北蒼術葉片功能性狀種源變異及其對科爾沁沙地環境的響應

李 凱,王 剛,王凌飛,楊恒山,2,郭 園,2,賈俊英,2*

(1 內蒙古民族大學 農學院,內蒙古通遼 028000;2 內蒙古自治區高校中(蒙)藥材生態種植工程研究中心(培育),內蒙古通遼 028000;3 奈曼旗藥材研究發展中心,內蒙古通遼 028000)

植物在進化過程中受到外界溫度、水分、光照等環境因素的長期作用而影響其建成,逐步形成適應環境的功能性狀,從而形成特定的種源特性[1]。不同的生長環境導致植物的生理特征和遺傳結構均發生不同程度的變異,這種對環境的適應性變異在葉片功能性狀上表現得尤為明顯[2]。作為植物暴露在生活環境中面積最大的器官,葉片的外部形態特征、內部解剖結構等最能體現植物對環境因子的適應性進化[3]。植物分布范圍廣泛,各自生活在溫度、水分等條件不相同的自然地理環境中,在長期對環境適應過程中,同種植物葉片的解剖結構表現出明顯的差異[4-6]。而這種差異直接反映在光合生理的變化上,有研究表明葉肉細胞增厚,柵欄組織加厚,細胞層次增多,可使葉片光合能力增強[7-9]。通過同質園實驗將不同生境的物種引種栽培在環境因素相對一致的種植基地,統一栽培管理,開展葉片形態、解剖結構、光合能力等方面研究,對闡明植物在不同生態環境下的適應策略具有重要意義。北蒼術[Atractylodeschinensis(DC.) Koidz.]為菊科蒼術屬多年生草本植物,其以干燥根莖入藥,在抗菌、消炎、抗腫瘤及心血管系統和神經系統保護等方面具有重要的療效[10],在抗擊新型冠狀病毒過程中,其作為宣肺敗毒方等的主要方劑組分起到重要作用。傳統藥材來源主要以采挖野生資源為主,致使蒼術蘊藏量銳減,蒼術人工馴化栽培成為生態環境保護與野生資源合理利用的必然途徑。優質種源是保障藥材高質量生產的首要條件。

本試驗在科爾沁沙地引種4 個種源地的北蒼術,對其葉片解剖結構特征及其光合能力進行分析,探究不同種源北蒼術葉片形態、生理特性的差異,闡釋其對科爾沁沙地的響應與適應策略,旨在為北蒼術種植選擇優良種源、適宜的種植環境提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗在內蒙古奈曼旗中(蒙)藥材科研基地(42°14′17″N,120°20′35″E)進行。試驗田土質為沙壤土。試驗區屬于北溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫6.5 ℃,年平均降水量366 mm,無霜期平均150 d。試驗材料引自4個北蒼術主產地主栽種源,地理位置和氣候條件見表1。

表1 試驗材料來源地地理位置和氣候條件Table 1 Geographical locations and climatic conditions of the sources of the materials

1.2 試驗設計

從4個主產區種源地購買北蒼術種子,統一育苗后,于2020年4 月15 日采用大小壟(40 cm、80 cm)覆膜定植,定植密度7.5萬株/hm2,各處理均底施磷酸二銨(P2O546%)150 kg/hm2,硫酸鉀(K2O 50%)90 kg/hm2,移植當年生長季內分次追施尿素(N 46.4%)525 kg/hm2。于2021 年8 月中旬,采集北蒼術發育完備的葉片,觀測葉片形態、解剖結構與葉表皮氣孔特征,測定光合能力。

1.3 測定項目與方法

葉片外部形態:觀察記錄葉型、葉序、葉裂程度、葉質、葉緣、有無葉柄等特征。

葉片解剖結構:測定指標包括上表皮細胞厚度、上表皮細胞蠟質層厚度、下表皮細胞厚度、下表皮細胞蠟質層厚度、柵欄組織細胞層數、柵欄組織厚度、海綿組織細胞層數、海綿組織厚度、主脈直徑、主脈韌皮部面積、主脈木質部面積等。具體方法:采用石蠟切片法[11]制作組織切片,在顯微鏡下觀察并用測微尺測量拍攝。所得數據為不同制片上5個視野的平均值,對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗。

柵海比(P/S)=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×100%;組織結構疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度×100%;變異系數=標準差/算數平均值;可塑性指數=(最大值-最小值)/最大值。

