3 種圓柏屬植物葉片氣孔特征對自然光強的響應

宋晨慧，張有福，王夢可，王露露，陳春艷

（河南科技大學農學院，河南 洛陽 471023）

【研究意義】植物氣孔是由兩個特殊分化的保衛細胞構成的孔狀結構［1］，是植物與環境進行氣體和水分交換的通道，也是植物響應環境變化調節光合和蒸騰的調節位點。為適應復雜多變的環境，植物既可通過保衛細胞的膨壓調節氣孔大小和開度，也可通過氣孔密度和氣孔分布平衡光合作用和水分散失［2］。其中植物依賴于氣孔的開度調節蒸騰和光合常用來解釋適應環境因子的短期變化［3］，氣孔分布和密度的變化則是植物適應環境因子長期變化的結果。然而植物往往通過多種氣孔功能性狀協調適應環境變化，表現出氣孔大小與氣孔密度之間存在穩定的負相關關系［4］。另外，氣孔特征也受到植物本身遺傳因素的決定。因此，分析不同環境氣孔特征、氣孔參數之間的關系有利于揭示植物適應環境的種間差異和長期與短期適應的差異。【前人研究進展】光是植物賴以生存的基礎。光照強度被認為是影響植物氣孔發育和功能的重要環境因素。長期以來，關于氣孔性狀對光照強度的響應展開了大量的研究并取得一些成果。花生通過保衛細胞的膨脹和收縮調節氣孔大小以適應光照的日變化［5］。10 種地被植物在遮蔭環境下葉片氣孔密度相對較少，小的氣孔密度有利于葉片更好地吸收并儲存光能［6］。楓香（Liquidambar formosana）通過調節氣孔開度和氣孔密度以適應不同環境的長期光照差異［7］。蛇足石杉（Huperzia serrata）在一定范圍內，隨著環境中光照強度的增加，氣孔長度和寬度、氣孔密度都呈增加的趨勢，小而密的氣孔是其適應旱生環境的表現［8］。刺槐（Robinia pseudoacacia）在光照充足的南坡葉片氣孔小但氣孔密度高，在郁閉程度高的北坡氣孔大但氣孔密度小［9］，這是光合產物在不同構件或功能間權衡分配的結果。

【本研究切入點】以往的研究傾向于氣孔特征的日變化來解釋植物適應短期光照變化下的氣孔調節，或者不同生境下氣孔差異解析長期光照差異下氣孔的適應性變化［5,7］，但這些研究都缺乏氣孔結構和功能在同一環境下長短期光照變化的比較分析。因此，比較同一生境下同屬植物氣孔響應長期和短期光照差異將為進一步闡明植物氣孔響應光環境變化的適應機制提供借鑒。【擬解決的關鍵問題】本研究選取3 種圓柏屬植物為研究對象，測定同一生境不同光照下的氣孔特征并進行比較分析，進一步探討氣孔響應光環境變化及其適應策略，為解析圓柏屬植物葉形差異與光照強度關系與適應性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試樣品采自洛陽市周山森林公園，該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，海拔196～269 m，年均降水量672.6 mm。2021 年3 月中旬，在地勢平坦、樹間無明顯遮蔭的地方，選擇生長情況良好、健壯無蟲害的圓柏（Juniperus chinensis）、龍柏（J.chinensiscv.Kaizuca）、塔 柏（J.chinensiscv.Pyramidalis）各4 株，選擇無風、晴朗的天氣，剪取離地2 m 處的樹冠陰、陽面的葉片，將其分別放入裝有FAA 固定液的離心管中，帶回實驗室抽真空至葉片全部沉入固定液中，24 h 后進行制片和氣孔特征測定。因圓柏蒸騰速率的日變化曲線基本呈單峰拋物線型，13:00 左右達到最高峰［10］。采樣時間為早上5:50—6:20 和中午11:00—11:30，即此時間段內，光照為影響氣孔運動的主要因素。

3 種圓柏屬植物均具異形葉特征，其中圓柏、龍柏多鱗形葉，塔柏多刺形葉。因此，在進行葉片氣孔特征比較時，為避免葉型帶來的影響，圓柏和龍柏的葉片僅采用鱗形葉，塔柏僅采用刺形葉。以早晨和中午時段采集的葉片代表短期光照的變化；因樹冠朝向導致的葉片所處的光環境不同，以樹冠陰、陽面代表長期光照差異。

1.2 試驗方法

葉表皮制片方法參照朱玉懷等的NaClO法［11］。每個樹種選取8 張臨時裝片用于測定各氣孔參數，每張制片在顯微鏡下隨機選取5 個視野，每個視野內隨機選取5 個氣孔，用顯微測微尺測量保衛細胞長度（GCL）和保衛細胞寬度（GCW）及氣孔開度（SA），氣孔開度由氣孔內壁最寬處的寬度代表，并記錄視野面積內的氣孔個數，計算氣孔密度（SD）：

