張桂菊，韓 毅

（黃河園林集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450003）

0 引言

植物的抗性與環(huán)境適應(yīng)性一直是重點(diǎn)研究方向，除了其內(nèi)部的遺傳因素，外部環(huán)境也是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，隨著環(huán)境與氣候的變化，植物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，通過(guò)調(diào)整自身形態(tài)結(jié)構(gòu)，來(lái)增強(qiáng)自身的環(huán)境適應(yīng)性和生存能力［1-2］。葉片是光合作用的主要器官，容易受到空氣、溫度等環(huán)境因素的影響，并且植物葉片的可塑性較強(qiáng)，在環(huán)境條件的長(zhǎng)期影響下往往會(huì)出現(xiàn)一定程度的結(jié)構(gòu)性改變，以增強(qiáng)其環(huán)境適應(yīng)能力，葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)是對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)最強(qiáng)烈的特征之一［3-4］。眾多學(xué)者針對(duì)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和響應(yīng)能力進(jìn)行研究，薛新平等［5］采用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)了8種鳶尾屬植物的抗旱能力，并分析了其內(nèi)在生理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)德國(guó)鳶尾、扁竹花、蝴蝶花的綜合抗旱能力較強(qiáng)，過(guò)氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及細(xì)胞膜透性等生理指標(biāo)能夠較好地反映出鳶尾屬植物抗旱能力的強(qiáng)弱。張永娥等［6］以側(cè)柏幼樹(shù)為研究對(duì)象，通過(guò)氣候模擬的方式探究了不同氣候環(huán)境下植物對(duì)水分利用的效率變化，研究表明：植物具有較強(qiáng)的生理可塑性，能夠利用較少水分來(lái)固碳。閻尚博等［7］研究了4種委陵菜屬植物對(duì)土壤水分條件的響應(yīng)情況，對(duì)比分析了3個(gè)水分梯度條件下委陵菜屬植物的生長(zhǎng)情況與生理指標(biāo)的差異，結(jié)果顯示，絹毛匍匐委陵菜的持水能力最強(qiáng)。

巴 西 鳶 尾[Neomarica gracilis(Herb.) Sprague]屬于鳶尾科巴西鳶尾屬，又稱(chēng)為經(jīng)鳶尾蘭、玉蝴蝶等，原產(chǎn)于墨西哥、巴西等地，后被我國(guó)引進(jìn)栽種，是南方地區(qū)常見(jiàn)的園林景觀性植物［8-9］。巴西鳶尾植株高度30～40 cm，葉片呈劍形帶狀、兩列分布。巴西鳶尾的花期在春夏時(shí)節(jié)，單花的壽命較短，新苗在著花處生長(zhǎng)，通過(guò)壓彎花萼接觸地面產(chǎn)生新植株［10-11］。巴西鳶尾喜光喜高溫濕潤(rùn)氣候，不耐寒，耐半陰，適宜生長(zhǎng)溫度為15～28 ℃。巴西鳶尾在園林景觀中的應(yīng)用推廣要求對(duì)其環(huán)境響應(yīng)能力等特征進(jìn)行深入了解，因此研究分析不同土壤水分條件對(duì)巴西鳶尾葉片形態(tài)的影響，探究旱生與濕生環(huán)境下巴西鳶尾的葉片形態(tài)特征差異，為巴西鳶尾的進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 采樣土壤概況

試驗(yàn)土壤為赤紅壤，對(duì)土壤含水量進(jìn)行測(cè)定，以含水量＞20%的沿水綠地為濕生環(huán)境，以含水量≤20%的土壤區(qū)域?yàn)楹瞪h(huán)境。采用環(huán)刀法分別對(duì)濕生和旱生環(huán)境土壤進(jìn)行取樣，并分別對(duì)土壤樣本的0～20 cm和20～40 cm土壤層進(jìn)行理化性質(zhì)的測(cè)定（表1）。濕生環(huán)境的土壤含水率和養(yǎng)分含量更高，土壤含水率與土層深度呈正相關(guān)關(guān)系，而土壤養(yǎng)分含量與土層深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 濕生與旱生環(huán)境土壤理化性狀

分別在2種環(huán)境下采集植物樣本，濕生環(huán)境植株半徑2 m內(nèi)存在地表水源，而旱生環(huán)境植株半徑100 m內(nèi)無(wú)明顯地表水源。在2種環(huán)境條件下分別選擇3株長(zhǎng)勢(shì)中等的巴西鳶尾植株，以植株基部為中心，半徑25 cm左右，挖取整個(gè)植株，盡量避免破壞根系。將植株樣本經(jīng)清水沖洗根部后保存于甲醛—乙酸—乙醇固定液中，并取植株中間兩側(cè)與頂芽距離最近的成熟葉，將葉片中部2 cm左右的位置作為葉片樣本。

