青藏高原矮火絨草(Leontopodium nanum)葉片性狀對海拔高度變化的響應(yīng)

鄭夢娜,賈 傲,陳之光,廣田充,唐艷鴻,杜明遠(yuǎn),古 松,*

1 南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 天津 300071 2 筑波大學(xué), 筑波 3050006 3 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 北京 100871 4 日本農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)研究所, 筑波 3050006

葉片是植物地上部分與大氣環(huán)境接觸面積最大的器官,也是植物與外界進(jìn)行能量和物質(zhì)交換的最主要場所,直接影響植物的呼吸、光合和蒸騰過程,被視為植物與環(huán)境之間相互聯(lián)系的紐帶[1]。然而,葉片性狀對環(huán)境變化十分敏感,通常隨環(huán)境的改變表現(xiàn)出外部形態(tài)、表皮特征及解剖結(jié)構(gòu)的差異[2]。近幾十年來,在全球變化背景下,植物如何適應(yīng)環(huán)境要素變化已成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3],為此國內(nèi)外學(xué)者開展了大量相關(guān)研究,如利用溫度、水分、養(yǎng)分、CO2濃度等控制實(shí)驗(yàn)研究植物對其變化的響應(yīng)[4—5]。然而,全球氣候變暖不僅影響植物的生長發(fā)育過程,還導(dǎo)致全球氣候異?，F(xiàn)象頻發(fā)(如干旱、洪澇、極端溫度事件等極端氣象災(zāi)害),在全球變化研究中最受關(guān)注[6]。因此,國內(nèi)外學(xué)者對生長在不同氣候類型的植物葉片性狀變化開展了諸多相關(guān)研究,探討溫度變化對各種植物葉片性狀的影響,為預(yù)測植物對未來氣候變暖的響應(yīng)提供參考依據(jù)。例如,Wright等[3]的研究結(jié)果表明相較于小葉片,面積較大的葉片更容易在寒冷地區(qū)遭受霜凍的破壞。He等[7]測量分析了分布在北半球熱帶至寒溫帶森林的多種植物葉片性狀,發(fā)現(xiàn)溫度變化會(huì)使葉片厚度、柵欄組織和海綿組織厚度等解剖性狀發(fā)生改變。Zhong等[8]推測與植物莖的解剖性狀相比,葉片解剖性狀對于未來全球氣候變暖更加敏感。楊繼鴻等[9]的研究顯示生長于高海拔地區(qū)的木本植物葉片會(huì)變得小而厚,葉柄變短,而氣溫是葉片性狀變異的主導(dǎo)因子。但由于這些研究選取的植物對環(huán)境適應(yīng)方式及所處的氣候類型不同,研究結(jié)果也會(huì)存在差異。因此,研究植物葉片性狀對溫度變化的響應(yīng)可以充分揭示植物對環(huán)境變化適應(yīng)的方式。

隨高山海拔的升高,溫度會(huì)發(fā)生顯著的變化[10]。因此,目前國內(nèi)外關(guān)于各地區(qū)不同物種葉片性狀隨海拔高度變化的響應(yīng)已有較多研究[11—14],且取得了初步進(jìn)展。但多數(shù)研究集中于平原地區(qū),而對高原地區(qū)極端環(huán)境中草本植物葉片性狀響應(yīng)的研究相對不足[15],尤其是在由全球氣候變化導(dǎo)致的高山生境氣候變暖背景下的研究更為稀少。

青藏高原平均海拔高達(dá)4000 m以上,是全球海拔最高、面積最大、緯度最低、最年輕的高原[16]。其獨(dú)特的地理與氣候條件孕育了許多特有物種,是高寒生物的自然種質(zhì)資源庫[17]。青藏高原對全球氣候變化十分敏感,自1960年以來的平均升溫速率是0.2—0.3℃/10a,約為全球升溫速率的3倍[18],被稱為全球氣候變化的“敏感區(qū)”與“放大器”。在這樣的地理位置及氣候條件下,高原植物常年處于低溫環(huán)境中,對于溫度變化也非常敏感[19]。冷龍嶺位于青藏高原東北部,具有典型的高原大陸性氣候特征,在小區(qū)域范圍內(nèi)沿海拔高度上升垂直氣候變化非常明顯[20—21],同時(shí)因其坡度較陡能夠排除地理范圍跨度改變導(dǎo)致的溫度變化,是研究植物對環(huán)境變化響應(yīng)的理想場所。因此可以利用氣候環(huán)境因子在冷龍嶺不同海拔梯度上的劇烈改變,以空間代替時(shí)間的方式,來研究植物對全球氣候變化的響應(yīng)。

