滇西北納帕海湖濱帶優勢植物茭草莖解剖結構對模擬增溫的響應

陳弘毅, 孫 梅*, 劉振亞, 班啟堂, 韋家共, 盧漢云, 楊航美

( 1. 西南林業大學, 云南省高原濕地保護修復與生態服務重點實驗室, 昆明 650224; 2. 西南林業大學,國家高原濕地研究中心, 昆明 650224; 3. 貴州省望謨縣林業局, 貴州 黔西南 552300 )

植物解剖結構是指通過切片等方式獲得的植物內部組織結構,主要包括表皮結構、維管束結構、葉肉結構等(孫梅等, 2017)。植物解剖結構的性狀表現直接關系著植物的生理功能。表皮是植物體內與外界環境的天然保護屏障(Han et al., 2021),較厚的表皮細胞具有更強的保水性和機械支撐能力(Ristic & Jenks, 2002)。角質層厚度則是評價植物抗逆性的主要依據(方敏彥等, 2017; Heredia-Guerrero et al., 2018)。維管束結構是植物最重要的輸導系統,承載著植物體中水分及營養物質的長途運輸任務,其中導管和篩管大小及數量更是關系到水和物質運輸的阻力與效率(Tyree & Zimmermann, 2002; 王太霞等, 2003; 尹秋龍, 2015)。鑒于植物解剖結構在維持植物生態功能上的重要作用,Baker等(2017)研究指出,植物解剖結構、生理生態功能和有機體形態之間關系的遺傳結構,將是揭示植物育種和模擬自然系統中復雜生態與進化動力學的新途徑。因此,基于解剖結構性狀的生態適應性研究是探討植物應對環境變化的重要方面。

植物解剖結構性狀通常表現出對溫度變化的調節響應。在滇西北濕地,增溫顯著增加了極高山種杉葉藻(Hippurisvulgaris)的地上莖表皮厚度、導管和篩管數目以及維管束結構大小,提高了植物水分與養分輸送效率和保水性(管東旭等, 2018, 2019);黑三棱(Sparganiumstoloniferum)在增溫處理下,其光飽和點、光能利用幅和凈光合速率均顯著提高(劉振亞等, 2017);與之相反,增溫顯著降低了水蔥(Schoenoplectustabernaemontani)的角質層厚度、氣孔大小、導管及篩管面積,抑制了水蔥輸導組織的傳輸能力以及光合生產力(馮春慧, 2020; Zhao et al., 2022; 余洪艷等, 2023)。這體現了滇西北地區濕地植物對氣候變暖響應的種間差異,為高原濕地應對氣候變化提供了研究基礎。

茭草(Zizanialatifolia)為多年生宿根型草本植物,是廣泛分布于滇西北高原湖濱帶的挺水植物之一,通常與水蔥、杉葉藻、水蓼、兩棲蓼、黑三棱一起成為滇西北湖濱帶最常見的挺水植物群落(張梵等, 2019)。在劍湖、洱源西湖、瀘沽湖、程海、納帕海等典型滇西北高原濕地均為優勢植物種。茭草在高原濕地具有較強的吸收與吸附能力,常作為富營養化水體的“天然凈化器”(李衛東等,2010)。對湖濱帶的固堤造陸、植被群落恢復、提高河道生物多樣性等都具有積極的生態促進作用(劉長娥等, 2012)。

本研究以滇西北納帕海濕地湖濱帶挺水植物茭草為對象,測定其莖解剖結構性狀包括表皮結構和維管束結構。通過構建開頂式人工模擬增溫系統開展茭草莖解剖結構性狀對人工模擬增溫的響應策略及其機理研究。擬探討:(1)高原濕地植物茭草的莖解剖性狀對增溫的響應趨勢;(2)影響茭草莖解剖結構性狀的主要溫度變量;(3)對增溫響應更強烈的茭草莖的解剖結構性狀。通過對以上問題的闡述,進一步認識高原濕地植物莖解剖性狀對氣候變化的響應策略,以期為高原濕地應對氣候變化、加強高原濕地保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

