7 种秋海棠属植物叶片解剖结构分析与耐热性评价

周志雄，王龙远，郭 微，谈 静，吴 伟，许 凯，薛彬娥，李凌飞

（1.仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510220；2.中国科学院仙湖植物园，广东 深圳 518004）

【研究意义】秋海棠属（BegoniaL.）是被子植物的第五大属，广泛分布于热带亚洲、非洲、及美洲，全球约有秋海棠属植物 2 000 种（含变种）［1］。根据生长习性可以将其分为根茎类、直立茎类和球根类，直立茎和根茎类秋海棠一般生长在较低海拔、林下环境，球根类秋海棠常见于高海拔地区［2］。不同环境下生长的秋海棠在形态结构上常表现出特殊的适应特征，叶部特征表现尤为显著［3-4］。因此，对不同生长环境下的秋海棠属植物叶片组织结构进行观察，有助于了解秋海棠属植物叶片形态的适应机理，为后续城市园林中应用秋海棠属植物提供理论基础。【前人研究进展】对不同耐热植物叶片形态解剖结构特征的研究表明，耐热植物通常具有共同的特征，如叶片总厚度和海绵组织厚度较大、栅栏组织与海绵组织的比例偏小，以及组织紧密度较高、气孔密度较大。关于叶片解剖结构与植物耐热性的关系，已在杜鹃、油茶、山茶、珙桐等植物中探讨过［5-7］。陈平等［8］通过石蜡切片、显微观察，对10 个海南山茶无性系的耐热性进行评价，结果表明，叶片厚度、角质层厚度、栅栏组织厚度、组织结构疏松度、栅栏组织厚度/海绵组织厚度、气孔密度是主要影响海南山茶耐热性的叶片解剖结构指标。邱义民等［9］在对7 个杜鹃花品种叶片解剖结构进行电镜扫描观察的基础上，采用变异系数、相关分析和聚类分析等方法，评价了杜鹃花叶片解剖结构11 个指标与耐热性的关系。研究表明，秋海棠属植物生长发育最适宜的温度为15～25℃，空气相对湿度65%～80%，遮阳60%（光照强度约5 000～20 000 Lx），栽培介质以疏松透气的混合型基质为主［1］。目前我国秋海棠属植物应用最为广泛的有四季秋海棠（Begoniacucullata）、龙翅秋海棠（B.coccinea），因其适应性和耐热性强，并能全年开花，在南京地区推广应用效果良好［10］；中华秋海棠（Begonia.grandis）在北京地区生长势良好，可直接应用于园林、护坡、道路绿化中［11］。对秋海棠属植物叶片结构的研究，主要关注的是其分类学意义，税玉民等［12］对原产云南的46 种3 变种的秋海棠属植物进行叶表皮及毛被的观察发现，叶表皮及毛被特征可作为区分种和变种的依据；张嵘梅等［13］对原产我国的秋海棠属植物叶片表皮进行观察发现，秋海棠属植物叶表皮形态在属内组间具有较大的相似性；李景秀等［14］通过石蜡切片对云南秋海棠属植物叶片横切面进行观察，发现这些秋海棠物种均为异面叶，具有典型的阴生植物叶片结构，叶肉组织有海绵组织和栅栏组织的分化，栅栏组织不发达，通常由1层细胞组成。【本研究切入点】秋海棠属植物叶色丰富，素有“观叶植物之王”的美称，目前对于秋海棠属植物的耐热性鉴定主要以生理指标进行判断，对秋海棠的叶片解剖结构与其耐热性之间的关系鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究对7 种不同生长习性和叶片颜色的原生秋海棠进行叶片解剖结构观察，旨在了解秋海棠叶片显色的结构基础，评价不同解剖结构指标在耐热性鉴定上的适用性，开发秋海棠植物耐热性快速鉴定的方法，为后续秋海棠属植物的耐热性新品种选育以及推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试秋海棠来自广州市仲恺农业工程学院白云校区温室大棚，7 种秋海棠植株均于2022 年3月进行扦插、11 月上盆培养，2023 年3 月对生长健壮、无病虫害的植株叶片取样，进行叶片组织结构的观察。

1.2 试验方法

主要取叶片有斑纹的部位进行观察，罗城秋海棠（LC）选择中脉白色部位和脉间红褐色部位，鹿寨秋海棠（LZ）、鹿斑秋海棠（LB）、巴塞罗斯秋海棠（BSLS）、德宝秋海棠（DB）选择脉间斑纹部位，变异秋海棠(BY)选择中脉白色部位和脉间红色部位，香花秋海棠（XH）选择脉间白色部位和绿色部位（表1，图1）。取不同部位的完整、健康和成熟叶片，切成1cm × 1cm 的小正方形，用标准固定液FAA 固定，常规石蜡切片法制备［15］。每个部分制作5 个切片，每个切片选取3 个视野进行观察测量。采用Image pro plus 6.0（Media Cybernetics）软件测量叶片、角质层、上表皮、下表皮、栅栏组织和海绵组织的厚度，并计算栅海比(栅栏组织厚度/海绵组织厚度)、组织结构紧密度（栅栏组织厚度/叶片厚度）、组织结构疏松度（海绵组织厚度/叶片厚度）和变异系数。

