不同海拔條件下丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)變化分析

武雄雄，冷迎慧，劉星杉，王振輝，鄧國書，徐明行，段瑞君*

(1.青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省貴德縣林業(yè)站，青海 貴德 811700；3.青海省烏蘭縣林業(yè)和草原站，青海 烏蘭 817199；4.中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650)

丁香屬于丁香屬(SyringaLinn.)植物，是溫帶樹種，中國北部和西南地區(qū)是該植物的自然分布中心，其中，物種多樣性最豐富的地區(qū)在東北、華北、秦嶺以北和西南橫斷山區(qū)[1]。青海省西寧市地處“地球第三極”青藏高原東北部，海拔2 200 m左右，屬高原大陸性氣候，氣溫低、降雨少且密集[2]，其寒冷干旱氣候極適于丁香種植，因此，在1985年丁香被選為西寧市市花[3]。山東省濟(jì)南市地處華北平原，海拔223 m左右，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，是丁香的產(chǎn)區(qū)之一。

植物葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)作為植物葉片與環(huán)境直接接觸的最外層，對(duì)氣候的變化十分敏感[4]。為適應(yīng)不同的氣候條件，植物葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)進(jìn)化出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制，以幫助植物在低溫、干旱和高紫外線輻射等逆境環(huán)境以及極端環(huán)境下的生存[5]。黃玲等[6]研究證實(shí)小麥的抗旱節(jié)水性(水分利用效率)及產(chǎn)量與其角質(zhì)層蠟質(zhì)含量及表型有關(guān)。郭彥軍等[7-8]用PEG滲透模擬干旱脅迫的方法對(duì)苜蓿在水分脅迫下葉表皮蠟質(zhì)的變化進(jìn)行分析，初步揭示了水分因子對(duì)苜蓿葉表皮蠟質(zhì)的影響機(jī)制。宮慧芳[9]認(rèn)為小麥和水稻通過增加葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)含量，限制非氣孔水分散失以適應(yīng)干旱環(huán)境。崔琦[10]的研究表明，西瓜葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)含量顯著增加，蠟質(zhì)晶體增多響應(yīng)干旱脅迫。以上均是對(duì)植物改變?nèi)~片角質(zhì)層蠟質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組分和含量來應(yīng)對(duì)生長環(huán)境多因子變化的研究，本文為探明不同海拔條件下丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的變化，以高海拔地區(qū)(西寧)與低海拔地區(qū)(濟(jì)南)的暴馬丁香(Syringaamurensis)和紫丁香(Syringaoblata)為研究對(duì)象，對(duì)其葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的組分、含量和形態(tài)的變化進(jìn)行研究，以期為丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)與海拔因子的相關(guān)性影響積累基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以高海拔地區(qū)(西寧)和低海拔地區(qū)(濟(jì)南)具有代表性的暴馬丁香和紫丁香為試驗(yàn)材料，2017年7月選擇樹高、胸徑相同且生長發(fā)育比較接近的健康植株，選擇植株上部第3片展開葉，剪取距中間葉脈0.1 cm處的葉片為樣品。

表1采樣地點(diǎn)自然條件

1.2 試驗(yàn)方法

(1)丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的提取。從樣品上剪取5片靠近主葉脈處的1cm×1cm葉片，用10 mL正己烷(色譜純，北京天根生物技術(shù)有限公司)浸潤30 s收集蠟質(zhì)，氮吹后加入80 μl BSTFA(色譜純，北京天根生物技術(shù)有限公司)100 ℃衍生20 min，再經(jīng)氮吹后，溶于20 μl正己烷。

(2)丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分和含量分析。采用三重四極桿氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS TSQP 8000 EVO)測(cè)定丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分與含量，三次重復(fù)。離子源條件為E1源，離子源溫度250 ℃，MS傳輸管溫度290 ℃，進(jìn)樣口溫度260 ℃，掃描方式為full scan，掃描范圍50～650 M/Z。氣相升溫程序：初溫80 ℃，保持1 min；每分鐘15 ℃升溫到260 ℃，保持10 min；每分鐘5 ℃升溫到290 ℃，保持20 min?；贔ID峰值來定量蠟質(zhì)，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)物(C16烷)濃度計(jì)算丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分含量(μg/cm2)。

