不同發育階段胡楊、灰楊異形葉形態結構變化特征

曲文蕊，韓曉莉，翟軍團 ，李志軍 *

（1塔里木大學生命科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2塔里木盆地生物資源保護利用兵團重點實驗室/胡楊研究中心，新疆 阿拉爾 843300）

大多數植物表現出同一植株成熟葉的葉形完全一致，少數植物表現出同一植株成熟葉的葉形并非完全一致，常因生育時期的不同或環境條件的變化而出現不同形狀的葉，被稱為異形葉性（heterophyl?ly），異形葉性是同一植株產生了不同的異形葉[1]。少數植物，同一植株上存在不同形態的葉，即具有異形葉性的生物學特點。部分研究表明同一植株上的異形葉具有不同的形態結構和功能。例如，大多數沙地柏（又名臭柏Sabina vulgaris）幼苗只有針葉一種葉形，然而成熟個體則具有針葉和鱗葉兩種葉形。臭柏（Sabina vulgaris）的針葉和鱗葉在植株上的分布和數量隨樹齡和水分條件而變化[2]，表明不同異形葉因其功能性狀的不同而呈現在植株的不同部位[3-4]。銀杏（Ginkgo biloba）短枝葉和長枝葉的形態結構和生理特征明顯不同，短枝和長枝葉片生理性能差異與它們不同的個體發育階段和結構相對應[5]。具有異形葉性特征的物種，可能通過其葉形態結構、生理特性的改變適應個體發育過程環境條件的變化。

許多研究表明胡楊具有異形葉性的生物學特性，表現為幼苗到幼株階段只有條形葉，成年植株上有條形葉、披針形葉、卵形葉和闊卵形葉共4類葉形[6-9]，且在不同發育階段其異形葉形態結構性狀存在顯著差異[10-11]。灰楊的異形葉性表現為幼苗到幼株階段葉為長闊橢圓形，成年植株葉有長闊橢圓形、圓形葉和闊卵形葉共3類葉形[12]。胡楊、灰楊的各類異形葉均隨胸徑和樹高的增加有規律地依次從樹冠的頂部開始出現，隨后沿樹冠由頂部向基部的方向出現依次增多，各類異形葉形態結構和空間分布與個體發育階段相關，異形葉形態解剖結構的抗旱特征隨發育階段更加明顯[6-8,13-14]。雖然胡楊、灰楊異形葉形態結構性狀隨個體發育階段而變化，但引起異形葉形態結構變化的主要影響因子是什么目前尚不明晰。主成分分析方法是將分散在一組變量上的信息，集中到某幾個綜合指標和主成分上的統計分析方法。本文采用主成分分析方法，對相同環境條件下不同發育階段的胡楊、灰楊異形葉進行研究，為進一步揭示胡楊和灰楊異形葉性空間變化特征，明確葉形變化的內在機制，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邊緣（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1 900 mm，年均氣溫10.8℃，年均日照時數為2 900 h，是典型的溫帶荒漠氣候[15]。

1.2 試驗設計

本研究以不同徑階的胡楊、灰楊代表其不同的發育階段。徑階劃分以及標準木確定方法為：以胸徑相差2 cm為標準進行規劃，起始徑階為2 cm。將研究區內355株胡楊劃分為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（9個徑階代表了胡楊9個發育階段）。研究區內共有灰楊301株，劃分方法與胡楊相同，在胡楊、灰楊2～18 cm徑階分別選取3株作為重復，胡楊、灰楊標準木各27株見表1、表2。

表1 胡楊各徑階基本信息

表2 灰楊各徑階基本信息

各徑階胸徑和樹齡之間的關系如下公式：

1.3 采樣方法

胡楊、灰楊葉片發育成熟時期，將植株冠高（樹高-枝下高）5等分，定義5等分后由樹冠基部向頂部方向依次為樹冠1～5層。在樹冠5個層次的中央位置，按東、南、西、北方位各隨機采取1個當年生枝條，每株標準木共采集20個枝條。選取每個枝條基部向頂端方向的第三個葉片為樣葉，每一個層次4個葉片，每株標準木共計20個葉片，用于異形葉形態測定和制作組織切片。

