横断山区珠子参不同居群叶片形态变异及其与环境因子的关系

杨天梅等

摘要：为探讨珠子参多样性及生态适应性，在横断山区选取具有代表性的24个珠子参自然居群，对其叶片的叶长、叶宽、长宽比、正面和背面表皮毛密度及气孔密度等指标进行研究，结果显示：珠子参叶片形态变异显著，变异系数大小顺序为正面表皮毛密度>背面表皮毛密度>气孔密度>叶长宽比>叶长>叶宽；地理距离邻近的居群间指标差异不显著，较远的居群间指标差异显著；叶长与遮阴度呈显著正相关，相关系数达0.51；背面表皮毛密度与经度和年均气温呈显著正相关，相关系数为0.50和0.51，与纬度和遮阴度呈显著负相关，相关系数为-0.45和-0.54，说明叶长及背面表皮毛密度相对于其他指标对环境因子的影响变化更敏感；聚类分析将24个居群分为3类，地理距离相对较近的或表皮毛和气孔密度相近的一般聚为一类。珠子参通过改变叶形态及叶片大小，增加或减少表皮毛和气孔数量来适应环境的变化。本研究结果为珠子参对环境变化的适应与响应机制提供了基础，也对研究其生态适应性及资源的保护和利用具有重要意义。

关键词：表皮毛；气孔；生态适应性；珠子参；叶片形态；环境因子；相关性

中图分类号： S567.5+10.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0276-04

叶片是植物进化过程中对环境变化较敏感且可塑性较大的器官，在不同选择压力下已经形成各种适应类型，其形态特征最能体现植物对环境的适应[1]。叶片形态特征受到了广泛的关注，有学者从叶表皮形态特征[2-3]、叶片解剖结构[4-6]等不同角度对叶片形态变化及其适应特征作了大量研究。研究表明，植物叶片形态与地理环境息息相关，同一种属植物生长在不同生境下，其叶形态特征有着较显著的差异，根据这些差异可以讨论与推测植株进化与变异轨迹；因此，深入揭示植物叶片的形态特征，对研究植物生态适应性具有重要意义。

横断山区在云南、四川两省的西部，生物多样性极强，且富含古老和孑遗类型，是研究生态适应性的热点地区，也是人参属起源中心和多样性分布及现代分化中心。人参属植物是经历了第4次冰期的孓遗植物，为典型阴生C3植物，对光、温等生态因子十分敏感，适应性差，长期过度采挖导致其资源日益短缺，种群濒临灭绝，分布区也大大缩小，珠子参[Panax japonicus C. A. Mey. var. major （Burk.） C. Y. Wu et K. M. Feng]等分布较广的种也由于医药工业开发而遭到极大的破坏，人参属珍贵种质资源研究及保护已成为迫切的问题。然而本属植物各种间的外部形态、特别是地上部分的形态甚为相似，一些形态特征（如叶片、花等）过渡类型颇多[7]，给研究其生态适应能力和开发利用带来了困难，因此对人参属生态适应能力的研究较为少见。Venugopal等研究了气候环境因子变化对假人参（P. pseudoginseng）生长繁殖能力的影响，发现温度、降水和相对湿度对其生长繁殖具有协同效应[8]。本研究以横断山区人参属中变异最为复杂的珠子参为对象，分析24个居群珠子参叶形态特征，结合各居群的生境数据，试图阐释珠子参各居群叶形态特征的变异与生境的相关性，来揭示珠子参叶片形态对环境变化的响应，可为这一濒危物种在未来气候环境变化条件下的保护和开发利用及人工种植提供一定依据，也为研究本属植物的生态适应能力提供一定的参考数据。

1材料与方法

1.1样地选择与样品采集

2013年6—8月，珠子参叶生长茂盛时期，在云南省昆明、大理鹤庆马厂、丽江、德钦以及四川省盐源县和木里县等野生珠子参分布较为集中的地方进行调查采样，共采集了 24个居群（表1）的样品，每个样地随机选择20株无明显病虫害的植株，每株采集中部叶片及时进行叶片特征指标测定。

1.2叶片特征指标的测定

1.2.1叶片长和宽的测定用直尺按每个样地20株，各取正常完整的中部叶片，测量叶长和叶宽，并观察记录叶片的形状和叶缘、叶端的形态。

1.2.2叶片表皮毛密度的测定用直尺在叶片中部量出1 cm×1 cm 的小块，放在解剖镜（XTT型实体显微镜）下观测方块面积上、下表皮毛的数量，即为表皮毛密度。

1.2.3叶片气孔密度的测定将叶片浸泡在等量的30%过氧化氢-醋酸溶液中，在室温下放置72 h，在光学显微镜40倍镜下观测各视野气孔的数量，计算其平均值，用平均值除以表124个居群的地理位置

