北蒼術(shù)葉片功能性狀種源變異及其對(duì)科爾沁沙地環(huán)境的響應(yīng)

李 凱,王 剛,王凌飛,楊恒山,2,郭 園,2,賈俊英,2*

(1 內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古通遼 028000;2 內(nèi)蒙古自治區(qū)高校中(蒙)藥材生態(tài)種植工程研究中心(培育),內(nèi)蒙古通遼 028000;3 奈曼旗藥材研究發(fā)展中心,內(nèi)蒙古通遼 028000)

植物在進(jìn)化過(guò)程中受到外界溫度、水分、光照等環(huán)境因素的長(zhǎng)期作用而影響其建成,逐步形成適應(yīng)環(huán)境的功能性狀,從而形成特定的種源特性[1]。不同的生長(zhǎng)環(huán)境導(dǎo)致植物的生理特征和遺傳結(jié)構(gòu)均發(fā)生不同程度的變異,這種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性變異在葉片功能性狀上表現(xiàn)得尤為明顯[2]。作為植物暴露在生活環(huán)境中面積最大的器官,葉片的外部形態(tài)特征、內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)等最能體現(xiàn)植物對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)性進(jìn)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(huán)境中,在長(zhǎng)期對(duì)環(huán)境適應(yīng)過(guò)程中,同種植物葉片的解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)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(xì)胞增厚,柵欄組織加厚,細(xì)胞層次增多,可使葉片光合能力增強(qiáng)[7-9]。通過(guò)同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)將不同生境的物種引種栽培在環(huán)境因素相對(duì)一致的種植基地,統(tǒng)一栽培管理,開展葉片形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、光合能力等方面研究,對(duì)闡明植物在不同生態(tài)環(huán)境下的適應(yīng)策略具有重要意義。北蒼術(shù)[Atractylodeschinensis(DC.) Koidz.]為菊科蒼術(shù)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(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)等方面具有重要的療效[10],在抗擊新型冠狀病毒過(guò)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(tǒng)藥材來(lái)源主要以采挖野生資源為主,致使蒼術(shù)蘊(yùn)藏量銳減,蒼術(shù)人工馴化栽培成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)與野生資源合理利用的必然途徑。優(yōu)質(zhì)種源是保障藥材高質(zhì)量生產(chǎn)的首要條件。

本試驗(yàn)在科爾沁沙地引種4 個(gè)種源地的北蒼術(shù),對(duì)其葉片解剖結(jié)構(gòu)特征及其光合能力進(jìn)行分析,探究不同種源北蒼術(shù)葉片形態(tài)、生理特性的差異,闡釋其對(duì)科爾沁沙地的響應(yīng)與適應(yīng)策略,旨在為北蒼術(shù)種植選擇優(yōu)良種源、適宜的種植環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古奈曼旗中(蒙)藥材科研基地(42°14′17″N,120°20′35″E)進(jìn)行。試驗(yàn)田土質(zhì)為沙壤土。試驗(yàn)區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫6.5 ℃,年平均降水量366 mm,無(wú)霜期平均150 d。試驗(yàn)材料引自4個(gè)北蒼術(shù)主產(chǎn)地主栽種源,地理位置和氣候條件見表1。

表1 試驗(yàn)材料來(lái)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(yàn)設(shè)計(jì)

從4個(gè)主產(chǎn)區(qū)種源地購(gòu)買北蒼術(shù)種子,統(tǒng)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(wàn)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(dāng)年生長(zhǎng)季內(nèi)分次追施尿素(N 46.4%)525 kg/hm2。于2021 年8 月中旬,采集北蒼術(shù)發(fā)育完備的葉片,觀測(cè)葉片形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)與葉表皮氣孔特征,測(cè)定光合能力。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