納帕海濕地位于青藏高原東南緣橫斷山脈三江縱向嶺谷區東部(99°37′—99°41′ E、27°49′—27°55′ N),海拔為3 260 m,面積為3 100 hm2,是我國獨特的低緯度高海拔濕地類型。該區屬寒溫帶高原季風氣候,冷涼濕潤,干濕季分明,氣溫日較差大、年較差小,長冬無夏,春秋短促,年均氣溫為5.4 ℃。該區屬金沙江水系,水源補給以南部各地表徑流匯入、冰雪融水、降雨等為主;受西南季風和南支西風急流的長期交替控制影響,每年6、7月為大降雨期,納帕海湖面面積可達3 125 hm2,8月湖水經納帕海濕地西北隅溶洞瀉入地下暗河而不斷退落,潛流10 km后匯集成地表支流排入金沙江,又因10月西南季風退縮所致降雨而再次上漲,11月退落后至來年5月均為旱季,湖面大幅度縮小,形成了廣闊的湖濱帶、沼澤化草甸與濕地景觀(肖德榮, 2007; 尚文和楊永興, 2012; 張曦等, 2016)。

納帕海是許多植物區系成分的交匯區,據統計整個濕地區域共有濕地植物115種,隸屬38科82屬(肖德榮, 2007)。湖濱帶分布著大量的挺水植物,以禾本科茭草、極高山種杉葉藻和蓼科水蓼(Polygonumhydropiper)為主,其次為荇菜(Nymphoidespeltata)等浮葉植物以及常見沉水植物金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、蓖齒眼子菜(Stuckeniapectinata)等,濕地植物資源十分豐富(肖德榮, 2007)。

1.2 實驗設計和處理

2014年4月,在納帕海濕地選擇地勢平緩、環境相似的區域建立底面直徑為2.4 m的9個原位研究單元,各研究單元間設置3 m的間隔且使用PVC管連通,確保每個研究單元淹水深度與野外淹水深度(約8 cm)一致。根據IPCC對21世紀末的評估報告,全球近地面大氣均溫在RCP2.6情景與RCP8.5情景下分別升高0.3～1.7 ℃與2.6～4.8 ℃(IPCC, 2013)。基于此,將研究單元分為3組,每組3個重復(圖1)。其中,1組設為對照組(CK),與周圍環境條件下溫度一致;另外2組設為處理組,在其所在地面上構建以陽光板為材料,高2.4 m,頂端開口的生長室(Open-top chambers, OTCs)。生長室通過控制開口大小以實現室內溫度不同程度的升高,其中一組生長室的開口大小設為2.0 m,以實現大氣增溫(2.0±0.5) ℃ (ET-2) 的目的;另一組生長室的開口大小設為1.4 m,以實現大氣增溫(4.0±0.5) ℃ (ET-4)的目的。將9個TP-2200溫度實時記錄器置于不同處理研究單元中心距水面1 m處, 以實時自動記錄每個研究單元的大氣溫度數據,記錄頻率為1次·h-1,每天共記錄24次,實驗結束時對溫度數據進行人工導出,并整理計算各組的年平均溫度(MAT)、年最高溫度(MAX)、年最低溫度(MIN)、季平均溫度(SAT)、日間積溫(DAT)以及夜間積溫(NAT)。根據2015年全年模擬增溫的結果顯示,兩組增溫處理組的大氣溫度平均值均高于對照組,其中ET-2組和ET-4組處理下的氣溫平均值分別高出CK組2.20、3.80 ℃(表1),說明本研究所采用的OTCs模擬增溫系統起到了穩定的增溫效果。

