不同海拔川滇高山櫟葉片的解剖結構特征

姜永雷　+鄧莉蘭　+黃曉霞

摘要：采用生態解剖學方法，分析滇西北玉龍雪山自然保護區不同海拔（2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m）梯度內川滇高山櫟葉片細胞解剖結構特征，探討其對高山環境的生態適應機制。結果表明：隨著海拔的升高，葉片總厚度、表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和柵欄組織厚度/海綿組織厚度的比值（P/S值）等均呈增大趨勢；而柵欄細胞的長徑、短徑等的變化呈降低趨勢；葉片解剖結構在不同海拔高度的這種差異表明，不同海拔梯度上復雜的環境條件限制了植物的生長和分布；川滇高山櫟通過葉片細胞結構組織發生的變化是在一定程度上適應環境的表現。

關鍵詞：川滇高山櫟；葉片解剖；海拔；形態結構；適應環境

中圖分類號：Q944.56；S792.180.1 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0195-04

收稿日期：2014-06-06

基金簡介：國家自然科學青年基金（編號：31100292）；云南省省部級重點學科、省高校重點實驗室及校實驗室共享平臺資助；西南林業大學博士啟動項目（編號：11032）。

作者簡介：姜永雷（1988—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為園林植物。E-mail：10-29jyl@163.com。

通信作者：黃曉霞，博士，副教授，主要從事植物生理生態研究。E-mail：huangxx@swfu.edu.cn。環境因子對植物的分布有重要的影響，其中海拔對植物的生長發育、組織功能和葉片的解剖結構等影響較顯著，是影響植物分布的重要生態因素之一[1-2]。海拔對植物分布的限制歸結于高海拔的自然環境因子，隨著海拔的上升，平均氣溫下降，大氣壓及CO2分壓降低，光強增強，UV-B輻射增加等，這些因素對植物葉片的形態結構和生理特性都有重要的影響。此外，隨著海拔的升高，土壤養分、含水量也都能極大地影響高山植物的生長，導致植物葉片的組織結構發生差異。有研究認為[3-4]，植物葉片組織結構的差異是對環境變化的一種響應，葉片是植物進化過程中對環境變化比較敏感且可塑性較大的器官，與植物的光合作用和呼吸作用有著密切的關系，環境因子如水分、溫度、光照等的變化常會導致葉的外部形態及厚度、表皮細胞及附屬物，葉肉柵欄組織、海綿組織、胞間隙、厚角組織和葉脈等形態解剖結構差異[5]，這種差異與植物體的生態生理功能以及生態系統密切相關[6-8]。不同海拔上植物葉片的組織結構差異都是植物對海拔梯度變化的一個長期的適應過程。因此，通過研究葉片解剖結構特征，分析其組織結構在海拔梯度上的差異性，這對揭示植物的適生環境有重要意義，而且本土植物對不同海拔梯度下環境變化的長期適應形成了穩定的結構[9]，探討這些結構特征與海拔之間的相互關系對認識植物適應生態環境變化有重要意義。

川滇高山櫟（Quercus aquifolioides）為殼斗科（Fagaceae）櫟屬（Quercus）多年生常綠木本植物，屬亞高山硬葉櫟林，是我國特有的木本植物，廣泛分布于川滇兩省，垂直分布幅度極寬，生態適應幅度很大[10]。目前，對川滇高山櫟的研究主要集中在光合特性[11]、遺傳多樣性[12]和生理特性[13]方面，有關海拔對川滇高山櫟葉片解剖結構特征影響的研究少見報道。本研究以生長于滇西北玉龍雪山自然保護區內的川滇高山櫟天然林為試驗材料，通過在不同海拔生境下對川滇高山櫟葉片作解剖結構特征比較分析，了解其形態結構特征與環境因子之間的關系，比較不同海拔梯度下川滇高山櫟葉片形態結構對環境的響應，其研究結果為揭示亞高山植物對生態環境的適應機制及預測植物對未來氣候變化的響應提供一定的理論依據。

