基于叶片解剖结构对灰杨不同发育阶段的抗旱性评价

翟军团 韩晓莉 李志军

(塔里木大学生命科学学院/新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室,新疆阿拉尔843300)

在某种特定环境下长期生长的物种或种群，会有一些特征与之适应，特别是叶片解剖性状的某些定向改变［1-6］。生境变化常导致叶片栅栏组织、海绵组织等形态解剖结构的响应与适应，如在长期缺水条件下的植物，其叶片具有耐旱性形态结构特征［7-10］。有研究表明，不同植物的抗旱结构存在差异，如不同物种间或品种间叶的解剖结构及其抗旱性有差异［11-19］，同一个物种在不同的生境条件下叶的形态解剖结构及其抗旱性也存在明显差异［20-22］，即使同一物种不同发育阶段叶形态解剖结构也有较明显的变化［23］。

异形叶性是植物对环境长期适应过程中积累形成的一种遗传机制，并且反映出了叶片对于环境改变有着较大的可塑性和变异性［24-25］。有研究表明，臭柏通过鳞叶将水分生理最优化的同时，也通过刺叶将光合生理最优化，两种叶形协调合作，维持了正常的代谢和生长，使臭柏在长期适应环境的过程中，形成多变的、可调节的适应各种水分和光照环境的能力［26-27］。胡杨具有异形叶性，同一个体上从披针形叶到阔卵形叶，叶片表皮细胞层数增多，叶肉细胞排列更紧密［28］；栅栏组织趋于发达，海绵组织减少，角质层加厚，气孔下陷，线粒体逐渐增多［29］；叶绿体的形状由规则的纺锤形逐渐变为不规则的圆形或椭圆形，淀粉含量变少，叶脉中维管组织趋于发达，结构上明显趋于旱生结构［28-30］，阔卵形叶较卵形、披针形叶的旱生结构更发达［31］；在不同的发育阶段，胡杨异形叶形态解剖结构存在显著差异［32］。

灰杨（也称灰胡杨、灰叶胡杨）与胡杨同为杨柳科杨属胡杨派植物，与胡杨相似也具有异形叶性的生物学特点［33-34］。灰杨幼株叶为长椭圆形，成年植株树冠上有圆形叶、阔卵形叶，不同形态的异形叶是依次出现在灰杨的不同发育阶段［35］。但目前，灰杨异形叶形态解剖结构是否随个体发育阶段而变化，而这种变化与灰杨发育阶段的抗旱性有什么关系，目前尚不明晰。叶的形态结构是其功能的基础，叶片形态结构的变化必然影响其生理生态功能的改变。因此，研究灰杨不同发育阶段异形叶形态解剖结构特征，有助于揭示其不同发育阶段异形叶的形态结构和生理生态功能对干旱环境的适应机制。本研究选择生长在同一生态环境条件下不同发育阶段（树龄）的灰杨为研究对象，研究灰杨不同发育阶段异形叶形态解剖结构的变化规律及其与抗旱性的关系，为进一步揭示灰杨个体发育过程对干旱环境的适应机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆塔里木盆地西北缘（81°17'56.52″E，40°32'36.90″N）。研究区气候炎热干燥，多年平均降雨量仅50 mm 左右，潜在蒸发量可达1900 mm，年均气温10.8 ℃，年均日照时数为2900 h，是典型的温带荒漠气候。研究区人工灰杨林面积180. 6公顷，株行距1.20 m×4.20 m，平均树高6.41 m。林内有不同发育阶段（不同树龄）的灰杨301株。

1.2 研究材料

径阶划分及样株确定：以不同径阶的灰杨代表灰杨不同的发育阶段。以胸径2 cm 为阶距进行整化，起始径阶为2 cm。研究区内301株灰杨共划分出9个径阶（分为2径阶、4径阶、6径阶、8径阶、10径阶、12 径阶、14 径阶、16 径阶、18 径阶），代表了灰杨9 个发育阶段。

