張 義,王得祥,宋 彬,呂 迪,王 濤

(西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100)

中國西北部干旱半干旱地區(qū)的許多城市森林植物，在長期的進化或者栽培過程中形成了適應該地區(qū)高溫、干旱和強光輻射等一系列環(huán)境因素的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，研究這類植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)與環(huán)境適應的關(guān)系，將有利于揭示植物對干旱環(huán)境脅迫的適應機理[1]。葉片是植物進化過程中對環(huán)境變化較敏感且可塑性較大的器官，其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物對環(huán)境的適應能力[2]，對于評價植物的抗旱性能具有不可替代的作用。植物抗旱性研究對認識和保護干旱半干旱地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，保護與持續(xù)利用植物資源具有重要的實踐意義。近年來，許多學者在干旱半干旱地區(qū)開展了植物抗旱性研究，但研究內(nèi)容多集中在生理生化指標方面[3-9]，而通過葉片解剖結(jié)構(gòu)定量分析多個物種間抗旱性的研究相對較少[10]。為此，本研究以青海西寧為研究區(qū)域，應用主成分分析及隸屬函數(shù)法，對該地區(qū)常見且應用規(guī)模較大的11種城市森林植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)進行了分析，探討了葉片旱生結(jié)構(gòu)指標的選擇方法，以期為抗旱造林、園林綠化等的樹種選擇提供科學依據(jù)，并闡明植物適應環(huán)境的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 供試植物及樣品采集

供試植物為山杏、山桃、香莢蒾、河北楊、金葉蕕、木藤蓼、沙棘、歐洲白榆、沙棗、水蠟、檸條等11種城市森林植物(表1)，于2012-07采集于西寧市文化公園。同一樹種(灌木)選取胸徑相對一致的3株作為樣株，從東西南北4個方位采集上層的健康成熟葉片3片，沿中脈部位切取長1.0 cm、寬0.5 cm的小片，于FAA固定液中固定12 h以上。

表 1 西寧市11種城市森林植物的基本情況

1.2 制 片

葉片采用常規(guī)石蠟切片法[11]制片，切片厚度為10 μm，番紅-固綠對染，樹膠封片；測定氣孔密度時采用指甲油印跡法[12]制片。

1.3 測定指標與方法

采用Motic Image Advanced 3.2軟件拍照并觀察測量葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、上表皮角質(zhì)層厚度、氣孔密度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織細胞層數(shù)和中脈厚度等指標，每項指標測量40組數(shù)據(jù)，并計算出柵欄組織/海綿組織厚度比及葉片緊實度(柵欄組織厚度/葉片厚度)[10]。利用Excel 2007和SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析及主成分分析。樹種抗旱性評價采用模糊隸屬函數(shù)法[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試植物葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的比較

2.1.1 表 皮 觀測結(jié)果(表2，圖1)表明，供試的11種城市森林植物，其表皮均由單層細胞構(gòu)成，排列緊密，具有角質(zhì)層。11種植物葉片的上表皮厚度變幅為15.6～38.7 μm，其中山杏的上表皮最厚，水蠟的最薄，其余植物種介于二者之間；下表皮厚度變幅為8.9～19.2 μm，木藤蓼最厚，其次是山桃、檸條，歐洲白榆最?。粡纳?、下表皮特征來看，山杏、木藤蓼的表皮有更好的保持和貯水功能。上表皮角質(zhì)層厚度變幅為1.2～9.3 μm，其中金葉蕕最厚，其次是檸條、山杏、山桃等，最薄的是歐洲白榆；從角質(zhì)層特征來看，金葉蕕葉片的保水性較好，歐洲白榆葉片的保水性較差。

氣孔是植物控制水分和進行氣體交換的通道，直接影響植物的蒸騰作用。本研究結(jié)果(表2)顯示，11個供試植物的氣孔主要分布在葉片下表皮，氣孔密度變化于80.6～408.4 個/mm2，單位面積內(nèi)氣孔數(shù)最多的是山杏，其次是水蠟、沙棗、歐洲白榆等，單位面積氣孔數(shù)最少的是金葉蕕；從氣孔密度來講，山杏、沙棗等抗旱性較強。

表 2 西寧市11種城市森林植物葉片的解剖特征

2.1.2 葉 肉 從圖1可看出，檸條的背、腹葉兩面均發(fā)育為柵欄組織，為等面葉，其余植物種全為異面葉。從表2可以看出,供試植物除柵欄組織細胞層數(shù)外，柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織/海綿組織厚度比均表現(xiàn)出顯著差異性。

