两种生长基质下降香黄檀叶片形态解剖表型可塑性比较*

韦耀妮，杨振德,2，文 黎，席英卓，覃桂丽，玉舒中**

(1.广西大学林学院，广西南宁 530004；2.广西森林生态与保育重点实验室，广西南宁 530004)

0 引言

表型可塑性(Phenotypic plasticity)是同一个基因型的生物个体通过调节外部形态特征和内部生理功能等来适应异质生境的生态适应行为[1,2]。在植物与环境相互作用过程中，植物通过表型可塑性策略更好地适应环境[3]。叶片作为植物与环境接触面积最大的营养器官，在环境因子(如水分、温度和光照等)发生变化的过程中具有较大的可塑性[4]。因此，叶片形态解剖表型可塑性指数是评价植物适应异质性环境的重要指标。目前已有许多学者从植物功能性状角度去探讨石漠化地区植物的适应策略[5-8]，如叶经济谱[9,10]、光合特性[11-15]、生长特性[16,17]或形态解剖等生理特征[18-21]。

降香黄檀(Dalbergiaodorifera)，属豆科(Leguminosae)蝶形花亚科(Papilionaceae)黄檀属(Dalbergia)常绿半落叶乔木，被列为国家二级保护植物[22]，原产于我国海南岛，在广东、福建等华南地区多有分布[23]。降香黄檀对陡坡、岩石裸露和干旱瘦瘠地等贫瘠生境适应性强，因其自身具根瘤固氮、抗旱和耐贫瘠等能力多被用作喀斯特石漠化地区造林的先锋树种[24]。但是关于降香黄檀如何通过叶片表型可塑性策略适应石漠化环境，还未见有关研究报道。因此，本研究以全壤土和全石砾生长基质(模拟极端石漠化土壤基质)栽培下的降香黄檀幼苗为研究对象，研究不同生长基质下叶片形态解剖参数及其表型可塑性变化，旨在阐明降香黄檀的石漠化适应机制，为降香黄檀在石漠化地区的推广栽培提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西大学林学院林学苗圃实验基地(108°22′E，22°48′N)，气候为典型亚热带季风气候，年均气温21.6℃，极端最高气温40.4℃，极端最低气温-2.4℃，年均降雨量达1 304.2 mm，降水日数116-181 d，平均相对湿度79%。其中4-9月为雨季，高温多雨，降水量占年降水量的70%-85%；10月至次年3月为旱季，干旱少雨，降水量仅占年降水量的15%-30%[25]。

1.2 材料

生长基质：生长基质全壤土基质(赤红壤)和全石砾基质(石灰岩碎石)均采自广西壮族自治区南宁市马山县石漠化地区，其中全壤土基质pH值5.34，相对含水量为19.63%，全磷含量0.145 g·kg-1，全钾5.745 g·kg-1，全氮1.753 g·kg-1；全石砾基质粒径约0.51 cm，pH值8.21，相对含水量为2.89%，全磷含量0.002 g·kg-1，全钾0.105 g·kg-1，而全氮含量极低。

降香黄檀幼苗：试验材料为长势较一致的两年生降香黄檀幼苗(苗高54.0-56.0 cm，地径0.7-0.9 cm)，于2019年11月分别栽种在65 cm×100 cm装有全壤土和全石砾的塑料桶中(底部带有排水孔)，一桶一株，全壤土和全石砾基质各栽植10株。为保证幼苗正常生长，自栽苗后，每隔20 min进行一次滴灌，每次滴灌5 min，持续5个月。从2020年4月1日起，每日早上6：00、晚上18：00各滴灌10 min，11月1日起停止滴灌至采样结束。试验期间采用一致的田间管理，定期除去杂草，无额外人工施肥等营养措施。

1.3 指标测定方法

分别于2020年6月中旬和11月中旬进行采样。每种生长基质下随机选出3株无病虫害、长势良好的降香黄檀幼苗采集叶片，每株在降香黄檀向阳面生长的树冠中上部位选取完整成熟叶片30片，装袋标记好后置于冰盒中带回室内分别进行叶片形态与解剖参数测定。

使用便携式CI-203叶面积测定仪测量样叶叶长、叶宽和叶面积。测量结束后，将叶片置于烘箱内105℃杀青处理30 min后于75℃烘干至恒重，同时称量叶片干重，并计算叶面积与叶干重之比(SLA)。

