光照脅迫對(duì)栓皮櫟幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

趙國(guó)華，李 廈，尤海舟，馬 闖

(1.承德市灤平國(guó)有林場(chǎng)總場(chǎng)，河北灤平 068250；2.河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，河北石家莊 050061；3.河北豐寧沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，河北豐寧 068357；4.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300380)

栓皮櫟(Quercusvariabilis)隸屬于殼斗科櫟屬，分布范圍廣泛，是我國(guó)暖溫帶落葉闊葉林和亞熱帶常綠落葉闊葉混交林的重要組成樹(shù)種，但隨著全球氣候變化，分布面積逐年減少，穩(wěn)定性遭到破壞[1]。目前學(xué)者對(duì)栓皮櫟的研究主要集中于生態(tài)學(xué)特性、地理分布、資源培育與綜合利用等方面[1-3]，未來(lái)研究重點(diǎn)為殘敗次生櫟林的恢復(fù)，林下實(shí)生更新是恢復(fù)的關(guān)鍵。馬莉薇等[2]研究發(fā)現(xiàn)，幼苗生長(zhǎng)喜光，但栓皮櫟種群中上層大樹(shù)枝繁葉茂，直接降低了栓皮櫟2～3年生幼苗的成活率，因此，研究光照脅迫對(duì)栓皮櫟的影響具有重要意義。

光照是影響植物形態(tài)和功能的重要因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和演化具有重要作用[4]，植物在遭受光脅迫時(shí)，通常會(huì)在根、莖、葉等形態(tài)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出一系列適應(yīng)性特征。 葉片作為植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中可塑性較強(qiáng)的器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特別是解剖結(jié)構(gòu)特征的變化與植物的耐陰性密切相關(guān)，有研究表明，隨著遮陰程度的加重，核桃葉片上下表皮厚度、海綿組織、柵欄組織厚度、海綿組織/柵欄組織均顯著降低[5]。長(zhǎng)期遮陰處理下，多脈青岡和金葉含笑新生葉的葉片表皮細(xì)胞變薄，柵欄組織厚度減小，排列疏松，海綿組織厚度相對(duì)增加，新生葉葉片解剖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了適應(yīng)性變化[6]。隨著遮陰程度的增加，白三葉葉片面積、上表皮細(xì)胞厚度、海綿組織厚度增加，其余解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)減小[7]。由此可見(jiàn)，光照脅迫對(duì)不同樹(shù)種葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響不同，開(kāi)展光照脅迫下葉片解剖結(jié)構(gòu)特征研究有助于進(jìn)一步揭示植物對(duì)遮陰環(huán)境的形態(tài)響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制。因此，筆者設(shè)置3個(gè)等級(jí)光照脅迫，對(duì)栓皮櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析栓皮櫟葉片對(duì)光照脅迫的適應(yīng)性和反應(yīng)機(jī)制，旨在為提高栓皮櫟幼年實(shí)生苗成活率及增加產(chǎn)量提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況試驗(yàn)于2019年6月至2020年10月在河北省易縣洪崖山國(guó)有林場(chǎng)管理局七里亭示范場(chǎng)苗圃進(jìn)行，地理位置115°2′E，39°32′N(xiāo)。該區(qū)屬于北溫帶亞濕潤(rùn)氣候，為典型的大陸性氣候，冬季和春季多風(fēng)，夏季降雨集中，且多暴雨。年均氣溫11.8 ℃，年均降水量623.0 mm，土壤主要是在砂頁(yè)巖坡積物上發(fā)育的山地淋溶褐土和山地粗骨性褐土，質(zhì)地為壤土或砂壤土。

1.2 試驗(yàn)材料于2019年6月20日對(duì)2年生長(zhǎng)勢(shì)良好、健康、無(wú)病害的栓皮櫟苗木進(jìn)行遮陰網(wǎng)遮陰設(shè)計(jì)處理，設(shè)置3個(gè)光照脅迫梯度，選取3種不同透光率的遮陰網(wǎng)進(jìn)行遮陰：處理C1，3針遮陽(yáng)網(wǎng)(透光率45%)；處理C2，6針遮陽(yáng)網(wǎng)(透光率25%)；處理C3，3針+6針遮陽(yáng)網(wǎng)(透光率8%)；CK，全光照。通過(guò)6400光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定各處理的光照強(qiáng)度。每處理不少于50株，試驗(yàn)進(jìn)行至2020年生長(zhǎng)季末，在試驗(yàn)期間對(duì)每個(gè)處理苗木進(jìn)行相同的日常管護(hù)。2020年8月摘取各處理生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)均勻的帶枝條新鮮葉片數(shù)枚，于葉面噴施少量保水劑，保存于透明密封袋中，4 ℃低溫條件下運(yùn)送至天津農(nóng)學(xué)院。

1.3 試驗(yàn)方法試驗(yàn)采用石蠟切片法，將4個(gè)梯度下栓皮櫟葉片處理后，制成石蠟切片，在Leica DM4000 B 生物顯微鏡下觀察其解剖結(jié)構(gòu)，然后使用LAS V4.5軟件對(duì)葉片柵欄組織、海綿組織、上下表皮厚度、葉片厚度、葉脈直徑進(jìn)行測(cè)量，每組數(shù)據(jù)3次重復(fù)。計(jì)算柵欄組織厚度/海綿組織厚度，并按下式計(jì)算結(jié)構(gòu)緊密度：結(jié)構(gòu)緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度。

