姜永雷 +鄧?yán)蛱m +黃曉霞
摘要:采用生態(tài)解剖學(xué)方法,分析滇西北玉龍雪山自然保護(hù)區(qū)不同海拔(2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m)梯度內(nèi)川滇高山櫟葉片細(xì)胞解剖結(jié)構(gòu)特征,探討其對(duì)高山環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明:隨著海拔的升高,葉片總厚度、表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和柵欄組織厚度/海綿組織厚度的比值(P/S值)等均呈增大趨勢(shì);而柵欄細(xì)胞的長(zhǎng)徑、短徑等的變化呈降低趨勢(shì);葉片解剖結(jié)構(gòu)在不同海拔高度的這種差異表明,不同海拔梯度上復(fù)雜的環(huán)境條件限制了植物的生長(zhǎng)和分布;川滇高山櫟通過(guò)葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)組織發(fā)生的變化是在一定程度上適應(yīng)環(huán)境的表現(xiàn)。
關(guān)鍵詞:川滇高山櫟;葉片解剖;海拔;形態(tài)結(jié)構(gòu);適應(yīng)環(huán)境
中圖分類號(hào):Q944.56;S792.180.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2015)01-0195-04
收稿日期:2014-06-06
基金簡(jiǎn)介:國(guó)家自然科學(xué)青年基金(編號(hào):31100292);云南省省部級(jí)重點(diǎn)學(xué)科、省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及校實(shí)驗(yàn)室共享平臺(tái)資助;西南林業(yè)大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(編號(hào):11032)。
作者簡(jiǎn)介:姜永雷(1988—),男,河南周口人,碩士研究生,研究方向?yàn)閳@林植物。E-mail:10-29jyl@163.com。
通信作者:黃曉霞,博士,副教授,主要從事植物生理生態(tài)研究。E-mail:huangxx@swfu.edu.cn。環(huán)境因子對(duì)植物的分布有重要的影響,其中海拔對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、組織功能和葉片的解剖結(jié)構(gòu)等影響較顯著,是影響植物分布的重要生態(tài)因素之一[1-2]。海拔對(duì)植物分布的限制歸結(jié)于高海拔的自然環(huán)境因子,隨著海拔的上升,平均氣溫下降,大氣壓及CO2分壓降低,光強(qiáng)增強(qiáng),UV-B輻射增加等,這些因素對(duì)植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性都有重要的影響。此外,隨著海拔的升高,土壤養(yǎng)分、含水量也都能極大地影響高山植物的生長(zhǎng),導(dǎo)致植物葉片的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生差異。有研究認(rèn)為[3-4],植物葉片組織結(jié)構(gòu)的差異是對(duì)環(huán)境變化的一種響應(yīng),葉片是植物進(jìn)化過(guò)程中對(duì)環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大的器官,與植物的光合作用和呼吸作用有著密切的關(guān)系,環(huán)境因子如水分、溫度、光照等的變化常會(huì)導(dǎo)致葉的外部形態(tài)及厚度、表皮細(xì)胞及附屬物,葉肉柵欄組織、海綿組織、胞間隙、厚角組織和葉脈等形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)差異[5],這種差異與植物體的生態(tài)生理功能以及生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)[6-8]。不同海拔上植物葉片的組織結(jié)構(gòu)差異都是植物對(duì)海拔梯度變化的一個(gè)長(zhǎng)期的適應(yīng)過(guò)程。因此,通過(guò)研究葉片解剖結(jié)構(gòu)特征,分析其組織結(jié)構(gòu)在海拔梯度上的差異性,這對(duì)揭示植物的適生環(huán)境有重要意義,而且本土植物對(duì)不同海拔梯度下環(huán)境變化的長(zhǎng)期適應(yīng)形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[9],探討這些結(jié)構(gòu)特征與海拔之間的相互關(guān)系對(duì)認(rèn)識(shí)植物適應(yīng)生態(tài)環(huán)境變化有重要意義。
