二氧化碳倍增对春兰叶片结构的影响

汤访评，赵宏波

（1.绍兴文理学院 生命科学学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江农林大学 农业与食品科学学院，浙江 临安 311300）

全球大气二氧化碳（CO2）正在以 1.5 μL·L－1·a－1的速率递增，预计到 21世纪末，大气二氧化碳将会增加到700 μL·L－1［1］。有关大气二氧化碳体积分数增高及其全球气候变化，一直为全世界关注的研究热点之一［2－8］。春兰Cymbidium goeringii是中国兰花大家族中品种最丰富，观赏价值和经济价值均极高的一个种，也是繁殖最困难的种类之一。随着前几年春兰野生资源遭毁灭性破坏，春兰己濒临灭绝的边缘。加快春兰的繁殖，更好地保护国兰资源，已成为当前中国兰花科学研究的重点和热点。本研究选用春兰的叶片为试验材料，通过设定人工气候箱二氧化碳不同体积分数，研究高二氧化碳体积分数对春兰叶片形态结构的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

春兰培养基质为陶粒（直径3.0～6.0 mm），在121°C条件下灭菌20 min备用。培养容器是口径为19 cm、高25 cm的兰花泥盆。将灭菌过的基质装满花盆，各花盆中栽含5株成熟兰苗的兰丛，15 d用1／2MS（Murashige and Skoog）培养液施肥1次［9］，平时用蒸馏水进行浇灌，实行 “不干不浇，一次浸透”的原则。

本研究在二氧化碳人工气候箱中进行，一个气候箱中的二氧化碳（所用二氧化碳为高纯度气体）体积分数设定值为370 μL·L－1，培养箱中实际数值为 370±50 μL·L－1，作为对照，以模拟目前大气中二氧化碳体积分数；另一个培养箱中的二氧化碳体积分数设定值为700 μL·L－1，培养箱中实际数值为700±50 μL·L－1，以模拟 21世纪末大气中二氧化碳体积分数。光照时数为 16 h·d－1，光强为 400 μmol·m－2·s－1，光期温度为 26°C，相对湿度为 90%，黑暗时温度为20℃，相对湿度大于90%。

研究从2009年4月开始，处理2个月后，取实验过程中新长出的成熟叶作为检测材料。

1.2 实验方法

1.2.1 叶面积与叶厚度的测定 分别选取处理组和对照组春兰各10株，取相同叶位的10片叶片在WDY-500A型叶面积测量仪上测量各组叶片的叶面积。将叶片折叠成块状后投入盛有一定体积水的量筒中，用排水法［8］测叶片的体积。叶体积除以叶面积即为叶厚度。

1.2.2 叶绿体质量分数测定 取相同叶位叶片，称量1.0 g鲜质量叶片置于0.35 mol·L－1的氯化钠等渗溶液中迅速捣碎（在0～5℃温度下进行）。将匀浆用 6层纱布过滤于烧杯中，取滤液在1 000 r·min－1下离心2 min，弃去沉淀。将上清液在3 000 r·min－1下离心5 min，弃去上清液，沉淀的即为叶绿体，称量［9］。

1.2.3 气孔密度和气孔指数测定 取相同叶位的叶片，刮去上表皮和叶肉细胞，剩下下表皮，制成光镜切片。每处理制5个，置于光学显微镜下，各选取4个视野进行观测计数，换算得气孔密度（个·mm－2），单位面积的表皮细胞数与气孔数之和即表皮细胞密度（个·mm－2），气孔指数 ＝（气孔密度/表皮细胞密度）×100%［10］。用SPASS 13.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 叶面积与叶厚度变化

春兰具假鳞茎，一株春兰约5片叶子，各选取第3叶位的叶子进行测量。结果显示（表1）：春兰在CO2体积分数增加情况下，叶面积有了明显的变化，对照的平均值为20.63 mm2，而处理组叶面积平均值为27.62 mm2，增大了33.88%，差异极显著，主要表现在叶片宽度的变化，而长度基本无变化。处理组叶片的厚度无显著性变化。

表1 对照组与处理组春兰叶片形态比较Table 1 Comparison with leaf morphology of Cymbidium goeringii of the control and the treated

