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青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较

2021-06-21 来源:步旅网
西北植物学报.2009.29(2):0275—0282ActaBOt.Boreal.-Occident.Sin.文章编号:1000—4025(2009)02-0275—08青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较李翠1’2,程明2,唐宇丹2,姜闯道2,戴绍军1,石雷2。(1东北林业大学生命科学学院,哈尔滨150040;2中国科学院植物研究所,北京100093)摘要:对青藏高原不同海拔生境条件下2种柳属植物墨竹柳(Salixmaizhokunggarensis)和左旋柳(Salixplesiapara—var.subintegra)叶片结构和光合特征进行了比较研究,以探讨植物对高原环境变化的适应性。结果表明:随着海拔的升高,2种柳的叶片解剖结构和光合特征呈规律性变化,主要表现为除气孔面积趋于变小外。叶片的厚度、栅栏细胞的层数、上下表皮的角质层厚度、第一层栅栏组织细胞密度、气孔密度及叶片主脉厚度等指标均呈增加趋势;但海拔的变化对2种柳树叶片结构中的叶片类型、表皮细胞的形状和排列、栅栏细胞的形状、栅栏组织的发达程度、胞间隙以及主脉维管组织的发达程度的影响不明显;随海拔升高,2种柳树的P。、G。和cI值均显著降低,而Ls值显著升高。通过叶片结构和光合数据分析,研究认为2种柳树叶片适应高原环境变化的策略相似,且均以结构变化和牺牲碳同化能力为代价来适应高原环境。关键词:青藏高原;海拔;柳属;光合;解剖结构中图分类号:Q944.56文献标识码:ACharacteristicsComparisionofLeafAnatomyStructureandPhotosynthesisofTwoSalixSpeciesatQinghai—XizangPlateauLICuil”,CHENGMin92,TANGYu—dan2,JIANGChuang—da02。DAIShao-junl,SHILei2。(1CollegeofLifeScience,NortheastForestryUniversity,Haerbin150040,Chinat2InstituteofBotany。ChineseAcademyofScience。Beijing100093,China)Abstract:Thecomparativestudy(Salixmniz^o正“咒ggnrP,lsf5habitatsatoncharacteristicsofleafstructureandphotosynthesisoftwoSalixspeciesandSalixparaplesiatovar.subintegra)wasexaminedinthedifferentaltitudetheadaptabilityofplanttoQinghai—XizangPlateau,inorderstudyplateauenvironmentchange.Theresultsshowedthatthethicknessofleaf.1ayersofpalisadecells.andthicknessofepidermisandcuticle,densityofthefirstIayercellsofpalisadetissue.densityofstomaandthicknessofmidribofthetwospeciesweresignificantlyincreased,exceptthetherearenoareaofstomawassignificantlydecreased.However,significantlyeffectinthetypeofleaf,shapeandarrangementofepidermisandpalisadecellsandinterspacesofcellswiththeincreasingaltitude.Moreover,theP。,G。andCiofthetwospeciesleafweresignificantlydecreasedwiththeincreasingaltitude.Onthecontrary,theL。