川滇高山櫟(Quercus aquifolioides)為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)多年生常綠木本植物,屬亞高山硬葉櫟林,是我國(guó)特有的木本植物,廣泛分布于川滇兩省,垂直分布幅度極寬,生態(tài)適應(yīng)幅度很大[10]。目前,對(duì)川滇高山櫟的研究主要集中在光合特性[11]、遺傳多樣性[12]和生理特性[13]方面,有關(guān)海拔對(duì)川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)特征影響的研究少見(jiàn)報(bào)道。本研究以生長(zhǎng)于滇西北玉龍雪山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的川滇高山櫟天然林為試驗(yàn)材料,通過(guò)在不同海拔生境下對(duì)川滇高山櫟葉片作解剖結(jié)構(gòu)特征比較分析,了解其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與環(huán)境因子之間的關(guān)系,比較不同海拔梯度下川滇高山櫟葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的響應(yīng),其研究結(jié)果為揭示亞高山植物對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制及預(yù)測(cè)植物對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)提供一定的理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1研究地概況
研究區(qū)位于滇西北亞高山玉龍雪山自然保護(hù)區(qū)內(nèi),其西北臨長(zhǎng)江石鼓第一灣和金沙江虎跳峽,東麓是海拔約3 km的干海子盆地,南面是麗江盆地。玉龍山體南北長(zhǎng)35 km、東西寬13 km,主山脊上有13座海拔5 km以上的高峰,主峰扇子陡海拔5 596 m,聳立于群峰之上,與南麓的雪嵩村(海拔為 2 700 m)的相對(duì)垂直高相差近3 km,而與西北部的金沙江虎跳峽相差約3 900 m[14]。巨大的海拔差異導(dǎo)致氣候條件不同,從而形成了不同的森林群落類型,呈現(xiàn)出明顯的山地垂直分布帶譜。在海拔2 750~2 900 m均有灌木的川滇高山櫟,成林集中在2 900~3 350 m。2 900 m為川滇高山櫟和云冷杉林帶的交錯(cuò)帶,交錯(cuò)帶以上形成東亞地區(qū)保存最完整的川滇高山櫟林帶,郁閉度在0. 4~0. 6之間,平均樹(shù)高 7~12 m,平均胸徑可達(dá)18~30 cm。海拔3 500 m是川滇高山櫟林在我國(guó)滇西北部分布的最高限。由于風(fēng)、雪等因素的影響,川滇高山櫟以斑塊狀鑲嵌于海拔高于3 500 m的高山苔原帶,并逐漸向上擴(kuò)展。隨著海拔的升高,玉龍雪山氣候變冷變濕,不適于很多樹(shù)種生長(zhǎng),使得川滇高山櫟林形成優(yōu)勢(shì),喬木除云杉冷杉、云南松和川滇高山櫟有分布外,很少有其他種類。
1.2研究材料
供試葉片為采自中國(guó)滇西北玉龍雪山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同海拔(2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m)梯度的川滇高山櫟葉片。根據(jù)玉龍雪山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)川滇高山櫟分布的特征,于2013年5月上旬在玉龍雪山(100°10′~100°20′E、27°10′~27°40′N)上采集川滇高山櫟葉片,設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m,每個(gè)采樣點(diǎn)選取若干株(n≥5)長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)、無(wú)病蟲(chóng)害、成熟的中樹(shù)(樹(shù)高5~12 m,胸徑7~12 cm),分別采集其葉片,采樣時(shí)間為09:30—11:30。