葉表皮氣孔特征:參照李柏年等[12]方法略有改動。在田間取各處理北蒼術中部葉片,置于FAA固定液中固定,然后利用TM3000 掃描電鏡,觀察葉表皮氣孔特征并拍照,統計每個視野內氣孔數量,并測定氣孔大小(每個視野為0.687 9 mm2)。

氣孔密度=氣孔數/面積;氣孔指數=100×氣孔數/(氣孔數+表皮細胞數)。

光合參數:選擇晴朗無云天氣,在上午9:00—12:00用美國LI-COR 公司產Li-6400光合儀對4個種源地北蒼術同一葉位葉片進行光合參數測定。

采用Excel 2019 進行處理和作圖,SPSS 20.0軟件進行差異顯著性(Duncan)分析。

2 結果與分析

2.1 4個種源地北蒼術葉片形態特征

4個種源地北蒼術引種科爾沁沙地后葉序均為互生且均無葉柄。但其葉片形態差異明顯,葉形表現為披針形、卵圓形、橢圓形;其裂葉以下部葉開裂為主,引自扎魯特旗的下部葉裂程度較明顯;葉片均有革質特性,喀喇沁旗種源地的表現為薄革質;葉緣均有刺齒,喀喇沁旗、阿榮旗種源地為重刺齒,見圖1和表2。

圖1 不同種源地北蒼術葉片形態特征Fig.1 Leaf morphology of A.chinensis(DC.) Koidz.from different provenances

表2 北蒼術葉片形態特征Table 2 Characteristics of leaf morpholgy of A.chinensis (DC.) Koidz.

2.2 4個種源地北蒼術葉片解剖結構特征

北蒼術葉橫切面解剖結構包括表皮、葉肉和維管束(葉脈),見圖2和表3。葉片上表皮細胞近長方形,排列整齊緊密,下表皮細胞較上表皮細胞小而不規則,細胞多數呈長方形或矩圓形,表皮細胞外被角質層。上表皮細胞與下表皮細胞厚度差異較大,上表皮細胞厚度范圍為7.43～29.86 μm,下表皮細胞厚度范圍為4.7～19.37 μm;葉肉由發達的柵欄組織和海綿組織構成,柵欄組織由2～3層長柱狀細胞緊密排列組成,其厚度在83.78～221.33 μm 之間;海綿組織由排列疏松的類圓形細胞構成,其厚度在122.49～249.19 μm 之間;中脈維管束木質部呈半月形或近橢圓形;葉片厚度在314.91～494.81 μm 之間。

圖2 不同種源地北蒼術葉片解剖特征A.葉肉結構;B.主脈結構;C.主脈及葉肉結構;1.柵欄組織;2.海綿組織;3.上表皮;4.下表皮;5.主脈韌皮部;6.主脈木質部。Fig.2 Anatomical characteristics of A.chinensis (DC.) Koidz.leaves from different provenancesA.Mesophyll structure.B.Main vein structure.C.Main vein and mesophyll structure.1,palisade tissue.2,spongy tissue.3,upper epidermis.4,lower epidermis.5,main vein phloem.6,main vein xylem.

表3 北蒼術葉片解剖結構指標Table3 Indexes of leaf anatomical structures of A.chinensis (DC.) Koidz.

從表3可以看出,不同種源地北蒼術引種科爾沁沙地后其葉片上表皮細胞厚度、下表皮細胞厚度、上表皮細胞蠟質層、柵欄組織、主脈韌皮部面積、主脈木質部面積可塑性指數均較大,且葉片上表皮細胞厚度、下表皮細胞厚度變異系數與可塑性指數均較大,說明葉表皮細胞厚度是衡量北蒼術適應性的關鍵指標。葉片主脈直徑、葉片厚度可塑性指數、變異系數均小,說明其不易受環境異質性影響。

結果(表4)表明,圍場縣種源地北蒼術葉片上表皮細胞厚度顯著高于其他3個種源地;扎魯特旗種源地北蒼術下表皮厚度顯著高于其他種源地;圍場縣、扎魯特旗種源地北蒼術葉片柵欄組織厚度、柵海比高于阿榮旗、喀喇沁旗種源地,達到顯著水平;上表皮細胞蠟質層厚度以圍場縣種源地較大,其次為阿榮旗種源地,扎魯特旗、喀喇沁旗種源地較小,且兩者差異不顯著;阿榮旗種源地北蒼術主脈木質部面積顯著高于其他3個種源地,扎魯特旗種源地與喀喇沁旗種源地較小,且差異不顯著;阿榮旗種源地葉片主脈韌皮部面積顯著低于圍場縣、喀喇沁旗種源地,也較低于扎魯特旗種源地,但差異未達到顯著水平。

