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        3 種圓柏屬植物葉片氣孔特征對(duì)自然光強(qiáng)的響應(yīng)

        2022-06-07 01:59:34宋晨慧張有福王夢(mèng)可王露露陳春艷
        廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:圓柏軸面氣孔

        宋晨慧,張有福,王夢(mèng)可,王露露,陳春艷

        (河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

        【研究意義】植物氣孔是由兩個(gè)特殊分化的保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成的孔狀結(jié)構(gòu)[1],是植物與環(huán)境進(jìn)行氣體和水分交換的通道,也是植物響應(yīng)環(huán)境變化調(diào)節(jié)光合和蒸騰的調(diào)節(jié)位點(diǎn)。為適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境,植物既可通過(guò)保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓調(diào)節(jié)氣孔大小和開(kāi)度,也可通過(guò)氣孔密度和氣孔分布平衡光合作用和水分散失[2]。其中植物依賴于氣孔的開(kāi)度調(diào)節(jié)蒸騰和光合常用來(lái)解釋適應(yīng)環(huán)境因子的短期變化[3],氣孔分布和密度的變化則是植物適應(yīng)環(huán)境因子長(zhǎng)期變化的結(jié)果。然而植物往往通過(guò)多種氣孔功能性狀協(xié)調(diào)適應(yīng)環(huán)境變化,表現(xiàn)出氣孔大小與氣孔密度之間存在穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)關(guān)系[4]。另外,氣孔特征也受到植物本身遺傳因素的決定。因此,分析不同環(huán)境氣孔特征、氣孔參數(shù)之間的關(guān)系有利于揭示植物適應(yīng)環(huán)境的種間差異和長(zhǎng)期與短期適應(yīng)的差異?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】光是植物賴以生存的基礎(chǔ)。光照強(qiáng)度被認(rèn)為是影響植物氣孔發(fā)育和功能的重要環(huán)境因素。長(zhǎng)期以來(lái),關(guān)于氣孔性狀對(duì)光照強(qiáng)度的響應(yīng)展開(kāi)了大量的研究并取得一些成果?;ㄉㄟ^(guò)保衛(wèi)細(xì)胞的膨脹和收縮調(diào)節(jié)氣孔大小以適應(yīng)光照的日變化[5]。10 種地被植物在遮蔭環(huán)境下葉片氣孔密度相對(duì)較少,小的氣孔密度有利于葉片更好地吸收并儲(chǔ)存光能[6]。楓香(Liquidambar formosana)通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度和氣孔密度以適應(yīng)不同環(huán)境的長(zhǎng)期光照差異[7]。蛇足石杉(Huperzia serrata)在一定范圍內(nèi),隨著環(huán)境中光照強(qiáng)度的增加,氣孔長(zhǎng)度和寬度、氣孔密度都呈增加的趨勢(shì),小而密的氣孔是其適應(yīng)旱生環(huán)境的表現(xiàn)[8]。刺槐(Robinia pseudoacacia)在光照充足的南坡葉片氣孔小但氣孔密度高,在郁閉程度高的北坡氣孔大但氣孔密度?。?],這是光合產(chǎn)物在不同構(gòu)件或功能間權(quán)衡分配的結(jié)果。

        【本研究切入點(diǎn)】以往的研究?jī)A向于氣孔特征的日變化來(lái)解釋植物適應(yīng)短期光照變化下的氣孔調(diào)節(jié),或者不同生境下氣孔差異解析長(zhǎng)期光照差異下氣孔的適應(yīng)性變化[5,7],但這些研究都缺乏氣孔結(jié)構(gòu)和功能在同一環(huán)境下長(zhǎng)短期光照變化的比較分析。因此,比較同一生境下同屬植物氣孔響應(yīng)長(zhǎng)期和短期光照差異將為進(jìn)一步闡明植物氣孔響應(yīng)光環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制提供借鑒。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選取3 種圓柏屬植物為研究對(duì)象,測(cè)定同一生境不同光照下的氣孔特征并進(jìn)行比較分析,進(jìn)一步探討氣孔響應(yīng)光環(huán)境變化及其適應(yīng)策略,為解析圓柏屬植物葉形差異與光照強(qiáng)度關(guān)系與適應(yīng)性提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        供試樣品采自洛陽(yáng)市周山森林公園,該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,海拔196~269 m,年均降水量672.6 mm。2021 年3 月中旬,在地勢(shì)平坦、樹(shù)間無(wú)明顯遮蔭的地方,選擇生長(zhǎng)情況良好、健壯無(wú)蟲(chóng)害的圓柏(Juniperus chinensis)、龍柏(J.chinensiscv.Kaizuca)、塔 柏(J.chinensiscv.Pyramidalis)各4 株,選擇無(wú)風(fēng)、晴朗的天氣,剪取離地2 m 處的樹(shù)冠陰、陽(yáng)面的葉片,將其分別放入裝有FAA 固定液的離心管中,帶回實(shí)驗(yàn)室抽真空至葉片全部沉入固定液中,24 h 后進(jìn)行制片和氣孔特征測(cè)定。因圓柏蒸騰速率的日變化曲線基本呈單峰拋物線型,13:00 左右達(dá)到最高峰[10]。采樣時(shí)間為早上5:50—6:20 和中午11:00—11:30,即此時(shí)間段內(nèi),光照為影響氣孔運(yùn)動(dòng)的主要因素。

