兩種生長基質下降香黃檀葉片形態解剖表型可塑性比較*

韋耀妮，楊振德,2，文 黎，席英卓，覃桂麗，玉舒中**

(1.廣西大學林學院，廣西南寧 530004；2.廣西森林生態與保育重點實驗室，廣西南寧 530004)

0 引言

表型可塑性(Phenotypic plasticity)是同一個基因型的生物個體通過調節外部形態特征和內部生理功能等來適應異質生境的生態適應行為[1,2]。在植物與環境相互作用過程中，植物通過表型可塑性策略更好地適應環境[3]。葉片作為植物與環境接觸面積最大的營養器官，在環境因子(如水分、溫度和光照等)發生變化的過程中具有較大的可塑性[4]。因此，葉片形態解剖表型可塑性指數是評價植物適應異質性環境的重要指標。目前已有許多學者從植物功能性狀角度去探討石漠化地區植物的適應策略[5-8]，如葉經濟譜[9,10]、光合特性[11-15]、生長特性[16,17]或形態解剖等生理特征[18-21]。

降香黃檀(Dalbergiaodorifera)，屬豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionaceae)黃檀屬(Dalbergia)常綠半落葉喬木，被列為國家二級保護植物[22]，原產于我國海南島，在廣東、福建等華南地區多有分布[23]。降香黃檀對陡坡、巖石裸露和干旱瘦瘠地等貧瘠生境適應性強，因其自身具根瘤固氮、抗旱和耐貧瘠等能力多被用作喀斯特石漠化地區造林的先鋒樹種[24]。但是關于降香黃檀如何通過葉片表型可塑性策略適應石漠化環境，還未見有關研究報道。因此，本研究以全壤土和全石礫生長基質(模擬極端石漠化土壤基質)栽培下的降香黃檀幼苗為研究對象，研究不同生長基質下葉片形態解剖參數及其表型可塑性變化，旨在闡明降香黃檀的石漠化適應機制，為降香黃檀在石漠化地區的推廣栽培提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西大學林學院林學苗圃實驗基地(108°22′E，22°48′N)，氣候為典型亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.6℃，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-2.4℃，年均降雨量達1 304.2 mm，降水日數116-181 d，平均相對濕度79%。其中4-9月為雨季，高溫多雨，降水量占年降水量的70%-85%；10月至次年3月為旱季，干旱少雨，降水量僅占年降水量的15%-30%[25]。

1.2 材料

生長基質：生長基質全壤土基質(赤紅壤)和全石礫基質(石灰巖碎石)均采自廣西壯族自治區南寧市馬山縣石漠化地區，其中全壤土基質pH值5.34，相對含水量為19.63%，全磷含量0.145 g·kg-1，全鉀5.745 g·kg-1，全氮1.753 g·kg-1；全石礫基質粒徑約0.51 cm，pH值8.21，相對含水量為2.89%，全磷含量0.002 g·kg-1，全鉀0.105 g·kg-1，而全氮含量極低。

降香黃檀幼苗：試驗材料為長勢較一致的兩年生降香黃檀幼苗(苗高54.0-56.0 cm，地徑0.7-0.9 cm)，于2019年11月分別栽種在65 cm×100 cm裝有全壤土和全石礫的塑料桶中(底部帶有排水孔)，一桶一株，全壤土和全石礫基質各栽植10株。為保證幼苗正常生長，自栽苗后，每隔20 min進行一次滴灌，每次滴灌5 min，持續5個月。從2020年4月1日起，每日早上6：00、晚上18：00各滴灌10 min，11月1日起停止滴灌至采樣結束。試驗期間采用一致的田間管理，定期除去雜草，無額外人工施肥等營養措施。

1.3 指標測定方法

分別于2020年6月中旬和11月中旬進行采樣。每種生長基質下隨機選出3株無病蟲害、長勢良好的降香黃檀幼苗采集葉片，每株在降香黃檀向陽面生長的樹冠中上部位選取完整成熟葉片30片，裝袋標記好后置于冰盒中帶回室內分別進行葉片形態與解剖參數測定。

使用便攜式CI-203葉面積測定儀測量樣葉葉長、葉寬和葉面積。測量結束后，將葉片置于烘箱內105℃殺青處理30 min后于75℃烘干至恒重，同時稱量葉片干重，并計算葉面積與葉干重之比(SLA)。

另外，在室內把采摘的新鮮葉片立即用標準固定液(70%酒精∶38%甲醛∶冰醋酸=90∶5∶5，V∶V∶V)進行固定，固定好后，沿著主脈，在葉片中部剪出0.5 cm×0.5 cm葉塊，按照常規石蠟切片流程操作后，用LEICARM2245石蠟切片機切片，切片厚度為8 μm，番紅-固綠雙重染色后，用加拿大中性樹膠進行封片，置于LEICA顯微鏡下觀察并拍照，并使用Image J軟件測量葉片總厚度、葉表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度，每個處理測量3個樣本，每個樣本測量10個視野，求平均值，并參照李娟霞等[26]的方法計算柵海比(P/S)、葉片結構緊實度(CTR)和疏松度(SR)。

