不同发育阶段胡杨、灰杨异形叶形态结构变化特征

曲文蕊，韩晓莉，翟军团 ，李志军 *

（1塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室/胡杨研究中心，新疆 阿拉尔 843300）

大多数植物表现出同一植株成熟叶的叶形完全一致，少数植物表现出同一植株成熟叶的叶形并非完全一致，常因生育时期的不同或环境条件的变化而出现不同形状的叶，被称为异形叶性（heterophyl⁃ly），异形叶性是同一植株产生了不同的异形叶[1]。少数植物，同一植株上存在不同形态的叶，即具有异形叶性的生物学特点。部分研究表明同一植株上的异形叶具有不同的形态结构和功能。例如，大多数沙地柏（又名臭柏Sabina vulgaris）幼苗只有针叶一种叶形，然而成熟个体则具有针叶和鳞叶两种叶形。臭柏（Sabina vulgaris）的针叶和鳞叶在植株上的分布和数量随树龄和水分条件而变化[2]，表明不同异形叶因其功能性状的不同而呈现在植株的不同部位[3-4]。银杏（Ginkgo biloba）短枝叶和长枝叶的形态结构和生理特征明显不同，短枝和长枝叶片生理性能差异与它们不同的个体发育阶段和结构相对应[5]。具有异形叶性特征的物种，可能通过其叶形态结构、生理特性的改变适应个体发育过程环境条件的变化。

许多研究表明胡杨具有异形叶性的生物学特性，表现为幼苗到幼株阶段只有条形叶，成年植株上有条形叶、披针形叶、卵形叶和阔卵形叶共4类叶形[6-9]，且在不同发育阶段其异形叶形态结构性状存在显著差异[10-11]。灰杨的异形叶性表现为幼苗到幼株阶段叶为长阔椭圆形，成年植株叶有长阔椭圆形、圆形叶和阔卵形叶共3类叶形[12]。胡杨、灰杨的各类异形叶均随胸径和树高的增加有规律地依次从树冠的顶部开始出现，随后沿树冠由顶部向基部的方向出现依次增多，各类异形叶形态结构和空间分布与个体发育阶段相关，异形叶形态解剖结构的抗旱特征随发育阶段更加明显[6-8,13-14]。虽然胡杨、灰杨异形叶形态结构性状随个体发育阶段而变化，但引起异形叶形态结构变化的主要影响因子是什么目前尚不明晰。主成分分析方法是将分散在一组变量上的信息，集中到某几个综合指标和主成分上的统计分析方法。本文采用主成分分析方法，对相同环境条件下不同发育阶段的胡杨、灰杨异形叶进行研究，为进一步揭示胡杨和灰杨异形叶性空间变化特征，明确叶形变化的内在机制，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边缘（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1 900 mm，年均气温10.8℃，年均日照时数为2 900 h，是典型的温带荒漠气候[15]。

1.2 试验设计

本研究以不同径阶的胡杨、灰杨代表其不同的发育阶段。径阶划分以及标准木确定方法为：以胸径相差2 cm为标准进行规划，起始径阶为2 cm。将研究区内355株胡杨划分为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（9个径阶代表了胡杨9个发育阶段）。研究区内共有灰杨301株，划分方法与胡杨相同，在胡杨、灰杨2～18 cm径阶分别选取3株作为重复，胡杨、灰杨标准木各27株见表1、表2。

表1 胡杨各径阶基本信息

表2 灰杨各径阶基本信息

各径阶胸径和树龄之间的关系如下公式：

1.3 采样方法

胡杨、灰杨叶片发育成熟时期，将植株冠高（树高-枝下高）5等分，定义5等分后由树冠基部向顶部方向依次为树冠1～5层。在树冠5个层次的中央位置，按东、南、西、北方位各随机采取1个当年生枝条，每株标准木共采集20个枝条。选取每个枝条基部向顶端方向的第三个叶片为样叶，每一个层次4个叶片，每株标准木共计20个叶片，用于异形叶形态测定和制作组织切片。

