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胡杨异形叶的抗旱适应对策

范文

赵龙　刘卫国　杨晓东　高兴旺　黄廷温

摘要：以3种胡杨叶片结构性状与其光合特性间关系为切入点揭示荒漠植物叶的抗旱适应对策。结果表明：（1）胡杨老树净光合速率、蒸腾速率和气孔导度值在叶形上均表现为锯齿卵形叶>近卵形叶>披针形叶，且差异显著;而从幼树到老树发育过程中，叶净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均有显著增加，胞间二氧化碳浓度没有明显差异。（2）幼树到老树发育过程中，胡杨叶片角质层厚度、栅栏组织厚度、表皮组织厚度、外层细胞壁厚度、气孔密度、气孔大小以及叶面积均呈增加趋势，且锯齿卵形叶与披针形叶差异显著，具备向旱生叶过渡的特征。（3）胡杨叶片净光合速率和气孔导度变化是由栅栏组织厚度和表皮组织厚度决定的;蒸腾速率变化主要由气孔大小和表皮组织厚度决定;胞间二氧化碳浓度变化是由气孔密度和角质层厚度引起的。

关键词：胡杨;异形叶;光合特性;叶片结构性状;旱生叶;抗旱适应对策

中图分类号：S792.110.1文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）01-0130-06

作者简介：赵龙（1994—）男，陕西泾阳人，硕士研究生，主要研究方向为荒漠植物生理。E-mail：1426144283@qq.com。

通信作者：刘卫国，博士，副教授，主要从事绿洲生态学研究。E-mail：wgliuxj@126.com。

随着全球气候变化，水资源短缺、土地沙漠化已成为当今世界突出的生态环境问题[1]。在干旱半干旱区，水分成为植物生存、生长和分布的关键限制因子，同时，植物会形成多种耐旱性的形态结构以减轻干旱胁迫带来的伤害，其中叶片结构可以表征植物抗旱的适应特征。叶片是植物光合作用的主要器官，也是对干旱胁迫最敏感的器官[2]，干旱胁迫下会导致植物叶片叶面积、厚度、气孔、栅栏组织、表皮细胞、角质层等解剖结构的改变，进而会引起植物生理生态功能的改变[3-4]。如，干旱影响了叶片气孔开闭、光合底物二氧化碳的吸收[5-6]，最终减弱植物的光合作用。因此，研究干旱环境下，植物叶片形态解剖结构如何响应植物叶片光合作用的机制具有重要意义。

研究表明，光合作用特征在基因型间的差异很大，这些差异与叶片的解剖结构有关[7-8]。叶片光合速率的差异是环境对叶片解剖结构的影响造成的，植物通过叶片气孔与外界环境进行气体与水分的交换，其气孔的大小与密度直接影响叶片与外部环境间的气体交换量，进而影响植物的光合、呼吸与蒸腾作用[9-10]。研究表明，叶片受外界环境影响十分敏感，在不同环境条件长期影响下进化为形态各异的叶片[10]，其中，胡杨是典型的多异形叶型的树种。目前，关于胡杨异形叶光合或解剖结构的研究分析不够全面。有学者研究发现，利用单一叶结构特征可以反映胡杨光合特性响应特征或将异形叶简单归纳为2种叶形来阐述其光合特性，而对胡杨发育阶段的光合特性、叶片结构性状及其之间的定量关系的研究鲜有报道[10-12]。

近年来，艾比湖流域生态系统环境日趋恶化，胡杨作为艾比湖流域优势成林树种，对该流域生态系统良性发展十分关键[13]。本研究比较艾比湖流域内发育良好的胡杨树3种典型形状叶片（披针形、近卵形、锯齿卵形）的性状、光合特性及解剖结构，并对异形叶抗旱适应性进行分析，以期阐明以下问题：（1）胡杨个体发育阶段叶片光合作用是否存在差异？（2）胡杨个体发育过程叶结构性状变化是否具有差异？（3）胡杨叶结构性状特征与光合因子之间有什么关系？并揭示胡杨叶片性状的解剖学特征及适应策略。

