杜仲雌雄株叶片的解剖结构比较

石匡正，杨 晴，郭学民

(河北科技师范学院生命科技学院，河北 秦皇岛，066600)

杜仲雌雄株叶片的解剖结构比较

石匡正，杨 晴，郭学民*

(河北科技师范学院生命科技学院，河北 秦皇岛，066600)

为确定杜仲雌雄株叶片的第二性征，采用石蜡切片法观察了杜仲雌雄株叶片解剖结构的差异。结果表明：(1)杜仲雌、雄叶片均由表皮、叶肉和叶脉3部分构成，上下表皮细胞均由一层细胞构成，下表皮具表皮毛；叶肉的栅栏组织和海绵组织分化明显；叶脉维管束均由木质部、少量形成层和韧皮部构成，主脉维管束为外韧型。(2)雌株的叶片厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度以及栅栏组织厚度/海绵组织厚度值大于雄株的，而雄株的下表皮厚度和海绵组织厚度大于雌株的，且雄株主脉维管束更加发达。这些结果证明，杜仲雌雄株在结构上有着明显的差异，这是第二性征的体现，也是杜仲长期进化中为了更好的生存而产生的策略，可能有利于其繁衍生息。

杜仲；叶片；比较解剖；雌雄异株

杜仲(Eucommiaulmoides)又名胶木，是一种极其重要的药用植物，其应用价值已引起各国学者的浓厚兴趣。已有学者对杜仲叶乙醇提取物的降糖作用机理[1]、杜仲胶在杜仲叶发育过程中含量的变化[2]、杜仲叶片活性成分积累变化规律[3]、杜仲的化学药理及临床应用[4]、生理功能[5]、药理作用[6]、雌雄异株植物对环境胁迫响应的性别差异[7]以及杜仲叶综合利用生产工艺优化[8]进行了大量的研究。在杜仲雌雄株叶片的研究上，赵云云等[9]发现雌株氨基酸总量高于雄株，王丙武等[10]发现，雌株叶片的含胶量都明显高于雄株叶片，叶东旭等[11]认为，性别对杜仲叶绿原酸含量、京尼平苷含量以及京尼平苷酸含量无明显影响。迄今，仍未发现有关杜仲雌株和雄株叶片解剖结构比较研究的报道。

为此，笔者以杜仲雌雄株叶片为研究对象，对比探讨杜仲雌雄株叶片解剖结构的差异，以其作为探讨杜仲雌雄株对环境适应差异和生产实践的选育提供基础的资料，丰富人们对植物第二性征的认识。

1 材料和方法

1.1 采样地概况

试验材料采自河北科技师范学院昌黎校区校园。该校园位于北纬39°71′，东经119°18′，气候类型属暖温带半湿润季风型大陆性气候，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥，年平均气温7.9～10.1 ℃，≥10 ℃的积温3 240 ℃，平均降水量一般在667～780 mm，干燥系数在1.3左右，无霜期在170～188 d之间。

1.2 方法

选取长势一致、同一方位、同一高度的杜仲雌雄株新鲜叶片各3片，取叶脉中段及叶中约0.5 cm2的组织，用FAA固定液(体积分数为60%乙醇90 mL，体积分数为38%甲醛5 mL，冰醋酸5 mL)固定，依次经过乙醇梯度脱水、透明、浸蜡并用石蜡包埋，制成石蜡切片，厚度为8 μm，接着用番红固绿染色，中性树胶封片。

在光学显微镜Olympus BX51下观察，用照相机DP72拍照，每个样品观察30个图像，用PhotoshopCSS6.0软件测定叶片结构参数：叶片厚度、上下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、主脉维管束高度、主脉维管束木质部高度，并计算出组织结构致密度和组织结构疏松度以及主脉木质部面积占维管束百分比，所有数据用平均值±标准差表示，并作如下计算：

*通讯作者，男，博士，教授。主要研究方向：植物结构生理学。E-mail: xueminguo@126.com。

组织结构致密度=(栅栏组织厚度/叶片厚度)×100%

组织结构疏松度=(海绵组织厚度/叶片厚度)×100%

主脉木质部面积占维管束比例=(主脉木质部面积/主脉维管束面积)×100%

1.3 数据处理

利用软件DPS7.05，对雌雄株叶片厚度、上下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、主脉维管束高度、主脉维管束木质部高度、组织结构致密度、组织结构疏松度和主脉木质部面积占维管束百分比等各项指标进行t-检验。

