NaCl處理對黑果枸杞葉解剖結(jié)構(gòu)的影響

倪 強(qiáng)，馬彥軍，楊萬鵬，楊永義

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

目前，土壤鹽堿化是世界上最為嚴(yán)重、長期困擾生態(tài)環(huán)境的問題之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有1/3的土地受到不同程度鹽害的影響[1-2]，已經(jīng)嚴(yán)重制約了農(nóng)林業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是限制各地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要成分之一。植物的器官形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征是在系統(tǒng)演化過程中長期適應(yīng)環(huán)境而逐漸形成的，具有一定的保守性[3]，生長在不同生境中的植物表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的差異，這通常認(rèn)為是對特定生境的進(jìn)化適應(yīng)，且不同的植物可以采取不同方式適應(yīng)相同或相似的生境。據(jù)報(bào)道，植物的肉質(zhì)性與其耐鹽性正相關(guān)，肉質(zhì)化葉中的薄壁組織細(xì)胞含有大量的水分，可以稀釋細(xì)胞內(nèi)鹽的濃度[4]，有些鹽生植物葉片小而薄，氣孔少而下陷，氣室明顯，有利于減少表面蒸騰抵抗干旱。賈恢先和趙曼容[5]對鹽瑣瑣(Halocnemum srtobilaceum)、鹽爪爪(Kadilium foliautm)、鹽角草(Sailcornia euorpaea)、毛紅柳(Tamarix hispida)和駱駝刺(Alhagi pseudalhagi)等莖葉解剖結(jié)構(gòu)的研究表明，拒鹽植物的皮層半徑比值大，都在60%以上，泌鹽植物(如毛紅柳)和避鹽植物(如駱駝刺)的皮層半徑不及25%；維管組織恰恰相反，拒鹽植物維管束和半徑比均在25%以下；而泌鹽、避鹽植物至少在25%以上。因此，分析植物葉片解剖結(jié)構(gòu)能夠反映出植物與環(huán)境之間的關(guān)系。

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)是茄科(Solanaceae)枸杞屬多年生耐鹽、抗旱落葉灌木[6-8]，分布在耐鹽沙地、鹽堿地和路旁[9]?？剐詮?qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)常構(gòu)成鹽爪爪-黑果枸杞鹽生植物群落[10-11]。具有耐干旱、耐鹽堿、耐寒冷的生物學(xué)特性，是改良荒漠化土壤、防風(fēng)固沙、保持水土的優(yōu)良植物，具有很高的生態(tài)學(xué)價(jià)值，同時(shí)也具有極高的藥用價(jià)值[12]，是世界上三大堿性土壤指示植物和先鋒植物之一[6]。近年來，學(xué)者們對黑果枸杞的研究主要集中在逆境環(huán)境下種子發(fā)芽和生理活性方面，而對鹽脅迫下解剖結(jié)構(gòu)的報(bào)道較少；植物葉片在不同環(huán)境壓力下，形成各種各樣的適應(yīng)類型，葉片在空氣中的暴露面積最大，其解剖結(jié)構(gòu)最能體現(xiàn)環(huán)境因子對植物的影響及植物對環(huán)境的適應(yīng)策略[13]，因此人們對葉片的研究也較多。為此，本研究模擬生長在不同濃度NaCl溶液下的黑果枸杞，觀察其葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，探討黑果枸杞葉解剖結(jié)構(gòu)和鹽漬環(huán)境的關(guān)系，以期為黑果枸杞的耐鹽生理生態(tài)機(jī)制研究提供解剖學(xué)方面的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以青海省格爾木地區(qū)一年生黑果枸杞苗為材料，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院試驗(yàn)地內(nèi)進(jìn)行盆栽控鹽試驗(yàn)。2017年3月將扦插苗木移栽到花盆，花盆規(guī)格為30 cm × 30 cm，每盆1株，用80%的多菌靈溶液進(jìn)行消毒，基質(zhì)按照2∶1(腐殖土和蛭石)的比例均勻混合而成。緩苗3個(gè)月后，選取長勢優(yōu)良、大小一致的苗木進(jìn)行鹽脅迫處理。