        3 種圓柏屬植物均具異形葉特征,其中圓柏、龍柏多鱗形葉,塔柏多刺形葉。因此,在進(jìn)行葉片氣孔特征比較時(shí),為避免葉型帶來(lái)的影響,圓柏和龍柏的葉片僅采用鱗形葉,塔柏僅采用刺形葉。以早晨和中午時(shí)段采集的葉片代表短期光照的變化;因樹(shù)冠朝向?qū)е碌娜~片所處的光環(huán)境不同,以樹(shù)冠陰、陽(yáng)面代表長(zhǎng)期光照差異。

        1.2 試驗(yàn)方法

        葉表皮制片方法參照朱玉懷等的NaClO法[11]。每個(gè)樹(shù)種選取8 張臨時(shí)裝片用于測(cè)定各氣孔參數(shù),每張制片在顯微鏡下隨機(jī)選取5 個(gè)視野,每個(gè)視野內(nèi)隨機(jī)選取5 個(gè)氣孔,用顯微測(cè)微尺測(cè)量保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度(GCL)和保衛(wèi)細(xì)胞寬度(GCW)及氣孔開(kāi)度(SA),氣孔開(kāi)度由氣孔內(nèi)壁最寬處的寬度代表,并記錄視野面積內(nèi)的氣孔個(gè)數(shù),計(jì)算氣孔密度(SD):

        氣孔密度=氣孔數(shù)/視野面積(0.1590 mm2)

        自然界中多數(shù)植物的氣孔主要分布在葉片遠(yuǎn)軸面,但鑒于圓柏屬植物的氣孔主要分布在葉片近軸面,故僅以近軸面氣孔作相關(guān)分析。

        1.3 數(shù)據(jù)分析

        對(duì)不同自然光強(qiáng)下植物葉片的氣孔參數(shù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。若差異顯著,則將顯著變化的氣孔參數(shù)組合,采用線性回歸法分析它們?cè)陂L(zhǎng)短期光照變化下的關(guān)系。采用IBM SPSS Statistics 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,應(yīng)用Microsoft Excel 2019 軟件作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 圓柏屬植物葉片氣孔特征

        圓柏屬植物存在鱗形葉和刺形葉,圓柏和龍柏鱗形葉上的氣孔主要分布在近軸面上,除了中軸和葉緣處,整個(gè)近軸面都分布有氣孔,而遠(yuǎn)軸面上只有相鄰兩葉交界處有氣孔分布。塔柏刺形葉的氣孔僅分布在葉片近軸面,除了中軸處和葉緣外,整個(gè)近軸面全部被氣孔覆蓋,且有兩條明顯的氣孔帶,而遠(yuǎn)軸面無(wú)氣孔分布(表1)??梢?jiàn),具有異形葉的圓柏屬植物的氣孔多分布在葉的近軸面。

        表1 3 種圓柏屬植物葉表皮微形態(tài)結(jié)構(gòu)比較Table 1 Comparison of leaf epidermal micromorphologies of three species of Juniperus

        2.2 自然光照對(duì)3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)的影響

        2.2.1 短期光照變化對(duì)氣孔參數(shù)的影響 3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)的日變化趨勢(shì)基本一致(表2)。中午自然光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí),3 種圓柏屬植物GCW比早晨分別顯著減小0.06%、0.09%、0.09%,SA分別顯著增大27.6%、24.3%、24.3%,但GCL、SD 無(wú)顯著差異,表明3 種圓柏屬植物主要通過(guò)調(diào)節(jié)GCW 的收縮增大SA 以適應(yīng)短期光照變化。

        表2 3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)的日變化特征Table 2 Diurnal change characteristics of stomatal parameters of three species of Juniperus