葉片外部形態(tài):觀察記錄葉型、葉序、葉裂程度、葉質(zhì)、葉緣、有無(wú)葉柄等特征。

葉片解剖結(jié)構(gòu):測(cè)定指標(biāo)包括上表皮細(xì)胞厚度、上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度、下表皮細(xì)胞厚度、下表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度、柵欄組織細(xì)胞層數(shù)、柵欄組織厚度、海綿組織細(xì)胞層數(shù)、海綿組織厚度、主脈直徑、主脈韌皮部面積、主脈木質(zhì)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(cè)微尺測(cè)量拍攝。所得數(shù)據(jù)為不同制片上5個(gè)視野的平均值,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

柵海比(P/S)=柵欄組織厚度/海綿組織厚度;組織結(jié)構(gòu)緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%;組織結(jié)構(gòu)疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度×100%;變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/算數(shù)平均值;可塑性指數(shù)=(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(dòng)。在田間取各處理北蒼術(shù)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(tǒng)計(jì)每個(gè)視野內(nèi)氣孔數(shù)量,并測(cè)定氣孔大小(每個(gè)視野為0.687 9 mm2)。

氣孔密度=氣孔數(shù)/面積;氣孔指數(shù)=100×氣孔數(shù)/(氣孔數(shù)+表皮細(xì)胞數(shù))。

光合參數(shù):選擇晴朗無(wú)云天氣,在上午9:00—12:00用美國(guó)LI-COR 公司產(chǎn)Li-6400光合儀對(duì)4個(gè)種源地北蒼術(shù)同一葉位葉片進(jìn)行光合參數(shù)測(cè)定。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 4個(gè)種源地北蒼術(shù)葉片形態(tài)特征

4個(gè)種源地北蒼術(shù)引種科爾沁沙地后葉序均為互生且均無(wú)葉柄。但其葉片形態(tài)差異明顯,葉形表現(xiàn)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(zhì)特性,喀喇沁旗種源地的表現(xiàn)為薄革質(zhì);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(shù)葉片形態(tài)特征Fig.1 Leaf morphology of A.chinensis(DC.) Koidz.from different provenances

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

2.2 4個(gè)種源地北蒼術(shù)葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

北蒼術(shù)葉橫切面解剖結(jié)構(gòu)包括表皮、葉肉和維管束(葉脈),見圖2和表3。葉片上表皮細(xì)胞近長(zhǎng)方形,排列整齊緊密,下表皮細(xì)胞較上表皮細(xì)胞小而不規(guī)則,細(xì)胞多數(shù)呈長(zhǎng)方形或矩圓形,表皮細(xì)胞外被角質(zhì)層。上表皮細(xì)胞與下表皮細(xì)胞厚度差異較大,上表皮細(xì)胞厚度范圍為7.43～29.86 μm,下表皮細(xì)胞厚度范圍為4.7～19.37 μm;葉肉由發(fā)達(dá)的柵欄組織和海綿組織構(gòu)成,柵欄組織由2～3層長(zhǎng)柱狀細(xì)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(xì)胞構(gòu)成,其厚度在122.49～249.19 μm 之間;中脈維管束木質(zhì)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(shù)葉片解剖特征A.葉肉結(jié)構(gòu);B.主脈結(jié)構(gòu);C.主脈及葉肉結(jié)構(gòu);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(zhì)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(shù)葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)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(shù)引種科爾沁沙地后其葉片上表皮細(xì)胞厚度、下表皮細(xì)胞厚度、上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層、柵欄組織、主脈韌皮部面積、主脈木質(zhì)部面積可塑性指數(shù)均較大,且葉片上表皮細(xì)胞厚度、下表皮細(xì)胞厚度變異系數(shù)與可塑性指數(shù)均較大,說(shuō)明葉表皮細(xì)胞厚度是衡量北蒼術(shù)適應(yīng)性的關(guān)鍵指標(biāo)。葉片主脈直徑、葉片厚度可塑性指數(shù)、變異系數(shù)均小,說(shuō)明其不易受環(huán)境異質(zhì)性影響。

