度、氣孔大小以及葉面積均呈增加趨勢，且鋸齒卵形葉與披針形葉差異顯著，具備向旱生葉過渡的特征。（3）胡楊葉片凈光合速率和氣孔導度變化是由柵欄組織厚度和表皮組織厚度決定的;蒸騰速率變化主要由氣孔大小和表皮組織厚度決定;胞間二氧化碳濃度變化是由氣孔密度和角質層厚度引起的。

關鍵詞：胡楊;異形葉;光合特性;葉片結構性狀;旱生葉;抗旱適應對策

中圖分類號：S792.110.1文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0130-06

作者簡介：趙龍（1994—）男，陜西涇陽人，碩士研究生，主要研究方向為荒漠植物生理。E-mail：1426144283@qq.com。

通信作者：劉衛國，博士，副教授，主要從事綠洲生態學研究。E-mail：wgliuxj@126.com。

隨著全球氣候變化，水資源短缺、土地沙漠化已成為當今世界突出的生態環境問題[1]。在干旱半干旱區，水分成為植物生存、生長和分布的關鍵限制因子，同時，植物會形成多種耐旱性的形態結構以減輕干旱脅迫帶來的傷害，其中葉片結構可以表征植物抗旱的適應特征。葉片是植物光合作用的主要器官，也是對干旱脅迫最敏感的器官[2]，干旱脅迫下會導致植物葉片葉面積、厚度、氣孔、柵欄組織、表皮細胞、角質層等解剖結構的改變，進而會引起植物生理生態功能的改變[3-4]。如，干旱影響了葉片氣孔開閉、光合底物二氧化碳的吸收[5-6]，最終減弱植物的光合作用。因此，研究干旱環境下，植物葉片形態解剖結構如何響應植物葉片光合作用的機制具有重要意義。

研究表明，光合作用特征在基因型間的差異很大，這些差異與葉片的解剖結構有關[7-8]。葉片光合速率的差異是環境對葉片解剖結構的影響造成的，植物通過葉片氣孔與外界環境進行氣體與水分的交換，其氣孔的大小與密度直接影響葉片與外部環境間的氣體交換量，進而影響植物的光合、呼吸與蒸騰作用[9-10]。研究表明，葉片受外界環境影響十分敏感，在不同環境條件長期影響下進化為形態各異的葉片[10]，其中，胡楊是典型的多異形葉型的樹種。目前，關于胡楊異形葉光合或解剖結構的研究分析不夠全面。有學者研究發現，利用單一葉結構特征可以反映胡楊光合特性響應特征或將異形葉簡單歸納為2種葉形來闡述其光合特性，而對胡楊發育階段的光合特性、葉片結構性狀及其之間的定量關系的研究鮮有報道[10-12]。

近年來，艾比湖流域生態系統環境日趨惡化，胡楊作為艾比湖流域優勢成林樹種，對該流域生態系統良性發展十分關鍵[13]。本研究比較艾比湖流域內發育良好的胡楊樹3種典型形狀葉片（披針形、近卵形、鋸齒卵形）的性狀、光合特性及解剖結構，并對異形葉抗旱適應性進行分析，以期闡明以下問題：（1）胡楊個體發育階段葉片光合作用是否存在差異？（2）胡楊個體發育過程葉結構性狀變化是否具有差異？（3）胡楊葉結構性狀特征與光合因子之間有什么關系？并揭示胡楊葉片性狀的解剖學特征及適應策略。

1研究區與研究方法

1.1研究區概況

艾比湖濕地自然保護區（82°36′～83°50′E，44°30′～45°09′N）是準噶爾盆地西部的最低洼地和水鹽匯聚中心[13]。該區屬于典型的溫帶大陸性氣候，極端最高氣溫可達44℃，極端最低氣溫達-33℃，年平均氣溫為5℃，四季氣候差異較大，冬夏漫長，春秋季短暫，干燥少雨多風，年降水量分配不均，夏多冬少，蒸發量大。主要植物有胡楊（PopuluseuphraticaOliv.）、梭梭[Haloxylonammodendron（C.A.Mey.）Bunge]、檉柳（TamarixramosissimaLdb.）、黑果枸杞（LyciumruthenicumMurr.）、蘆葦[Phragmitesaustralis（Cav.）Trin.exSteud.]和沙拐棗（CalligonumebinuricumIvanova）等[14]。

