北苍术叶片功能性状种源变异及其对科尔沁沙地环境的响应

李 凯,王 刚,王凌飞,杨恒山,2,郭 园,2,贾俊英,2*

(1 内蒙古民族大学 农学院,内蒙古通辽 028000;2 内蒙古自治区高校中(蒙)药材生态种植工程研究中心(培育),内蒙古通辽 028000;3 奈曼旗药材研究发展中心,内蒙古通辽 028000)

植物在进化过程中受到外界温度、水分、光照等环境因素的长期作用而影响其建成,逐步形成适应环境的功能性状,从而形成特定的种源特性[1]。不同的生长环境导致植物的生理特征和遗传结构均发生不同程度的变异,这种对环境的适应性变异在叶片功能性状上表现得尤为明显[2]。作为植物暴露在生活环境中面积最大的器官,叶片的外部形态特征、内部解剖结构等最能体现植物对环境因子的适应性进化[3]。植物分布范围广泛,各自生活在温度、水分等条件不相同的自然地理环境中,在长期对环境适应过程中,同种植物叶片的解剖结构表现出明显的差异[4-6]。而这种差异直接反映在光合生理的变化上,有研究表明叶肉细胞增厚,栅栏组织加厚,细胞层次增多,可使叶片光合能力增强[7-9]。通过同质园实验将不同生境的物种引种栽培在环境因素相对一致的种植基地,统一栽培管理,开展叶片形态、解剖结构、光合能力等方面研究,对阐明植物在不同生态环境下的适应策略具有重要意义。北苍术[Atractylodeschinensis(DC.) Koidz.]为菊科苍术属多年生草本植物,其以干燥根茎入药,在抗菌、消炎、抗肿瘤及心血管系统和神经系统保护等方面具有重要的疗效[10],在抗击新型冠状病毒过程中,其作为宣肺败毒方等的主要方剂组分起到重要作用。传统药材来源主要以采挖野生资源为主,致使苍术蕴藏量锐减,苍术人工驯化栽培成为生态环境保护与野生资源合理利用的必然途径。优质种源是保障药材高质量生产的首要条件。

本试验在科尔沁沙地引种4 个种源地的北苍术,对其叶片解剖结构特征及其光合能力进行分析,探究不同种源北苍术叶片形态、生理特性的差异,阐释其对科尔沁沙地的响应与适应策略,旨在为北苍术种植选择优良种源、适宜的种植环境提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验在内蒙古奈曼旗中(蒙)药材科研基地(42°14′17″N,120°20′35″E)进行。试验田土质为沙壤土。试验区属于北温带大陆性季风气候,年平均气温6.5 ℃,年平均降水量366 mm,无霜期平均150 d。试验材料引自4个北苍术主产地主栽种源,地理位置和气候条件见表1。

表1 试验材料来源地地理位置和气候条件Table 1 Geographical locations and climatic conditions of the sources of the materials

1.2 试验设计

从4个主产区种源地购买北苍术种子,统一育苗后,于2020年4 月15 日采用大小垄(40 cm、80 cm)覆膜定植,定植密度7.5万株/hm2,各处理均底施磷酸二铵(P2O546%)150 kg/hm2,硫酸钾(K2O 50%)90 kg/hm2,移植当年生长季内分次追施尿素(N 46.4%)525 kg/hm2。于2021 年8 月中旬,采集北苍术发育完备的叶片,观测叶片形态、解剖结构与叶表皮气孔特征,测定光合能力。

1.3 测定项目与方法

叶片外部形态:观察记录叶型、叶序、叶裂程度、叶质、叶缘、有无叶柄等特征。

叶片解剖结构:测定指标包括上表皮细胞厚度、上表皮细胞蜡质层厚度、下表皮细胞厚度、下表皮细胞蜡质层厚度、栅栏组织细胞层数、栅栏组织厚度、海绵组织细胞层数、海绵组织厚度、主脉直径、主脉韧皮部面积、主脉木质部面积等。具体方法:采用石蜡切片法[11]制作组织切片,在显微镜下观察并用测微尺测量拍摄。所得数据为不同制片上5个视野的平均值,对试验数据进行方差分析和显著性检验。

栅海比(P/S)=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×100%;组织结构疏松度=海绵组织厚度/叶片厚度×100%;变异系数=标准差/算数平均值;可塑性指数=(最大值-最小值)/最大值。

