5种蕨类植物叶片解剖结构及其对阴生环境的适应性研究

张泽宏，吴小霞

（闽南师范大学 生物科学与技术系，福建 漳州 363000）

现存蕨类植物有12 000余种，我国的蕨类植物有63科230属2 600余种［1］.大多数蕨类植物喜温暖、湿润、通风和比较荫蔽的环境，忌闷热，其生长的适宜光照强度在300～6 000lx之间，并且喜欢过滤性、间接性或反射性等柔和的光线［2］.目前，对蕨类植物的研究主要集中在蕨类植物的应用、繁殖技术、资源调查［3－5］，以及对蕨类植物的黄酮类、多糖类等化合物的提取等方面［6－7］，而对蕨类植物叶片解剖结构特征与环境适应性方面的研究报道较少.本实验选用海金沙、井栏边草、肾蕨、铁线蕨、银脉凤尾蕨这5种常见蕨类植物作为研究对象，通过对叶表皮及横切面进行显微结构观察，初步探讨其叶片组织形态结构，以及对阴生环境的适应性，为蕨类植物系统分类提供形态学依据，同时也为蕨类植物的开发利用及优化栽培管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

海金沙（Lygodiumjaponicum（Thunb.）Sw.）、井栏边草（Pterismultifida）、肾蕨（Nephrolepis cordifolia）、铁线蕨（Adiantumcapillus－veneris）、银脉凤尾蕨（Pterisensiformiscv.victoriae）均采自漳州市芝山公园，群落层次及生境条件基本一致.

1.2 试验方法

1.2.1 叶表皮制片 取叶浸水0.5h，叶中部切成约1cm 长的小段，放入2%的NaOH 溶液中，室温下过夜，蒸馏水冲洗，用镊子分别剥离上表皮和下表皮，10%的H2O2溶液漂白5～10min，蒸馏水冲冼，1%番红酒精溶液染色5min，1%甘油封片.

1.2.2 石蜡制片 选择完整、无病害的成熟叶片，用锋利的刀片在叶中部截纵长约0.8cm 的小段.然后经过固定及保存→整染→脱水→透明→浸蜡→包埋→切片→展片及粘片→脱蜡→复水→染色→脱水及透明→封藏等程序，完成制片全过程并保存［8］.

1.2.3 显微观察 显微观察并测量表皮细胞形状、垂周壁式样、表皮毛的存在情况、气孔密度（取10个视野求平均植）、气孔长、气孔宽、气孔形状、叶片厚度、叶脉厚度、上下表皮厚度、叶肉细胞形状、叶脉形态.

2 结果与分析

2.1 叶表皮细胞特征

对5种蕨类植物叶片上、下表皮的研究发现，叶表皮细胞形态特征基本相似，种间差异不明显.其共有的基本特征表现为表皮细胞1层、表面观呈不规则形状、且排列紧密，没有细胞间隙，无表皮毛.表皮细胞垂周壁呈深浅不同的波浪状（图1），横切面观，表皮细胞的外形较规则，呈近似的长方形、方形或椭圆形，外壁较厚，有轻度的角质化，表皮细胞内具少量叶绿体.

气孔是由保卫细胞和它们间的孔口共同组成的，如有副卫细胞存在，则副卫细胞及气孔又共同组成气孔器［9］.通过对叶表皮的观察发现，这5种蕨类植物的上表皮不存在气孔，而下表皮存在气孔，气孔的保卫细胞呈肾型，两个肾型细胞对称排列.其中，海金沙、铁线蕨和银脉凤尾蕨的气孔器为无规则型，几个与表皮细胞大小、形状相同的细胞无规则地围绕着保卫细胞，无副卫细胞；井栏边草和肾蕨的气孔器为横列型，每一气孔由两个副卫细胞围绕着，它们的共同壁与气孔的长轴成直角排列（图2）.

图1 示叶上表皮形态（×1000）和下表皮及气孔形态（×400）Fig.1 Shows the upper epidermis morphology（×1000）and palisade epidermis and stomatal morphology（×400）

图2 示叶横切形态（×400）和叶脉横切形态Fig.2 Shows crosscut morphology of leaf（×400）and veins

除上述共同特征，蕨类植物的各种类之间也存在较为明显的差异（表1）.种间的气孔密度差异很大，表现为：海金沙＞井栏边草＞肾蕨＞铁线蕨＞银脉凤尾蕨，其中海金沙气孔密度最大，达103.75个／mm2，说明其在单位面积内气孔的分布最为密集，而银脉凤尾蕨的气孔密度最小，仅55.18个／mm2，说明其在单位面积内气孔分布最为稀疏.气孔的大小不等，表现为：肾蕨＞银脉凤尾蕨＞铁线蕨＞井栏边草＞海金沙，其中肾蕨的气孔最大，其气孔器长、宽分别为46.84μm、32.63μm，而海金沙的气孔最小，其气孔长、宽分别为32.63μm、22.11μm.种间的气孔长宽比差异也很大，表现为：井栏边草＞银脉凤尾蕨＞海金沙＞肾蕨＞铁线蕨，其中井栏边草和铁线蕨这两种蕨类植物的气孔长宽比相差悬殊，达到了0.71的水平，所以从气孔器大小可以很容易区分这两种蕨类植物.5种蕨类植物的垂周壁式样仅肾蕨为浅波状嵌合，其它均为深波状嵌合.以上特征种间差异较大，故以传统分类学进行种间分类时，也可以作为区别它们的重要特征.