        2.2.2 長(zhǎng)期光照差異對(duì)氣孔參數(shù)的影響 樹(shù)冠朝向引起葉片接受的光照強(qiáng)弱和時(shí)長(zhǎng)不同,導(dǎo)致3 種圓柏屬植物陰陽(yáng)面氣孔參數(shù)間存在差異(表3)。圓柏、龍柏、塔柏陰面葉的GCL 比陽(yáng)面分別顯著增大0.05%、0.04%、0.07%,SA 比陽(yáng)面分別顯著增大47.7%、18.4%、39.0%,但GCW比陽(yáng)面分別顯著減小1.0%、6.8%、10.2%,SD 比陽(yáng)面分別顯著降低26%、8%、18%,表明植物通過(guò)SA 和SD 的雙重調(diào)節(jié)以適應(yīng)長(zhǎng)期光照差異。

        表3 3 種圓柏屬植物樹(shù)冠陰陽(yáng)面氣孔參數(shù)的變化特征Table 3 Variation characteristics of stomatal parameters between the shady and sunny sides of the canopy of three species of Juniperus

        2.3 自然光照下3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)間的關(guān)系

        2.3.1 短期光照變化下氣孔參數(shù)間的關(guān)系 日變化下,3 種圓柏屬植物葉片的GCW 與SA 均發(fā)生顯著變化且相關(guān)性較強(qiáng)(r分別為0.879、0.914、0.418)(圖1),表明3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)相關(guān)性一致,SA 均隨著GCW 的減小而增大。

        圖1 3 種圓柏屬植物日變化下氣孔參數(shù)間的相關(guān)性Fig.1 Correlation of stomatal parameters of three species of Juniperus under diurnal changes

        2.3.2 長(zhǎng)期光照差異下氣孔參數(shù)間的關(guān)系 3 種圓柏屬植物葉片的GCL、GCW、SA、SD 在樹(shù)冠陰陽(yáng)面都有顯著差異(圖2)。將SA 與GCL、GCW、SD 組合進(jìn)行線性回歸分析表明,3 種圓柏屬植物葉片的SA 與GCL 均呈正相關(guān)關(guān)系(r分別為 0.880、0.752、0.918),與GCW 均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(r分別為0.891、0.857、0.818),與SD也均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系分別為(r分別為0.898、0.937、0.500)(圖2)。可見(jiàn),SA 隨著GCL 的增加而增大,隨著GCW、SD 的增大而減小。

        圖2 3 種圓柏屬植物樹(shù)冠陰陽(yáng)面氣孔參數(shù)間的相關(guān)性Fig.2 Correlation of stomatal parameters between the shady and sunny sides of the canopy of three species of Juniperus

        3 討論

        3.1 圓柏屬植物異形葉間氣孔特征的差異

        圓柏屬植物有鱗形和刺形兩種葉形。本研究前期工作發(fā)現(xiàn),鱗形葉緊貼小枝,氣孔分布在近軸面以及兩鱗形葉交界處的遠(yuǎn)軸面上;刺形葉與小枝分離,氣孔僅分布于近軸面,有兩條明顯的氣孔帶。這與邵鄰相等[12]對(duì)柏科植物葉片氣孔分布的研究結(jié)果一致。為了保證積累足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),以求得生存與繁衍,植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程一定會(huì)保留有利于保持旺盛光合、呼吸代謝活力的氣孔特征[13]。圓柏屬植物的葉形狹小,遠(yuǎn)軸面比近軸面更多地暴露于空氣中和陽(yáng)光下,因此氣孔傾向于分布在相對(duì)遠(yuǎn)離外界環(huán)境,受到相對(duì)“保護(hù)”的近軸面,這種分布有效抑制了葉內(nèi)的蒸騰,降低了水分的蒸發(fā),提高了葉子的抗早性。這與呂洪飛[13]對(duì)雙子葉植物的研究結(jié)果不一致,青藏高原雙子葉植物氣孔常分布在遠(yuǎn)軸面,這種分布方式有利于其與外界環(huán)境進(jìn)行二氧化碳和水分的交換,同時(shí)適當(dāng)?shù)囊种普趄v作用,避免水分過(guò)度蒸發(fā)而造成生理干旱,這是雙子葉植物對(duì)高寒極端環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果??梢?jiàn),氣孔分布與葉形的關(guān)系及其差異在一定程度上反映了植物對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)。

        3.2 氣孔特征對(duì)短期光照變化的響應(yīng)

