邵 財，劉繼永，張 浩，王振興

（中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，長春 130112）

吉林延齡草營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)和光合生理特性對環(huán)境適應性研究

邵 財，劉繼永，張 浩，王振興

（中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，長春 130112）

采用解剖顯微觀察和光合儀測定等方法研究吉林延齡草根、莖、葉營養(yǎng)器官的解剖結(jié)構(gòu)及光合生理特性，揭示其形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)、光合特性與環(huán)境適應性的關系，為吉林延齡草保護及馴化栽培提供理論基礎和科學依據(jù)。結(jié)果表明，吉林延齡草只具有初生構(gòu)造的根、莖及維管組織中沒有形成層，初生木質(zhì)部導管數(shù)量少，輸導組織不發(fā)達；葉片表皮無表皮毛，表皮細胞凸凹不平；葉肉細胞由海綿薄壁細胞組成，排列疏松，細胞之間存在較大間隙；葉片上表皮無氣孔，氣孔分布在葉下表面，氣孔密度為18.69個·mm-2，氣孔表現(xiàn)“外凸”特征。葉片葉綠素a/b比值為1.90；其具有較低光補償點（LCP）和光飽和點（LSP），分別是1.23和415 μmol·m-·2s-1，在光飽和點可達最大凈光合速率為4.44 μmol·m-·2s-1。研究表明，吉林延齡草在形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合生理特性上具有明顯適應陰生潮濕環(huán)境特征，是典型的陰生植物。

吉林延齡草；解剖結(jié)構(gòu)；光合特性；環(huán)境適應

網(wǎng)絡出版時間2015-4-30 14:31:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1431.006.html

邵財,劉繼永,張浩,等.吉林延齡草營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)和光合生理特性對環(huán)境適應性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2015,46(5): 32-37.

Shao Cai,Liu Jiyong,Zhang Hao,et al.Study on environment adaptation of vegetative organs anatomical structure and photosynthetic physiological characteristic ofTrillium kamtschaticumPall.ex Pursh[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(5):32-37.(in Chinese with English abstract)

吉林延齡草（Trillium kamtschaticum Pall.ex Pursh）為百合科延齡草屬植物，分布于亞洲東北部地區(qū)，中國主要分布于吉林，生長于海拔500～1 400 m的林下、林緣潮濕處[1]，根莖含有甾體皂甙、偏諾皂苷、延齡草皂苷、薯蕷皂苷、克里托皂苷、甾酮皂苷、倍半萜苷等多種有效成分[2-4]，以干燥根莖入藥，具有鎮(zhèn)靜、止痛、活血、止血功效，是治療高血壓、神經(jīng)衰弱、眩暈頭痛、腰腿疼痛、月經(jīng)不調(diào)、外傷出血、跌打損傷等癥的珍貴中藥材[5]。

目前，由于森林過度采伐，嚴重破壞林下吉林延齡草生長環(huán)境，分布范圍日趨縮小，加上根莖入藥、過量挖掘等因素，致使其種群數(shù)量逐漸減少，如不進行合理保護利用，將會面臨瀕危風險。近年來，我國部分地區(qū)有小規(guī)模馴化栽培，雖能成活但生長不良。Nott等研究認為，植物營養(yǎng)器官形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)及光合生理特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響及植物對環(huán)境的適應[6-7]，迄今為止，國內(nèi)外對吉林延齡草的研究主要集中在化學成分、藥理作用及其外部形態(tài)特征上。為此，本文對吉林延齡草營養(yǎng)器官根、莖、葉解剖結(jié)構(gòu)進行觀察，光合特性分析，深入探討其與所處環(huán)境的關系，為吉林延齡草保護及馴化栽培提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 吉林延齡草形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)觀察

吉林延齡草材料采自吉林左家鎮(zhèn)，在取樣區(qū)域內(nèi)隨機選取生長良好的植株，分別選取吉林延齡草根、莖、葉，采用FAA固定液[38%甲醛∶冰乙酸∶70%乙醇=1∶1∶18（體積比）]固定，采用石蠟切片法制片[8-9]，翻紅-固綠對染，Nikon Eclipse 80i光學顯微鏡觀察并拍照。