1.2研究方法

1.2.1樣地設置與樣品確定

于2018年7月底至8月初（胡楊葉片發育成熟期），在新疆艾比湖濕地自然保護區東大橋管護站（83°33′50″E，44°36′58″N）旁的胡楊林集中分布區，設置面積為100m×100m的樣地。依據葉形劃分標準[條形葉（葉長/葉寬≥4）、披針形葉（2≤葉長/葉寬<4）、近卵形葉（1≤葉長/葉寬<2）和鋸齒卵形葉（葉長/葉寬<1）][15]，在樣地內，根據胡楊個體自然呈現的葉形種類，選取具有代表性、人為影響小、冠形勻稱、無嚴重枯梢、無枯枝現象的3個發育階段進行研究（A、B、C代表胡楊3個不同的生長發育階段類型植株，發育順序為A→B→C，3個發育階段胡楊個體基本信息見表1）。根據上述胡楊異形葉和植株類型劃分依據，每個發育階段個體各取3株（設計重復共9株）作為調查采樣株。采樣前用圍尺測量植株胸徑（diameteratbreastheight，DBH），用全站儀測量每棵樣株高及冠長，在確定的A、B、C等3個發育階段類型的胡楊植株上采樣記錄，用試鏡紙輕柔擦拭無病蟲害、無損傷的異形葉，裝于對應編號的自封袋中，以備后續試驗。

1.2.2測定方法

葉片形態指標測定：將采集的葉片用MRS-9600TFU2掃描儀對葉片進行掃描，用LA-S型植物圖像分析儀獲取葉面積[15];葉解剖結構測定：用石蠟切片法制作切片，用番紅-固綠染色液進行染色，在奧林巴斯BX51顯微鏡下觀察，使用軟件ImageProPlus6.0進行參數測量[16-17]。

氣體交換參數測定：選擇晴朗天氣，于10：00—11：00挑選無病蟲害、無損傷的異形葉進行光合測定，考慮樹高的限制，測定過程均采用離體（剪下帶有葉片的枝條迅速插入提前備好的水桶中）測量，每種葉片類型3次重復[13，18]。利用Li-6400便攜式光合測定系統（Li-6400，Li-corInc，USA）測定葉片氣體交換參數，主要參數有凈光合速率（Pn，μmol/（m2·s）]、蒸騰速率[Tr，mmol/（m2·s）]、氣孔導度[Gs，mol/（m2·s）]以及胞間二氧化碳濃度[Ci，μmol/mol]。

1.3數據處理

利用R語言單因素方差（One-wayANOVA）對同株胡楊不同葉形光合特征進行差異性分析，用多重比較（multiplecomparison）中的最小顯著性差異法（LSD）分析不同發育階段胡楊光合特征和葉片結構特征的差異性。同時，采用Rstudio主成分分析（PCA）對葉片解剖結構等相關性較強的變量降維，以獲得新的無關變量，再用SPSS多元回歸分析法（multivariateregressionanalysis）對所獲得的新變量（主成分）進行回歸，獲得葉解剖結構與光合因子之間的關系，文中的圖均用Origin2018繪制。

2結果與分析

2.1不同發育階段胡楊異形葉光合特征

如圖1所示，從幼樹（A）到老樹（C）發育階段胡楊異形葉凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均有顯著性差異（P<0.05），胞間二氧化碳濃度無顯著性差異。胡楊不同發育階段的葉平均光合特征變化表現為凈光合速率在A到B過程中增加了37.9%，B到C增加了13.4%，蒸騰速率在A到B，B到C階段分別增加了7.2%、49.4%，胞間二氧化碳濃度在A到B階段增加了11.4%，B到C階段下降了0.3%，氣孔導度在A到B，B到C階段分別增加了60.9%、20.9%。老樹胡楊凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度大小在葉形上均表現為鋸齒卵形葉（APB）>近卵形葉（APO）>披針形葉（APL）。中樹近卵形葉相對于披針形葉在凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度、氣孔導度分別增加了38%、39.5%、1.6%、51.4%，老樹鋸齒卵形葉相比近卵形葉凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度分別增加了28.9%、28.5%、7.9%、34.2%，胞間二氧化碳濃度下降了3.6%，近卵形葉相較披針形葉凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度、氣孔導度分別增加了32.8%、59%、7.9%、59.1%。