叶表皮气孔特征:参照李柏年等[12]方法略有改动。在田间取各处理北苍术中部叶片,置于FAA固定液中固定,然后利用TM3000 扫描电镜,观察叶表皮气孔特征并拍照,统计每个视野内气孔数量,并测定气孔大小(每个视野为0.687 9 mm2)。

气孔密度=气孔数/面积;气孔指数=100×气孔数/(气孔数+表皮细胞数)。

光合参数:选择晴朗无云天气,在上午9:00—12:00用美国LI-COR 公司产Li-6400光合仪对4个种源地北苍术同一叶位叶片进行光合参数测定。

采用Excel 2019 进行处理和作图,SPSS 20.0软件进行差异显著性(Duncan)分析。

2 结果与分析

2.1 4个种源地北苍术叶片形态特征

4个种源地北苍术引种科尔沁沙地后叶序均为互生且均无叶柄。但其叶片形态差异明显,叶形表现为披针形、卵圆形、椭圆形;其裂叶以下部叶开裂为主,引自扎鲁特旗的下部叶裂程度较明显;叶片均有革质特性,喀喇沁旗种源地的表现为薄革质;叶缘均有刺齿,喀喇沁旗、阿荣旗种源地为重刺齿,见图1和表2。

图1 不同种源地北苍术叶片形态特征Fig.1 Leaf morphology of A.chinensis(DC.) Koidz.from different provenances

表2 北苍术叶片形态特征Table 2 Characteristics of leaf morpholgy of A.chinensis (DC.) Koidz.

2.2 4个种源地北苍术叶片解剖结构特征

北苍术叶横切面解剖结构包括表皮、叶肉和维管束(叶脉),见图2和表3。叶片上表皮细胞近长方形,排列整齐紧密,下表皮细胞较上表皮细胞小而不规则,细胞多数呈长方形或矩圆形,表皮细胞外被角质层。上表皮细胞与下表皮细胞厚度差异较大,上表皮细胞厚度范围为7.43～29.86 μm,下表皮细胞厚度范围为4.7～19.37 μm;叶肉由发达的栅栏组织和海绵组织构成,栅栏组织由2～3层长柱状细胞紧密排列组成,其厚度在83.78～221.33 μm 之间;海绵组织由排列疏松的类圆形细胞构成,其厚度在122.49～249.19 μm 之间;中脉维管束木质部呈半月形或近椭圆形;叶片厚度在314.91～494.81 μm 之间。

图2 不同种源地北苍术叶片解剖特征A.叶肉结构;B.主脉结构;C.主脉及叶肉结构;1.栅栏组织;2.海绵组织;3.上表皮;4.下表皮;5.主脉韧皮部;6.主脉木质部。Fig.2 Anatomical characteristics of A.chinensis (DC.) Koidz.leaves from different provenancesA.Mesophyll structure.B.Main vein structure.C.Main vein and mesophyll structure.1,palisade tissue.2,spongy tissue.3,upper epidermis.4,lower epidermis.5,main vein phloem.6,main vein xylem.

表3 北苍术叶片解剖结构指标Table3 Indexes of leaf anatomical structures of A.chinensis (DC.) Koidz.

从表3可以看出,不同种源地北苍术引种科尔沁沙地后其叶片上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度、上表皮细胞蜡质层、栅栏组织、主脉韧皮部面积、主脉木质部面积可塑性指数均较大,且叶片上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度变异系数与可塑性指数均较大,说明叶表皮细胞厚度是衡量北苍术适应性的关键指标。叶片主脉直径、叶片厚度可塑性指数、变异系数均小,说明其不易受环境异质性影响。

结果(表4)表明,围场县种源地北苍术叶片上表皮细胞厚度显著高于其他3个种源地;扎鲁特旗种源地北苍术下表皮厚度显著高于其他种源地;围场县、扎鲁特旗种源地北苍术叶片栅栏组织厚度、栅海比高于阿荣旗、喀喇沁旗种源地,达到显著水平;上表皮细胞蜡质层厚度以围场县种源地较大,其次为阿荣旗种源地,扎鲁特旗、喀喇沁旗种源地较小,且两者差异不显著;阿荣旗种源地北苍术主脉木质部面积显著高于其他3个种源地,扎鲁特旗种源地与喀喇沁旗种源地较小,且差异不显著;阿荣旗种源地叶片主脉韧皮部面积显著低于围场县、喀喇沁旗种源地,也较低于扎鲁特旗种源地,但差异未达到显著水平。

