胡楊雌雄株葉片氣孔特征差異比較

劉一凡 馮俊鑫 王斌強 文嘉祿 張曉瑋

胡楊（Populus euphratica）是楊柳科（Salicaceae）楊屬落葉喬木，多生長在荒漠地帶，為第三紀的孑遺植物。胡楊具有極喜光、耐鹽堿、耐大氣干旱、抗風沙、喜溫暖也耐寒等特性，是干旱荒漠區(qū)自然林主要建群樹種，能在地下水位較高的鹽堿地和沙丘上存活，生長緩慢，能夠抵御風沙、遏制沙化，在維護區(qū)域生態(tài)平衡和保護生物多樣性方面，發(fā)揮著重要的作用。有關(guān)胡楊的研究較多，主要是有關(guān)胡楊生理生化、生境條件以及分子生物學方面的研究，有關(guān)解剖學的實驗也較多，但關(guān)于胡楊葉片微觀結(jié)構(gòu)間的雌雄比較較少。

胡楊作為雌雄異株的生物，其結(jié)構(gòu)特征和生理特性存在一定差異。氣孔作為植物碳水耦合權(quán)衡的重要器官，葉片水力性狀關(guān)系到植物對外在環(huán)境的適應能力，它限制植物整株的水分傳輸，影響植物的氣體交換，進而影響植物的存活與生長。綜合分析胡楊氣孔特征在雌雄株間的差異，更有利于我們了解胡楊抗旱機理和胡楊在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的自然進化。

一、研究區(qū)概況與研究方法

（一）研究區(qū)概況

酒泉市金塔縣位于東經(jīng)97°58′至100°20′、北緯39°47′～40°59′之間，全縣總面積1.88 萬平方公里。金塔縣屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，溫差大，日照充足，蒸發(fā)大。

（二）材料與方法

以金塔縣相同樹齡的胡楊為研究對象，依據(jù)胡楊性別，在生長狀況良好的胡楊雌株和雄株上各隨機采取健康葉片，將采集后的葉片立刻用70%酒精的FAA固定液固定并保存。制片參考被子植物葉片氣孔制片方法中的氫氧化鈉離析法和氫氧化鈉快速離析法等方法并進行改良。為方便制取表皮，采用20%的次氯酸鈉溶液直接浸泡，其中卵圓形葉浸泡24 小時，針形葉浸泡30 小時左右，待葉片透明，然后在葉片的中軸面撕取表皮用1%的番紅染液染色，隨即制取臨時裝片。

（三）氣孔有關(guān)值的測定

本實驗采用Zeiss Axio Imager A2 分別在10 倍和100 倍鏡下對裝片拍照，利用ImageJ 軟件進行氣孔特征的測量，利用測量出的氣孔寬度換算出氣孔深度。

（四）數(shù)據(jù)分析

利用Excel 對所有數(shù)據(jù)整理和換算后，在IBM SPSS Statistics 26 中對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用單因素方差分析不同特征的參數(shù)，并進行雙變量相關(guān)性分析。

二、結(jié)果與分析

表1 胡楊雌雄株上下表皮的氣孔特征比較

胡楊葉片氣孔呈腎形，基本均勻排列在葉片表面。

由表1 可知，雌株上下表皮氣孔密度分別為每平方毫米216.81±4.55 個和284.26±6.72 個，雄株上下表皮氣孔密度分別為每平方毫米211.25±4.83 個和247.68±7.55 個。方差分析表明，雌株上表皮氣孔密度與雄株上表皮氣孔密度間無顯著差異（P＞0.05），而雌株下表皮氣孔密度顯著高于雄株（P＜0.05）。無論是雌株還是雄株，上表皮氣孔密度均顯著低于下表皮氣孔密度（P＜0.05）。

雌株上下表皮氣孔長度分別為11.14±0.16 微米和10.78±0.17 微米，雄株上下表皮氣孔長度分別為10.56±0.09 微米和10.77±0.11 微米。方差分析表明，雌株上表皮氣孔長度顯著長于雄株氣孔長度（P＜0.05），雌株、雄株下表皮的氣孔長度間無顯著差異（P＞0.05）。無論是雌株還是雄株，上下表皮氣孔長度間均無顯著差異（P＞0.05）。

雌株上下表皮氣孔寬度分別為5.80±0.20 微米和5.23±0.09 微米，雄株上下表皮氣孔寬度分別為5.04±0.07 微米和4.97±0.09 微米。無論是上表皮還是下表皮，雌株的氣孔寬度顯著寬于雄株氣孔寬度（P＜0.05）。雌株上表皮氣孔寬度顯著寬于下表皮氣孔寬度（P＜0.05），雄株上下表皮的氣孔寬度間無顯著差異（P＞0.05）。

雌株上下表皮氣孔深度分別為5.23±0.20 微米和4.75±0.12 微米，雄株上下表皮氣孔寬度分別為4.85±0.12 微米和5.09±0.12 微米。雌株、雄株上表皮氣孔深度間無顯著差異（P＞0.05），只有雌株下表皮氣孔深度顯著小于雄株下表皮的氣孔深度（P＜0.05）。雌株上下表皮氣孔深度間無顯著差異（P＞0.05），而雄株上表皮氣孔深度顯著小于下表皮氣孔深度（P＜0.05）。