矮火絨草(Leontopodiumnanum)是菊科(Compositae)火絨草屬(Leontopodium)多年生草本植物,在中國主要分布在西部及西南部地區(qū)。因其強(qiáng)大的生長繁殖和適應(yīng)能力,能夠適應(yīng)高海拔寒冷山區(qū)的氣候條件,在青藏高原冷龍嶺不同海拔高度廣泛生長,對環(huán)境變化敏感且變異能力較強(qiáng)[22]。目前已有較多學(xué)者研究了矮火絨草的光合特性以及藥用價(jià)值[23—24],但關(guān)于其葉片性狀的研究鮮為報(bào)道。

本研究以廣泛分布于青藏高原冷龍嶺不同海拔的矮火絨草為材料,通過對其葉片的外部形態(tài)、表皮氣孔特征和解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量分析,旨在闡明：(1)矮火絨草葉片表型及解剖結(jié)構(gòu)沿海拔梯度的變化；(2)矮火絨草對氣候環(huán)境變化的響應(yīng)與適應(yīng)對策。通過本研究以期為預(yù)測高山植物對未來氣候變暖的響應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

冷龍嶺是祁連山脈東段第一山,位于青海省海北藏族自治州門源回族自治縣北部和甘肅武威、金昌市的交界處,地理位置為37°02′—38°5′N,101°3′—102°52′E,其頂峰——崗什卡峰海拔高達(dá)5254.5 m,終年積雪。該區(qū)多年平均降水量為410 mm,8月為最濕潤月(多年平均降水量93 mm),年均溫度為0℃,7月為最熱月(年均溫11.4℃),屬于大陸性高原季風(fēng)氣候區(qū),區(qū)域的氣溫和降水在水平和垂直方向上具有較大差異,是典型的高寒草甸植被類型,主要包括菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、龍膽科(Gentianaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)等植物[20, 25]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1材料采集

2019年8月,在3400—4200 m海拔范圍內(nèi)的冷龍嶺采集矮火絨草葉片,沿垂直梯度每間隔200 m設(shè)置一個(gè)采樣地,即海拔高度分別為3400、3600、3800、4000 m和4200 m。每個(gè)海拔采樣地隨機(jī)設(shè)置5個(gè)樣方,在各樣方隨機(jī)選取生長健康、發(fā)育程度相近的成熟植株,在植株相同的位置采集完全展開、無病蟲害損壞的葉片9片,每個(gè)采樣地共采集45個(gè)葉片。將其中25片混勻裝入自封袋中用于外部形態(tài)的測量；并將另外20片放入裝有FAA固定液(70%乙醇∶甲醛∶冰乙酸=18∶1∶1)的封閉玻璃小瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃的冰箱中保存,用于葉片表皮特征和解剖結(jié)構(gòu)的測量。樣品都進(jìn)行嚴(yán)格的編號(hào)。使用GPS定位,記錄各采樣地的海拔高度、經(jīng)緯度等信息(表1)。

表1 采樣地海拔及地理位置

1.2.2葉片外部形態(tài)測量

用萬分之一電子天平(BT 124S)稱量葉片飽和鮮重(SFW, g),然后將葉片平鋪在掃描儀(CanoScan LiDE300)上進(jìn)行掃描得到圖片文件,利用ImageJ圖像處理軟件測量葉長(LL, cm),葉寬(LW, cm),葉面積(LA, cm2)和葉周長(LP, cm)。把掃描后的葉片放入80℃恒溫干燥箱(DG- 202- 2BS)中烘干72 h至恒重,取出后稱取葉片干重(DW, g)。結(jié)合以上數(shù)據(jù)計(jì)算葉片的長寬比(LL/LW)、比葉面積(SLA, cm2/g)、比葉重(SLW, mg/cm2)和葉干物質(zhì)含量(LDMC, mg/g),公式如下：