另外，在室内把采摘的新鲜叶片立即用标准固定液(70%酒精∶38%甲醛∶冰醋酸=90∶5∶5，V∶V∶V)进行固定，固定好后，沿着主脉，在叶片中部剪出0.5 cm×0.5 cm叶块，按照常规石蜡切片流程操作后，用LEICARM2245石蜡切片机切片，切片厚度为8 μm，番红-固绿双重染色后，用加拿大中性树胶进行封片，置于LEICA显微镜下观察并拍照，并使用Image J软件测量叶片总厚度、叶表皮厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度，每个处理测量3个样本，每个样本测量10个视野，求平均值，并参照李娟霞等[26]的方法计算栅海比(P/S)、叶片结构紧实度(CTR)和疏松度(SR)。

1.4 数据处理

所有数据使用Excel 2010和SPSS20.0进行分析，比较两种生长基质下降香黄檀叶片形态解剖特征的差异。参照Valladares等[27]的方法计算出可塑性指数(PI)来评价两种生长基质下叶片形态解剖表型可塑性。

2 结果与分析

2.1 形态解剖特征

两种生长基质下降香黄檀叶片均属于异面叶，包括上表皮、下表皮、栅栏组织和海绵组织。与全壤土基质相比，全石砾基质下叶片上表皮细胞个体较小，多呈扁长状；下表皮细胞个体变化差异较大，多为近圆或椭圆形状；栅栏组织排列相对疏松，且上表皮和海绵组织的厚度相对较大，栅栏组织厚度相对较小(图1)。

U-ep：上表皮；L-ep：下表皮；Pal：栅栏组织；Sp：海绵组织

在同一月份，除叶片结构疏松度(SR)无显著差异外，不同生长基质下降香黄檀叶片形态解剖结构指标差异显著(P<0.05)(表1)，全石砾基质下叶片海绵组织厚度显著大于全壤土基质，叶长、叶面积、叶厚度和栅栏组织等形态解剖结构指标显著小于全壤土基质。

表1 不同生长基质下不同月份降香黄檀叶片形态解剖特征

在全壤土基质下，除叶厚度、下表皮厚度和栅海比(P/S)无显著差异外，11月份降香黄檀叶长、叶宽、叶面积、叶干重、上表皮厚度、海绵组织厚度和SR显著大于6月份，比叶面积(SLA)、栅栏组织厚度和CTR显著小于6月份。在全石砾基质下，除下表皮厚度和栅海比(P/S)无显著差异外，11月份降香黄檀叶长、叶宽、叶面积、叶干重、上表皮厚度、海绵组织厚度和SR显著大于6月份，SLA、叶厚度、栅栏组织厚度和CTR显著小于6月份。

由此可知，与6月相比，全石砾基质下降香黄檀叶片厚度在11月份显著减小，而全壤土基质下降香黄檀叶片叶厚度则无显著差异。

2.2 形态解剖结构指标的可塑性指数

由图2可知，在6月份，全壤土基质和全石砾基质下生长的降香黄檀叶片形态解剖结构指标可塑性指数(PI)整体均值分别为0.135,0.130，除叶干重、SLA和海绵组织厚度的PI及叶片PI整体均值无显著差异外，全石砾基质下降香黄檀叶面积的PI显著大于全壤土基质(P<0.05)，上表皮厚度和CTR的PI极显著大于全壤土基质(P<0.01)，而叶长、叶宽、叶厚度、P/S和SR的PI显著小于全壤土基质，下表皮厚度和栅栏组织厚度的PI则极显著小于全壤土基质。

LL：叶长；LW：叶宽；LA：叶面积；LDW：叶干重；SLA：比叶面积；LT：叶厚度；TUE：上表皮厚度；TLE：下表皮厚度；TPT：栅栏组织厚度；TST：海绵组织厚度；P/S：栅海比；CTR：叶片结构紧实度；SR：叶片结构疏松度；Means：所有指标可塑性指数的均值;图中数据为平均值±标准差，大写字母A、B表示同一生长基质不同月份各指标的差异显著性，小写字母a、b表示同一月份不同基质各指标的差异显著性(P<0.05)

在11月份，全壤土基质和全石砾基质下生长的叶片PI整体均值分别为0.113,0.165，除SR的PI无显著差异外，全石砾基质下降香黄檀叶宽、上表皮厚度和P/S的PI显著小于全壤土基质(P<0.05)，栅栏组织厚度的PI极显著小于全壤土基质(P<0.01)，而叶面积、比叶面积、叶厚度和下表皮厚度的PI极显著大于全壤土基质，其余指标的PI和叶片PI均值则显著大于全壤土基质。

同理，在全壤土基质下，除叶干重、SLA和SR的PI及叶片PI整体均值无显著差异外，11月份降香黄檀叶长和上表皮厚度的PI显著大于6月份，海绵组织厚度的PI极显著大于6月份，而叶宽、叶面积、P/S和CTR的PI显著小于6月份，叶厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度的PI则极显著小于6月份。