采用無色指甲油印痕法對吉林延齡草成熟葉上、下表皮氣孔分布進行觀察，NIS-Elements AR3.2軟件進行相關數(shù)據(jù)測量分析。

1.2 葉片葉綠素含量測定

2014年6月，隨機選取3株長勢良好、朝向一致的植株，每株選取大小基本一致葉片，采用張志良等方法測定葉綠素含量[10]。

1.3 光合作用-光響應的測定

2014年6月吉林延齡草生長旺盛期，選擇晴天9:00～12:00測定凈光合速率（Pn）對不同光合有效輻射（PAR）的響應。在取樣區(qū)域內(nèi)選取3株長勢良好、朝向一致、葉片大小相似的植株，應用英國Hansatech公司生產(chǎn)的CIRAS-2型便攜式光合測定系統(tǒng)對其葉片中部進行光合作用-光響應的測定。測定時使用大氣CO2濃度，利用人工光源，光強設定800、700、600、500、400、300、200、100、0 μmol·m-2·s-1共9個梯度。每次測定時間均為180 s，儀器自動記錄凈光合速率（Pn），繪制光合作用光響應曲線（Pn-PAR曲線），參照張保玉方法利用二項式擬合方程求出吉林延齡草光合作用光飽和點（LSP）、光補償點（LCP）和最大凈光合速率（Pmax）[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林延齡草形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)

吉林延齡草根形態(tài)及營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)見圖版Ⅰ。

圖版Ⅰ 吉林延齡草根形態(tài)及營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)PlateⅠ Root morphological and anatomical structure of nutritive organs of Trillium kamtschaticum

2.1.1 吉林延齡草根形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)

吉林延齡草根具有典型單子葉植物根的結(jié)構(gòu)（見圖版Ⅰ-1、2），包括表皮、皮層、中柱三部分，無次生結(jié)構(gòu)。表皮細胞1層，細胞形狀不規(guī)則、排列緊密。由根外部形態(tài)可知，其須根側(cè)根較少，根尖成熟區(qū)未發(fā)現(xiàn)根毛。根橫切面整體上呈現(xiàn)“車輪形”，即外皮層與內(nèi)皮層的聯(lián)系是靠多層薄壁細胞疊加起來的細胞群連接，皮層在整個橫切面占有比例較大，有7層細胞，外皮層有1層細胞且細胞壁明顯加厚，細胞排列緊密，無細胞間隙，成為連續(xù)的一層，形成根的保護層，內(nèi)皮層未見明顯凱氏帶構(gòu)造。中柱包括中柱鞘、初生木質(zhì)部、初生韌皮部。初生木質(zhì)部與初生韌皮部成輻射式排列，初生木質(zhì)部包括原生木質(zhì)部和后生木質(zhì)部兩部分，原生木質(zhì)部在木質(zhì)部的最外面，其中導管孔徑較細，后生木質(zhì)部束生達中柱中心，無髓結(jié)構(gòu)，導管數(shù)量較少，排列緊密，孔徑大小不一，后生木質(zhì)部薄壁組織細胞體積較小，排列于導管周圍；木質(zhì)部具有四個木質(zhì)部束，為四原型木質(zhì)部；由根的縱切可知（見圖版Ⅰ-3），木質(zhì)部導管類型為螺紋導管。

2.1.2 吉林延齡草莖形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)

吉林延齡草莖初生結(jié)構(gòu)由表皮、皮層、維管束三部分組成（見圖版Ⅰ-4）。表皮細胞1層，細胞近似磚形，排列緊密，沒有細胞間隙。表皮層之內(nèi)有1層厚壁的薄壁組織（硬化薄壁組織），硬化薄壁組織之內(nèi)為薄壁組織，皮層薄壁細胞體積較大，呈不規(guī)則形狀，細胞間存在較小細胞間隙，細胞間分布有少量氣道（通氣組織）；維管束分散分布在莖中，在莖的外周分布較密集，在莖的中心分布較疏松，維管束包含初生木質(zhì)部和初生韌皮部兩部分，沒有形成層，但莖中維管束被一圈厚壁組織鞘（束鞘）包被，韌皮部細胞小，排列緊密，不同維管束中木質(zhì)部導管數(shù)量不等，成環(huán)形排列，導管孔徑大小有差異（見圖版Ⅰ-5）。

2.1.3 吉林延齡草葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)

由圖版Ⅰ-6、7可見，吉林延齡草上、下表皮細胞呈不規(guī)則形狀，犬牙交錯，排列緊密，無細胞間隙，上表皮無氣孔，氣孔僅分布在下表皮，保衛(wèi)細胞腎形，氣孔口長橢圓形；下表皮氣孔密度為18.69個·mm-2。由葉橫切面觀察（見圖版Ⅰ-8、9），上、下表皮均由單層細胞構(gòu)成，上表皮有較薄的角質(zhì)層，無表皮毛，表皮細胞凸凹不平；下表皮氣孔略微凸起，氣孔下有較大的氣孔下室；上、下表皮之間的葉肉由海綿薄壁細胞組成，無明顯柵欄組織分化，葉肉細胞形狀不規(guī)則，細胞排列疏松，細胞間有較大間隙，形成葉肉中較為發(fā)達的通氣組織。

