牛膝菊屬兩種外來入侵植物葉片的形態解剖結構比較研究

昌恩梓，齊淑艷，2，孔令群，李曉春，申 柳

（1.沈陽大學生物與環境工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧省城市有害生物治理與生態安全重點實驗室，遼寧 沈陽 110044）

牛膝菊屬（Galinsoga）植物全世界約有5種，主要分布于美洲.我國有牛膝菊（Galinsoga parviflora）和粗毛牛膝菊（Galinsogaquadriradiata）2種，均為外來入侵植物，目前這2種植物在遼寧省都有分布［1－2］.牛膝菊和粗毛牛膝菊作為一種入侵性雜草，其分布范圍較廣，生境條件多樣，目前還不很清楚它們為什么具有如此強的入侵能力.植物體內部結構和外部特征是植物最為主要的性狀，入侵植物對生境的適應和散布能力是以內部結構作為基礎的，探討入侵植物結構與生態適應性、入侵機理的關系，對入侵植物的防范和治理具有一定的意義.有關牛膝菊和粗毛牛膝菊的生理、生態學方面的研究在國內外已有報道［3－11］，但對其葉的比較解剖學研究尚缺乏系統的材料.本文對分布于遼寧省的牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片形態結構進行了較為系統的研究，以為防控入侵植物及入侵機理的研究提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料采自沈陽大學校園（N41°46′，E123°26′），本地區是沈陽市人口密集的商業文化中心地帶，屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，四季分明，雨熱同季.年平均氣溫為7.4℃，1月平均氣溫為－12.6℃，7月平均氣溫為27.5℃；年平均降水量為755.4mm，多集中在6—8月，可占全年降水量的64.4%；無霜期150d.在植物區系上，沈陽屬于華北植物分布區，但正處于長白、蒙古植物分布區的交匯地帶［12］，植物種類比較豐富，給外來種入侵創造了生態環境條件.

2011年8月15日至9月6日9：00～11：00，于沈陽大學校區采集分布于不同草坪正常生長開花的牛膝菊（G.parviflora）和粗毛牛膝菊（G.quadriradiata）.

1.2 研究方法

1.2.1 葉片形態特征的觀測

分別取牛膝菊和粗毛牛膝菊新鮮植株各20株，每株取頂端成熟葉片至下數第3節完整、成熟的葉片2枚.利用清華紫光B700掃描儀將葉片形狀掃描成圖片文件，編號保存.將編號后的葉片分別裝袋，80℃（24h）烘干至恒重，用電子天平（1／10000）稱量每個葉片的干重.用AUTOCAD軟件測量每片葉的長度、寬度、周長、面積；計算葉片的長寬比、葉形指數（葉面積／（長×寬））、比葉重（葉生物量／葉面積）［14］.

1.2.2 氣孔形態的觀測

分別取牛膝菊和粗毛牛膝菊植株各30株，取其頂端成熟葉片至下數第3節完整、成熟的葉片，采用雙刃刀片刮取葉片位于主脈兩側和近葉邊緣的上、下表皮制作臨時水裝片.將制好的裝片利用Motic（DMB52223IPL）數碼顯微鏡攝像系統進行觀測（10×40倍），每個裝片隨機選取3個視野進行拍攝，利用Motic mages Advanced 3.2圖像處理軟件，測量氣孔（兩個腎形保衛細胞的胞間隙）的長度、寬度、周長、面積及氣孔數、表皮細胞數，計算氣孔指數（100×每個視野單位面積內的氣孔個數／（氣孔個數＋表皮細胞數））、氣孔密度（個／mm2）、變異系數（標準差／平均數×100%）［4］.

1.2.3 葉片解剖結構

將上述采集的新鮮葉片用刀片過中脈切成0.5cm×0.5cm左右的小片，FAA固定液固定，過夜.常規石蠟切片法制作葉的永久橫切片［13］，切片厚度10～12μm，酒精脫水，二甲苯透明，番紅－固綠對染，加拿大樹膠封片.每種植物葉片各制作有效石蠟切片30片.利用Motic（DMB52223IPL）數碼顯微鏡攝像系統進行觀測（10×10倍），每個裝片隨機選取3個視野進行拍攝，利用Motic mages Advanced 3.2圖像處理軟件，測量葉片表皮細胞厚度和寬度、柵欄組織長度和寬度、海綿組織厚度等，并計算柵欄組織與海綿組織的比值.