2.2胡楊葉片結構性狀特征

如表2所示，胡楊葉片結構特征呈現一定的規律性：（1）由幼樹到老樹發育過程中，胡楊葉片角質層厚度、柵欄組織厚度、表皮組織厚度、外層細胞壁厚度、氣孔密度、氣孔大小以及葉面積均有不同程度的增加，其中幼樹、中樹與老樹葉片結構性狀在柵欄組織厚度、表皮組織厚度、外層細胞壁厚度、氣孔密度、氣孔大小以及葉面積上具有顯著性差異（P<0.05），幼樹和中樹葉片外層細胞壁厚度、葉面積上體現出明顯差異;（2）同一發育階段下，中樹葉片柵欄組織厚度和葉面積具有顯著性差異（P<0.05），老樹異形葉角質層厚度、柵欄組織厚度、表皮組織厚度、氣孔密度、氣孔大小和葉面積值具有顯著性差異（P<0.05），同一個體異形葉外層細胞壁厚度變化不大。

2.3胡楊光合特征與葉片解剖結構的關系

主成分回歸法是對具有一定相關性的變量指標進行重新組合以消除變量的共線性，使最終所得新的綜合指標（主成分）能較好地反映變量的綜合信息[19]。將胡楊葉片角質層厚度、柵欄組織厚度、表皮組織厚度、外層細胞壁厚度、氣孔密度、氣孔大小等作為主成分，再對光合因子進行回歸，以得到最優擬合回歸方程。結合表3和表4得到F1、F22個主成分，共解釋變量信息的90.2%，對2個主成分進行回歸后代入原始變量。擬合結果顯示，葉片凈光合速率和氣孔導度變化主要由柵欄組織厚度和表皮組織厚度決定，其各影響變量對模型標準回歸數分別為0.770、0.660、0.033、0.032;蒸騰速率變化主要由氣孔大小和表皮組織厚度引起，其各自回歸系數分別為0.940、0.910;胞間二氧化碳濃度變化主要是氣孔密度和角質層厚度引起，其各自回歸系數分別為4.890、2.820。

3討論

3.1胡楊光合特性

胡楊異形葉光合作用之間存在較大的差異，且隨葉片的生長發育和生境的改變而變化[18，20-22]。本研究表明，從胡楊幼樹（A）到老樹（C）凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均顯著增加，胡楊從樹冠底部到頂部，即披針形葉過渡到鋸齒卵形葉的過程，葉片凈光合速率顯著增加，該結果與Su等的研究結果相似[12，18];同時，除凈光合速率外，其蒸騰速率和氣孔導度也具有顯著差異，且隨著胡楊異形葉形變化而增加，這說明胡楊在發育過程中通過光合、蒸騰、呼吸作用協同變化來適應生存環境。老樹葉氣孔導度相比蒸騰速率和凈光合速率變化幅度更大，可能是氣孔導度對外界環境更加敏感。施英俊通過分析胡楊光合生理指標與環境因子的關系，得出環境因子對胡楊氣孔導度的影響相較于凈光合速率和蒸騰速率更顯著，這種光合特性上的差異賦予了胡楊鋸齒卵圓形葉和近卵形葉更強的忍耐缺水環境的功能，本研究的觀點與之相符[23]。岳寧通過對胡楊異形葉進行解剖研究，認為鋸齒闊卵形葉片光合碳同化能力及耐逆性強于披針形葉片[17];邱箭研究認為卵圓形葉和鋸齒卵圓形葉提高了光合效率，其耐干旱或強保水性結構大于披針形葉，所得結論在一定程度上支持了本研究結果[21]。即在干旱環境下，荒漠植物通過調動體內防御機制，改變自身形態結構以加快光合作用，積累更多的干物質、各種抗逆生理生化物質等來滿足逆境條件下的生長需求。

