白刺葉片解剖結構性狀異速生長與生態適應性研究

任尚福

(1. 喀什大學生命與地理科學學院，新疆 喀什 844000； 2. 新疆帕米爾高原生物資源與生態重點實驗室，新疆 喀什 844000)

植物個體發育過程中，不同器官(如根、莖、葉、種子等)相互協調發展是植物生長的一種生活史策略，在其協調發展過程中，其生物學特征都直接或間接地對某種特定的環境產生相應的權衡策略[1]。植物在長期的適應進化過程中逐漸形成了與環境相適應的葉片結構[2]。植物性狀反映了植物與環境相互作用，逐漸形成了內在生理和外在形態方面的適應對性，減小環境的不利影響[3]。葉片是植物進化過程中對環境變化較敏感且可塑性較大的器官，在不同選擇壓力下已經形成各種適應類型，其結構特征最能體現環境因子的影響或植物對環境的適應[4]。植物的葉片性狀與植物利用資源的能力關系比較緊密，能夠反應植物適應環境變化所形成的生存對策[5]。根據張海娜對荒漠區植物葉片厚度和葉肉(柵欄組織和海綿組織)等光合作用器官結構特征的研究，葉片解剖性狀沿著有利于提高水分利用效率的方向發展[6]。相關學者研究表明植物葉片解剖結構受海拔[7-8]、降水量[9]、蒸發量[9]、日照[10]等環境因子的顯著影響，主要表現為葉形的變化、葉片的大小、厚度及解剖結構的差異。

植物葉片功能性狀間多呈異速生長關系，各葉片性狀因子間異速生長關系存在明顯差異[11]。異速生長指生物體某2個性狀的相對生長速率不相同的現象[12]，反映了生物體不同性狀間的相關性，是植物生長發育過程中器官與組織呈現的一個重要規律。異速生長由物種遺傳物質所決定[13]，同時受環境因素的影響，是植物對環境做出的生態對策[13-15]。植物的異速生長是對異質生境適應的重要體現，可以揭示植物生物學特征與尺度無關的內在規律，而且已擴展到從基因組水平到生態系統水平的各個方面[16]，其中植物葉內的生物量分配及生長關系是近年來的研究熱點之一[17-18]。

當今植物葉片性狀異速生長規律的研究對大尺度種間水平上關注比較多，但對種內水平葉片解剖性狀之間的異速生長研究鮮有報道，John等對生活在濕潤和干燥生境的14個不同被子植物物種的葉片進行解剖研究，發現各組織間的細胞壁厚度均呈等速生長關系；實驗材料中的葉片厚度與柵欄組織厚度間呈等速生長關系，而與其他組織之間均呈異速生長關系[19]。白刺作為南疆干旱荒漠區的優勢種植物，中國境內分布的白刺有6種，在改良鹽堿地方面的效果顯著。有關學者對西伯利亞白刺(NitrariasibiricaPall.)、唐古特白刺(N.tangutorumBobr.)、大果白刺(N.roborowskiiKom.)等進行了大量生理生化及種子休眠萌發的研究，但對不同居群的3種白刺葉片解剖性狀葉片異速生長規律研究未見報道。因此，本研究選取來自南疆不同生境的大果白刺、西伯利亞白刺和唐古特白刺等3種優勢種植物，研究3種不同白刺葉片解剖性狀對環境變化的響應以及葉片解剖性狀之間的異速生長關系，探討其葉片解剖結構特征對不同生境的生態適應性。通過對生長在南疆荒漠區不同生境(主要包括海拔、平均日照、年降水量、年蒸發量)下的3種白刺科植物的葉片解剖性狀進行分析，對葉片各解剖性狀之間的異速關系采用異速方程Y=βXα描述，試圖探討白刺科植物解剖指標與環境因子的關系，擬解決以下2個科學問題：(1)3種白刺科植物葉片解剖性狀在不同生境下的異速生長規律是怎樣的？(2)其異速生長規律是否可以揭示白刺科植物在不同生境下的生態適應性？