表4 不同种源地北苍术叶片解剖结构特征Table 4 Comparison of leaf morphological structures of A.chinensis (DC.) Koidz.from different provenances

2.3 4个种源地北苍术叶表皮气孔特征

北苍术叶上表皮、下表皮均有气孔分布,气孔器由2个肾形保卫细胞组成,气孔器保卫细胞与表皮细胞平齐或稍凹陷。按构成气孔的保卫细胞和表皮细胞的排列关系(气孔轴式类型)分类,北苍术叶表皮气孔为不定式(图3)。结果(表5)表明,北苍术叶片上表皮气孔数量较少,范围为1.00～27.67个,可塑性指数、变异系数均较大;气孔密度变化幅度大,范围为0.97～40.22 mm-2,可塑性指数、变异系数均较大;气孔指数可塑性指数大,但变异系数较小;北苍术叶片上表皮细胞数量、气孔长度可塑性指数、变异系数均小,表明其与环境的适应性相关性不大。北苍术叶片下表皮气孔数量、气孔指数、气孔密度可塑性指数较高,但变异系数小,表明从气孔特征分析北苍术的适应环境能力,表皮细胞气孔结构影响较大。

图3 北苍术气孔器结构Fig.3 Stomatal structure of A.chinensis(DC.) Koidz.

表5 北苍术气孔结构指标Table 5 Stomatal structure index of A.chinensis(DC.) Koid.

4个种源地北苍术叶片上、下表皮均分布着不同数量的气孔,下表皮气孔密集度高于上表皮,细胞形状和排列方式不规则(图4)。由表6可知,阿荣旗、扎鲁特旗种源地北苍术叶片上表皮气孔数量较多,显著多于围场县、喀喇沁旗种源地,阿荣旗、扎鲁特旗2个种源地间无显著差异,喀喇沁旗种源地北苍术叶片上表皮气孔极少;各种源地北苍术叶片上表皮气孔密度、气孔指数规律与气孔数相似。同时,喀喇沁旗种源地北苍术叶下表皮气孔数量显著高于其他3个种源地,围场县、阿荣旗种源地间无显著性差异,扎鲁特旗种源地下表皮气孔数量较少,显著低于其他3个种源地;叶片下表皮气孔密度表现与气孔数量一致。

图4 不同种源地北苍术叶表皮气孔分布Fig.4 Stomatal distribution of the leaf epidermis of A.chinensis (DC.) Koidz.from different provenances

表6 不同种源地北苍术叶片表皮气孔结构特征Table 6 Stomatal structure of the leaf epidermis of A.chinensis (DC.) Koidz.from different provenances

2.4 光合特性

由表7可知,围场县北苍术叶片净光合速率、蒸腾速率及气孔导度均显著高于其他3个种源地,扎鲁特旗种源地显著高于阿荣旗、喀喇沁旗种源地,阿荣旗、喀喇沁旗种源地间差异不显著。其中,围场县、扎鲁特旗北苍术叶片净光合速率较喀喇沁旗种源地分别提高42.33%、29.33%,蒸腾速率分别提高47.29%、19.83%,气孔导度分别提高61.34%、5.25%。而胞间CO2浓度表现为喀喇沁旗和阿荣旗显著高于其他2个种源地,围场县、扎鲁特旗2个种源地间无显著差异。

表7 不同种源地北苍术叶片光合特性Table 7 Photosynthetic characteristics of A.chinensis (DC.) Koidz.leaves from different provenances

2.5 叶片结构与光合能力相关性分析

通过Pearson相关性分析(表8)得出,北苍术的净光合速率与上表皮细胞蜡质层厚度呈现极显著正相关关系(P＜0.01),与栅栏组织厚度呈显著正相关关系(P＜0.05);气孔导度与上表皮细胞厚度、上表皮细胞蜡质层厚度、栅栏组织厚度呈现极显著正相关关系(P＜0.01),与上表皮气孔密度呈显著正相关关系(P＜0.05);胞间二氧化碳浓度与上表皮细胞蜡质层厚度呈现极显著负相关关系(P＜0.01);蒸腾速率与上表皮细胞蜡质层厚度、栅栏组织厚度呈现极显著正相关关系(P＜0.01),与上表皮细胞厚度呈显著正相关关系(P＜0.05)。