1.4 數據處理

所有數據使用Excel 2010和SPSS20.0進行分析，比較兩種生長基質下降香黃檀葉片形態解剖特征的差異。參照Valladares等[27]的方法計算出可塑性指數(PI)來評價兩種生長基質下葉片形態解剖表型可塑性。

2 結果與分析

2.1 形態解剖特征

兩種生長基質下降香黃檀葉片均屬于異面葉，包括上表皮、下表皮、柵欄組織和海綿組織。與全壤土基質相比，全石礫基質下葉片上表皮細胞個體較小，多呈扁長狀；下表皮細胞個體變化差異較大，多為近圓或橢圓形狀；柵欄組織排列相對疏松，且上表皮和海綿組織的厚度相對較大，柵欄組織厚度相對較小(圖1)。

U-ep：上表皮；L-ep：下表皮；Pal：柵欄組織；Sp：海綿組織

在同一月份，除葉片結構疏松度(SR)無顯著差異外，不同生長基質下降香黃檀葉片形態解剖結構指標差異顯著(P<0.05)(表1)，全石礫基質下葉片海綿組織厚度顯著大于全壤土基質，葉長、葉面積、葉厚度和柵欄組織等形態解剖結構指標顯著小于全壤土基質。

表1 不同生長基質下不同月份降香黃檀葉片形態解剖特征

在全壤土基質下，除葉厚度、下表皮厚度和柵海比(P/S)無顯著差異外，11月份降香黃檀葉長、葉寬、葉面積、葉干重、上表皮厚度、海綿組織厚度和SR顯著大于6月份，比葉面積(SLA)、柵欄組織厚度和CTR顯著小于6月份。在全石礫基質下，除下表皮厚度和柵海比(P/S)無顯著差異外，11月份降香黃檀葉長、葉寬、葉面積、葉干重、上表皮厚度、海綿組織厚度和SR顯著大于6月份，SLA、葉厚度、柵欄組織厚度和CTR顯著小于6月份。

由此可知，與6月相比，全石礫基質下降香黃檀葉片厚度在11月份顯著減小，而全壤土基質下降香黃檀葉片葉厚度則無顯著差異。

2.2 形態解剖結構指標的可塑性指數

由圖2可知，在6月份，全壤土基質和全石礫基質下生長的降香黃檀葉片形態解剖結構指標可塑性指數(PI)整體均值分別為0.135,0.130，除葉干重、SLA和海綿組織厚度的PI及葉片PI整體均值無顯著差異外，全石礫基質下降香黃檀葉面積的PI顯著大于全壤土基質(P<0.05)，上表皮厚度和CTR的PI極顯著大于全壤土基質(P<0.01)，而葉長、葉寬、葉厚度、P/S和SR的PI顯著小于全壤土基質，下表皮厚度和柵欄組織厚度的PI則極顯著小于全壤土基質。

LL：葉長；LW：葉寬；LA：葉面積；LDW：葉干重；SLA：比葉面積；LT：葉厚度；TUE：上表皮厚度；TLE：下表皮厚度；TPT：柵欄組織厚度；TST：海綿組織厚度；P/S：柵海比；CTR：葉片結構緊實度；SR：葉片結構疏松度；Means：所有指標可塑性指數的均值;圖中數據為平均值±標準差，大寫字母A、B表示同一生長基質不同月份各指標的差異顯著性，小寫字母a、b表示同一月份不同基質各指標的差異顯著性(P<0.05)

在11月份，全壤土基質和全石礫基質下生長的葉片PI整體均值分別為0.113,0.165，除SR的PI無顯著差異外，全石礫基質下降香黃檀葉寬、上表皮厚度和P/S的PI顯著小于全壤土基質(P<0.05)，柵欄組織厚度的PI極顯著小于全壤土基質(P<0.01)，而葉面積、比葉面積、葉厚度和下表皮厚度的PI極顯著大于全壤土基質，其余指標的PI和葉片PI均值則顯著大于全壤土基質。

同理，在全壤土基質下，除葉干重、SLA和SR的PI及葉片PI整體均值無顯著差異外，11月份降香黃檀葉長和上表皮厚度的PI顯著大于6月份，海綿組織厚度的PI極顯著大于6月份，而葉寬、葉面積、P/S和CTR的PI顯著小于6月份，葉厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度的PI則極顯著小于6月份。