2.2 吉林延齡草葉片光合生理特性

葉片中葉綠素含量是維持植物正常光合作用以及葉片色澤、彩化度的主要指標，與生境條件和植物種的特性相關。由表1可見，吉林延齡草葉片中葉綠素含量較高，其葉綠素a/b比值為1.90。光補償點（LCP）是植物進行光合作用所需的最低光強，光強低于LCP，植物生長不能正常進行，光補償點越小，表明植物利用弱光的能力越強；光飽和點（LSP）是植物光合作用最大時的光強，是植物利用強光能力的指標，光飽和點越高則表明植物適應強光能力越強。吉林延齡草光合作用-光響應曲線（Pn-PAR曲線）表明（見圖1），其具有較低的LCP，僅為1.23 μmol·m-2·s-1，同時，具有較小的LSP，為415 μmol·m-2·s-1，在光飽和點可達最大凈光合速率為4.44 μmol·m-2·s-1，由此可知，吉林延齡草利用弱光的能力較強，適應強光的能力較弱。

圖1 吉林延齡草葉片凈光合速率對不同光合有效輻射的響應Fig.1 Light response curves of the net photosynthetic rate (Pn)to the photosynthetically active radiation(PAR)of the leaves of the Trillium kamtschaticum

3 討論與結(jié)論

3.1 解剖結(jié)構(gòu)對環(huán)境的適應

生長在不同生態(tài)環(huán)境中的植物，表現(xiàn)出不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，是植物對特定生境的演化適應[12]。吉林延齡草生于海拔500～1 400 m的林下、林邊陰濕處。本研究發(fā)現(xiàn)，吉林延齡草具備陰生植物結(jié)構(gòu)特征，體現(xiàn)出對陰生環(huán)境的適應性。

從吉林延齡草石蠟切片來看，吉林延齡草只具有初生構(gòu)造的根、莖，維管組織中無形成層，不能夠加粗，其根、莖無次生生長，初生木質(zhì)部導管數(shù)量少，孔徑較細，輸導組織不發(fā)達。在這種情況下，根尖吸水能力不能超過輸導組織的運輸能力。因此，吉林延齡草不能生出太多側(cè)根，根外部形態(tài)觀察根尖成熟區(qū)沒有根毛，減少水分吸收面積，這與陰生植物黃連研究報道一致[13]。

柵欄組織發(fā)達、表皮細胞排列平直是陽生葉典型特征，而海綿組織發(fā)達、表皮細胞凸透形則是葉片對于弱光、水分充足的一種適應特性[14-16]。本研究中吉林延齡草葉肉組織無明顯柵欄組織，葉肉細胞僅由海綿薄壁細胞組成，排列疏松、胞間隙較大，可減少光量子投射損失，使植物更充分地利用有限光能進行光合作用，積累有機物質(zhì)，提高陰生環(huán)境適應性[17]。此外，Ehlreinger等研究報道，表皮是控制葉片吸收光量子重要因素，葉片表皮附屬物，如表皮毛、短柔毛等，可減少葉片對光量子吸收[18-19]。吉林延齡草生長在陰生環(huán)境中，無高光強照射，其葉片無表皮毛，可減少光量子損失，利于吸收更多光能，提高光合產(chǎn)量，適應林下弱光生長環(huán)境。

氣孔是植物與外界環(huán)境進行氣體交換重要通道，氣孔密度關系到植物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等重要生理過程。王榮等研究發(fā)現(xiàn)，生長在高光強下的植物通常比低光強下的植物具有更高的氣孔密度[15,17]。林植芳等對大量植物葉片的氣孔分布研究后發(fā)現(xiàn)，生長迅速、光合能力較強的植物有較高的氣孔上下表皮比，生長較緩慢，光合效率較低的陰生植物則在葉片上表面只有少數(shù)或沒有氣孔，與本研究結(jié)果一致[20]。有利于緩解在較高光強下由于具有較大葉肉表面積而造成CO2擴散受阻情況[21]。本研究吉林延齡草葉氣孔下有較大氣孔下室，可能是對葉片氣孔少的適應，防止CO2擴散受阻；葉片上表皮無氣孔分布、下表皮氣孔數(shù)量低于陰生植物平均水平（40～100個·mm-2）[22]、氣孔密度小（18.69個·mm-2）等結(jié)構(gòu)特征，可減少蒸騰作用[23]。表明植株適宜生長在陰濕環(huán)境中，避免強光下由于維管組織不能為葉片提供充足水分及因氣孔數(shù)量較少，無法達到正常蒸騰降溫目的，造成葉片局部溫度過高而干枯，甚至導致植株死亡；葉片下表皮氣孔“外凸”特征適應潮濕陰生的環(huán)境[13]。

