不同生態環境脅迫胡桃楸的演化結構比較研究

陳丹萍，由繼紅，劉丹丹，王曉鈺，李 巖，徐光照，陸靜梅

(東北師范大學生命科學學院，吉林 長春 130024)

胡桃楸(JuglansmandshuricaL.)為胡桃科(Juglandaceae)胡桃屬(Juglans)植物，是我國珍貴樹種[1].其種子內含可供食用的油脂，木材性質優良；又因其青果、樹皮及葉內含有的生物活性物質和有效的化學成分較豐富，并對森林生態系統有綠化功能，故被譽為“果材兼備、藥賞兩佳”的經濟樹種[2-6].胡桃楸極高的經濟價值、藥用價值和生態價值，使其有著廣闊的開發應用前景，1992年被列為國家二級珍稀樹種和中國珍稀瀕危樹種的三級保護植物[7].近年來，越來越多的國內外學者致力于胡桃楸的栽培技術、化學成分以及生物學活性等方面的研究[8-9].隨著城市建設的蓬勃發展和生態環境的惡化，土地資源量相對匱乏問題日益嚴重，很多土地因處于建筑包圍之中而形成蔭蔽環境，樓宇旁、樹蔭下的植物無法正常生長，因此研究和利用植物耐蔭性，選育不同耐蔭性的樹種，相對增加綠化面積，將從根本上解決蔭脅地的利用問題，同時可以有效改善人們的生活質量及周圍的生態環境.環境決定植物的形態建成，結構又是功能的基礎，植物結構的變化必然影響到生理生態功能的改變[10-11].

目前，對于同一種植物頡頏不同生態環境的演化結構研究少有問津，因此，本文通過植物形態解剖研究，探索了植物頡頏逆境適應機制和相應對策的基礎；通過系列解剖結構實驗，探討了陰生與陽生環境脅迫下胡桃楸葉片和葉柄解剖結構的演化規律，以為胡桃楸的抗逆研究以及優良品種的選育提供理論基礎和科學參考依據.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料胡桃楸分別采自吉林省長春市吉林大學校園(陰生環境，43.857°N，125.333°E)和東北師范大學校園(陽生環境，43.862°N，125.331°E).

取材時間均為2016年7月.供試材料為莖的頂端下數第5片復葉和小葉柄.

1.2 實驗方法

1.2.1 石蠟切片法

將葉片切成0.3 cm×0.6 cm大小，截取葉柄0.5 cm放入FAA中固定48 h，經不同濃度梯度的酒精逐級脫水，二甲苯逐級透明，浸蠟包埋待凝固后進行修塊切片、展片及粘片，烘干后經二甲苯逐級脫蠟，番紅-固綠復染法染色制片，最后用中性樹膠封片.

1.2.2 顯微觀察及攝影

使用Olympus光學顯微鏡鏡檢.挑選合格的裝片在Nikon Eclipse 80i顯微鏡下觀察，并選取目標視野進行不同倍數的顯微拍攝.

1.2.3 數據處理及分析

采用Nis-Elements圖像分析系統中的Nis-ElementsD2.20，SP2(Build 243) Imaging Software 軟件測量胡桃楸葉片和葉柄相關結構特征參數，取10次重復實驗的平均值，結果用“平均值±標準差”表示.使用SPSS19.0軟件進行數據統計學分析[12].

2 結果與分析

2.1 陰生環境的胡桃楸葉片解剖結構

陰生環境中生長的胡桃楸葉片較薄(見圖1-1、圖1-7)，平均厚度為92.088 μm.表皮細胞參差不齊，平均直徑為12.393 μm(見圖1-3)，外切向壁角質化程度較低，偶見單細胞表皮毛集生在表皮突起的部位(見圖1-1、圖1-3)，腺毛由倒圓錐狀的多細胞頭部和多細胞柄組成，著生在葉的遠軸面(見圖1-9).葉主脈的機械組織中有沙晶分布(見圖1-3).葉主脈木質部導管孔徑較大(見圖1-5)，排列疏松，其管孔鏈平均長度為57.590 μm.韌皮部不發達(見圖1-1)，平均厚度為66.780 μm.葉片柵欄組織厚度較小，平均厚度為44.696 μm，胞間隙中出現不規則的晶體狀結構且體積較大，形似鐘乳狀(見圖1-7).海綿組織細胞形狀不規則且不發達，平均厚度為21.175 μm，有通氣組織存在(見圖1-7).

2.2 陰生環境的胡桃楸葉柄解剖結構

陰生胡桃楸葉柄表皮細胞平均直徑為6.984 μm.表皮下基本組織細胞較大、細胞壁較薄，特化程度較低，由3～4層細胞組成(見圖1-13).維管束排列較松散，為異形維管束，數目較少(見圖1-11).木質部導管分子數量少，導管直徑大，形成的管孔鏈長度為91.560 μm，由大小參差不齊的導管分子組成的導管團數量極少(見圖1-13).韌皮部的平均厚度為146.736 μm，篩管分子不發達，韌皮纖維特化不顯著(見圖1-13)，平均厚度為72.671 μm.葉柄維管束的中部基本組織細胞呈心形排列，薄壁細胞數量少、直徑大(見圖1-11).