原始數據的整理采用Excel軟件完成，差異顯著性檢測利用DPS軟件進行.

2 結果與分析

2.1 葉片形態特征

牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片形態特征測量結果見表1.分析結果表明，生長在相同的生境下，兩種植物葉片的長寬比、葉形指數、單葉干重和比葉重差異不顯著（P＞0.05），而單葉面積表現為牛膝菊＜粗毛牛膝菊，差異非常顯著（P＜0.01）.

表1 牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片的形態數量特征

2.2 葉表皮細胞形態特征

牛膝菊和粗毛牛膝菊的上、下表皮細胞均為不規則形，垂周壁呈波狀，但上表皮呈淺波狀，下表皮呈深波狀.上、下表皮均有氣孔分布，且下表皮多于上表皮，差異非常顯著（P＜0.01）.保衛細胞為腎形，氣孔器類型為不規則型（見圖1）.牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片的氣孔形態數量特征和氣孔參數見表2.由表2可見，牛膝菊上表皮與下表皮氣孔的長度、寬度和周長差異不顯著（P＞0.05）；上表皮的氣孔面積＞下表皮的氣孔面積，差異顯著（P＜0.05）；而氣孔指數和氣孔密度均為上表皮＜下表皮，差異非常顯著（P＜0.01）.粗毛牛膝菊上表皮與下表皮氣孔的長度、寬度和周長差異不顯著（P＞0.05）；而上表皮的氣孔面積＜下表皮的氣孔面積，差異顯著（P＜0.05）；氣孔指數和氣孔密度均表現為上表皮＜下表皮，差異非常顯著（P＜0.01）.

圖1 葉片表面觀（10×40）

表2 牛膝菊和粗毛牛膝菊的氣孔形態數量特征和氣孔參數

2.3 葉片解剖結構

2.3.1 表皮

牛膝菊和粗毛牛膝菊的上、下表皮細胞均為一層，橫切面呈長方形或橢圓形.粗毛牛膝菊表皮毛為3－細胞單列型（見圖2）.牛膝菊和粗毛牛膝菊的表皮細胞解剖特征見表3.數據分析表明：牛膝菊和粗毛牛膝菊上表皮細胞的厚度＞下表皮的厚度，差異非常顯著（P＜0.01）；上表皮細胞的寬度＞下表皮的寬度，差異顯著（P＜0.05）.

2.3.2 葉肉

牛膝菊和粗毛牛膝菊具有明顯的柵欄組織和海綿組織分化，為異面葉，其解剖結構特征詳見表3.柵欄組織細胞呈長柱狀，1層位于近軸面（見圖2）.牛膝菊的柵欄組織細胞長度和寬度分別為72.20，23.82μm，海綿組織厚度為91.74μm，柵欄組織厚／海綿組織厚為0.7963，海綿組織細胞排列較疏松.粗毛牛膝菊柵欄組織細胞長度和寬度分別為72.85，29.85μm，海綿組織厚度為80.87μm，柵欄組織厚／海綿組織厚為0.9224，海綿組織細胞排列較緊密.

表3 牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片的解剖特征

2.3.3 葉脈

牛膝菊和粗毛牛膝菊的中脈僅有1束維管束，外有2層維管束鞘，屬于C3植物類型（見圖2）.

3 討論

生態適應是生物個體為了適應環境變化，從形態結構、生理特征等方面做出的有利于生存的改變.葉片是植物體進行光合作用的營養器官，同時也是對環境變化最為敏感的器官，其形態結構特征最能體現環境因子的影響或植物對環境的適應［14］.

3.1 葉片形態特征

入侵植物具有對異質性環境的快速適應能力和快速進化的特點［15］.調查中發現，粗毛牛膝菊生境多樣，而牛膝菊一般生長在蔽蔭和水分充足的環境中.實驗結果表明，粗毛牛膝菊的單葉面積（4.8890cm2）大于牛膝菊的單葉面積（2.9957cm2），大的葉面積具有增強光合作用效率、保持體內營養物質的作用，說明粗毛牛膝菊比牛膝菊能更好地適應資源貧瘠和干旱的環境，擴散能力更強，這也是目前粗毛牛膝菊分布多于牛膝菊的原因之一.而粗毛牛膝菊和牛膝菊植物葉片的長寬比、葉形指數差異不顯著，表明生長在相同生境下同屬不同種植物葉片的形態特征差別不大.