3.2胡楊葉片結構性狀特征

植物長期生長于干旱環境內，會進化出相應的生活型，表征在葉片解剖結構的適應對策上[23-29]。本研究發現，隨著胡楊發育進程的延長，胡楊葉片角質層厚度、柵欄組織厚度、表皮組織厚度、外層細胞壁厚度、氣孔密度、氣孔大小以及葉面積均有不同程度增加，進化出適應旱生性的生活策略。對老樹異形葉而言，其鋸齒卵形葉的角質層厚度、柵欄組織厚度、表皮組織厚度、氣孔密度、氣孔大小以及葉面積均顯著大于披針形葉的;其鋸齒卵形葉的表皮組織厚度、氣孔密度及葉面積均顯著大于近卵形葉的;而近卵形葉僅在柵欄組織厚度和氣孔大小上顯著大于披針形葉（如表2所示），這是胡楊葉片進化出強的耐旱和強紫外線的適應對策[25]，這與前人的研究結果存在差異，主要體現在本研究中外層細胞壁厚度沒有顯著性差異，這由于外層細胞壁結構對外界環境的敏感性較其他葉片結構低，須要長期進化來表達，或植物為適應外界環境將有限資源分配到不同器官及結構功能上所導致，也說明植物不同生長發育階段采取的適應策略不同[26]。從個體發育階段看，老樹在葉結構性狀上均有顯著性差異，表現為鋸齒卵形葉（APB）>近卵形葉（APO）>披針形葉（APL）。一方面，胡楊通過增加葉面積和形成發達柵欄組織的方式大幅提高植物的光合作用面積;另一方面，胡楊通過增加表皮厚度、角質層厚度等方式提高水分由內部向葉片表面擴散的距離或阻力以及葉片保水能力，進而減少植物體內水分的散失。趙鵬宇在研究胡楊異形葉形態結構中認為，葉面積和胸徑的異速生長體現了其個體發育階段資源配置的關系，可能是葉片根據外界刺激和生長發育進程而進化出的一種主動應對策略，并驗證了本研究所得胡楊生長發育過程中的葉結構性狀變化是其生存、生長的一種適應性對策，以及胡楊葉片解剖結構特征是協同變化的過程[16]。

3.3胡楊葉片光合特征與解剖結構的關系

不同發育階段異形葉片解剖結構的變化必然導致其生理功能的變化[30-31]。在本研究中，胡楊葉光合特征與解剖結構的主成分分析結果表明，胡楊葉片各解剖結構對光合因子的影響程度相異，葉片凈光合速率和氣孔導度變化主要由柵欄組織厚度和表皮組織厚度決定;胞間二氧化碳濃度變化主要是由氣孔密度和角質層厚度引起;蒸騰速率變化主要由氣孔大小和表皮組織厚度引起。這可能是隨著胡楊個體的生長發育及所處生境的不斷惡化，無法滿足自身的養分需求而選擇通過協調增強內部組織結構比例關系來適應生存。有學者提出形態和解剖結構的協同性是對進化的緩沖適應對策，植物在長期進化過程中會形成不同等級的輸導網絡組織，基于營養的選擇會使其不停地向最適方向進化，在植物形態上表現為最優化葉片形態和解剖結構比例來提高自身生理代謝效率，以使光能的利用達到最大化[16]。楊樹德等從胡楊個體葉形光合或解剖特征進行研究，與之不同的是本研究將胡楊異形葉片光合特性和解剖特征進行量化并分析其中關系，對胡楊生態適應策略有了更清晰的認識，可知胡楊個體生長發育不僅是葉形態變化，還有旱生結構、增強光合速率的過程[22-24]。本研究揭示了胡楊光合特性在其發育過程中對不同結構性狀的響應機制，植物個體生長發育過程中，除受到各種內部因素的影響外，其生物學特征還會直接或間接地對外界環境作出響應，植物不同器官相互協調發展是其生長的一種生活史策略。同一個基因型會因不同生境而產生不同表型，這種響應機制是有機體對外界環境條件或刺激產生的最重要的反應特征[17]。因此，從根本上認識胡楊的生態適應策略，還須進一步從生理代謝及分子水平上深入開展研究。

4結論

不同發育階段，胡楊異形葉片光合特性具有差異，且隨著發育程度的遞進其光合特性有增強趨勢。隨著發育階段的遞進，荒漠植物為了生存往往表現出向旱生性過渡的特征。荒漠植物葉光合特性對葉片解剖結構變化的響應敏感性不同，以及植物應對外界環境是依靠功能性狀和結構性狀相互協調來適應的。

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