1.4 葉片形態結構指標測定方法

異形葉形態測定方法：將當年生枝條上的葉片按節位帶葉柄取下，以MRS-9600TFU2掃描儀對葉進行掃描，用萬深LA-S型植物圖像分析軟件進行葉片長、葉片寬、葉面積、葉柄長、葉周長、葉片厚度、葉形指數（葉片長/寬比值）的測量。

異形葉解剖結構測定方法：取當年生枝條上第3節位的葉，切取異形葉最寬處材料以FAA固定液保存。采用常規石蠟制片方法制作組織切片，切片厚度8 μm、番紅固綠雙重染色，中性樹脂封片。在Lei?ca顯微鏡下觀察測量異形葉最寬處橫切面表皮組織（表皮細胞數、表皮細胞長度和寬度）、柵欄組織（柵欄組織厚度、柵欄組織細胞長度和寬度）及海綿組織（海綿組織厚度）結構參數。計算柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值（柵/海比值）。每葉片觀測5個視野，每視野觀測20個值，取5個視野葉片結構參數的平均值為每葉片結構參數值。

1.5 數據處理

各發育階段異形葉形態、解剖結構指標參數為各徑階3株標準木異形葉形態、解剖結構指標參數值的平均值。

采用SPSS 17.0軟件數據處理系統對胡楊、灰楊9個徑階異形葉7個形態性狀和9個解剖結構性狀進行主成分分析，確定不同徑階異形葉形態結構差異的主要性狀。常用描述統計量的計算和數據轉換使用Microsoft Office Excel 2003軟件。變異系數(CV)、主成分分析均采用SPSS 17.0軟件。

2 結果與分析

2.1 胡楊異形葉形態結構性狀主成分分析

2.1.1 胡楊異形葉形態性狀主成分分析

從表3看出，胡楊異形葉7個形態性狀在各徑階的變異系數平均值，從大到小依次為∶葉形指數、葉柄長度、葉片厚度、葉面積、葉片寬度、葉片長、葉周長，說明各徑階均是葉形指數變異最大（CV=41.9%），說明不同徑階的胡楊異形葉形態差異較大；其次是葉柄長度、葉片厚度、葉面積變異系數較大。葉片寬度變異系數大于長度變異系數，表明葉片寬度變化比長度變化更豐富，而葉片長寬的變化間接影響到葉面積的變化，從而導致葉面積的變異較大。

表3 胡楊異形葉形態性狀在各徑階的變異系數（CV/%）

從各徑階7個形態性狀變異系數可以看出，胡楊異形葉形態性狀變異系數從2徑階至18徑階呈現“拋物線”式的變化，說明8～14徑階是胡楊異形葉形態性狀變異比較大的階段，而18徑階葉形態性狀的變異系數變化的幅度，是所有徑階中最小的，說明18徑階胡楊異形葉形態性狀趨于穩定。由此表明，胡楊異形葉形態性狀的變異在不同徑階有所不同，異形葉形態性狀變異具有階段性的特點。

由表4可知，前兩個主成分占總變異的97.6%，其中第一主成分對總變異的貢獻率為52.8%，7個形態性狀對第一主成分影響較大的三個性狀有葉周長、葉面積、葉片厚度；第二主成分對總變異的貢獻率為44.8%，對第二主成分影響最大形態性狀為葉片長度。總的看來，葉周長、葉面積、葉片厚度、葉片長度4個性狀影響異形葉形態變化，是造成胡楊不同徑階異形葉形態性狀差異的主要內在因素。

表4 胡楊異形葉形態性狀主成分分析

2.1.2 胡楊異形葉解剖結構性狀主成分分析

從表5可以看出，胡楊異形葉解剖結構性狀在各徑階的變異系數具有明顯的差異，葉片解剖結構性狀中9個指標均有變異，其中變異系數最大的是柵欄組織細胞數和表皮細胞數。

表5 胡楊異形葉解剖結構性狀在各徑階的變異系數（CV/%）

從表6可見，前3個主成分構成的信息量占總信息量的91.3%。其中第一主成分對總變異的貢獻率為42.1%，對第一主成分影響最大的結構性狀是葉片的柵欄組織厚度；第二主成分對總變異的貢獻率為35.2%，對第二主成分影響最大的結構性狀是海綿組織厚度；第三主成分占總變異的14.0%，表皮細胞長度具有最大的影響。結果表明，表皮細胞長度、海綿組織厚度、柵欄組織厚度是造成不同發育階段胡楊9個徑階異形葉解剖結構差異的主要因素。