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置6個(gè)濃度的NaCl(mmol·L-1) 梯度：0、50、100、150、200、250。每個(gè)梯度10盆，3個(gè)重復(fù)。采取分灌的方法，每次澆灌500 mL，每隔3 d澆一次，施量達(dá)到2 L為止。當(dāng)達(dá)到預(yù)期的鹽濃度后，根據(jù)溶液蒸發(fā)情況澆灌，以平衡水分蒸發(fā)量，為防止鹽分流失，花盆下墊塑料托盤，將滲漏在托盤中的水倒回花盆中[14]。并采取人工防雨措施，減少外界影響。鹽脅迫處理15和30 d時(shí)各取一次樣，進(jìn)行枸杞葉片解剖實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

葉肉解剖結(jié)構(gòu)：采用石蠟切片法觀察葉片解剖學(xué)形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。石蠟切片的厚度為8～10 μm，通過卡諾固定液固定→脫水→透明→包埋→切片→番紅、固綠染色→中性樹膠封片的步驟，于光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照。

測定葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和中脈厚度，并計(jì)算葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度 (cell tense ratio, CTR) 和葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度(vein protuberant degree, SR) 。

葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度 = 柵欄組織厚度 / 葉片厚度 × 100%；

葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度 = 海綿組織厚度 / 葉片厚度 × 100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及繪圖使用Excel 2010，PS技術(shù)處理圖片，用SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，單因素方差分析各指標(biāo)間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對黑果枸杞葉片形態(tài)的影響

在不同鹽濃度處理下，黑果枸杞葉片生長狀況、葉片形狀和葉片厚度均有明顯差異(表1)。高濃度NaCl溶液處理下，葉片由原來的圓條狀變成披針形或條形，出現(xiàn)葉柄或葉柄極短，葉緣微翹，甚至部分干枯，出現(xiàn)少許落葉，葉片厚持續(xù)增加。

表1 不同濃度NaCl處理下黑果枸杞葉片形態(tài)特征Table 1 Effect of NaCl treatment on the anatomy of Lycium ruthenicum leaves

表2 不同濃度NaCl溶液處理對黑果枸杞葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度和疏松度的影響Table 2 Effect of NaCl treatment on the tightness and porosity of Lycium ruthenicum leaves

葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)和葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度(SR)反映了葉片內(nèi)部柵欄組織和海綿組織的發(fā)達(dá)程度。15 d時(shí)取樣結(jié)果(表2)顯示，CTR由原來的(CK) 24.82%增加至29.90% (P＜0.05)；SR由原來的(CK) 51.38%減少到11.70% (P＜ 0.05)。由30 d取樣結(jié)果可知，CTR由原來的(CK) 26.48%增加至33.54% (P＜ 0.05)；SR由原來的(CK) 46.80%減少到7.46% (P＜ 0.05)。當(dāng) NaCl濃度為 100 mmol·L-1時(shí)，其CTR和SR值均達(dá)到最大，分別為29.90%、33.54%，可見此濃度下，黑果枸杞葉片緊密度達(dá)到最大，為黑果枸杞最適宜的鹽生環(huán)境。

2.2 鹽脅迫對葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

黑果枸杞葉片主要由表皮、柵欄組織、海綿組織、中脈組成(圖1)。上下表皮均由一層大小不等，排列整齊緊密，呈橢圓型或距圓型的細(xì)胞組成。

NaCl處理15 d時(shí)，黑果枸杞上下表皮厚度分別在 40.11～67.72 μm 與 33.78～44.39 μm(圖2)，當(dāng) NaCl濃度為100 mmol·L-1時(shí)，上表皮厚度達(dá)到最大，為67.72 μm，比 CK (54.89 μm)高出 12.83 μm (P＜ 0.05)，此外，NaCl濃度為50 mmol·L-1時(shí)，與CK差異不顯著(P＞ 0.05)，其他處理下均有顯著性差異；當(dāng)NaCl濃度為100 mmol·L-1時(shí)，下表皮厚度達(dá)到最大為44.39 μm，比 CK(36.53 μm)高出 7.86 μm (P＜ 0.05)，此外，其他處理下均無顯著差異。