1研究区与研究方法

1.1研究区概况

艾比湖湿地自然保护区（82°36′～83°50′E，44°30′～45°09′N）是准噶尔盆地西部的最低洼地和水盐汇聚中心[13]。该区属于典型的温带大陆性气候，极端最高气温可达44℃，极端最低气温达-33℃，年平均气温为5℃，四季气候差异较大，冬夏漫长，春秋季短暂，干燥少雨多风，年降水量分配不均，夏多冬少，蒸发量大。主要植物有胡杨（PopuluseuphraticaOliv.）、梭梭[Haloxylonammodendron（C.A.Mey.）Bunge]、柽柳（TamarixramosissimaLdb.）、黑果枸杞（LyciumruthenicumMurr.）、芦苇[Phragmitesaustralis（Cav.）Trin.exSteud.]和沙拐枣（CalligonumebinuricumIvanova）等[14]。

1.2研究方法

1.2.1样地设置与样品确定

于2018年7月底至8月初（胡杨叶片发育成熟期），在新疆艾比湖湿地自然保护区东大桥管护站（83°33′50″E，44°36′58″N）旁的胡杨林集中分布区，设置面积为100m×100m的样地。依据叶形划分标准[条形叶（叶长/叶宽≥4）、披针形叶（2≤叶长/叶宽<4）、近卵形叶（1≤叶长/叶宽<2）和锯齿卵形叶（叶长/叶宽<1）][15]，在样地内，根据胡杨个体自然呈现的叶形种类，选取具有代表性、人为影响小、冠形匀称、无严重枯梢、无枯枝现象的3个发育阶段进行研究（A、B、C代表胡杨3个不同的生长发育阶段类型植株，发育顺序为A→B→C，3个发育阶段胡杨个体基本信息见表1）。根据上述胡杨异形叶和植株类型划分依据，每个发育阶段个体各取3株（设计重复共9株）作为调查采样株。采样前用围尺测量植株胸径（diameteratbreastheight，DBH），用全站仪测量每棵样株高及冠长，在确定的A、B、C等3个发育阶段类型的胡杨植株上采样记录，用试镜纸轻柔擦拭无病虫害、无损伤的异形叶，装于对应编号的自封袋中，以备后续试验。

1.2.2测定方法

葉片形态指标测定：将采集的叶片用MRS-9600TFU2扫描仪对叶片进行扫描，用LA-S型植物图像分析仪获取叶面积[15];叶解剖结构测定：用石蜡切片法制作切片，用番红-固绿染色液进行染色，在奥林巴斯BX51显微镜下观察，使用软件ImageProPlus6.0进行参数测量[16-17]。

气体交换参数测定：选择晴朗天气，于10：00—11：00挑选无病虫害、无损伤的异形叶进行光合测定，考虑树高的限制，测定过程均采用离体（剪下带有叶片的枝条迅速插入提前备好的水桶中）测量，每种叶片类型3次重复[13，18]。利用Li-6400便携式光合测定系统（Li-6400，Li-corInc，USA）测定叶片气体交换参数，主要参数有净光合速率（Pn，μmol/（m2·s）]、蒸腾速率[Tr，mmol/（m2·s）]、气孔导度[Gs，mol/（m2·s）]以及胞间二氧化碳浓度[Ci，μmol/mol]。

1.3数据处理

利用R语言单因素方差（One-wayANOVA）对同株胡杨不同叶形光合特征进行差异性分析，用多重比较（multiplecomparison）中的最小显著性差异法（LSD）分析不同发育阶段胡杨光合特征和叶片结构特征的差异性。同时，采用Rstudio主成分分析（PCA）对叶片解剖结构等相关性较强的变量降维，以获得新的无关变量，再用SPSS多元回归分析法（multivariateregressionanalysis）对所获得的新变量（主成分）进行回归，获得叶解剖结构与光合因子之间的关系，文中的图均用Origin2018绘制。

2结果与分析

2.1不同发育阶段胡杨异形叶光合特征

如图1所示，从幼树（A）到老树（C）发育阶段胡杨异形叶净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均有显著性差异（P<0.05），胞间二氧化碳浓度无显著性差异。胡杨不同发育阶段的叶平均光合特征变化表现为净光合速率在A到B过程中增加了37.9%，B到C增加了13.4%，蒸腾速率在A到B，B到C阶段分别增加了7.2%、49.4%，胞间二氧化碳浓度在A到B阶段增加了11.4%，B到C阶段下降了0.3%，气孔导度在A到B，B到C阶段分别增加了60.9%、20.9%。老树胡杨净光合速率、蒸腾速率和气孔导度大小在叶形上均表现为锯齿卵形叶（APB）>近卵形叶（APO）>披针形叶（APL）。中树近卵形叶相对于披针形叶在净光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度分别增加了38%、39.5%、1.6%、51.4%，老树锯齿卵形叶相比近卵形叶净光合速率、蒸腾速率、气孔导度分别增加了28.9%、28.5%、7.9%、34.2%，胞间二氧化碳浓度下降了3.6%，近卵形叶相较披针形叶净光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度分别增加了32.8%、59%、7.9%、59.1%。