圖 1 納帕海濕地開頂式生長室Fig. 1 Open-top chambers (OTCs) in Napahai wetland

根據前期對納帕海湖濱帶優勢植物研究的基礎,本文選取茭草作為研究對象。在2015年3—4月,挖去納帕海湖濱帶生長健康、長勢均勻的茭草克隆株,移栽到口徑35 cm、高40 cm的塑料盆中進行單株培養,原位采集納帕海湖濱帶土壤(30 cm)作為栽培基質,自然條件下緩苗15 d后,將移植了植株的塑料盆分別置入不同研究單元,每個研究單元放置3盆,即每個大氣溫度條件下共計9盆。各研究單元淹水深度以其原生水淹環境為基準(20～30 cm)。自植株盆栽后,加強對植株的日常管理,以保證移植植株的成活。

表 1 2015年不同溫度條件下的溫度變量值Table 1 Values of temperature variables under different temperature conditions in 2015

1.3 樣品采集及莖解剖結構性狀測定

2015年9月,從CK、ET-2、ET-4三組中的9個研究單元中各選取生長成熟、長勢健康的茭草3株(每盆1株),將整株茭草從盆中完整取出后用流水沖洗干凈,每株植物分別剪取水面上方10 cm處的地上莖與土壤面下方10 cm處地下莖的莖干(長度約10 cm)。先將采集的莖干立即浸泡于 FAA 固定液(福爾馬林、冰醋酸、酒精、蒸餾水體積比為10∶5∶50∶35)中固定,再分別裝入自封袋密封并進行編號標記。將樣品帶回實驗室進行莖解剖、測定。在實驗室內,將采集回的莖干橫切面進行徒手切片,用濃度為1%的甲苯胺藍溶液對其染色,1 min后用質量分數為50%的酒精輕度沖洗葉片及玻片上過多甲苯胺藍溶液,之后用吸水紙吸收載玻片周圍多余的溶液,制成臨時水玻片置于萊卡光學顯微鏡(Leica Corp DM6B, Germany)下觀察,并拍攝維管束結構、角質層及表皮層等組織結構的照片(圖2)。使用Image J (v.1.48,http://rsb.info.nih.gov /ij /)圖片處理軟件分別測量地上莖與地下莖的角質層厚度(cuticle thickness, CTupand CTunder)、外表皮細胞厚度(outside epidermal cell thickness, OETupand OETunder)、內表皮細胞厚度(inside epidermal cell thickness, IETupand IETunder)、表皮層厚度(epidermal layer thickness, ETupand ETunder)、 維管束面積(vascular bundle area, VAupand VAunder)、導管面積(conduit area, CAupand CAunder)、篩管面積(sieve tube area, SAupand SAunder)等性狀(表2),每個性狀在不同溫度處理下各有45組數據(每株5個數值)。

圖 2 2015年1—12月不同溫度條件下的大氣日平均溫度 (A)和月平均溫度 (B)Fig. 2 Daily mean temperature (A) and monthly mean temperature (B) air temperatures in different conditions from January to December, 2015

A. 茭草橫切面解剖圖; B. 表皮結構; C. 成熟維管束結構; D. 初生維管束結構。 a. 角質層; b. 外表皮細胞; c. 內表皮細胞; d. 表皮層厚度; e. 導管; f. 篩管。A. Cross-sectional anatomy of Z. latifolia; B. Epidermal structure; C. Mature vascular structure; D. Primary vascular structure. a. Cuticle; b. Outer epidermal cells; c. Inner epidermal cell; d. Epidermal layer thickness; e. Conduit; f. Sieve tube.圖 3 自然狀態下茭草的莖解剖結構Fig. 3 Anatomical structures of Zizania latifolia in natural state

1.4 數據分析

應用SPSS (26.0, https://spss.en.softonic.com/)統計分析軟件進行差異性分析和逐步回歸分析;使用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢測茭草莖解剖結構性狀在不同生長溫度間的差異(P<0.05),使用逐步回歸分析篩選出影響茭草莖解剖結構性狀的主要溫度變量;應用R(v.3.01; https://cran.r-project.org)統計分析軟件內置的“vegan”程序包進行主成分分析,檢測茭草莖解剖結構性狀與各溫度變量間的關系。所有圖片均由Adobe Illustrator(2021; http://www1. jsllcm.com/Adobe/ai-u5ky/)與Origin(2018; origin.shyihuog.cn/origin)繪圖軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 茭草莖解剖結構對增溫的響應