wassignificantlyincreased.TheresultsindicatedthatthereweresimilaradaptationstrategiesforthetwoSalixspeciesalongtheplateauhabitatchange.Theychangedtheleafstructureanddecreasetheabilityofcarbonassimilationtoadaptthe收稿日期:2008—09—10;修改稿收到日期:2009—02—10基金项目:中国科学院创新上程重要方向性项目(KSCX2-YW-N-52,KSCX2一YW-N-044);国家科技部支撑计划项目(2006BAD2680101);国家科技部科技成果转化项目(2008GB24910475)作者简介:李翠(1982--),女(汉族),在读硕士研究生,主要从事形态一功能学研究。E-mail:licuicui941@yahoo.cn*通讯作者:石雷.研究员,硕士生导师,主要从事植物抗逆性研究。E—mail:shilei67@263.net万方数据 276西北植物学报29卷plateauhabitat.Keywords:Qinghai—XizangPlateau;altitude;Salix;photosynthesis;anatomystructure环境是植物生存和发展的条件[1],在适应外界环境过程中,叶片是植物对环境较敏感且可塑性较大的器官,在不同选择压力下已经形成各种适应类型,其结构特征能体现环境因子的影响或植物对环境的适应嘲。已有的研究结果表明,随着海拔的升高,植物表现为叶片变小变厚、叶肉栅栏组织的比例增加【3]、表皮存在各种附属物c3.43、气孑L面积变小、气孔密度和孔下室变大㈧,叶绿体变大[6’71等特征的变化,以适应高海拔环境中强辐射、高寒、缺氧等不利因子。青藏高原位于中国的西南部,平均海拔4000m以上,其独特的地形特点为植物生存造就了多样的生长环境:太阳辐射强、低CO。分压、高寒缺氧、昼夜温差大、干旱强风、无霜期短等[8],为研究植物对不同海拔生境的响应提供了很好的条件。在极端的高原环境中生存的植物必然形成了特殊的生理及结构适应机制口3。然而,对青藏高原植物研究大多集中在对草本和灌木的叶片结构和形态L3两’7’叫的报道上,对其在梯度海拔的结构及由此引发的功能变化研究的较少,而对该区域杨柳科乔木的叶片结构和功能的研究还很少有报道。本实验通过对青藏高原不同海拔2种柳属植物的叶片进行解剖结构和光合特征的比较研究,目的是为了阐明环境的变化对植物叶片结构和功能的影响,以揭示木本植物对高原环境的适应机制。为合理的保护和利用高山植物资源提供参考。1材料和方法1.1材料试验材料墨竹柳(Salixm口iz^o惫“咒ggnrP以5is)和左旋柳(Salixparaplesiavar.subintegra)采于西藏拉萨和那曲两地区。具体位置为拉萨苗圃,地处西藏中部稍偏东南,海拔3650m,29。397N,91。07E,高原温带半干旱季风气候,年平均气温7.4℃,年无霜期100~120d,年降水量为200~510mm;那曲市,位于西藏自治区的北部,海拔4600m,31。28’N,92。03’E,属青藏高原高寒气候区的一部分,年平均气温为一4~4℃,全年无绝对无霜期,年降水量在150~695.5mrrl。试验材料为生长整齐一致的5年生扦插苗。万 方数据1.2方法1.2.1材料的采集与处理于2007年9月上旬分别在拉萨苗圃和那曲两地对试验材料进行气体交换测定和叶片采集。在植株距地面约1.5nl处选取向阳面的成熟叶片进行气体交换的测定,同时选取与光合测量叶条件相同的叶片沿主脉两侧切取面积约1cm2小块,立即用FAA固定液(甲醛:冰醋酸:70%酒精体积比为5:5:90)固定。采用常规石蜡切片技术切片p],切片厚度10肚m,番红一固绿对染法染色,常规方法制片,每个样品取6片叶子作为重复。叶片气孔密度和气孑L大小测定按照印迹法[1叫操作。每个样品取6片叶子作为重复,取其平均值。1.2.2相关指标的测定观察和测量均在Ni—konE4500数码相机连接的OlympusBH一2型显微镜下进行,主要对叶片结构中的叶片类型、叶片厚度、细胞形状和大小、表皮角质层厚度、叶肉组织,栅栏细胞的层数和密度、叶片主脉、气孔密度及气孔大小等指标进行统计测量。气体交换测定使用美国LI-COR公司生产的Li一6400便携式光合仪,分别在2个试验点的自然条件下测定,测定时间均为上午9:00~11:00。测定指标主要包括净光合速率(P。),气孔导度(G,)和胞间CO。浓度(Cj),并计算气孔限制值(L。=C./Ca,ca为大气CO。浓度),每个测量指标选择6片叶子作为重复。1.3统计学处理测量数据用统计分析软件SPSSl2.0(forWin—dows)软件包进行统计分析,不同处理之间采取单因素方差分析(one—wayANoVA)进行显著性差异分析(P一0.05)。