2種生境下翠蘆莉營養器官解剖比較

陸 晴，朱栗瓊，賓思晨，呂佳峻，楊鳳蘭

（1.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004；2.廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007）

根、莖和葉都屬于植物的營養器官，能夠維持植物的生命活動。其中植物主要依靠根和莖吸收、運輸水分及營養物質，通過葉完成光合作用，為植物體生產有機物［1］。當植物在特定環境中生長時，其結構會產生一定的變化來適應環境。植物營養器官的解剖結構可以反映植物對環境適應的情況，在一定程度上顯示出其對環境的適應策略和能力。影響植物的環境因子主要包括溫度、光照、水分、土壤、大氣及其他生物有機體。在不同水分的環境中，植物的組織結構特征會發生適應性改變，其結構特征通常可作為評價植物抗旱性能的重要標準［2］。

翠蘆莉（Ruellia brittoniana），又名蘆莉草、藍花草，屬于爵床科（Acanthaceae）多年生常綠草本植物，其具有高性或者矮性，花期從春到秋，果期為夏秋。對光照要求不嚴格，全日照或半日照均適宜生長，生長適溫為22～30 ℃。翠蘆莉具有比較強的抗逆性，其抗旱、耐澇且耐輕鹽堿，常用于街道和公園的綠化［3］。

目前關于翠蘆莉的研究多在水污染凈化［4-5］以及耐澇性［6］、耐旱性［7-8］等方面。翠蘆莉作為園林景觀營造中觀賞價值較高的夏季花卉，其營養器官的解剖結構研究還未見報道。翠蘆莉在水、旱兩種環境中都長勢良好，推測其根莖或葉器官中具有與水生和旱生環境相適應的解剖學構造特征,其與水輸送、貯存與散失等有關結構的解剖學特點仍有待進一步深入研究。本研究以水生和旱生2種生境中生長的翠蘆莉為對象，進行了解剖學的比較，探討了翠蘆莉營養器官的結構特征與環境變化之間的關系，以期為翠蘆莉推廣栽培及生態適應性的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

翠蘆莉采集自南寧市廣西大學校園內，南寧市屬于濕潤的亞熱帶季風氣候，陽光充足，全年雨量充沛，年平均氣溫在21.6 ℃左右。水生樣地土壤含水量大于20%，為沿水下沉式綠地；旱生樣地土壤濕度小于15%，土壤板結且受到道路硬質鋪裝影響。于2019年10月初進行翠蘆莉植物樣本采集，選擇魚塘旁被水淹的栽植點為水生樣地，干旱環境樣地選擇建筑垃圾填埋地、土層瘠薄的栽植點。在水生和旱生2種生境下各選擇6株長勢中等的植株，以距植株基部20～30 cm為半徑挖掘整株植株。取離頂芽第3～4對的成熟葉片，保留中脈，剪取葉的中間部分，大小約4 mm×5 mm。選取每株植物顏色新鮮的須狀根中下部各5條，取離根尖處5～6 cm；莖截取中部均勻段，再將根、莖切成1 cm左右小段；最后將植物材料保存到FAA固定液中。

1.2 制片方法

將完全脫色后的植物材料用不同濃度的乙醇脫水，經過浸蠟后用常規石蠟切片法切片，切片厚度為5 μm；經番紅—固綠雙重染色，用中性樹膠迅速封片［9］。最后用光學顯微鏡觀察并拍照，拍攝視野不少于30個。

葉表皮微觀形態采用離析法制片。將樣本放入FAA液中固定7 d，取出后使用蒸餾水沖洗干凈表面的殘留，將其浸泡在H2O2和冰醋酸（體積比為1:1）溶液中，60 ℃水浴加熱至葉片變白、產生氣泡后，撕取葉表皮，用小毛刷去除葉肉組織。使用1%番紅溶液染色并裝片，用Nikon E100光學顯微鏡進行觀察并拍照。

1.3 數據分析方法

應用Image J軟件測量數據，各指標均以30個視野中隨機測量和觀察的30個數值的平均值進行統計和計算。所有數據采用SPSS 22.0軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 根解剖結構的比較