1.2 試驗(yàn)方法

采用石蠟制片法制作葉片切片，首先，使用真空泵抽取存有葉片材料的固定液樣品瓶中的氣體，使樣品沉至底部，放置7 d使樣品完全脫色。隨機(jī)剪取部分樣品，使用系列透明劑進(jìn)行脫水處理，使樣品透明，然后，置于純二甲苯溶液中浸泡12 h，并更換新的二甲苯溶液再浸泡3～4 h。將樣品置于50 mL廣口容器，鋪墊硫酸紙，使用低熔點(diǎn)碎石蠟在55 ℃下透蠟9～10 d，直至樣品完全透蠟。將樣品轉(zhuǎn)入已預(yù)先熔化的高熔點(diǎn)石蠟中浸泡12 h，石蠟熔點(diǎn)為59～61 ℃，72 ℃下持續(xù)加熱12 h后更換蠟液，保持加熱溫度繼續(xù)透蠟12 h。取出樣品并使用新的高熔點(diǎn)石蠟進(jìn)行包埋，完全凝固后置于4 ℃的冷藏環(huán)境中進(jìn)行保存。

將樣品切成100個(gè)5 μm規(guī)格的薄片，放入45℃的展片機(jī)中，切片展開(kāi)后盛放在有雞蛋清的干凈載玻片上，并使用烘片機(jī)烘干。置于晾片架中靜置風(fēng)干后，在梯度溶液中對(duì)切片進(jìn)行脫蠟，脫蠟完全后使用番紅—固綠雙重染色法進(jìn)行染色處理，最后，使用中性樹(shù)膠封片，在35 ℃環(huán)境中保存。

采用離析法對(duì)葉片表面的微觀形態(tài)進(jìn)行分析，取出固定液中的葉片，并經(jīng)蒸餾水沖洗后浸泡于H2O2-冰醋酸（體積比1∶1）溶液中，60 ℃水浴加熱，直至葉片變白且表皮下出現(xiàn)氣泡。漂洗干凈后，在有蒸餾水的培養(yǎng)皿中撕取葉片表皮，并使用1%番紅溶液分別對(duì)上、下表皮進(jìn)行染色，制作臨時(shí)裝片。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Nikon E100顯微鏡進(jìn)行切片觀察，并結(jié)合ImageJ Fiji軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，對(duì)葉片特征進(jìn)行觀察。采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行顯著性差異分析，對(duì)2種土壤環(huán)境下巴西鳶尾的特征指標(biāo)進(jìn)行t檢驗(yàn)和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉表皮形態(tài)特征的比較

如圖1所示，巴西鳶尾葉片的上表皮與下表皮形態(tài)特征類(lèi)似，細(xì)胞主要呈長(zhǎng)條形，與葉長(zhǎng)軸的方向一致，細(xì)胞之間排列緊密。在細(xì)胞短邊位置氣孔分布不規(guī)律，且氣孔形狀較為規(guī)整，開(kāi)口方向與氣孔長(zhǎng)軸和葉長(zhǎng)軸平行。

圖1 2種環(huán)境下巴西鳶尾的葉表皮形態(tài)特征顯微結(jié)構(gòu)

如表2所示，隨著土壤含水量的增加，巴西鳶尾的氣孔密度和氣孔指數(shù)減小，旱生環(huán)境與濕生環(huán)境具有極顯著差異（P＜0.01）；氣孔寬度以及上、下表皮細(xì)胞面積隨著土壤含水量的增加而增大，旱生環(huán)境和濕生環(huán)境的差異達(dá)到極顯著（P＜0.01）；氣孔長(zhǎng)度也隨著含水量的提高而增加，其差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表2 2種環(huán)境下巴西鳶尾的葉表皮形態(tài)特征的比較

2.2 葉片橫切結(jié)構(gòu)特征的比較

由圖2可知，在光學(xué)顯微鏡下觀察巴西鳶尾的葉片橫切面，可見(jiàn)巴西鳶尾的葉片是等面葉，橫切面由內(nèi)向外分別為薄壁組織、葉肉組織和葉表皮。旱生環(huán)境下巴西鳶尾的葉片橫切面形狀為無(wú)規(guī)則近圓形，厚度較均勻，外切向細(xì)胞壁上有較薄角質(zhì)層，表皮無(wú)附屬物，氣孔下陷。葉肉組織細(xì)胞與表皮細(xì)胞之間間隙較小，內(nèi)部含有豐富葉綠體，大小與形狀變化無(wú)規(guī)律。薄壁細(xì)胞與葉肉組織緊貼，細(xì)胞稍大于葉肉組織細(xì)胞。濕生環(huán)境下，巴西鳶尾的葉片整體厚度較旱生環(huán)境的更薄，上表皮細(xì)胞更厚，而下表皮細(xì)胞更薄，上角質(zhì)層和下角質(zhì)層厚度均有所減小，薄壁細(xì)胞增大，且極為不規(guī)則，細(xì)胞壁出現(xiàn)進(jìn)一步解體現(xiàn)象。

圖2 2種環(huán)境下的葉葉橫切面顯微結(jié)構(gòu)

如表3所示，隨著土壤含水量的增加，巴西鳶尾的葉片變薄，維管束長(zhǎng)度增加，差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；上角質(zhì)層變薄，差異極顯著（P＜0.01）；主脈厚度、上下表皮厚度、下角質(zhì)層厚度和維管束寬度的差異性不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表3 2種環(huán)境下巴西鳶尾的葉橫切結(jié)構(gòu)特征的比較

