北極與北京蓼科楊柳科植物的葉表皮微形態特征

秦鵬堯，高肖賢

(1.北京101實驗中學,北京 100091；2.中科耀華教育科技有限公司,北京 100091)

1 研究目的

旨在通過分析對比北極蓼屬、柳屬植物與北京采集的蓼屬、柳屬植物不同點，了解植物光合作用的主要器官—葉子表皮細胞的微觀結構特征，特別是呼吸器官氣孔的表面特征，得到造成差異的原因，借此得出氣孔與氣候類型的關系，對豐富植被多樣性，保護生態環境系統具有重要意義。

2 研究方法

2.1 樣品采集

筆者在北極采集了腎葉山蓼與北極柳植物樣品，為保持數據可靠性，采集了足夠數量的樣品帶回北京。同時在北京百花山采集了拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼以及黃花柳植物樣品。上述植物的種屬信息如表1所示。

表1 植物種屬信息

2.2 樣品處理

將以上采集到的植物樣品利用電子顯微鏡對其葉片表皮細胞結構進行觀察。

2.2.1 樣品固定

將葉片切成2～3 mm見方的小塊，迅速投入FAA固定液中，上下顛倒幾次去除氣泡以利于樣品沉底，4 ℃固定24 h以上。其中FAA固定液(100 mL): 50%乙醇90 mL、冰乙酸5 mL、甲醛5 mL。如樣品為植物幼胚、花器官等幼嫩材料，則FAA固定液組成如下：50%乙醇89 mL、冰乙酸6 mL、甲醛5 mL。

2.2.2 樣品脫水、置換

樣品進行梯度乙醇脫水，70%、80%、90%、95%、100%乙醇，各處理15～20 min(可提前1 d做好，放于4 ℃過夜)；乙酸異戊酯置換(此時最好在玻璃器皿內進行)：75%乙醇+25%乙酸異戊酯，50%乙醇+50%乙酸異戊酯，25%乙醇+75%乙酸異戊酯，100%乙酸異戊酯，各處理15～20 min。

2.2.3 二氧化碳臨界點干燥

將樣品處理過后，進行干燥，每次最多可干燥6個樣品。

2.2.4 粘臺、鍍膜

干燥后的植物樣品用雙面膠粘在金屬臺上，使待觀察部位朝上，然后用離子濺射儀對金屬臺噴金、鍍膜。

2.2.5 掃描電鏡觀察

對樣品進行電鏡觀察，仔細記錄觀察結果。重點對較低倍數下植物葉片正面和反面的氣孔分布規律，及其高倍數下氣孔及保衛細胞、副衛細胞的形態結構進行觀察。

2.3 數據分析

利用CAD作圖軟件對植物葉片氣孔的長軸和短軸長度進行測量，同時對氣孔的面積進行計算。

3 結果與分析

3.1 5種蓼科植物表皮微形態特征比較

蓼科五種植物的電鏡掃描結果見圖1～5，由圖中看出：①腎葉山蓼植物葉表皮細胞為多邊形，垂周壁平直至弓形，少有淺波狀；氣孔器為不規則型，少有不等細胞型。腎葉山蓼的氣孔外拱蓋內緣近平滑，角質層無明顯條紋，呈淺波狀隆起，膜狀蠟質層，被蠟質顆粒；②馬蓼上表皮細胞呈不規則多角形，垂周壁較平直，下表皮細胞垂周壁彎曲；上下表皮均有多列性非腺毛、腺毛及氣孔，以下表皮為多。氣孔平軸式，少數不定式或不等式。多列性非腺毛大多稍彎曲，長184～797 μm，基部直徑29～60 μm，細胞壁稍厚，基部細胞具孔溝；③尼泊爾蓼上表皮細胞類五、六邊形，垂周近平直，具有水波樣紋飾；下表面細胞垂周壁呈深波浪形彎曲，無紋飾；上下表面均有類圓形的腺鱗；葉緣具有水波紋飾的單細胞非腺毛；氣孔不定式，橢圓形，長19.15 μm～25.34 μm，寬15.03 μm～18.43 μm，副衛細胞3～4個；④拳蓼表皮細胞呈矩形，垂周壁式樣為平直弓形或波紋狀，表皮光滑或在長軸方向上有條紋，上下表皮都有氣孔分布，氣孔器類型為不等細胞型兼不規則型，葉表面密被短柔毛，腺體；⑤珠芽蓼從葉表皮形態上看，其葉上、下表皮細胞多呈現不規則形，淺波紋狀的垂周壁，氣孔器微形態特征為無規則型和不等型共存。

