吳天柔,安明態(tài)*,王 琨,余江洪,唐煜彬

(1 貴州大學(xué) 林學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2 貴州大學(xué) 生物多樣性與自然保護(hù)研究中心,貴陽(yáng) 550025)

蘭科(Orchidaceae)是有花植物中最大的科之一,很多種具有極高的觀賞價(jià)值和藥用價(jià)值,被認(rèn)為是分類學(xué)和系統(tǒng)學(xué)發(fā)育最多樣且進(jìn)化程度最高的類群,同時(shí)在生態(tài)系統(tǒng)中擁有不可替代的生態(tài)指示作用,多為環(huán)境中旗艦物種[1],是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)類群之一。世界約有蘭科植物736屬28 000種[2],廣泛分布于除南北極和干旱沙漠地區(qū)以外的陸地生態(tài)系統(tǒng)中,尤其是熱帶地區(qū)的蘭科植物極為豐富[3]。中國(guó)地跨3個(gè)氣候帶(熱帶、亞熱帶和溫帶),地理環(huán)境復(fù)雜,不僅有各氣候帶的蘭科植物區(qū)系,并且還保留著許多原始類群[4],共擁有1 600多種蘭科植物,是蘭科植物種類最豐富的地區(qū)之一[5]。由于蘭科植物被過渡采集與繁殖受限導(dǎo)致部分種類瀕臨滅絕,如今多數(shù)已知野生蘭科植物均被列入《瀕危野生動(dòng)植物國(guó)際貿(mào)易公約》(CITES)附錄Ⅰ、Ⅱ中[6],占該公約保護(hù)植物的90%以上[7],目前對(duì)蘭科植物保護(hù)的研究具迫切性。

蘭科植物常生長(zhǎng)于土面、石壁、樹冠、石縫中,具有不同的生境偏好性,對(duì)環(huán)境變化較為敏感,常與生境中特定的共生真菌形成較強(qiáng)依賴關(guān)系[8]。在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中,蘭科植物已經(jīng)進(jìn)化出根、假鱗莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官的各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能和外部形態(tài)特征。如葉片有等面葉和異面葉之分,干旱或強(qiáng)光環(huán)境中大多數(shù)為異面葉,柵欄組織和海綿組織分化、較厚的角質(zhì)層和復(fù)表皮等結(jié)構(gòu)使其更具抗旱特性[9];根系多為粗壯的肉質(zhì)根,干旱和附生生境中部分蘭科植物為氣生根結(jié)構(gòu),除根尖以外,其余部分為死細(xì)胞覆蓋的根部,能有效避免裸露根系散失水分[10];假鱗莖為蘭科植物適應(yīng)特殊生境的組織構(gòu)造,由葉節(jié)之間的莖膨脹加厚而形成,是蘭科植物適應(yīng)環(huán)境變化過程中充當(dāng)重要的儲(chǔ)水和物質(zhì)儲(chǔ)存器官,對(duì)蘭科植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖過程發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[11]。各營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)間彼此相互協(xié)調(diào)適應(yīng)地生、旱生、附生、巖生以及腐生環(huán)境,最大程度降低外界干擾因素對(duì)植物本身帶來(lái)的不利影響,是植物適應(yīng)環(huán)境謀求生存的關(guān)鍵所在,為植物生存發(fā)展發(fā)揮著重要的生態(tài)作用[12]。蘭科植物各營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)的存在程度和差異,反映了為適應(yīng)環(huán)境做出的生態(tài)策略[13],當(dāng)前關(guān)于蘭科植物各營(yíng)養(yǎng)器官多集中在其葉片結(jié)構(gòu)與抗旱性特征、傳粉機(jī)制、分類學(xué)研究和單種或單器官結(jié)構(gòu)特征研究[9-11,13-17]。綜合探究不同生活型蘭科植物葉、假鱗莖、根等營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境間適應(yīng)關(guān)系的相關(guān)研究較少,因此探討蘭科植物長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境演化形成營(yíng)養(yǎng)器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與功能性狀值得深入研究。

北盤江是珠江流域西江水系的一級(jí)支流,該流域位于中國(guó)東南季風(fēng)與西南季風(fēng)交匯區(qū),地處云貴高原傾斜地帶,為西南喀斯特地貌典型發(fā)育區(qū),復(fù)雜多樣的地形和基巖類型影響植物生境的光照、土壤養(yǎng)分和水分等條件,使其具有高度的異質(zhì)性、嚴(yán)酷性、脆弱性[18]。