1 材料與方法

1.1 研究材料與研究區概況

白刺屬植物原為蒺藜科的一個古老小屬，屬于第三紀孑遺植物，是地中海—西亞至中亞分布類型[20]。白刺生長在西北干旱區的沙漠、戈壁和低山，是重要的防風固沙植物，在半干旱至干旱區草原、荒漠植被中具有相當重要的位置[21]。在《Flora of China》第11卷[22]中，對蒺藜科植物的系統關系進行了重新劃分：將白刺屬列入單屬科白刺科(Nitariaceae)，約6～10種，我國共有5～6種[23]。

研究區位于塔克拉瑪干沙漠西南部，具有典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，根據當地氣象局提供的數據資料(2015—2017年)，當地年降水量68～172 mm，年平均降水量78.6 mm，8月份降雨量最高為35.2 mm，1月和12月降水量最低為1 mm，但蒸發比較強烈，一般年蒸發量達到2 500 mm以上，日照時間較長，平均日照時間為2 600～3 000 h，晝夜溫差比較大，年平均氣溫為14℃，7月最高氣溫為28℃，當地最低氣溫出現在1月。無霜期時間長約為180～240 d。南疆荒漠區除了白刺科植物以外主要伴生種有駱駝刺、檉柳、野西瓜、羅布麻、甘草、沙棘、沙拐棗等。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集 根據3種不同白刺植物所處的經度、緯度和海拔等不同的生境各選取3個研究區，在每個研究區內選擇3個3 m×3 m的樣方，在每個樣方內隨機選取3株生長健壯、長勢一致的植株(不同生境實驗材料的采集其具體地理分布及生境信息見表1)。在每棵白刺的中部取大致發育程度相同的成熟葉片，并且用鋒利的刀片在葉脈中間位置切取3～5 mm的小塊，立刻放在裝有FAA固定液(70%無水酒精90 mL+福爾馬林5 mL+冰醋酸5 mL)的瓶中密封并且編號，并且用醫用注射器抽取瓶中的空氣，使瓶中形成部分真空，固定材料可以下沉到固定液瓶底部[24]。

表1 葉片采集地點及氣候特征Table 1 Leaf collection location and climate characteristics

1.2.2研究方法 每種白刺均從不同居群中各選取3個樣本，共采取9個樣本，在FAA固定溶液中取出小塊葉片，采用改良的常規石蠟切片法制成葉片橫切面永久切片[24]。

1.2.3數量性狀測定方法 每株葉片樣本選3張切片，每個樣片切片選取5個觀察視野(10個細胞以上)，用DMB5-223I-5圖像處理顯微鏡照相，并用顯微測量軟件Arcview3.3(ESRI，USA)對圖像上的各種組織的厚度進行測量，測定指標包括葉片厚度、上角質層厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、下表皮厚度及下角質層厚度等。

1.2.4數據分析 植物葉片解剖各性狀之間的異速生長關系計算采用冪次方程

Y=βXα

式中：Y為植物某一性狀；X為另一性狀；α為異速生長指數；β為異速生長常數[25]。當α的95%置信區間包含1時，將Y和X之間的標度關系指定為等距關系，否則標度關系則為異速生長關系。α大于1表明，Y的線性增加比X更快；而α小于1表明Y的線性增加比X緩慢[5,7,19](表2)。

數據處理用R軟件R語言INLA程序包，采用完全嵌入拉普拉斯近似方法(Integrated Nested Laplace Approximations Algorithm，INLA)進行近似貝葉斯推斷[26]。檢驗各性狀之間生長指數和異速生長系數的差異顯著性。根據測量數據，計算各指標均值、標準差以及變異系數。

表2 異速生長指數值判斷標準Table 2 Judging criteria for the value of allometric growth coefficient

2 結果與分析

2.1 南疆荒漠區不同生境的環境因子的異質性

在大尺度范圍植被分布的主導因素是氣候和地貌，在小尺度范圍下對植被分布起關鍵作用的是微環境。從表1可知，不同生境下的各種環境因子(海拔高度、平均日照、年降水量、年蒸發量)的差異均達到極顯著水平；計算不同生境的各環境因子的變異系數，并進行分析，其結果可以反映各生態因子的變異特點(表3)，經計算各生態因子的變異系數均在0.200～0.374之間，按照變異系數的劃分等級(CV=0.1～1.0屬于中等變異)，即在本實驗中各生態因子均存在著中等程度的變異[27]，表明同一生態因子在不同生境中是異質性的。

