滇西北纳帕海湖滨带优势植物茭草茎解剖结构对模拟增温的响应

陈弘毅, 孙 梅*, 刘振亚, 班启堂, 韦家共, 卢汉云, 杨航美

( 1. 西南林业大学, 云南省高原湿地保护修复与生态服务重点实验室, 昆明 650224; 2. 西南林业大学,国家高原湿地研究中心, 昆明 650224; 3. 贵州省望谟县林业局, 贵州 黔西南 552300 )

植物解剖结构是指通过切片等方式获得的植物内部组织结构,主要包括表皮结构、维管束结构、叶肉结构等(孙梅等, 2017)。植物解剖结构的性状表现直接关系着植物的生理功能。表皮是植物体内与外界环境的天然保护屏障(Han et al., 2021),较厚的表皮细胞具有更强的保水性和机械支撑能力(Ristic & Jenks, 2002)。角质层厚度则是评价植物抗逆性的主要依据(方敏彦等, 2017; Heredia-Guerrero et al., 2018)。维管束结构是植物最重要的输导系统,承载着植物体中水分及营养物质的长途运输任务,其中导管和筛管大小及数量更是关系到水和物质运输的阻力与效率(Tyree & Zimmermann, 2002; 王太霞等, 2003; 尹秋龙, 2015)。鉴于植物解剖结构在维持植物生态功能上的重要作用,Baker等(2017)研究指出,植物解剖结构、生理生态功能和有机体形态之间关系的遗传结构,将是揭示植物育种和模拟自然系统中复杂生态与进化动力学的新途径。因此,基于解剖结构性状的生态适应性研究是探讨植物应对环境变化的重要方面。

植物解剖结构性状通常表现出对温度变化的调节响应。在滇西北湿地,增温显著增加了极高山种杉叶藻(Hippurisvulgaris)的地上茎表皮厚度、导管和筛管数目以及维管束结构大小,提高了植物水分与养分输送效率和保水性(管东旭等, 2018, 2019);黑三棱(Sparganiumstoloniferum)在增温处理下,其光饱和点、光能利用幅和净光合速率均显著提高(刘振亚等, 2017);与之相反,增温显著降低了水葱(Schoenoplectustabernaemontani)的角质层厚度、气孔大小、导管及筛管面积,抑制了水葱输导组织的传输能力以及光合生产力(冯春慧, 2020; Zhao et al., 2022; 余洪艳等, 2023)。这体现了滇西北地区湿地植物对气候变暖响应的种间差异,为高原湿地应对气候变化提供了研究基础。

茭草(Zizanialatifolia)为多年生宿根型草本植物,是广泛分布于滇西北高原湖滨带的挺水植物之一,通常与水葱、杉叶藻、水蓼、两栖蓼、黑三棱一起成为滇西北湖滨带最常见的挺水植物群落(张梵等, 2019)。在剑湖、洱源西湖、泸沽湖、程海、纳帕海等典型滇西北高原湿地均为优势植物种。茭草在高原湿地具有较强的吸收与吸附能力,常作为富营养化水体的“天然净化器”(李卫东等,2010)。对湖滨带的固堤造陆、植被群落恢复、提高河道生物多样性等都具有积极的生态促进作用(刘长娥等, 2012)。

本研究以滇西北纳帕海湿地湖滨带挺水植物茭草为对象,测定其茎解剖结构性状包括表皮结构和维管束结构。通过构建开顶式人工模拟增温系统开展茭草茎解剖结构性状对人工模拟增温的响应策略及其机理研究。拟探讨:(1)高原湿地植物茭草的茎解剖性状对增温的响应趋势;(2)影响茭草茎解剖结构性状的主要温度变量;(3)对增温响应更强烈的茭草茎的解剖结构性状。通过对以上问题的阐述,进一步认识高原湿地植物茎解剖性状对气候变化的响应策略,以期为高原湿地应对气候变化、加强高原湿地保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

