入侵雜草薇甘菊葉不同發(fā)育期微形態(tài)特征研究

曹 暢，黃夢婷，何志敏，羅肖瑩，吳江蘭，王長寶 (玉林師范學(xué)院生物與制藥學(xué)院，廣西玉林 537000)

薇甘菊(H.B.K)原產(chǎn)于南美洲和中美洲，現(xiàn)已廣泛傳播到亞洲熱帶國家，成為當(dāng)今世界熱帶、亞熱帶地區(qū)危害最嚴(yán)重的雜草之一。1919年薇甘菊作為雜草在中國香港出現(xiàn)，1984年在深圳發(fā)現(xiàn)。廣西最早證實(shí)薇甘菊是2008 年在陸川縣鐵路沿線發(fā)現(xiàn)，目前，桂東南玉林市管轄的陸川縣、博白縣、北流市和容縣均有記錄。筆者在玉林市區(qū)部分公園和校園綠化帶也發(fā)現(xiàn)有薇甘菊的分布，說明該種正在適應(yīng)城市人工干擾環(huán)境。植物進(jìn)化過程中，葉片形態(tài)對環(huán)境變化較為敏感，能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響以及對環(huán)境的適應(yīng)性。薇甘菊的抗強(qiáng)光脅迫能力并不強(qiáng)，但是它很快長出新葉，能夠很好地利用強(qiáng)光資源進(jìn)行光合作用，同時(shí)還可以通過調(diào)節(jié)自身葉片的形態(tài)特征來維持其對不同光照環(huán)境的入侵能力，表明其葉片具有很強(qiáng)的形態(tài)和功能可塑性。已有研究發(fā)現(xiàn)，薇甘菊幼苗初期生長緩慢，在30 d內(nèi)苗高僅11 cm，單株葉面積0.33 cm，但隨著苗齡的增長，其生長隨之加快，莖部產(chǎn)生不定根，并迅速擴(kuò)展。這種快速生長的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)來源于葉柄、葉脈、莖等非同化器官，具有C4植物的典型維管束鞘結(jié)構(gòu)特征以及氣孔的調(diào)節(jié)功能。雖然，前人開展了薇甘菊成熟植物體莖葉解剖特征研究，但對其葉的微形態(tài)特征認(rèn)識(shí)尚不清楚。筆者通過對薇甘菊葉不同發(fā)育期的表皮細(xì)胞、氣孔器和表皮毛的特征進(jìn)行了比較分析，為進(jìn)一步了解薇甘菊葉片的環(huán)境適應(yīng)性提供參考資料。

1 材料與方法

選取玉林師范學(xué)院東校區(qū)掛榜山馬尾松林下小路邊薇甘菊，進(jìn)行葉片生長情況觀察，每3 d觀察1次，測量葉片大小并拍照記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)過60 d的觀測，掌握薇甘菊形態(tài)大小的時(shí)間變化規(guī)律，由此將薇甘菊葉從展葉期到成熟期按照大小劃分為8個(gè)階段進(jìn)行取樣(圖1)。試驗(yàn)材料的采集時(shí)間均為晴天14：00—16：00。

葉表皮細(xì)胞觀測。每組采取2片新鮮葉子，雙面刀片刮除葉肉，清水沖洗后經(jīng)醋酸洋紅染色，制成臨時(shí)裝片鏡檢，選擇5個(gè)清晰的視野在Olympus顯微鏡下觀察，利用CELL軟件繪制細(xì)胞輪廓并進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，每個(gè)視野測20個(gè)細(xì)胞的長寬(長寬比=細(xì)胞長/細(xì)胞寬)及面積，每組共200個(gè)細(xì)胞。觀察結(jié)束后拍照保存，并分析表皮細(xì)胞所屬的形態(tài)類型。

氣孔器觀測。每組選擇40個(gè)氣孔器測量長、寬和面積后取平均值，再選擇6個(gè)視野單位面積，計(jì)算氣孔器面積、氣孔器長、寬以及長寬比值、氣孔器面積與視野單位面積比值。氣孔器面積與視野面積比值=視野內(nèi)氣孔器面積/視野面積；氣孔器長寬比值=保衛(wèi)細(xì)胞長/保衛(wèi)細(xì)胞寬。