與對照組(CK)相比,兩組增溫條件下茭草地上莖的內、外表皮細胞厚度及整個表皮層的厚度均顯著增加,而其維管束結構大小在三組溫度條件下均無顯著差異(圖4)。相比于對照組,地下莖內、外表皮細胞厚度及表皮層厚度在增溫2 ℃處理下均顯著增加,而這些表皮結構性狀在增溫4 ℃處理下與對照組卻無顯著差異(圖4)。地下莖維管束結構大小在對照組和增溫2 ℃處理下無顯著差異,而在增溫4 ℃處理下顯著減小(圖4)。

2.2 茭草莖解剖結構與溫度因子的相關性

年最高溫度和夜間積溫是影響茭草莖解剖結構性狀變化的主要溫度變量,即二者是導致茭草莖解剖結構性狀發生變化以響應溫度升高的主要溫度變量(表3)。基于茭草地上莖解剖結構性狀和溫度變量的主成分分析顯示,第一主軸解釋了總方差變異的55.21%,第二主軸解釋了總方差變異的22.15%。其中,地上莖內表皮細胞厚度與所有溫度參數均與第一主軸顯著正相關;表皮層厚度、維管束面積和篩管面積均與第二主軸呈顯著正相關(圖5:a,表4)。這表明,對于茭草的地上莖,其內表皮細胞厚度是地上莖響應增溫的最主要性狀,并與溫度因子呈正相關(表4)。

基于茭草地下莖解剖結構性狀和溫度變量的主成分分析顯示,第一主軸解釋了總方差變異的58.72%,第二主軸解釋了總方差變異的29.53%。其中,地下莖導管和篩管面積均與第一主軸呈顯著負相關,而所有溫度因子均與第一主軸呈顯著正相關;地下莖內、外表皮細胞厚度及表皮層厚度均與第二主軸呈顯著正相關(圖5:b,表4)。這表明地下莖導管和篩管大小是地下莖響應溫度升高的主要性狀,二者與溫度升高呈負相關關系。

3 討論

3.1 茭草莖解剖結構性狀對增溫的響應策略

滇西北高原湖濱帶挺水植物茭草的地上莖和地下莖解剖結構對增溫的響應策略不完全相同。增溫促進了地上莖表皮結構厚度的增加,表明地上莖主要通過增加表皮厚度適應4 ℃以內的增溫。其地下莖在增溫2 ℃的輕度增溫下是通過表皮結構厚度的增加來響應增溫,而隨著溫度的進一步增加,在增溫4 ℃條件下,地下莖主要通過維管束結構大小的減小來響應增溫,此時其表皮結構厚度又恢復到與對照組間無差異。較厚的表皮細胞,一方面起到促進植物蒸騰散溫,維持植物體表適溫作用;另一方面能夠促進植物維持足夠的細胞膨壓,以減輕逆境對細胞生長的抑制,使植物保持固有形態,防止萎蔫(朱蠡慶等, 2013; Kim et al., 2018)。一般情況下,高溫環境因容易促使植物新陳代謝保持高活躍度而導致生理失水,并引起植物體萎蔫。因此,茭草地上莖在增溫4 ℃以內的條件下,對溫度的主要響應策略都是通過表皮蒸騰散失水分以降溫的方式維持植物體正常的生理活動,體現了地上莖對增溫具有較強的適應調節能力。