2.2胡杨叶片结构性状特征

如表2所示，胡杨叶片结构特征呈现一定的规律性：（1）由幼树到老树发育过程中，胡杨叶片角质层厚度、栅栏组织厚度、表皮组织厚度、外层细胞壁厚度、气孔密度、气孔大小以及叶面积均有不同程度的增加，其中幼树、中树与老树叶片结构性状在栅栏组织厚度、表皮组织厚度、外层细胞壁厚度、气孔密度、气孔大小以及叶面积上具有显著性差异（P<0.05），幼树和中树叶片外层细胞壁厚度、叶面积上体现出明显差异;（2）同一发育阶段下，中树叶片栅栏组织厚度和叶面积具有显著性差异（P<0.05），老树异形叶角质层厚度、栅栏组织厚度、表皮组织厚度、气孔密度、气孔大小和叶面积值具有显著性差异（P<0.05），同一个体异形叶外层细胞壁厚度变化不大。

2.3胡杨光合特征与叶片解剖结构的关系

主成分回归法是对具有一定相关性的变量指标进行重新组合以消除变量的共线性，使最终所得新的综合指标（主成分）能较好地反映变量的综合信息[19]。将胡杨叶片角质层厚度、栅栏组织厚度、表皮组织厚度、外层细胞壁厚度、气孔密度、气孔大小等作为主成分，再对光合因子进行回归，以得到最优拟合回归方程。结合表3和表4得到F1、F22个主成分，共解释变量信息的90.2%，对2个主成分进行回归后代入原始变量。拟合结果显示，叶片净光合速率和气孔导度变化主要由栅栏组织厚度和表皮组织厚度决定，其各影响变量对模型标准回归数分别为0.770、0.660、0.033、0.032;蒸腾速率变化主要由气孔大小和表皮组织厚度引起，其各自回归系数分别为0.940、0.910;胞间二氧化碳浓度变化主要是气孔密度和角质层厚度引起，其各自回归系数分别为4.890、2.820。

3讨论

3.1胡杨光合特性

胡杨异形叶光合作用之间存在较大的差异，且随叶片的生长发育和生境的改变而变化[18，20-22]。本研究表明，从胡杨幼树（A）到老树（C）净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均显著增加，胡杨从树冠底部到顶部，即披针形叶过渡到锯齿卵形叶的过程，叶片净光合速率显著增加，该结果与Su等的研究结果相似[12，18];同时，除净光合速率外，其蒸腾速率和气孔导度也具有显著差异，且随着胡杨异形叶形变化而增加，这说明胡杨在发育过程中通过光合、蒸腾、呼吸作用协同变化来适应生存环境。老树叶气孔导度相比蒸腾速率和净光合速率变化幅度更大，可能是气孔导度对外界环境更加敏感。施英俊通过分析胡杨光合生理指标与环境因子的关系，得出环境因子对胡杨气孔导度的影响相较于净光合速率和蒸腾速率更显著，这种光合特性上的差异赋予了胡杨锯齿卵圆形叶和近卵形叶更强的忍耐缺水环境的功能，本研究的观点与之相符[23]。岳宁通过对胡杨异形叶进行解剖研究，认为锯齿阔卵形叶片光合碳同化能力及耐逆性强于披针形叶片[17];邱箭研究认为卵圆形叶和锯齿卵圆形叶提高了光合效率，其耐干旱或強保水性结构大于披针形叶，所得结论在一定程度上支持了本研究结果[21]。即在干旱环境下，荒漠植物通过调动体内防御机制，改变自身形态结构以加快光合作用，积累更多的干物质、各种抗逆生理生化物质等来满足逆境条件下的生长需求。