纳帕海湿地位于青藏高原东南缘横断山脉三江纵向岭谷区东部(99°37′—99°41′ E、27°49′—27°55′ N),海拔为3 260 m,面积为3 100 hm2,是我国独特的低纬度高海拔湿地类型。该区属寒温带高原季风气候,冷凉湿润,干湿季分明,气温日较差大、年较差小,长冬无夏,春秋短促,年均气温为5.4 ℃。该区属金沙江水系,水源补给以南部各地表径流汇入、冰雪融水、降雨等为主;受西南季风和南支西风急流的长期交替控制影响,每年6、7月为大降雨期,纳帕海湖面面积可达3 125 hm2,8月湖水经纳帕海湿地西北隅溶洞泻入地下暗河而不断退落,潜流10 km后汇集成地表支流排入金沙江,又因10月西南季风退缩所致降雨而再次上涨,11月退落后至来年5月均为旱季,湖面大幅度缩小,形成了广阔的湖滨带、沼泽化草甸与湿地景观(肖德荣, 2007; 尚文和杨永兴, 2012; 张曦等, 2016)。

纳帕海是许多植物区系成分的交汇区,据统计整个湿地区域共有湿地植物115种,隶属38科82属(肖德荣, 2007)。湖滨带分布着大量的挺水植物,以禾本科茭草、极高山种杉叶藻和蓼科水蓼(Polygonumhydropiper)为主,其次为荇菜(Nymphoidespeltata)等浮叶植物以及常见沉水植物金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、蓖齿眼子菜(Stuckeniapectinata)等,湿地植物资源十分丰富(肖德荣, 2007)。

1.2 实验设计和处理

2014年4月,在纳帕海湿地选择地势平缓、环境相似的区域建立底面直径为2.4 m的9个原位研究单元,各研究单元间设置3 m的间隔且使用PVC管连通,确保每个研究单元淹水深度与野外淹水深度(约8 cm)一致。根据IPCC对21世纪末的评估报告,全球近地面大气均温在RCP2.6情景与RCP8.5情景下分别升高0.3～1.7 ℃与2.6～4.8 ℃(IPCC, 2013)。基于此,将研究单元分为3组,每组3个重复(图1)。其中,1组设为对照组(CK),与周围环境条件下温度一致;另外2组设为处理组,在其所在地面上构建以阳光板为材料,高2.4 m,顶端开口的生长室(Open-top chambers, OTCs)。生长室通过控制开口大小以实现室内温度不同程度的升高,其中一组生长室的开口大小设为2.0 m,以实现大气增温(2.0±0.5) ℃ (ET-2) 的目的;另一组生长室的开口大小设为1.4 m,以实现大气增温(4.0±0.5) ℃ (ET-4)的目的。将9个TP-2200温度实时记录器置于不同处理研究单元中心距水面1 m处, 以实时自动记录每个研究单元的大气温度数据,记录频率为1次·h-1,每天共记录24次,实验结束时对温度数据进行人工导出,并整理计算各组的年平均温度(MAT)、年最高温度(MAX)、年最低温度(MIN)、季平均温度(SAT)、日间积温(DAT)以及夜间积温(NAT)。根据2015年全年模拟增温的结果显示,两组增温处理组的大气温度平均值均高于对照组,其中ET-2组和ET-4组处理下的气温平均值分别高出CK组2.20、3.80 ℃(表1),说明本研究所采用的OTCs模拟增温系统起到了稳定的增温效果。