取樣時(shí)在樹(shù)冠下部東、南、西、北4個(gè)方向采摘一年生枝上的成熟葉片,各個(gè)方位上取等量葉片,混勻。用 0.1 mol/L 磷酸緩沖液(pH值 6. 8)輕洗滌除去表面污物,再用FAA(50%乙醇 ∶38%甲醛 ∶99.5%冰醋酸=90 ∶5 ∶5)野外固定,立即固定并保存。樣品統(tǒng)一編號(hào),帶回西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定。
1.3研究方法
1.3.1切片制作和葉片解剖機(jī)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定切片的制作參考李芳蘭的方法[15];在光學(xué)顯微鏡(Nikon ECLIPSE Ti-S,LEICA DM 2000)下觀測(cè)葉片總厚度、葉表皮厚度、柵欄組織厚度、細(xì)胞層數(shù)、海綿組織厚度、柵欄組織細(xì)胞的長(zhǎng)短徑等7項(xiàng)指標(biāo),每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測(cè)5次,取其平均值。
1.3.2統(tǒng)計(jì)分析所有的數(shù)據(jù)分析都利用SPSS 11.5 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行一元方差分析(one-way ANOVA),分析海拔梯度上葉片解剖結(jié)構(gòu)特性參數(shù)差異,平均數(shù)間的多重比較采用Duncans檢驗(yàn)方法,P<0.05時(shí)差異顯著。
2結(jié)果與分析
2.1川滇高山櫟葉片的基本解剖結(jié)構(gòu)特征
川滇高山櫟葉片為異面葉,葉片全緣或有刺狀鋸齒,由圖1 可以看出,川滇高山櫟葉片平均厚度為(550.00±0.04)μm,背面有褐色的銹狀絨毛。主脈在葉下部凸起,呈不規(guī)則半圓形。在光學(xué)顯微鏡下,川滇高山櫟葉表面的角質(zhì)層變化不明顯;葉片上表皮由2~3層排列緊密的長(zhǎng)方形細(xì)胞組成,平均厚度為(32.20±2.76) μm;葉肉細(xì)胞中上表面的柵欄組織(P) 和近下表皮面的海綿組織(S)明顯分為兩部分,且其厚度比值約為2.14。其中,柵欄組織細(xì)胞呈柱狀,排列緊密,細(xì)胞層數(shù)變化較大,有1~3層,甚至4層,海綿組織細(xì)胞形狀和排列不規(guī)則,細(xì)胞間隙較大,平均厚度為(62.91±3.57) μm;葉片的下表皮也由1層大致呈長(zhǎng)方形的細(xì)胞組成,但是明顯小于上表皮細(xì)胞。
2.2川滇高山櫟葉片結(jié)構(gòu)特征在海拔梯度上的差異
由圖1、圖2可以看出,在6個(gè)海拔梯度上,葉片厚度隨海拔的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),最低海拔2 750 m和最高海拔3 500 m的葉片厚度與海拔3 200 m相比差異顯著,葉片厚度在海拔3 200 m附近達(dá)到最大,為(0.61±0.04) mm。總體來(lái)看,葉片上表皮厚度在(25.73±1.08)~(35.98±2.52) μm之間變化,隨海拔的升高呈增加趨勢(shì),且葉片上表皮在海拔 3 200 m 處顯著增厚。葉肉細(xì)胞中柵欄組織和海綿組織厚度的變化范圍在(129.61±13.02)~(157.45±3.67)、(5133±3.01)~(72.85±5.08) μm 之間,且隨海拔的升高呈現(xiàn)出相似的變化,總體上呈先升高后下降的趨勢(shì),這2種組織在海拔3 050 m處顯著增厚。柵欄組織與海綿組織的比值隨海拔的升高呈增加趨勢(shì),且在海拔超過(guò)2 900 m時(shí)顯著增加。
2.3川滇高山櫟柵欄組織在海拔梯度上的差異
由表1可以看出,川滇高山櫟柵欄組織細(xì)胞的長(zhǎng)徑和短徑隨海拔的升高呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì),但柵欄組織細(xì)胞的長(zhǎng)徑和短徑分別在海拔2 900、3 200 m處達(dá)到最大,柵欄組織