注：1.展葉期;2～7.生長期;8.成熟期Note：1.Leaf spreading stage;2-7.Growth stage;8.Leaf maturity圖1 薇甘菊葉不同發(fā)育期的形態(tài)及大小變化Fig.1 Morphology and size changes of Mikania micrantha leaves at different developmental stages

表皮毛觀測。每組分別測量視野內(nèi)上表皮單位面積下的表皮毛個(gè)數(shù)(單位面積為820 800 μm)，上下表皮各選取5個(gè)不同位置的視野，統(tǒng)計(jì)表皮毛的個(gè)數(shù)，取平均值，并計(jì)算每1萬μm的表皮毛個(gè)數(shù)。每1萬μm的表皮毛個(gè)數(shù)=(視野內(nèi)表皮毛個(gè)數(shù)/視野面積)×10。

2 結(jié)果與分析

由表1可知，葉長2.90～6.05 cm時(shí)，上表皮細(xì)胞面積和長、寬均值呈上升趨勢，但個(gè)體細(xì)胞生長不同；葉長6.50～14.00 cm時(shí)，上表皮細(xì)胞面積和長、寬均值變化相對較小，總體上表現(xiàn)為緩速增長。上表皮細(xì)胞各生長階段的細(xì)胞面積和長、寬均值大多大于下表皮，對于下表皮細(xì)胞來說，薇甘菊葉長2.90～14.00 cm，表皮細(xì)胞面積并沒有因?yàn)槿~的生長而出現(xiàn)大幅變化，總體趨近于200～300 μm，長、寬均值也較上表皮略小，但長寬比均值上下表皮都很接近。

表1 薇甘菊葉不同發(fā)育期表皮細(xì)胞特征Table 1 Leaf epidermal cell characteristics of different developmental stages of Mikania micrantha

薇甘菊上表皮細(xì)胞垂周壁樣式多呈直狀，少數(shù)呈波狀，細(xì)胞形態(tài)多呈多邊形和無規(guī)則形，且垂周壁波狀和細(xì)胞無規(guī)則形、垂周壁平直狀和細(xì)胞多邊形同時(shí)出現(xiàn)(表1、圖2A、C)。下表皮細(xì)胞垂周壁樣式全部呈波狀，細(xì)胞形態(tài)全部呈無規(guī)則形，且細(xì)胞垂周壁和細(xì)胞形態(tài)的變化較上表皮小(表1、圖2B、D)。

注：A.展葉期上表皮細(xì)胞；B.展葉期下表皮氣孔器；C.成熟期上表皮細(xì)胞；D.成熟期下表皮氣孔器；E.展葉期上表皮表皮毛；F.展葉期下表皮表皮毛；G.成熟期上表皮表皮毛；H.成熟期下表皮表皮毛Note：A.Abaxial epidermal cells at leaf-spreading stage；B.Stomatal in adaxial epidermal at leaf-spreading stage；C.Adaxial epidermal cells at mature stage；D.Stomatal in abaxial epidermal at mature stage；E.Trichome in adaxial epidermal at leaf-spreading stage；F.Trichome in abaxial epidermal at leaf-spreading stage；G.Trichome in adaxial epidermal at mature stage；H.Trichome in abaxial epidermal at mature stage圖2 薇甘菊葉上下表皮微形態(tài)特征Fig.2 Micromorphological feature of upper and lower epidermis of Mikania micrantha leaves

薇甘菊上下表皮均有氣孔器，但上表皮氣孔器偶有出現(xiàn)，故氣孔器的觀測均采用下表皮進(jìn)行。薇甘菊的氣孔器由2個(gè)腎狀保衛(wèi)細(xì)胞圍合而成，中間留有大小不同的氣孔，均勻分散在葉面上，鑲嵌在無規(guī)則的表皮細(xì)胞間(圖2B、D)。由表2可知，葉長對氣孔器面積比影響較小，氣孔器的長寬以及長寬比也沒有隨著發(fā)育期的變化出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，長寬比均處于一個(gè)平均值范圍內(nèi)(1.39～1.66)，面積較大的氣孔器長寬略大于面積較小的氣孔器(表2)。