表3 各生態因子變異系數(CV)Table 3 Coefficient of variation of each ecological factor(CV)

2.2 不同生境唐古特白刺葉片性狀的異速生長規律

變異系數表示實驗各觀測性狀的變異程度，反映某物種群體與個體之間的差異。不同生境下大果白刺葉片解剖性狀的變異系數在0.10～0.36之間(表4)，表示不同生境唐古特白刺葉片解剖結構的變異性為中等變異，其中柵欄組織厚度變異系數最小，下表皮厚度變異系數最大，根據蔡永立等的研究，變異系數較小的被認為是相對穩定的系統演替性狀[2,28]。

觀察3個不同生境下唐古特白刺葉片解剖石蠟切片，記錄葉片解剖性狀指數。分析唐古特白刺葉片厚度與上角質層厚度等21組性狀間的異速生長關系，結果表明：所有21組性狀之間關系均呈顯著相關(P<0.05)(表5)，其中上角質層厚度與海綿組織厚度、上表皮厚度與下表皮厚度、柵欄組織厚度與下角質層厚度之間的生長指數(95%置信區間)包含1，說明這些性狀可能會以相同的速率生長，根據異速生長系數值判斷標準(表3)這些生長指數之間屬于同速生長關系。除此之外，其余所有的2個解剖指標厚度之間的生長指數(P<0.05)與1差異顯著并且都小于1，Y的線性增加比X緩慢，說明這些性狀之間存在異速生長，并且呈現非等比例增長，增長速率前者小于后者，根據異速生長系數值判斷標準(表3)，這些生長指數之間屬于負異速生長關系。決定系數(R2)位于0.710 5～0.909 6之間。

表4 3種白刺植物葉片解剖結構性狀變異系數Table 4 Coefficients of variation of leaf anatomical structure traits in three Nitariaceae

表5 不同生境唐古特白刺葉片性狀異速生長方程參數Table 5 Parameters of allometric growth equations of leaf traits in different habitats of Nitraria tangutorum Bobr.

2.3 不同生境大果白刺葉片性狀的異速生長規律

不同生境下大果白刺葉片解剖性狀的變異系數在0.12～0.39之間(表4)，根據變異系數的劃分等級，3個不同居群大果白刺葉片解剖結構的變異性為中等變異，其中柵欄組織變異系數最小，上角質層變異系數最大。

以大果白刺葉片解剖指標為分組變量，用異速方程描述葉片解剖性狀之間的關系，結果表明：所有21組性狀之間關系顯著相關(P<0.05)(表6)，其中葉片厚度與柵欄組織厚度、上角質層厚度與柵欄組織厚度、上表皮與柵欄組織厚度、上表皮厚度與海綿組織厚度、柵欄組織厚度與海綿組織厚度、上角質層厚度與下表皮厚度、上角質層厚度與下角質層厚度、上角質層厚度與海綿組織厚度、上表皮厚度與下表皮厚度、柵欄組織厚度與下角質層厚度之間的生長指數(P<0.05)與1差異顯著并都小于1，Y的線性增加比X緩慢，說明這些性狀之間存在異速生長，并且呈現非等比例增長，生長速率前者小于后者，根據異速生長系數值判斷標準(表3)，這些生長指數之間屬于負異速生長關系。除此之外，其余所有的2個解剖指標厚度之間的生長指數(P<0.05)包含1，說明這些性狀可能會以相同的速率生長，根據異速生長系數值判斷標準(表3)這些生長指數之間屬于同速生長關系。決定系數(R2)位于0.449 7～0.898 4之間。

表6 不同生境大果白刺葉片性狀異速生長方程參數Table 6 Parameters of allometric growth equations of leaf traits in different habitats of Nitraria roborowskii Kom.