3.2胡杨叶片结构性状特征

植物长期生长于干旱环境内，会进化出相应的生活型，表征在叶片解剖结构的适应对策上[23-29]。本研究发现，随着胡杨发育进程的延长，胡杨叶片角质层厚度、栅栏组织厚度、表皮组织厚度、外层细胞壁厚度、气孔密度、气孔大小以及叶面积均有不同程度增加，进化出适应旱生性的生活策略。对老树异形叶而言，其锯齿卵形叶的角质层厚度、栅栏组织厚度、表皮组织厚度、气孔密度、气孔大小以及叶面积均显著大于披针形叶的;其锯齿卵形叶的表皮组织厚度、气孔密度及叶面积均显著大于近卵形叶的;而近卵形叶仅在栅栏组织厚度和气孔大小上显著大于披针形叶（如表2所示），这是胡杨叶片进化出强的耐旱和强紫外线的适应对策[25]，这与前人的研究结果存在差异，主要体现在本研究中外层细胞壁厚度没有显著性差异，这由于外层细胞壁结构对外界环境的敏感性较其他叶片结构低，须要长期进化来表达，或植物为适应外界环境将有限资源分配到不同器官及结构功能上所导致，也说明植物不同生长发育阶段采取的适应策略不同[26]。从个体发育阶段看，老树在叶结构性状上均有显著性差异，表现为锯齿卵形叶（APB）>近卵形叶（APO）>披针形叶（APL）。一方面，胡杨通过增加叶面积和形成发达栅栏组织的方式大幅提高植物的光合作用面积;另一方面，胡杨通过增加表皮厚度、角质层厚度等方式提高水分由内部向叶片表面扩散的距离或阻力以及叶片保水能力，进而减少植物体内水分的散失。赵鹏宇在研究胡杨异形叶形态结构中认为，叶面积和胸径的异速生长体现了其个体发育阶段资源配置的关系，可能是叶片根据外界刺激和生长发育进程而进化出的一种主动应对策略，并验证了本研究所得胡杨生长发育过程中的叶结构性状变化是其生存、生长的一种适应性对策，以及胡杨叶片解剖结构特征是协同变化的过程[16]。

3.3胡杨叶片光合特征与解剖结构的关系

不同发育阶段异形叶片解剖结构的变化必然导致其生理功能的变化[30-31]。在本研究中，胡杨叶光合特征与解剖结构的主成分分析结果表明，胡杨叶片各解剖结构对光合因子的影响程度相异，叶片净光合速率和气孔导度变化主要由栅栏组织厚度和表皮组织厚度决定;胞间二氧化碳浓度变化主要是由气孔密度和角质层厚度引起;蒸腾速率变化主要由气孔大小和表皮组织厚度引起。这可能是随着胡杨个体的生长发育及所处生境的不断恶化，无法满足自身的养分需求而选择通过协调增强内部组织结构比例关系来适应生存。有学者提出形态和解剖结构的协同性是对进化的缓冲适应对策，植物在长期进化过程中会形成不同等级的输导网络组织，基于营养的选择会使其不停地向最适方向进化，在植物形态上表现为最优化叶片形态和解剖结构比例来提高自身生理代谢效率，以使光能的利用达到最大化[16]。杨树德等从胡杨个体叶形光合或解剖特征进行研究，与之不同的是本研究将胡杨异形叶片光合特性和解剖特征进行量化并分析其中关系，对胡杨生态适应策略有了更清晰的认识，可知胡杨个体生长发育不仅是叶形态变化，还有旱生结构、增强光合速率的过程[22-24]。本研究揭示了胡杨光合特性在其发育过程中对不同结构性状的响应机制，植物个体生长发育过程中，除受到各种内部因素的影响外，其生物学特征还会直接或间接地对外界环境作出响应，植物不同器官相互协调发展是其生长的一种生活史策略。同一个基因型会因不同生境而产生不同表型，这种响应机制是有机体对外界环境条件或刺激产生的最重要的反应特征[17]。因此，从根本上认识胡杨的生态适应策略，还须进一步从生理代谢及分子水平上深入开展研究。

4结论

不同发育阶段，胡杨异形叶片光合特性具有差异，且随着发育程度的递进其光合特性有增强趋势。随着发育阶段的递进，荒漠植物为了生存往往表现出向旱生性过渡的特征。荒漠植物叶光合特性对叶片解剖结构变化的响应敏感性不同，以及植物应对外界环境是依靠功能性状和结构性状相互协调来适应的。

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