秦鵬堯，高肖賢

(1.北京101實(shí)驗(yàn)中學(xué),北京 100091；2.中科耀華教育科技有限公司,北京 100091)

1 研究目的

旨在通過(guò)分析對(duì)比北極蓼屬、柳屬植物與北京采集的蓼屬、柳屬植物不同點(diǎn)，了解植物光合作用的主要器官—葉子表皮細(xì)胞的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征，特別是呼吸器官氣孔的表面特征，得到造成差異的原因，借此得出氣孔與氣候類(lèi)型的關(guān)系，對(duì)豐富植被多樣性，保護(hù)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有重要意義。

2 研究方法

2.1 樣品采集

筆者在北極采集了腎葉山蓼與北極柳植物樣品，為保持?jǐn)?shù)據(jù)可靠性，采集了足夠數(shù)量的樣品帶回北京。同時(shí)在北京百花山采集了拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼以及黃花柳植物樣品。上述植物的種屬信息如表1所示。

表1 植物種屬信息

2.2 樣品處理

將以上采集到的植物樣品利用電子顯微鏡對(duì)其葉片表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察。

2.2.1 樣品固定

將葉片切成2～3 mm見(jiàn)方的小塊，迅速投入FAA固定液中，上下顛倒幾次去除氣泡以利于樣品沉底，4 ℃固定24 h以上。其中FAA固定液(100 mL): 50%乙醇90 mL、冰乙酸5 mL、甲醛5 mL。如樣品為植物幼胚、花器官等幼嫩材料，則FAA固定液組成如下：50%乙醇89 mL、冰乙酸6 mL、甲醛5 mL。

2.2.2 樣品脫水、置換

樣品進(jìn)行梯度乙醇脫水，70%、80%、90%、95%、100%乙醇，各處理15～20 min(可提前1 d做好，放于4 ℃過(guò)夜)；乙酸異戊酯置換(此時(shí)最好在玻璃器皿內(nèi)進(jìn)行)：75%乙醇+25%乙酸異戊酯，50%乙醇+50%乙酸異戊酯，25%乙醇+75%乙酸異戊酯，100%乙酸異戊酯，各處理15～20 min。

2.2.3 二氧化碳臨界點(diǎn)干燥

將樣品處理過(guò)后，進(jìn)行干燥，每次最多可干燥6個(gè)樣品。

2.2.4 粘臺(tái)、鍍膜

干燥后的植物樣品用雙面膠粘在金屬臺(tái)上，使待觀(guān)察部位朝上，然后用離子濺射儀對(duì)金屬臺(tái)噴金、鍍膜。

2.2.5 掃描電鏡觀(guān)察

對(duì)樣品進(jìn)行電鏡觀(guān)察，仔細(xì)記錄觀(guān)察結(jié)果。重點(diǎn)對(duì)較低倍數(shù)下植物葉片正面和反面的氣孔分布規(guī)律，及其高倍數(shù)下氣孔及保衛(wèi)細(xì)胞、副衛(wèi)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用CAD作圖軟件對(duì)植物葉片氣孔的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)氣孔的面積進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 5種蓼科植物表皮微形態(tài)特征比較