2结果与分析2.12种柳树叶片横切结构特征观察2种柳树叶片的结构变化如表1及图版I和Ⅱ所示。随着海拔的升高,左旋柳和墨竹柳的叶片(图版I,1~4)、主脉(图版工,5~8)及表皮角质层厚度、气孔密度及上下表皮细胞厚度和宽度都呈增加趋势,但气孔面积呈减小趋势,且同种柳的上述指标在不同海拔之间的差异均达到显著水平。另外,随海拔升高,2种柳树叶片第一层栅栏组织细胞密度、2期李翠,等:青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较277栅栏细胞层数呈增加趋势,叶片上下表皮气孔大小呈减小趋势。但2种柳树上述指标之间的变化存在差异,左旋柳叶片(图版Ⅱ,1~4)除下表皮气孔大小变化差异不显著外,其他指标变化均显著,而墨竹柳叶片(图版II,5~8)除栅栏细胞层数变化不显著外,其他指标变化均达到显著水平。但海拔的变化对2种柳树叶片类型、表皮细胞的形状和排列、栅栏细胞Table1形状、栅栏组织的发达程度及胞间隙影响均不明显。2.22种柳树叶片的光合特征从图l可以看出,海拔的变化对2种柳树光合特征的影响显著。随着海拔的升高,2种柳树叶片的P。、G。和ci值均显著下降(图1,A~C)。其中墨竹柳的上述指标随海拔升高分别下降50.7%、52.0%和19.1%;左旋柳的上述指标随海拔升高后and表1不同海拔高度墨竹柳和左旋柳叶片结构特征StructurecharacteristicsofleafofSalixmaizhokunggarensisSalixparaplesiavar.subintegraindifferentaltitudehabitats左旋柳Sali.rparaplesia叶片横切结构特征Structurecharacteriticsofleafsection3650vat.subintegra墨竹柳Salix图版Platemaizhokunggarensis海拔Ahitude/m4600海拔Ahitude/m36504600图版PIateTypes叶片类型ofleaf等面叶IsobilaterallearbI2,1,IsobilateralIeaf等面薯l等面叶lsobilaterallearI等面曹kfateralleaflibos4、3.I68.37+2.221”、’上表皮气孔密度/(个·mm一2)Stomadensityofupper30.17+0.7251.32-4-1.22Ⅱ,1、247.86+0.73bII,5、6epidermis/(number·mm-2)下表皮气孔密度/(个·mm一2)densityoflowerepidermis/(number·mm一2)Stoma38.455:0.35b52.77±2.66Ⅱ,3,467.10d:1.19b108.2士1.9211,7、8上表皮气孔长×宽StomaupperIengthXwidthof23.16×12.0719.37×12.13b1I,1、226.90×16.0721.48×13.53bII,5.6epidermis//_im220.20×17.2019.40×15.4Stoma下表皮气孔长×宽length×widthofepidermis/pm21I,3、430.30×19.5720.23×12.30bII,7、8lowerThjckh叶es片s厚of度leaf/Ⅱm表皮细胞排列Arrangement451.26±14.85b513.61士1。.97规则相接RegularI,1、2374.85士10.27b55。.96士17.25I,3、4规则相接cellsRegularanastomosisofepidermisanastomosisI,1,2规则相接Regularanastomosis规则相接RegularanastomosisI,3.4表皮细胞形状Shapeofepidermis近圆形cellsSphericityb近圆形Sphericity长形Longstrip长形LongstripI。3、4上表皮细胞厚度x宽度Breadth×thicknessofupperepidermis5.25×6.026.45×5.87I,1、23.36x15.80b4.35×17.38I,3、4cell/ttm2of下表皮细胞厚度×宽度Breadth×thickness9.24×15.77b11.47x18.04I,1、27.07×14.71b8.81×16.35I,3、4lowerepidermiseell/Itm2上表皮角质层厚度Thicknessofupperepidermis9.54士0.19b10.23-t-0.08I,1,29.934-0.08b12.70+0.37I,3,4cuticle/,um1.715:0.02b2.67±0.08I,1、22.oo士o.03b3.37±O.16I,3、4下表皮角质层厚度Thicknessoflowerepidermiscuticle/am栅栏细胞层数Layersofpalisadecells3~4I,1、23~44I,3、4栅栏细胞形状Shapeofpalisadecells栅栏组织Palisadetissue规则长条Regularlongstrip规则长条RegularlongstripI。