結(jié)果(表4)表明,圍場(chǎng)縣種源地北蒼術(shù)葉片上表皮細(xì)胞厚度顯著高于其他3個(gè)種源地;扎魯特旗種源地北蒼術(shù)下表皮厚度顯著高于其他種源地;圍場(chǎng)縣、扎魯特旗種源地北蒼術(shù)葉片柵欄組織厚度、柵海比高于阿榮旗、喀喇沁旗種源地,達(dá)到顯著水平;上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度以圍場(chǎng)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(shù)主脈木質(zhì)部面積顯著高于其他3個(gè)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(chǎng)縣、喀喇沁旗種源地,也較低于扎魯特旗種源地,但差異未達(dá)到顯著水平。

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

2.3 4個(gè)種源地北蒼術(shù)葉表皮氣孔特征

北蒼術(shù)葉上表皮、下表皮均有氣孔分布,氣孔器由2個(gè)腎形保衛(wèi)細(xì)胞組成,氣孔器保衛(wèi)細(xì)胞與表皮細(xì)胞平齊或稍凹陷。按構(gòu)成氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞和表皮細(xì)胞的排列關(guān)系(氣孔軸式類型)分類,北蒼術(shù)葉表皮氣孔為不定式(圖3)。結(jié)果(表5)表明,北蒼術(shù)葉片上表皮氣孔數(shù)量較少,范圍為1.00～27.67個(gè),可塑性指數(shù)、變異系數(shù)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(shù)、變異系數(shù)均較大;氣孔指數(shù)可塑性指數(shù)大,但變異系數(shù)較小;北蒼術(shù)葉片上表皮細(xì)胞數(shù)量、氣孔長(zhǎng)度可塑性指數(shù)、變異系數(shù)均小,表明其與環(huán)境的適應(yīng)性相關(guān)性不大。北蒼術(shù)葉片下表皮氣孔數(shù)量、氣孔指數(shù)、氣孔密度可塑性指數(shù)較高,但變異系數(shù)小,表明從氣孔特征分析北蒼術(shù)的適應(yīng)環(huán)境能力,表皮細(xì)胞氣孔結(jié)構(gòu)影響較大。

圖3 北蒼術(shù)氣孔器結(jié)構(gòu)Fig.3 Stomatal structure of A.chinensis(DC.) Koidz.

表5 北蒼術(shù)氣孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)Table 5 Stomatal structure index of A.chinensis(DC.) Koid.

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

圖4 不同種源地北蒼術(shù)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(shù)葉片表皮氣孔結(jié)構(gòu)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(chǎng)縣北蒼術(shù)葉片凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度均顯著高于其他3個(gè)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(chǎng)縣、扎魯特旗北蒼術(shù)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(dǎo)度分別提高61.34%、5.25%。而胞間CO2濃度表現(xiàn)為喀喇沁旗和阿榮旗顯著高于其他2個(gè)種源地,圍場(chǎng)縣、扎魯特旗2個(gè)種源地間無(wú)顯著差異。

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

2.5 葉片結(jié)構(gòu)與光合能力相關(guān)性分析

通過(guò)Pearson相關(guān)性分析(表8)得出,北蒼術(shù)的凈光合速率與上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與柵欄組織厚度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05);氣孔導(dǎo)度與上表皮細(xì)胞厚度、上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與上表皮氣孔密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05);胞間二氧化碳濃度與上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01);蒸騰速率與上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),與上表皮細(xì)胞厚度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。

表8 葉片結(jié)構(gòu)與光合能力參數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients between leaf structures and photosynthetic capacities