生物量和比葉重作為植物葉片的生長指標能夠反映植物的生長和生產力大小.比葉重的增大可減少植物因葉表面蒸騰而引起的水分喪失，保水能力更強；此外比葉重增大可使葉片具有較強的支持和抵御能力［16］.粗毛牛膝菊的比葉重（0.0030g／cm2）大于牛膝菊的比葉重（0.0003g／cm2），表明粗毛牛膝菊比牛膝菊具有更強的抗旱能力，這也是粗毛牛膝菊向西北和東北入侵潛力較強的原因之一.

3.2 葉表皮細胞形態特征

牛膝菊和粗毛牛膝菊上表皮氣孔密度小于下表皮的，且差異非常顯著，這樣的氣孔分布特點可使植物能夠抵御強烈的日光照射、減少呼吸和蒸騰以達到降低水分散失的目的，說明牛膝菊和粗毛牛膝菊都是典型的陽生植物.野外觀察表明，在沈陽霜降以后，其他植物地上部分均已死亡，而牛膝菊和粗毛牛膝菊仍能存活，表現出較強的抗寒能力.本實驗的結果表明，牛膝菊和粗毛牛膝菊的上、下表皮細胞垂周壁呈波狀，細胞更具彈性，可使其不受表皮細胞因寒冷失水所產生的壓力影響［17］，而植物葉片表皮細胞具有波浪狀垂周壁，是抗寒能力較強的表現［18］，這一結論與觀察結果相吻合.

牛膝菊和粗毛牛膝菊氣孔密度的變異系數都比氣孔指數的變異系數大，說明在影響氣孔參數因素相同的情況下，氣孔指數是相對穩定的系統演替性狀.這一結果與馬清溫等對北美紅杉和水杉的氣孔參數的研究結論一致［19－20］.實驗表明牛膝菊和粗毛牛膝菊的下表皮氣孔密度和氣孔指數的變異系數均大于上表皮，表明牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片下表皮的氣孔分布情況比上表皮更加穩定.但是粗毛牛膝菊的氣孔面積小于牛膝菊的氣孔面積，這種特點的氣孔對外界條件變化反應靈敏，當植株受到干旱脅迫而葉片水分狀況并未發生改變時，氣孔導性下降，蒸騰降低，氣孔可較快關閉，防止葉片可能發生的水分虧缺，從而提高植株的抗旱能力［21］.在干旱環境下氣孔密度一般隨著環境中水分和濕度的減少而增加，但氣孔面積則向小型化發展［22］.粗毛牛膝菊氣孔面積較小表現出對干旱環境的適應性要強于牛膝菊.

葉片表皮結構，特別是氣孔參數，對環境條件變化的響應與適應多樣、復雜，要深入揭示入侵植物葉表皮細胞形態特征對生態環境變化的適應性仍需要進一步開展相關的研究工作.

3.3 葉片解剖結構

牛膝菊和粗毛牛膝菊葉片上表皮細胞厚度均大于下表皮，柵欄組織與海綿組織的厚度比分別為0.7963和0.9224.柵欄組織與海綿組織的厚度比越大其耐寒、耐旱性越強，厚度比大于1的植物通常被認為是典型的抗寒、抗旱性植物［23］.牛膝菊和粗毛牛膝菊柵欄組織與海綿組織的厚度比均較高，說明這兩種植物的耐旱性、耐寒性都較強.而粗毛牛膝菊柵欄組織與海綿組織的厚度比大于牛膝菊的，且差異顯著，表明在相同的環境條件下，粗毛牛膝菊比牛膝菊具有更強的光合能力，可以積累更多的有機物.粗毛牛膝菊的比葉重（0.0052g／cm2）大于牛膝菊的比葉重（0.0038g／cm2），且差異顯著，也證明了這一點.海綿組織的厚薄主要反映了植物對水分條件的適應性，水分條件越好其海綿組織也就越厚［24］，牛膝菊海綿組織厚度為91.74μm，粗毛牛膝菊海綿組織厚度為80.87μm，差異顯著，說明粗毛牛膝菊對干旱環境條件的適應性強于牛膝菊.

以上葉片形態結構的特征反映出粗毛牛膝菊比牛膝菊適應范圍更廣、對逆境的忍耐力更強，能較好的適應干旱、寒冷環境，入侵潛力更大，這也是粗毛牛膝菊成功入侵的重要原因之一.同時這也說明水分和寒冷條件不能成為牛膝菊和粗毛牛膝菊等入侵植物繼續擴大分布范圍的限制因素.