表1 光镜下蕨类植物叶片表皮特征（表面观）Tab.1 Epidermis Characteristics of leaf under optical microscope（surface view）

2.2 叶肉结构特征

叶肉是位于上、下表皮之间的绿色组织的总称，是叶的主要部位，通常由薄壁细胞组成.5种蕨类植物在叶肉组织结构上表现出某些共性：叶肉组织中无明显的栅栏组织和海绵组织的分化，叶肉细胞形状不规则，内含大量体积较大的叶绿体，并且呈狭长的串状分布，细胞排列疏松，细胞之间存在较大的间隙，形成叶肉中较为发达的通气组织.

通过对叶的横切面精细观察测量，发现5种蕨类植物叶片的主要结构也存在明显差别（表2）.叶片厚度表现为：银脉凤尾蕨＞肾蕨＞井栏边草＞海金沙＞铁线蕨，其中银脉凤尾蕨的叶片厚度最大，达144.74 μm，而铁线蕨的叶片厚度最小，仅67.90μm.叶脉厚度表现为：井栏边草＞银脉凤尾蕨＞海金沙＞肾蕨＞铁线蕨，厚度最大的井栏边草的叶脉为522.79μm，厚度最小的铁线蕨的叶脉仅73.24μm.叶脉突起度表现为：井栏边草＞海金沙＞银脉凤尾蕨＞肾蕨＞铁线蕨，其中井栏边草和铁线蕨两种蕨类植物的叶脉突起度相差悬殊，达到4.18的水平.从表皮厚度的对比研究发现，5种蕨类植物表皮细胞的厚度差异较小，并且下表皮细胞厚度普遍大于上表皮细胞厚度.

表2 光镜下蕨类植物叶片的主要结构特征Tab.2 The main structural features of fern leaves under optical microscope

3 结论与讨论

3.1 叶表皮形态特征对阴生环境的适应

气孔是植物与外界环境进行气体交换的门户，气孔密度关系到植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用.BoardmanNK［10］通过研究发现，生长在高光强下的植物通常比低光强下的植物具有较高的气孔密度.5 种蕨类植物的叶下表皮气孔密度都较低，最多的海金沙也仅103.75个／mm2，最少的银脉凤尾蕨只有55.18 个／mm2，这可能与长势有关.海金沙长势较高，在树林内的较上层，接受较多光照，光合作用较强，因而气孔密度也较大；银脉凤尾蕨的长势较低，在树林内的底层，接受光照较少，光合作用较弱，因而气孔的分布也较少.其它3种蕨类植物气孔密度也不相同，说明光照对气孔分布的影响因植物生物学特性的不同而不同.此外，5种蕨类植物的气孔张开度均较大，蕨类植物这种气孔密度低、开张度大的特点，使其能更有效利用少量的光进行光合作用，从而更好地适应阴生环境.

袁王俊［11］对阴生植物黄连的研究表明，气孔分布于下表皮，这是黄连叶适应阴湿环境的结果.本研究发现蕨类植物的气孔均分布于下表皮，上表皮不存在气孔，这与袁王俊的研究结果一致.

在叶片的解剖结构中，表皮是控制叶片吸收光量子的重要因素.叶表皮附属物，如表皮毛、短柔毛等，可以降低叶片对光量子吸收［12－13］.蕨类植物生长在阴生环境中，没有受到过高光强的照射，林荫下湿度也较高，故本实验研究的5种蕨类植物均无表皮毛.同时，表皮细胞内具有少量叶绿体，这有利于表皮细胞对光的吸收利用，是植物对弱光环境的一种适应.

3.2 叶肉结构特征对阴生环境的适应

5种蕨类植物叶肉组织中无栅栏组织和海绵组织分化，且叶肉组织的分布不规则，这样可以减少光量子的投射损失，使植物能够更充分地利用有限的光能进行光合作用，积累有机物质，提高对阴生环境的适应性.

5种蕨类植物的叶肉组织中存在大量叶绿体，且体积较大，保证了光合作用以及营养物质的供给，甚至连叶表皮细胞中都存在少量叶绿体，这样更能保证蕨类植物在弱光下生存良好，体现对阴生环境的适应性.同时，蕨类植物的叶绿体呈狭长的串状分布，这种结构可以通过减少光量子穿透叶片的量而提高弱光照条件下光量子的利用率，从而提高叶片的光合作用效率，使叶片更好的适应阴生环境.

叶片的厚度是判断植物耐阴性的重要指标，5种蕨类植物叶片厚度都较小，厚度最大的银脉凤尾蕨也仅144.74μm，厚度最小的铁线蕨只有67.90μm，叶片薄使蕨类植物的叶绿体能更充分地发挥吸收光能的作用，从而提高蕨类植物的光合作用效率，使其更好的适应阴生环境.

叶肉是叶光合功能的主要场所.本研究表明蕨类植物的叶肉细胞中具有较多的细胞间隙，形成较发达的通气组织.通气组织可以贮藏气体，用来供光合作用和呼吸作用的部分需要，弥补气体吸收的不足，这也是植物对阴生环境的一种适应.

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