SLA=LA/DW

SLW=DW/LA

LDMC=(DW/SFW) ×1000

1.2.3葉片表皮特征測量

采用指甲油涂抹撕取法[26]。取出固定后的葉片,將透明指甲油均勻涂抹在葉片的上、下表皮,等待指甲油晾干后,用鑷子撕下已經(jīng)干燥的指甲油涂抹層,將其平鋪在載玻片上,制成臨時(shí)裝片。對于各海拔高度隨機(jī)選取20個(gè)視野,在OLYMPUS BX53光學(xué)顯微鏡的10倍目鏡、40倍物鏡條件下觀察拍照,利用CellSens軟件測量葉片表皮氣孔特征。測量指標(biāo)包括氣孔器長度(SL, μm)、氣孔器寬度(SW, μm)、氣孔器面積(SL, μm2)、氣孔密度(SD, 個(gè)/mm2)和潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)(PCI,%)。相關(guān)公式如下[27—28]：

SD=N/S

SA=1/4 × 3.14 ×SL×SW

PCI =SL2×SD× 10-4

式中,N為單個(gè)視野內(nèi)的氣孔個(gè)數(shù)；S為單個(gè)視野面積。

1.2.4葉片解剖結(jié)構(gòu)測量

采用常規(guī)石蠟切片制片法[29]。將固定好的葉片經(jīng)過一系列酒精脫水、二甲苯透明、浸蠟并包埋,再用旋轉(zhuǎn)切片機(jī)切片(厚度8—10 μm),用番紅—固綠雙重染色法進(jìn)行染色,中性樹膠封片。在OLYMPUS CX21光學(xué)顯微鏡及圖像分析軟件(Image Measuring Software Version 6.0)中測量各項(xiàng)解剖學(xué)指標(biāo),包括葉片厚度(LT, μm)、上角質(zhì)層厚度(UCT, μm)、下角質(zhì)層厚度(LCT, μm)、上表皮厚度(UET, μm)、下表皮厚度(LET, μm)、柵欄組織厚度(PTT, μm)、海綿組織厚度(STT, μm)、主脈厚度(MVT, μm)8項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)合以上測量結(jié)果計(jì)算葉片柵欄系數(shù)(CP)、葉片緊密度(CTR)、葉片疏松度(SR),公式如下[30]：

CP=PTT/STT

CTR=PTT/LT

SR=STT/LT

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.3.1氣象數(shù)據(jù)采集

氣象數(shù)據(jù)采集自各采樣地附近的自動(dòng)觀測儀器,觀測要素主要包括空氣溫度(Ta)、光合有效輻射(PAR)、降水量(P)等,每30 min輸出一次平均數(shù)據(jù)。由于儀器故障和環(huán)境條件限制,未能獲取全部的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)(如PAR和P的觀測數(shù)據(jù)不全),但仍有部分可利用。本研究選取2018年生長季中8月的Ta、PAR和P這3個(gè)氣象因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析其隨海拔高度的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)氣溫隨海拔高度的上升呈明顯的直線降低趨勢(0.52℃/100 m),其中3400 m的溫度為11.4℃,而4200 m的氣溫已降至為7.4℃。而獲取的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示,隨海拔的升高,輻射稍有增加,降水略有減少,但各海拔高度之間的變化差異不顯著。

1.3.2數(shù)據(jù)分析

本研究采用Excel軟件計(jì)算數(shù)據(jù)及繪制圖表。采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)、Pearson相關(guān)性分析和線性回歸分析。差異顯著性分析采用Duncan′s檢驗(yàn)法,并設(shè)置P<0.05時(shí)為差異顯著；相關(guān)性分析用雙側(cè)檢驗(yàn),并設(shè)置P<0.01時(shí)為差異極顯著。

1.3.3可塑性指數(shù)(PI)計(jì)算

根據(jù)Valladares等[31],對于種群間差異顯著的葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo),計(jì)算可塑性指數(shù)(PI),公式如下：

PI=1-x/X

式中,x為各種群中的最小平均值；X為各種群中的最大平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片外部形態(tài)沿海拔梯度的變化