獨(dú)特的生境內(nèi)分布249種蘭科植物,占據(jù)貴州省蘭科植物總數(shù)的72.59%,是貴州省蘭科植物分布最豐富的地區(qū)[19],但目前該地區(qū)蘭科植物營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較少。因此,本研究擬以該地區(qū)分布種類較多的6種不同生活型蘭科植物營(yíng)養(yǎng)器官(葉、假鱗莖、根)結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ),探究不同生活型蘭科植物結(jié)構(gòu)特征及其差異,分析種間結(jié)構(gòu)差異與環(huán)境之間的適應(yīng)特性,旨在揭示不同蘭科植物響應(yīng)生境異質(zhì)的生存策略,為蘭科植物研究、保護(hù)與發(fā)展提供理論支持和參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

2021—2022年于北盤江流域喀斯特地貌(24°50′—26°50′N,103°50′—106°15′E)選取分布數(shù)量較多或具有代表性的不同生活型6種蘭科植物(表1),每種蘭科植物采集植株中部健康完整的葉片和假鱗莖,挖取1條離根尖5 cm 長(zhǎng)的根,擦拭干凈后放置FAA 固定液中保存帶回測(cè)定。

表1 貴州北盤江喀斯特地區(qū)6種蘭科植物基本信息Table 1 Basic information of six orchids in Beipan River basin of Guizhou

1.2 試驗(yàn)方法

參照石蠟切片的方法[20],將采集的蘭科植物根、假鱗莖、葉從FAA固定液中取出后洗滌干凈,用不同濃度的酒精進(jìn)行脫水、氯仿透明、侵蠟和包埋處理,使用切片機(jī)切取根、假鱗莖、葉厚度為8 μm 的橫切薄片,番紅-固綠染色后用中性樹膠封片。使用顯微鏡進(jìn)行觀察并拍攝橫切圖,應(yīng)用CaseViewer、ImageJ軟件測(cè)量以下指標(biāo):(1)葉片結(jié)構(gòu)指標(biāo):葉片厚度(LT),上表皮厚度(TU),下表皮厚度(TL),上角質(zhì)層厚度(TUC),下角質(zhì)層厚度(TLC),葉肉厚度(MT),維管束直徑(DVB1),葉脈厚度(TV),維管束直徑占比(PVB1);(2)假鱗莖結(jié)構(gòu)指標(biāo):假鱗莖直徑(DS),表皮厚度(ET),維管束直徑(DVB2),維管束數(shù)量(NVB),假鱗莖橫截面積(CSAS),維管束密度(VBD),維管束直徑占比(PVB2);(3)根結(jié)構(gòu)指標(biāo):根直徑(RD),根被厚度(RCT),皮層厚度(CT)、維管束直徑(DVB3),維管束直徑占比(PVB3),葉脈凸起度(VPD)=葉脈厚度(TV)/葉片厚度(LT)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于6種蘭科植物葉片、假鱗莖、根的結(jié)構(gòu)測(cè)量至少選取3個(gè)視野,每個(gè)視野測(cè)量重復(fù)5次,所有測(cè)量指標(biāo)均為15個(gè)重復(fù)。通過SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,獲取均值與標(biāo)準(zhǔn)差,利用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同蘭科植物結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間的差異性,Duncan's多重比較法檢驗(yàn)差異顯著性(P＜0.05)。

通過R語(yǔ)言和OriginPro 2021等軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和主成分分析(principal component analysis,PCA)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘭科植物結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 葉片結(jié)構(gòu)

橫切面結(jié)果顯示,植物葉片結(jié)構(gòu)分為表皮、葉肉、葉脈3個(gè)部分(圖1)。葉片厚度變化范圍為229.89～1 164.05 μm,附生蘭(梳帽卷瓣蘭,單葉石仙桃)葉厚度差異較大。栗鱗貝母蘭與梳帽卷瓣蘭為異面葉,表皮細(xì)胞均有復(fù)表皮結(jié)構(gòu),為長(zhǎng)方形或長(zhǎng)圓形細(xì)胞,緊密嵌合,無(wú)細(xì)胞間隙。栗鱗貝母蘭有明顯的柵欄組織與海綿組織分化,海綿細(xì)胞呈圓形或橢圓形,松散排列于柵欄細(xì)胞下復(fù)表皮之間。梳帽卷瓣蘭柵欄組織不明顯,海綿細(xì)胞呈圓形或類圓形網(wǎng)狀,分布于柵欄組織和下表皮之間。莎葉蘭、丘北冬蕙蘭、兔耳蘭和單葉石仙桃為等面葉,均無(wú)明顯柵欄組織與海綿組織的分化,可明顯觀察到有較多葉綠體呈串狀分布于葉肉細(xì)胞中,且細(xì)胞排列疏松,有細(xì)胞間隙,上下表皮均由單層細(xì)胞構(gòu)成。整體來(lái)說(shuō)不同種間細(xì)胞結(jié)構(gòu)存在差異,但同一生活型蘭科植物具有一定的相似性,附生蘭表現(xiàn)出陽(yáng)生植物結(jié)構(gòu)特征,地生蘭表現(xiàn)出陰生植物特征。