葉片厚度變化于153.7～296.2 μm，其中沙棗葉片最厚(296.2 μm)，其次為沙棘、河北楊，水蠟葉片最??；柵欄組織厚度變化于58.1～182.6 μm，檸條柵欄組織最厚，其次是河北楊、沙棘、沙棗、香莢蒾等，水蠟最??；各供試植物間的柵欄組織細胞層數(shù)變化不一，其中以檸條層數(shù)最多(4～6)，水蠟、歐洲白榆層數(shù)較少；海綿組織厚度變幅為27.1～119.7 μm，最厚的為沙棗，檸條最??；供試植物中，檸條海綿組織已逐漸退化，其柵欄組織/海綿組織厚度比最大(6.7)，水蠟最小(0.8)，其他植物種居中；葉片結(jié)構(gòu)緊實度的變幅為37.9%～73.2%，檸條最大，其次為香莢蒾、歐洲白榆、河北楊、沙棘，水蠟最小。綜合分析以上指標可知，檸條、沙棗、河北楊、歐洲白榆等具有較好的抗旱性，水蠟和金葉蕕抗旱性較差。

圖 1 西寧市11種城市森林植物葉片橫切面的顯微結(jié)構(gòu)(10×10)

2.1.3 葉 脈 由表2可以看出，11種城市森林植物葉片的中脈厚度不同，差異較大，變化于317.5～915.2 μm，中脈厚度最大的是山桃，其次是歐洲白榆、木藤蓼、金葉蕕等，而檸條中脈厚度最小，表明山桃、歐洲白榆、木藤蓼、金葉蕕等抗旱性較強，而檸條抗旱性較差。

2.2 供試植物旱生指標的主成分分析

由表2可知，11種植物的11個指標中，除了柵欄組織細胞層數(shù)差異不明顯外，其余10個指標均差異顯著，但重復間差異不顯著。由于只有材料間存在顯著差異且重復間差異不顯著，進行主成分分析才有意義[14]，因此本試驗的10個抗旱指標可以用作主成分分析。

過多地選入相關(guān)密切的指標不僅不利于揭示類型特征，還會產(chǎn)生認識上的偏差，選擇彼此獨立的有代表性的指標才能獲得最優(yōu)的方案[15]。主成分分析就是將分散在一組變量上的信息，集中到某幾個綜合指標和主成分上的統(tǒng)計分析方法，各指標在主成分中的載荷值不同，載荷值越大，說明其對主成分的貢獻越大，典型性越強。

主成分的特征值和貢獻率是選擇主成分的依據(jù)，經(jīng)過主成分分析將11種植物的10個與抗旱性有關(guān)的葉片旱生指標轉(zhuǎn)化為了4個主成分。由表3來看，前4個主成分的累積貢獻率已達82.206%，代表了原來的11個單項指標的82.206%的信息。

表 3 西寧市11種城市森林植物葉片旱生指標的主成分載荷矩陣

第1主成分特征值為3.377，貢獻率為33.768%，其中柵欄組織厚度、葉片結(jié)構(gòu)緊實度的載荷值遠遠高于其他指標，2個指標均與柵欄組織有很大關(guān)系。發(fā)達的柵欄組織是植物對強光生境的適應，大量的柵欄組織可增加水分從維管束到表皮間的運輸效率和葉肉細胞的表面積，可保證光合作用對水分的需求，避免干旱地區(qū)強烈光照對葉肉細胞的灼傷，其次可以有效地利用衍射光進行光合作用[2]。柵欄組織越厚、葉片結(jié)構(gòu)緊實度越大、柵欄組織/海綿組織厚度比越高，則植物抗旱性越強。

第2主成分特征值為2.443，貢獻率為 24.432%，其中海綿組織厚度及葉片厚度有較高的載荷值。旱生植物除柵欄組織外，海綿組織特征也最能反映植物對光照的適應性[16]。海綿組織細胞主要用于氣體交換，也可進行光合作用。相對于柵欄組織，海綿組織越發(fā)達，植物抗旱性越差[10]。葉片厚度越厚，植物的保水能力越強，植物抗旱能力越強。

第3主成分特征值為1.279，貢獻率為 12.792%，其中以上表皮厚度的載荷值較大。表皮主要起保護和貯水作用，較大的表皮細胞能貯藏更多的水分，有利于植物在干旱環(huán)境下生存。

第4主成分特征值為1.121，貢獻率為11.214%，葉片中脈厚度有較高的載荷值。發(fā)達的中脈具有良好的水分、養(yǎng)分輸送功能和保水、貯水作用，中脈越厚，植物抗旱性越強。