細(xì)胞短徑的變化不顯著,而柵欄組織長(zhǎng)徑在各個(gè)海拔之間變化顯著。柵欄組織細(xì)胞長(zhǎng)徑與短徑的比值隨著海拔梯度的變化呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),但是各個(gè)海拔之間差異不顯著。
表1川滇高山櫟葉片柵欄細(xì)胞組織隨海拔梯度的變化
采樣點(diǎn)海拔
(m)柵欄組織細(xì)胞
長(zhǎng)徑(μm)柵欄組織細(xì)胞
短徑(μm)長(zhǎng)徑/短徑的值2 75032.68±2.65a6.35±1.33a1.86±0.07a2 90057.44±2.38d8.01±0.87ab1.92±0.24a3 05044.47±5.55bc7.73±0.41ab2.15±0.17ab3 20041.69±3.35b8.52±2.28b2.19±0.38ab3 35047.68±1.42c8.03±1.31ab2.27±0.58ab3 50049.35±0.69c7.70±0.30ab2.45±0.21bP值0.000***0.357ns0.130ns注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
3結(jié)論與討論
海拔是一個(gè)重要的地形因子,各種環(huán)境因子如氣溫、氣壓在海拔梯度上也表現(xiàn)出梯度變化,例如,隨著海拔的升高,CO2分壓降低,光照強(qiáng)度則增加。由于復(fù)雜而多樣化的環(huán)境和微地形條件導(dǎo)致不同區(qū)域植物生活環(huán)境的多樣化,對(duì)植物的生理生態(tài)適應(yīng)產(chǎn)生了不同程度的影響[16]。葉片是植物進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的對(duì)環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大的器官,其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[17]。川滇高山櫟作為一種在玉龍雪山上分布十分廣泛的植物,其葉片解剖結(jié)構(gòu)在不同海拔梯度生態(tài)環(huán)境因子的影響下發(fā)生了相應(yīng)的適應(yīng)性變化。
在不同海拔的生態(tài)環(huán)境中,溫度和降水量隨海拔的變化而成為影響葉肉組織厚度的主要生態(tài)因子[18]。在本研究中,隨著海拔的升高,川滇高山櫟葉片毛、鱗片和葉片的厚度呈升高趨勢(shì)(圖1、圖2),這可能是植物對(duì)高海拔地區(qū)嚴(yán)酷的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),該結(jié)果在王國(guó)嚴(yán)等的研究[10]中有所報(bào)道。有研究認(rèn)為,植物的葉片毛、鱗片和葉片厚度對(duì)環(huán)境因子中的低溫、水分散失和紫外輻射有明顯的保護(hù)作用[7]。此外,在本研究中川滇高山櫟葉片上表皮由2層長(zhǎng)方形或方形細(xì)胞構(gòu)成,排列緊密,且隨著海拔高度的增加而顯著升高(圖1、圖2),下表皮由形狀不規(guī)則的1層細(xì)胞構(gòu)成,大量的報(bào)道認(rèn)為,這些結(jié)構(gòu)特征可有效地避免水分蒸騰和強(qiáng)輻射對(duì)葉肉組織的傷害[19-21],這可能是植物對(duì)不同海拔梯度上生態(tài)環(huán)境因子的長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。此外,不同海拔區(qū)域的溫度和干旱引起的脅迫限制了植物的生長(zhǎng)。在低海拔地段,干熱環(huán)境對(duì)植物脅迫比較嚴(yán)重,導(dǎo)致植物葉肉細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)受到抑制;而高海拔地段由于靠近玉龍雪山頂部的雪,其空氣濕度和降水量增加,但是溫度降低,環(huán)境中水熱狀況有所好轉(zhuǎn),這種水熱條件對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育有利,因此隨著海拔梯度的升高,川滇高山櫟葉片葉肉和葉片總厚度也相應(yīng)增加(圖1、圖2)。相似的結(jié)果在李芳蘭對(duì)四川黃櫨(Cotinus szechuanensis)葉片的生態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特征的研究[18]中也有所報(bào)道。