图 1 纳帕海湿地开顶式生长室Fig. 1 Open-top chambers (OTCs) in Napahai wetland

根据前期对纳帕海湖滨带优势植物研究的基础,本文选取茭草作为研究对象。在2015年3—4月,挖去纳帕海湖滨带生长健康、长势均匀的茭草克隆株,移栽到口径35 cm、高40 cm的塑料盆中进行单株培养,原位采集纳帕海湖滨带土壤(30 cm)作为栽培基质,自然条件下缓苗15 d后,将移植了植株的塑料盆分别置入不同研究单元,每个研究单元放置3盆,即每个大气温度条件下共计9盆。各研究单元淹水深度以其原生水淹环境为基准(20～30 cm)。自植株盆栽后,加强对植株的日常管理,以保证移植植株的成活。

表 1 2015年不同温度条件下的温度变量值Table 1 Values of temperature variables under different temperature conditions in 2015

1.3 样品采集及茎解剖结构性状测定

2015年9月,从CK、ET-2、ET-4三组中的9个研究单元中各选取生长成熟、长势健康的茭草3株(每盆1株),将整株茭草从盆中完整取出后用流水冲洗干净,每株植物分别剪取水面上方10 cm处的地上茎与土壤面下方10 cm处地下茎的茎干(长度约10 cm)。先将采集的茎干立即浸泡于 FAA 固定液(福尔马林、冰醋酸、酒精、蒸馏水体积比为10∶5∶50∶35)中固定,再分别装入自封袋密封并进行编号标记。将样品带回实验室进行茎解剖、测定。在实验室内,将采集回的茎干横切面进行徒手切片,用浓度为1%的甲苯胺蓝溶液对其染色,1 min后用质量分数为50%的酒精轻度冲洗叶片及玻片上过多甲苯胺蓝溶液,之后用吸水纸吸收载玻片周围多余的溶液,制成临时水玻片置于莱卡光学显微镜(Leica Corp DM6B, Germany)下观察,并拍摄维管束结构、角质层及表皮层等组织结构的照片(图2)。使用Image J (v.1.48,http://rsb.info.nih.gov /ij /)图片处理软件分别测量地上茎与地下茎的角质层厚度(cuticle thickness, CTupand CTunder)、外表皮细胞厚度(outside epidermal cell thickness, OETupand OETunder)、内表皮细胞厚度(inside epidermal cell thickness, IETupand IETunder)、表皮层厚度(epidermal layer thickness, ETupand ETunder)、 维管束面积(vascular bundle area, VAupand VAunder)、导管面积(conduit area, CAupand CAunder)、筛管面积(sieve tube area, SAupand SAunder)等性状(表2),每个性状在不同温度处理下各有45组数据(每株5个数值)。

图 2 2015年1—12月不同温度条件下的大气日平均温度 (A)和月平均温度 (B)Fig. 2 Daily mean temperature (A) and monthly mean temperature (B) air temperatures in different conditions from January to December, 2015

A. 茭草横切面解剖图; B. 表皮结构; C. 成熟维管束结构; D. 初生维管束结构。 a. 角质层; b. 外表皮细胞; c. 内表皮细胞; d. 表皮层厚度; e. 导管; f. 筛管。A. Cross-sectional anatomy of Z. latifolia; B. Epidermal structure; C. Mature vascular structure; D. Primary vascular structure. a. Cuticle; b. Outer epidermal cells; c. Inner epidermal cell; d. Epidermal layer thickness; e. Conduit; f. Sieve tube.图 3 自然状态下茭草的茎解剖结构Fig. 3 Anatomical structures of Zizania latifolia in natural state

1.4 数据分析

应用SPSS (26.0, https://spss.en.softonic.com/)统计分析软件进行差异性分析和逐步回归分析;使用单因素方差分析(one-way ANOVA)检测茭草茎解剖结构性状在不同生长温度间的差异(P<0.05),使用逐步回归分析筛选出影响茭草茎解剖结构性状的主要温度变量;应用R(v.3.01; https://cran.r-project.org)统计分析软件内置的“vegan”程序包进行主成分分析,检测茭草茎解剖结构性状与各温度变量间的关系。所有图片均由Adobe Illustrator(2021; http://www1. jsllcm.com/Adobe/ai-u5ky/)与Origin(2018; origin.shyihuog.cn/origin)绘图软件绘制。