2.3 葉肉組織平均厚度的比較

如表4所示，巴西鳶尾的葉肉組織未分化，旱生環(huán)境下葉肉組織更厚，隨著土壤含水量的增加，葉肉組織變薄，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表4 2種環(huán)境下巴西鳶尾的葉肉組織平均厚度 μm

2.4 主成分分析結(jié)果

對(duì)不同土壤水分條件下巴西鳶尾葉片的14個(gè)形態(tài)特征指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（表5），巴西鳶尾的氣孔密度、氣孔指數(shù)、上下表皮細(xì)胞面積、維管束長(zhǎng)度和寬度以及下表皮厚度為第一主成分，葉肉組織厚度、上下角質(zhì)層厚度、氣孔長(zhǎng)度和寬度為第二主成分，上表皮厚度為第三主成分，主脈厚度為第四主成分。第四主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.484%，第一主成分中氣孔指數(shù)的載荷量最大，為0.947。由此可見(jiàn)，氣孔對(duì)植物內(nèi)外部的氣體交換活動(dòng)和水分均衡狀態(tài)保持具有重要價(jià)值，氣孔的數(shù)量和密度越大，植物的內(nèi)外氣體交換能力越強(qiáng)，植物在干旱環(huán)境下的降溫散熱效果就越好。

表5 主成分因子荷載與特征值

3 討論與結(jié)論

當(dāng)植物在生長(zhǎng)過(guò)程中受到環(huán)境脅迫時(shí)，植物會(huì)對(duì)自身的資源利用與分配方式進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境變化，植物內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和器官結(jié)構(gòu)也可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，體現(xiàn)出植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力［12］。本研究對(duì)不同土壤水分條件下巴西鳶尾葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了綜合比較分析，探究了巴西鳶尾對(duì)環(huán)境水分變化的適應(yīng)性和抗性。

一般情況下植物的葉片大小、厚度等形態(tài)特征能夠反映出植物的抗旱能力，當(dāng)生長(zhǎng)環(huán)境較為干旱時(shí)，為了減少葉片的蒸騰作用，植物葉片會(huì)向小而薄的方向發(fā)展，或者生成特殊的保水結(jié)構(gòu)，而本身葉片結(jié)構(gòu)小而薄的植物的抗旱能力也更強(qiáng)［13-14］。本文對(duì)巴西鳶尾的葉表皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)巴西鳶尾的葉片具有長(zhǎng)而窄的特征，肉質(zhì)較厚，其表皮細(xì)胞排列較為緊密，細(xì)胞之間空隙較小，上下表皮均存在氣孔，具有一定的保水抗旱能力，這與南吉斌等［15-16］的研究結(jié)果一致。葉片氣孔具有植物內(nèi)外氣體交換的作用，有助于保持植物內(nèi)外的水分均衡，葉片氣孔密度越大，其降溫散熱作用就越明顯，能在高溫干旱環(huán)境下保護(hù)植物葉片；隨著土壤水分含量的減少，巴西鳶尾的氣孔密度會(huì)增加，與胡冬等［17-18］的研究結(jié)果一致。氣孔的大小會(huì)影響植物對(duì)外氣體交換能力和光合速率，巴西鳶尾的氣孔在濕生環(huán)境中更大，說(shuō)明在土壤水分條件變化下巴西鳶尾的氣孔分化反應(yīng)強(qiáng)烈，與樊寶麗等［19］的研究結(jié)果相同。

為了適應(yīng)環(huán)境條件的變化，植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之改變，以調(diào)整內(nèi)部水分的運(yùn)輸模式。觀測(cè)巴西鳶尾的葉橫切面結(jié)構(gòu)，巴西鳶尾的葉片屬于等面葉，肉質(zhì)較厚實(shí)，葉肉組織沒(méi)有向海綿組織和柵欄組織分化，葉肉組織細(xì)胞內(nèi)含豐富的貯水能力較強(qiáng)的薄壁組織，且含有起支撐作用的木纖維細(xì)胞群厚壁組織，有一定的抗倒伏和抗旱能力，與前人的研究結(jié)果一致［20-21］。通常情況下，葉肉組織對(duì)環(huán)境條件變化敏感，柵欄組織對(duì)植物抗旱能力影響較大，巴西鳶尾的葉肉組織沒(méi)有分化，而葉肉厚度在濕生環(huán)境中有所增加，但是總體而言，巴西鳶尾的葉片結(jié)構(gòu)對(duì)水分條件變化敏感度不高。

綜上所述，巴西鳶尾的環(huán)境適應(yīng)能力主要體現(xiàn)在葉表皮特征上，主要影響因子是氣孔因子，其葉片形態(tài)會(huì)隨著土壤水分條件的變化而改變，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境水分變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，旱生環(huán)境中上表皮角質(zhì)層等植物抗逆性指標(biāo)的數(shù)值更高，從而滿(mǎn)足植物的環(huán)境應(yīng)對(duì)策略。