表1 灰杨各径阶样本数及样株基本信息

于灰杨叶片发育成熟时期，在样株树冠5个层次（以全站仪测量各径阶样株树高和枝下高，计算冠高，并将冠高5 等分，定义树冠由基部向顶部方向划分的5等分依次为树冠第1层、第2层、第3层、第4层和第5 层。）的中央位置，按东、西、南、北方位各随机采取1 个当年生枝条，每一棵样株共采集20 个枝条。选取每个枝条基部开始的第3个叶片为样叶，每一个层次4 个叶片，每颗样株共计20 个叶片，用于制作叶片组织切片。

1.3 测定方法

从叶片最宽处横切取材（保留主脉部分）以FAA液固定保存。利用常规石蜡制片技术制作组织切片，切片厚度8µm，番红固绿双重染色，中性树脂封片。在Leica 显微镜下观察测量表皮组织、栅栏组织及海绵组织结构参数。计算栅/海比、叶片组织结构紧密度、叶片组织结构疏松度［36-38］。每切片观测5 个视野，每视野观测20 个值，取5 个视野叶片解剖结构参数的平均值为每叶片解剖结构参数值。按照下列公式计算［27,39-40］栅/海比、叶片组织结构紧密度、叶片组织结构疏松度：

栅/海比=栅栏组织厚度/海绵组织厚度

叶片组织结构紧密度=（栅栏组织厚度/叶片厚度）×100%

叶片组织结构疏松度=（海绵组织厚度/叶片厚度）×100%

1.4 数据处理方法

（1）树冠每层次叶片解剖结构指标参数值：分别为每层次4个叶片（东、南、西、北方位）的解剖结构指标参数的平均值。

（2）各样株叶片解剖结构指标参数值：为样株树冠5个层次叶片解剖结构指标参数值的平均值。

（3）各径阶叶片解剖结构指标参数值：为各径阶3棵样株叶片解剖结构指标参数值的平均值。

采用SPSS17. 0 软件对数据进行单因素方差分析，其中差异性显著水平设定为α=0. 05；用Pearson相关系数检验各指标间相关性。

1.5 隶属函数计算方法

如果某一指标与抗旱性成正相关，则公式为：X(U)＝（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）；如果某一指标与抗旱性成负相关，则公式为：X(U)＝1-（XXmin）/（Xmax-Xmin）式中X为参试径阶某一指标的测定值，Xmin为某一指标测定值中的最小值；Xmax为某一指标的最大值。

2 结果分析

2.1 灰杨不同径阶异形叶解剖结构的比较

对灰杨各径阶异形叶最宽处横切面表皮组织结构进行观测。如图1 所示，随着径阶增加，灰杨叶片上/下表皮细胞数和细胞宽度逐渐增加，上、下表皮细胞长度变化不明显。方差分析显示，上、下表皮细胞宽度和表皮细胞数在2～18 径阶存在“阶梯式”差异。结果表明，灰杨异形叶叶片最宽处横切面表皮细胞数和细胞宽度随径阶增加表现出差异。

图1 灰杨叶片表皮组织解剖结构随径阶增加的变化规律

对灰杨各径阶异形叶叶片最宽处横切面叶肉组织进行观测。图2 显示，随径阶增加，灰杨异形叶栅栏组织细胞长度、宽度变化不明显，但栅栏组织细胞数、栅栏组织厚度、叶片厚度逐渐增加，海绵组织厚度逐渐减少。方差分析显示，栅栏组织细胞数、栅栏组织厚度和海绵组织厚度、叶片厚度在2～18 径阶存在“阶梯式”差异。结果表明，随着径阶增加，灰杨异形叶叶片越来越厚，栅栏组织越来越发达，而海绵组织则越来越退化。