隨海拔的升高,矮火絨草葉長的變動(dòng)較大,葉寬、葉面積和葉周長均呈先升高后降低的趨勢,峰值均出現(xiàn)在海拔3600 m,且顯著高于其他海拔高度(P<0.05),比葉面積整體呈顯著降低趨勢,而葉長寬比、比葉重和葉干物質(zhì)含量整體呈顯著升高趨勢(表2)。

由表3可知,矮火絨草變異系數(shù)最大的3個(gè)外部形態(tài)性狀分別是葉面積、葉寬和葉周長。其中葉面積平均值為1.01 cm2,變化范圍為0.18—4.68 cm2,變異系數(shù)為0.90；葉寬的平均值為0.44 cm,變化范圍為0.16—1.12 cm,變異系數(shù)為0.55；葉周長的平均值為8.28 cm,變化范圍為3.48—18.81 cm,變異系數(shù)為0.41。而葉長、葉長寬比、比葉面積、比葉重和葉干物質(zhì)含量的變異系數(shù)分別是0.35、0.36、0.37、0.34、0.31(表3)。

其中,葉寬與海拔高度存在顯著的負(fù)相關(guān)(r=-0.466,P<0.05),葉長寬比和葉干物質(zhì)含量分別與海拔高度存在顯著(r=0.487,P<0.05)和極顯著(r=0.664,P<0.01)的正相關(guān)。

表2 不同海拔矮火絨草葉片外部形態(tài)的比較

表3 矮火絨草葉片外部形態(tài)性狀的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 葉片表皮特征沿海拔梯度的變化

矮火絨草的表皮氣孔特征隨海拔梯度的變化趨勢如圖1所示。葉片上表皮氣孔密度隨海拔升高呈增加趨勢,但各海拔之間差異并不顯著,而上表皮氣孔器面積和潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)均隨海拔升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,且海拔3600 m的值顯著高于其它各高度；對于下表皮來說,氣孔密度呈現(xiàn)先增加后降低的變化,且海拔4000 m的值顯著高于其它各高度,而氣孔器面積和潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)均隨海拔升高呈下降的趨勢。除上表皮氣孔密度、潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)以及下表皮氣孔密度以外,其余氣孔特征均與海拔高度存在極顯著(P<0.01)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。

由圖2可知,上表皮的氣孔器面積和氣孔密度之間沒有顯著的相關(guān)性,但二者在下表皮存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。而氣孔器長度和氣孔器寬度、潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)和氣孔密度、潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)與氣孔器面積無論是在上、下表皮之間都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖1 矮火絨草葉片氣孔特征隨海拔的變化Fig.1 Variations of stomatal characteristics of Leontopodium nanum with altitude柱上不同的小寫字母表示在0.05水平下差異顯著

表4 矮火絨草葉片氣孔特征指標(biāo)與海拔梯度的相關(guān)性

圖2 矮火絨草葉片各氣孔特征之間的關(guān)系Fig.2 Relationships among stomatal characteristics of Leontopodium nanum只列出顯著的回歸關(guān)系(P<0.05)

2.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)沿海拔梯度的變化及可塑性、相關(guān)性分析

通過對葉片解剖結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn),矮火絨草葉片表面有表皮毛結(jié)構(gòu)且為異面葉,葉肉組織有柵欄組織和海綿組織的分化。

隨海拔的升高,矮火絨草的葉片厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度整體均呈增加趨勢；柵欄系數(shù)呈上升趨勢,在3600 m顯著低于其它4個(gè)海拔高度；葉片主脈厚度則呈顯著下降趨勢。葉片上、下表皮厚度的變化趨勢相同,均隨海拔升高先下降,又在4200 m時(shí)顯著升高；上、下角質(zhì)層厚度也具有同樣的變化趨勢,均隨海拔升高波動(dòng)幅度較大,呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢。另外,葉片緊密度也隨海拔升高波動(dòng)幅度較大,而葉片疏松度呈先下降后上升的趨勢,在海拔3800、4000 m時(shí)顯著低于其他海拔高度(圖3)。

圖3 矮火絨草葉片解剖結(jié)構(gòu)隨海拔梯度的變化趨勢Fig.3 Variation trend of anatomical structures of Leontopodium nanum with altitude changing柱上不同的小寫字母表示在0.05水平下差異顯著

