叶龄与叶位对鸢尾叶片微结构的影响

柴旭旭，白燕娇，威尼拉·托合提孙，孙小玲

（天津农学院 园艺园林学院，天津 300392）

叶脉具有运输、支撑和保护叶片等重要的生物学功能，是植物适应生态系统的一个重要因素。叶脉密度在很大程度上影响着整个叶片的水分供应以及叶脉系统对叶片的支撑效率，各级叶脉密度与叶片的光合速率、水分运输和水的传导等有密切关系[1]。较高的叶脉密度能够满足蒸腾所需的大量水分和能量消耗，有助于植物调节叶片温度和维持体内水分平衡。研究叶脉网络功能性状，对预测植物及生态系统对全球变化的响应具有重要意义。气孔是由两个保卫细胞和这两个细胞之间的孔隙组成的分布在植物叶片表皮上的一种特殊结构。植物的生长与光合作用以及蒸腾作用是密不可分的，而气孔不仅在植物与外界环境交换气体扮演重要的角色，还对植物内部环境的水分蒸腾发挥着重要作用[2]。对部分有关气孔的研究发现，气孔可以通过保卫细胞来感知外部和内部信号，从而对环境变化做出一定的响应来提高自身的抗性，减轻环境带来的影响[3]，因此植物叶片的气孔结构与分布特征会随环境的变化而发生变化。

近几年来，随着人们生态意识提高，对绿化的需求增大，城市园林绿化越来越被重视，具有良好的适应性和抗逆性的园林植物成为研究热点之一。鸢尾（Iris tectorumMaxim.）是单子叶植物，作为良好的宿根花卉，花色美观，观赏价值高。鸢尾作为园林中应用最普遍的地被植物之一，具有耐阴性较好、耐粗放管理、无须过多人工养护等特点。近年来，国内有关鸢尾的研究主要集中在形态特征、生物学特性、分类学、繁殖及繁殖技术、病虫害、育种学、分子系统学和观赏应用等方面[4-8]，而鸢尾不同叶龄与叶位叶片微观结构规律方面的研究则鲜见报道。鉴于此，本研究针对不同叶龄和不同叶位鸢尾叶片微观结构的变化情况，阐述气孔特征以及叶脉网络结构的响应过程，以期为研究鸢尾适应性与抗逆性提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料种植于天津农学院东校区，采集生长状态良好，无病虫害的鸢尾作为研究对象。

1.2 试验方法

1.2.1 叶龄与叶位

将鸢尾植物最外层叶片标记为老叶；从中心向外数第三片叶片标记为成熟叶；将中心的叶片标记为幼叶（图1）。

图1 鸢尾叶片

将整个鸢尾叶片均分为三段，从上到下标记为叶尖、叶中、叶基。

1.2.2 叶片微结构的测定

采用指甲油印迹法[9]，观察鸢尾叶片气孔。采用草坪草观测方法[10]，观测鸢尾叶脉网络结构。将制作好的载玻片放置在LEICA MD4000B LED（Leica, Wetzlar, Germany）光学显微镜下观察，用LEICA DFC450（Leica, Wetzlar, Germany）照相机进行显微拍照，每龄叶采10 片叶，每叶位随机选取5 个视野。最后利用LAS AF Lite 图像分析软件进行测量。

用保卫细胞的长度表示气孔的大小（µm），气孔密度（个/mm2）用气孔个数除以样本面积所得到的值表示[11]。

测量叶脉间距、叶脉密度和网眼空隙面积（相邻横脉与纵脉所闭合的面积）等叶脉结构指标。纵脉密度（mm/mm2）＝纵脉的总长度与样本面积的比值[11]。横脉密度同理。叶脉密度＝纵脉密度+横脉密度。网眼空隙面积＝小纵脉间距×横脉间距。

1.2.3 数据处理

采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较不同处理下鸢尾叶片微结构的差异。采用双因素方差分析（two-way ANOVA）研究叶龄、叶位及其交互作用对鸢尾叶片微结构的影响。在P＜0.05 时，叶龄水平和叶位水平之间的差异被认为是显著的。所有统计分析均采用SPSS 20.0（SPSS，Chicago，IL，USA）进行。最后使用Sigmaplot 12.5（Systat Software, Inc., USA）软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同叶龄与叶位的气孔特征

鸢尾叶片的气孔密度和大小受到叶龄、叶位及其交互作用的显著影响（表1）。鸢尾叶片刚刚成熟时，气孔最小，而气孔密度最大。随着叶龄增长，气孔密度呈现先增加后降低的趋势，气孔大小则呈现先降低后增加的趋势（图2）。叶尖和叶基部位，老叶气孔密度最小，而气孔最大（图2）。鸢尾叶片近/远轴面的气孔密度和大小的变化相似。

表1 叶龄、叶位及其交互作用对鸢尾叶片气孔特征的影响

图2 不同叶龄与叶位对鸢尾叶片气孔特征的影响

叶基部位，气孔密度最低，而气孔最大（图2）。叶尖部位恰好与叶基部位相反，气孔最小，而气孔密度最大。叶中部位介于两者之间（图2）。叶片近/远轴面的气孔密度和大小变化相似。