图2 灰杨异形叶叶肉组织解剖结构随径阶增加的变化规律

图3 显示，灰杨叶片组织结构紧密度随径阶增加变化不明显；叶片组织结构疏松度随径阶增加呈现出逐渐减小的规律。图4 显示，灰杨异形叶栅/海比随着径阶增加而增大，不同径阶间差异显著。此外，在各径阶、以及同一径阶树冠的不同垂直空间栅/海比都大于1，表明灰杨的抗旱性结构特征随着发育阶段不断增强。

图3 灰杨叶片组织结构紧密度和疏密度随径阶增加的变化规律

图4 灰杨异形叶栅/海比随径阶增加的变化规律

表2 灰杨异形叶解剖结构指标参数与胸径的相关系数

2.2 灰杨异形叶解剖结构与胸径的关系

表2显示，灰杨表皮细胞数、表皮细胞长、栅栏组织细胞宽度、栅栏组织厚度、栅栏组织细胞数与胸径呈极显著正相关（P＜0. 01）；海绵组织厚度与胸径呈显著负相关（P＜0.05），表明叶片最宽处横切面表皮细胞数、表皮细胞长度和栅栏组织厚度随胸径增加而增加，海绵组织厚度随胸径增加而减少。结果表明，灰杨异形叶解剖结构指标参数的变化与胸径变化密切相关，即与个体发育阶段变化密切相关。灰杨叶片解剖结构指标参数间也存在极显著/显著正、负相关关系，说明灰杨异形叶叶片解剖结构指标参数间存在协同变化关系。

2.3 灰杨异形叶解剖结构主成分分析

叶片解剖结构的变异系数能够反映植物为更好的适应环境所变现出来的可塑性，高的叶片解剖结构变异系数反映了该结构对植物适应环境有较强的作用。灰杨异形叶解剖结构性状在各径阶的变异系数如表3。结果表明，在各径阶，叶片解剖结构性状中变异系数最大的均是栅栏组织细胞数和表皮细胞数；其次是栅栏组织细胞长度。

表3 灰杨异形叶解剖结构性状在各径阶的变异系数（CV%）

本主成分的特征值和贡献率是选择主成分的依据，将灰杨9 个径阶的10 个与抗旱性有关的解剖结构性状作为10 个主成分，各主成分的特征值见表4，前2 个主分量构成的信息量占总信息量的84.331%。其中第1主成分特征值为4.558，贡献率为63.711%，对第一主分量影响最大的解剖结构性状是表皮细胞数、栅栏组织细胞数、栅栏组织厚度、叶片厚度、栅/海比。第2 主成分特征值为1.725，对总变异的贡献率为20.62%，对第二主分量影响最大的解剖结构性状是表皮细胞长度、栅栏组织细胞长度。综合第1、2主成分，有4 个指标都与栅栏组织相关。结果表明，叶片厚度、表皮细胞数、栅栏组织细胞数、栅栏组织厚度、表皮细胞长度、栅栏组织细胞长度、栅/海比是造成灰杨9 个径阶异形叶叶片解剖结构差异的主要因素。

表4 灰杨2 ～18径阶异形叶解剖结构性状主成分分析

2.4 灰杨不同发育阶段的抗旱性比较

在各径阶变异系数最大的均是栅栏组织细胞数和表皮细胞数；其次是栅栏组织细胞长度。结合主成分分析结果，选取叶片厚度、表皮细胞数、栅栏组织细胞数、栅栏组织厚度、栅/海比5 个重要主成分作为灰杨抗旱性评价。对各个抗旱指标的统计值采用隶属函数公式进行计算。供试玉簪种质资源抗旱性综合评价的平均隶属函数值及抗旱性大小排序如表5 所示。抗旱性隶属函数值越大，说明该径阶灰杨的抗旱性越强。从表5 可以看出，灰杨9 个径阶抗旱性由强到弱的排序依次为：18 径阶＞16 径阶＞12 径阶＞14 径阶＞10 径阶＞8 径阶＞6 径阶＞4径阶＞2 径阶。