表6 胡楊異形葉解剖結構性狀主成分分析

2.2 灰楊異形葉形態結構性狀主成分分析

2.2.1 灰楊異形葉形態性狀主成分分析

對灰楊異形葉的7個形態性狀進行測量統計，發現灰楊異形葉的7個形態性狀在各徑階都存在不同程度的變異（表7），變異系數平均值從大到小依次為∶葉柄長、葉面積、葉形指數、葉片寬度、葉片厚度、葉周長、葉片長度。變異系數最大的是葉柄長（CV=12.4%）說明不同徑階間異形葉葉柄長度變異較大；其次變異系數較大的是葉面積（CV=11.0%），葉片寬度變異系數大于葉片長度變異系數，當葉片長度變異最小時，葉片寬度變異可能就成為影響葉面積變異的主要因素。

表7 灰楊異形葉形態性狀在各徑階的變異系數（CV/%）

從各徑階7個形態性狀變異系數可以看出，12～14徑階異形葉形態性狀變異幅度最大的階段，而8徑階異形葉形態性狀變異幅度最小。說明該階段異形葉形態性狀比較穩定。由此說明，灰楊異形葉形態性狀的變異在不同徑階存在差異。

表8表明提取的主成分占總變異的93.1%，其中第一主成分占總變異的75.6%，影響較大的有：葉片寬度、葉片厚度、葉面積、葉周長；第二主成分對總變異的貢獻率為17.5%，對其影響最大的性狀為葉形指數。總的看來，葉周長、葉片厚度、葉面積、葉片寬度與葉形指數5個性狀是造成灰楊不同徑階異形葉形態性狀差異的主要因素。

表8 灰楊異形葉形態性狀主成分分析

2.2.2 灰楊異形葉解剖結構性狀主成分分析

灰楊異形葉解剖結構性狀在各徑階的變異系數如表9，在各徑階中，異形葉解剖結構性狀均是柵欄組織細胞數和表皮細胞數變異系數最大，說明各徑階異形葉解剖結構的變化主要體現在柵欄組織細胞數和表皮細胞數的變化上。

表9 灰楊異形葉解剖結構性狀在各徑階的變異系數（CV/%）

從表10可以得出，提取出的信息量占總信息量的93.5%。其中第一主成分占總變異貢獻率的46.7%，對第一主成分影響最大是表皮細胞數、柵欄組織細胞數、海綿組織厚度；第二主成分對總變異的貢獻率為24.4%，對第二主成分影響最大的結構性狀是表皮細胞寬度、柵欄組織厚度；第三主成分占總貢獻率的22.4%，對第三主成分影響最大的性狀是表皮細胞長度、柵欄組織細胞長度。表皮細胞數、海綿組織厚度、柵欄組織厚度及柵欄組織細胞數是決定灰楊不同發育階段異形葉結構差異的主要內在因素。

表10 灰楊異形葉解剖結構主成分分析

2.3 胡楊、灰楊異形葉形態結構性狀與徑階相關性分析

表11顯示，胡楊葉柄長、葉片寬度、葉面積、葉周長、葉厚度、表皮細胞數目、表皮細胞寬度、柵欄組織數目、柵欄組織長度、柵欄組織寬度與徑階呈極顯著正相關（P＜0.01），柵海比與徑階呈顯著正相關（P＜0.05），而葉片長度、葉形指數與徑階呈極顯著負相關，海綿組織厚與徑階呈顯著負相關，結果表明胡楊異形葉形態結構性狀與徑階有密切的相關性，即與胡楊不同發育階段有關聯。