1、2I。1、2规则长条Regular规贝15长条striplongRegularlongstripI。3,4全栅化Total—palisade6.18士0.08全栅化Total—palisade7.97士0.08全栅化Total—palisade全栅化Total—palisadeI,3、4第一层栅栏细胞密度Densityoffirstlayercellsofpalisadetissue/100#mI,1,26.69士0.08b8.84±0.04I。3,4胞间隙InterspaceofleafcellsFew少、小andsinailFew少、小andsmallI,1、2Few少、小andsmalI发达少、小Fewandsinail发达Well-developed1I。3、4主脉维管组织Vasculartissueofmidribl发达Well—developed419.38士5.68b1发达Well-developed492.07士10.83I.5、6Well—developed679.05土4.47bI,7、8主脉厚度Thieknessofmidrib/ginI,5、6057.58士6.81I,7、8注:不同字母表示同种植物在不同海拔水平上叶片结构差异显著(P=o.05)。数值为平均值士标准误(n一6)。Note:DifferentlettersmeansignificantlydifferentP=0.05levelindifferenthabitatsofspecies.Valuesmeans+s…en=6万方数据 278西北植物学报29卷-墨竹柳Saixmaizhokunggarensis口左旋柳Salixparaplesiavar.subintegraO.5乙o.4飞0.3石0.2吕苦o.1如笱加:2加,o0.OO.6,250昌2000.4石150g目100U50O365040.2O.O60036504600海拔Altitude/m图1海拔Altitude/m不同海拔墨竹柳和左旋柳的净光合速率P。(A)、气孔导度G。(B)、胞问二氧化碳浓度CI(C)和气孔限制值L,(D)不同小写字母表示同一树种不同海拔差异显著(P<O.05)Fig.1Netphotosyntheticrate(P。,A),stomatalconductance(G。,B),intercellularC02concentration(Ci,C),andstomatallimitation(L。,D)inSalixmaizhokunggarensisvar.subintegraleafunderdifferentaltitudesspeciesandSalixparaplesiaDifferentlettersindicatethatthedifferencesbetweenthesamesignificantP<O.05.Barsmeans士S.e.n一6表2Table2Thechangesin随海拔升高墨竹柳和左旋柳叶片结构和光合特征的变化structureandphotosynthesischaracteristicsofSali.rmaizhokunggarensisvar.subintegraleafwithincreasingaltitudeandSalixparaplesia注:十代表升高;●代表F降;*代表2种柳树之间叶片结构和光合特征变化幅度差异显著(P<O.05)。Note:十meanstwoSalixincrease;●meansdecrease;*meanssignificantlydifferentoftheleafandphotosynthesischaracteristicsbetweenspecies(P<O.05).分别下降了32.7%、65.6%和34.0%(表2);与之相反,L。值显著升高(图1,D),墨竹柳和左旋柳叶片的L。值随海拔.升高分别增加了19.4%和71.6%。3讨论海拔的变化是引起环境因子变化的重要因素之一,环境中各种生态因子如紫外线辐射强度、大气温万方数据 2期李翠,等:青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较279度等随海拔的变化发生相应的变化[2’3’11’12]。