1.4 數(shù)據(jù)處理先采用Microsoft Excel 2010導(dǎo)入和整理數(shù)據(jù)，然后采用SPSS 18.0軟件對(duì)栓皮櫟不同光照脅迫下的上表皮、下表皮、柵欄組織、海綿組織、葉片厚度、主脈直徑厚度進(jìn)行單因素方差分析，在α=0.05水平上進(jìn)行一維方差統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，判斷差異顯著性，最后采用sigmaplot12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮陰處理下栓皮櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)將制作完成的石蠟切片置于生物顯微鏡下觀察，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以觀察到栓皮櫟4個(gè)處理的上下表皮呈單層細(xì)胞排列，排列緊密，上表皮細(xì)胞大于下表皮細(xì)胞。柵欄組織和海綿組織分化明顯，柵欄組織緊挨上表皮，海綿組織緊挨下表皮。圖2為主脈結(jié)構(gòu)。

注：UE.上表皮；LE.下表皮；PA.柵欄組織；SP.海綿組織；VB.維管束Note：UE.Upper epidermis;LE.Lower epidermis;PA.Fence tissue;SP.Sponge tissue;VB.Vascularburndle圖1 栓皮櫟表皮與葉肉解剖結(jié)構(gòu)(標(biāo)尺：100 μm)Fig.1 Anatomical structure of epidermis and mesophyll of Quercus variabilis(Scale:100 μm)

2.2 光照脅迫對(duì)栓皮櫟幼苗葉片上、下表皮厚度的影響從圖3可見(jiàn)，在不遮陰處理(CK)下，栓皮櫟幼苗葉片上表皮厚度為(22.45±2.57) μm，下表皮厚度為(7.32±0.19) μm。不同程度光照脅迫均造成栓皮櫟上、下表皮厚度顯著減少，與CK相比，C1、C2、C3處理使栓皮櫟上表皮厚度分別減小18.10%、19.80%和29.84%，下表皮厚度分別減少12.94%、19.45%、28.17%。C1和C2、C2和C3處理間上、下表皮間厚度差異均不顯著，C1處理上、下表皮厚度顯著高于C3。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)圖3 不同光照脅迫下栓皮櫟幼苗葉片上、下表皮厚度Fig.3 Thickness of upper and lower epidermis of Quercus variabilis leaves under different light stress

2.3 光照脅迫對(duì)栓皮櫟幼苗葉片厚度、主脈直徑的影響由表1可知，CK的栓皮櫟葉片厚度為157.28 μm，與CK相比，各光照脅迫處理均會(huì)造成栓皮櫟葉片厚度顯著減少(P<0.05)，C1、C2、C3處理的栓皮櫟葉片厚度分別降低12.87%、24.19%、25.49%。C2和C3處理栓皮櫟葉片厚度間差異不顯著，C1和C3處理間差異顯著。CK的栓皮櫟主脈直徑為1 119.02 μm。遮陰處理可使栓皮櫟主脈直徑顯著下降(P<0.05)，與CK相比，C1、C2、C3處理的栓皮櫟主脈直徑分別下降5.08%、12.92%、14.54%，且不同處理間主脈直徑差異顯著性變化與葉片厚度一致。

表1 不同光照脅迫下栓皮櫟葉片厚度和主脈直徑

2.4 光照脅迫對(duì)栓皮櫟幼苗葉片海綿組織和柵欄組織的影響從圖4可以看出，在CK處理下，栓皮櫟幼苗葉片海綿組織細(xì)胞厚度為(57.90±2.32) μm，柵欄組織細(xì)胞厚度為(65.65±1.12) μm。與CK相比，C1處理栓皮櫟葉片海綿組織厚度增加了7.50 μm，C2、C3處理降低6.06%、19.67%，C1、C2、C3處理柵欄組織細(xì)胞厚度分別降低14.23%、25.87%、36.29%。與CK相比，C1處理栓皮櫟海綿組織細(xì)胞厚度差異不顯著，C3處理顯著降低；C3與C1處理間海綿組織細(xì)胞厚度差異顯著。栓皮櫟葉片海綿組織和柵欄組織細(xì)胞厚度均隨光照脅迫的增加呈顯著降低趨勢(shì)(P<0.05)。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)圖4 不同光照脅迫下栓皮櫟幼苗葉片海綿組織和柵欄組織的細(xì)胞厚度Fig.4 Cell thickness of palisade tissue and sponge tissue of Quercus variabilis seedlling under different light stress