2 结果与分析

2.1 杜仲雌雄株叶片解剖结构观察

杜仲雌雄株叶片属于典型的异叶面，其解剖结构均由表皮、叶肉、叶脉3部分组成，其形态解剖结构特征基本一致(图1)。

2.1.1叶片表皮组织结构特征 雌雄株叶片上、下表皮均由1层表皮细胞组成，较厚。上表皮细胞一列，排列紧密，类方形，未见气孔；下表皮细胞类长方形，外被表皮毛，较少，有气孔分布(图1C和图1D)。

2.1.2叶肉组织结构特征 杜仲雌雄株叶片均有明显的栅栏组织和海绵组织的分化，其中均含有大量叶绿体。栅栏组织位于叶近轴面下方，排列紧密，细胞呈长圆柱形，内含类似小泡样结构；海绵组织位于叶远轴面上方，排列较为松散无序，可见圆状类蛋白物质(图1C和图1D)。

2.1.3主脉维管束结构特征 由图1A和图1B可看出，杜仲雌雄叶片主脉维管束均由木质部、少量形成层和韧皮部构成。主脉维管束为外韧型，导管由径向排列成行，形成层较为明显，韧皮部细胞呈密集无规则分布[12]。

2.2 杜仲雌雄株叶片结构的比较分析

杜仲雌、雄株叶片解剖结构组成几乎一致，只是各类型组织在细胞构成，大小、数量、厚度等方面存在些许差异。

2.2.1雌雄株叶表皮结构比较分析 杜仲雌株上表皮厚度比雄株大48.8%，差异显著(Ρ<0.05)；而雌株下表皮比雄株小12.1%，差异显著(Ρ<0.05)(表1)。

2.2.2雌雄株叶肉组成比较 杜仲雌株叶片厚度比雄株的大11.2%(Ρ<0.05)，栅栏组织厚度比雄株的大25.9%(Ρ<0.05)，栅栏组织占叶肉百分比比雄株的大30.6%(Ρ<0.05)，栅栏组织厚度/海绵组织厚度比雄株的大37.5%(Ρ<0.05)，组织结构致密度比雄株的大10.7%(Ρ<0.05)，而雌株海绵组织厚度比雄株的小7.0%(Ρ<0.05)，组织结构疏松度比雄株的小20.8%(Ρ<0.05)(表1)。

表1 杜仲雌、雄株叶片解剖结构特征

注：表中小写英文字母表示0.05水平的差异显著性。

图1 杜仲雌株和雄株叶片横切结构 A：雌株主脉；B：雄株主脉；C：雌株非主脉；D：雄株非主脉。

2.2.3雌雄株主脉维管束比较分析 杜仲雄株主脉维管束高度比雌株的大5.2%(Ρ<0.05)，主脉维管束木质部高度比雌株的大4.7%(Ρ<0.05)，主脉木质部面积占维管束百分比比雌株的大8.7%(Ρ<0.05)，这说明杜仲雄株主脉维管束较雌株更发达(表1)。

3 结论与讨论

本次研究发现，杜仲雌雄株叶片解剖结构组成大致相似，上表皮外被角质层，下表皮外被单细胞非腺毛；栅栏组织与海绵组织分化程度明显；主脉维管束为外韧型，韧皮部细胞呈密集无规则分布。但是，雌株的叶片厚度、上表皮厚度以及栅栏组织厚度/海绵组织厚度值大于雄株的，而雄株的下表皮厚度和海绵组织厚度大于雌株的，且雄株主脉维管束更加发达，雌雄株叶片解剖结构表现出了显著地分化。

植物器官的形态结构是对其生长环境和生理功能长期适应的一种遗传特性，叶片持续地在外部暴露着，不仅是光合作用的主要器官，也是生态系统的初级生产者，其形态结构的敏感度和变异性都是最大的，即对环境的反应是最为强烈和明显的，可从一定程度上反映出植物的抗逆性[13]。

