3 種圓柏屬植物葉片氣孔特征對自然光強(qiáng)的響應(yīng)

宋晨慧，張有福，王夢可，王露露，陳春艷

（河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471023）

【研究意義】植物氣孔是由兩個特殊分化的保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成的孔狀結(jié)構(gòu)［1］，是植物與環(huán)境進(jìn)行氣體和水分交換的通道，也是植物響應(yīng)環(huán)境變化調(diào)節(jié)光合和蒸騰的調(diào)節(jié)位點(diǎn)。為適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，植物既可通過保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓調(diào)節(jié)氣孔大小和開度，也可通過氣孔密度和氣孔分布平衡光合作用和水分散失［2］。其中植物依賴于氣孔的開度調(diào)節(jié)蒸騰和光合常用來解釋適應(yīng)環(huán)境因子的短期變化［3］，氣孔分布和密度的變化則是植物適應(yīng)環(huán)境因子長期變化的結(jié)果。然而植物往往通過多種氣孔功能性狀協(xié)調(diào)適應(yīng)環(huán)境變化，表現(xiàn)出氣孔大小與氣孔密度之間存在穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)關(guān)系［4］。另外，氣孔特征也受到植物本身遺傳因素的決定。因此，分析不同環(huán)境氣孔特征、氣孔參數(shù)之間的關(guān)系有利于揭示植物適應(yīng)環(huán)境的種間差異和長期與短期適應(yīng)的差異?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】光是植物賴以生存的基礎(chǔ)。光照強(qiáng)度被認(rèn)為是影響植物氣孔發(fā)育和功能的重要環(huán)境因素。長期以來，關(guān)于氣孔性狀對光照強(qiáng)度的響應(yīng)展開了大量的研究并取得一些成果。花生通過保衛(wèi)細(xì)胞的膨脹和收縮調(diào)節(jié)氣孔大小以適應(yīng)光照的日變化［5］。10 種地被植物在遮蔭環(huán)境下葉片氣孔密度相對較少，小的氣孔密度有利于葉片更好地吸收并儲存光能［6］。楓香（Liquidambar formosana）通過調(diào)節(jié)氣孔開度和氣孔密度以適應(yīng)不同環(huán)境的長期光照差異［7］。蛇足石杉（Huperzia serrata）在一定范圍內(nèi)，隨著環(huán)境中光照強(qiáng)度的增加，氣孔長度和寬度、氣孔密度都呈增加的趨勢，小而密的氣孔是其適應(yīng)旱生環(huán)境的表現(xiàn)［8］。刺槐（Robinia pseudoacacia）在光照充足的南坡葉片氣孔小但氣孔密度高，在郁閉程度高的北坡氣孔大但氣孔密度?。?］，這是光合產(chǎn)物在不同構(gòu)件或功能間權(quán)衡分配的結(jié)果。

【本研究切入點(diǎn)】以往的研究傾向于氣孔特征的日變化來解釋植物適應(yīng)短期光照變化下的氣孔調(diào)節(jié)，或者不同生境下氣孔差異解析長期光照差異下氣孔的適應(yīng)性變化［5,7］，但這些研究都缺乏氣孔結(jié)構(gòu)和功能在同一環(huán)境下長短期光照變化的比較分析。因此，比較同一生境下同屬植物氣孔響應(yīng)長期和短期光照差異將為進(jìn)一步闡明植物氣孔響應(yīng)光環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制提供借鑒?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選取3 種圓柏屬植物為研究對象，測定同一生境不同光照下的氣孔特征并進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步探討氣孔響應(yīng)光環(huán)境變化及其適應(yīng)策略，為解析圓柏屬植物葉形差異與光照強(qiáng)度關(guān)系與適應(yīng)性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試樣品采自洛陽市周山森林公園，該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔196～269 m，年均降水量672.6 mm。2021 年3 月中旬，在地勢平坦、樹間無明顯遮蔭的地方，選擇生長情況良好、健壯無蟲害的圓柏（Juniperus chinensis）、龍柏（J.chinensiscv.Kaizuca）、塔 柏（J.chinensiscv.Pyramidalis）各4 株，選擇無風(fēng)、晴朗的天氣，剪取離地2 m 處的樹冠陰、陽面的葉片，將其分別放入裝有FAA 固定液的離心管中，帶回實(shí)驗(yàn)室抽真空至葉片全部沉入固定液中，24 h 后進(jìn)行制片和氣孔特征測定。因圓柏蒸騰速率的日變化曲線基本呈單峰拋物線型，13:00 左右達(dá)到最高峰［10］。采樣時(shí)間為早上5:50—6:20 和中午11:00—11:30，即此時(shí)間段內(nèi)，光照為影響氣孔運(yùn)動的主要因素。