雌株上下表皮保衛(wèi)細胞長度分別為14.58±0.36微米和13.92±0.29 微米，雄株上下表皮保衛(wèi)細胞長度分別為13.84±0.26 微米和14.64±0.25 微米。雌株、雄株上表皮保衛(wèi)細胞長度間無顯著差異（P＞0.05），雌株下表皮保衛(wèi)細胞長度顯著小于雄株下表皮的保衛(wèi)細胞長度（P＜0.05）。雌株上下表皮保衛(wèi)細胞長度間無顯著差異（P＞0.05），而雄株則表現(xiàn)為上表皮保衛(wèi)細胞長度顯著小于下表皮保衛(wèi)細胞長度（P＜0.05）。

雌株上下表皮保衛(wèi)細胞寬度分別為10.46±0.39微米和9.51±0.24 微米，雄株上下表皮保衛(wèi)細胞寬度分別為9.70±0.24 微米和10.18±0.24 微米。雌株、雄株上表皮保衛(wèi)細胞寬度間無顯著差異（P＞0.05），雌株下表皮保衛(wèi)細胞寬度顯著小于雄株下表皮的保衛(wèi)細胞寬度（P＜0.05）。雌株上下表皮保衛(wèi)細胞寬度間無顯著差異（P＞0.05），而雄株則表現(xiàn)為上表皮保衛(wèi)細胞寬度顯著小于下表皮保衛(wèi)細胞寬度（P＜0.05）。

氣孔各指標的相關(guān)性如表2 所示，其中氣孔密度與氣孔長度表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)，與保衛(wèi)細胞長度表現(xiàn)為顯著負相關(guān)，與其他指標表現(xiàn)為不顯著。氣孔長度與氣孔寬度、氣孔深度、保衛(wèi)細胞長度和保衛(wèi)細胞寬度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。氣孔開度與氣孔深度、保衛(wèi)細胞長度和保衛(wèi)細胞寬度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。氣孔深度與保衛(wèi)細胞長度和保衛(wèi)細胞寬度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。保衛(wèi)細胞長度與保衛(wèi)細胞寬度表現(xiàn)為正相關(guān)。

表2 氣孔各指標間相關(guān)性

三、結(jié)論與討論

胡楊是典型的異面葉植物，本研究結(jié)果表明胡楊無論雌株還是雄株，其葉片氣孔密度均表現(xiàn)為上少下多的異面葉規(guī)律。這主要是由于胡楊長期生存于沙漠環(huán)境，葉片上表面面臨更強的光照輻射和相對較高的溫度，從而產(chǎn)生更強的蒸騰拉力，為了防止細胞失水造成生理干旱，胡楊上表皮細胞排列緊密，細胞間隙少，而下表皮細胞排列相對疏松，細胞間隙大。同時，相對疏松的下表皮細胞排列會減少二氧化碳進入光合反應中心時的氣孔擴散阻力，從而有利氣體交換和碳水化合物合成。同時，本研究表明氣孔分布數(shù)量多的葉片則表現(xiàn)出氣孔更小（主要表現(xiàn)為氣孔長度更短）的特點。有研究表明大密度小氣孔擁有更大的氣體擴散效率和氣孔調(diào)節(jié)能力，能夠使葉片氣孔快速開閉響應外界環(huán)境變化。因此，胡楊為了適應長期干旱高溫等環(huán)境脅迫在氣孔分布上表現(xiàn)出上少下多的規(guī)律。

在長期的自然進化中，植物雌雄株的資源配置、生理生化方面產(chǎn)生明顯的差異。胡楊的氣孔特征在雌雄株的上下表面的規(guī)律相似，數(shù)量、長度等存在明顯差異，雌株的氣孔密度、長度、寬度等指標均大于雄株。相比雄株，雌株擁有較高的生殖消耗，需要提高自身從環(huán)境中獲取資源，特別是碳資源的能力。通過對楊柳科植物的研究證明雌雄株在葉片氣孔和氣體交換能力方面具有明顯的性別差異，雌株擁有更高的光合能力和水分利用效率。通常認為較大的氣孔密度和氣孔大小，保證了較多二氧化碳的流入，能夠合成更多有機物以供生殖生長，進而彌補了雌株較高的生殖耗費。

本實驗僅對胡楊的雌雄株葉片的氣孔差異進行了綜合分析，為了更加全面揭示胡楊雌雄株對環(huán)境的適應性差異，還需進一步對胡楊雌雄株水力結(jié)構(gòu)性狀、光合能力等方面的差異進行研究。同時，胡楊是具有典型異形葉的植物，不同異形葉具有不同的環(huán)境適應能力，雌雄株異形葉間的氣孔特征具有何種差異，雌雄株在響應環(huán)境方面異形葉間氣孔行為具有何種差異等問題的研究，將更有助于我們了解雌株在長期負擔生殖壓力的情況下生理活動的權(quán)衡，對雌株的生殖消耗補償機制以及雌雄株營養(yǎng)分配等研究提供幫助。

四、致謝

本研究是在甘肅省青年科技計劃（18JR3RA188）和甘肅農(nóng)業(yè)大學省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助（202008014）資助下完成的。