1.4 叶片形态结构指标测定方法

异形叶形态测定方法：将当年生枝条上的叶片按节位带叶柄取下，以MRS-9600TFU2扫描仪对叶进行扫描，用万深LA-S型植物图像分析软件进行叶片长、叶片宽、叶面积、叶柄长、叶周长、叶片厚度、叶形指数（叶片长/宽比值）的测量。

异形叶解剖结构测定方法：取当年生枝条上第3节位的叶，切取异形叶最宽处材料以FAA固定液保存。采用常规石蜡制片方法制作组织切片，切片厚度8 μm、番红固绿双重染色，中性树脂封片。在Lei⁃ca显微镜下观察测量异形叶最宽处横切面表皮组织（表皮细胞数、表皮细胞长度和宽度）、栅栏组织（栅栏组织厚度、栅栏组织细胞长度和宽度）及海绵组织（海绵组织厚度）结构参数。计算栅栏组织厚度与海绵组织厚度的比值（栅/海比值）。每叶片观测5个视野，每视野观测20个值，取5个视野叶片结构参数的平均值为每叶片结构参数值。

1.5 数据处理

各发育阶段异形叶形态、解剖结构指标参数为各径阶3株标准木异形叶形态、解剖结构指标参数值的平均值。

采用SPSS 17.0软件数据处理系统对胡杨、灰杨9个径阶异形叶7个形态性状和9个解剖结构性状进行主成分分析，确定不同径阶异形叶形态结构差异的主要性状。常用描述统计量的计算和数据转换使用Microsoft Office Excel 2003软件。变异系数(CV)、主成分分析均采用SPSS 17.0软件。

2 结果与分析

2.1 胡杨异形叶形态结构性状主成分分析

2.1.1 胡杨异形叶形态性状主成分分析

从表3看出，胡杨异形叶7个形态性状在各径阶的变异系数平均值，从大到小依次为∶叶形指数、叶柄长度、叶片厚度、叶面积、叶片宽度、叶片长、叶周长，说明各径阶均是叶形指数变异最大（CV=41.9%），说明不同径阶的胡杨异形叶形态差异较大；其次是叶柄长度、叶片厚度、叶面积变异系数较大。叶片宽度变异系数大于长度变异系数，表明叶片宽度变化比长度变化更丰富，而叶片长宽的变化间接影响到叶面积的变化，从而导致叶面积的变异较大。

表3 胡杨异形叶形态性状在各径阶的变异系数（CV/%）

从各径阶7个形态性状变异系数可以看出，胡杨异形叶形态性状变异系数从2径阶至18径阶呈现“抛物线”式的变化，说明8～14径阶是胡杨异形叶形态性状变异比较大的阶段，而18径阶叶形态性状的变异系数变化的幅度，是所有径阶中最小的，说明18径阶胡杨异形叶形态性状趋于稳定。由此表明，胡杨异形叶形态性状的变异在不同径阶有所不同，异形叶形态性状变异具有阶段性的特点。

由表4可知，前两个主成分占总变异的97.6%，其中第一主成分对总变异的贡献率为52.8%，7个形态性状对第一主成分影响较大的三个性状有叶周长、叶面积、叶片厚度；第二主成分对总变异的贡献率为44.8%，对第二主成分影响最大形态性状为叶片长度。总的看来，叶周长、叶面积、叶片厚度、叶片长度4个性状影响异形叶形态变化，是造成胡杨不同径阶异形叶形态性状差异的主要内在因素。

表4 胡杨异形叶形态性状主成分分析

2.1.2 胡杨异形叶解剖结构性状主成分分析

从表5可以看出，胡杨异形叶解剖结构性状在各径阶的变异系数具有明显的差异，叶片解剖结构性状中9个指标均有变异，其中变异系数最大的是栅栏组织细胞数和表皮细胞数。

表5 胡杨异形叶解剖结构性状在各径阶的变异系数（CV/%）

从表6可见，前3个主成分构成的信息量占总信息量的91.3%。其中第一主成分对总变异的贡献率为42.1%，对第一主成分影响最大的结构性状是叶片的栅栏组织厚度；第二主成分对总变异的贡献率为35.2%，对第二主成分影响最大的结构性状是海绵组织厚度；第三主成分占总变异的14.0%，表皮细胞长度具有最大的影响。结果表明，表皮细胞长度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度是造成不同发育阶段胡杨9个径阶异形叶解剖结构差异的主要因素。