2.1.1 根解剖結構的形態觀察 觀察發現，翠蘆莉幼根橫切結構為初生結構（圖1），由表皮、皮層、維管柱三部分組成。其中表皮細胞只有1層，已經死亡并木栓化，位于最外層形成根被。皮層是位于表皮之內維管束之外的多層薄壁細胞，旱生環境中翠蘆莉的皮層數為20～22層，薄壁細胞排列較為整齊，形狀較規則，多為圓形或長方形，細胞大小不一；水生環境中翠蘆莉的皮層數比旱生環境多，為32～34層，薄壁細胞形狀較規則，多為圓形，排列沒有前者整齊。維管柱是內皮層以內的部分，主要負責運輸水分和光合產物，包括初生木質部、初生韌皮部、結合組織、中柱鞘和髓。2種生境中翠蘆莉的木質部中的木射線明顯，導管口徑大小不一，水生環境中翠蘆莉的導管比旱生環境多且排列呈線狀分布。維管柱中央具有由薄壁細胞組成的髓，水生環境中翠蘆莉的髓比旱生環境稍大。

2.1.2 根解剖結構的量化參數比較 經方差分析，2種生境下翠蘆莉的皮層厚度、皮層和髓所占根半徑比例差異顯著，表皮、維管束、髓厚度差異不顯著（圖2）。與水生環境相比，旱生環境中翠蘆莉根的皮層厚度和皮層所占比例顯著減小，髓厚度所占比例顯著增加。水生環境和旱生環境下翠蘆莉根的皮層厚度分別為（905.94±148.13） μm和（740.09±74.25） μm，皮層所占比例分別為69.17%±4%和63.02%±4.35%。水生環境植株在這2個指標上均顯著高于旱生環境，且前者的皮層厚度和皮層所占比例分別是后者的1.22倍和1.10倍。2種生境中髓的厚度雖無明顯差異，但旱生環境下髓所占比例（17.13%±2.67%）是水生環境下（13.29%±2.28%）的1.29倍，具有顯著性差異。

2.2 莖解剖結構的比較

2.2.1 莖初生解剖結構的形態觀察 翠蘆莉初生莖解剖結構見圖3，均由表皮、皮層、中柱三部分組成，其中表皮由1層細胞組成，形狀橢圓形且排列整齊而緊密，表皮外附有角質層。皮層包含皮層薄壁組織和厚角組織，靠近表層的厚角組織細胞較小，大小近似表皮細胞。旱生環境下翠蘆莉的厚角組織由6～7層細胞構成，皮層薄壁組織由8～9層細胞構成；水生環境下翠蘆莉的厚角組織由5～6層細胞構成，皮層薄壁組織由9～10層細胞構成。兩者中柱均由維管束、髓和髓射線組成，其中維管束由初生木質部、束間形成層和初生韌皮部組成。髓射線清晰可見，髓位于莖中心部位，由薄壁細胞組成，厚度較大。

2.2.2 莖初生解剖結構的量化參數比較 經方差分析，2種生境下翠蘆莉的角質層厚度、表皮厚度、維管束厚度、初生韌皮部厚度、初生木質部厚度和初生木質部與維管束的比例存在顯著性差異（圖4）。與水生環境相比，旱生環境下翠蘆莉的角質層、維管束、初生韌皮部、初生木質部、初生木質部與維管束的比例明顯增加。旱生環境下翠蘆莉的角質層厚度為（6.57±1.31） μm，為水生環境的1.32倍。旱生環境和水生環境下翠蘆莉的維管束厚度分別為（139.22±26.02） μm和（114.38±22.59） μm，初 生 木 質 部 分 別 為（80.87±13.54） μm和（53.19±19.56） μm，初生木質部與維管束的比例分別為58.67%±7.08%和46.02%±10.91%，前者均顯著高于后者。雖然旱生環境下的翠蘆莉初生韌皮部厚度為（28.29±6.67） μm，比水生環境厚5.48 μm，但兩者的初生韌皮部與維管束的比例并無顯著差異。旱生環境下翠蘆莉的表皮細胞厚度低于水生環境，分別為（12.30±1.87） μm和（14.22±3.31） μm。