图1 7 种秋海棠属植物的叶片斑纹Fig.1 Leaf variegation of 7 Begonia species

表1 7 种秋海棠属植物来源和叶片特征Table 1 The origin and leaf characteristics of 7 Begonia species

1.3 数据分析

采用Excel 和SPSS19.0（IBM Corp.，Armonk,n.y.，USA）软件进行数据分析。相关指数计算公式如下：

式中，Ri2为每一类中各指标的相关指数(i=1，2，........，n)，n为每一类指标的个数；r为一个指标与同类其他指标的相关系数。根据相关指标的大小选择各种典型指标，指标的相关指数越大，越具有代表性［16］。

采用隶属函数法对不同秋海棠品种的耐热性进行评价。若该指标与热阻正相关，则计算公式为：

若该指标与耐热性呈负相关，则计算公式为：

式中，f(xi)为某一耐热指标的隶属函数值。xi为该项指标观测值，xmax是该项测定指标的最大值，xmin为该项测定指标的最小值。

根据勒路真等［17］的方法，通过隶属度函数计算平均隶属度，平均隶属度越高，耐热性越强，并将耐热性分为耐热型（R,0.550～1.000）、中耐热型（MR,0.500～0.549）和低耐热型（LR,0.450～0.499）3 个等级。

2 结果与分析

2.1 叶片结构特征比较

2.1.1 叶片厚度比较 叶片厚度常作为植物耐热性的指标之一，叶片越厚，植物丧失水分越慢，植物越容易在炎热的环境下存活。由表2 可知，7种秋海棠的叶片厚度在172.01～355.62 µm，平均厚度为268.53 µm，叶片厚度依次为鹿寨秋海棠＞变异秋海棠＞香花秋海棠＞鹿斑秋海棠＞罗城秋海棠＞巴塞罗斯秋海棠＞德宝秋海棠。厚度差最大幅度为183.61 µm，变异系数为24.55%，差异极显著（P＜0.01）。

表2 7 种秋海棠属植物的叶片组织结构Table 2 Leaf anatomy of 7 Begonia species

2.1.2 叶片表皮特征 表皮是植物抵御外界不良环境的屏障。由表2 可知，7 种秋海棠均为异面叶，上下表皮均为1 层排列紧密的细胞。同种秋海棠的上下表皮厚度相差不大，不同物种间均差异极显著（P＜0.01），上表皮的厚度为45.97～89.83 μm、变异系数为23.56%；下表皮厚度为38.29～94.78 μm、变异系数为25.07%，其中巴塞罗斯秋海棠的上下表皮均较厚，香花秋海棠的上下表皮均较薄。由图2 可知，7 种秋海棠的叶片表皮均由1 层细胞组成，通常为长方形、正方形或者不规则形，表面平滑或者向外凸起，少数种类在表皮细胞外侧还有1 层角质层，上表皮细胞与下表皮细胞在大小上相差不大，气孔几乎分布在下表皮。

图2 7 种秋海棠属植物的叶片横切面结构Fig.2 Cross-sectional leaf anatomies of 7 Begonia species

2.1.3 叶肉特征 由图2 可知，7 种秋海棠属的植物叶肉均有栅栏组织和海绵组织的分化，但是栅栏组织不发达，内含较多的叶绿体细胞。观察发现，叶片呈白色部位的栅栏组织排列松散，呈圆形，与上表皮之间存在一定的空隙；红褐色和绿色部位的栅栏组织呈漏斗型，排列紧密，与上表皮之间没有间隙，海绵组织相对发达，由多层细胞组成，细胞呈圆球形，长椭圆形，排列松散，通气组织发达，内含少量叶绿体。7 种秋海棠属植物的栅栏组织的变化范围为24.19～45.84 μm，其中最大为鹿斑秋海棠，最小为巴塞罗斯秋海棠白色部位，变异系数为24.93%；叶片海绵组织厚度明显大于栅栏组织，变化范围为23.17～157.80 μm，其中最大为变异秋海棠，最小为巴塞罗斯秋海棠，变异系数为52.99%，栅海比为0.24～1.04，组织疏松度为0.11～0.50，组织紧密度为0.11～0.18（表2），6 种秋海棠属植物的叶片结构均较疏松。

