葉齡與葉位對鳶尾葉片微結構的影響

柴旭旭，白燕嬌，威尼拉·托合提孫，孫小玲

（天津農學院 園藝園林學院，天津 300392）

葉脈具有運輸、支撐和保護葉片等重要的生物學功能，是植物適應生態系統的一個重要因素。葉脈密度在很大程度上影響著整個葉片的水分供應以及葉脈系統對葉片的支撐效率，各級葉脈密度與葉片的光合速率、水分運輸和水的傳導等有密切關系[1]。較高的葉脈密度能夠滿足蒸騰所需的大量水分和能量消耗，有助于植物調節葉片溫度和維持體內水分平衡。研究葉脈網絡功能性狀，對預測植物及生態系統對全球變化的響應具有重要意義。氣孔是由兩個保衛細胞和這兩個細胞之間的孔隙組成的分布在植物葉片表皮上的一種特殊結構。植物的生長與光合作用以及蒸騰作用是密不可分的，而氣孔不僅在植物與外界環境交換氣體扮演重要的角色，還對植物內部環境的水分蒸騰發揮著重要作用[2]。對部分有關氣孔的研究發現，氣孔可以通過保衛細胞來感知外部和內部信號，從而對環境變化做出一定的響應來提高自身的抗性，減輕環境帶來的影響[3]，因此植物葉片的氣孔結構與分布特征會隨環境的變化而發生變化。

近幾年來，隨著人們生態意識提高，對綠化的需求增大，城市園林綠化越來越被重視，具有良好的適應性和抗逆性的園林植物成為研究熱點之一。鳶尾（Iris tectorumMaxim.）是單子葉植物，作為良好的宿根花卉，花色美觀，觀賞價值高。鳶尾作為園林中應用最普遍的地被植物之一，具有耐陰性較好、耐粗放管理、無須過多人工養護等特點。近年來，國內有關鳶尾的研究主要集中在形態特征、生物學特性、分類學、繁殖及繁殖技術、病蟲害、育種學、分子系統學和觀賞應用等方面[4-8]，而鳶尾不同葉齡與葉位葉片微觀結構規律方面的研究則鮮見報道。鑒于此，本研究針對不同葉齡和不同葉位鳶尾葉片微觀結構的變化情況，闡述氣孔特征以及葉脈網絡結構的響應過程，以期為研究鳶尾適應性與抗逆性提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料種植于天津農學院東校區，采集生長狀態良好，無病蟲害的鳶尾作為研究對象。

1.2 試驗方法

1.2.1 葉齡與葉位

將鳶尾植物最外層葉片標記為老葉；從中心向外數第三片葉片標記為成熟葉；將中心的葉片標記為幼葉（圖1）。

圖1 鳶尾葉片

將整個鳶尾葉片均分為三段，從上到下標記為葉尖、葉中、葉基。

1.2.2 葉片微結構的測定

采用指甲油印跡法[9]，觀察鳶尾葉片氣孔。采用草坪草觀測方法[10]，觀測鳶尾葉脈網絡結構。將制作好的載玻片放置在LEICA MD4000B LED（Leica, Wetzlar, Germany）光學顯微鏡下觀察，用LEICA DFC450（Leica, Wetzlar, Germany）照相機進行顯微拍照，每齡葉采10 片葉，每葉位隨機選取5 個視野。最后利用LAS AF Lite 圖像分析軟件進行測量。

用保衛細胞的長度表示氣孔的大?。é蘭），氣孔密度（個/mm2）用氣孔個數除以樣本面積所得到的值表示[11]。

測量葉脈間距、葉脈密度和網眼空隙面積（相鄰橫脈與縱脈所閉合的面積）等葉脈結構指標?？v脈密度（mm/mm2）＝縱脈的總長度與樣本面積的比值[11]。橫脈密度同理。葉脈密度＝縱脈密度+橫脈密度。網眼空隙面積＝小縱脈間距×橫脈間距。

1.2.3 數據處理

采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較不同處理下鳶尾葉片微結構的差異。采用雙因素方差分析（two-way ANOVA）研究葉齡、葉位及其交互作用對鳶尾葉片微結構的影響。在P＜0.05 時，葉齡水平和葉位水平之間的差異被認為是顯著的。所有統計分析均采用SPSS 20.0（SPSS，Chicago，IL，USA）進行。最后使用Sigmaplot 12.5（Systat Software, Inc., USA）軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同葉齡與葉位的氣孔特征

鳶尾葉片的氣孔密度和大小受到葉齡、葉位及其交互作用的顯著影響（表1）。鳶尾葉片剛剛成熟時，氣孔最小，而氣孔密度最大。隨著葉齡增長，氣孔密度呈現先增加后降低的趨勢，氣孔大小則呈現先降低后增加的趨勢（圖2）。葉尖和葉基部位，老葉氣孔密度最小，而氣孔最大（圖2）。鳶尾葉片近/遠軸面的氣孔密度和大小的變化相似。

表1 葉齡、葉位及其交互作用對鳶尾葉片氣孔特征的影響

圖2 不同葉齡與葉位對鳶尾葉片氣孔特征的影響

葉基部位，氣孔密度最低，而氣孔最大（圖2）。葉尖部位恰好與葉基部位相反，氣孔最小，而氣孔密度最大。葉中部位介于兩者之間（圖2）。葉片近/遠軸面的氣孔密度和大小變化相似。