2 结果与分析

2.1 茭草茎解剖结构对增温的响应

与对照组(CK)相比,两组增温条件下茭草地上茎的内、外表皮细胞厚度及整个表皮层的厚度均显著增加,而其维管束结构大小在三组温度条件下均无显著差异(图4)。相比于对照组,地下茎内、外表皮细胞厚度及表皮层厚度在增温2 ℃处理下均显著增加,而这些表皮结构性状在增温4 ℃处理下与对照组却无显著差异(图4)。地下茎维管束结构大小在对照组和增温2 ℃处理下无显著差异,而在增温4 ℃处理下显著减小(图4)。

2.2 茭草茎解剖结构与温度因子的相关性

年最高温度和夜间积温是影响茭草茎解剖结构性状变化的主要温度变量,即二者是导致茭草茎解剖结构性状发生变化以响应温度升高的主要温度变量(表3)。基于茭草地上茎解剖结构性状和温度变量的主成分分析显示,第一主轴解释了总方差变异的55.21%,第二主轴解释了总方差变异的22.15%。其中,地上茎内表皮细胞厚度与所有温度参数均与第一主轴显著正相关;表皮层厚度、维管束面积和筛管面积均与第二主轴呈显著正相关(图5:a,表4)。这表明,对于茭草的地上茎,其内表皮细胞厚度是地上茎响应增温的最主要性状,并与温度因子呈正相关(表4)。

基于茭草地下茎解剖结构性状和温度变量的主成分分析显示,第一主轴解释了总方差变异的58.72%,第二主轴解释了总方差变异的29.53%。其中,地下茎导管和筛管面积均与第一主轴呈显著负相关,而所有温度因子均与第一主轴呈显著正相关;地下茎内、外表皮细胞厚度及表皮层厚度均与第二主轴呈显著正相关(图5:b,表4)。这表明地下茎导管和筛管大小是地下茎响应温度升高的主要性状,二者与温度升高呈负相关关系。

3 讨论

3.1 茭草茎解剖结构性状对增温的响应策略

滇西北高原湖滨带挺水植物茭草的地上茎和地下茎解剖结构对增温的响应策略不完全相同。增温促进了地上茎表皮结构厚度的增加,表明地上茎主要通过增加表皮厚度适应4 ℃以内的增温。其地下茎在增温2 ℃的轻度增温下是通过表皮结构厚度的增加来响应增温,而随着温度的进一步增加,在增温4 ℃条件下,地下茎主要通过维管束结构大小的减小来响应增温,此时其表皮结构厚度又恢复到与对照组间无差异。较厚的表皮细胞,一方面起到促进植物蒸腾散温,维持植物体表适温作用;另一方面能够促进植物维持足够的细胞膨压,以减轻逆境对细胞生长的抑制,使植物保持固有形态,防止萎蔫(朱蠡庆等, 2013; Kim et al., 2018)。一般情况下,高温环境因容易促使植物新陈代谢保持高活跃度而导致生理失水,并引起植物体萎蔫。因此,茭草地上茎在增温4 ℃以内的条件下,对温度的主要响应策略都是通过表皮蒸腾散失水分以降温的方式维持植物体正常的生理活动,体现了地上茎对增温具有较强的适应调节能力。

