17种锦鸡儿属植物叶片解剖结构及抗旱性分析

马红英, 吕小旭, 计雅男, 李小伟

(1.宁夏大学 农学院, 银川 750021; 2.甘肃医学院, 甘肃 平凉 744000)

锦鸡儿属(CaraganaFabr.)是豆科蝶形花亚科灌木或小乔木。全世界约有100种，主要分布于亚洲和欧洲东部温带干旱和半干旱地区，约有66种分布于我国东北、华北、西北、西南各省区，是温带荒漠、半荒漠地区及亚热带高寒地区的主要建群种[1]，因此我国锦鸡儿属植物资源丰富。该属中许多植物在我国被用于防风固沙、水土保持、牲畜饲料以及生产燃料和纤维的生物资源,其中10余种被用在传统中药、蒙药和藏药中已有悠久的历史，被认为具有“滋阴，健脾，活血和促血”的功效[2]；锦鸡儿属植物根系发达，具根瘤，抗旱耐瘠，是水土保持和防风固沙的优良树种[3]；在黄土高原地区进行了大面积的推广应用，已证实在退化严重的半干旱和干旱地区，该属植物对植被恢复具有重要的意义[4]。鉴于此，近年来，锦鸡儿属植物备受学者关注，国内外学者主要对锦鸡儿属植物的系统分类与区系[5]、形态解剖[6-7]、遗传与育种[8-9]和细胞与分子生物学[10]等方面进行了报道。

干旱是影响植物正常生长的主要因素之一[11-12]，植物对干旱环境的适应是形态结构、生理和生化等多方面综合作用的结果,且形态结构是植物生理生化反应的基础。而植物叶片直接暴露在外界环境中，对外界环境反应最为敏感，其结构特征能够反映植物对水分的利用状况，因此植物叶片、上下表皮、栅栏组织、海绵组织和主脉厚度能够反映植物的抗旱特征。有研究表明：叶片厚度、栅栏组织厚度、主脉厚度和紧密度等与抗旱性呈正相关关系；海绵组织厚度、疏松度等与抗旱性呈负相关关系[13-14]。

本研究选取民勤沙生植物园和贺兰山南寺17种锦鸡儿属植物叶片为试验材料，借助石蜡切片技术观察叶片解剖结构，综合评价其抗旱特性，其研究结果对干旱、半干旱地区植被恢复树种选择具有指导意义，同时为锦鸡儿属植物资源的合理开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料区概况

本研究所用材料取自甘肃民勤沙生植物园和内蒙古贺兰山南寺。民勤沙生植物园位于民勤县腾格里沙漠西缘，气候属温带大陆性极干旱气候，具有明显的沙漠气候特征，风大沙多，降雨稀少，气候干燥，日照强烈，年平均气温7.4℃，年平均降水量110 mm，年蒸发量2 500～2 700 mm，无霜期180 d左右；贺兰山南寺位于巴彦浩特东南30 km处，气候属中温带干旱地区，该地区干旱少雨，风大沙多，日照强烈，蒸发量大，年平均降雨量200 mm，年蒸发量1 500～3 000 mm，无霜期145 d左右。

1.2 研究材料

采集的材料包括南口锦鸡儿(C.zahlbruckneri)、狭叶锦鸡儿(C.stenophylla)、甘蒙锦鸡儿(C.opulens)、短脚锦鸡儿(C.brachypoda)、荒漠锦鸡儿(C.roborovskyii)、边塞锦鸡儿(C.bongardiana)、树锦鸡儿(C.sibirica)、红花锦鸡儿(C.rosea)、黄刺条锦鸡儿(C.frutex)、多刺锦鸡儿(C.spinosa)、刺叶锦鸡儿(C.acanthophylla)、灰毛小叶锦鸡儿(C.microphylla)、柠条锦鸡儿(C.korshinskii)、粉刺锦鸡儿(C.pruinosa)、中间锦鸡儿(C.intermedia)、鬼箭锦鸡儿(C.jubata)和川西锦鸡儿(C.erinacea)共17种(表1)。每种植物选取发育良好、有代表性的植株，选取其叶，每种锦鸡儿采6株，共6次重复。于2018年6月采样，经FAA固定，采用石蜡切片法切片(取材、固定、脱水、透明、透蜡、包埋、切片、贴片、染色、封藏等步骤)制成永久制片，将制片置于Olympus显微镜下观察、并用Motic Image Advanced 3.0软件测量并进行显微照相，2018年10月完成测定。