氣孔密度=氣孔數/視野面積（0.1590 mm2）

自然界中多數植物的氣孔主要分布在葉片遠軸面，但鑒于圓柏屬植物的氣孔主要分布在葉片近軸面，故僅以近軸面氣孔作相關分析。

1.3 數據分析

對不同自然光強下植物葉片的氣孔參數進行配對樣本t檢驗。若差異顯著，則將顯著變化的氣孔參數組合，采用線性回歸法分析它們在長短期光照變化下的關系。采用IBM SPSS Statistics 22.0 軟件進行統計分析，應用Microsoft Excel 2019 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 圓柏屬植物葉片氣孔特征

圓柏屬植物存在鱗形葉和刺形葉，圓柏和龍柏鱗形葉上的氣孔主要分布在近軸面上，除了中軸和葉緣處，整個近軸面都分布有氣孔，而遠軸面上只有相鄰兩葉交界處有氣孔分布。塔柏刺形葉的氣孔僅分布在葉片近軸面，除了中軸處和葉緣外，整個近軸面全部被氣孔覆蓋，且有兩條明顯的氣孔帶，而遠軸面無氣孔分布（表1）。可見，具有異形葉的圓柏屬植物的氣孔多分布在葉的近軸面。

表1 3 種圓柏屬植物葉表皮微形態結構比較Table 1 Comparison of leaf epidermal micromorphologies of three species of Juniperus

2.2 自然光照對3 種圓柏屬植物氣孔參數的影響

2.2.1 短期光照變化對氣孔參數的影響 3 種圓柏屬植物氣孔參數的日變化趨勢基本一致（表2）。中午自然光照強度增強時，3 種圓柏屬植物GCW比早晨分別顯著減小0.06%、0.09%、0.09%，SA分別顯著增大27.6%、24.3%、24.3%，但GCL、SD 無顯著差異，表明3 種圓柏屬植物主要通過調節GCW 的收縮增大SA 以適應短期光照變化。

表2 3 種圓柏屬植物氣孔參數的日變化特征Table 2 Diurnal change characteristics of stomatal parameters of three species of Juniperus

2.2.2 長期光照差異對氣孔參數的影響 樹冠朝向引起葉片接受的光照強弱和時長不同，導致3 種圓柏屬植物陰陽面氣孔參數間存在差異（表3）。圓柏、龍柏、塔柏陰面葉的GCL 比陽面分別顯著增大0.05%、0.04%、0.07%，SA 比陽面分別顯著增大47.7%、18.4%、39.0%，但GCW比陽面分別顯著減小1.0%、6.8%、10.2%，SD 比陽面分別顯著降低26%、8%、18%，表明植物通過SA 和SD 的雙重調節以適應長期光照差異。

表3 3 種圓柏屬植物樹冠陰陽面氣孔參數的變化特征Table 3 Variation characteristics of stomatal parameters between the shady and sunny sides of the canopy of three species of Juniperus

2.3 自然光照下3 種圓柏屬植物氣孔參數間的關系

2.3.1 短期光照變化下氣孔參數間的關系 日變化下，3 種圓柏屬植物葉片的GCW 與SA 均發生顯著變化且相關性較強（r分別為0.879、0.914、0.418）（圖1），表明3 種圓柏屬植物氣孔參數相關性一致，SA 均隨著GCW 的減小而增大。

圖1 3 種圓柏屬植物日變化下氣孔參數間的相關性Fig.1 Correlation of stomatal parameters of three species of Juniperus under diurnal changes

2.3.2 長期光照差異下氣孔參數間的關系 3 種圓柏屬植物葉片的GCL、GCW、SA、SD 在樹冠陰陽面都有顯著差異（圖2）。將SA 與GCL、GCW、SD 組合進行線性回歸分析表明，3 種圓柏屬植物葉片的SA 與GCL 均呈正相關關系（r分別為 0.880、0.752、0.918），與GCW 均呈負相關關系（r分別為0.891、0.857、0.818），與SD也均呈負相關關系分別為（r分別為0.898、0.937、0.500）（圖2）。可見，SA 隨著GCL 的增加而增大，隨著GCW、SD 的增大而減小。

圖2 3 種圓柏屬植物樹冠陰陽面氣孔參數間的相關性Fig.2 Correlation of stomatal parameters between the shady and sunny sides of the canopy of three species of Juniperus