(3)丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)形態(tài)觀察。取樣品葉脈中部的葉片，剪成長寬約0.5 cm的小片，將葉片黏在電鏡樣品臺(tái)上，干燥后進(jìn)行離子濺射鍍金膜，鍍金后的材料采用掃描電子顯微鏡(JSM-6610LV，日本電子公司)進(jìn)行形態(tài)觀察。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔地區(qū)暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分比較

通過對(duì)暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分進(jìn)行GC-MS分析表明，不同海拔地區(qū)暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分存在差異(表2)。暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)中含有37種已知化學(xué)結(jié)構(gòu)的化合物，其中22種烴類，包括20種烷烴(C11H24、C12H26、C13H28、C14H30、C15H32、C16H34、C17H36、C18H38、C19H40、C20H4、C21H44、C23H48、C24H50、C25H52、C26H54、C27H56、C28H58、C31H64、C34H70、C44H90)，烯烴(C35H70)和芳環(huán)烴(C16H18)各1種；11種醇類，其中脂肪醇有8種(C12H26O、C15H32O、C16H34O、C17H36O、C19H34O2、C19H36O、C20H42O、C37H76O)，3種脂環(huán)醇(C30H52O、C30H52O2、C30H50O6)，2種酯類(C17H32O2、C29H58O2)，2種酚類物質(zhì)(C14H22O、C15H24O)。紫丁香的葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)中含有21種已知化學(xué)結(jié)構(gòu)的化合物，包含有10種烴類，其中烷烴8種(C11H24、C12H26、C16H34、C20H4、C23H48、C24H50、C28H58、C34H70)，烯烴(C35H70)和芳環(huán)烴(C16H18)各1種；8種醇類，其中脂肪醇有5種(C17H36O、C19H34O2、C19H36O、C20H42O、C37H76O)，脂環(huán)醇3種(C30H52O、C30H52O2、C30H50O6)；2種酯類，不飽和酯(C17H32O2)和飽和酯(C29H58O2)各1種，酚類物質(zhì)只有1種(C15H24O)。因此，暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分較紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分更為復(fù)雜。

表2丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分比較

表2(續(xù))

表3為丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的定性分析結(jié)果，從表中可以看出，丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)組分中烷烴所占比例最大，在西寧和濟(jì)南的紫丁香、暴馬丁香中其相對(duì)含量分別達(dá)到78.30%、82.59%、72.37%和80.92%，其余成分如酚、酯、醇和其他相對(duì)含量所占比例較小(0.37%～23.44%)；>20C烷烴占總烷烴的較大部分，在西寧和濟(jì)南的紫丁香、暴馬丁香中其相對(duì)含量分別為61.94%、57.38%、63.84%、58.83%。

表3丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)相對(duì)含量對(duì)比

2.2 不同海拔地區(qū)暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)各組分含量比較

對(duì)不同海拔地區(qū)的暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)含量進(jìn)行定量分析比較，結(jié)果表明，隨著海拔升高，暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)總量、烷烴和酚類呈下降趨勢(shì)，分別從11.30、9.36、0.18 μg/cm2減少到7.33、5.30、0.12 μg/cm2，而酯類和醇類呈增加趨勢(shì)，分別從0.17、0.07 μg/cm2增加到0.18、0.13 μg/cm2；紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)總量、烷烴和酯類呈下降趨勢(shì)，分別從12.6、10.4、0.26 μg/cm2減少到9.22、7.21、0.18 μg/cm2,酚類和醇類呈增加趨勢(shì)，分別從0.10、0.15 μg/cm2增加到0.46、0.18 μg/cm2(圖1)。

t檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在95%置信區(qū)間上，高海拔地區(qū)(西寧)相對(duì)于低海拔地區(qū)(濟(jì)南)，暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)C25H52含量從0.54 μg/cm2顯著減少到0.05 μg/cm2(P<0.05)，C44H90含量從0.26 μg/cm2顯著增加到1.47 μg/cm2(P<0.05)。紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)醇類總含量(P<0.05)和酚類總含量顯著增加(P<0.05)。