3 討論

大量研究表明,植物長(zhǎng)期受種源地環(huán)境影響,導(dǎo)致其葉功能性狀產(chǎn)生遺傳分化[13-15]。在植物進(jìn)化過(guò)程中,葉片對(duì)環(huán)境脅迫最敏感,是可塑性較大的器官,在不同環(huán)境壓力下形成各種適應(yīng)類型,經(jīng)自然篩選后存活的植物,其葉片的解剖結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)在一定程度上能夠反映環(huán)境因子的影響或植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[16]。植物通過(guò)改變?nèi)~面積、葉厚等功能性狀在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的可塑性,提高植物對(duì)環(huán)境空間異質(zhì)性的適應(yīng)能力[17]。葉片的形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)發(fā)育受遺傳和環(huán)境條件(如:地理位置、生境條件和氣候特性等)共同調(diào)控[18-19],其形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的改變能夠反映植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)和適應(yīng)。本研究結(jié)果表明4個(gè)種源地北蒼術(shù)在科爾沁沙地同質(zhì)園環(huán)境中,葉片形態(tài)表現(xiàn)為扎魯特旗種源的下部葉裂葉程度較明顯;葉片均有革質(zhì)特性,喀喇沁旗種源的表現(xiàn)為薄革質(zhì);葉緣均有刺齒,喀喇沁旗、阿榮旗種源地為重刺齒。北蒼術(shù)為典型的異面葉,圍場(chǎng)縣和扎魯特旗種源地的北蒼術(shù)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(xì)胞厚度也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),表皮厚度越厚的葉片,其阻隔高溫、貯存水分、防機(jī)械損傷能力越強(qiáng);圍場(chǎng)縣、扎魯特旗的北蒼術(shù)葉片柵欄組織厚度也明顯較高,發(fā)達(dá)的柵欄組織可以有效儲(chǔ)存水分,柵欄組織的細(xì)胞排列越緊密,細(xì)胞間隙越少,葉片結(jié)構(gòu)緊密度就越大,增強(qiáng)北蒼術(shù)葉片保水性能,更好地適應(yīng)科爾沁沙地保水保肥能力差的環(huán)境。

植物葉片功能性狀不是獨(dú)立發(fā)揮作用,各性狀間存在一定的相關(guān)性[20],揭示各性狀間的關(guān)聯(lián)性,有助于了解植物生長(zhǎng)、生存策略。植物的光合作用不僅受外界環(huán)境影響,而且與自身葉片結(jié)構(gòu)特征緊密相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與葉片結(jié)構(gòu)間存在一定的關(guān)聯(lián)性。其中,凈光合速率與上表皮蠟質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度呈不同程度的正相關(guān)性,氣孔導(dǎo)度與上表皮細(xì)胞厚度、上表皮細(xì)胞蠟質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度、上表皮氣孔密度均呈顯著正相關(guān),說(shuō)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(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與凈光合速率的相關(guān)性研究結(jié)果較為一致。本研究結(jié)果表明扎魯特旗、圍場(chǎng)縣種源北蒼術(shù)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(gè)種源地,氣孔密度、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),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(chǎng)所,對(duì)提高凈光合速率起到關(guān)鍵作用,柵海比增大也有利于CO2在葉片中傳導(dǎo),同時(shí)降低氣孔限制對(duì)光合作用產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(guān)關(guān)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(shí)發(fā)現(xiàn)貴港種源柵欄組織最厚,光合速率最高,與本研究結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

北蒼術(shù)為典型的異面葉,同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)條件下,其葉片形態(tài)、結(jié)構(gòu)、氣孔分布、光合能力表現(xiàn)出種源差異;圍場(chǎng)縣和扎魯特旗種源地的北蒼術(shù)葉片厚度明顯高于其他2個(gè)種源地,且上下表皮細(xì)胞厚度也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),柵欄組織厚度明顯較高,葉片結(jié)構(gòu)緊密度較大;喀喇沁旗種源地的北蒼術(shù)氣孔數(shù)量、密度均較低,扎魯特旗種源地北蒼術(shù)葉片氣孔數(shù)量、氣孔指數(shù)均大于其他種源地,且光合能力顯著較高。圍場(chǎng)縣、扎魯特旗種源地的北蒼術(shù)對(duì)科爾沁沙地有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。