圖1 貴州北盤江6種蘭科植物葉片(A-F)和主葉脈(G-L)的結(jié)構(gòu)橫切面A、G.丘北冬惠蘭;B、H.莎葉蘭;C、I.兔耳蘭;D、J.單葉石仙桃;E、K.栗鱗貝母蘭;F、L.梳帽卷瓣蘭;cu1.上角質(zhì)層;cu2.下角質(zhì)層;ae1.上表皮;ae2.下表皮;me.復(fù)表皮;pt.柵欄組織;vb.維管束;st.海綿組織;is.細(xì)胞間隙;x.木質(zhì)部;ph.韌皮部;sc.厚壁組織;ch.葉綠體。Fig.1 Cross section of leaves (A_F) and midrib (G_L) of six orchids in the Beipan River of Guizhou ProvinceA,G.C.qiubeiense.B,H.C.cyperifolium.C,I.C.lancifolium.D,J.P.leveilleana.E,K.C.flaccida.F,L.B.andersonii.cu1,upper cuticle.cu2,lower cuticle.ae1,upper epidermis.ae2,lower epidermis.Me,multiple epidermis.pt,palisade tissue.vb,vascular bundle.st,spongy tissue.is,intercellular space.x,xylem.ph,phloem.sc,sclerenchyma.ch,chloroplast.

丘北冬蕙蘭表皮細(xì)胞呈三角形或圓形,葉片表面起伏呈波狀,葉肉細(xì)胞呈圓形或橢圓形,細(xì)胞排列疏松且細(xì)胞間隙較大,葉綠體均勻分布于葉肉細(xì)胞中。上下角質(zhì)層厚度最大,分別為(11.96±3.05)μm 和(7.80±3.32) μm,上表皮較厚[(25.65±9.86) μm],下表皮較薄[(20.33±4.79) μm],主葉脈厚度最小[(287.53±39.47) μm],葉片整體表現(xiàn)出葉脈細(xì)小,葉片機(jī)械支撐能力較弱的結(jié)構(gòu)特征。

莎葉蘭和兔耳蘭在葉片結(jié)構(gòu)特征無(wú)顯著差異,莎葉蘭上下表皮厚度和上角質(zhì)層最小,分別為(13.55±1.33) μm、(4.40±0.46) μm 和(10.81±1.74)μm,具有較薄的葉片、主脈和下角質(zhì)層。兔耳蘭與莎葉蘭相比較,除上表皮細(xì)胞較薄[(14.76±3.62)μm]以外,其余指標(biāo)均較厚。

單葉石仙桃、栗鱗貝母蘭和梳帽卷瓣蘭3種地生蘭葉片存在顯著差異(P＜0.05)(圖2),單葉石仙桃上表皮細(xì)胞厚度和主脈凸起度最大,分別為(33.28±5.82) μm 和(220.92±16.87) μm,具有較大的上角質(zhì)層厚度和主脈凸起度,葉肉細(xì)胞和葉片厚度最小,分別為(166.15±17.00) μm 和(229.89±16.04) μm。栗鱗貝母蘭主脈維管束直徑和下表皮厚度最大,分別為(681.05±13.95) μm和(42.67±2.76) μm,下角質(zhì)層厚度最小,為(2.47±0.54) μm。

圖2 貴州北盤江流域6種蘭科植物葉片組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P＜0.05)。Fig.2 Leaf tissue structure indices of six orchids in Beipan River basin of GuizhouDifferent lowercase letters indicate significant differences (P＜0.05).

梳帽卷瓣蘭葉片厚度、葉肉厚度和主葉脈厚度最大,分別為(1164.05±104.49) μm、(1128.45±146.41) μm 和(940.51±70.31) μm,主脈維管束直徑和主脈凸起度最小,分別僅為(103.10±2.03)μm 和(81.78±12.80) μm,較于單葉石仙桃和栗鱗貝母蘭指標(biāo)差異較為顯著。

2.1.2 假鱗莖結(jié)構(gòu)