这种变化在青藏高原地区尤为明显,生长在这个区域的能是由于水分胁迫对叶面积扩展的限制而导致气孔密度增加,但小而密的气孔同时也具有较高的灵活性【l7‘。一方面利于植物叶片与外界的气体交换,降低由于低CO。分压造成的不利影响;另一方面有利于叶片水分的保持,是植物适应高原旱生环境的表现‘1引。3.2不同海拔生境对叶片光合特性的影响植物的光合作用是植物生长发育过程中最易受外界环境影响的重要的生理过程。尤其是极端和多变的高原环境对植物光合作用的影响更为显著。本研究中,随海拔升高,2种柳树的P。都出现了大幅度下降,墨竹柳和左旋柳分别下降了50.7%和32.7%,这与许多高山植物的响应一致Dsdg]。但对两种柳树而言,随海拔的升高,增大的气孔密度和富含叶绿体的栅栏细胞对维持叶片的光合能力应有一定的积极作用。另一方面,测量结果也显示,生长在低海拔(3650植物叶片的形态结构和功能对不同海拔的高原环境产生适应性变化。3.1不同海拔生境对叶片结构影响随海拔升高2种柳树叶面积均呈变小趋势(采样时观察),并有不同程度的增厚(表1,图版I,1~4),其中墨竹柳和左旋柳的叶片厚度增幅分别达到了46.9%和13.8%,这可能是由于海拔的升高,紫外辐射逐渐增强,限制了叶片的发育¨…,已有的研究认为,强紫外线辐射是影响高山植物叶片发育的重要环境因子之一,高山植物叶片变小增厚是对强紫外线辐射环境的一种适应L13.14]。另外,高原植物生长发育除了受强太阳辐射的影响,还受到温度和水分因子的限制。本研究的试验区域海拔4600m,气温较低(年平均气温一4℃~4℃),温差大,无绝对无霜期,植物易形成‘生理干旱’胁迫,因此,如何防止水分散失,提高水分利用率是植物生存适应重要策略之一。在本研究中,随海拔的升高,叶片增厚、叶肉趋于全栅化、栅栏细胞层数和密度增加及表皮角质层增厚既可防止水分蒸腾散失,提高水分利用效率,又可防御强辐射对叶片的灼伤[1引。同时,2种柳树的叶片中脉随着海拔的升高趋于更发达一方面可能有利于植物水分和营养的运输;另一方面对自身叶形的保持也有一定的机械支撑作用,有利于增强植物对青藏高原高寒强风等不利因素的抵抗能力‘1m)的墨竹柳和左旋柳的G和Ci均600显著低于高海拔(4m)的同种植物,而L。的变化趋势与之相反,分别上升了19.4%和71.6%,这说明随海拔的升高,墨竹柳和左旋柳叶片光合效率的下降有气孑L限制的因素存在。而且,随海拔升高,co:分压的降低、叶片增厚、气孔面积减少及G。的下降在一定程度上可能也会影响叶片的光合效率。从整体来看,2种柳树随海拔升高引起的P。下降是各因子综合作用的结果,其中气孔限制值L。的显著升高,可能是导致其下降的主要原因之一。,基于以上研究,本实验认为,墨竹柳和左旋柳叶片对高原环境变化的适应策略相似,即二者均是以结构变化(如增加叶片厚度、角质层厚度、气孑L密度及维管组织等)和牺牲碳同化能力为代价来适应高原环境的,但二者之间也存在一些差异,可能是种间差异所致。气孔是植物与外界环境交换气体及水分的通道,植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用都离不开气孑Ln6‘。气孔对环境的变化(如oz和COz分压)较为敏感。随着海拔的升高,2种柳树的气孔密度均呈增加趋势,而单个气孔面积呈减小趋势。这可致谢:本研究得到了崔洪霞老师和邢全老师的大力帮助,在此表示感谢。参考文献:[1]LUCF(卢存福),JIANI.CH(简令成).Freezinghardinessinalpineplants[J].ChineseBulletinofBotany(植物学通报),1998,IS(3):17—22(inChinese).[2]王勋陵,王静.植物形态结构与环境[M].兰州:兰州大学出版社,1989:105—148.[33WUbetxM(吴学明).AstudyanatomicalcharacteristicsofleavesandstemsoffivealpineplantsusedforTibetanmedicineinQinghai—Ti—Plateau[J].ActaBot.Boreal.一Occident.Sin.(西北植物学报)。1996,16(1):56—60(inRChinese).leaf[4]ZHAOQF(赵庆芳),MAJ(--q瑞君),DUGZH(1/生国桢),etal.EcologicalsignificationoftheofthreespeciesofLigular—万方数据 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2期李翠,等:青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较281图版I不同海拔下左旋柳和墨竹柳叶片解剖结构LE.