7 種秋海棠屬植物葉片解剖結構分析與耐熱性評價

周志雄，王龍遠，郭 微，談 靜，吳 偉，許 凱，薛彬娥，李凌飛

（1.仲愷農業工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510220；2.中國科學院仙湖植物園，廣東 深圳 518004）

【研究意義】秋海棠屬（BegoniaL.）是被子植物的第五大屬，廣泛分布于熱帶亞洲、非洲、及美洲，全球約有秋海棠屬植物 2 000 種（含變種）［1］。根據生長習性可以將其分為根莖類、直立莖類和球根類，直立莖和根莖類秋海棠一般生長在較低海拔、林下環境，球根類秋海棠常見于高海拔地區［2］。不同環境下生長的秋海棠在形態結構上常表現出特殊的適應特征，葉部特征表現尤為顯著［3-4］。因此，對不同生長環境下的秋海棠屬植物葉片組織結構進行觀察，有助于了解秋海棠屬植物葉片形態的適應機理，為后續城市園林中應用秋海棠屬植物提供理論基礎?！厩叭搜芯窟M展】對不同耐熱植物葉片形態解剖結構特征的研究表明，耐熱植物通常具有共同的特征，如葉片總厚度和海綿組織厚度較大、柵欄組織與海綿組織的比例偏小，以及組織緊密度較高、氣孔密度較大。關于葉片解剖結構與植物耐熱性的關系，已在杜鵑、油茶、山茶、珙桐等植物中探討過［5-7］。陳平等［8］通過石蠟切片、顯微觀察，對10 個海南山茶無性系的耐熱性進行評價，結果表明，葉片厚度、角質層厚度、柵欄組織厚度、組織結構疏松度、柵欄組織厚度/海綿組織厚度、氣孔密度是主要影響海南山茶耐熱性的葉片解剖結構指標。邱義民等［9］在對7 個杜鵑花品種葉片解剖結構進行電鏡掃描觀察的基礎上，采用變異系數、相關分析和聚類分析等方法，評價了杜鵑花葉片解剖結構11 個指標與耐熱性的關系。研究表明，秋海棠屬植物生長發育最適宜的溫度為15～25℃，空氣相對濕度65%～80%，遮陽60%（光照強度約5 000～20 000 Lx），栽培介質以疏松透氣的混合型基質為主［1］。目前我國秋海棠屬植物應用最為廣泛的有四季秋海棠（Begoniacucullata）、龍翅秋海棠（B.coccinea），因其適應性和耐熱性強，并能全年開花，在南京地區推廣應用效果良好［10］；中華秋海棠（Begonia.grandis）在北京地區生長勢良好，可直接應用于園林、護坡、道路綠化中［11］。對秋海棠屬植物葉片結構的研究，主要關注的是其分類學意義，稅玉民等［12］對原產云南的46 種3 變種的秋海棠屬植物進行葉表皮及毛被的觀察發現，葉表皮及毛被特征可作為區分種和變種的依據；張嶸梅等［13］對原產我國的秋海棠屬植物葉片表皮進行觀察發現，秋海棠屬植物葉表皮形態在屬內組間具有較大的相似性；李景秀等［14］通過石蠟切片對云南秋海棠屬植物葉片橫切面進行觀察，發現這些秋海棠物種均為異面葉，具有典型的陰生植物葉片結構，葉肉組織有海綿組織和柵欄組織的分化，柵欄組織不發達，通常由1層細胞組成?！颈狙芯壳腥朦c】秋海棠屬植物葉色豐富，素有“觀葉植物之王”的美稱，目前對于秋海棠屬植物的耐熱性鑒定主要以生理指標進行判斷，對秋海棠的葉片解剖結構與其耐熱性之間的關系鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究對7 種不同生長習性和葉片顏色的原生秋海棠進行葉片解剖結構觀察，旨在了解秋海棠葉片顯色的結構基礎，評價不同解剖結構指標在耐熱性鑒定上的適用性，開發秋海棠植物耐熱性快速鑒定的方法，為后續秋海棠屬植物的耐熱性新品種選育以及推廣應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試秋海棠來自廣州市仲愷農業工程學院白云校區溫室大棚，7 種秋海棠植株均于2022 年3月進行扦插、11 月上盆培養，2023 年3 月對生長健壯、無病蟲害的植株葉片取樣，進行葉片組織結構的觀察。

1.2 試驗方法

主要取葉片有斑紋的部位進行觀察，羅城秋海棠（LC）選擇中脈白色部位和脈間紅褐色部位，鹿寨秋海棠（LZ）、鹿斑秋海棠（LB）、巴塞羅斯秋海棠（BSLS）、德寶秋海棠（DB）選擇脈間斑紋部位，變異秋海棠(BY)選擇中脈白色部位和脈間紅色部位，香花秋海棠（XH）選擇脈間白色部位和綠色部位（表1，圖1）。取不同部位的完整、健康和成熟葉片，切成1cm × 1cm 的小正方形，用標準固定液FAA 固定，常規石蠟切片法制備［15］。每個部分制作5 個切片，每個切片選取3 個視野進行觀察測量。采用Image pro plus 6.0（Media Cybernetics）軟件測量葉片、角質層、上表皮、下表皮、柵欄組織和海綿組織的厚度，并計算柵海比(柵欄組織厚度/海綿組織厚度)、組織結構緊密度（柵欄組織厚度/葉片厚度）、組織結構疏松度（海綿組織厚度/葉片厚度）和變異系數。