        依賴于氣孔開(kāi)度調(diào)節(jié)的氣孔運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是植物適應(yīng)環(huán)境變化重要反應(yīng)[14]。本研究發(fā)現(xiàn),在日變化過(guò)程中,植物通過(guò)降低保衛(wèi)細(xì)胞寬度以增加氣孔開(kāi)度來(lái)適應(yīng)短期光照變化。這與王萍等[15]研究結(jié)果一致,日變化過(guò)程中氣孔開(kāi)度主要依賴于保衛(wèi)細(xì)胞寬度的收縮。由于圓柏蒸騰速率的日變化曲線均呈單峰拋物線型,峰值出現(xiàn)在13:00左右[10],因此,本研究中,與早晨相比,中午光強(qiáng)增加時(shí),氣孔開(kāi)度的增加能夠提高植物葉片光合作用和蒸騰作用,同時(shí)降低葉溫,促進(jìn)水分及無(wú)機(jī)鹽的吸收和運(yùn)輸[15]。此外,當(dāng)氣孔發(fā)育過(guò)程中保衛(wèi)細(xì)胞寬度生長(zhǎng)速率大于保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度生長(zhǎng)速率時(shí),氣孔會(huì)逐漸向“圓”形發(fā)展,增加了單位周長(zhǎng)下的氣孔面積,這有助于減小葉表氣孔器的物質(zhì)與能量投資[16]。因此,我們推斷植物主要采用低耗能的保衛(wèi)細(xì)胞寬度改變來(lái)調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度以適應(yīng)短期光照變化。

        3.3 氣孔特征對(duì)長(zhǎng)期光照差異的響應(yīng)

        樹(shù)冠朝向不同,葉片接受的光照長(zhǎng)期存在差異,可用于探索葉片對(duì)長(zhǎng)期光照環(huán)境變化的適應(yīng)差異。本研究中,長(zhǎng)期光照差異下,通過(guò)保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度雙重調(diào)節(jié)氣孔的開(kāi)度,與氣孔密度在葉片生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的變化是植物對(duì)長(zhǎng)期光照差異適應(yīng)的方式。這種調(diào)節(jié)方式與其他物種的研究結(jié)果基本一致[17]。氣孔直接影響植物的CO2交換速率、蒸騰速率和光合速率,不同光照下氣孔開(kāi)度和氣孔密度的組合調(diào)節(jié)被認(rèn)為是植物平衡水碳循環(huán)的一種經(jīng)濟(jì)方式[18]。與樹(shù)冠陽(yáng)面不同,樹(shù)冠陰面光資源不足,大氣孔開(kāi)度和小氣孔密度更具有適應(yīng)意義。植物通過(guò)增大氣孔開(kāi)度,或者形成“無(wú)光合午休”等機(jī)制提高CO2固定效率,在獲得最大CO2的同時(shí),還能夠?qū)饪酌芏鹊臏p小具有一定的補(bǔ)償作用,有利于植物在低光照條件下提高光能利用效率[19]。雖然較大的氣孔開(kāi)度可以交換更多的碳,但這種交換存在風(fēng)險(xiǎn)。隨著氣孔開(kāi)度逐漸增大,其進(jìn)一步開(kāi)張的阻力也越大、耗費(fèi)能量越多,它們的慢動(dòng)力學(xué)特性也使大氣孔植物在遭遇干旱等環(huán)境脅迫時(shí)更容易發(fā)生功能紊亂[20-21]。樹(shù)冠陽(yáng)面葉片的氣孔開(kāi)度小且氣孔密度高,高氣孔密度有利于增強(qiáng)葉片氣體交換的能力,這樣當(dāng)部分氣孔生理活動(dòng)受到抑制時(shí),其余功能正常的氣孔能做出適度調(diào)節(jié),在功能上及時(shí)補(bǔ)償,使葉片的基本生理過(guò)程得以維持。但高氣孔密度在增加CO2吸收的同時(shí),必然會(huì)增強(qiáng)水分蒸發(fā),這容易造成植物“生理干旱”。小氣孔開(kāi)度除可減少水分流失外,還具有靈活的調(diào)節(jié)功能,有利于快速關(guān)閉,可在一定程度上減少水分散失,對(duì)高氣孔密度可能造成的“生理干旱”進(jìn)行補(bǔ)償,這可能是氣孔對(duì)強(qiáng)光環(huán)境作出的響應(yīng)和適應(yīng)[21]??梢?jiàn),依賴于氣孔開(kāi)度和氣孔密度的雙重調(diào)節(jié)是植物對(duì)長(zhǎng)期光照差異適應(yīng)的一種重要體現(xiàn)。

        4 結(jié)論

        本研究通過(guò)分析具有鱗形和刺形兩種葉型的3 種圓柏屬植物,觀測(cè)了短期光照變化(日變化)與長(zhǎng)期光照差異(樹(shù)冠陰面和陽(yáng)面)下葉片的氣孔特征及其相關(guān)性。結(jié)果表明,短期光照變化下,植物葉片的氣孔開(kāi)度主要依賴于保衛(wèi)細(xì)胞寬度的調(diào)節(jié);長(zhǎng)期光照差異下,3 種圓柏屬植物氣孔開(kāi)度依賴于保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度和保衛(wèi)細(xì)胞寬度的雙重調(diào)節(jié)??梢?jiàn),氣孔特征可以較好地反映植物對(duì)長(zhǎng)期和短期光照適應(yīng)性的差異。

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