表皮具有贮水和保护的作用，叶片和表皮较厚可减少蒸腾作用[14]。环境水分会影响叶片栅栏组织与海绵组织的分化，干旱使得栅栏组织分化程度增强，细胞层数增多，且海绵组织简化，有利于CO2由气孔传递至叶绿体进行光合作用，提高水分的利用率[15]。一般认为，栅栏组织和叶片越厚，栅栏组织与海绵组织的比值越大，其控制水分的能力就越强，即耐旱性越强[16]。主脉维管束的木质部是参与叶片蒸腾作用的主要水分通道，维管束面积的大小决定着叶片蒸腾作用的强弱，即水分的散失程度。本研究发现，杜仲雌株叶片表皮厚度显著大于雄株；杜仲雌株叶片厚度、栅栏组织厚度、栅栏组织与海绵组织的比值均大于雄株，这表明，在这个意义上，杜仲雌株的耐旱性更强；杜仲雌株主脉维管束高度、主脉维管束木质部高度以及主脉木质部面积占维管束的百分比均小于雄株，这表明，杜仲雌株的耐旱性更强。

雌雄异株的植物对光、水分、养料等非生物因素也会存在种内竞争，因此雌雄个体适应自然界时会采取不同的生存对策，其一就是形态解剖结构的不同。杜仲雌雄株叶片上表皮均无气孔，它有效地控制了叶片内水分的散失[15]。杜仲雌株叶片厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度/海绵组织厚度比值均大于雄株，表现出良好的耐旱性，而雄株主脉维管束更加发达，具有更强的输导水分和无机盐的能力，故也有很好的耐旱特性。也是由于这些不同，才使得杜仲成为对严寒、干旱、潮湿等各类复杂环境的适应力极强的药材之树，这是长期的自然选择和自身变异，不断进化的结果。

有研究表明，植物雌株在干旱生境中的净同化作用明显增高，在湿润生境中显著降低，而在湿润生境中的反应不一致；另一方面CO2浓度的增高会有利于雌雄植株的生殖和生长，尤其是对雌株；在自然干旱胁迫下，雌株的CO2同化速率和气孔导度更低，即其受到的水分胁迫比雄株少[7]。雌雄株在环境胁迫下所采用的生存策略不尽相同，采用不同的生存策略提高了在不同生境下的环境适应度，使其拥有更加优质的生长特性和繁殖策略。杜仲雌雄株叶片解剖结构的差异，正是其适应不同环境、能够更好的生存繁衍下去的策略的体现。

杜仲雌雄株叶片解剖结构的差异也反映了杜仲的第二性征。第二性征就是指雌株和雄株在营养器官中存在一系列不同的特征，以此来适应生殖过程中的不同需要，即同种植物的雌雄株的孢子体在营养器官上表现出的一系列反映个体不同性别的特征。杜仲雌雄株叶片解剖结构的第二性征主要表现在各项数据大小的差异和结构上的差别上[17]。

总之，杜仲叶片雌雄株在形态结构上的性别差异都是在长期适应环境的过程中所形成的，而雌株在叶片解剖结构上的一系列优势，可能正是杜仲雌株在自然界中分布更为广泛的重要原因。

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(责任编辑：朱宝昌，陈于和)

Abstract： The differences in leaf anatomical structure between the male and the female plants were observed using paraffin sectioning to investigate leaf secondary sex characteristics ofEucommiaulmoides. The results showed that: (1) Both the male and the female leaves consisted of epidermis, mesophyll and veins. The epidermis consisted of a layer of cells, and divided into upper epidermis and lower epidermis with some trichomes; the differentiation of palisade tissue and spongy tissue was obvious in mesophyll; the vascular bundles in all veins were composed of xylem, a small amount of cambium and phloem, and the one in the main vein belonged to collateral bundle. (2) The thickness of the leaves, the thickness of the upper epidermis, the thickness of the palisade tissue and the ratio of the thickness of the palisade tissue and the thickness of the sponge tissue were larger than those of the male plants, while the thickness of the lower epidermis and the thickness of the sponge tissue of male were larger than those of the female plants, and the main vascular bundle of male plants developed much better than that of the females. These results indicated that the female and male plants had obvious differences in structure, which were the embodiment of the second sexual characteristics and the strategy of the long-term evolution in order to survive better. It might be beneficial to its prosperity.

Keywords：Eucommiaulmoides; leaf blade; comparative anatomy; dioecism

ComparisononLeafAnatomicalStructuresBetweenFemaleandMalePlantsofEucommiaulmoides

SHI Kuangzheng，YANG Qing,GUO Xuemin

(College of Life Science & Technology, Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao Hebei, 066600, China)

Q944.56

A

1672-7983(2017)02-0024-04

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2017.02.005

河北省自然科学基金项目(项目编号：C2016407106)。

2017-05-27;修改稿收到日期2017-06-18

石匡正(1997-)，男，河北科技师范学院生命科技学院学生。主要研究方向：植物结构生理学。