2.2 不同秋海棠属植物耐热性综合评价

2.2.1 叶片耐热性解剖结构指标筛选 为确定评价最优指标，对7 种秋海棠属植物的叶片解剖结构指标进行聚类，结果（图3）发现8 项指标可聚成4 类：第1 类为海绵组织厚度、组织疏松度、叶片总厚度、栅栏组织厚度；第2类为组织紧密度；第3 类为上表皮厚度、下表皮厚度；第4 类为栅海比。根据相关指数计算，将4 类指标进行排序，相关指数与变异系数最大的指标为最典型指标（表3），最典型指标为海绵组织厚度、栅海比、叶片总厚度厚度、组织紧密度（表4）。

图3 叶片解剖结构指标聚类分析Fig.3 Cluster analysis of leaf indicators of anatomical structure

表3 叶片解剖结构指标的相关矩阵Table 3 Correlation matrix based on indicators of leaf anatomical structure

表4 4 类叶片结构相关指标与排序Table 4 Relevant indicators and ranking of 4 types of leaf structures

根据筛选典型指标，采用隶属函数法对7 种秋海棠属植物进行耐热性综合评价，按照平均隶属度将7 种秋海棠属植物分为3 个耐热等级，巴塞罗斯秋海棠为耐热型，鹿寨秋海棠、罗城秋海棠为中耐热型，德宝秋海棠、鹿斑秋海棠、香花秋海棠、变异秋海棠为低耐热型，耐热型由强到弱依次为巴塞罗斯秋海棠、鹿寨秋海棠、罗城秋海棠、鹿斑秋海棠、德宝秋海棠、变异秋海棠、香花秋海棠（表5）。

3 讨论

植物叶片是植物进行光合作用、气体交换以及蒸腾作用的主要场所，其形态受到环境的深刻影响，因此植物的叶片解剖结构能在一定程度上反映植物对环境的适应能力［18-21］。众多学者对不同植物的叶片解剖结构与耐热性之间的关系进行研究，大多数认为叶片总厚度、海绵组织厚度、栅栏组织与海绵组织的比例以及组织紧密度是决定植物耐热性的主要解剖学指标，植物不同，叶片解剖的耐热性指标也有所不同，因此，完全利用前人的研究结果选择耐热性指标对秋海棠属植物进行耐热性综合评价，其结果有可能降低其耐热性鉴定的准确性。鉴于此，本研究采用聚类分析、相关性分析筛选出7 种秋海棠属植物耐热性的主要指标为叶片总厚度、海绵组织厚度、栅海比、组织紧密度。

秋海棠属植物有三大分布中心，分别是亚洲、非洲和美洲［12,22-23］。一般而言，美洲的秋海棠种类在耐热性方面优于亚洲和非洲的种类，亚洲的秋海棠种类又以广西的耐热性最好，原产于云南的秋海棠种类耐热性较差。本研究分别对原产于中美洲和中国广西、云南的秋海棠种类进行比较发现，原产中美洲的巴塞罗斯秋海棠耐热性，最好，原产云南的香花秋海棠耐热性最差，这与前人的研究结果相符［24］。国内对于秋海棠植物耐热性方面主要是基于生理指标进行判断，如胡永红等［25］通过测定几种球根秋海棠叶片的气孔数量和结构、体内过氧化物酶和多酚氧化酶的活性，以及光合速率、蒸腾速率等指标，探讨了其与耐热性的相关性。目前，秋海棠属植物叶片解剖结构主要是用于其显色结构基础的判断。Zhang等［26］对大王秋海棠的叶片进行解剖观察，发现其白色部位的栅栏细胞与上表皮之间存在较大空隙，而绿色部位的栅栏细胞与上表皮之间没有细胞间隙，因此判断其为空隙型叶斑。杜文文等［27］对7 种秋海棠属植物进行解剖结构研究，发现银点秋海棠、铺地秋海棠、假厚叶秋海棠、‘皮卡’和‘非洲丛林’秋海棠的叶斑为空隙型，彩纹秋海棠和‘虎斑’秋海棠为色素型，而关于叶片解剖结构与秋海棠耐热性方面鲜有报道，本研究首次评价了秋海棠属的叶片解剖结构与其耐热性之间的关系，然而，要准确评价秋海棠属植物的耐热性，还需要结合生理生化、分子生物学指标等，特别是高温环境下的同质园比较试验。

4 结论

本研究通过对7 种秋海棠属植物不同颜色叶片进行切片观察，发现7 种秋海棠植物叶片为典型的异面叶结构，叶肉有栅栏组织和海绵组织的分化，栅栏组织不发达，通常由1～2 层细胞组成，不同颜色栅栏细胞的形态和排列方式不同，这是秋海棠属植物叶片显色的结构基础。对秋海棠属植物的叶片解剖结构指标进行聚类分析发现，其耐热性相关的指标具有类群特异性。同时，对叶片结构各组织厚度进行测定发现，秋海棠属植物的叶片结构具有较大的疏松度，即海绵组织相对发达而栅栏组织不发达，这与秋海棠属植物的耐热性显著相关。本研究对秋海棠耐热性与叶片形态解剖的关系进行探究，可为耐热性秋海棠品种的选育提供参考。