3 種圓柏屬植物均具異形葉特征，其中圓柏、龍柏多鱗形葉，塔柏多刺形葉。因此，在進(jìn)行葉片氣孔特征比較時(shí)，為避免葉型帶來的影響，圓柏和龍柏的葉片僅采用鱗形葉，塔柏僅采用刺形葉。以早晨和中午時(shí)段采集的葉片代表短期光照的變化；因樹冠朝向?qū)е碌娜~片所處的光環(huán)境不同，以樹冠陰、陽面代表長期光照差異。

1.2 試驗(yàn)方法

葉表皮制片方法參照朱玉懷等的NaClO法［11］。每個樹種選取8 張臨時(shí)裝片用于測定各氣孔參數(shù)，每張制片在顯微鏡下隨機(jī)選取5 個視野，每個視野內(nèi)隨機(jī)選取5 個氣孔，用顯微測微尺測量保衛(wèi)細(xì)胞長度（GCL）和保衛(wèi)細(xì)胞寬度（GCW）及氣孔開度（SA），氣孔開度由氣孔內(nèi)壁最寬處的寬度代表，并記錄視野面積內(nèi)的氣孔個數(shù)，計(jì)算氣孔密度（SD）：

氣孔密度=氣孔數(shù)/視野面積（0.1590 mm2）

自然界中多數(shù)植物的氣孔主要分布在葉片遠(yuǎn)軸面，但鑒于圓柏屬植物的氣孔主要分布在葉片近軸面，故僅以近軸面氣孔作相關(guān)分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對不同自然光強(qiáng)下植物葉片的氣孔參數(shù)進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)。若差異顯著，則將顯著變化的氣孔參數(shù)組合，采用線性回歸法分析它們在長短期光照變化下的關(guān)系。采用IBM SPSS Statistics 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Microsoft Excel 2019 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 圓柏屬植物葉片氣孔特征

圓柏屬植物存在鱗形葉和刺形葉，圓柏和龍柏鱗形葉上的氣孔主要分布在近軸面上，除了中軸和葉緣處，整個近軸面都分布有氣孔，而遠(yuǎn)軸面上只有相鄰兩葉交界處有氣孔分布。塔柏刺形葉的氣孔僅分布在葉片近軸面，除了中軸處和葉緣外，整個近軸面全部被氣孔覆蓋，且有兩條明顯的氣孔帶，而遠(yuǎn)軸面無氣孔分布（表1）?？梢?，具有異形葉的圓柏屬植物的氣孔多分布在葉的近軸面。

表1 3 種圓柏屬植物葉表皮微形態(tài)結(jié)構(gòu)比較Table 1 Comparison of leaf epidermal micromorphologies of three species of Juniperus

2.2 自然光照對3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)的影響

2.2.1 短期光照變化對氣孔參數(shù)的影響 3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)的日變化趨勢基本一致（表2）。中午自然光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，3 種圓柏屬植物GCW比早晨分別顯著減小0.06%、0.09%、0.09%，SA分別顯著增大27.6%、24.3%、24.3%，但GCL、SD 無顯著差異，表明3 種圓柏屬植物主要通過調(diào)節(jié)GCW 的收縮增大SA 以適應(yīng)短期光照變化。

表2 3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)的日變化特征Table 2 Diurnal change characteristics of stomatal parameters of three species of Juniperus

2.2.2 長期光照差異對氣孔參數(shù)的影響 樹冠朝向引起葉片接受的光照強(qiáng)弱和時(shí)長不同，導(dǎo)致3 種圓柏屬植物陰陽面氣孔參數(shù)間存在差異（表3）。圓柏、龍柏、塔柏陰面葉的GCL 比陽面分別顯著增大0.05%、0.04%、0.07%，SA 比陽面分別顯著增大47.7%、18.4%、39.0%，但GCW比陽面分別顯著減小1.0%、6.8%、10.2%，SD 比陽面分別顯著降低26%、8%、18%，表明植物通過SA 和SD 的雙重調(diào)節(jié)以適應(yīng)長期光照差異。