在全石砾基质下，6月和11月的叶片PI整体均值差异显著，11月份降香黄檀叶干重和SR的PI及叶片PI整体均值显著大于6月份，叶长、叶面积、SLA、下表皮厚度和海绵组织厚度的PI极显著大于6月份，而叶宽、叶厚度、P/S和CTR的PI显著小于6月份，上表皮厚度和栅栏组织厚度的PI则极显著小于6月份。

由此可知，在所有指标中，不同月份、不同生长基质下叶面积的PI最高，全石砾基质下叶片PI整体均值在11月份最大。

3 讨论

生长在环境差异程度不大的不同种植物，其形态解剖结构往往表现出趋同变化；而生长在环境条件不一致的同种植物，其形态结构解剖结构表现出明显的趋异现象[28-30]。矿质元素作为重要的环境因素在植物生长过程中不可或缺，养分的缺失会严重限制植物正常生长发育[31]。喀斯特地区岩石裸露面积大，土壤水分和养分亏缺，植物通过降低叶面积和提高叶干物质含量来增强其耐干旱、耐贫瘠的能力[5,32]。叶面积LA和比叶面积SLA是反映植物获取光照资源和光合能力的两个重要指标，LA越大，叶片光合能力越强，而低SLA的植物可以更好地适应资源贫瘠和干旱的环境[1,33-35]。本研究发现，全石砾基质下降香黄檀叶面积和比叶面积显著小于全壤土基质，推测降香黄檀可通过减小叶面积及比叶面积来适应干旱、高温和贫瘠的全石砾生长基质，这与其他学者对唐古特白刺(Nitrariatangutorum)[36]和白刺花(Sophoradavidii)[37]的研究结果一致。

随着干旱胁迫加剧，植物呈叶片变薄、栅栏组织缩短变紧密等变化趋势[38,39]。从雨季到旱季，全石砾基质下降香黄檀叶片变薄、疏松度显著增大，而全壤土基质下降香黄檀叶片厚度变化无显著差异，疏松度显著减少。全石砾基质下降香黄檀叶片变薄的原因可能是降香黄檀受到养分和水分亏缺的影响，叶片细胞分裂受阻，生长速率受限。另外，叶片组织结构疏松度越高，从侧面也反映出叶片海绵组织发达或者叶片较薄，此结果与其他学者对三叶木通(Akebiatrifoliate)[39]和野生葡萄(VitisquinquangularisRehd)[40]的研究结果一致。

表型可塑性是植物适应环境的重要机制之一，可塑性指数是对可塑性大小的数值量化，可以直观地表达出植株形态、生理生态性状对环境资源变异的响应程度[41,42]。在雨季，全石砾基质下降香黄檀叶长、叶厚度和下表皮厚度的PI显著小于全壤土基质，而上表皮厚度的PI极显著大于全壤土基质。在旱季，全石砾基质下降香黄檀叶长、叶厚度和下表皮厚度的PI显著大于全壤土基质，而上表皮厚度的PI则显著小于全壤土基质，表明降香黄檀叶长、叶厚度、上表皮厚度和下表皮厚度在应对生长季节旱湿度起着重要作用。

从雨季到旱季，降香黄檀叶面积和下表皮厚度的PI在全石砾基质下极显著增大，在全壤土基质下显著减小；而上表皮厚度的PI在全石砾基质下极显著减小，在全壤土基质下则显著增大，表明降香黄檀叶片上、下表皮厚度和叶面积的表型可塑性强，并在适应不同生长环境过程中起着主导作用。而降香黄檀叶片上表皮较为光滑、无气孔，下表皮密被表皮毛且分布大量气孔，表皮毛和气孔的密度、大小对下表皮厚度是否有影响还有待进一步研究。

综合来看，在旱季中全石砾生长基质下叶片表型可塑性最大，说明降香黄檀叶片在干旱环境中适应能力强，并能较好地适应高温、干旱且贫瘠的石漠化环境，此结果与钟悦鸣等[43]对胡杨(Populuseuphratica)的研究结果一致。不同月份、不同生长基质下叶面积的PI最高，说明降香黄檀叶片的叶面积在应对生长季节旱湿度和生长基质的变化时最敏感，在适应不同生长环境和不同生长季节时叶面积起着重要作用，可作为降香黄檀生长环境适应性评价的重要指标。

4 结论

综上所述，降香黄檀叶片形态解剖结构在两种生长基质下表现出明显的趋异现象。其形态解剖结构表型可塑性在雨旱两季的差异性不同；其中，在旱季，全石砾生长基质下的降香黄檀叶片形态解剖参数可塑性显著高于在全壤土基质生长的降香黄檀叶片形态解剖参数可塑性。在本研究各项指标中，叶面积对生长基质和季节旱湿度变化的可塑性指数最大，可作为降香黄檀生长环境适应性评价的重要指标。