2.4 不同生境西伯利亞白刺葉片性狀的異速生長規律

不同生境下西伯利亞白刺葉片解剖性狀的變異系數在0.14～0.45(表4)之間，不同生境西伯利亞白刺葉片解剖結構的變異性為中等變異，其中葉片厚度變異系數最小，下表皮厚度變異系數最大。

以西伯利亞白刺葉片解剖指標為分組變量，用異速方程描述葉片解剖性狀之間的關系，結果表明：所有21組性狀之間關系顯著相關(P<0.05)(表7)，其中葉片厚度與下表皮厚度、海綿組織厚度葉下表皮厚度、上表皮厚度與下角質層厚度、上表皮與柵欄組織厚度、上表皮厚度與海綿組織厚度、柵欄組織厚度與海綿組織厚度、上角質層厚度與下表皮厚度、上表皮厚度與下表皮厚度、柵欄組織厚度與下表皮厚度之間的生長指數(P<0.05)與1差異顯著并都小于1，Y的線性增加比X緩慢，說明這些性狀之間存在異速生長，并且呈現非等比例增長，生長速率前者小于后者，根據異速生長系數值判斷標準(表3)，這些生長指數之間屬于負異速生長關系。除此之外，其余所有的2個解剖指標厚度之間的生長指數(P<0.05)包含1，說明這些性狀可能會以相同的速率生長，根據異速生長系數值判斷標準(表3)這些生長指數之間屬于同速生長關系。決定系數(R2)位于0.521 8～0.954 3之間。

表7 不同生境西伯利亞白刺葉片性狀異速生長方程參數Table 7 Parameters of allometric growth equations of leaf traits in different habitats of Nitraria sibirica Pall.

2.5 不同生境3種白刺科植物葉片解剖特征與環境因子之間的關系

對不同生境白刺科植物的7個葉片解剖指標(上角質層厚度、下角質層厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度及葉片厚度)與相應的地理氣候生態因子(平均氣溫、平均日照、年降水量、年蒸發量、緯度、經度與海拔等)進行線性回歸分析，結果表明:葉片、柵欄組織、海綿組織與平均氣溫、平均日照、年降水量存在極顯著的正相關變化關系，上表皮和下表皮與平均氣溫、平均日照、年降水量存在較弱的負相關關系。葉片、柵欄組織、海綿組織與年蒸發量存在極顯著的正相關變化關系，上表皮、下表皮和下角質層與年蒸發量存在較弱的負相關變化關系。上角質層、柵欄組織、下表皮、下角質層與緯度存在極顯著的負相關變化關系。葉片、柵欄組織、海綿組織與經度存在極顯著的正相關變化關系，但上表皮和下表皮與經度存在極顯著的負相關變化。葉片、上角質層、上表皮、柵欄組織、海綿組織、下角質層與海拔高度存在極顯著的正相關變化關系(表8)。

表8 不同居群3種白刺科植物葉片解剖結構參數與環境因子的線性回歸分析Table 8 The linear regression analysis of leaf anatomical structure parameters and environmental factors of three Nitrariaceae plants in different populations

3 討論

葉片解剖結構可以反映外界環境因子對植物的影響，以及植物自身對環境的適應[28]。國內外學者已通過葉表皮解剖特征對不同植物進行系統分類學研究[29]。本實驗所有白刺科植物葉片解剖結構均可分為表皮、葉肉與葉脈3部分，為等面葉，等面葉是指葉片上、下兩面都有柵欄組織，屬于旱生植物的特征。白刺葉片在上下表皮處有2～3層長柱形的柵欄組織，細胞排列緊密，胞間隙較大。對于葉片解剖而言，變異系數大于50%的性狀被認為是生態適應性狀，變異系數較小的被認為是相對穩定的系統演替性狀[2,30]，本實驗所測量計算的葉片解剖指標的變異系數均在10%～45%之間，基本屬于系統演替性狀。植物不同性狀間的生長關系為異速生長關系是普遍承認的生長規律[31-32]。在本研究中不同生境白刺葉片解剖性狀之間存在典型的異速生長關系，可以更好的對進行植物葉片進行功能性狀評價，同時表明白刺葉片解剖性狀對不同生境具有較強的適應性，其異速生長規律遵循冪函數關系，異速系數為Y軸上的截距，是異速生長起始點的表征，而斜率異速指數可以反映葉片性狀對環境的敏感性[33]。