蓼科五種植物的電鏡掃描結(jié)果見(jiàn)圖1～5，由圖中看出：①腎葉山蓼植物葉表皮細(xì)胞為多邊形，垂周壁平直至弓形，少有淺波狀；氣孔器為不規(guī)則型，少有不等細(xì)胞型。腎葉山蓼的氣孔外拱蓋內(nèi)緣近平滑，角質(zhì)層無(wú)明顯條紋，呈淺波狀隆起，膜狀蠟質(zhì)層，被蠟質(zhì)顆粒；②馬蓼上表皮細(xì)胞呈不規(guī)則多角形，垂周壁較平直，下表皮細(xì)胞垂周壁彎曲；上下表皮均有多列性非腺毛、腺毛及氣孔，以下表皮為多。氣孔平軸式，少數(shù)不定式或不等式。多列性非腺毛大多稍彎曲，長(zhǎng)184～797 μm，基部直徑29～60 μm，細(xì)胞壁稍厚，基部細(xì)胞具孔溝；③尼泊爾蓼上表皮細(xì)胞類(lèi)五、六邊形，垂周近平直，具有水波樣紋飾；下表面細(xì)胞垂周壁呈深波浪形彎曲，無(wú)紋飾；上下表面均有類(lèi)圓形的腺鱗；葉緣具有水波紋飾的單細(xì)胞非腺毛；氣孔不定式，橢圓形，長(zhǎng)19.15 μm～25.34 μm，寬15.03 μm～18.43 μm，副衛(wèi)細(xì)胞3～4個(gè)；④拳蓼表皮細(xì)胞呈矩形，垂周壁式樣為平直弓形或波紋狀，表皮光滑或在長(zhǎng)軸方向上有條紋，上下表皮都有氣孔分布，氣孔器類(lèi)型為不等細(xì)胞型兼不規(guī)則型，葉表面密被短柔毛，腺體；⑤珠芽蓼從葉表皮形態(tài)上看，其葉上、下表皮細(xì)胞多呈現(xiàn)不規(guī)則形，淺波紋狀的垂周壁，氣孔器微形態(tài)特征為無(wú)規(guī)則型和不等型共存。

圖1 腎葉山蓼葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖2 拳蓼葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖3 馬蓼葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

3.2 北極柳與中國(guó)黃花柳葉表皮微形態(tài)特征比較

由圖6、7掃描電子顯微鏡觀(guān)察結(jié)果來(lái)看，中國(guó)黃花柳蠟質(zhì)紋飾為錐形纖維體，氣孔外拱蓋隆起且平滑，內(nèi)緣角化明顯，頂端聚為小片狀的纖維體，周?chē)鸁o(wú)脊?fàn)钔黄稹６勺员睒O的北極柳則為表面有疣狀突起的殼狀蠟質(zhì)層，氣孔陷于蠟質(zhì)層內(nèi)，看不到外拱蓋等結(jié)構(gòu)，頂端聚為大片狀的鱗片狀纖維體，周?chē)屑範(fàn)钔黄?。兩者微形態(tài)特征區(qū)別非常明顯，后者蠟質(zhì)層發(fā)育更好，推測(cè)分布于寒溫帶和高海拔地區(qū)的柳屬種類(lèi)可能是為適應(yīng)更寒冷的氣候環(huán)境，多數(shù)具有較厚的痂狀蠟質(zhì)層或纖維體。而分布在溫帶地區(qū)的種類(lèi)蠟質(zhì)層多光滑且較薄。

圖4 尼泊爾蓼葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖5 珠芽蓼葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖6 北極柳葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖7 黃花柳葉面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

3.3 北極腎葉山蓼與北京蓼科植物氣孔數(shù)量及面積對(duì)比

在200倍放大倍數(shù)下對(duì)北極腎葉山蓼和北京百花山拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼和珠芽蓼植物葉片正反面氣孔數(shù)量進(jìn)行了計(jì)數(shù)，同時(shí)測(cè)量了各自氣孔長(zhǎng)度(表2)。北極腎葉山蓼正面葉片的長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)度分別為20.95 μm和15.24 μm，單個(gè)氣孔面積為250.63 μm2；反面長(zhǎng)軸為16.3 μm，短軸為12.6 μm，單個(gè)氣孔面積為161.22 μm2。較北極腎葉山蓼而言，北京百花山的其他四種蓼屬植物外表皮氣孔的面積要小很多，但氣孔數(shù)量很少，葉片正面氣孔數(shù)量有3個(gè)，多的達(dá)7個(gè)。單位面積下(253800 μm2)北極腎葉山蓼葉面正面氣孔數(shù)量為18個(gè)，反面氣孔數(shù)量為56個(gè)，遠(yuǎn)多于北京百花山其他蓼屬植物。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是上表皮還是小表皮，腎葉山蓼葉片的單個(gè)氣孔面積均小于北京百花山采集的拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼和珠芽蓼。但由于腎葉山蓼上下表皮氣孔數(shù)量均多于其他四種蓼屬植物，故其氣孔總面積(正面4511.39 μm2，反面為9028.51 μm2)均大于拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼。