圖1 丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)總量及各組分含量Fig.1 Total amount of wax in the cuticle of Syringa leaves and the amount of each component

2.3 不同海拔地區(qū)暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)形態(tài)比較

由圖2可知，隨著海拔和氣候條件的變化，暴馬丁香和紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的形態(tài)均發(fā)生明顯變化。

圖2 不同海拔地區(qū)丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)形態(tài)Fig.2 Morphology of wax in the cuticle of Syringa leaves at different altitudes

高海拔地區(qū)(西寧)的紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體形狀為較大的不規(guī)則顆粒狀，多數(shù)堆疊在一起，密度較大，分布較均勻；低海拔地區(qū)(濟(jì)南)的紫丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體形狀為小而細(xì)碎的不規(guī)則顆粒狀，堆積晶體極少，分布稀疏不均，密度較小，。

高海拔地區(qū)(西寧)的暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體形狀為較大的不規(guī)則塊狀，多數(shù)晶體單個(gè)分布，大小均勻；低海拔地區(qū)(濟(jì)南)的暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體形狀多為薄而細(xì)碎的顆粒狀，少數(shù)為啞鈴狀、桿狀，晶體形狀較大的數(shù)量較少，分布稀疏不均且密度較小。

3 討論與結(jié)論

(1)本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，紫丁香和暴馬丁香采用了不同的適應(yīng)機(jī)制以適應(yīng)高海拔的環(huán)境。紫丁香通過增加葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的酚類和醇類來適應(yīng)高海拔地區(qū)寒冷干旱的環(huán)境，酚類從0.10 μg/cm2增加到0.46 μg/cm2，醇類從0.15 μg/cm2增加到0.18 μg/cm2，這與Guo等[11]在研究菊科植物改變其葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)醇類的含量以適應(yīng)不同海拔環(huán)境脅迫的結(jié)果一致。此外，高海拔對(duì)暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)C25H52含量和C44H90含量產(chǎn)生了顯著影響，C25H52含量從0.54 μg/cm2減少到0.05 μg/cm2，而C44H90含量從0.26 μg/cm2增加到1.47 μg/cm2，這證實(shí)了Dodd等[12]認(rèn)為在低海拔和高海拔地區(qū)，烷烴鏈平均長度的增加可能是由于在低海拔地區(qū)的夏季高溫和高海拔地區(qū)的冰凍導(dǎo)致生理干旱，從而使角質(zhì)層滲透性最小化的適應(yīng)性結(jié)果的結(jié)論。

(2)掃描電鏡結(jié)果表明，隨著海拔和氣候條件的變化，紫丁香和暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的形態(tài)均發(fā)生明顯的變化，葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)更加緊密甚至發(fā)生熔融，以擴(kuò)大其葉表覆蓋面積來適應(yīng)強(qiáng)紫外線輻射及干旱的高海拔環(huán)境。高海拔地區(qū)(西寧)的紫丁香和暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體較大且分布均勻，低海拔地區(qū)(濟(jì)南)的紫丁香和暴馬丁香葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)晶體較小且細(xì)碎，堆積晶體極少；同一海拔、氣候區(qū)域的紫丁香和暴馬丁香晶體形態(tài)密度較為相似，尤其在低海拔地區(qū)。這與郭彥軍等[13]在研究苜?？浦参飼r(shí)發(fā)現(xiàn)的植物通過改變表皮蠟質(zhì)層的密集覆蓋，嚴(yán)重阻礙植物內(nèi)部水分的蒸發(fā)，從而適應(yīng)高海拔寒冷干旱環(huán)境結(jié)果一致。