表4 不同種源地北蒼術葉片解剖結構特征Table 4 Comparison of leaf morphological structures of A.chinensis (DC.) Koidz.from different provenances

2.3 4個種源地北蒼術葉表皮氣孔特征

北蒼術葉上表皮、下表皮均有氣孔分布,氣孔器由2個腎形保衛細胞組成,氣孔器保衛細胞與表皮細胞平齊或稍凹陷。按構成氣孔的保衛細胞和表皮細胞的排列關系(氣孔軸式類型)分類,北蒼術葉表皮氣孔為不定式(圖3)。結果(表5)表明,北蒼術葉片上表皮氣孔數量較少,范圍為1.00～27.67個,可塑性指數、變異系數均較大;氣孔密度變化幅度大,范圍為0.97～40.22 mm-2,可塑性指數、變異系數均較大;氣孔指數可塑性指數大,但變異系數較小;北蒼術葉片上表皮細胞數量、氣孔長度可塑性指數、變異系數均小,表明其與環境的適應性相關性不大。北蒼術葉片下表皮氣孔數量、氣孔指數、氣孔密度可塑性指數較高,但變異系數小,表明從氣孔特征分析北蒼術的適應環境能力,表皮細胞氣孔結構影響較大。

圖3 北蒼術氣孔器結構Fig.3 Stomatal structure of A.chinensis(DC.) Koidz.

表5 北蒼術氣孔結構指標Table 5 Stomatal structure index of A.chinensis(DC.) Koid.

4個種源地北蒼術葉片上、下表皮均分布著不同數量的氣孔,下表皮氣孔密集度高于上表皮,細胞形狀和排列方式不規則(圖4)。由表6可知,阿榮旗、扎魯特旗種源地北蒼術葉片上表皮氣孔數量較多,顯著多于圍場縣、喀喇沁旗種源地,阿榮旗、扎魯特旗2個種源地間無顯著差異,喀喇沁旗種源地北蒼術葉片上表皮氣孔極少;各種源地北蒼術葉片上表皮氣孔密度、氣孔指數規律與氣孔數相似。同時,喀喇沁旗種源地北蒼術葉下表皮氣孔數量顯著高于其他3個種源地,圍場縣、阿榮旗種源地間無顯著性差異,扎魯特旗種源地下表皮氣孔數量較少,顯著低于其他3個種源地;葉片下表皮氣孔密度表現與氣孔數量一致。

圖4 不同種源地北蒼術葉表皮氣孔分布Fig.4 Stomatal distribution of the leaf epidermis of A.chinensis (DC.) Koidz.from different provenances

表6 不同種源地北蒼術葉片表皮氣孔結構特征Table 6 Stomatal structure of the leaf epidermis of A.chinensis (DC.) Koidz.from different provenances

2.4 光合特性

由表7可知,圍場縣北蒼術葉片凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度均顯著高于其他3個種源地,扎魯特旗種源地顯著高于阿榮旗、喀喇沁旗種源地,阿榮旗、喀喇沁旗種源地間差異不顯著。其中,圍場縣、扎魯特旗北蒼術葉片凈光合速率較喀喇沁旗種源地分別提高42.33%、29.33%,蒸騰速率分別提高47.29%、19.83%,氣孔導度分別提高61.34%、5.25%。而胞間CO2濃度表現為喀喇沁旗和阿榮旗顯著高于其他2個種源地,圍場縣、扎魯特旗2個種源地間無顯著差異。

表7 不同種源地北蒼術葉片光合特性Table 7 Photosynthetic characteristics of A.chinensis (DC.) Koidz.leaves from different provenances

2.5 葉片結構與光合能力相關性分析

通過Pearson相關性分析(表8)得出,北蒼術的凈光合速率與上表皮細胞蠟質層厚度呈現極顯著正相關關系(P＜0.01),與柵欄組織厚度呈顯著正相關關系(P＜0.05);氣孔導度與上表皮細胞厚度、上表皮細胞蠟質層厚度、柵欄組織厚度呈現極顯著正相關關系(P＜0.01),與上表皮氣孔密度呈顯著正相關關系(P＜0.05);胞間二氧化碳濃度與上表皮細胞蠟質層厚度呈現極顯著負相關關系(P＜0.01);蒸騰速率與上表皮細胞蠟質層厚度、柵欄組織厚度呈現極顯著正相關關系(P＜0.01),與上表皮細胞厚度呈顯著正相關關系(P＜0.05)。