假鱗莖主要由表皮、基本組織和維管束3部分組成(圖3)。表皮細(xì)胞體積較小,由1層排列緊密的方形或圓形細(xì)胞組成,栗鱗貝母蘭表皮最厚,為(23.94±2.94) μm,兔耳蘭表皮最薄,為(13.54±1.39) μm?；窘M織細(xì)胞形態(tài)各異,呈圓形、多邊形或無(wú)規(guī)則等。地生蘭基本組織細(xì)胞均較小且數(shù)量多,附生蘭基本組織細(xì)胞均較大且數(shù)量相對(duì)較少。維管束呈圓形,半附生蘭維管束呈“環(huán)狀”或“帽狀”散生其中,發(fā)育程度不同、大小不一、數(shù)量差異明顯。假鱗莖的維管束均表現(xiàn)出中心發(fā)育較成熟,直徑較大,邊緣逐漸變小且無(wú)維管束分布。丘北冬蕙蘭假鱗莖橫截面積、直徑、維管束均為最大,分別為(76.93±0.17) mm2、(9 930.59±343.22) μm、(431.98±95.49) μm,兔耳蘭假鱗莖橫截面積、直徑最小,分別為(9.85±0.02) mm2、(3671.8±128.63) μm。維管束分布數(shù)量依次排序?yàn)閱稳~石仙桃(183)＞莎葉蘭(136)＞丘北冬蕙蘭(134)＞兔耳蘭(70)＞栗鱗貝母蘭(38)＞梳帽卷瓣蘭(32)。地生蘭假鱗莖結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出較大的維管束,高效輸導(dǎo)特征,附生蘭基本組織細(xì)胞較大,具有較強(qiáng)的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

圖3 貴州北盤江6種蘭科植物假鱗莖的結(jié)構(gòu)橫切面A.丘北冬惠蘭;B.莎葉蘭;C.兔耳蘭;D.單葉石仙桃;E.栗鱗貝母蘭;F.梳帽卷瓣蘭;ep.表皮;gt.組織細(xì)胞;vb.維管束。Fig.3 Cross section of pseudobulb of six orchids in the Beipan River of Guizhou ProvinceA.C.qiubeiense.B.C.cyperifolium.C.C.lancifolium.D.P.leveilleana.E.C.flaccida.F.B.andersonii.ep,epidermis.gt,histocyte.vb,vascular bundle.

2.1.3 根結(jié)構(gòu)

蘭科植物根部結(jié)構(gòu)由根被、皮層、維管束3部分構(gòu)成(圖4),根直徑和皮層有較大差異,丘北冬蕙蘭根直徑最大,為(4095.03±208.12) μm,其次為兔耳蘭和莎葉蘭,直徑分別為(3678.66±56.50) μm 和(3361.59±435.45) μm,遠(yuǎn)大于附生蘭。根皮層結(jié)構(gòu)由外皮層和內(nèi)皮層之間的組織細(xì)胞構(gòu)成,呈圓形、長(zhǎng)橢圓形、近方形或不規(guī)則形。地生蘭和半附生蘭根皮層為10～13層細(xì)胞組成,相較于附生蘭,細(xì)胞較小、數(shù)量較多,其中丘北冬蕙蘭皮層最厚,為(1870.89±946.54) μm。

圖4 貴州北盤江6種蘭科植物根表皮(A-F)、皮層(G-L)和維管束(M-R)的結(jié)構(gòu)橫切面圖A、G、M.丘北冬惠蘭;B、H、N.莎葉蘭;C、I、O.兔耳蘭;D、J、P.單葉石仙桃;E、K、Q.栗鱗貝母蘭;F、L、R.梳帽卷瓣蘭;rh.根被;h.根毛;ex.外皮層;co.皮層;ed.內(nèi)皮層;vbs.維管束鞘;vb.維管束;pe.中柱鞘;ph.韌皮部;x.木質(zhì)部;p.髓。Fig.4 Cross section of the roots (A_F),cortex (G_L) and bundle (M_R) of six orchids in the Beipan River of Guizhou ProvinceA,G,M.C.q iubeiense.B,H,N.C.c yperifolium.C,I,O.C.l ancifolium.D,J,P.P.l eveilleana.E,K,Q.C.flaccida.F,L,R.B.a ndersonii.rh,velamem.h,root hair.ex,exodermis.co,cortex.ed,endodermis.vbs,vascular bundle sheath.vb,vascular bundle.pe,pericycle.ph,phloem.x,xylem.p,pith.

單葉石仙桃、栗鱗貝母蘭、梳帽卷瓣蘭3種附生蘭皮層為5～7層圓形細(xì)胞組成,細(xì)胞大、數(shù)量較少,有細(xì)胞間隙,厚度分別為(399.71±149.38) μm、(306.01±138.91) μm 和(293.28±133.31) μm,根直徑和皮層顯著小于地生蘭和半附生蘭。其中梳帽卷瓣蘭皮層厚度最小,但與根直徑比值較大(圖5)。根被厚度和維管束直徑差異不明顯,兔耳蘭維管束直徑最大,為(1099.7±6.94) μm,梳帽卷瓣蘭最小,為(300.6±11.19) μm。根被結(jié)構(gòu)特征差異較明顯,地生蘭和半附生蘭特征趨于相似,均由5～9層長(zhǎng)方形、五邊形或六邊形薄壁細(xì)胞緊密嵌合排列組成,覆蓋在根的最外層,無(wú)細(xì)胞間隙。丘北冬蕙蘭根被厚度最大,為(558.27±60.94) μm,是附生蘭根被厚度的2～7倍。附生蘭根被為單層或2～5層橢圓形、長(zhǎng)方形或圓形薄壁細(xì)胞組成,梳帽卷瓣蘭由單層長(zhǎng)方形細(xì)胞緊密排列而成,栗鱗貝母蘭根被細(xì)胞外壁向外凸起形成根毛結(jié)構(gòu)。