與地上莖相比,茭草的地下莖對增溫更為敏感。增溫2 ℃時,茭草地下莖對增溫的響應方式仍然是通過表皮蒸騰失水降溫維持生理代謝;而增溫4 ℃時,其地下莖對增溫的響應方式則轉變為維管束生理調節。較大的導管因容易受到環境脅迫而造成導管栓塞,從而引起導水率的快速下降(Cai & Tyree, 2010; Sperry, 2000);較小的導管和篩管雖然減少了一次性對水分和光合產物的運輸能力,但同時提高了植物的抗氣穴化能力,保證了維管束結構的運輸安全 (Willigen et al., 2000;Pittermann & Sperry, 2003)。因此,維管束結構的減小往往是植物遭受逆境的表現。溫度升高到一定程度,植物快速的蒸騰失水可能會導致其維管束結構的供水不足,引起植物體內生理缺水,進而增加維管束氣穴化的風險。茭草地下莖在增溫4 ℃條件下導管和篩管的減小就是防止其植物體因過度失水導致維管束結構堵塞的重要措施。植物在適當的高溫或干旱所導致的水分脅迫環境下往往通過增大自身導管直徑或截面積來提高水分利用效率(張志亮等, 2014; 李榮等, 2015)。茭草地下莖對增溫處理的響應方式表明,增溫4 ℃已經超過了其地下莖對溫度的耐受范圍,從而對植物造成一定程度的生理損傷,最直接的表現就是植物輸送水和光合能力的降低。與增溫2 ℃條件下相比,茭草地下莖在增溫4 ℃條件下表皮結構厚度的下降,與其植物的輸水功能下降直接相關。

圖中每個性狀參數柱上方不同字母表示差異顯著 (P<0.05); 相同字母代表差異不顯著 (P>0.05)。Different letters above each trait parameter in the graph indicate significant differences (P<0.05); the same letters indicate insignificant differences (P>0.05).圖 4 茭草莖解剖結構性狀 (平均值±標準差) 在3組不同生長溫度間的差異Fig. 4 Differences of the stem anatomical structural traits of Zizania latifolia among three different growth temperature treatments

MAT. 年平均溫度; MAX. 年最高溫度; MIN. 年最低溫度; SAT. 季平均溫度; DAT. 日間積溫; NAT. 夜間積溫。MAT. Mean annual temperature; MAX. Maximum annual temperature; MIN. Minimum annual temperature; SAT. Seasonal average temperature; DAT. Daytime accumulated temperature; NAT. Nighttime accumulated temperature.圖 5 基于茭草地上莖 (a) 和地下莖 (b) 解剖性狀以及溫度變量的主成分分析Fig. 5 Principle component analysis based on aboveground (a) and underground (b) stem anatomical structural traits of Zizania latifolia, and temperature variables

表 2 茭草莖解剖結構性狀Table 2 Stem anatomical structural traits of Zizania latifolia

表 3 基于逐步回歸模型的茭草莖解剖結構性狀與環境因子的相關性Table 3 Correlations between stem anatomical structural traits of Zizania latifolia and environmental factors based on stepwise regression models

3.2 茭草莖解剖結構性狀與溫度間的關系

本研究中,年最高溫度和夜間積溫是影響茭草莖解剖結構性狀的主要溫度因子。年最高溫度代表著植物生長環境的極端高溫(Goraya et al., 2017; Skinner et al., 2018)。一般來說,年最高溫持續時間越長,對植物解剖結構的抑制作用會隨之增強(Zhen et al., 2020; Li et al., 2020; García-Cervigón et al., 2021),進而引起一系列代謝過程的變化來影響植物的光合速率以及產物的累積和分配(Hendrickson et al., 2008; Djanaguiraman et al., 2011)。由于溫度變化引起的有機物在地上莖和地下莖的分配變化可能直接導致地上和地下莖性狀的差異,因此年最高溫度同時影響了茭草地上莖和地下莖的組織結構性狀。對同為禾本科的莎草(Cyperusrotundus)地上、地下生物量循環分配所進行的相關研究,在一定程度上證明了上述觀點(Zeh et al., 2019; Bao et al., 2022)。而夜間積溫則與植物的呼吸能力密切相關,并且是作物能否增產的關鍵(Chen et al., 2002; 馬雅菲, 2020)。茭草作為一種根莖作物,適度的夜間低溫有利于營養物質的積累和呼吸消耗的減少,能夠提高植株的生長速率(馮玉龍等, 1995; 宋敏麗等, 2010; 張玉屏等, 2020)。因此,葉間積溫是影響茭草解剖的重要溫度因子之一。本研究基于溫度數據發現,增溫處理組相比于對照組,其夜間積溫呈現出倍數增長趨勢,并且對地下莖篩管表現出極顯著的負影響,篩管作為植物體內有機物輸送的主要結構,地下篩管更是關系到茭草底部塊根果實的產量與品質。因此,夜間高溫對茭草的負面影響需要認真對待。