2.5 光照脅迫對(duì)栓皮櫟葉片柵欄組織厚度/海綿組織厚度和結(jié)構(gòu)緊密度的影響由表2可知，隨著光照脅迫的增強(qiáng)，栓皮櫟葉片柵欄組織厚度/海綿組織厚度呈波動(dòng)式變化，結(jié)構(gòu)緊密度(柵欄組織/葉片厚度)均表現(xiàn)不同程度的降低。CK柵欄組織厚度大于海綿組織厚度，隨著光照強(qiáng)度減弱，柵欄組織厚度逐漸小于海綿組織厚度。一般而言，葉片柵欄組織越厚，細(xì)胞排列越緊密，海綿組織越厚，細(xì)胞排列越疏松，說(shuō)明不同程度光照脅迫下，栓皮櫟葉片柵欄組織厚度下降趨勢(shì)大于海綿組織厚度。

表2 不同光照脅迫下栓皮櫟幼苗葉片柵欄組織/海綿組織、結(jié)構(gòu)緊密度

3 結(jié)論與討論

一般來(lái)說(shuō)，葉片厚度增加、表皮結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)和柵欄組織發(fā)達(dá)是適應(yīng)強(qiáng)光和旱生葉片的典型特征，而葉片變薄、海綿組織疏松通氣則是葉片適應(yīng)弱光和水分供給充足環(huán)境的一種適應(yīng)特性[8]。該研究中，栓皮櫟葉片細(xì)胞通過(guò)改變自身結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)弱光環(huán)境，葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、柵欄組織厚度/海綿組織厚度隨著光照脅迫程度的增強(qiáng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，海綿組織厚度隨著光照脅迫程度的減弱呈現(xiàn)先增加后降低的特點(diǎn)。

3.1 光照脅迫對(duì)表皮厚度和主脈直徑的影響葉片上下表皮由一層扁平長(zhǎng)橢圓形保衛(wèi)細(xì)胞組成，無(wú)色透明，有利于光線(xiàn)進(jìn)入，細(xì)胞不規(guī)則，彼此嵌合，排列緊密，且下表皮細(xì)胞厚度較低。葉片表皮細(xì)胞通過(guò)改變自身結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)弱光環(huán)境，光照越弱，對(duì)葉片表皮厚度影響越大，通過(guò)降低葉片厚度來(lái)提高自身光能利用效率，有逐漸趨于陰生葉的趨勢(shì)[9]。李冬林等[10]研究光照脅迫對(duì)連香樹(shù)幼苗光合特性及葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響，王家保等[11]研究光照脅迫對(duì)番茄幼苗葉片影響時(shí)也得到與該研究同樣的結(jié)果。

主脈是葉片疏導(dǎo)組織，主要運(yùn)送水和無(wú)機(jī)鹽等，其在遮陰較弱時(shí)，葉片為保持水分、無(wú)機(jī)鹽等運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，積極適應(yīng)光照環(huán)境改變，耐性較強(qiáng)，但隨光照脅迫程度逐漸增強(qiáng)，對(duì)葉片主脈影響也變大[12]。這與覃鳳飛等[13]對(duì)光照脅迫條件下3個(gè)不同秋眠型紫花苜蓿品種葉片解剖研究結(jié)果一致，而薛黎等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著光照脅迫程度的增強(qiáng)，閩楠幼苗光合及其葉片主脈有增大趨勢(shì)。

3.2 光照脅迫對(duì)柵欄組織和海綿組織的影響柵欄組織是葉肉組織的一部分，位于葉片上表皮下方，呈長(zhǎng)棒狀結(jié)構(gòu)，排列緊密，對(duì)葉片起著支撐作用，且葉綠體含量豐富，是進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所。相關(guān)研究表明[15]，方形或橢圓形的柵欄細(xì)胞可提高近軸面和側(cè)面葉綠體數(shù)量，有利于進(jìn)行光合作用。該研究發(fā)現(xiàn)，光照脅迫程度增強(qiáng)會(huì)使栓皮櫟葉片柵欄組織厚度顯著減小，說(shuō)明栓皮櫟通過(guò)降低葉片柵欄組織厚度來(lái)適應(yīng)弱光環(huán)境，使葉綠體含量增加，從而促進(jìn)光合作用。原慧芳等[16]研究土沉香幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)對(duì)光的適應(yīng)性變化規(guī)律，楊文權(quán)等[7]研究不同光照脅迫處理下白三葉葉片解剖結(jié)構(gòu)，均發(fā)現(xiàn)隨光照環(huán)境減弱，柵欄組織厚度顯著下降。

海綿組織也屬于葉肉組織，位于柵欄組織和下表皮之間，細(xì)胞大小和形狀不規(guī)則，有時(shí)形成短臂狀凸起，并相互連接形成較大的細(xì)胞間隙，有利于水分蒸騰及氣體交換。一般認(rèn)為，在弱光環(huán)境下，葉片趨于陰生葉特征，海綿組織發(fā)達(dá)，這對(duì)減少光量子投射損失，提高弱光環(huán)境下光量子利用效率具有重要意義[17]。李萍[12]對(duì)3種卷瓣鳳梨中“格拉齊”的海綿組織研究和王榮等[18]對(duì)遮陰下楓香幼苗的研究結(jié)果均表明，隨著遮陰程度的增加，海綿組織厚度呈增大趨勢(shì)。該試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，栓皮櫟海綿組織厚度也隨著遮陰程度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)。