NaCl處理30 d時(shí)，黑果枸杞上下表皮厚度分別在 51.43～80.16 μm 與 35.17～55.99 μm(圖2)，當(dāng) NaCl濃度為100 mmol·L-1時(shí)，上表皮厚度達(dá)到最大，為80.16 μm，與CK (51.43 μm)相比，高出28.73 μm，并且差異顯著(P＜ 0.05)，此外，只有當(dāng)NaCl濃度為50 mmol·L-1，與 CK 差異不顯著 (P＞ 0.05)，其他處理下均有顯著差異；當(dāng)NaCl濃度為100 mmol·L-1時(shí)，下表皮厚度達(dá)到最大，為55.99 μm，與CK (35.17 μm)相比，高出20.82 μm，并且差異顯著(P＜ 0.05)，此外，只有在濃度為50、100 mmol·L-1NaCl處理下，也具有顯著差異。NaCl處理15 d時(shí)，柵欄組織的厚度在181.54～447.07 μm，海綿組織的厚度在174.68～375.58 μm。當(dāng) NaCl濃度為 250 mmol·L-1時(shí)，柵欄組織的厚度達(dá)到最大，為447.07 μm，與CK(181.54 μm)相比，高出265.53 μm，并且差異顯著(P＜ 0.05)，此外，其他濃度處理下，與CK相比，均有顯著差異；當(dāng)NaCl濃度為0時(shí)，海綿組織的厚度達(dá)到最大，為375.58 μm，其余濃度下均與CK有顯著差異。

NaCl處理30 d時(shí)，黑果枸杞柵欄組織的厚度在205.55～591.98 μm，海綿組織的厚度在139.04～362.88 μm(圖 2)，當(dāng) NaCl濃度為 250 mmol·L-1時(shí)，柵欄組織的厚度達(dá)到最大，為591.98 μm，與CK(205.55 μm)相比，高出 386.43 μm，并且差異顯著(P＜ 0.05)，此外，其他濃度處理下，與CK(205.55 μm)相比，均具有顯著差異(P＜ 0.05)；當(dāng)NaCl濃度為0時(shí)，海綿組織的厚度達(dá)到最大，為362.88 μm，其他濃度下與(CK)均具有顯著差異。

黑果枸杞中脈厚度隨NaCl濃度的增大而增大，其厚度分別在191.13～359.59 μm和217.11～567.89 μm，且各濃度處理與CK均存在顯著差異(P＜ 0.05)。

圖1 黑果枸杞葉片解剖結(jié)構(gòu)×40Figure 1 Effect of NaCl treatment on the anatomy of Lycium ruthenicum leaves (× 40 magnification)

3 討論

葉是植物進(jìn)行同化功能的器官，也是對周圍環(huán)境變化反映最直接的器官。植物葉片在不同的逆境環(huán)境下，表現(xiàn)出各種各樣的適應(yīng)性類型，而在植物生長過程，葉片完全暴露在空氣中，其解剖結(jié)構(gòu)最能體現(xiàn)植物對環(huán)境的響應(yīng)[13,15-17]。植物組織結(jié)構(gòu)的變化影響其生理生態(tài)功能的變化，因此了解植物形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的變化是研究植物生態(tài)適應(yīng)性的基礎(chǔ)。大量研究結(jié)果表明植物的抗鹽性和葉片解剖結(jié)構(gòu)之間存在密切的相關(guān)性[18-21]。

圖2 不同濃度的NaCl溶液處理不同時(shí)期對黑果枸杞葉解剖結(jié)構(gòu)的影響Figure 2 Effects of NaCl treatment on the thickness of Lycium ruthenicum leaf tissues