3.1 同種白刺葉片解剖性狀異速生長關系

3.1.1葉片厚度與柵欄組織厚度 葉片厚度通常被認為是一個非常有價值的性狀，可能與資源獲取、水分保存和同化作用有關[22]。蔡永立等對岡青葉片的研究顯示，葉片厚度與溫度呈負相關關系，即隨著溫度的降低，葉片厚度呈現增加的趨勢[30]。荒漠植物具有發達的柵欄組織，可避免強光對葉肉細胞的損傷[34]，同時整個葉片厚度或同化枝直徑增加直接影響了水分散失效率[6]，對可利用的水資源具有生理調節的作用。通過對不同居群下唐古特白刺葉片樣本數據進行分析后得出，葉片厚度與柵欄組織厚度之間的異速生長指數小于1，即柵欄組織的厚度增長速率沒有葉片厚度增長速率快，這組性狀間的異速生長關系為負向，即存在資源分配權衡(trade-off)，指生物將資源(物質和能量)不能同時對繁殖、生長、維持等3方面進行分配，因為生物可利用的資源是有限的，投入到某一功能或性狀上的增多必然會減少對另一功能性狀的投入[35]，雖然柵欄組織厚度增加，但經過分析后發現海綿組織增長速率為負向，造成了葉片厚度與柵欄組織厚度之間的異速生長指數小于1的結果。不同居群大果白刺和西伯利亞白刺葉片厚度與柵欄組織厚度之間的異速生長指數等于1，這組性狀間的生長關系為同速生長。說明不同種白刺之間對環境適應策略不同，均向有利于自身生長的方式進化。與John等部分研究葉片厚度與柵欄組織厚度間呈等速生長關系，而與其他組織之間均呈異速生長關系具有一致性[19]，但John等研究得出葉片厚度與上表皮厚度間相關性不顯著，與本研究結果不一致，原因可能是John等研究對象僅僅包括木本與草本，但本研究中白刺科植物均屬于灌木。

3.1.2葉片厚度與海綿組織厚度 通過對不同居群的唐古特白刺樣本數據進行分析后得出，葉片厚度增長速率比海綿組織的厚度增長速率快，二者之間的異速生長指數小于1，根據表2異速生長系數值判斷標準，其異速生長關系為負向，即二者之間存在著資源分配權衡。不同居群的大果白刺和西伯利亞白刺葉片厚度與海綿組織厚度之間的異速生長指數約等于1，說明葉片厚度與柵欄組織厚度同速率增長，這組性狀間的生長關系為同速生長，2個性狀之間同速生長關系可能與它們的功能特性具有一致性有關。

3.1.3海綿組織厚度與柵欄組織厚度 葉肉是葉片解剖性狀變異系數最大的部分，葉肉組織中具有明顯的柵欄組織和海綿組織的分化[2]。海綿組織對植物光合作用和水分利用效率的提高有著積極作用。通過對不同居群唐古特白刺、大果白刺、西伯利亞樣本數據進行分析后得出，海綿組織厚度的增長速率沒有柵欄組織厚度增長的快，二者之間的異速生長指數小于1，根據表2異速生長系數值判斷標準，其異速生長關系為負向，即也存在資源分配權衡。與劉艷芳[2]研究的海綿組織增加的幅度大于柵欄組織的增大不一致，這種差異表明，植物為滿足自身生長需求達到最優的組織分配，在不同環境條件下不同類型的植物葉片的柵欄組織與海綿組織的分配策略方面存在明顯的差異。