圖1 腎葉山蓼葉面微觀結構

圖2 拳蓼葉面微觀結構

圖3 馬蓼葉面微觀結構

3.2 北極柳與中國黃花柳葉表皮微形態特征比較

由圖6、7掃描電子顯微鏡觀察結果來看，中國黃花柳蠟質紋飾為錐形纖維體，氣孔外拱蓋隆起且平滑，內緣角化明顯，頂端聚為小片狀的纖維體，周圍無脊狀突起。而采自北極的北極柳則為表面有疣狀突起的殼狀蠟質層，氣孔陷于蠟質層內，看不到外拱蓋等結構，頂端聚為大片狀的鱗片狀纖維體，周圍有脊狀突起。兩者微形態特征區別非常明顯，后者蠟質層發育更好，推測分布于寒溫帶和高海拔地區的柳屬種類可能是為適應更寒冷的氣候環境，多數具有較厚的痂狀蠟質層或纖維體。而分布在溫帶地區的種類蠟質層多光滑且較薄。

圖4 尼泊爾蓼葉面微觀結構

圖5 珠芽蓼葉面微觀結構

圖6 北極柳葉面微觀結構

圖7 黃花柳葉面微觀結構

3.3 北極腎葉山蓼與北京蓼科植物氣孔數量及面積對比

在200倍放大倍數下對北極腎葉山蓼和北京百花山拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼和珠芽蓼植物葉片正反面氣孔數量進行了計數，同時測量了各自氣孔長度(表2)。北極腎葉山蓼正面葉片的長、短軸長度分別為20.95 μm和15.24 μm，單個氣孔面積為250.63 μm2；反面長軸為16.3 μm，短軸為12.6 μm，單個氣孔面積為161.22 μm2。較北極腎葉山蓼而言，北京百花山的其他四種蓼屬植物外表皮氣孔的面積要小很多，但氣孔數量很少，葉片正面氣孔數量有3個，多的達7個。單位面積下(253800 μm2)北極腎葉山蓼葉面正面氣孔數量為18個，反面氣孔數量為56個，遠多于北京百花山其他蓼屬植物。

通過對比發現，無論是上表皮還是小表皮，腎葉山蓼葉片的單個氣孔面積均小于北京百花山采集的拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼和珠芽蓼。但由于腎葉山蓼上下表皮氣孔數量均多于其他四種蓼屬植物，故其氣孔總面積(正面4511.39 μm2，反面為9028.51 μm2)均大于拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼。

表2 腎葉山蓼、拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼氣孔數量及面積對比

4 討論

4.1 環境因素對蓼科植物氣孔的影響

氣孔是存在于植物葉片表皮和莖上的微小孔隙，氣孔通過控制植物與外界的氣體和水分交換來適應復雜多變的環境。氣孔雖小，但是對于植物水分利用、營養吸收、物質代謝等方面以及整個生態環境的調節作用不容小視。氣孔總面積僅占葉片總面積的5%，但是通過氣孔蒸發的水分卻占植物總失水量的70%。植物生長的環境對氣孔有很大的影響。田鑫和于廣文[1]指出在干旱脅迫輕度發展時，葉片各個部位氣孔密度分布差異不是很大，而干旱脅迫達到一定程度后，其氣孔密度在整個葉上的分布即出現嚴重紊亂。絕大多數研究表明遮蔭處理會促使多數植物的氣孔數量減少，氣孔密度會變小，氣孔的形狀發生改變，植物的氣孔導度和凈光合速率降低。在CO2濃度、水分狀況相同的條件下，不同溫度也會對葉片的氣孔分布產生影響。隨溫度升高，氣孔密度下降，而且當CO2濃度變化較小時，溫度變化的影響將超過濃度變化的影響[2]。以上都是植物為了適應一定的環境所作的反應。