1材料與方法

1.1研究地概況

研究區位于滇西北亞高山玉龍雪山自然保護區內，其西北臨長江石鼓第一灣和金沙江虎跳峽，東麓是海拔約3 km的干海子盆地，南面是麗江盆地。玉龍山體南北長35 km、東西寬13 km，主山脊上有13座海拔5 km以上的高峰，主峰扇子陡海拔5 596 m，聳立于群峰之上，與南麓的雪嵩村（海拔為 2 700 m）的相對垂直高相差近3 km，而與西北部的金沙江虎跳峽相差約3 900 m[14]。巨大的海拔差異導致氣候條件不同，從而形成了不同的森林群落類型，呈現出明顯的山地垂直分布帶譜。在海拔2 750～2 900 m均有灌木的川滇高山櫟，成林集中在2 900～3 350 m。2 900 m為川滇高山櫟和云冷杉林帶的交錯帶，交錯帶以上形成東亞地區保存最完整的川滇高山櫟林帶，郁閉度在0. 4～0. 6之間，平均樹高 7～12 m，平均胸徑可達18～30 cm。海拔3 500 m是川滇高山櫟林在我國滇西北部分布的最高限。由于風、雪等因素的影響，川滇高山櫟以斑塊狀鑲嵌于海拔高于3 500 m的高山苔原帶，并逐漸向上擴展。隨著海拔的升高，玉龍雪山氣候變冷變濕，不適于很多樹種生長，使得川滇高山櫟林形成優勢，喬木除云杉冷杉、云南松和川滇高山櫟有分布外，很少有其他種類。

1.2研究材料

供試葉片為采自中國滇西北玉龍雪山自然保護區內不同海拔（2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m）梯度的川滇高山櫟葉片。根據玉龍雪山自然保護區內川滇高山櫟分布的特征，于2013年5月上旬在玉龍雪山（100°10′～100°20′E、27°10′～27°40′N）上采集川滇高山櫟葉片，設置6個采樣點2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m，每個采樣點選取若干株（n≥5）長勢相當、無病蟲害、成熟的中樹（樹高5～12 m，胸徑7～12 cm），分別采集其葉片，采樣時間為09：30—11：30。取樣時在樹冠下部東、南、西、北4個方向采摘一年生枝上的成熟葉片，各個方位上取等量葉片，混勻。用 0.1 mol/L 磷酸緩沖液（pH值 6. 8）輕洗滌除去表面污物，再用FAA（50%乙醇 ∶38%甲醛 ∶99.5%冰醋酸=90 ∶5 ∶5）野外固定，立即固定并保存。樣品統一編號，帶回西南林業大學園林學院實驗室進行葉片解剖結構參數的測定。

1.3研究方法

1.3.1切片制作和葉片解剖機構參數的測定切片的制作參考李芳蘭的方法[15]；在光學顯微鏡（Nikon ECLIPSE Ti-S，LEICA DM 2000）下觀測葉片總厚度、葉表皮厚度、柵欄組織厚度、細胞層數、海綿組織厚度、柵欄組織細胞的長短徑等7項指標，每項指標重復測5次，取其平均值。

1.3.2統計分析所有的數據分析都利用SPSS 11.5 統計分析軟件進行一元方差分析（one-way ANOVA），分析海拔梯度上葉片解剖結構特性參數差異，平均數間的多重比較采用Duncans檢驗方法，P<0.05時差異顯著。

2結果與分析

2.1川滇高山櫟葉片的基本解剖結構特征

川滇高山櫟葉片為異面葉，葉片全緣或有刺狀鋸齒，由圖1 可以看出，川滇高山櫟葉片平均厚度為（550.00±0.04）μm，背面有褐色的銹狀絨毛。主脈在葉下部凸起，呈不規則半圓形。在光學顯微鏡下，川滇高山櫟葉表面的角質層變化不明顯；葉片上表皮由2～3層排列緊密的長方形細胞組成，平均厚度為（32.20±2.76） μm；葉肉細胞中上表面的柵欄組織（P） 和近下表皮面的海綿組織（S）明顯分為兩部分，且其厚度比值約為2.14。其中，柵欄組織細胞呈柱狀，排列緊密，細胞層數變化較大，有1～3層，甚至4層，海綿組織細胞形狀和排列不規則，細胞間隙較大，平均厚度為（62.91±3.57） μm；葉片的下表皮也由1層大致呈長方形的細胞組成，但是明顯小于上表皮細胞。