其中,矮火絨草的葉片厚度和柵欄組織厚度與海拔高度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān),海綿組織厚度和柵欄系數(shù)與海拔高度呈顯著(P<0.05)正相關(guān)；而上、下角質(zhì)層厚度與海拔高度呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān),主脈厚度與海拔高度呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)(表5)。

表5 矮火絨草葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與海拔梯度的相關(guān)性和解剖結(jié)構(gòu)的可塑性指數(shù)

由矮火絨草葉片的各項(xiàng)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的可塑性指數(shù)發(fā)現(xiàn)(表5),所有數(shù)值介于0.21—0.48之間。其中,上、下角質(zhì)層厚度的可塑性指數(shù)最大,均為0.48；葉片疏松度的可塑性指數(shù)最小,為0.21。

另外,對矮火絨草葉片的各項(xiàng)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)除了主脈厚度、上、下角質(zhì)層厚度和上、下表皮厚度與一些解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)沒有顯著相關(guān)性,其余大部分解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間存在極顯著(P<0.01)的相關(guān)性(表6)。

3 討論

3.1 葉片外部形態(tài)對海拔變化的響應(yīng)

本研究中,矮火絨草的葉面積、葉寬、葉周長等外部形態(tài)性狀的變異系數(shù)較大,說明與葉片大小、形狀相關(guān)的性狀對于環(huán)境的變化比較敏感。隨海拔的升高,雖然葉面積呈先增加后下降的趨勢,但總體上葉片呈變小、變狹長的趨勢,這與許多研究結(jié)果一致[9, 11,30]。隨海拔的升高,采樣地溫度呈明顯的降低趨勢,較小的葉面積能夠降低呼吸與蒸騰帶來的消耗,還能在環(huán)境惡劣的高海拔地區(qū)中有效減小與空氣的接觸面積,避免意外損傷[32]；同時(shí)在低溫環(huán)境下狹長的葉形能夠增加葉片邊緣長度從而增加葉片邊界層的阻力,以降低熱量損失[33]。

表6 矮火絨草葉片解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析

植物比葉面積、比葉重和葉干物質(zhì)含量都與環(huán)境要素變化密切相關(guān),因?yàn)槠浯碇参锢铆h(huán)境資源及保存養(yǎng)分的能力,反映植物所采取的生活史策略[34]。向琳等[35]研究發(fā)現(xiàn)鹿角杜鵑(Rhododendronlatoucheae)的比葉面積隨井岡山海拔升高而減小,葉干物質(zhì)含量則增加,Paridari等[36]發(fā)現(xiàn)高海拔低溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致歐洲鵝耳櫪(Carpinusbetulus)有較大的比葉重,這都與本研究結(jié)果相似。隨海拔的升高,矮火絨草的比葉面積減小、比葉重和葉干物質(zhì)含量增加,主要是為了適應(yīng)低溫環(huán)境：一方面,植物為了抵御寒冷會(huì)減小葉面積[37]；另一方面,土壤溫度較低會(huì)影響植物根系吸水,使植物受到水分脅迫,而較小的比葉面積可以減少水分的散失[38]?？偠灾?較小的比葉面積和較大的比葉重說明植物在資源匱乏、環(huán)境較惡劣的環(huán)境中將大部分物質(zhì)用于構(gòu)建保衛(wèi)結(jié)構(gòu)從而使自身有更長的生存壽命[39]。除此之外,較大的比葉重和葉干物質(zhì)含量說明植物葉片支撐與防御的功能越強(qiáng)、葉片更堅(jiān)韌[40],進(jìn)而有利于植物在高海拔地區(qū)的存活。

3.2 葉片表皮特征對海拔變化的響應(yīng)