3.2 不同種間白刺葉片解剖性狀異速生長關系

有學者研究胡楊葉片解剖結構時發現，所有葉片解剖結構指標均與土壤含水量無顯著相關性[29]，且由于研究區域均屬于干旱荒漠區，土壤含水量比較低，故本實驗沒有考慮土壤含水量對植物葉片解剖結構的影響。本實驗采用完全嵌入拉普拉斯近似方法(INLA)進行近似貝葉斯推斷，其原因是采用拉普拉斯近似方法(INLA)可以包含1，即在實驗中可以檢驗1(α=1)。植物異速生長分配理論認為，各器官一般按照異速生長的關系進行發育，異速生長依賴于物種，在物種內異速生長是相對穩定的，產生異速生長的原因是物種對不同環境適應的特異性。Price等通過貝葉斯分析，發現植物的異速指數是變化的[36]，因為本實驗中3種植物都屬于同一科，親緣關系相對比較近，并且由于不同植物種在形態結構上往往以不同的形式去適應于大致相同的環境條件，同種植物由于長期適應于不同的生境，其形態結構表現出明顯的趨異現象[37]，一般植物朝著最佳的有利于自身生存的異速生長曲線進化[38]。同種或不同種白刺科植物解剖性狀等速或異速生長是植物體在特定生境下所采取的生態對策，反映了植物葉片解剖性狀之間的相互關聯程度[39]。

3種白刺不同居群的葉片解剖性狀均有顯著性差異(P<0.05)，不同居群下白刺科植物葉片解剖結構性狀均呈顯著的冪函數異速生長關系且異速系數呈現顯著性差異(P<0.05)，根據表2異速生長系數值判斷標準，異速指數表可分兩大類，一類是≈1，即葉片在不同生境下各性狀生長速率基本一致，呈等速生長；另一類是<1，即葉片在不同生境下性狀呈負異速生長，即葉片解剖性狀之間存在權衡關系[40]。權衡策略可以更好地理解植物在資源分配上的外觀可塑性和表型可塑性[41]。異速生長的原因可能通過細胞優化生長理論可以解釋，當某物種僅僅通過增加細胞數量實現個體生長時，個體的新陳代謝速率和其個體大小成正比(即冪指數為1的比例生長)，而當其僅僅通過增加體內每個細胞的大小實現生長時，則呈冪指數異速生長[42]。

同種白刺由于長期不在相同生境下產生了變異，而不同種白刺在同一生境下長期共存，產生了一致的葉片解剖性狀，這與白瀟等研究相一致：生長在外界環境基本相同的不同種植物，其形態解剖結構往往表現趨同現象，但生長在環境條件差異較大的同一種植物，其形態解剖結構常表現趨異現象[43]。植物某些形態解剖結構對不同環境因子的響應具有一定的相似性，可能與環境因子的綜合效應有關[44]。Huang研究發現，在種間和種內水平綜合分析生態學代謝理論(基于生物個體大小和環境溫度對個體新陳代謝過程的影響,使用尺度推移(scaling)的方法來解釋多種生態學格局和過程)的假設與預測，表明生態代謝理論不符合種間水平的結果，但符合種內水平的結果，這是由于在種內水平不同物種具有不同的異速系數，導致種間水平的異速指數發生偏移[45]。相同性狀之間生長速率的差異，除環境資源狀況不同原因之外，可能由于植物本身的個體差異性造成的，植物在特定的環境下會采取不同的適應可塑性對策增加其生存適合度[46]。

4 結論

在不同生境下的白刺葉片解剖性狀均有顯著性差異(P<0.05)，白刺葉片解剖性狀均呈顯著的冪函數異速生長關系，其異速系數均表現顯著性差異(P<0.05)，其異速指數表現兩類完全不同的規律，一類是≈1，即葉片解剖性狀的生長速率大致相同；另一類是<1，即葉片解剖性狀呈負異速生長規律，存在著資源分配權衡。白刺葉片解剖性狀的變異系數均在10%～45%之間，基本屬于相對穩定的系統演替性狀。生長在環境條件差異較大的同一種白刺，其形態解剖結構常表現趨異現象，白刺通過長期的外界環境因子的驅動改變葉片結構性狀可以使其在不同的生境下朝著最佳的異速生長曲線進化。研究證明海拔、降水、蒸發量是本研究影響葉片性狀的主要因素。