表2 腎葉山蓼、拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼氣孔數(shù)量及面積對(duì)比

4 討論

4.1 環(huán)境因素對(duì)蓼科植物氣孔的影響

氣孔是存在于植物葉片表皮和莖上的微小孔隙，氣孔通過(guò)控制植物與外界的氣體和水分交換來(lái)適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。氣孔雖小，但是對(duì)于植物水分利用、營(yíng)養(yǎng)吸收、物質(zhì)代謝等方面以及整個(gè)生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用不容小視。氣孔總面積僅占葉片總面積的5%，但是通過(guò)氣孔蒸發(fā)的水分卻占植物總失水量的70%。植物生長(zhǎng)的環(huán)境對(duì)氣孔有很大的影響。田鑫和于廣文[1]指出在干旱脅迫輕度發(fā)展時(shí)，葉片各個(gè)部位氣孔密度分布差異不是很大，而干旱脅迫達(dá)到一定程度后，其氣孔密度在整個(gè)葉上的分布即出現(xiàn)嚴(yán)重紊亂。絕大多數(shù)研究表明遮蔭處理會(huì)促使多數(shù)植物的氣孔數(shù)量減少，氣孔密度會(huì)變小，氣孔的形狀發(fā)生改變，植物的氣孔導(dǎo)度和凈光合速率降低。在CO2濃度、水分狀況相同的條件下，不同溫度也會(huì)對(duì)葉片的氣孔分布產(chǎn)生影響。隨溫度升高，氣孔密度下降，而且當(dāng)CO2濃度變化較小時(shí)，溫度變化的影響將超過(guò)濃度變化的影響[2]。以上都是植物為了適應(yīng)一定的環(huán)境所作的反應(yīng)。

作者在對(duì)植物光合作用基本了解的基礎(chǔ)上，分析北極腎葉山蓼與北京四種蓼科植物氣孔的差異，闡述了環(huán)境因素對(duì)氣孔的影響。為更加直觀(guān)的對(duì)比，將每種植物單個(gè)氣孔的面積列于表2中，并且在掃描電鏡放大200倍的條件下，數(shù)出253800 μm2(600 μm×423μm)內(nèi)氣孔的數(shù)量，比較它們?cè)趩挝幻娣e內(nèi)氣孔所占的總面積。腎葉山蓼是雙子葉植物，從圖6、7中的電鏡掃描結(jié)果中可以看出它的氣孔主要分布在葉面的反面。腎葉山蓼氣孔在顆粒面的凹陷里，氣孔開(kāi)放時(shí)會(huì)突出于其他表皮細(xì)胞，有利于進(jìn)行呼吸，在北極夏季的極晝天氣里，腎葉山蓼的氣孔分布于葉面陰面，防止了陽(yáng)光的長(zhǎng)時(shí)間照射，避免了長(zhǎng)期開(kāi)放造成葉面的灼傷(失水過(guò)多)。從表2中可以看出，腎葉山蓼的正反面氣孔數(shù)量整體多于其他4種植物，但是單個(gè)氣孔的面積卻小于其他4種植物，這是由于在遇到大風(fēng)時(shí)可以降低氣孔表面的蒸發(fā)作用，減少體內(nèi)水分的流失。腎葉山蓼的這種結(jié)構(gòu)，有助于它在北極特殊的氣候中更好的進(jìn)行光合作用，為植物提供更多的能量。

對(duì)比生長(zhǎng)于大陸溫帶氣候區(qū)域的拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼，從表2中可以看出它們的氣孔數(shù)量也是陰面的大于正面的數(shù)量，但是整體數(shù)量少于北極植物腎葉山蓼。且它們的氣孔形態(tài)是呈現(xiàn)出突出狀態(tài)，造成這種差別的原因可能是不同氣候類(lèi)型的影響。腎葉山蓼在極晝情況下，就會(huì)打開(kāi)氣孔快速呼吸，為植物生長(zhǎng)提供能量，同時(shí)也為極夜的到來(lái)儲(chǔ)存能量。而生長(zhǎng)于大陸溫帶氣候區(qū)域的拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼不用擔(dān)心能量的散失，在白天進(jìn)行光合作用，為植物提供能量。