圖5 植物根部結(jié)構(gòu)指標(biāo)Fig.5 Structural indices of plant roots

2.2 植物葉片、假鱗莖、根結(jié)構(gòu)的生態(tài)適應(yīng)性

對(duì)6種蘭科植物的營(yíng)養(yǎng)器官22個(gè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果(圖6)表明:各營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系,葉片結(jié)構(gòu)的TL 與LT、DVB1、MT、TV 呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),MT 和VPD、PVB1 呈極顯著正相關(guān),與TLC、DVB2呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),TV 與VPD、PVB1、DS、ET 相關(guān)性較弱;假鱗莖的DS 和ET、NVB、CSAS呈極顯著正相關(guān),PVB2與DVB2呈極顯著正相關(guān)關(guān)系外,與DS、ET、NVB、CSAS均呈極顯著負(fù)相關(guān),與DVB2呈極顯著正相關(guān),與VBD 呈顯著正相關(guān);根結(jié)構(gòu)的RD、RCT 和CT 與PVB3呈極顯著負(fù)相關(guān),CT 和DVB3相關(guān)性不明顯。

圖6 植物結(jié)構(gòu)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系*表示相關(guān)性顯著(P＜0.05),**表示相關(guān)性極顯著(P＜0.01);LT.葉片厚度;TU.上表皮厚度;TL.下表皮厚度;TUC.上角質(zhì)層厚度;TLC.下角質(zhì)層厚度;DVB1.葉維管束直徑;MT.葉肉厚度;TV.葉脈厚度;VPD.葉脈凸起度;PVB1.葉維管束直徑占比;DS.假鱗莖直徑;ET.表皮厚度;DVB2.假鱗莖維管束直徑;NVB.假鱗莖維管束數(shù)量;CSAS.假鱗莖橫截面積;VBD.假鱗莖維管束密度;PVB2.假鱗莖維管束直徑占比;RD.根直徑;RCT.根被厚度;CT.皮層厚度;DVB3.根維管束直徑;PVB3.根維管束直徑占比。下同。Fig.6 Correlation of plant structural indices* indicates significant correlation (P＜0.05),** indicates extremely significant correlation (P＜0.01).LT,leaf thickness.TU,thickness of upper epidermis.TL,thickness of lower epidermis.TUC,thickness of upper cuticle.TLC,thickness of lower cuticle.DVB1,the vascular bundle diameter of the blade.MT,mesophyll thickness.TV,vein thickness.VPD,vein protu-berance degree.PVB1,percentage of the diameter of the vascular bundle of the blade.DS,diameter of pseudobulb.ET,epidermal thickness.DVB2,diameter of vascular bundles of pseudobulb.NVB,number of vascular bundles in pseudobulb.CSAS,cross-sectional area of pseudobulb.VBD,density of vascular bundles in pseudobulb.PVB2,the fraction of the diameter of the vascular bundle of pseudobulb.RD,root diameter.RCT,root coat thickness.CT,cortical thickness.DVB3,the diameter of the vascular bundle of the root.PVB3,the fraction of the diameter of the vascular bundle of the root.The same as below.

整體上葉片持水結(jié)構(gòu)(TU、TL、TUC)與假鱗莖的儲(chǔ)水功能結(jié)構(gòu)(DS、CSAS)呈極顯著正相關(guān),兩者在功能上具有相似性,彼此間存在相互促進(jìn)協(xié)調(diào)關(guān)系,與PVB2呈極顯著負(fù)相關(guān);葉片的持水結(jié)構(gòu)與機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)(LT、TL、DVB1、MT、TV)與根對(duì)物質(zhì)吸收功能(RD、RCT、CT)呈極顯著負(fù)相關(guān),與根傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)(PVB3)呈極顯著正相關(guān);假鱗莖的輸送結(jié)構(gòu)(DVB2、PVB2)與根的對(duì)物質(zhì)吸收功能性狀(RD、RCT、CT)間存在極顯著正相關(guān),與輸送結(jié)構(gòu)(PVB3)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