有學(xué)者探究了氣孔性狀對海拔高度變化的響應(yīng),但所得到的結(jié)果有所不同[41—42],這可能是因?yàn)橹参镒陨硖卣饔兴町惽矣绊憵饪仔誀畹沫h(huán)境因素較為復(fù)雜。本研究中矮火絨草下表皮氣孔密度多于上表皮,能夠保證矮火絨草在高原環(huán)境中與外界進(jìn)行氣體交換并減少水分蒸騰[43],而王燕紅等[44]對多種禾本科(Poaceae)梯牧草屬(Phleum)及其近緣屬植物的葉片表皮特征研究結(jié)果相反,其原因可能是單子葉植物與雙子葉植物的組織結(jié)構(gòu)有所差異且各自所處的生境不同。隨海拔的升高,矮火絨草上表皮氣孔密度沒有發(fā)生顯著變化,而下表皮氣孔密度呈先增加后下降的趨勢。Xu和Zhou[45]認(rèn)為適度的水分脅迫會(huì)使氣孔密度增加,而進(jìn)一步嚴(yán)重的水分脅迫則會(huì)通過抑制保衛(wèi)細(xì)胞的分裂降低氣孔密度。本研究中隨海拔升高,采樣地的溫度逐漸降低,因此矮火絨草會(huì)受到因降溫引起的生理性干旱脅迫[46],且程度隨海拔升高不斷加重,導(dǎo)致不同海拔高度植物的氣孔數(shù)量有所差異,這對本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有了合理的解釋。

本研究中,矮火絨草的上表皮氣孔器面積隨海拔升高呈先增加后降低的趨勢；而下表皮氣孔器面積隨海拔升高呈顯著下降趨勢,且與氣孔密度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明葉片氣孔密度增加時(shí)會(huì)相應(yīng)減小氣孔面積,小的氣孔能更快對環(huán)境變化做出反應(yīng),靈活調(diào)節(jié)氣孔開度[47]。除此之外,本研究還發(fā)現(xiàn)矮火絨草葉片上、下表皮的潛在氣孔導(dǎo)度指數(shù)隨海拔升高的變化趨勢與其氣孔器面積的變化趨勢相似,且與氣孔密度和氣孔器面積均有顯著正相關(guān)關(guān)系,意味著氣孔導(dǎo)度是由氣孔密度和氣孔大小共同決定的[48]。上、下表皮的氣孔器長度與寬度也存在顯著正相關(guān)關(guān)系,這在其它研究中也有報(bào)道[49],說明植物在適應(yīng)環(huán)境過程中各氣孔特征之間聯(lián)系緊密。

3.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)對海拔變化的響應(yīng)

本研究結(jié)果表明矮火絨草的葉厚、柵欄組織厚度和海綿組織厚度隨海拔升高呈顯著增厚的趨勢,這與郭文文等[50]的研究結(jié)果一致。海拔高度變化對上述解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的主要影響可能表現(xiàn)在以下幾方面：首先,高寒植物在低溫環(huán)境中生長,且溫度隨海拔升高呈明顯的降低趨勢,至4200 m采樣地的8月平均氣溫僅為7.4℃,遠(yuǎn)低于同緯度的其它平原地區(qū),而較厚的葉片有利于植物積累熱量,增強(qiáng)保溫作用[50]；其次,通常隨海拔的升高,植物接受的輻射增強(qiáng)[10],較厚的柵欄組織既能保護(hù)葉肉細(xì)胞不受強(qiáng)輻射的傷害,又能保證較高的光合作用效率[51]；同時(shí),增厚的葉片可以防止過度蒸騰,提高水分利用效率[52]；另外,風(fēng)速隨海拔升高通常呈增大趨勢,而小而厚的葉片還可以降低高海拔地區(qū)的風(fēng)力損傷[53]。綜上所述,矮火絨草葉片增厚是適應(yīng)高海拔地區(qū)低溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境的綜合表現(xiàn)。除此之外,矮火絨草的柵欄系數(shù)隨海拔升高而顯著增大,對于植物來說,柵欄系數(shù)是一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)參數(shù),該值越大,說明植物的凈光合作用速率越大[54]。

高原草本植物的角質(zhì)層和表皮細(xì)胞均較厚,能起到隔熱、保水、抗機(jī)械損傷等功能,是植物對低溫、強(qiáng)輻射以及生理干旱環(huán)境的適應(yīng)[55]。本研究中,隨海拔的升高,矮火絨草的上、下表皮厚度及上、下角質(zhì)層厚度都發(fā)生顯著變化,但沒有規(guī)律性。而段喜華等[56]和姜永雷等[57]的研究結(jié)果顯示植物角質(zhì)層和表皮厚度隨海拔的升高會(huì)顯著增厚。這一方面可能由于研究區(qū)域的環(huán)境與海拔梯度有所差異,另一方面可能是所選植物的不同導(dǎo)致其適應(yīng)環(huán)境變化的方式有所差異。