4.2 北極柳與中國(guó)黃花柳的氣孔特征

楊柳科柳屬全世界約有520多種，絕大多數(shù)種類(lèi)分布于北半球溫帶地區(qū)[3]。由于楊柳科柳屬的花部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、種內(nèi)居群間形態(tài)變異大、廣泛的自然雜交等原因，楊柳科柳屬被公認(rèn)為是分類(lèi)困難的植物類(lèi)群。掃描電子顯微鏡下的葉表皮微形態(tài)特征，對(duì)于一些根據(jù)宏觀(guān)形態(tài)特征難于區(qū)分的種、屬的鑒定具重要價(jià)值。研究表明植物的微形態(tài)特征是受遺傳因子所控制，比較穩(wěn)定，在植物分類(lèi)學(xué)上有重要的意義[4]?？蔀闂盍屏鴮僦参锏姆诸?lèi)積累葉表皮微形態(tài)學(xué)資料提供幫助。

本文探討掃描電子顯微鏡下北極柳和中國(guó)黃花柳葉表皮微形態(tài)特征。仔細(xì)觀(guān)察表4電鏡掃描結(jié)果，可以看出北極柳與黃花柳在外觀(guān)形態(tài)與氣孔大小上有很大區(qū)別，首先北極柳氣孔外拱蓋內(nèi)緣呈淺波狀，氣孔形態(tài)為氣孔外拱蓋脊?fàn)盥∑鹎矣蓄w粒狀紋飾，內(nèi)緣角質(zhì)化明顯，周?chē)幸蝗β∑鸬募梗娴臍饪状笮”汝幟娴拇?，這樣有利于光合作用的快速進(jìn)行。對(duì)比于北極柳，黃花柳表面有疣狀突起的殼狀蠟質(zhì)層，氣孔陷于蠟質(zhì)層內(nèi)，看不到外拱蓋等結(jié)構(gòu)，頂端聚為大片狀的鱗片狀纖維體，部分部位愈合近似痂狀蠟質(zhì)層。正面氣孔大小大于北極柳的氣孔。由此看來(lái)，掃描電鏡下的葉表皮微形態(tài)特征對(duì)柳屬的種間鑒別有很好的作用。研究發(fā)現(xiàn)，北極柳氣孔外拱蓋淺波狀這一形態(tài)特征可能同環(huán)境存在明顯的相關(guān)性，內(nèi)緣呈淺波狀的氣孔外拱蓋可能對(duì)柳屬極地環(huán)境的種類(lèi)具有指示作用，有特殊的生態(tài)學(xué)意義。

5 結(jié)論

(1) 腎葉山蓼、拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼為適應(yīng)不同氣候及日照條件，氣孔形態(tài)和大小有很大的差別，腎葉山蓼氣孔比較小，呈凹陷狀，但整體氣孔數(shù)量比較多，這是它為適應(yīng)北極氣候所具有的獨(dú)特特征，既可以不會(huì)因蒸發(fā)散失過(guò)多的水分，又可以進(jìn)行高效率的呼吸。其他4種植物氣孔呈橢圓形，內(nèi)緣角質(zhì)化明顯，與腎葉山蓼相比，它們明顯具有溫帶植物的特征。

(2) 比較北極柳與中國(guó)黃花柳，二者的氣孔形態(tài)不同，北極柳氣孔張開(kāi)，周?chē)新∑鸬募梗~面表皮結(jié)構(gòu)較為光滑，而黃花柳氣孔被蠟質(zhì)層包圍，具有較厚的痂狀蠟質(zhì)層或纖維體。

(3) 在總結(jié)上述規(guī)律基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)分布于寒冷地區(qū)和高海拔地區(qū)的柳屬植物的葉表皮微形態(tài)特征相對(duì)多樣，這可能是植物對(duì)寒冷環(huán)境的適應(yīng)進(jìn)化。通過(guò)大致總結(jié)的規(guī)律可以用來(lái)區(qū)分不同氣候類(lèi)型區(qū)域生長(zhǎng)的植物，這樣對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)生物多樣性具有積極的意義。