［1］李振宇，解焱.中國外來入侵種［M］.北京：中國林業出版社，2002：166.

［2］齊淑艷，徐文鐸.外來入侵植物粗毛牛膝菊在遼寧地區新的發現［J］.遼寧林業科技，2008（4）：22－24.

［3］齊淑艷，徐文鐸，文言.外來入侵植物牛膝菊種群構件生物量結構［J］.應用生態學報，2006，17（12）：2283－2286.

［4］齊淑艷，郭曉華，趙明.CO2、O3濃度升高對入侵植物牛膝菊葉片形態特征的影響［J］.東北師大學報：自然科學版，2009，41（2）：149－153.

［5］李康，鄭寶江.外來入侵植物牛膝菊的入侵性研究［J］.山西大同大學學報：自然科學版，2010，26（2）：69－71.

［6］范雪濤，馬丹煒，向莎，等.不同逆境條件下辣子草抗氧化酶系統的變化［J］.應用與環境生物學報，2008，14（5）：616－619.

［7］馬丹煒，范雪濤，葛方蘭，等.低溫脅迫對辣子草水浸提液化感作用的影響［J］.熱帶亞熱帶植物學報，2008，16（6）：526－530.

［8］田陌，張峰.入侵物種粗毛牛膝菊（Galinsogaquadriradiata）在秦嶺地區的生態適應性［J］.陜西師范大學學報：自然科學版，2011，39（5）：71－75.

［9］MERIC C，DANE F.A new alien species for the flora of European Turkey：Galinsogaparviflora （Asteraceae）［J］.Phytologia Balcanica，2005，11：63－66.

［10］ESPINOSA－GARCIA F J，VAZQUEZ－BRAVO R，MARTINEZ－RAMOS M.Survival，germinability and fungal colonization of dimorphic achenes of the annual weed Galinsogaparviflora buried in the soil［J］.Weed Research （Oxford），2003，43：269－275.

［11］FU DOSTATNY D.Effect of density on individual size and fertility in two species of weeds：Galinsoga ciliata and Galinsoga parviflora［J］.Journal of Ecology，1999，47：353－357.

［12］徐文鐸，何興元，陳瑋，等.沈陽市區植物區系與植被類型的研究［J］.應用生態學報，2003，14（12）：2095－2102.

［13］李正理.植物制片技術［M］.北京：科學出版社，1987.

［14］王勛陵，王靜.植物的形態結構與環境［M］.蘭州：蘭州大學出版社，1989.

［15］BLOSSEY B，NOTZOLD R.Evolution of increased competitive ability in invasive non indigenous plants：a hypothesis［J］.J Ecol，1995，83：887－889.

［16］HIGUCHI H，SAKURATANI T，UTAUNOMIYA N.Photosynthesis，leaf morphology and shoot growth as affected by temperatures in cherimoya（Annona cherimola Mill）trees［J］.Sci Hort，1999，80：91－104.

［17］SANFORD W G.Pineapple croplay－concept and development［J］.Batter Crop Plant，1962，46：32－43.

［18］陳清西，廖鏡思，王明雙，等.食用蕉若干品種類型葉片組織結構的比較觀察［J］.福建農林大學學報：自然科學版，1992，21（4）：406－412.

［19］馬清溫，張金保.水杉（杉科）的葉表皮結構［J］.植物研究，2003，23（1）：32－35.

［20］馬清溫，李鳳蘭，李承森.氣孔參數的變異系數和影響因素［J］.北京林業大學學報，2005，27（1）：19－23.

［21］李芳蘭，包維楷，劉俊華.岷江上游干旱河谷海拔梯度上四川黃櫨葉片特征及其與環境因子的關系［J］.西北植物學報，2005，25（11）：2277－2284.

［22］崔國文，馬春平.紫花苜蓿葉片形態結構及其與抗寒性的關系［J］.草地學報，2007，15（1）：70－74.

［23］石登紅，陳訓.6種杜鵑花屬（Rhododendron）植物葉片結構的研究［J］.貴州科學，2005，23（3）：39－45.

［24］容麗，陳訓，汪小春.百里杜鵑屬13種植物葉片解剖結構的生態適應性［J］.安徽農業科學，2009，37（3）：1084－1088.