2.3 葉解剖結構的比較

2.3.1 葉解剖結構的形態觀察 翠蘆莉葉結構由表皮、葉肉、葉脈組成（圖5）。其中表皮包含上、下表皮，表皮均有雙環形氣孔器呈不規則分布，并覆有厚薄不等的角質層，上角質層比下角質層厚。表皮細胞為1層，形狀為規則的方形，排列緊密。通過對比可知，水生環境下翠蘆莉的表皮細胞明顯大于旱生環境。葉肉組織發達，為異面葉，明顯分化出柵欄組織和海綿組織。葉片的海綿組織由2～3層細胞組成，細胞大小不等，近圓形，含有葉綠體，細胞排列疏松，有間隙；旱生環境下翠蘆莉的海綿組織排列比較雜亂，而水生環境下排列得較規則且部分海綿組織發育成發達的儲水組織。2種生境下翠蘆莉的柵欄組織均為2層，上層長柱狀，下層短柱狀。但旱生環境中的翠蘆莉柵欄組織排列較為疏松；水生環境下的柵欄組織排列較為緊密，且含有較多葉綠體，葉綠體多分布在邊緣。二者葉片主脈發達，由角質層、表皮、厚壁組織、薄壁細胞和維管束構成。主脈表皮外被角質層，厚壁組織2～3層，薄壁細胞6～8層。維管束形狀較為相似，均為長橢圓形，導管呈徑向放射排列，但旱生環境下翠蘆莉的維管束比水生環境長。

2.3.2 葉表皮氣孔量化參數比較 由表1可知，2種生境中的翠蘆莉葉片氣孔指標有差異，從氣孔指數方面來看，旱生環境下翠蘆莉的上、下表皮氣孔指數均較大，分別是0.10±0.29和30.57±3.27，顯著高于水生環境下的0.04±0.09和28.33±3.39。從氣孔密度方面來看，旱生環境下翠蘆莉的氣孔密度較大，平均每個視野內有255.40±30.22個氣孔，顯著高于水生環境。從氣孔的大小來看，兩者氣孔長度無顯著差異，但旱生環境下翠蘆莉的氣孔寬度顯著高于水生環境。

表1 2種生境中翠蘆莉葉表皮氣孔特征比較

2.3.3 葉片解剖結構量化參數比較 2種生境中的翠蘆莉葉片在葉片、上角質層、上下表皮、柵欄組織、海綿組織的厚度、柵海比、葉片結構緊密度、葉片結構疏松度及主脈維管束長度上均存在顯著性差異，而下角質層、主脈厚度和主脈維管束寬度無顯著差異(表2)。水生環境下翠蘆莉葉片厚度是旱生環境的1.08倍，上表皮細胞厚度是后者的1.76倍，下表皮細胞厚度是1.62倍，海綿組織厚度是1.24倍，葉片疏松度是1.14倍。旱生環境下翠蘆莉的上角質層厚度是水生環境的1.14倍，柵欄組織厚度是后者的1.51倍，主脈維管束長度是1.49倍。旱生環境下翠蘆莉的柵欄組織厚度、柵海比、葉片結構緊密度均大于水生環境，說明旱地環境中翠蘆莉葉片的柵欄組織排列更緊密且更發達。

表2 2種生境中翠蘆莉葉片解剖結構特征比較

2.3.4 葉片解剖特征可塑性比較 通過計算得到不同生境翠蘆莉葉片解剖結構的變異系數和可塑性指數（表3），結果表明：葉片厚度、角質層厚度、上表皮細胞厚度、柵欄組織厚度的變異系數及可塑性指數均表現為旱生環境中的較大。從葉片大部分解剖結構和葉片整體平均水平來看，在旱生環境中，翠蘆莉葉片結構變異較大，說明它適應了更加多樣化的生態環境。同時，2種生境中葉片的主脈維管束長度的變異系數和可塑性指數都最大，說明主脈維管束長度更易對環境變化做出改變，可作為一個較好的指標用于評價植物的環境適應能力。旱生環境中翠蘆莉的葉片結構緊密度變異系數最低，主脈厚度可塑性指數最低；水生環境中翠蘆莉葉片厚度的變異系數和可塑性指數最低，可認為是較穩定的系統演化性狀。

表3 不同生境翠蘆莉葉片解剖結構的變異系數和可塑性指數

3 結論與討論

植物為了適應干旱環境，會通過減小根皮層數目及皮層厚度的方式來減小水分運輸的距離及阻力，從而提高水分的運輸速率［10］。翠蘆莉的幼根為初生結構，表皮細胞木栓化，保護性強，可防止根內部水分過度散失。維管柱中的髓主要用于儲存水分和保護維管組織，因此發達的髓可以幫助提高植株的儲水能力。在本研究中，旱生環境下翠蘆莉根的皮層厚度顯著低于水生環境，髓占維管束的比例顯著高于水生環境。由此可說明旱生環境下翠蘆莉通過減小皮層厚度來提升水分運輸效率，并通過增加髓占維管束比例的方式來儲藏水分，從而適應干旱。