3.2 光合生理特性對環(huán)境的適應

葉綠素是植物光合作用吸收光能的主要光合色素，一般來說陽地植物葉片葉綠素a/b比值約為3∶1，而陰生植物葉綠素a/b比值約為2.3∶1[22]，從本研究結(jié)果可知吉林延齡草葉片含有高葉綠素含量，但其葉綠素a/b比值僅為1.90，小于陰生植物比值標準，表明吉林延齡草葉片中葉綠素b相對含量較高，可更有效利用漫射光中較多藍紫光，適應陰生環(huán)境生長。

光合-光響應參數(shù)提供植物對環(huán)境條件變化適應能力的光合特性信息，反映植物對光照強度適應能力，在一定程度上決定植物分布模式。植物LSP表示對光照強度需求量，其值越高表示對光強需求越大。植物LCP反映其對弱光適應能力，LCP值越小，植物利用弱光能力越強[16,24]。白偉嵐等通過對50種植物光合特性曲線分析，指出光補償點和光飽和點是評價植物耐陰能力指標，一般草本陰生植物光補償點和光飽和點值域分別是1～5和400～850 μmol·m-2·s-1，草本陽生植物光補償點和光飽和點值域分別是10～40和1 200～2 500 μmol·m-·2s-1[25]。本研究表明，吉林延齡草光補償點和光飽和點值域分別是1.23和415 μmol·m-2·s-1，具有較低光補償點和光飽和點，表明利用弱光能力較強，對光強需求量較小，與胡天印等研究結(jié)果一致[26]。

以上研究表明，從吉林延齡草形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)特點均表現(xiàn)出其對陰生環(huán)境的適應；從葉綠素a/b比值和光合-光響應曲線分析，吉林延齡草是典型陰生植物。因此，吉林延齡草在原產(chǎn)地就地保護時，應注意調(diào)光，避免樹木茂盛郁閉度過大或清林過度郁閉度過小，在引種馴化栽培過程中，進行適當遮陰處理，調(diào)節(jié)最適光強，達到遷地保護目的，實現(xiàn)資源可持續(xù)利用。

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Study on environment adaptation of vegetative organs anatomical structure and photosynthetic physiological characteristic ofTrillium ka?mtschaticumPall.ex Pursh

SHAO Cai,LIU Jiyong,ZHANG Hao,WANG Zhenxing(Insti-tute of Special Animals and Plant Sciences,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Changchun 130112,China)

The anatomic structure of nutritive organs,such as root,stem,leaf and photosynthetic physiological properties of the leaves ofTrillium kamtschaticumwas studied with paraffin sectioning method and photosynthetic apparatus.The objective of the present study was to explain how the anatomical structuresandphotosyntheticphysiologicalcharacteristicsofTrilliumkamtschaticumtoadaptits environment,and could provide theoretical foundation and scientific basis for its protection and domestication cultivation.The results showed that it had the primary structure of root and stem.There was no cambium invascular tissue.The number of catheter was less and conducting tissue wasn't developed.There was no epidermal hair on the leaf epidermis and the epidermic cells were uneven.The mesophyll cells were only composed of sponge parenchyma cells.It arranged loosely and the intercellular space was large.There was no stoma in upper epidermis of leaf.There was stoma in lower surface of leaf and the stomatal density was 18.69 individual·mm-2.The stomas were convex.The ratio of the chlorophyll a/b was 1.90 and the light compensation point and the light saturation point of leaf was 1.23 and 415 μmol·m-2·s-1,respectively.The maximum net photosynthetic rate was 4.44 μmol·m-2·s-1.These results indicated thatTrillium kamtschaticum had the obviously morphological structure and photosynthetic physiological characteristic to adapt shade and wet environment.It was a typical shade plant.

Trillium kamtschaticum;anatomic structure;photosynthetic properties;environment adaptation

Q944.53

A

1005-9369（2015）05-0032-06

2015-01-12

吉林省科技支撐計劃項目（20120909）

邵財（1982-)，男，助理研究員，碩士，研究方向為藥用植物資源學。E-mail:shaocai2003@163.com