通過相關(guān)性系數(shù)去除數(shù)據(jù)間共線性較大的指標(biāo)(絕對(duì)值大于0.8),對(duì)篩選的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行主成分分析(PCA),可以將所有指標(biāo)概括為2個(gè)具有代表性的主成分(圖7)。PC1和PC2中共解釋了植物結(jié)構(gòu)參數(shù)變異的33%和20.6%的總方差,PC1主要以TL、DVB1、PVB2載荷較大,分別為82.89%、78.82%和75.62%,這些指標(biāo)主要是植物葉片的物質(zhì)傳輸與機(jī)械支撐功能相關(guān)因子。PC2 主要以CSAS、TUC、DVB3載荷較大,分別為89.86%、59.18%和59.1%,主要為葉片水分保持與假鱗莖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)因子。

圖7 貴州北盤江6種蘭科植物根、假鱗莖、葉結(jié)構(gòu)參數(shù)主成分分析Fig.7 Principal component analysis of structural parameters of rhizomes and leaves of six orchids in the Beipan River of Guizhou Province

3 討論

3.1 蘭科植物適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征

喀斯特地區(qū)生境“干旱”是限制植物生長(zhǎng)和繁殖的主要因素之一,環(huán)境因素長(zhǎng)期影響著植物各器官的發(fā)育與演化,因此喀斯特地區(qū)植物大多向著保水和提高物質(zhì)利用效率的結(jié)構(gòu)方向發(fā)生適應(yīng)性變化[21]。本研究對(duì)比不同生活型蘭科植物結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),地生蘭(丘北冬蕙蘭)與半附生蘭(蘭兔耳蘭、莎葉蘭)具有相似的根和假鱗莖結(jié)構(gòu)特征。即肉質(zhì)根系較粗壯,根被和皮層由多層細(xì)小緊密的細(xì)胞組成,對(duì)深厚土層具有更大的穿透力和生長(zhǎng)勢(shì)能[22]。根系越粗大越能支撐更多“土壤-根際”真菌的生存繁殖,對(duì)蘭科植物生存生長(zhǎng)具有重要的促進(jìn)意義[23]。Rieger等[24]研究發(fā)現(xiàn),根直徑、根皮和根被結(jié)構(gòu)與水分傳導(dǎo)速率呈顯著負(fù)相關(guān),該結(jié)構(gòu)越厚或越緊密越能增加土壤水分橫跨進(jìn)入維管束的距離和阻力,為較緩慢的吸水結(jié)構(gòu)特征。該結(jié)構(gòu)特征是適應(yīng)水分充足濕潤(rùn)環(huán)境的表現(xiàn),與地生蘭和半附生蘭溫潤(rùn)林下生存環(huán)境相一致。但不同的是,丘北冬蕙蘭與附生蘭(單葉石仙桃、栗鱗貝母蘭和梳帽卷瓣蘭)具有相似抗旱特征的葉和假鱗莖結(jié)構(gòu),即較厚的葉片、葉肉細(xì)胞和上角質(zhì)層等陽(yáng)生葉結(jié)構(gòu)特征和發(fā)達(dá)的維管束。相關(guān)研究表明,表皮和角質(zhì)層結(jié)構(gòu)能有效反射強(qiáng)光照射、降低葉片溫度、減少葉肉水分蒸騰喪失[25-26]。發(fā)達(dá)的根部維管束和假鱗莖能為植物提供強(qiáng)有力的機(jī)械支撐外,還能提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的輸送速率,及時(shí)滿足植物光合生長(zhǎng)和蒸騰作用等對(duì)水分的需求,是植物適應(yīng)強(qiáng)光、高溫和干旱環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征。與丘北冬蕙蘭不同的是,單葉石仙桃、栗鱗貝母蘭和梳帽卷瓣蘭的根系相對(duì)細(xì)小,較薄的皮層和單細(xì)胞根被結(jié)構(gòu)大大減少水分穿越根被和皮層進(jìn)入維管束向上運(yùn)輸?shù)木嚯x和阻力,能夠更高效地獲取養(yǎng)分和水資源;而細(xì)小的根系能擴(kuò)大根系對(duì)土層探索吸收水分和養(yǎng)分的空間,對(duì)環(huán)境變化做出迅速的調(diào)整反應(yīng),具有適應(yīng)石壁、石縫、樹干和腐殖質(zhì)層等特殊附生生境的結(jié)構(gòu)特征[27]。半附生蘭(莎葉蘭、兔耳蘭)葉片表皮和角質(zhì)層均較薄,不利于對(duì)光的反射與水分的保持,根結(jié)構(gòu)對(duì)水分的吸收速率也較低。但根、假鱗莖和葉的維管組織比較發(fā)達(dá),對(duì)植物起到強(qiáng)有力的機(jī)械支撐,避免植物在強(qiáng)光高溫環(huán)境下受到萎焉損傷。通過高速運(yùn)輸物質(zhì)和水分,滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)水分的需求,這樣的適應(yīng)結(jié)構(gòu)可能和半附生蘭所面臨的干旱脅迫強(qiáng)度較弱有關(guān)。