表5 灰杨2 ～18径阶抗旱性指标隶属函数值

3 讨论

叶片解剖结构特征是响应环境变化、反映植物对环境适应能力的最重要的指标［41-42］。已有的研究认为，叶片和表皮系统越厚，表皮细胞越大，叶片的储水、保水及抗旱能力越强［16,17,25,43］，在炎热的环境下，水分散失越慢，可降低水分蒸腾速率及缓解高温对叶片的伤害程度［18］；表皮细胞越长，其控制水分的能力越强［2］，上表皮细胞的长宽比、栅栏组织细胞的长宽比则主要反映了植物对光照条件的适应。叶片栅栏组织和海绵组织的分化程度受着环境水分的影响，干旱会使叶肉的栅栏组织发达，海绵组织简化。一般而言，栅栏组织越厚，叶片结构紧实度越大，说明叶肉细胞排列越紧密，这样可避免强光的灼射［16］，利用衍射光进行光合作用，这些都极大地提高光合速率，植株抗旱性越强［36］；海绵组织越厚，叶片疏松度越大，说明叶肉细胞排列较疏松，叶片抗旱性越差［17,36］。我们的研究结果表明，灰杨异形叶横切面最宽处上下表皮细胞数和细胞长、栅栏组织厚度、栅栏组织细胞长和宽均随胸径增加逐渐增加，海绵组织厚度则随胸径增加而逐渐减少（图1、图2）。相关分析显示，灰杨表皮细胞数、表皮细胞长、栅栏组织细胞宽度、栅栏组织厚度、栅栏组织细胞数与胸径呈极显著正相关（P＜0. 01）；海绵组织厚度与胸径呈显著负相关（P＜0.05），说明灰杨异形叶解剖结构变化与个体发育阶段密切相关。灰杨异形叶叶片厚度及栅栏组织厚度随个体发育阶段越来越发达、海绵组织越来越退化的变化规律，从异形叶的解剖结构反映了灰杨的抗旱性随个体发育阶段不断增强。这一结果同赵鹏宇等［32］对胡杨不同发育阶段异形叶形态解剖结构与个体发育阶段关系研究所得到的结果相似。

Levitt（1980）认为，栅栏组织厚度与海绵组织厚度的比值是评价植物控制蒸腾失水的重要指标之一，栅栏组织和海绵组织厚度、细胞层数及栅栏细胞的形态变化等组合的差异，必然影响到叶绿体的分布和光合作用的效率，增加了受光面积，从而体现出植物对光照条件变化的适应。通常认为栅/海比大于1 的植物具有较好的抗寒抗旱性［19］，栅/海比越大，其耐寒耐旱性越强［12,27］。而且我们的研究结果表明，灰杨异形叶栅/海比在各径阶都大于1，且随径阶增加逐渐增大，说明灰杨的抗旱性随径阶增加逐渐增强。作为叶片栅栏组织、海绵组织与叶片厚度之间关系的重要指标，叶片组织结构紧密度越大抗旱能力越强，而叶片组织结构疏松度越大，抗旱能力越弱［22］。灰杨叶片组织结构紧密度随径阶增加而增加，叶片组织结构疏松度则随胸径的增加而减小，这两个指标参数的变化也进一步说明说明灰杨的抗旱性随径阶增加逐渐增强。

基于灰杨异形叶解剖结构并通过隶属函数分析综合评价了灰杨不同发育阶段抗旱性强弱，得出9个径阶抗旱性由强到弱依次为：18 径阶＞16 径阶＞12 径阶＞14 径阶＞10 径阶＞8 径阶＞6 径阶＞4 径阶＞2 径阶。这与灰杨异形叶抗旱结构特征随发育阶段变化而更加明显的结果是一致的。很显然，灰杨在个体发育过程，通过出现叶面积和叶片厚度越来越大的异形叶，及其解剖结构上栅栏组织越来越发达而海绵组织越来越简化的协同变化，逐步获得其适应干旱胁迫的能力，这是灰杨满足其生长发育需求并长期适应干旱环境的结果。