表11 胡楊異形葉形態結構性狀與徑階相關系數

從表12可以看出灰楊葉柄長、表皮細胞數目、表皮細胞寬度、柵欄組織數目、柵欄組織寬度、柵欄組織厚度、柵海比與徑階呈極顯著正相關（P＜0.01），葉面積、葉周長與徑階呈顯著正相關（P＜0.05），而海綿組織厚度與徑階呈極顯著負相關。表明葉柄長、葉面積、葉周長及在葉片最寬處橫切面表皮細胞長度、表皮細胞寬度、柵欄組織長度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵海比隨徑階的增加而增加。說明灰楊形態結構性狀與徑階具有一定的關聯性。

表12 灰楊異形葉形態結構性狀與徑階相關系數

結合表11、表12來看，胡楊、灰楊異形葉形態結構性狀與徑階具有密切的相關性，隨徑階的變化而變化，并且在胡楊、灰楊個體間的異形葉形態結構形狀參數間也有極顯著的正、負相關性。說明胡楊、灰楊個體間的異形葉形態結構形狀指標也存在著相輔相成的協同變化關系。

3 討論

杭悅宇等[18]通過對盾葉薯蕷葉片形態多樣性研究表明，盾葉薯蕷葉片形態特征：葉全長、葉寬、葉長等在單株內存在很大差異。已有研究表明，胡楊異形葉的葉柄、葉寬、葉長、葉面積、葉片厚在單株內存在很大差異[6-7,10]。為了排除環境條件對胡楊、灰楊葉形結構性狀變化的影響，我們選擇了生長在同一生態環境條件下的9個不同發育階段（徑階）的胡楊、灰楊個體為研究對象進行胡楊、灰楊葉形態結構在不同發育階段的變化研究。結果表明，胡楊、灰楊異形葉16個形態結構性狀在9個不同發育階段存在很大差異。從變異系數來看，胡楊異形葉形態性狀變異最大的是葉形指數和葉柄長，解剖結構性狀變異最大的是表皮細胞數目和柵欄組織細胞數目；灰楊異形葉形態性狀變異最大的是葉柄長和葉面積，解剖結構性狀變異最大的是表皮細胞數目和柵欄組織細胞數目。說明胡楊、灰楊異形葉形態結構變化與發育階段有關（表11、表12），同時也表明引起異形葉結構變化的主要因素是表皮細胞數和柵欄組織細胞數，這驗證了我們的前期研究提出的胡楊、灰楊個體發育過程葉片寬度變化是葉片橫切面表皮細胞數變化引起的，進而引起葉形指數、葉面積變化的結果[10-11]，這與KUWABARA A[19]等人對水生植物窄葉和寬葉的形成是葉片橫切面上表皮細胞數目變化引起的結論有相似之處。此外，胡楊、灰楊異形葉16個形態結構性狀還在9個不同發育階段變異幅度不同，如胡楊在8～14徑階異形葉形態性狀變異幅度最大，而灰楊則是在12～14徑階異形葉形態性狀變異幅度最大，同樣說明胡楊、灰楊異形葉形態結構與各發育階段存在緊密的關聯性。

通過植物葉片的形態結構特征的變化，是了解植物個體發育及適應環境能力的最重要指標[20-21]。從主成分分析結果來看，影響胡楊異形葉解剖結構的主要性狀為表皮細胞數和表皮細胞寬度、表皮細胞長度、柵欄組織細胞數、海綿組織厚度、柵欄組織厚度；影響灰楊異形葉結構的主要性狀是表皮細胞數、海綿組織厚度、柵欄組織厚度及柵欄組織細胞數。這與前人研究得到的胡楊葉片柵欄組織厚度隨胸徑的增加而增加，海綿組織厚度隨胸徑的增加而減少結論相輔相成[10]。而葉片中柵欄組織發達，海綿組織簡化是植物適應干旱環境的表現[22]由此進一步說明，異形葉表皮細胞數、柵欄組織細胞數目、柵欄組織厚度和海綿組織厚度在不同發育階段的變化是胡楊、灰楊不同發育階段異形葉形態差異的結構基礎。分析認為，胡楊、灰楊異形葉在不同的發育階段呈現不同的形態結構組合，以應對和滿足不同發育階段的生長需求和生態適應。