下表皮;PT.栅栏组织;UE.上表皮;C.角质层;CC.晶细胞;A.通气组织;P.薄壁组织;VB.维管束;VBS维管束鞘1、2.分别为海拔3和4600Plate650m和4600m的左旋柳叶片横切;3、4分别为海拔3650650m和4600m的墨竹柳叶片横切;5、6分别为海拔3650mm的左旋柳叶片毛脉横切;7、8分别为海拔3ITheanatomicalm和4600m的墨竹柳叶片主脉横切。标尺;i50pm。leavesinofSalixparaplesiavar.subintegraandSalixmaizhokunggarensisdifferentaltitudehabitatsLE.Lowerepidermis;PT.PalisadetissuetUE.Upperepidermis,C.Cuticle;CC.Crystalcell;A.Aercnchyma;P.Parenehyma;VB.Vascularbundle;VBS.VascularbundleFig.1,2sheathsectionstandsfortheleafinofSalixparaplesia650var.subintegraleavesandFig.3,4standforthesectionofSnlixmaizhokunggarensisvar.subintegraand4600altitudehabitatsof3standmand4600m,respeetively;Fig.5,6standfortheofSalixmaizhokunggarensissectionofSalixparaplP5i口3650leafmidribandFig.7,8forthesectionleafmidribinaltitudehabitatsofmm,respectively.Bar=150“m.万方数据 282西北植物学报29卷图版Ⅱ不同海拔下左旋柳和墨竹柳叶表面气孔密度650l,2分别为海拔36分别为海拔3100“m。Plate650m和4600600m的左旋柳叶片上表皮气孔密度;3、4分别为海拔3650650m和4600600m的左旋柳叶片下表皮气孔密度15,m和4m的墨竹柳叶片上表皮气孔密度;7、8分别为海拔3m和4m的墨竹柳叶片下表皮气孔密度。标尺=11StomadensityofSalixparaplesia,car.subintegraandofupperSalixmaizhokunggarensisleafepidermisofindifferentaltitudehabitatFig.1,2standsubintegrastandforthestomadensityhabitatofepidermisand4600Fig.3,4standforthestomadensitystandlowerepidermisofSalixparaplesiadensity3650leavesinaltitude3650mandm。respeetively;Fig.5,6leavesforthestomaofupperepidermis600andFig.7,8forthestomadensityoflowerepidermisofSalixmniz^o矗“"ggnrP柠sisinaltitudehabitatsofmand4m,respectively.Bar=100“m.万方数据 青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较

作者:作者单位:

李翠, 程明, 唐宇丹, 姜闯道, 戴绍军, 石雷, LI Cui, CHENG Ming, TANG Yu-dan, JIANG Chuang-dao, DAI Shao-jun, SHI Lei

李翠,LI Cui(东北林业大学,生命科学学院,哈尔滨,150040;中国科学院植物研究所,北京,100093), 程明,唐宇丹,姜闯道,石雷,CHENG Ming,TANG Yu-dan,JIANG Chuang-dao,SHILei(中国科学院植物研究所,北京,100093), 戴绍军,DAI Shao-jun(东北林业大学,生命科学学院,哈尔滨,150040)

西北植物学报

ACTA BOTANICA BOREALI-OCCIDENTALIA SINICA2009,29(2)3次

刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

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