2.2 叶绿体质量分数变化

由表1结果可以看出，处理组春兰叶片的叶绿体质量分数为180.30 mg·g－1，增加了33.09%，差异极显著，这说明二氧化碳体积分数增加促进了叶绿体的形成。

2.3 表皮细胞密度变化

处理组春兰叶片表皮细胞密度为1 561.29个·mm－2，比对照下降了9.72%，差异显著（表1）。

2.4 气孔密度与气孔指数变化

结果显示（表1），处理组春兰叶片气孔密度显著下降，为139.82个·mm－2，与对照组相比下降了27.71%。同样，随着二氧化碳体积分数的倍增，气孔指数也处于下降趋势，处理组和对照组之间差异极显著。与对照相比，处理组春兰气孔密度下降比表皮细胞密度的下降幅度要大，可能是由于气孔器的发生和发育受到高体积分数二氧化碳抑制造成的。

2.5 气孔形态变化

扫描电镜下观察发现，处理组春兰的气孔器长度发生了明显的变化，对照组的气孔呈圆形（图1-A），而处理组的叶片气孔呈长椭圆形（图1-B）。处理组气孔开度变小，使得细胞内的水分散失减少，在细胞内储存的水分增加，从而使细胞看起来较饱满。

图1 电镜下春兰叶片的气孔形态（A对照组叶片气孔；B处理组叶片气孔）Figure 1 SEM stomatal morphology of Cymbidium goeringii leaf of the control（A）and the treated（B）

3 讨论

迄今为止，已达60多种植物被用于进行二氧化碳体积分数增加的影响研究，其中包括30多种农作物和近30种树木和杂草［11］，但很少涉及到观赏植物，春兰对二氧化碳体积分数升高响应的研究未见报道。以往关于植物对大气二氧化碳体积分数变化的响应，主要集中在植物光合与呼吸强度、营养器官各种生长参数和结构、水分利用效率、生物量与产量、植物化学成分以及主要酶系统含量等方面的影响［3－6］，对植物器官形态结构的变化则研究较少。如植物的光合器官——叶片，作为植物对环境条件变化较为敏感的营养器官，其表型特征和生理生化特征的变化都能体现环境因子变化对它的影响或植物对环境的适应［12－14］。

从多数试验结果来看，在高体积分数二氧化碳环境下，叶片的数量普遍增多、叶片增厚、叶面积增大［15］。本研究中，经二氧化碳倍增处理2个月后，春兰的叶片叶面积比对照极显著增大，但春兰叶片数量、厚度与长度并没有增大。这与前人的研究结果不一致，有待进一步研究。

在二氧化碳体积分数倍增条件下，栽培植物表皮细胞密度和维管束鞘细胞中的叶绿体数明显增加，野生植物则呈相反趋势。魏氓等［13］观察发现高二氧化碳体积分数处理下黄瓜Cucumis sativus叶片叶绿体的长度和宽度分别比对照增加 8.36%和 26.49%。杨松涛等［14］的实验表明，在高二氧化碳体积分数下水稻Oryza sativa叶绿体内的淀粉粒增加，叶绿体由原来的近梭形变成椭圆形或近圆形。该研究中，经二氧化碳倍增处理后春兰叶绿体的质量分数有极显著提高，说明高二氧化碳体积分数的升高有利于增强春兰的光合作用。

在二氧化碳体积分数升高对气孔参数的影响方面，不同植物表现各不相同［15］。Woodward［3］通过比较不同年代的植物标本和分析一些实验结果后认为，有60.00%的植物会因二氧化碳体积分数升高气孔密度下降。二氧化碳体积分数升高可造成气孔关闭，长期处于高二氧化碳体积分数环境还会影响气孔的发育。该研究发现，高体积分数二氧化碳下春兰气孔密度下降，气孔变狭长，即气孔开度变小。气孔密度减少和气孔关闭的重要生理意义在于使植物的水分利用效应发生改变，这种效应越大，意味着植物光合速率越高［16］。而Murry［17］曾假设高二氧化碳体积分数引起的气孔导度与水分利用率的变化是调节气孔内腔空间的结果，而非气孔的多少引起的。可见，对二氧化碳体积分数升高影响气孔的形态结构和发育情况的研究应与气体交换的研究结合起来，才能正确理解高体积分数二氧化碳对植物叶片气孔的生理生化影响。

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