2.2川滇高山櫟葉片結構特征在海拔梯度上的差異

由圖1、圖2可以看出，在6個海拔梯度上，葉片厚度隨海拔的升高呈現先升后降的趨勢，最低海拔2 750 m和最高海拔3 500 m的葉片厚度與海拔3 200 m相比差異顯著，葉片厚度在海拔3 200 m附近達到最大，為（0.61±0.04） mm?？傮w來看，葉片上表皮厚度在（25.73±1.08）～（35.98±2.52） μm之間變化，隨海拔的升高呈增加趨勢，且葉片上表皮在海拔 3 200 m 處顯著增厚。葉肉細胞中柵欄組織和海綿組織厚度的變化范圍在（129.61±13.02）～（157.45±3.67）、（5133±3.01）～（72.85±5.08） μm 之間，且隨海拔的升高呈現出相似的變化，總體上呈先升高后下降的趨勢，這2種組織在海拔3 050 m處顯著增厚。柵欄組織與海綿組織的比值隨海拔的升高呈增加趨勢，且在海拔超過2 900 m時顯著增加。

2.3川滇高山櫟柵欄組織在海拔梯度上的差異

由表1可以看出，川滇高山櫟柵欄組織細胞的長徑和短徑隨海拔的升高呈現出相似的變化趨勢，但柵欄組織細胞的長徑和短徑分別在海拔2 900、3 200 m處達到最大，柵欄組織

細胞短徑的變化不顯著，而柵欄組織長徑在各個海拔之間變化顯著。柵欄組織細胞長徑與短徑的比值隨著海拔梯度的變化呈現出上升的趨勢，但是各個海拔之間差異不顯著。

表1川滇高山櫟葉片柵欄細胞組織隨海拔梯度的變化

采樣點海拔

（m）柵欄組織細胞

長徑（μm）柵欄組織細胞

短徑（μm）長徑/短徑的值2 75032.68±2.65a6.35±1.33a1.86±0.07a2 90057.44±2.38d8.01±0.87ab1.92±0.24a3 05044.47±5.55bc7.73±0.41ab2.15±0.17ab3 20041.69±3.35b8.52±2.28b2.19±0.38ab3 35047.68±1.42c8.03±1.31ab2.27±0.58ab3 50049.35±0.69c7.70±0.30ab2.45±0.21bP值0.000***0.357ns0.130ns注：同列數據后不同字母表示差異顯著（P<0.05）。

3結論與討論

海拔是一個重要的地形因子，各種環境因子如氣溫、氣壓在海拔梯度上也表現出梯度變化，例如，隨著海拔的升高，CO2分壓降低，光照強度則增加。由于復雜而多樣化的環境和微地形條件導致不同區域植物生活環境的多樣化，對植物的生理生態適應產生了不同程度的影響[16]。葉片是植物進化過程中產生的對環境變化比較敏感且可塑性較大的器官，其結構特征最能體現環境因子的影響或植物對環境的適應[17]。川滇高山櫟作為一種在玉龍雪山上分布十分廣泛的植物，其葉片解剖結構在不同海拔梯度生態環境因子的影響下發生了相應的適應性變化。

在不同海拔的生態環境中，溫度和降水量隨海拔的變化而成為影響葉肉組織厚度的主要生態因子[18]。在本研究中，隨著海拔的升高，川滇高山櫟葉片毛、鱗片和葉片的厚度呈升高趨勢（圖1、圖2），這可能是植物對高海拔地區嚴酷的生態環境適應的結構基礎，該結果在王國嚴等的研究[10]中有所報道。有研究認為，植物的葉片毛、鱗片和葉片厚度對環境因子中的低溫、水分散失和紫外輻射有明顯的保護作用[7]。此外，在本研究中川滇高山櫟葉片上表皮由2層長方形或方形細胞構成，排列緊密，且隨著海拔高度的增加而顯著升高（圖1、圖2），下表皮由形狀不規則的1層細胞構成，大量的報道認為，這些結構特征可有效地避免水分蒸騰和強輻射對葉肉組織的傷害[19-21]，這可能是植物對不同海拔梯度上生態環境因子的長期適應的結構基礎。此外，不同海拔區域的溫度和干旱引起的脅迫限制了植物的生長。在低海拔地段，干熱環境對植物脅迫比較嚴重，導致植物葉肉細胞的分裂和生長受到抑制；而高海拔地段由于靠近玉龍雪山頂部的雪，其空氣濕度和降水量增加，但是溫度降低，環境中水熱狀況有所好轉，這種水熱條件對植物的生長和發育有利，因此隨著海拔梯度的升高，川滇高山櫟葉片葉肉和葉片總厚度也相應增加（圖1、圖2）。相似的結果在李芳蘭對四川黃櫨（Cotinus szechuanensis）葉片的生態解剖結構特征的研究[18]中也有所報道。