盡管相同生活型物種器官間存在趨同適應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征,但局部生境差異長(zhǎng)期影響仍然會(huì)促使植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異化,從而選擇進(jìn)化出不同的資源獲取方式[28-29]。本研究對(duì)比相同生活型蘭科植物結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),附生蘭(單葉石仙桃、梳帽卷瓣蘭和栗鱗貝母蘭)中,栗鱗貝母蘭和梳帽卷瓣蘭具有柵欄組織和海綿組織的分化,可通過柵欄組織調(diào)節(jié)葉片對(duì)光的捕獲能力,進(jìn)一步促進(jìn)光合作用,是植物增強(qiáng)光合作用和減少水分散失適應(yīng)喀斯特干旱生境的有效結(jié)構(gòu)[30]。隨著植株增大,維管束提高水分和養(yǎng)分的傳輸效率,并儲(chǔ)存于發(fā)達(dá)的假鱗莖結(jié)構(gòu)中,滿足植物干旱時(shí)期對(duì)水分的需要。而單葉石仙桃葉片性狀則與之相反,可能與其長(zhǎng)期干旱或間接性降雨的環(huán)境條件有關(guān)[31]。栗鱗貝母蘭葉片和表皮較厚,但角質(zhì)層較薄,葉片蒸騰作用大,水分散失快,能適應(yīng)強(qiáng)光、高溫和干旱的喀斯特生境,可能與其發(fā)達(dá)的假鱗莖儲(chǔ)水功能結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。三者的假鱗莖均具有發(fā)達(dá)的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu),為植物補(bǔ)充光合生長(zhǎng)過程中散失的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),彌補(bǔ)和協(xié)調(diào)葉片結(jié)構(gòu)保水性和抗陽(yáng)性較差的弱點(diǎn)。與朱曉旭等[32]通過對(duì)不同生活型物種功能性狀特征對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)研究結(jié)果相似,不同生活型物種適應(yīng)環(huán)境變化的過程中,性狀之間相互協(xié)調(diào)表現(xiàn)出共性結(jié)構(gòu)時(shí),也會(huì)在適應(yīng)環(huán)境過程中發(fā)生差異性變化。植物結(jié)構(gòu)的差異化是適應(yīng)環(huán)境改變資源獲取方式的能力,往往決定植物生存競(jìng)爭(zhēng)的成功與否,是植物適應(yīng)環(huán)境最直接的策略之一[33]。附生蘭假鱗莖中散生的維管束數(shù)量和大小雖不呈規(guī)律性,但維管束占假鱗莖橫截面積的比例均較小。說(shuō)明附生蘭假鱗莖為植物儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分過程中有嚴(yán)格的占比控制,在維管束大小和數(shù)量之間做出生長(zhǎng)策略權(quán)衡[34],協(xié)調(diào)其他器官缺陷,滿足蘭科植物在干旱缺水環(huán)境中對(duì)水分和養(yǎng)分物質(zhì)的需求。