2.3 陽生環境的胡桃楸葉片解剖結構

陽生胡桃楸葉片厚度為125.834 μm(見圖1-2、圖1-8).葉表皮細胞平均直徑為10.781 μm，外切向壁角質層較厚(見圖1-4)，表皮毛數量多且粗壯，包括單細胞簇生表皮毛和多細胞表皮毛(見圖1-2)，腺毛亦由倒圓錐狀的多細胞頭部和多細胞柄組成(見圖1-4、圖1-10).葉主脈維管束的機械組織發達，細胞內具有沙晶，木質部導管孔徑小、數量多且排列緊密(見圖1-6)，管孔鏈長度為66.469 μm.韌皮部較發達(見圖1-2)，平均厚度為73.571 μm，薄壁細胞中晶體較多(見圖1-4).葉片柵欄組織由3層細胞組成，平均厚度為71.698 μm，在柵欄組織細胞中形成了肥大的異形胞，其內具有大量晶體(見圖1-8).海綿組織平均厚度為29.064 μm，細胞間隙較大(見圖1-8).

2.4 陽生環境的胡桃楸葉柄解剖結構

葉柄表皮細胞平均直徑為6.252 μm，表皮下的基本組織由8～9層細胞組成，基本組織細胞的細胞壁厚，細胞小且數量多(見圖1-14).葉柄中維管束木質部導管分子數量多且排列緊密，葉柄中的異形維管束大小參差不等(見圖1-12).導管分子形成了數量較多的管孔鏈，平均長度為150.041 μm，管孔團較多(見圖1-14)，葉柄中部的基本組織呈心形排列，其周圍被木質部的導管分子等包圍(見圖1-12).薄壁細胞體積變小且數量增多.陽生胡桃楸韌皮部發達，平均厚度為146.736 μm，韌皮纖維木質化顯著，其平均厚度為57.513 μm(見圖1-14).

1 陰生環境胡桃楸葉的單生毛(×10)

3 陰生胡桃楸單細胞表皮毛、薄壁細胞、表皮細胞、角質層(×20)

5 陰生胡桃楸主葉脈維管束、薄壁細胞、晶體(×20)

7 陰生胡桃楸柵欄組織、海綿組織、晶體(×40)

9 陰生胡桃楸腺毛、表皮細胞(×40)

11 陰生胡桃楸葉柄的解剖結構(×4)

13 陰生胡桃楸表皮細胞、基本組織、維管束(×10)

3 討論

本文的實驗結果表明，陽生胡桃楸和陰生胡桃楸葉與葉柄的基本結構組成仍保持一致，代表了種的基本特征不變，即：穩定性和保守性.但與陽生胡桃楸相比，陰生胡桃楸頡頏弱光逆境脅迫后其葉和葉柄演化出了明顯的差異.陰生胡桃楸葉片表皮細胞外切向壁角質層較薄，表面簇生毛數量顯著減少，利于降低植物葉片因反射和遮擋而造成的光能損耗，從而增加植物葉片對低光量子的有效吸收率.陰生胡桃楸葉肉細胞的胞間隙和葉表皮細胞相對較發達，海綿組織較疏松，增加了植物葉片對低光量子的透過率從而促進了植物的光合作用，有助于植物抵御弱光脅迫.陽生和陰生胡桃楸葉片柵欄組織間隙中均出現了不規則的異形細胞，其內布滿了大量的晶體結構，具有解毒作用，增強了胡桃楸的抗逆能力.晶體的化學特性尚待進一步的鑒定、研究.

陰生胡桃楸葉柄基本組織細胞較大，細胞間的接壤表面積明顯小于陽生的，因此陰生環境的胡桃楸葉柄細胞之間的物質交流功能下降，因為細胞體積小數量多其表面積就會變大.其異形維管束數量少是頡頏陰濕環境的演化結構[13].陽生胡桃楸葉柄中演化出較多的管孔團，代表了其較為進化的特征.

陰生胡桃楸的葉片面積大、薄，顏色呈深綠色，為典型的陰生植物特征，是植物頡頏弱光逆境的演化結果：葉面積大有利于捕捉彌散光，葉片薄有利于在弱光下進行光合作用，葉片顏色深綠是因為葉綠體的長軸面與葉表面呈平行分布的結果.這也是陰生環境生長的胡桃楸為維持其正常的生理代謝需求，生理活動的活躍程度保持在相對較低水平的特殊形態和結構.陰生胡桃楸另一個頡頏逆境的演化結構為木質部導管分子直徑變大，這是因為在陰生環境中水分充足，進而增強了導管輸導水分和溶解在水中的無機鹽的功能，是用進廢退的重要結構演化特征.

從圖1-3，1-4，1-11，1-12的對比可以看出，陽生胡桃楸的導管分子直徑明顯小于陰生環境的.由于陽生環境相對干燥缺水，多且直徑小的導管分子，擴大了導管分子縱向和橫向的輸導面積，增強了輸導水分的功能，利于頡頏干旱逆境.

數理統計分析可以看出，二者的葉片、柵欄組織、海綿組織、葉韌皮部、葉韌皮纖維、葉柄韌皮纖維厚度、葉柄木質部管孔鏈長度及葉與葉柄表皮細胞直徑等特征參數均存在極顯著差異(P<0.01)，而葉主脈厚度、葉主脈木質部管孔鏈長度及葉柄韌皮部厚度等特征參數間差異顯著(P<0.05)(見表1、表2).

表1 不同生態環境胡桃楸葉片解剖結構參數

注：表中數值為平均值±標準差(n=20)；*P<0.05，**P<0.01，下同.

表2 不同生態環境胡桃楸葉柄解剖結構參數

綜上所述，本文的實驗結果證明了不同生態環境的胡桃楸適應各自逆境演化出來的形態、結構和功能之間的辯證統一；同時，在一定程度上闡明了陰生胡桃楸葉和陽生胡桃楸頡頏逆境的結構演化規律.

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