1.3 数据处理

选择叶片厚度、上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、主脉厚度、叶片结构紧密度和叶片结构疏松度共8项叶片抗旱性结构指标进行测定。栅/海=栅栏组织厚度/海绵组织厚度，组织结构紧密度=栅栏组织厚度/叶片厚度，组织结构疏松度=海绵组织厚度/叶片厚度。Microsoft Excel 2010软件整理试验数据，并使用SPSS 21.0软件对叶片样本进行层次聚类分析。

1.4 抗旱能力综合评价

通过模糊数学隶属函数值法综合评价17种锦鸡儿属植物的抗旱性[15]。

R(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(i=1，2，3，…，n)

(1)

式中：Xi为指标测定值；Ximax和Ximin分别为所有材料中同一指标的最大值和最小值。若测定指标与抗旱性为负相关关系，则计算方法为：

R(Xi)=1-(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(i=1，2，3，…，n)

(2)

将抗旱隶属函数值进行累加，求其平均数：

X=∑R(Xi)/n(i=1，2，3，…，n)

式中：X为平均抗旱隶属值。X大表示抗旱性强；X小表示抗旱性弱。

表1 材料名称及来源

2 结果与分析

2.1 17种锦鸡儿属植物叶片解剖结构特征

通过对17种锦鸡儿属植物叶片横切面结构(图1)观察，叶表皮细胞均为单层；但叶肉结构组成有显著差异，其解剖结构特点是：叶肉组织类型出现普通型、过渡型和环栅型，其中普通型栅栏组织和海绵组织并存，过渡型栅栏组织趋于发达，海绵组织逐渐退化，环栅型海绵组织基本消失。因此可分为以下3种类型：(1) 普通型，即叶肉组织在近轴面分化为栅栏组织，在远轴面分化为海绵组织，分别为南口锦鸡儿、甘蒙锦鸡儿、树锦鸡儿、红花锦鸡儿、黄刺条锦鸡儿、粉刺锦鸡儿和中间锦鸡儿；(2) 环栅型，即叶肉组织在近轴面和远轴面都分化为栅栏组织，这种类型是狭叶锦鸡儿、短脚锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、多刺锦鸡儿和灰毛小叶锦鸡儿；(3) 过渡型，其海绵组织细胞形状趋于栅栏细胞状，且有些部位呈栅栏状，分别是边塞锦鸡儿、刺叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿、鬼箭锦鸡儿和川西锦鸡儿。

与抗旱有关的叶肉结构特征数据(表3)显示，多刺锦鸡儿叶片厚度最大，为302.91 μm，树锦鸡儿的叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度和主脉厚度最小，分别为101.44 μm，31.18 μm，23.82 μm，53.96 μm。短脚锦鸡儿上表皮细胞厚度最大，为21.02 μm。川西锦鸡儿上表皮细胞厚度和下表皮细胞厚度最小，但组织结构紧密度最大，分别为10.34 μm，8.632 μm和0.50。狭叶锦鸡儿下表皮细胞厚度和主脉厚度最大，但组织结构紧密度最小，分别为19.06 μm，125.16 μm和0.27。边塞锦鸡儿栅栏厚度和海绵厚度最大，分别为126.46 μm和67.88 μm。中间锦鸡儿组织结构疏松度最大，为0.31；粉刺锦鸡儿组织结构疏松度最小，为0.18。

2.2 解剖结构的聚类分析

聚类分析结果表明(图2)：17种锦鸡儿属植物分为2类；第1类包括荒漠、短脚、边塞和多刺锦鸡儿4种，叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶片结构紧密度大，表皮细胞层厚度较第2类偏小(除短脚锦鸡儿)，叶片结构疏松度小；第2类包括灰毛小叶、鬼箭、中间、红花、黄刺条、甘蒙、川西、柠条、粉刺、南口、刺叶、树和狭叶锦鸡儿13种，叶片结构疏松度大，叶片厚度、栅栏组织厚度、叶片结构紧密度小，表皮细胞厚度小。