對于鹽生環(huán)境下生長的植物葉片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要向著降低蒸騰速率、增強(qiáng)儲(chǔ)水量和提高光合效率3個(gè)方面發(fā)展[22]，會(huì)形成典型的抗鹽、抗旱結(jié)構(gòu)。植物葉片越厚，貯水能力越強(qiáng)，中脈直徑越大，其控水能力越強(qiáng)，本研究結(jié)果表明，黑果枸杞葉片隨著NaCl溶液濃度的增加，葉厚、表皮細(xì)胞厚度和中脈厚度也逐漸增大，這種結(jié)構(gòu)可以有效地提高葉片的貯水和控水能力，防止植物組織水分流失，提高水分的運(yùn)輸效率，還可以保護(hù)葉肉細(xì)胞，免受強(qiáng)光灼傷，增強(qiáng)植物的折光性，提高葉片對葉肉細(xì)胞的機(jī)械保護(hù)能力。這與章英才[23-24]對幾種不同鹽生植物葉的比較解剖結(jié)構(gòu)研究和不同鹽濃度環(huán)境中幾種植物的比較解剖研究，以及曾惠敏和趙冰[25]對28個(gè)八仙花(Hydragea macrophylla)品種葉片解剖結(jié)構(gòu)與植株耐旱性的關(guān)系研究結(jié)果一致。

在氯化物鹽含量較高的土壤中，可誘導(dǎo)植物葉片發(fā)生肉質(zhì)化，主要表現(xiàn)在柵欄組織的增多和海綿組織退化以及貯水組織的產(chǎn)生。這種誘導(dǎo)不會(huì)讓柵欄組織細(xì)胞形態(tài)發(fā)生明顯變化，但可使柵欄組織細(xì)胞長度和層數(shù)不同程度地增加，海綿組織退化。本研究結(jié)果表明，高濃度的NaCl溶液可使葉片高度肉質(zhì)化，柵欄組織相對較發(fā)達(dá)，海綿組織不發(fā)達(dá)，這與章英才[23]對幾種不同鹽生植物葉的比較解剖研究和Hayward和Long[26]對番茄(Lycopersicon esculentum)對不同濃度的氯化鈉硫酸鈉和營養(yǎng)液的解剖和生理反應(yīng)的研究結(jié)果一致。柵欄組織不僅可以增加葉肉表面積，為光合作用補(bǔ)充水分，還可以提高水分從維管束到表皮細(xì)胞的運(yùn)輸效率，當(dāng)水分適宜時(shí)，柵欄組織可增強(qiáng)蒸騰作用使葉片表面免受高溫傷害[27-28]；同時(shí)，高濃度NaCl脅迫下，黑果枸杞葉片高度肉質(zhì)化，退化為針型，說明植物可以通過減小葉片表面積，增加肉質(zhì)性來增加耐鹽能力，從而適應(yīng)干旱、鹽堿的生境，這與辛菊萍和朱春云[29]對柴達(dá)木盆地不同鹽生境下黑果枸杞形態(tài)結(jié)構(gòu)比較和遲麗華和宋鳳斌[30]對松嫩平原西部鹽堿地區(qū)10種植物葉片結(jié)構(gòu)特征及其生態(tài)適應(yīng)性的研究結(jié)果一致。

處理的時(shí)間長短也會(huì)對黑果枸杞葉片解剖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，相同濃度的NaCl溶液，30 d處理下的黑果枸杞，葉退化和葉肉質(zhì)化程度明顯大于15 d處理下，表現(xiàn)出更為典型的鹽生、旱生結(jié)構(gòu)?？傊?，對于不同濃度的NaCl溶液、不同的時(shí)間段的處理，黑果枸杞葉相應(yīng)的表現(xiàn)出典型的鹽生結(jié)構(gòu)和旱生結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

黑果枸杞隨NaCl溶液濃度的變化而植株葉形態(tài)特征發(fā)生較大變化，并且葉片厚度、柵欄組織厚度和中脈增大，海綿組織減小，形成典型的“環(huán)柵欄”結(jié)構(gòu)，表皮細(xì)胞厚度先增大后減小，葉片退化為針形，并高度肉質(zhì)化。從而維持植物的正常生長發(fā)育。黑果枸杞可在NaCl濃度為100 mmol·L-1以下時(shí)正常生長，當(dāng)鹽濃度繼續(xù)增加時(shí)，其生長受到抑制。