植物的光合作用主要在葉肉細胞中進行，光合作用效率主要受葉肉細胞中的細胞層數、柵欄組織和海綿組織厚度、柵欄細胞的形態及其組成方式等影響[18]。川滇高山櫟葉片葉肉細胞顯著分化，柵欄組織發達，常有2～3層，有的甚至有4層長柱形柵欄細胞緊密排列（圖1、圖2）。這可能是對不同海拔梯度上各種環境因子的響應。Esau等認為，小而厚的葉片、發達的柵欄組織、長柱形的柵欄細胞、排列緊密的海綿組織、厚的角質膜、發達的表皮毛以及下皮層結構等是對干燥（可能主要是空氣濕度） 或強光生境的適應[22-23]；薄的柵欄組織、疏松的海綿組織（大的胞間隙）、近方形的柵欄細胞和凸透形的表皮細胞是對較弱光照環境或中生、濕生環境的適應[24]。另外，柵欄細胞長徑和短徑與光照關系密切，柵欄細胞長度隨海拔升高總體上先上升后下降，這可能是一種對高海拔的嚴酷環境因子的積極響應。蔡永立等研究認為，環境中的水分含量變化可以通過植物細胞中葉肉柵欄組織與海綿組織的分化程度反映出來[8，19]。植物在收到干旱等逆境脅迫時，植物葉肉細胞結構上常表現為葉肉柵欄組織發達而海綿組織相對減少，進而導致P/S的值發生相應的變化。本研究發現，川滇高山櫟葉肉細胞中的柵欄組織細胞層數在海拔梯度上無明顯變化，但其厚度隨著海拔升高呈現出先升高后下降的趨勢，而海綿組織與柵欄組織厚度的變化相似（圖1、圖2），但是下降幅度較大，因此P/S的值隨著海拔上升也呈增加趨勢，這可能是由于川滇高山櫟葉肉細胞中柵欄組織對不同海拔梯度上生態環境的變化比較敏感。這與安黎哲等對高海拔地區生長火絨草（Leontopodium leontopodiodes）[25]和李芳蘭等對白刺花（Sophora davidii）[18]等干旱河谷耐旱灌木的研究結果類似。此外，Cald認為，植物通過增加葉肉細胞中柵欄組織的厚度來應對高海拔地區短波輻射的增強，進而防止由于葉面溫度升高引起的組織灼傷[26]。這與本研究中高海拔的川滇高山櫟葉片內柵欄細胞厚度較大的結果一致，但是與Chen等的研究結果[19-20]相反。他們在對胡楊等的研究中發現，P/S的值隨著海拔的上升而減小。這一方面可能是因為植物所處的生態環境和選擇的海拔梯度不同；另外一方面可能是因為所選擇的植物間遺傳特性有一定的差異或者植物對不同類型的環境變化的適應方式可能存在較大的差異。

綜上所述，川滇高山櫟葉片的適應性結構特征是多種生態因子長期作用和積累的結果。隨著海拔的升高，川滇高山櫟受到的脅迫逐漸加重，但是通過葉片解剖結構發生不同程度的變化能形成一定程度的生態適應，即隨著海拔上升，葉片厚度、葉肉柵欄組織厚度和P/S的值呈增加趨勢，但是柵欄細胞的長徑、短徑呈降低趨勢。在不同海拔高度，葉片解剖結構的這種差異一方面表明不同海拔梯度上復雜的環境條件限制了植物的生長和分布，另一方面體現了川滇高山櫟通過葉片解剖結構組織發生不同程度的變化一定程度適應環境的變化。

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