视野面积即为气孔密度。

1.3数据处理方法

用Excel 2003、DPS 7.0软件进行数据整理及分析。

2结果与分析

2.1不同居群珠子参叶片基本形态特征的比较

珠子参的叶片形态特征主要为多薄纸质，稀厚纸质，近圆形、椭圆形、长椭圆形或卵状椭圆形，先端长渐尖或尾状渐尖，边缘有重锯齿、细锯齿或深波状，两面脉上均有表皮毛（图1）。24个居群中，叶长最长的为9居群，平均为11.03 cm，最短的为23居群，平均为3.50 cm，相差7.53 cm；叶宽最宽为3居群和8居群，平均为3.06 cm，最窄的为23居群，平均为1.50 cm，相差1.56 cm，叶长、叶宽变异系数分别为0.28、0.20；地理位置临近的差异不显著，地理位置较远的差异显著（表2）。

2.2不同居群珠子参叶片表皮特征的比较

通过解剖镜和显微观察显示，珠子参叶片正面和背面均有表皮毛，且表皮毛的类型表现一致，上表皮细胞呈不规则形，垂周壁波状弯曲，均无气孔；下表皮细胞也呈不规则形，但垂周壁深波状弯曲，均有气孔，类型均为不定式，稀不等式，副卫细胞 3～4个（图2）。差异分析结果显示，正面、背面表皮毛密度差异显著，平均正面表皮毛密度是32.78个/cm2，变异系数为0.92，最大是24居群，为148.33个/cm2，最小是22居群，为2.00个/cm2；平均背面表皮毛密度是10.53个/cm2，变异系数为0.99，最大是1居群，为39.66个/cm2，最小是19和22群居，为0个/cm2；气孔密度1居群、8居群、16居群、17居群和24居群5个居群的差异显著，平均156.71个/mm2，变异系数为0.43，最大是24居群，为360.33个/mm2，最小是8和9居群，为90.00个/mm2（表3）。

2.3不同居群珠子参叶片特征与环境因子的相关性分析

分析了6个叶片特征参数和海拔、经度、纬度、年均降水量、遮阴度、植被类型、土壤类型8个环境因子的关系，结果表明：叶长与遮阴度呈显著正相关，相关系数达0.51；背面表皮毛密度与经度和年均气温呈显著正相关，相关系数为0.50和0.51，与纬度和遮阴度呈显著负相关，相关系数为-0.45和-0.54，其余指标相关性不显著（表4）。

2.4聚类分析

对珠子参24个居群的6个性状进行聚类分析（Ward法），当距离为3.55时，可分为3类，第1类包括1、14、23、24，共计4个居群；第2类包括2、3、4、5、6、8、9、10、11、12、13、15、16、17、18、19、20、22，共计18个居群；第3类包括7和21，共计2个居群（图3）。在这3类中，每一类各居群之间有的地理距离相对较近，如第1类的23和24，都是四川省的；还有第2类中的2、3、4、5和10、12、11、6、13、9等居群为同一个县份和市区的资源。此外，还可以看出，每一类群所处的地理环境条件也较为相似，如第3类中2个居群的纬度相差不大，表皮毛密度和气孔密度也相近。表4珠子参24个居群叶片特征与环境因子的相关性分析

叶片形态指标相关系数海拔经度纬度年均降水量年均气温遮阴度植被类型土壤类型叶长0.10.02-0.070.04-0.40.51*-0.04-0.28叶宽-0.240.17-0.250.14-0.110.25-0.04-0.13叶长宽比0.32-0.090.02-0.2-0.360.28-0.06-0.24正面表皮毛密度 0.150.230.01-0.210.34-0.320.06-0.16背面表皮毛密度-0.150.50*-0.45*-0.320.51*-0.54*0.090.02气孔密度0.17-0.030.12-0.180.16-0.07-0.14-0.27注：“*”表示显著相关（P<0.05），“**” 表示极显著相关（P<0.01）。

3结论与讨论

3.1珠子参叶的形态特征与生态环境的关系

大多植物形态性状是多基因决定的数量性状，往往具有适应和进化意义，可以更清楚地揭示植物与其环境之间的关系，而叶是植物暴露在地面环境中最多的器官，因此植物对环境的反应通常较多地反映在叶的形态结构上。有研究也表明，植物叶片形态与地理环境息息相关，同一种属植物生长在不同生境下，其叶表皮气孔密度有着较显著的差异，根据这些差异可以讨论与猜测植株进化与变异轨迹[9-11]。本研究中，珠子参叶上表皮毛大都多于下表皮，但上表皮基本上没有气孔，气孔均存在于下表皮，这样可以避免强烈的日照，减少呼吸和蒸腾，降低水分的散失，起到自我保护的作用。差异分析结果显示，珠子参叶的6个形态特征在地理位置较远的居群差异显著，但地理位置临近的居群（即在同一县区和市区）差异不显著，海拔较高的珠子参叶表皮毛密度和气孔密度增加，这与马书荣等的研究结论[12]是相符的，即随海拔升高，气孔密度增加，单位面积上的表皮毛数量增多。聚类分析结果也显示24个居群的6个叶片特征性指标表现出与采集地有一定的相关性，地理距离相对较近的资源一般聚为一类。但相关分析结果显示叶长与遮阴度呈显著正相关，说明叶片的长度与生长环境的遮阴程度关系密切；背面表皮毛密度与经度和年均气温呈显著正相关，相关系数为0.50和0.51，与纬度和遮阴度呈显著负相关，相关系数为-0.45和-0.54，说明叶长及背面表皮毛密度相对于其他指标对环境因子的影响变化更敏感；其余指标相关性不显著，究其原因，可能是由于珠子参标本采集地海拔、植被类型及土壤类型差异不大，各居群珠子参生长环境有一定相似性或者与光照、土壤湿度等其他因素有关系。