表6 胡杨异形叶解剖结构性状主成分分析

2.2 灰杨异形叶形态结构性状主成分分析

2.2.1 灰杨异形叶形态性状主成分分析

对灰杨异形叶的7个形态性状进行测量统计，发现灰杨异形叶的7个形态性状在各径阶都存在不同程度的变异（表7），变异系数平均值从大到小依次为∶叶柄长、叶面积、叶形指数、叶片宽度、叶片厚度、叶周长、叶片长度。变异系数最大的是叶柄长（CV=12.4%）说明不同径阶间异形叶叶柄长度变异较大；其次变异系数较大的是叶面积（CV=11.0%），叶片宽度变异系数大于叶片长度变异系数，当叶片长度变异最小时，叶片宽度变异可能就成为影响叶面积变异的主要因素。

表7 灰杨异形叶形态性状在各径阶的变异系数（CV/%）

从各径阶7个形态性状变异系数可以看出，12～14径阶异形叶形态性状变异幅度最大的阶段，而8径阶异形叶形态性状变异幅度最小。说明该阶段异形叶形态性状比较稳定。由此说明，灰杨异形叶形态性状的变异在不同径阶存在差异。

表8表明提取的主成分占总变异的93.1%，其中第一主成分占总变异的75.6%，影响较大的有：叶片宽度、叶片厚度、叶面积、叶周长；第二主成分对总变异的贡献率为17.5%，对其影响最大的性状为叶形指数。总的看来，叶周长、叶片厚度、叶面积、叶片宽度与叶形指数5个性状是造成灰杨不同径阶异形叶形态性状差异的主要因素。

表8 灰杨异形叶形态性状主成分分析

2.2.2 灰杨异形叶解剖结构性状主成分分析

灰杨异形叶解剖结构性状在各径阶的变异系数如表9，在各径阶中，异形叶解剖结构性状均是栅栏组织细胞数和表皮细胞数变异系数最大，说明各径阶异形叶解剖结构的变化主要体现在栅栏组织细胞数和表皮细胞数的变化上。

表9 灰杨异形叶解剖结构性状在各径阶的变异系数（CV/%）

从表10可以得出，提取出的信息量占总信息量的93.5%。其中第一主成分占总变异贡献率的46.7%，对第一主成分影响最大是表皮细胞数、栅栏组织细胞数、海绵组织厚度；第二主成分对总变异的贡献率为24.4%，对第二主成分影响最大的结构性状是表皮细胞宽度、栅栏组织厚度；第三主成分占总贡献率的22.4%，对第三主成分影响最大的性状是表皮细胞长度、栅栏组织细胞长度。表皮细胞数、海绵组织厚度、栅栏组织厚度及栅栏组织细胞数是决定灰杨不同发育阶段异形叶结构差异的主要内在因素。

表10 灰杨异形叶解剖结构主成分分析

2.3 胡杨、灰杨异形叶形态结构性状与径阶相关性分析

表11显示，胡杨叶柄长、叶片宽度、叶面积、叶周长、叶厚度、表皮细胞数目、表皮细胞宽度、栅栏组织数目、栅栏组织长度、栅栏组织宽度与径阶呈极显著正相关（P＜0.01），栅海比与径阶呈显著正相关（P＜0.05），而叶片长度、叶形指数与径阶呈极显著负相关，海绵组织厚与径阶呈显著负相关，结果表明胡杨异形叶形态结构性状与径阶有密切的相关性，即与胡杨不同发育阶段有关联。