与地上茎相比,茭草的地下茎对增温更为敏感。增温2 ℃时,茭草地下茎对增温的响应方式仍然是通过表皮蒸腾失水降温维持生理代谢;而增温4 ℃时,其地下茎对增温的响应方式则转变为维管束生理调节。较大的导管因容易受到环境胁迫而造成导管栓塞,从而引起导水率的快速下降(Cai & Tyree, 2010; Sperry, 2000);较小的导管和筛管虽然减少了一次性对水分和光合产物的运输能力,但同时提高了植物的抗气穴化能力,保证了维管束结构的运输安全 (Willigen et al., 2000;Pittermann & Sperry, 2003)。因此,维管束结构的减小往往是植物遭受逆境的表现。温度升高到一定程度,植物快速的蒸腾失水可能会导致其维管束结构的供水不足,引起植物体内生理缺水,进而增加维管束气穴化的风险。茭草地下茎在增温4 ℃条件下导管和筛管的减小就是防止其植物体因过度失水导致维管束结构堵塞的重要措施。植物在适当的高温或干旱所导致的水分胁迫环境下往往通过增大自身导管直径或截面积来提高水分利用效率(张志亮等, 2014; 李荣等, 2015)。茭草地下茎对增温处理的响应方式表明,增温4 ℃已经超过了其地下茎对温度的耐受范围,从而对植物造成一定程度的生理损伤,最直接的表现就是植物输送水和光合能力的降低。与增温2 ℃条件下相比,茭草地下茎在增温4 ℃条件下表皮结构厚度的下降,与其植物的输水功能下降直接相关。

图中每个性状参数柱上方不同字母表示差异显著 (P<0.05); 相同字母代表差异不显著 (P>0.05)。Different letters above each trait parameter in the graph indicate significant differences (P<0.05); the same letters indicate insignificant differences (P>0.05).图 4 茭草茎解剖结构性状 (平均值±标准差) 在3组不同生长温度间的差异Fig. 4 Differences of the stem anatomical structural traits of Zizania latifolia among three different growth temperature treatments

MAT. 年平均温度; MAX. 年最高温度; MIN. 年最低温度; SAT. 季平均温度; DAT. 日间积温; NAT. 夜间积温。MAT. Mean annual temperature; MAX. Maximum annual temperature; MIN. Minimum annual temperature; SAT. Seasonal average temperature; DAT. Daytime accumulated temperature; NAT. Nighttime accumulated temperature.图 5 基于茭草地上茎 (a) 和地下茎 (b) 解剖性状以及温度变量的主成分分析Fig. 5 Principle component analysis based on aboveground (a) and underground (b) stem anatomical structural traits of Zizania latifolia, and temperature variables

表 2 茭草茎解剖结构性状Table 2 Stem anatomical structural traits of Zizania latifolia

表 3 基于逐步回归模型的茭草茎解剖结构性状与环境因子的相关性Table 3 Correlations between stem anatomical structural traits of Zizania latifolia and environmental factors based on stepwise regression models

3.2 茭草茎解剖结构性状与温度间的关系

本研究中,年最高温度和夜间积温是影响茭草茎解剖结构性状的主要温度因子。年最高温度代表着植物生长环境的极端高温(Goraya et al., 2017; Skinner et al., 2018)。一般来说,年最高温持续时间越长,对植物解剖结构的抑制作用会随之增强(Zhen et al., 2020; Li et al., 2020; García-Cervigón et al., 2021),进而引起一系列代谢过程的变化来影响植物的光合速率以及产物的累积和分配(Hendrickson et al., 2008; Djanaguiraman et al., 2011)。由于温度变化引起的有机物在地上茎和地下茎的分配变化可能直接导致地上和地下茎性状的差异,因此年最高温度同时影响了茭草地上茎和地下茎的组织结构性状。对同为禾本科的莎草(Cyperusrotundus)地上、地下生物量循环分配所进行的相关研究,在一定程度上证明了上述观点(Zeh et al., 2019; Bao et al., 2022)。而夜间积温则与植物的呼吸能力密切相关,并且是作物能否增产的关键(Chen et al., 2002; 马雅菲, 2020)。茭草作为一种根茎作物,适度的夜间低温有利于营养物质的积累和呼吸消耗的减少,能够提高植株的生长速率(冯玉龙等, 1995; 宋敏丽等, 2010; 张玉屏等, 2020)。因此,叶间积温是影响茭草解剖的重要温度因子之一。本研究基于温度数据发现,增温处理组相比于对照组,其夜间积温呈现出倍数增长趋势,并且对地下茎筛管表现出极显著的负影响,筛管作为植物体内有机物输送的主要结构,地下筛管更是关系到茭草底部块根果实的产量与品质。因此,夜间高温对茭草的负面影响需要认真对待。