3.2 蘭科植物結(jié)構(gòu)的生態(tài)策略

基于營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)特征對(duì)比不同生活型植物間結(jié)構(gòu)差異是揭示植物適應(yīng)策略的重要方法之一,不同環(huán)境條件下,植物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)不僅僅通過單一器官的結(jié)構(gòu)性狀來(lái)實(shí)現(xiàn),而是多器官間相互協(xié)調(diào),在生理結(jié)構(gòu)和形態(tài)上做出調(diào)整以此獲得適應(yīng)特殊生境的能力[35]。植物的部分結(jié)構(gòu)性狀可能來(lái)源于長(zhǎng)期進(jìn)化的遺傳基因所決定的穩(wěn)定性狀,受進(jìn)化時(shí)間和自然選擇影響較小;而部分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化主要取決于對(duì)局部環(huán)境差異的響應(yīng)[36]。本研究蘭科植物在生活型的分類水平上,根部結(jié)構(gòu)比葉片和假鱗莖更具穩(wěn)定性和趨同適應(yīng)特征,葉片與假鱗莖結(jié)構(gòu)之間存在密切地協(xié)調(diào)作用,蘭科植物主要通過葉片和假鱗莖結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)促進(jìn)植物適應(yīng)局部環(huán)境差異。葉片是植物感應(yīng)外界環(huán)境最直接的營(yíng)養(yǎng)器官,具有較高的可塑性,是植物進(jìn)行光合作用、蒸騰作用、生產(chǎn)物質(zhì)的重要場(chǎng)所[37]。吳春梅等[14]對(duì)假鱗莖結(jié)構(gòu)的研究表明,假鱗莖作為蘭科植物特殊的貯藏器官,不僅具有儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分的功能,還是碳水化合物的重要補(bǔ)充來(lái)源。當(dāng)葉片的光合作用效率低時(shí),假鱗莖可以儲(chǔ)存大量的碳水化合物,為葉片提供能量[38]。在長(zhǎng)期干旱的環(huán)境下,假鱗莖中儲(chǔ)存的水溶性多糖可以被調(diào)動(dòng)并釋放,將水分和養(yǎng)分物質(zhì)轉(zhuǎn)移到其他器官,從而減輕植物葉片含水量的降低和水勢(shì)下降的速率,幫助植物適應(yīng)干旱的環(huán)境脅迫[39]。假鱗莖和葉片同樣具有光合作用和溫度調(diào)節(jié)等相似的生理生態(tài)功能,賦予植物在惡劣生境中生存和生長(zhǎng)的能力,是協(xié)調(diào)植物與環(huán)境之間相互關(guān)系的重要器官,成為蘭科植物適應(yīng)喀斯特干旱生境的關(guān)鍵所在,這一觀點(diǎn)在多項(xiàng)研究中得到驗(yàn)證[40-43]。不同蘭科植物結(jié)構(gòu)之間呈“此消彼長(zhǎng)”的協(xié)調(diào)規(guī)律,與倪榕蔚等[44]的研究結(jié)果一致,植物增大某一功能性狀上的投入必將減少其他性狀的生長(zhǎng)資源配比,營(yíng)養(yǎng)器官之間相互協(xié)調(diào)共同適應(yīng)環(huán)境。莎葉蘭和兔耳蘭在根和假鱗莖的結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出較差的吸收與儲(chǔ)水能力,同時(shí)增強(qiáng)葉片的光合作用、保水能力和養(yǎng)分運(yùn)輸結(jié)構(gòu),植物對(duì)資源的利用方式主要為葉片與環(huán)境資源間的相互作用,屬于消費(fèi)型“快投資—收益”策略,協(xié)調(diào)了根和假鱗莖結(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)。丘北冬蕙蘭假鱗莖結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的儲(chǔ)水和運(yùn)輸能力,相較于莎葉蘭和兔耳蘭更具有抗旱的優(yōu)勢(shì),與附生蘭營(yíng)養(yǎng)器官在功能權(quán)衡上具有相似特征。即主要將生長(zhǎng)資源投入在高密度組織結(jié)構(gòu)上,促進(jìn)植物葉、根的養(yǎng)分吸收與傳輸,加強(qiáng)假鱗莖對(duì)資源的儲(chǔ)備功能,為資源保守型“慢投資—收益”策略,假鱗莖發(fā)達(dá)的儲(chǔ)水組織是喀斯特地區(qū)蘭科植物應(yīng)對(duì)季節(jié)性干旱和臨時(shí)性降雨生境高度適應(yīng)的特殊結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

北盤江蘭科植物器官結(jié)構(gòu)特征與植物適應(yīng)喀斯特干旱環(huán)境的策略有密切聯(lián)系。通過對(duì)比不同生活型蘭科植物葉片、假鱗莖、根結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn):

(1)蘭科植物結(jié)構(gòu)之間存在密切相關(guān)關(guān)系,具相似功能的結(jié)構(gòu)在不同物種及不同器官間表現(xiàn)出明顯協(xié)同關(guān)系,不同功能結(jié)構(gòu)間具有明顯的權(quán)衡關(guān)系,即“此消彼長(zhǎng)”的協(xié)調(diào)規(guī)律。

(2)不同生活型間結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在根對(duì)資源獲取功能性狀上,附生蘭植物根結(jié)構(gòu)相較于地生蘭和半附生蘭更具有獲取生存資源能力的優(yōu)勢(shì);物種間葉片和假鱗莖結(jié)構(gòu)特征不呈明顯的差異規(guī)律,植物主要通過調(diào)節(jié)葉片和假鱗莖結(jié)構(gòu)功能適應(yīng)生境。

(3)莎葉蘭和兔耳蘭結(jié)構(gòu)具有更發(fā)達(dá)的葉功能結(jié)構(gòu),更傾向于快速獲取資源型的“快投資—收益”策略;丘北冬蕙蘭和3種附生蘭具有較強(qiáng)的抗旱、儲(chǔ)水和輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)等高密度組織結(jié)構(gòu)特征,更傾向于資源保守型“慢投資—收益”策略。