注：A南口锦鸡儿，B狭叶锦鸡儿，C甘蒙锦鸡儿，D短脚锦鸡儿，E荒漠锦鸡儿，F边塞锦鸡儿，G树锦鸡儿，H红花锦鸡儿，I黄刺条锦鸡儿，J多刺锦鸡儿，K刺叶锦鸡儿，L灰毛小叶锦鸡儿，M柠条锦鸡儿，N粉刺锦鸡儿，O中间锦鸡儿，P鬼箭锦鸡儿，Q川西锦鸡儿。

2.3 基于隶属函数对锦鸡儿属植物抗旱性分析

不同锦鸡儿属植物具有不同的抗旱性，本研究选取了8项叶片抗旱性结构指标，利用隶属函数来评价锦鸡儿属植物的抗旱能力，其数值越大表明抗旱性越强。结果显示，17种锦鸡儿属植物抗旱能力由大到小排序为：短脚锦鸡儿>荒漠锦鸡儿>多刺锦鸡儿>狭叶锦鸡儿>川西锦鸡儿>粉刺锦鸡儿>边塞锦鸡儿>南口锦鸡儿>红花锦鸡儿>甘蒙锦鸡儿>鬼箭锦鸡儿>柠条锦鸡儿>黄刺条锦鸡儿>刺叶锦鸡儿>灰毛小叶锦鸡儿>中间锦鸡儿>树锦鸡儿(表4)。

3 讨 论

在整个生长发育过程中，环境对植物的形态建成起着重要作用，形态特征是植物适应环境的直接表现形式[16]，干旱是影响植物生长发育的重要因素之一，不同种植物受自身遗传特性与外界环境的共同影响，对干旱形成了不同的生态适应对策。植物叶片与外界进行水分和气体交换，承担着光合和蒸腾作用，是植物对逆境胁迫最敏感的部位，在复杂的外界环境中形成了特殊的结构与功能[17]，可较好地反映植物对干旱等逆境条件的适应性。根据叶的生长状况和形态结构等特征可判断植物对环境的适应能力[18]，因此植物叶片常被植物生理学家用来作为主要研究对象[19]。

注：图中数字表示：1南口锦鸡儿，2狭叶锦鸡儿，3荒漠锦鸡儿，4中间锦鸡儿，5边塞锦鸡儿，6灰毛小叶锦鸡儿，7多刺锦鸡儿，8刺叶锦鸡儿，9红花锦鸡儿，10柠条锦鸡儿，11鬼箭锦鸡儿，12川西锦鸡儿，13黄刺条锦鸡儿，14甘蒙锦鸡儿，15短脚锦鸡儿，16粉刺锦鸡儿，17树锦鸡儿。

环境对叶片结构的影响主要体现在叶片厚度、上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、主脉厚度、叶片结构紧密度、叶片结构疏松度等方面。其中叶片厚度是植物的抗旱特征之一，吴林等[20]认为植物叶片越厚，保水能力越强，植株则越抗旱；徐扬等[21]认为叶片栅栏组织越发达，植株的抗旱性越强；任媛媛等[22]和刘红茹等[13]认为主脉中发达的维管束和强化的机械组织可以使植株更加抗旱。本研究结果发现：17种锦鸡儿属植物抗旱机制各异，其中短脚锦鸡儿叶肉组织较疏松，但其表皮比较厚，叶片的储水、保水及抗旱能力则越强[23]；多刺锦鸡儿叶片厚度大且栅栏组织厚度也较大，抗旱性也较强，但表皮细胞厚度却小于短脚锦鸡儿，可见表皮细胞越厚可以更大程度的限制蒸腾的发生，增强抗旱能力；狭叶锦鸡儿主脉较发达、表皮厚度较大，以此来提高植物的抗旱性；川西锦鸡儿与粉刺锦鸡儿通过增加栅海比提高植物的抗旱性，但川西锦鸡儿发达的栅栏组织使它的组织结构紧密度增加，因此它的抗旱性更强；边塞锦鸡儿通过增加栅栏组织厚度提高植物的抗旱性。在叶肉结构从普通型过渡到环栅型的过程中，叶片厚度、栅栏组织、海绵组织等发生一系列的变化，使得不同锦鸡儿对干旱有不同的应对策略，这也是锦鸡儿属植物从东向西抗旱性增强，出现替代分布的重要原因之一[24]。