2.2 不同叶龄与叶位的叶脉网络结构

由叶龄、叶位及其交互作用的双因素方差分析可知（图3），叶位显著影响鸢尾的叶脉网络结构，而叶龄仅显著影响鸢尾叶片的叶脉密度（表2）。

表2 叶龄、叶位及其交互作用对鸢尾叶脉网络结构的影响

图3 不同叶龄与叶位对鸢尾叶脉网络结构的影响

对叶中部位而言，叶片刚刚成熟时，纵脉密度最大，叶脉密度也最大（图3C，3E）。叶片由幼叶生长为老叶，叶中部位的叶脉密度呈现先升高后降低的趋势（图3E）。

鸢尾不同部位的叶脉网络结构如图4 所示。叶基部位，叶脉排列疏松，纵脉间距大、横脉间距大导致纵脉密度低、横脉密度低，进而导致整个叶片的叶脉密度最低，而网眼空隙面积最大（图3）。叶尖部位恰好与叶基部位相反，叶脉排列密集（图4），叶脉密度最大，网眼空隙面积最小。叶中部位介于两部分中间（图3）。

图4 鸢尾的叶脉网络结构（“工”字型表示纵脉间距）

3 讨论与结论

3.1 不同叶龄对叶片微结构的影响

叶龄与气孔特征有较大的关联。研究发现，气孔密度随着叶龄的增加而逐渐减少，气孔随着叶龄的增加而增大[12-13]，例如黄瓜（Cucumis sativusL.），冬枣（Zizyphus jujubaMill. cv. Dongzao）等。此外，有一些植物叶片气孔形态和数量的变化并不是连续的，有些植物的气孔密度在生长的早期逐渐增加，而随着叶片的继续生长，气孔密度迅速减少，逐渐至叶片死亡[14]，例如砂生槐（Sophora moorcroftiana）。本研究中也发现类似的结果。叶片刚成熟时，气孔密度最大，气孔最小，在一定程度上可以保持植物叶片水分处于安全状态[15]，以此来适应干旱缺水的外界环境。此外，较大的气孔密度也会导致气孔收缩，从而降低蒸腾失水[16]。

在对叶脉网络结构的研究中，发现叶龄对鸢尾叶脉网络系统有显著影响。单子叶植物大多数为平行脉，鸢尾叶片刚成熟时，叶片刚刚完全展开，此时，叶中部位的纵脉密度以及叶脉密度达到最大值，网眼空隙面积降低。较大的纵脉密度，提高了叶片的运输能力，主要运输水分和光合产物。叶脉系统是叶片的骨架，通过支撑叶肉组织（单子叶植物的叶肉细胞或双子叶植物的栅栏组织和海绵组织等）最大化地展开了叶片，提高了叶片截获光的面积，叶脉密度可以表征叶脉系统机械支撑能力，因此较大的叶脉密度也在一定程度上提高了整个叶片的机械支撑能力[1]。此外，较高的叶脉密度和较小的网眼空隙虽然增大了叶片的构建成本和消耗，也迫使昆虫耗费更多能量咬断叶脉，提高了叶片对虫食等的耐受性，可以降低叶片在自然环境中和被动物啃食时的损伤程度，增加了叶片抵御虫害等干扰的能力[17]。因此，在叶片刚刚成熟时，不论是气孔结构还是叶脉网络结构，均处于生命活动的代谢旺盛时期，既能提高叶片运输能力，也能相应的增强其抗逆性。

比起刚刚成熟的叶片，幼叶和老叶近/远轴面气孔密度低、气孔大；叶脉密度低，而网眼空隙面积大。幼叶不断发育为成熟叶，气孔密度与叶脉密度等指标增加，抗性增强。叶片经过成熟期后，开始进入衰老期，气孔密度与叶脉密度等叶片微观结构指标的降低，表明叶片不再生长，气孔与叶脉网络系统的退化，导致叶片的生理功能也随之退化，此时叶片的抗性降低。

3.2 不同叶位对叶片微结构的影响

气孔密度与植物叶片的叶位有一定关系，本研究发现鸢尾叶片气孔在不同部位分布呈现一定的规律性，从叶基端到叶尖端，鸢尾近/远轴面的气孔密度逐渐增加，气孔大小逐渐变小。这一点与大多数气孔两面生的植物叶片的气孔特征一致[18]，在蔷薇科代表植物中也发现类似的规律[19]。但也有研究表明，有的植物叶片气孔密度从叶基到叶尖逐渐减少，有的却在叶中部位呈现最高[20]。由此可见，不同植物叶片上的气孔特征差异较大，不同植物其遗传力也不尽相同，因而不是所有植物的叶片各部位上都可以找到气孔分布的规律。叶片不同部位的叶脉网络结构差异明显，鸢尾叶片从叶基到叶尖，纵脉密度、横脉密度以及叶脉密度逐渐增大，而网眼空隙面积却逐渐减少。叶尖部位，横脉密度最大，较大的横脉密度可以提高光合产物在叶尖的小纵脉和大纵脉之间的横向运输能力[17]。而叶中的气孔特征与叶脉网络结构等微观结构参数与平均值较接近，因此，在测量各参数时，一般采用叶中部分来代表整个叶片。

综上所述，叶龄与叶位对鸢尾叶片微观结构指标有显著影响。本研究中发现：叶片刚刚成熟时，气孔与叶脉网络系统表征叶片处于代谢旺盛期，而叶片中间部位更能代表整个叶片。