圖1 7 種秋海棠屬植物的葉片斑紋Fig.1 Leaf variegation of 7 Begonia species

表1 7 種秋海棠屬植物來源和葉片特征Table 1 The origin and leaf characteristics of 7 Begonia species

1.3 數據分析

采用Excel 和SPSS19.0（IBM Corp.，Armonk,n.y.，USA）軟件進行數據分析。相關指數計算公式如下：

式中，Ri2為每一類中各指標的相關指數(i=1，2，........，n)，n為每一類指標的個數；r為一個指標與同類其他指標的相關系數。根據相關指標的大小選擇各種典型指標，指標的相關指數越大，越具有代表性［16］。

采用隸屬函數法對不同秋海棠品種的耐熱性進行評價。若該指標與熱阻正相關，則計算公式為：

若該指標與耐熱性呈負相關，則計算公式為：

式中，f(xi)為某一耐熱指標的隸屬函數值。xi為該項指標觀測值，xmax是該項測定指標的最大值，xmin為該項測定指標的最小值。

根據勒路真等［17］的方法，通過隸屬度函數計算平均隸屬度，平均隸屬度越高，耐熱性越強，并將耐熱性分為耐熱型（R,0.550～1.000）、中耐熱型（MR,0.500～0.549）和低耐熱型（LR,0.450～0.499）3 個等級。

2 結果與分析

2.1 葉片結構特征比較

2.1.1 葉片厚度比較 葉片厚度常作為植物耐熱性的指標之一，葉片越厚，植物喪失水分越慢，植物越容易在炎熱的環境下存活。由表2 可知，7種秋海棠的葉片厚度在172.01～355.62 μm，平均厚度為268.53 μm，葉片厚度依次為鹿寨秋海棠＞變異秋海棠＞香花秋海棠＞鹿斑秋海棠＞羅城秋海棠＞巴塞羅斯秋海棠＞德寶秋海棠。厚度差最大幅度為183.61 μm，變異系數為24.55%，差異極顯著（P＜0.01）。

表2 7 種秋海棠屬植物的葉片組織結構Table 2 Leaf anatomy of 7 Begonia species

2.1.2 葉片表皮特征 表皮是植物抵御外界不良環境的屏障。由表2 可知，7 種秋海棠均為異面葉，上下表皮均為1 層排列緊密的細胞。同種秋海棠的上下表皮厚度相差不大，不同物種間均差異極顯著（P＜0.01），上表皮的厚度為45.97～89.83 μm、變異系數為23.56%；下表皮厚度為38.29～94.78 μm、變異系數為25.07%，其中巴塞羅斯秋海棠的上下表皮均較厚，香花秋海棠的上下表皮均較薄。由圖2 可知，7 種秋海棠的葉片表皮均由1 層細胞組成，通常為長方形、正方形或者不規則形，表面平滑或者向外凸起，少數種類在表皮細胞外側還有1 層角質層，上表皮細胞與下表皮細胞在大小上相差不大，氣孔幾乎分布在下表皮。

圖2 7 種秋海棠屬植物的葉片橫切面結構Fig.2 Cross-sectional leaf anatomies of 7 Begonia species

2.1.3 葉肉特征 由圖2 可知，7 種秋海棠屬的植物葉肉均有柵欄組織和海綿組織的分化，但是柵欄組織不發達，內含較多的葉綠體細胞。觀察發現，葉片呈白色部位的柵欄組織排列松散，呈圓形，與上表皮之間存在一定的空隙；紅褐色和綠色部位的柵欄組織呈漏斗型，排列緊密，與上表皮之間沒有間隙，海綿組織相對發達，由多層細胞組成，細胞呈圓球形，長橢圓形，排列松散，通氣組織發達，內含少量葉綠體。7 種秋海棠屬植物的柵欄組織的變化范圍為24.19～45.84 μm，其中最大為鹿斑秋海棠，最小為巴塞羅斯秋海棠白色部位，變異系數為24.93%；葉片海綿組織厚度明顯大于柵欄組織，變化范圍為23.17～157.80 μm，其中最大為變異秋海棠，最小為巴塞羅斯秋海棠，變異系數為52.99%，柵海比為0.24～1.04，組織疏松度為0.11～0.50，組織緊密度為0.11～0.18（表2），6 種秋海棠屬植物的葉片結構均較疏松。