2.2 不同葉齡與葉位的葉脈網絡結構

由葉齡、葉位及其交互作用的雙因素方差分析可知（圖3），葉位顯著影響鳶尾的葉脈網絡結構，而葉齡僅顯著影響鳶尾葉片的葉脈密度（表2）。

表2 葉齡、葉位及其交互作用對鳶尾葉脈網絡結構的影響

圖3 不同葉齡與葉位對鳶尾葉脈網絡結構的影響

對葉中部位而言，葉片剛剛成熟時，縱脈密度最大，葉脈密度也最大（圖3C，3E）。葉片由幼葉生長為老葉，葉中部位的葉脈密度呈現先升高后降低的趨勢（圖3E）。

鳶尾不同部位的葉脈網絡結構如圖4 所示。葉基部位，葉脈排列疏松，縱脈間距大、橫脈間距大導致縱脈密度低、橫脈密度低，進而導致整個葉片的葉脈密度最低，而網眼空隙面積最大（圖3）。葉尖部位恰好與葉基部位相反，葉脈排列密集（圖4），葉脈密度最大，網眼空隙面積最小。葉中部位介于兩部分中間（圖3）。

圖4 鳶尾的葉脈網絡結構（“工”字型表示縱脈間距）

3 討論與結論

3.1 不同葉齡對葉片微結構的影響

葉齡與氣孔特征有較大的關聯。研究發現，氣孔密度隨著葉齡的增加而逐漸減少，氣孔隨著葉齡的增加而增大[12-13]，例如黃瓜（Cucumis sativusL.），冬棗（Zizyphus jujubaMill. cv. Dongzao）等。此外，有一些植物葉片氣孔形態和數量的變化并不是連續的，有些植物的氣孔密度在生長的早期逐漸增加，而隨著葉片的繼續生長，氣孔密度迅速減少，逐漸至葉片死亡[14]，例如砂生槐（Sophora moorcroftiana）。本研究中也發現類似的結果。葉片剛成熟時，氣孔密度最大，氣孔最小，在一定程度上可以保持植物葉片水分處于安全狀態[15]，以此來適應干旱缺水的外界環境。此外，較大的氣孔密度也會導致氣孔收縮，從而降低蒸騰失水[16]。

在對葉脈網絡結構的研究中，發現葉齡對鳶尾葉脈網絡系統有顯著影響。單子葉植物大多數為平行脈，鳶尾葉片剛成熟時，葉片剛剛完全展開，此時，葉中部位的縱脈密度以及葉脈密度達到最大值，網眼空隙面積降低。較大的縱脈密度，提高了葉片的運輸能力，主要運輸水分和光合產物。葉脈系統是葉片的骨架，通過支撐葉肉組織（單子葉植物的葉肉細胞或雙子葉植物的柵欄組織和海綿組織等）最大化地展開了葉片，提高了葉片截獲光的面積，葉脈密度可以表征葉脈系統機械支撐能力，因此較大的葉脈密度也在一定程度上提高了整個葉片的機械支撐能力[1]。此外，較高的葉脈密度和較小的網眼空隙雖然增大了葉片的構建成本和消耗，也迫使昆蟲耗費更多能量咬斷葉脈，提高了葉片對蟲食等的耐受性，可以降低葉片在自然環境中和被動物啃食時的損傷程度，增加了葉片抵御蟲害等干擾的能力[17]。因此，在葉片剛剛成熟時，不論是氣孔結構還是葉脈網絡結構，均處于生命活動的代謝旺盛時期，既能提高葉片運輸能力，也能相應的增強其抗逆性。

比起剛剛成熟的葉片，幼葉和老葉近/遠軸面氣孔密度低、氣孔大；葉脈密度低，而網眼空隙面積大。幼葉不斷發育為成熟葉，氣孔密度與葉脈密度等指標增加，抗性增強。葉片經過成熟期后，開始進入衰老期，氣孔密度與葉脈密度等葉片微觀結構指標的降低，表明葉片不再生長，氣孔與葉脈網絡系統的退化，導致葉片的生理功能也隨之退化，此時葉片的抗性降低。

3.2 不同葉位對葉片微結構的影響

氣孔密度與植物葉片的葉位有一定關系，本研究發現鳶尾葉片氣孔在不同部位分布呈現一定的規律性，從葉基端到葉尖端，鳶尾近/遠軸面的氣孔密度逐漸增加，氣孔大小逐漸變小。這一點與大多數氣孔兩面生的植物葉片的氣孔特征一致[18]，在薔薇科代表植物中也發現類似的規律[19]。但也有研究表明，有的植物葉片氣孔密度從葉基到葉尖逐漸減少，有的卻在葉中部位呈現最高[20]。由此可見，不同植物葉片上的氣孔特征差異較大，不同植物其遺傳力也不盡相同，因而不是所有植物的葉片各部位上都可以找到氣孔分布的規律。葉片不同部位的葉脈網絡結構差異明顯，鳶尾葉片從葉基到葉尖，縱脈密度、橫脈密度以及葉脈密度逐漸增大，而網眼空隙面積卻逐漸減少。葉尖部位，橫脈密度最大，較大的橫脈密度可以提高光合產物在葉尖的小縱脈和大縱脈之間的橫向運輸能力[17]。而葉中的氣孔特征與葉脈網絡結構等微觀結構參數與平均值較接近，因此，在測量各參數時，一般采用葉中部分來代表整個葉片。

綜上所述，葉齡與葉位對鳶尾葉片微觀結構指標有顯著影響。本研究中發現：葉片剛剛成熟時，氣孔與葉脈網絡系統表征葉片處于代謝旺盛期，而葉片中間部位更能代表整個葉片。