作者在對植物光合作用基本了解的基礎上，分析北極腎葉山蓼與北京四種蓼科植物氣孔的差異，闡述了環境因素對氣孔的影響。為更加直觀的對比，將每種植物單個氣孔的面積列于表2中，并且在掃描電鏡放大200倍的條件下，數出253800 μm2(600 μm×423μm)內氣孔的數量，比較它們在單位面積內氣孔所占的總面積。腎葉山蓼是雙子葉植物，從圖6、7中的電鏡掃描結果中可以看出它的氣孔主要分布在葉面的反面。腎葉山蓼氣孔在顆粒面的凹陷里，氣孔開放時會突出于其他表皮細胞，有利于進行呼吸，在北極夏季的極晝天氣里，腎葉山蓼的氣孔分布于葉面陰面，防止了陽光的長時間照射，避免了長期開放造成葉面的灼傷(失水過多)。從表2中可以看出，腎葉山蓼的正反面氣孔數量整體多于其他4種植物，但是單個氣孔的面積卻小于其他4種植物，這是由于在遇到大風時可以降低氣孔表面的蒸發作用，減少體內水分的流失。腎葉山蓼的這種結構，有助于它在北極特殊的氣候中更好的進行光合作用，為植物提供更多的能量。

對比生長于大陸溫帶氣候區域的拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼，從表2中可以看出它們的氣孔數量也是陰面的大于正面的數量，但是整體數量少于北極植物腎葉山蓼。且它們的氣孔形態是呈現出突出狀態，造成這種差別的原因可能是不同氣候類型的影響。腎葉山蓼在極晝情況下，就會打開氣孔快速呼吸，為植物生長提供能量，同時也為極夜的到來儲存能量。而生長于大陸溫帶氣候區域的拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼不用擔心能量的散失，在白天進行光合作用，為植物提供能量。

4.2 北極柳與中國黃花柳的氣孔特征

楊柳科柳屬全世界約有520多種，絕大多數種類分布于北半球溫帶地區[3]。由于楊柳科柳屬的花部結構簡單、種內居群間形態變異大、廣泛的自然雜交等原因，楊柳科柳屬被公認為是分類困難的植物類群。掃描電子顯微鏡下的葉表皮微形態特征，對于一些根據宏觀形態特征難于區分的種、屬的鑒定具重要價值。研究表明植物的微形態特征是受遺傳因子所控制，比較穩定，在植物分類學上有重要的意義[4]。可為楊柳科柳屬植物的分類積累葉表皮微形態學資料提供幫助。

本文探討掃描電子顯微鏡下北極柳和中國黃花柳葉表皮微形態特征。仔細觀察表4電鏡掃描結果，可以看出北極柳與黃花柳在外觀形態與氣孔大小上有很大區別，首先北極柳氣孔外拱蓋內緣呈淺波狀，氣孔形態為氣孔外拱蓋脊狀隆起且有顆粒狀紋飾，內緣角質化明顯，周圍有一圈隆起的脊，正面的氣孔大小比陰面的大，這樣有利于光合作用的快速進行。對比于北極柳，黃花柳表面有疣狀突起的殼狀蠟質層，氣孔陷于蠟質層內，看不到外拱蓋等結構，頂端聚為大片狀的鱗片狀纖維體，部分部位愈合近似痂狀蠟質層。正面氣孔大小大于北極柳的氣孔。由此看來，掃描電鏡下的葉表皮微形態特征對柳屬的種間鑒別有很好的作用。研究發現，北極柳氣孔外拱蓋淺波狀這一形態特征可能同環境存在明顯的相關性，內緣呈淺波狀的氣孔外拱蓋可能對柳屬極地環境的種類具有指示作用，有特殊的生態學意義。

5 結論

(1) 腎葉山蓼、拳蓼、馬蓼、尼泊爾蓼、珠芽蓼為適應不同氣候及日照條件，氣孔形態和大小有很大的差別，腎葉山蓼氣孔比較小，呈凹陷狀，但整體氣孔數量比較多，這是它為適應北極氣候所具有的獨特特征，既可以不會因蒸發散失過多的水分，又可以進行高效率的呼吸。其他4種植物氣孔呈橢圓形，內緣角質化明顯，與腎葉山蓼相比，它們明顯具有溫帶植物的特征。

(2) 比較北極柳與中國黃花柳，二者的氣孔形態不同，北極柳氣孔張開，周圍有隆起的脊，葉面表皮結構較為光滑，而黃花柳氣孔被蠟質層包圍，具有較厚的痂狀蠟質層或纖維體。

(3) 在總結上述規律基礎上，發現分布于寒冷地區和高海拔地區的柳屬植物的葉表皮微形態特征相對多樣，這可能是植物對寒冷環境的適應進化。通過大致總結的規律可以用來區分不同氣候類型區域生長的植物，這樣對于保護生態環境、保護生物多樣性具有積極的意義。