表2 薇甘菊葉下表皮不同發(fā)育期氣孔器特征Table 2 Characteristics of leaf stomatal cell of different developmental stages of lower epidermis of Mikania micrantha

薇甘菊葉上下表皮均有表皮毛，其中展葉期上表皮毛密度大于下表皮(圖2E、F、表3)，此時(shí)表皮毛相較于成熟期密集。當(dāng)薇甘菊葉進(jìn)入生長期，隨著葉片面積的增加和成熟度的上升，開始不斷脫落表皮毛尤其是上表皮到了成熟葉后期，表皮毛的個(gè)數(shù)極小，僅0.032個(gè)，說明葉肉細(xì)胞和葉表皮已經(jīng)發(fā)育完全，不再依賴表皮毛的保護(hù)，而此時(shí)的表皮毛也相對較大，更加粗壯(圖2G、H)。

表3 薇甘菊葉不同發(fā)育期表皮毛的特征Table 3 Characteristics of trichome in different developmental stages of Mikania micrantha leaves 個(gè)

3 討論與結(jié)論

作為一種入侵作物，薇甘菊能夠迅速生長發(fā)育與其葉片的結(jié)構(gòu)迅速成熟密切相關(guān)。薇甘菊幼葉期下表皮的氣孔器和表皮細(xì)胞已經(jīng)趨向于成熟，與成熟期葉片細(xì)胞面積以及細(xì)胞長寬并無較大區(qū)別，這些成熟的細(xì)胞促進(jìn)了薇甘菊的迅速生長，這與張衷華的結(jié)論相一致。幼葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)在30 d內(nèi)的快速構(gòu)建為薇甘菊生長發(fā)育期第1次快速增長打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。展葉期的葉片尚未發(fā)育完全，強(qiáng)烈的太陽光會(huì)灼傷葉組織，薇甘菊通過形成大量表皮毛反射太陽光而保護(hù)靠近上表皮的葉肉組織，從而保證其順利度過幼葉期，有利于在葉面上下表皮之間形成柵欄組織和海綿組織，促進(jìn)上表皮扁平的細(xì)胞迅速生長，從而能夠適應(yīng)太陽光強(qiáng)的程度。展葉期結(jié)束后，隨著葉片的生長，葉片開始脫落大量表皮毛，從而增強(qiáng)了氣孔器的氣體交換和表面光照的吸收，更有利于植物本身的營養(yǎng)補(bǔ)給，當(dāng)葉片正式進(jìn)入成熟期時(shí)，表皮毛的密度下降至最低。氣孔是植物吸收CO、散失水分的主要通道，是植物與外界信息交流的主要窗口，直接影響著植物的蒸騰作用、光合作用等主要生理活動(dòng)，在植物的生長發(fā)育過程中起著重要作用。薇甘菊葉的不同發(fā)育期下表皮氣孔器面積和下表皮細(xì)胞面積數(shù)據(jù)變化趨近，這反映植物的發(fā)育是與其功能相適應(yīng)的。

該試驗(yàn)中葉長6.50～14.00 cm時(shí)，薇甘菊上表皮細(xì)胞面積和長、寬出現(xiàn)少許波動(dòng)變化，認(rèn)為是由于光強(qiáng)和環(huán)境因素導(dǎo)致的植物個(gè)體的微小差異。從數(shù)據(jù)分析得出，部分薇甘菊葉片在發(fā)育期由于光照較少而生長緩慢，個(gè)別葉片因光照較好而生長迅速，從而影響了表皮細(xì)胞的生長，這是薇甘菊對環(huán)境變化的反映，進(jìn)而驗(yàn)證了薇甘菊對光強(qiáng)有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，這也與魏巍的研究結(jié)果一致。該研究揭示了薇甘菊葉片不同發(fā)育時(shí)期的微形態(tài)學(xué)特征，為深入了解該入侵物種的生理特性及生態(tài)適應(yīng)性提供參考。