植物的光合作用主要在葉肉細(xì)胞中進(jìn)行,光合作用效率主要受葉肉細(xì)胞中的細(xì)胞層數(shù)、柵欄組織和海綿組織厚度、柵欄細(xì)胞的形態(tài)及其組成方式等影響[18]。川滇高山櫟葉片葉肉細(xì)胞顯著分化,柵欄組織發(fā)達(dá),常有2~3層,有的甚至有4層長(zhǎng)柱形柵欄細(xì)胞緊密排列(圖1、圖2)。這可能是對(duì)不同海拔梯度上各種環(huán)境因子的響應(yīng)。Esau等認(rèn)為,小而厚的葉片、發(fā)達(dá)的柵欄組織、長(zhǎng)柱形的柵欄細(xì)胞、排列緊密的海綿組織、厚的角質(zhì)膜、發(fā)達(dá)的表皮毛以及下皮層結(jié)構(gòu)等是對(duì)干燥(可能主要是空氣濕度) 或強(qiáng)光生境的適應(yīng)[22-23];薄的柵欄組織、疏松的海綿組織(大的胞間隙)、近方形的柵欄細(xì)胞和凸透形的表皮細(xì)胞是對(duì)較弱光照環(huán)境或中生、濕生環(huán)境的適應(yīng)[24]。另外,柵欄細(xì)胞長(zhǎng)徑和短徑與光照關(guān)系密切,柵欄細(xì)胞長(zhǎng)度隨海拔升高總體上先上升后下降,這可能是一種對(duì)高海拔的嚴(yán)酷環(huán)境因子的積極響應(yīng)。蔡永立等研究認(rèn)為,環(huán)境中的水分含量變化可以通過(guò)植物細(xì)胞中葉肉柵欄組織與海綿組織的分化程度反映出來(lái)[8,19]。植物在收到干旱等逆境脅迫時(shí),植物葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)上常表現(xiàn)為葉肉柵欄組織發(fā)達(dá)而海綿組織相對(duì)減少,進(jìn)而導(dǎo)致P/S的值發(fā)生相應(yīng)的變化。本研究發(fā)現(xiàn),川滇高山櫟葉肉細(xì)胞中的柵欄組織細(xì)胞層數(shù)在海拔梯度上無(wú)明顯變化,但其厚度隨著海拔升高呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì),而海綿組織與柵欄組織厚度的變化相似(圖1、圖2),但是下降幅度較大,因此P/S的值隨著海拔上升也呈增加趨勢(shì),這可能是由于川滇高山櫟葉肉細(xì)胞中柵欄組織對(duì)不同海拔梯度上生態(tài)環(huán)境的變化比較敏感。這與安黎哲等對(duì)高海拔地區(qū)生長(zhǎng)火絨草(Leontopodium leontopodiodes)[25]和李芳蘭等對(duì)白刺花(Sophora davidii)[18]等干旱河谷耐旱灌木的研究結(jié)果類似。此外,Cald認(rèn)為,植物通過(guò)增加葉肉細(xì)胞中柵欄組織的厚度來(lái)應(yīng)對(duì)高海拔地區(qū)短波輻射的增強(qiáng),進(jìn)而防止由于葉面溫度升高引起的組織灼傷[26]。這與本研究中高海拔的川滇高山櫟葉片內(nèi)柵欄細(xì)胞厚度較大的結(jié)果一致,但是與Chen等的研究結(jié)果[19-20]相反。他們?cè)趯?duì)胡楊等的研究中發(fā)現(xiàn),P/S的值隨著海拔的上升而減小。這一方面可能是因?yàn)橹参锼幍纳鷳B(tài)環(huán)境和選擇的海拔梯度不同;另外一方面可能是因?yàn)樗x擇的植物間遺傳特性有一定的差異或者植物對(duì)不同類型的環(huán)境變化的適應(yīng)方式可能存在較大的差異。
綜上所述,川滇高山櫟葉片的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)特征是多種生態(tài)因子長(zhǎng)期作用和積累的結(jié)果。隨著海拔的升高,川滇高山櫟受到的脅迫逐漸加重,但是通過(guò)葉片解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化能形成一定程度的生態(tài)適應(yīng),即隨著海拔上升,葉片厚度、葉肉柵欄組織厚度和P/S的值呈增加趨勢(shì),但是柵欄細(xì)胞的長(zhǎng)徑、短徑呈降低趨勢(shì)。在不同海拔高度,葉片解剖結(jié)構(gòu)的這種差異一方面表明不同海拔梯度上復(fù)雜的環(huán)境條件限制了植物的生長(zhǎng)和分布,另一方面體現(xiàn)了川滇高山櫟通過(guò)葉片解剖結(jié)構(gòu)組織發(fā)生不同程度的變化一定程度適應(yīng)環(huán)境的變化。
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