表 4 茭草茎解剖性状与主成分分析 (PCA) 前两轴的相关性 (r)Table 4 Correlations (r) of stem anatomical structural traits with the first two axes of principle component analysis(PCA)

本研究中,地上茎表皮结构厚度、地下茎维管束导管和筛管大小是响应温度变化的主要性状。在增温2 ℃的轻度条件下,茭草地上茎和地下茎的内部生理结构均未发生显著的改变,这表明此温度环境尚在茭草的最适温度范围内;而增温4 ℃的条件引起地下茎内部生理结构的改变,表明此温度环境对茭草地下茎来说已经超过了其耐受范围,这进一步证明茭草地下茎对于温度的敏感度高于地上茎。同时,地上茎表皮结构厚度与温度呈正相关关系也表明4 ℃以内的增温仍然在地上茎的可调节范围内,并且地上茎在应对4 ℃以内的增温时主要通过增加其表皮结构厚度来权衡蒸腾失水与保水之间的关系,从而保证植株正常生理活动。而茭草地下茎维管组织与温度变量均呈显著负相关,说明4 ℃增温环境可能对茭草地下茎产生了抑制作用,植物维管结构随之缩小,其物质运输能力可能受到限制。这与草本植物马铃薯(Solanumtuberosum)、水葱(Schoenoplectustabernaemontani)以及小麦(Triticumaestivum)对增温的响应策略存在一定相似性。马铃薯在高出自然环境2～4 ℃的培养环境中,其导管细胞会增大变形,对韧皮部细胞施加机械压力,最终对整个维管结构造成负面影响;而将昼夜温度从24 ℃增加30 ℃时,将直接导致底部块茎干物质分配减少65%(Manrique & Bartholomew 1991; Paul et al., 2017; Qaderi et al., 2019; Chen & Setter, 2021)。而水葱在增温2 ℃处理下便出现了维管束大小显著下降趋势,抑制了水葱输导组织的传输能力(冯春慧等, 2020)。小麦在增温2.37 ℃处理下,其茎秆维管束的数量、面积以及茎壁面积等维管束性状均出现显著减小(高文娟等, 2011)。但与之相反的是,杉叶藻(Hippurisvulgaris)在增温4 ℃环境下,其导管、筛管的大小以及数量却逐渐增大,从而促进了植株的传输能力(管东旭等, 2018)。因此,植物对增温作出的适应性策略可能取决于不同物种与环境差异。

4 结论

茭草地下茎对增温的敏感度大于地上茎。其地上茎在增温4 ℃以内都是通过增加表皮结构厚度进行响应。茭草地下茎在增温2 ℃的轻度增温下,对增温的响应策略与地上茎相同;而在增温4 ℃处理下,则转变为减小维管束结构的大小来响应增温。年最高温度与夜间积温是影响茭草植株茎解剖性状的关键温度因子,二者通过影响植物一系列代谢过程来限制植物的生长。茭草地上茎表皮结构与地下茎维管组织结构是响应温度变化的主要性状,并且增温4 ℃对茭草地下茎维管组织产生了抑制作用,导致茭草维管组织供输能力的削弱以及形态的减小,进而影响到整株植物的生理活动。本研究结果进一步补充了高原地区湿地植物响应气候变化的研究案例,为高原湿地应对气候变化提供了科学依据。基于现今气候变暖背景,未来我们仍会针对更多高原湿地植物,加大其研究的广度与深度,延长实验的观测时间,以此来减少实验的误差,以确保研究的精确度。