2.3 供試植物抗旱性綜合評價

對品種進行綜合評價，就是對影響事物或現(xiàn)象的每一個因素作出總的評價，賦予其一個非負實數(shù)，這種評價方法即隸屬函數(shù)分析法[17]。用隸屬函數(shù)進行綜合評價，彌補了方差分析的不足，它能對各品種的各項指標進行綜合分析，從而對植物作出全面評價。根據(jù)主成分分析結(jié)果，篩選出柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、中脈厚度4項指標作為抗旱性評價的主要指標。其中柵欄組織厚度、上表皮厚度、中脈厚度與植物抗旱性呈正相關(guān)，可用模糊隸屬函數(shù)法計算；而海綿組織厚度與植物抗旱性呈負相關(guān)，可用反隸屬函數(shù)計算。通過對4項指標的隸屬函數(shù)值求平均值，按其大小排序得到11種城市森林植物基于葉片解剖結(jié)構(gòu)的抗旱性綜合評價結(jié)果(表4)為：山桃>檸條>歐洲白榆>木藤蓼>山杏>河北楊>金葉蕕>沙棗>沙棘>香莢蒾>水蠟。

表 4 西寧市11種城市森林植物葉片旱性結(jié)構(gòu)基于隸屬函數(shù)法的綜合評價結(jié)果

續(xù)表 4 Continued table 4

3 結(jié)論與討論

本研究中11種植物的葉片解剖特征表明：不同植物種間存在不同程度的差異，但因其均為西寧市應用頻次較高的植物，與蔡永立等[9]、史剛榮等[12]、肖軍等[18]在華東、華南地區(qū)研究的植物相比，大都形成了對西北地區(qū)干旱強光環(huán)境的適應結(jié)構(gòu)，如具有有效減少水分蒸發(fā)的發(fā)達角質(zhì)層、增強貯藏水分能力的較厚葉片、避免強光灼傷和進行光合作用的發(fā)達柵欄組織、起輸導和支持作用的發(fā)達中脈以及強光下利于植物蒸騰與散熱的較大密度的氣孔。

本研究還通過主成分分析將11種植物的抗旱鑒定指標歸納成柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度以及中脈厚度4個主成分，4個主成分的累積方差貢獻率為82.206%，其中第1主成分的貢獻率最高，為33.768%，而第1主成分中又以柵欄組織厚度的載荷值最大，這與劉紅茹等[10]評價延安城區(qū)10種闊葉植物時選擇的指標相同，說明柵欄組織是評價植物抗旱性的重要指標之一。上表皮厚度作為評價抗旱性的代表性指標，也在肖軍等[18]、韓剛等[19]的論文中被多次提到。選擇中脈厚度作為抗旱性代表指標，在張振師等[20]的論文中也曾用到。而海綿組織作為植物抗旱性代表指標則較少提到，僅見于李曉儲等[21]對含笑葉片結(jié)構(gòu)與抗旱性的分析中，說明本研究選擇將海綿組織作為代表性抗旱指標僅針對供試的11種植物，不能廣泛應用于其他植物。

隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標測定基礎(chǔ)上對研究對象某一特征進行綜合評價的途徑，避免了單一指標的片面性[14]。不同植物在解剖結(jié)構(gòu)上的抗旱機制可能不同，各種指標之間可能存在此消彼長的情況。因此，利用多指標對植物的抗旱性進行綜合評價，能更好地揭示植物對干旱的適應機制，提高葉片抗旱鑒定的準確性。本試驗在主成分分析的基礎(chǔ)上選擇了4個主要指標進行隸屬函數(shù)分析，使試驗結(jié)果更加可靠。

本研究對11種植物抗旱性的鑒定結(jié)果表明，檸條、山杏、歐洲白榆有較強的抗旱性，這與韓剛等[19]、周澤生等[22]、胡承海等[23]的研究結(jié)論一致。而山桃抗旱性的強弱與朱粟瓊等[24]描述的山桃抗旱性有差異，可能是由于采樣地點生境不同或植物抗旱評價所選擇的指標不同造成的。本研究所選的11種植物中，山桃、檸條、歐洲白榆、木藤蓼、山杏的葉片均有明顯的旱性結(jié)構(gòu)，是適于陽坡、半陽坡大面積應用的抗旱造林和園林綠化植物；香莢蒾、水蠟的抗旱性相對較差，可在陰坡或半陰坡栽植。

植物的抗旱性評價指標有很多，本研究所選的11種植物中，除沙棘、檸條外，針對其他植物的研究很少見，本研究僅從葉片解剖結(jié)構(gòu)水平對植物抗旱性進行了比較分析，有其局限性。近年來迅速發(fā)展的分子遺傳學為植物的抗旱性研究提供了有利工具，尤其是已經(jīng)創(chuàng)立的數(shù)量性狀基因作圖(Quantitative trait locus,QTL)方法，將會極大地促進植物抗旱性的遺傳研究。從分子水平上闡明植物抗旱性的物質(zhì)基礎(chǔ)及其生理功能，從而通過基因工程手段進行抗旱基因重組[23]，以創(chuàng)造抗旱新類型，這應是當前研究的一個熱點。有理由相信，對干旱半干旱地區(qū)植物抗旱性的深入研究，將對人類認識和保護脆弱的生態(tài)系統(tǒng)、合理保護與持續(xù)利用植物資源具有重要的理論和指導意義[2]。

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