表3 3 種圓柏屬植物樹冠陰陽面氣孔參數(shù)的變化特征Table 3 Variation characteristics of stomatal parameters between the shady and sunny sides of the canopy of three species of Juniperus

2.3 自然光照下3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)間的關(guān)系

2.3.1 短期光照變化下氣孔參數(shù)間的關(guān)系 日變化下，3 種圓柏屬植物葉片的GCW 與SA 均發(fā)生顯著變化且相關(guān)性較強(qiáng)（r分別為0.879、0.914、0.418）（圖1），表明3 種圓柏屬植物氣孔參數(shù)相關(guān)性一致，SA 均隨著GCW 的減小而增大。

圖1 3 種圓柏屬植物日變化下氣孔參數(shù)間的相關(guān)性Fig.1 Correlation of stomatal parameters of three species of Juniperus under diurnal changes

2.3.2 長期光照差異下氣孔參數(shù)間的關(guān)系 3 種圓柏屬植物葉片的GCL、GCW、SA、SD 在樹冠陰陽面都有顯著差異（圖2）。將SA 與GCL、GCW、SD 組合進(jìn)行線性回歸分析表明，3 種圓柏屬植物葉片的SA 與GCL 均呈正相關(guān)關(guān)系（r分別為 0.880、0.752、0.918），與GCW 均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（r分別為0.891、0.857、0.818），與SD也均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系分別為（r分別為0.898、0.937、0.500）（圖2）?？梢?，SA 隨著GCL 的增加而增大，隨著GCW、SD 的增大而減小。

圖2 3 種圓柏屬植物樹冠陰陽面氣孔參數(shù)間的相關(guān)性Fig.2 Correlation of stomatal parameters between the shady and sunny sides of the canopy of three species of Juniperus

3 討論

3.1 圓柏屬植物異形葉間氣孔特征的差異

圓柏屬植物有鱗形和刺形兩種葉形。本研究前期工作發(fā)現(xiàn)，鱗形葉緊貼小枝，氣孔分布在近軸面以及兩鱗形葉交界處的遠(yuǎn)軸面上；刺形葉與小枝分離，氣孔僅分布于近軸面，有兩條明顯的氣孔帶。這與邵鄰相等［12］對柏科植物葉片氣孔分布的研究結(jié)果一致。為了保證積累足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，以求得生存與繁衍，植物在長期進(jìn)化過程一定會保留有利于保持旺盛光合、呼吸代謝活力的氣孔特征［13］。圓柏屬植物的葉形狹小，遠(yuǎn)軸面比近軸面更多地暴露于空氣中和陽光下，因此氣孔傾向于分布在相對遠(yuǎn)離外界環(huán)境，受到相對“保護(hù)”的近軸面，這種分布有效抑制了葉內(nèi)的蒸騰，降低了水分的蒸發(fā)，提高了葉子的抗早性。這與呂洪飛［13］對雙子葉植物的研究結(jié)果不一致，青藏高原雙子葉植物氣孔常分布在遠(yuǎn)軸面，這種分布方式有利于其與外界環(huán)境進(jìn)行二氧化碳和水分的交換，同時(shí)適當(dāng)?shù)囊种普趄v作用，避免水分過度蒸發(fā)而造成生理干旱，這是雙子葉植物對高寒極端環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果?？梢?，氣孔分布與葉形的關(guān)系及其差異在一定程度上反映了植物對環(huán)境長期適應(yīng)。

3.2 氣孔特征對短期光照變化的響應(yīng)