表8 叶片结构与光合能力参数相关系数Table 8 Correlation coefficients between leaf structures and photosynthetic capacities

3 讨论

大量研究表明,植物长期受种源地环境影响,导致其叶功能性状产生遗传分化[13-15]。在植物进化过程中,叶片对环境胁迫最敏感,是可塑性较大的器官,在不同环境压力下形成各种适应类型,经自然筛选后存活的植物,其叶片的解剖结构和外部结构在一定程度上能够反映环境因子的影响或植物对环境的适应[16]。植物通过改变叶面积、叶厚等功能性状在形态结构上的可塑性,提高植物对环境空间异质性的适应能力[17]。叶片的形态、解剖结构和生长发育受遗传和环境条件(如:地理位置、生境条件和气候特性等)共同调控[18-19],其形态和结构特征的改变能够反映植物对环境变化的响应和适应。本研究结果表明4个种源地北苍术在科尔沁沙地同质园环境中,叶片形态表现为扎鲁特旗种源的下部叶裂叶程度较明显;叶片均有革质特性,喀喇沁旗种源的表现为薄革质;叶缘均有刺齿,喀喇沁旗、阿荣旗种源地为重刺齿。北苍术为典型的异面叶,围场县和扎鲁特旗种源地的北苍术叶片厚度明显高于喀喇沁旗和阿荣旗种源地,且上下表皮细胞厚度也表现出相同的趋势,表皮厚度越厚的叶片,其阻隔高温、贮存水分、防机械损伤能力越强;围场县、扎鲁特旗的北苍术叶片栅栏组织厚度也明显较高,发达的栅栏组织可以有效储存水分,栅栏组织的细胞排列越紧密,细胞间隙越少,叶片结构紧密度就越大,增强北苍术叶片保水性能,更好地适应科尔沁沙地保水保肥能力差的环境。

植物叶片功能性状不是独立发挥作用,各性状间存在一定的相关性[20],揭示各性状间的关联性,有助于了解植物生长、生存策略。植物的光合作用不仅受外界环境影响,而且与自身叶片结构特征紧密相关。本研究发现净光合速率、气孔导度与叶片结构间存在一定的关联性。其中,净光合速率与上表皮蜡质层厚度、栅栏组织厚度呈不同程度的正相关性,气孔导度与上表皮细胞厚度、上表皮细胞蜡质层厚度、栅栏组织厚度、上表皮气孔密度均呈显著正相关,说明栅栏组织越厚,所占叶片比例越高,越有利于光合作用,这与刘露[21]在油橄榄叶片解剖结构特征指标与净光合速率的相关性研究结果较为一致。本研究结果表明扎鲁特旗、围场县种源北苍术叶片上下表皮厚度、栅栏组织厚度、栅海比明显大于其他2个种源地,气孔密度、净光合速率、气孔导度均表现出明显的优势,栅栏组织富含丰富的叶绿体,而叶绿体作为植物重要的光合作用场所,对提高净光合速率起到关键作用,栅海比增大也有利于CO2在叶片中传导,同时降低气孔限制对光合作用产生的不利影响,有效提高叶片水分利用效率[22]。廖文婷等[23]发现油茶栅栏组织/叶片厚度、栅海比与净光合速率呈显著正相关关系,孙利娜等[24]探究不同种源桃金娘叶片表型及光合特性差异时发现贵港种源栅栏组织最厚,光合速率最高,与本研究结论相一致。

4 结论

北苍术为典型的异面叶,同质园实验条件下,其叶片形态、结构、气孔分布、光合能力表现出种源差异;围场县和扎鲁特旗种源地的北苍术叶片厚度明显高于其他2个种源地,且上下表皮细胞厚度也表现出相同的趋势,栅栏组织厚度明显较高,叶片结构紧密度较大;喀喇沁旗种源地的北苍术气孔数量、密度均较低,扎鲁特旗种源地北苍术叶片气孔数量、气孔指数均大于其他种源地,且光合能力显著较高。围场县、扎鲁特旗种源地的北苍术对科尔沁沙地有较强的适应能力。