表 4 茭草莖解剖性狀與主成分分析 (PCA) 前兩軸的相關性 (r)Table 4 Correlations (r) of stem anatomical structural traits with the first two axes of principle component analysis(PCA)

本研究中,地上莖表皮結構厚度、地下莖維管束導管和篩管大小是響應溫度變化的主要性狀。在增溫2 ℃的輕度條件下,茭草地上莖和地下莖的內部生理結構均未發生顯著的改變,這表明此溫度環境尚在茭草的最適溫度范圍內;而增溫4 ℃的條件引起地下莖內部生理結構的改變,表明此溫度環境對茭草地下莖來說已經超過了其耐受范圍,這進一步證明茭草地下莖對于溫度的敏感度高于地上莖。同時,地上莖表皮結構厚度與溫度呈正相關關系也表明4 ℃以內的增溫仍然在地上莖的可調節范圍內,并且地上莖在應對4 ℃以內的增溫時主要通過增加其表皮結構厚度來權衡蒸騰失水與保水之間的關系,從而保證植株正常生理活動。而茭草地下莖維管組織與溫度變量均呈顯著負相關,說明4 ℃增溫環境可能對茭草地下莖產生了抑制作用,植物維管結構隨之縮小,其物質運輸能力可能受到限制。這與草本植物馬鈴薯(Solanumtuberosum)、水蔥(Schoenoplectustabernaemontani)以及小麥(Triticumaestivum)對增溫的響應策略存在一定相似性。馬鈴薯在高出自然環境2～4 ℃的培養環境中,其導管細胞會增大變形,對韌皮部細胞施加機械壓力,最終對整個維管結構造成負面影響;而將晝夜溫度從24 ℃增加30 ℃時,將直接導致底部塊莖干物質分配減少65%(Manrique & Bartholomew 1991; Paul et al., 2017; Qaderi et al., 2019; Chen & Setter, 2021)。而水蔥在增溫2 ℃處理下便出現了維管束大小顯著下降趨勢,抑制了水蔥輸導組織的傳輸能力(馮春慧等, 2020)。小麥在增溫2.37 ℃處理下,其莖稈維管束的數量、面積以及莖壁面積等維管束性狀均出現顯著減小(高文娟等, 2011)。但與之相反的是,杉葉藻(Hippurisvulgaris)在增溫4 ℃環境下,其導管、篩管的大小以及數量卻逐漸增大,從而促進了植株的傳輸能力(管東旭等, 2018)。因此,植物對增溫作出的適應性策略可能取決于不同物種與環境差異。

4 結論

茭草地下莖對增溫的敏感度大于地上莖。其地上莖在增溫4 ℃以內都是通過增加表皮結構厚度進行響應。茭草地下莖在增溫2 ℃的輕度增溫下,對增溫的響應策略與地上莖相同;而在增溫4 ℃處理下,則轉變為減小維管束結構的大小來響應增溫。年最高溫度與夜間積溫是影響茭草植株莖解剖性狀的關鍵溫度因子,二者通過影響植物一系列代謝過程來限制植物的生長。茭草地上莖表皮結構與地下莖維管組織結構是響應溫度變化的主要性狀,并且增溫4 ℃對茭草地下莖維管組織產生了抑制作用,導致茭草維管組織供輸能力的削弱以及形態的減小,進而影響到整株植物的生理活動。本研究結果進一步補充了高原地區濕地植物響應氣候變化的研究案例,為高原濕地應對氣候變化提供了科學依據。基于現今氣候變暖背景,未來我們仍會針對更多高原濕地植物,加大其研究的廣度與深度,延長實驗的觀測時間,以此來減少實驗的誤差,以確保研究的精確度。