表8 葉片結構與光合能力參數相關系數Table 8 Correlation coefficients between leaf structures and photosynthetic capacities

3 討論

大量研究表明,植物長期受種源地環境影響,導致其葉功能性狀產生遺傳分化[13-15]。在植物進化過程中,葉片對環境脅迫最敏感,是可塑性較大的器官,在不同環境壓力下形成各種適應類型,經自然篩選后存活的植物,其葉片的解剖結構和外部結構在一定程度上能夠反映環境因子的影響或植物對環境的適應[16]。植物通過改變葉面積、葉厚等功能性狀在形態結構上的可塑性,提高植物對環境空間異質性的適應能力[17]。葉片的形態、解剖結構和生長發育受遺傳和環境條件(如:地理位置、生境條件和氣候特性等)共同調控[18-19],其形態和結構特征的改變能夠反映植物對環境變化的響應和適應。本研究結果表明4個種源地北蒼術在科爾沁沙地同質園環境中,葉片形態表現為扎魯特旗種源的下部葉裂葉程度較明顯;葉片均有革質特性,喀喇沁旗種源的表現為薄革質;葉緣均有刺齒,喀喇沁旗、阿榮旗種源地為重刺齒。北蒼術為典型的異面葉,圍場縣和扎魯特旗種源地的北蒼術葉片厚度明顯高于喀喇沁旗和阿榮旗種源地,且上下表皮細胞厚度也表現出相同的趨勢,表皮厚度越厚的葉片,其阻隔高溫、貯存水分、防機械損傷能力越強;圍場縣、扎魯特旗的北蒼術葉片柵欄組織厚度也明顯較高,發達的柵欄組織可以有效儲存水分,柵欄組織的細胞排列越緊密,細胞間隙越少,葉片結構緊密度就越大,增強北蒼術葉片保水性能,更好地適應科爾沁沙地保水保肥能力差的環境。

植物葉片功能性狀不是獨立發揮作用,各性狀間存在一定的相關性[20],揭示各性狀間的關聯性,有助于了解植物生長、生存策略。植物的光合作用不僅受外界環境影響,而且與自身葉片結構特征緊密相關。本研究發現凈光合速率、氣孔導度與葉片結構間存在一定的關聯性。其中,凈光合速率與上表皮蠟質層厚度、柵欄組織厚度呈不同程度的正相關性,氣孔導度與上表皮細胞厚度、上表皮細胞蠟質層厚度、柵欄組織厚度、上表皮氣孔密度均呈顯著正相關,說明柵欄組織越厚,所占葉片比例越高,越有利于光合作用,這與劉露[21]在油橄欖葉片解剖結構特征指標與凈光合速率的相關性研究結果較為一致。本研究結果表明扎魯特旗、圍場縣種源北蒼術葉片上下表皮厚度、柵欄組織厚度、柵海比明顯大于其他2個種源地,氣孔密度、凈光合速率、氣孔導度均表現出明顯的優勢,柵欄組織富含豐富的葉綠體,而葉綠體作為植物重要的光合作用場所,對提高凈光合速率起到關鍵作用,柵海比增大也有利于CO2在葉片中傳導,同時降低氣孔限制對光合作用產生的不利影響,有效提高葉片水分利用效率[22]。廖文婷等[23]發現油茶柵欄組織/葉片厚度、柵海比與凈光合速率呈顯著正相關關系,孫利娜等[24]探究不同種源桃金娘葉片表型及光合特性差異時發現貴港種源柵欄組織最厚,光合速率最高,與本研究結論相一致。

4 結論

北蒼術為典型的異面葉,同質園實驗條件下,其葉片形態、結構、氣孔分布、光合能力表現出種源差異;圍場縣和扎魯特旗種源地的北蒼術葉片厚度明顯高于其他2個種源地,且上下表皮細胞厚度也表現出相同的趨勢,柵欄組織厚度明顯較高,葉片結構緊密度較大;喀喇沁旗種源地的北蒼術氣孔數量、密度均較低,扎魯特旗種源地北蒼術葉片氣孔數量、氣孔指數均大于其他種源地,且光合能力顯著較高。圍場縣、扎魯特旗種源地的北蒼術對科爾沁沙地有較強的適應能力。