在全石礫基質下，6月和11月的葉片PI整體均值差異顯著，11月份降香黃檀葉干重和SR的PI及葉片PI整體均值顯著大于6月份，葉長、葉面積、SLA、下表皮厚度和海綿組織厚度的PI極顯著大于6月份，而葉寬、葉厚度、P/S和CTR的PI顯著小于6月份，上表皮厚度和柵欄組織厚度的PI則極顯著小于6月份。

由此可知，在所有指標中，不同月份、不同生長基質下葉面積的PI最高，全石礫基質下葉片PI整體均值在11月份最大。

3 討論

生長在環境差異程度不大的不同種植物，其形態解剖結構往往表現出趨同變化；而生長在環境條件不一致的同種植物，其形態結構解剖結構表現出明顯的趨異現象[28-30]。礦質元素作為重要的環境因素在植物生長過程中不可或缺，養分的缺失會嚴重限制植物正常生長發育[31]。喀斯特地區巖石裸露面積大，土壤水分和養分虧缺，植物通過降低葉面積和提高葉干物質含量來增強其耐干旱、耐貧瘠的能力[5,32]。葉面積LA和比葉面積SLA是反映植物獲取光照資源和光合能力的兩個重要指標，LA越大，葉片光合能力越強，而低SLA的植物可以更好地適應資源貧瘠和干旱的環境[1,33-35]。本研究發現，全石礫基質下降香黃檀葉面積和比葉面積顯著小于全壤土基質，推測降香黃檀可通過減小葉面積及比葉面積來適應干旱、高溫和貧瘠的全石礫生長基質，這與其他學者對唐古特白刺(Nitrariatangutorum)[36]和白刺花(Sophoradavidii)[37]的研究結果一致。

隨著干旱脅迫加劇，植物呈葉片變薄、柵欄組織縮短變緊密等變化趨勢[38,39]。從雨季到旱季，全石礫基質下降香黃檀葉片變薄、疏松度顯著增大，而全壤土基質下降香黃檀葉片厚度變化無顯著差異，疏松度顯著減少。全石礫基質下降香黃檀葉片變薄的原因可能是降香黃檀受到養分和水分虧缺的影響，葉片細胞分裂受阻，生長速率受限。另外，葉片組織結構疏松度越高，從側面也反映出葉片海綿組織發達或者葉片較薄，此結果與其他學者對三葉木通(Akebiatrifoliate)[39]和野生葡萄(VitisquinquangularisRehd)[40]的研究結果一致。

表型可塑性是植物適應環境的重要機制之一，可塑性指數是對可塑性大小的數值量化，可以直觀地表達出植株形態、生理生態性狀對環境資源變異的響應程度[41,42]。在雨季，全石礫基質下降香黃檀葉長、葉厚度和下表皮厚度的PI顯著小于全壤土基質，而上表皮厚度的PI極顯著大于全壤土基質。在旱季，全石礫基質下降香黃檀葉長、葉厚度和下表皮厚度的PI顯著大于全壤土基質，而上表皮厚度的PI則顯著小于全壤土基質，表明降香黃檀葉長、葉厚度、上表皮厚度和下表皮厚度在應對生長季節旱濕度起著重要作用。

從雨季到旱季，降香黃檀葉面積和下表皮厚度的PI在全石礫基質下極顯著增大，在全壤土基質下顯著減小；而上表皮厚度的PI在全石礫基質下極顯著減小，在全壤土基質下則顯著增大，表明降香黃檀葉片上、下表皮厚度和葉面積的表型可塑性強，并在適應不同生長環境過程中起著主導作用。而降香黃檀葉片上表皮較為光滑、無氣孔，下表皮密被表皮毛且分布大量氣孔，表皮毛和氣孔的密度、大小對下表皮厚度是否有影響還有待進一步研究。

綜合來看，在旱季中全石礫生長基質下葉片表型可塑性最大，說明降香黃檀葉片在干旱環境中適應能力強，并能較好地適應高溫、干旱且貧瘠的石漠化環境，此結果與鐘悅鳴等[43]對胡楊(Populuseuphratica)的研究結果一致。不同月份、不同生長基質下葉面積的PI最高，說明降香黃檀葉片的葉面積在應對生長季節旱濕度和生長基質的變化時最敏感，在適應不同生長環境和不同生長季節時葉面積起著重要作用，可作為降香黃檀生長環境適應性評價的重要指標。

4 結論

綜上所述，降香黃檀葉片形態解剖結構在兩種生長基質下表現出明顯的趨異現象。其形態解剖結構表型可塑性在雨旱兩季的差異性不同；其中，在旱季，全石礫生長基質下的降香黃檀葉片形態解剖參數可塑性顯著高于在全壤土基質生長的降香黃檀葉片形態解剖參數可塑性。在本研究各項指標中，葉面積對生長基質和季節旱濕度變化的可塑性指數最大，可作為降香黃檀生長環境適應性評價的重要指標。