2.2 不同秋海棠屬植物耐熱性綜合評價

2.2.1 葉片耐熱性解剖結構指標篩選 為確定評價最優指標，對7 種秋海棠屬植物的葉片解剖結構指標進行聚類，結果（圖3）發現8 項指標可聚成4 類：第1 類為海綿組織厚度、組織疏松度、葉片總厚度、柵欄組織厚度；第2類為組織緊密度；第3 類為上表皮厚度、下表皮厚度；第4 類為柵海比。根據相關指數計算，將4 類指標進行排序，相關指數與變異系數最大的指標為最典型指標（表3），最典型指標為海綿組織厚度、柵海比、葉片總厚度厚度、組織緊密度（表4）。

圖3 葉片解剖結構指標聚類分析Fig.3 Cluster analysis of leaf indicators of anatomical structure

表3 葉片解剖結構指標的相關矩陣Table 3 Correlation matrix based on indicators of leaf anatomical structure

表4 4 類葉片結構相關指標與排序Table 4 Relevant indicators and ranking of 4 types of leaf structures

根據篩選典型指標，采用隸屬函數法對7 種秋海棠屬植物進行耐熱性綜合評價，按照平均隸屬度將7 種秋海棠屬植物分為3 個耐熱等級，巴塞羅斯秋海棠為耐熱型，鹿寨秋海棠、羅城秋海棠為中耐熱型，德寶秋海棠、鹿斑秋海棠、香花秋海棠、變異秋海棠為低耐熱型，耐熱型由強到弱依次為巴塞羅斯秋海棠、鹿寨秋海棠、羅城秋海棠、鹿斑秋海棠、德寶秋海棠、變異秋海棠、香花秋海棠（表5）。

3 討論

植物葉片是植物進行光合作用、氣體交換以及蒸騰作用的主要場所，其形態受到環境的深刻影響，因此植物的葉片解剖結構能在一定程度上反映植物對環境的適應能力［18-21］。眾多學者對不同植物的葉片解剖結構與耐熱性之間的關系進行研究，大多數認為葉片總厚度、海綿組織厚度、柵欄組織與海綿組織的比例以及組織緊密度是決定植物耐熱性的主要解剖學指標，植物不同，葉片解剖的耐熱性指標也有所不同，因此，完全利用前人的研究結果選擇耐熱性指標對秋海棠屬植物進行耐熱性綜合評價，其結果有可能降低其耐熱性鑒定的準確性。鑒于此，本研究采用聚類分析、相關性分析篩選出7 種秋海棠屬植物耐熱性的主要指標為葉片總厚度、海綿組織厚度、柵海比、組織緊密度。

秋海棠屬植物有三大分布中心，分別是亞洲、非洲和美洲［12,22-23］。一般而言，美洲的秋海棠種類在耐熱性方面優于亞洲和非洲的種類，亞洲的秋海棠種類又以廣西的耐熱性最好，原產于云南的秋海棠種類耐熱性較差。本研究分別對原產于中美洲和中國廣西、云南的秋海棠種類進行比較發現，原產中美洲的巴塞羅斯秋海棠耐熱性，最好，原產云南的香花秋海棠耐熱性最差，這與前人的研究結果相符［24］。國內對于秋海棠植物耐熱性方面主要是基于生理指標進行判斷，如胡永紅等［25］通過測定幾種球根秋海棠葉片的氣孔數量和結構、體內過氧化物酶和多酚氧化酶的活性，以及光合速率、蒸騰速率等指標，探討了其與耐熱性的相關性。目前，秋海棠屬植物葉片解剖結構主要是用于其顯色結構基礎的判斷。Zhang等［26］對大王秋海棠的葉片進行解剖觀察，發現其白色部位的柵欄細胞與上表皮之間存在較大空隙，而綠色部位的柵欄細胞與上表皮之間沒有細胞間隙，因此判斷其為空隙型葉斑。杜文文等［27］對7 種秋海棠屬植物進行解剖結構研究，發現銀點秋海棠、鋪地秋海棠、假厚葉秋海棠、‘皮卡’和‘非洲叢林’秋海棠的葉斑為空隙型，彩紋秋海棠和‘虎斑’秋海棠為色素型，而關于葉片解剖結構與秋海棠耐熱性方面鮮有報道，本研究首次評價了秋海棠屬的葉片解剖結構與其耐熱性之間的關系，然而，要準確評價秋海棠屬植物的耐熱性，還需要結合生理生化、分子生物學指標等，特別是高溫環境下的同質園比較試驗。

4 結論

本研究通過對7 種秋海棠屬植物不同顏色葉片進行切片觀察，發現7 種秋海棠植物葉片為典型的異面葉結構，葉肉有柵欄組織和海綿組織的分化，柵欄組織不發達，通常由1～2 層細胞組成，不同顏色柵欄細胞的形態和排列方式不同，這是秋海棠屬植物葉片顯色的結構基礎。對秋海棠屬植物的葉片解剖結構指標進行聚類分析發現，其耐熱性相關的指標具有類群特異性。同時，對葉片結構各組織厚度進行測定發現，秋海棠屬植物的葉片結構具有較大的疏松度，即海綿組織相對發達而柵欄組織不發達，這與秋海棠屬植物的耐熱性顯著相關。本研究對秋海棠耐熱性與葉片形態解剖的關系進行探究，可為耐熱性秋海棠品種的選育提供參考。