表2 17种锦鸡儿属植物叶片解剖结构及主要特征

通过对17种锦鸡儿属植物进行聚类分析，可将不同种锦鸡儿属植物分为2类。层次聚类分析的第1类锦鸡儿中短脚锦鸡儿叶片厚度较小，但其依靠表皮细胞厚度以及栅栏组织厚度防止水分过分蒸发，使其适应干旱的环境[25]。多刺锦鸡儿表皮细胞厚度较小，叶片厚度、栅栏组织厚度以及组织结构紧密度大，这些特征可以增强光合能力，提高光合效率，达到高效利用水分的能力[26]。边塞锦鸡儿虽主脉厚度较小，但其具有发达的栅栏组织，使得抗旱性增强。第2类锦鸡儿中狭叶锦鸡儿虽然栅栏组织厚度较小，但其表皮细胞厚度大、主脉发达，主脉密度越高，抑制水分散失的能力越强，能够忍耐的最低水势也越低，则其抗旱能力越强[27]。川西锦鸡儿叶片厚度以及表皮细胞厚度较小，其栅栏组织厚度以及组织结构紧密度较大，可提高水分利用效率，减少水分散失，使其抗旱性增强。

表3 17种锦鸡儿属植物叶片解剖结构特征数据(n=6)

表4 17种锦鸡儿属植物隶属函数值分析及排序

植物的抗旱性是一个复杂的、受多重因素影响的综合特性[28]，因此，锦鸡儿属不同植物的抗旱机制也不尽相同，每种植物仅凭某一项指标进行评价抗旱性具有片面性[22]。因此使用基于模糊数学原理的隶属函数法进行抗旱性研究分析，其结果更加准确客观。本研究结果显示：短脚、荒漠和狭叶锦鸡儿表现出较强的抗旱性，这与李蒙蒙等[1]基于叶片微形态结构评价锦鸡儿属植物的抗旱性得到的研究结果一致，且叶片厚度、表皮细胞厚度与主脉厚度随着抗旱性的增强逐渐变厚；柠条锦鸡儿比中间锦鸡儿与灰毛小叶锦鸡儿抗旱性强，这是由于柠条锦鸡儿的叶片厚度与表皮细胞厚度更大，这与李晶[29]研究输水结构与抗旱性所得出的结果一致；荒漠、中间、柠条和树锦鸡儿的抗旱性，与周萌[30]以形态适应特征和生理机制对锦鸡儿研究所得出的结果不完全一致。这是因为植物在生长发育的过程中受到多种因素的影响，且植物适应干旱环境是一个复杂的形态特征和生理生化的协调过程。目前，柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿已在典型荒漠带沙地、荒漠化草原中大量种植，且取得了较好的生态效益[31]；而本试验结果表明：短脚锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、狭叶锦鸡儿和刺叶锦鸡儿抗旱性强，可以在年降雨量少，蒸发量大的荒漠地区种植；川西锦鸡儿、粉刺锦鸡儿与南口锦鸡儿也表现出了较强的抗旱性，在以后的干旱区植被恢复建设中种植，来增加群落物种的多样性。

该研究对西北干旱地区植被建设与生态环境具有重要的作用。因此不论是依据形态特征还是生理特征来判断植物的抗旱性，都有一定的局限性。不同锦鸡儿植物的抗旱机制不同，因此在以后的研究过程中应综合主要指标且从各方面来衡量每种植物的抗旱性。

4 结 论

17种锦鸡儿属植物叶肉解剖结构表现出3种不同类型，在抗旱性增强的过程中，叶肉结构从普通型、过渡型、环栅型依次过渡，在此过程中叶片逐渐变厚，栅栏组织、主脉越来越发达、叶片紧密度增强；聚类分析将17种锦鸡儿依据各自不同特征聚为2类；根据隶属函数法对17种锦鸡儿抗旱能力大小进行排序，结果为：短脚锦鸡儿>荒漠锦鸡儿>多刺锦鸡儿>狭叶锦鸡儿>川西锦鸡儿>粉刺锦鸡儿>边塞锦鸡儿>南口锦鸡儿>红花锦鸡儿>甘蒙锦鸡儿>鬼箭锦鸡儿>柠条锦鸡儿>黄刺条锦鸡儿>刺叶锦鸡儿>灰毛小叶锦鸡儿>中间锦鸡儿>树锦鸡儿。