依賴于氣孔開度調(diào)節(jié)的氣孔運(yùn)動被認(rèn)為是植物適應(yīng)環(huán)境變化重要反應(yīng)［14］。本研究發(fā)現(xiàn)，在日變化過程中，植物通過降低保衛(wèi)細(xì)胞寬度以增加氣孔開度來適應(yīng)短期光照變化。這與王萍等［15］研究結(jié)果一致，日變化過程中氣孔開度主要依賴于保衛(wèi)細(xì)胞寬度的收縮。由于圓柏蒸騰速率的日變化曲線均呈單峰拋物線型，峰值出現(xiàn)在13：00左右［10］，因此，本研究中，與早晨相比，中午光強(qiáng)增加時(shí)，氣孔開度的增加能夠提高植物葉片光合作用和蒸騰作用，同時(shí)降低葉溫，促進(jìn)水分及無機(jī)鹽的吸收和運(yùn)輸［15］。此外，當(dāng)氣孔發(fā)育過程中保衛(wèi)細(xì)胞寬度生長速率大于保衛(wèi)細(xì)胞長度生長速率時(shí)，氣孔會逐漸向“圓”形發(fā)展，增加了單位周長下的氣孔面積，這有助于減小葉表氣孔器的物質(zhì)與能量投資［16］。因此，我們推斷植物主要采用低耗能的保衛(wèi)細(xì)胞寬度改變來調(diào)節(jié)氣孔開度以適應(yīng)短期光照變化。

3.3 氣孔特征對長期光照差異的響應(yīng)

樹冠朝向不同，葉片接受的光照長期存在差異，可用于探索葉片對長期光照環(huán)境變化的適應(yīng)差異。本研究中，長期光照差異下，通過保衛(wèi)細(xì)胞長度和寬度雙重調(diào)節(jié)氣孔的開度，與氣孔密度在葉片生長發(fā)育過程中的變化是植物對長期光照差異適應(yīng)的方式。這種調(diào)節(jié)方式與其他物種的研究結(jié)果基本一致［17］。氣孔直接影響植物的CO2交換速率、蒸騰速率和光合速率，不同光照下氣孔開度和氣孔密度的組合調(diào)節(jié)被認(rèn)為是植物平衡水碳循環(huán)的一種經(jīng)濟(jì)方式［18］。與樹冠陽面不同，樹冠陰面光資源不足，大氣孔開度和小氣孔密度更具有適應(yīng)意義。植物通過增大氣孔開度，或者形成“無光合午休”等機(jī)制提高CO2固定效率，在獲得最大CO2的同時(shí)，還能夠?qū)饪酌芏鹊臏p小具有一定的補(bǔ)償作用，有利于植物在低光照條件下提高光能利用效率［19］。雖然較大的氣孔開度可以交換更多的碳，但這種交換存在風(fēng)險(xiǎn)。隨著氣孔開度逐漸增大，其進(jìn)一步開張的阻力也越大、耗費(fèi)能量越多，它們的慢動力學(xué)特性也使大氣孔植物在遭遇干旱等環(huán)境脅迫時(shí)更容易發(fā)生功能紊亂［20-21］。樹冠陽面葉片的氣孔開度小且氣孔密度高，高氣孔密度有利于增強(qiáng)葉片氣體交換的能力，這樣當(dāng)部分氣孔生理活動受到抑制時(shí)，其余功能正常的氣孔能做出適度調(diào)節(jié)，在功能上及時(shí)補(bǔ)償，使葉片的基本生理過程得以維持。但高氣孔密度在增加CO2吸收的同時(shí)，必然會增強(qiáng)水分蒸發(fā)，這容易造成植物“生理干旱”。小氣孔開度除可減少水分流失外，還具有靈活的調(diào)節(jié)功能，有利于快速關(guān)閉，可在一定程度上減少水分散失，對高氣孔密度可能造成的“生理干旱”進(jìn)行補(bǔ)償，這可能是氣孔對強(qiáng)光環(huán)境作出的響應(yīng)和適應(yīng)［21］。可見，依賴于氣孔開度和氣孔密度的雙重調(diào)節(jié)是植物對長期光照差異適應(yīng)的一種重要體現(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究通過分析具有鱗形和刺形兩種葉型的3 種圓柏屬植物，觀測了短期光照變化（日變化）與長期光照差異（樹冠陰面和陽面）下葉片的氣孔特征及其相關(guān)性。結(jié)果表明，短期光照變化下，植物葉片的氣孔開度主要依賴于保衛(wèi)細(xì)胞寬度的調(diào)節(jié)；長期光照差異下，3 種圓柏屬植物氣孔開度依賴于保衛(wèi)細(xì)胞長度和保衛(wèi)細(xì)胞寬度的雙重調(diào)節(jié)?？梢?，氣孔特征可以較好地反映植物對長期和短期光照適應(yīng)性的差異。