另外本研究中，聚类分析将四川省木里县和盐源县、云南省昆明市呈贡县梁王山、云南迪庆州维西县攀天阁居群聚为一类，4个居群之间表皮毛和气孔密度存在着较大差异，且有的地理位置较远，究其原因，这可能与光照及其他因素有关。Ciha等指出气孔密度随植株接受光强增加而增加[13-14]；有学者指出水分胁迫条件下，气孔密度有升高的趋势。四川木里海拔较高，光照度较其他地区强，土壤湿度也较其他地区的小，所以气孔密度高些。综上所述，珠子参植株叶形态特征与生境的关系还需进一步研究。

3.2珠子参叶的形态特征的多样性

珠子参是人参属中过渡类型最多的一个种[15-16]。在本研究中也发现，同一居群的珠子参在叶形态上变异显著，24个居群中叶形就有近圆形、椭圆形、长椭圆形、卵状椭圆形；叶缘有锯齿的、细锯齿的、重锯齿的和深波状的；叶端有渐尖或尾状渐尖；形态上差异很大；上下表皮毛密度上表面较下表面大，上表皮细胞呈不规则形，垂周壁波状弯曲，均无气孔；下表皮细胞也呈不规则形，但垂周壁深波状弯曲，均有气孔，类型均为不定式，稀不等式，副卫细胞 3～4个，单位面积的气孔数量和表皮毛数量有明显差异。因此，叶片特征对于珠子参种质筛选和保存有一定的指导意义。

参考文献：

[1]李永华，卢琦，吴波，等. 干旱区叶片形态特征与植物响应和适应的关系[J]. 植物生态学报，2012，36（1）：88-98.

[2]杨青松，董有彦，赵艳. 川滇高山栎不同生态环境叶表皮形态特征比较研究[J]. 云南民族大学学报：自然科学版，2012，21（2）：93-97.

[3]高艳，崔洪霞，石雷，等. 丁香属植物叶片表皮形态特征与环境适应及系统学关联[J]. 西北植物学报，2008，28（3）：475-484.

[4]崔秀萍，刘果厚，张瑞麟. 浑善达克沙地不同生境下黄柳叶片解剖结构的比较[J]. 生态学报，2006，26（6）：1842-1847.

[5]何冬梅，刘庆，林波，等. 人工针叶林林下11种植物叶片解剖特征对不同生境的适应性[J]. 生态学报，2008，28（10）：4739-4749.

[6]杨赵平，徐雅丽，李志军. 裸果木叶片的解剖结构与生态适应性[J]. 安徽农业科学，2011，39（7）：3929-3931.

[7]杨崇仁，周俊，田中治. 人参属植物的化学分类和资源利用[J]. 云南植物研究，1988（增刊）：47-62.

[8]Venugopal N，Ahuja P. Relationship between age，size，fecundity and climatic factors in Panax wangianus an endangered medicinal plant in the sacred grove forest of North-East India[J]. Journal of Forestry Research，2011，22（3）：427-435.

[9]谢果珍，舒少华，王沫. 不同居群栝楼叶表皮气孔形态研究[J]. 时珍国医国药，2008，19（12）：2956-2958.

[10]陈丹生，庄哲煌，马瑞君，等. 不同生境对五爪金龙叶气孔密度的影响[J]. 湖北农业科学，2011，50（16）：3304-3306.

[11]梁松洁，张金政，张启翔，等. 北方地区藤本类忍冬叶表皮结构及其生态适应性比较研究[J]. 植物研究，2004，24（4）：434-438.

[12]马书荣，阎秀峰，陈柏林，等. 不同海拔裂叶沙参和泡沙参气孔形态的对比研究[J]. 东北林业大学学报，1999，27（6）：94-97.

[13]Ciha A J，BronW A. Stomatal size and frequency in soybeans[J]. Crop Science，1975，15（5/6）：9-12.

[14]山本昭夫. 土壤水分和光照强度对气孔密度的影响[J]. 日本作物学会纪事，1984，53（4）：463-471.

[15]周俊，黄伟光，武明珠，等. 人参属植物的三萜成分和分类系统、地理分布的关系[J]. 植物分类学报，1975，13（2）：29-45.

[16]许银凤，王丽，李学芳，等. 珠子参地下及地上部分的显微鉴别研究[J]. 云南中医学院学报，2008，31（6）：15-19，29.