植物莖內發達的維管組織、韌皮部、木質部和髓都具有很強的輸導作用，從而使水分得到高效運輸［11-12］。翠蘆莉莖為四棱形，皮層的厚角組織可起到支持作用［13］。角質層作為一個屏障，能夠有效地減緩植物體內水分的流失，莖的角質層越厚，抵抗干旱和強光的能力越強［14-15］。翠蘆莉在旱生環境中莖的角質層較厚，抵抗干旱能力增強。旱生環境下翠蘆莉的莖維管束厚度、初生韌皮部厚度、初生木質部厚度均高于水生環境，說明旱生環境下翠蘆莉的莖具有更強的輸導能力，水分運輸效率較高。

葉片大面積暴露在環境中，是發生光合作用和呼吸作用的主要場所，易受到環境條件的影響而發生葉片結構特征上的變化［16］。因此，可以通過分析葉片的解剖結構來反映植物對不同環境的適應能力。植物體內大量的水分會通過葉片氣孔在蒸騰作用中散失，氣孔的規格以及密度都會影響蒸騰效率，因此，耐旱植物會表現出植物葉片氣孔密度變大的典型特征［17-18］。旱生環境下翠蘆莉的氣孔密度較大，符合這一特征。同時，旱生環境中翠蘆莉的葉片上角質層較厚，能夠減少水分散失，增強保水能力。柵欄組織和海綿組織會影響植物抗旱性的強弱，植物抗旱性會隨柵欄組織厚度的增加而增強，隨海綿組織厚度增加而減弱［19］。發達的柵欄組織通常可以提高水分自輸導組織至表皮的運輸效率，降低蒸騰耗散；提高光能利用效率，避免高溫和光照對植物的傷害［20］。因此，旱生環境下的翠蘆莉柵欄組織較厚、葉片緊密度較高，能更有效地利用水分和光能，抗旱性更強。葉片結構疏松度是指海綿組織厚度占葉片厚度的比例，一般來說，疏松度越大，抗旱能力就越弱［21］。在水生環境下，翠蘆莉的海綿組織厚度及葉片結構疏松度較大，說明在土壤水分含量較高的水生環境中，翠蘆莉抗旱性相對減弱。柵海比大于1的植物通常被認為是典型的抗旱性植物［9］。旱生環境下翠蘆莉柵海比大于1，屬于抗旱性植物。葉脈結構不僅為葉片提供機械支撐、保障葉片生理機能正常運轉，還負責將水分轉運至葉片各細胞中。王樹森等［22］認為發達的葉脈有利于植物在干旱環境中生存。旱生環境下翠蘆莉的葉片主脈維管束結構要比水生環境更發達，從而能夠更好地適應缺水環境。綜上所述，在旱生環境下，翠蘆莉的葉片解剖結構上主要表現為以較大的氣孔密度，較厚的角質層厚度、柵欄組織厚度及更大的主脈維管束長度來適應高溫、干旱環境。

變異系數法和可塑性指標可用于反映植物對周圍環境的自我適應性，變異系數反映物種的潛在適應能力，而可塑性指標則反映物種克服自然環境異質化的能力，指標的數值愈大，表示植物適應自然環境的能力愈強［23］。因此，旱生環境中的翠蘆莉葉片結構變異系數較大，即適應了變化性更多樣的生境。在所有解剖結構中，主脈維管束長度的變異性和可塑性較高，表明主脈維管束在長度上的調節能力更強，更容易根據環境的變化做出改變，這在翠蘆莉葉片適應不同生境中起著非常重要的作用，是翠蘆莉能夠適應環境的重要結構。2種生境下翠蘆莉葉片各解剖結構的變異系數和可塑性指數的不同，說明翠蘆莉適應于多樣化生境的策略與其葉片解剖結構表現出的變異性與靈活性密切相關。

綜上，翠蘆莉在水生和旱生環境中生長良好，反映在營養器官結構上均有各自適應不同環境的策略，表明該植物生態幅較寬，同時能形成穩定的景觀效益，是本氣候區域中一種優秀的綠化植物，值得推廣應用。