葉脈能夠主導(dǎo)水分在葉片中的傳輸、散失和保持,是維持葉片水分平衡的主要結(jié)構(gòu),對于水分限制非常敏感。Wang等[41]就指出隨海拔升高,干旱脅迫會(huì)使葉脈密度降低,寇萌等[58]也發(fā)現(xiàn)單子葉植物會(huì)通過增大葉脈直徑來提高水分運(yùn)輸能力,說明葉脈直徑可以作為研究植物適應(yīng)干旱環(huán)境的重要指標(biāo)。本文研究結(jié)果顯示,矮火絨草主脈厚度隨海拔的升高呈下降趨勢,這與王元元等[30]對玉龍雪山草血竭(Polygonumpaleaceum)的研究結(jié)果相反,其原因可能是不同植物對高海拔不同生境的適應(yīng)方式不同。本研究中高海拔地區(qū)溫度較低,低溫會(huì)通過降低植物的酶活性和吸水運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致植物的生理干旱,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為植物的缺水脅迫問題,因此矮火絨草會(huì)演化出一些能夠阻止水分散失的結(jié)構(gòu)來適應(yīng)缺水脅迫,如傾向于選擇更小的主脈直徑[59]。Wang等[41]還指出葉脈的發(fā)育與光合作用效率和激素水平有關(guān),Scoffoni等[60]也發(fā)現(xiàn)植物葉脈密度還會(huì)受到光照強(qiáng)度的影響,因此后期關(guān)于主脈厚度對海拔高度變化的響應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。

表型可塑性是指植物根據(jù)外界環(huán)境的變化通過改變自身性狀來調(diào)節(jié)性能的能力,與其適應(yīng)環(huán)境的能力密切相關(guān)[61]。Markesteijn等[62]指出表現(xiàn)出最大可塑性的葉片性狀對生長在不同環(huán)境中的植物的葉片功能起到非常重要的作用。本文中矮火絨草葉片解剖結(jié)構(gòu)中上、下角質(zhì)層厚度的可塑性指數(shù)最大,說明角質(zhì)層厚度會(huì)影響植物對氣候變化的適應(yīng)性。冷龍嶺矮火絨草可以通過改變角質(zhì)層的厚度來適應(yīng)高海拔地區(qū)低溫、強(qiáng)輻射的環(huán)境,使該物種具有更寬的生態(tài)幅,能在高山環(huán)境下廣泛分布。

另外,本研究結(jié)果還表明,雖然矮火絨草各解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)隨海拔高度的變化有所不同,但大部分解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間存在極顯著的相關(guān)性。由于功能的相似,任何植物對環(huán)境的適應(yīng)并不是獨(dú)立的一個(gè)性狀發(fā)生改變,而是通過各種各樣的性狀組合共同來適應(yīng)不斷變化的氣候環(huán)境[63]。例如葉片厚度與葉片表皮厚度、葉脈之間會(huì)存在一定的關(guān)聯(lián),反映了這些性狀在維持植物水分平衡方面都起到了一定的作用[64]。由此可知,矮火絨草葉片的部分解剖結(jié)構(gòu)之間存在關(guān)聯(lián)性,當(dāng)一種指標(biāo)增大或減小時(shí),另外的指標(biāo)也會(huì)隨之發(fā)生改變。這種協(xié)同關(guān)聯(lián)或者權(quán)衡關(guān)系能幫助植物適應(yīng)高山惡劣的環(huán)境,是一種生存策略的表現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過對青藏高原冷龍嶺3400—4200 m之間5個(gè)不同海拔高度的矮火絨草葉片外部形態(tài)、表皮氣孔特征和解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量分析。隨海拔高度的升高,矮火絨草的葉片整體表現(xiàn)出“小而厚”的趨勢,且整體上葉片性狀之間存在相互聯(lián)系和協(xié)同變化。說明矮火絨草主要采取了減小葉面積和增加葉厚度的對策,幫助自身抵御寒冷、提高水分利用效率,并將捕獲的資源最大化地投入到植物生長發(fā)育中,從而延長壽命,有利于在寒冷的高山生境中存活。