3 討論

3.1 圓柏屬植物異形葉間氣孔特征的差異

圓柏屬植物有鱗形和刺形兩種葉形。本研究前期工作發現，鱗形葉緊貼小枝，氣孔分布在近軸面以及兩鱗形葉交界處的遠軸面上；刺形葉與小枝分離，氣孔僅分布于近軸面，有兩條明顯的氣孔帶。這與邵鄰相等［12］對柏科植物葉片氣孔分布的研究結果一致。為了保證積累足夠的營養物質，以求得生存與繁衍，植物在長期進化過程一定會保留有利于保持旺盛光合、呼吸代謝活力的氣孔特征［13］。圓柏屬植物的葉形狹小，遠軸面比近軸面更多地暴露于空氣中和陽光下，因此氣孔傾向于分布在相對遠離外界環境，受到相對“保護”的近軸面，這種分布有效抑制了葉內的蒸騰，降低了水分的蒸發，提高了葉子的抗早性。這與呂洪飛［13］對雙子葉植物的研究結果不一致，青藏高原雙子葉植物氣孔常分布在遠軸面，這種分布方式有利于其與外界環境進行二氧化碳和水分的交換，同時適當的抑制蒸騰作用，避免水分過度蒸發而造成生理干旱，這是雙子葉植物對高寒極端環境長期適應的結果。可見，氣孔分布與葉形的關系及其差異在一定程度上反映了植物對環境長期適應。

3.2 氣孔特征對短期光照變化的響應

依賴于氣孔開度調節的氣孔運動被認為是植物適應環境變化重要反應［14］。本研究發現，在日變化過程中，植物通過降低保衛細胞寬度以增加氣孔開度來適應短期光照變化。這與王萍等［15］研究結果一致，日變化過程中氣孔開度主要依賴于保衛細胞寬度的收縮。由于圓柏蒸騰速率的日變化曲線均呈單峰拋物線型，峰值出現在13：00左右［10］，因此，本研究中，與早晨相比，中午光強增加時，氣孔開度的增加能夠提高植物葉片光合作用和蒸騰作用，同時降低葉溫，促進水分及無機鹽的吸收和運輸［15］。此外，當氣孔發育過程中保衛細胞寬度生長速率大于保衛細胞長度生長速率時，氣孔會逐漸向“圓”形發展，增加了單位周長下的氣孔面積，這有助于減小葉表氣孔器的物質與能量投資［16］。因此，我們推斷植物主要采用低耗能的保衛細胞寬度改變來調節氣孔開度以適應短期光照變化。

3.3 氣孔特征對長期光照差異的響應

樹冠朝向不同，葉片接受的光照長期存在差異，可用于探索葉片對長期光照環境變化的適應差異。本研究中，長期光照差異下，通過保衛細胞長度和寬度雙重調節氣孔的開度，與氣孔密度在葉片生長發育過程中的變化是植物對長期光照差異適應的方式。這種調節方式與其他物種的研究結果基本一致［17］。氣孔直接影響植物的CO2交換速率、蒸騰速率和光合速率，不同光照下氣孔開度和氣孔密度的組合調節被認為是植物平衡水碳循環的一種經濟方式［18］。與樹冠陽面不同，樹冠陰面光資源不足，大氣孔開度和小氣孔密度更具有適應意義。植物通過增大氣孔開度，或者形成“無光合午休”等機制提高CO2固定效率，在獲得最大CO2的同時，還能夠對氣孔密度的減小具有一定的補償作用，有利于植物在低光照條件下提高光能利用效率［19］。雖然較大的氣孔開度可以交換更多的碳，但這種交換存在風險。隨著氣孔開度逐漸增大，其進一步開張的阻力也越大、耗費能量越多，它們的慢動力學特性也使大氣孔植物在遭遇干旱等環境脅迫時更容易發生功能紊亂［20-21］。樹冠陽面葉片的氣孔開度小且氣孔密度高，高氣孔密度有利于增強葉片氣體交換的能力，這樣當部分氣孔生理活動受到抑制時，其余功能正常的氣孔能做出適度調節，在功能上及時補償，使葉片的基本生理過程得以維持。但高氣孔密度在增加CO2吸收的同時，必然會增強水分蒸發，這容易造成植物“生理干旱”。小氣孔開度除可減少水分流失外，還具有靈活的調節功能，有利于快速關閉，可在一定程度上減少水分散失，對高氣孔密度可能造成的“生理干旱”進行補償，這可能是氣孔對強光環境作出的響應和適應［21］。可見，依賴于氣孔開度和氣孔密度的雙重調節是植物對長期光照差異適應的一種重要體現。

4 結論

本研究通過分析具有鱗形和刺形兩種葉型的3 種圓柏屬植物，觀測了短期光照變化（日變化）與長期光照差異（樹冠陰面和陽面）下葉片的氣孔特征及其相關性。結果表明，短期光照變化下，植物葉片的氣孔開度主要依賴于保衛細胞寬度的調節；長期光照差異下，3 種圓柏屬植物氣孔開度依賴于保衛細胞長度和保衛細胞寬度的雙重調節。可見，氣孔特征可以較好地反映植物對長期和短期光照適應性的差異。