表11 胡杨异形叶形态结构性状与径阶相关系数

从表12可以看出灰杨叶柄长、表皮细胞数目、表皮细胞宽度、栅栏组织数目、栅栏组织宽度、栅栏组织厚度、栅海比与径阶呈极显著正相关（P＜0.01），叶面积、叶周长与径阶呈显著正相关（P＜0.05），而海绵组织厚度与径阶呈极显著负相关。表明叶柄长、叶面积、叶周长及在叶片最宽处横切面表皮细胞长度、表皮细胞宽度、栅栏组织长度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅海比随径阶的增加而增加。说明灰杨形态结构性状与径阶具有一定的关联性。

表12 灰杨异形叶形态结构性状与径阶相关系数

结合表11、表12来看，胡杨、灰杨异形叶形态结构性状与径阶具有密切的相关性，随径阶的变化而变化，并且在胡杨、灰杨个体间的异形叶形态结构形状参数间也有极显著的正、负相关性。说明胡杨、灰杨个体间的异形叶形态结构形状指标也存在着相辅相成的协同变化关系。

3 讨论

杭悦宇等[18]通过对盾叶薯蓣叶片形态多样性研究表明，盾叶薯蓣叶片形态特征：叶全长、叶宽、叶长等在单株内存在很大差异。已有研究表明，胡杨异形叶的叶柄、叶宽、叶长、叶面积、叶片厚在单株内存在很大差异[6-7,10]。为了排除环境条件对胡杨、灰杨叶形结构性状变化的影响，我们选择了生长在同一生态环境条件下的9个不同发育阶段（径阶）的胡杨、灰杨个体为研究对象进行胡杨、灰杨叶形态结构在不同发育阶段的变化研究。结果表明，胡杨、灰杨异形叶16个形态结构性状在9个不同发育阶段存在很大差异。从变异系数来看，胡杨异形叶形态性状变异最大的是叶形指数和叶柄长，解剖结构性状变异最大的是表皮细胞数目和栅栏组织细胞数目；灰杨异形叶形态性状变异最大的是叶柄长和叶面积，解剖结构性状变异最大的是表皮细胞数目和栅栏组织细胞数目。说明胡杨、灰杨异形叶形态结构变化与发育阶段有关（表11、表12），同时也表明引起异形叶结构变化的主要因素是表皮细胞数和栅栏组织细胞数，这验证了我们的前期研究提出的胡杨、灰杨个体发育过程叶片宽度变化是叶片横切面表皮细胞数变化引起的，进而引起叶形指数、叶面积变化的结果[10-11]，这与KUWABARA A[19]等人对水生植物窄叶和宽叶的形成是叶片横切面上表皮细胞数目变化引起的结论有相似之处。此外，胡杨、灰杨异形叶16个形态结构性状还在9个不同发育阶段变异幅度不同，如胡杨在8～14径阶异形叶形态性状变异幅度最大，而灰杨则是在12～14径阶异形叶形态性状变异幅度最大，同样说明胡杨、灰杨异形叶形态结构与各发育阶段存在紧密的关联性。

通过植物叶片的形态结构特征的变化，是了解植物个体发育及适应环境能力的最重要指标[20-21]。从主成分分析结果来看，影响胡杨异形叶解剖结构的主要性状为表皮细胞数和表皮细胞宽度、表皮细胞长度、栅栏组织细胞数、海绵组织厚度、栅栏组织厚度；影响灰杨异形叶结构的主要性状是表皮细胞数、海绵组织厚度、栅栏组织厚度及栅栏组织细胞数。这与前人研究得到的胡杨叶片栅栏组织厚度随胸径的增加而增加，海绵组织厚度随胸径的增加而减少结论相辅相成[10]。而叶片中栅栏组织发达，海绵组织简化是植物适应干旱环境的表现[22]由此进一步说明，异形叶表皮细胞数、栅栏组织细胞数目、栅栏组织厚度和海绵组织厚度在不同发育阶段的变化是胡杨、灰杨不同发育阶段异形叶形态差异的结构基础。分析认为，胡杨、灰杨异形叶在不同的发育阶段呈现不同的形态结构组合，以应对和满足不同发育阶段的生长需求和生态适应。