胡杨雌雄株叶片气孔特征差异比较

刘一凡 冯俊鑫 王斌强 文嘉禄 张晓玮

胡杨（Populus euphratica）是杨柳科（Salicaceae）杨属落叶乔木，多生长在荒漠地带，为第三纪的孑遗植物。胡杨具有极喜光、耐盐碱、耐大气干旱、抗风沙、喜温暖也耐寒等特性，是干旱荒漠区自然林主要建群树种，能在地下水位较高的盐碱地和沙丘上存活，生长缓慢，能够抵御风沙、遏制沙化，在维护区域生态平衡和保护生物多样性方面，发挥着重要的作用。有关胡杨的研究较多，主要是有关胡杨生理生化、生境条件以及分子生物学方面的研究，有关解剖学的实验也较多，但关于胡杨叶片微观结构间的雌雄比较较少。

胡杨作为雌雄异株的生物，其结构特征和生理特性存在一定差异。气孔作为植物碳水耦合权衡的重要器官，叶片水力性状关系到植物对外在环境的适应能力，它限制植物整株的水分传输，影响植物的气体交换，进而影响植物的存活与生长。综合分析胡杨气孔特征在雌雄株间的差异，更有利于我们了解胡杨抗旱机理和胡杨在形态结构方面的自然进化。

一、研究区概况与研究方法

（一）研究区概况

酒泉市金塔县位于东经97°58′至100°20′、北纬39°47′～40°59′之间，全县总面积1.88 万平方公里。金塔县属于典型的温带干旱大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，温差大，日照充足，蒸发大。

（二）材料与方法

以金塔县相同树龄的胡杨为研究对象，依据胡杨性别，在生长状况良好的胡杨雌株和雄株上各随机采取健康叶片，将采集后的叶片立刻用70%酒精的FAA固定液固定并保存。制片参考被子植物叶片气孔制片方法中的氢氧化钠离析法和氢氧化钠快速离析法等方法并进行改良。为方便制取表皮，采用20%的次氯酸钠溶液直接浸泡，其中卵圆形叶浸泡24 小时，针形叶浸泡30 小时左右，待叶片透明，然后在叶片的中轴面撕取表皮用1%的番红染液染色，随即制取临时装片。

（三）气孔有关值的测定

本实验采用Zeiss Axio Imager A2 分别在10 倍和100 倍镜下对装片拍照，利用ImageJ 软件进行气孔特征的测量，利用测量出的气孔宽度换算出气孔深度。

（四）数据分析

利用Excel 对所有数据整理和换算后，在IBM SPSS Statistics 26 中对数据进行统计分析，利用单因素方差分析不同特征的参数，并进行双变量相关性分析。

二、结果与分析

表1 胡杨雌雄株上下表皮的气孔特征比较

胡杨叶片气孔呈肾形，基本均匀排列在叶片表面。

由表1 可知，雌株上下表皮气孔密度分别为每平方毫米216.81±4.55 个和284.26±6.72 个，雄株上下表皮气孔密度分别为每平方毫米211.25±4.83 个和247.68±7.55 个。方差分析表明，雌株上表皮气孔密度与雄株上表皮气孔密度间无显著差异（P＞0.05），而雌株下表皮气孔密度显著高于雄株（P＜0.05）。无论是雌株还是雄株，上表皮气孔密度均显著低于下表皮气孔密度（P＜0.05）。

雌株上下表皮气孔长度分别为11.14±0.16 微米和10.78±0.17 微米，雄株上下表皮气孔长度分别为10.56±0.09 微米和10.77±0.11 微米。方差分析表明，雌株上表皮气孔长度显著长于雄株气孔长度（P＜0.05），雌株、雄株下表皮的气孔长度间无显著差异（P＞0.05）。无论是雌株还是雄株，上下表皮气孔长度间均无显著差异（P＞0.05）。

雌株上下表皮气孔宽度分别为5.80±0.20 微米和5.23±0.09 微米，雄株上下表皮气孔宽度分别为5.04±0.07 微米和4.97±0.09 微米。无论是上表皮还是下表皮，雌株的气孔宽度显著宽于雄株气孔宽度（P＜0.05）。雌株上表皮气孔宽度显著宽于下表皮气孔宽度（P＜0.05），雄株上下表皮的气孔宽度间无显著差异（P＞0.05）。

雌株上下表皮气孔深度分别为5.23±0.20 微米和4.75±0.12 微米，雄株上下表皮气孔宽度分别为4.85±0.12 微米和5.09±0.12 微米。雌株、雄株上表皮气孔深度间无显著差异（P＞0.05），只有雌株下表皮气孔深度显著小于雄株下表皮的气孔深度（P＜0.05）。雌株上下表皮气孔深度间无显著差异（P＞0.05），而雄株上表皮气孔深度显著小于下表皮气孔深度（P＜0.05）。

雌株上下表皮保卫细胞长度分别为14.58±0.36微米和13.92±0.29 微米，雄株上下表皮保卫细胞长度分别为13.84±0.26 微米和14.64±0.25 微米。雌株、雄株上表皮保卫细胞长度间无显著差异（P＞0.05），雌株下表皮保卫细胞长度显著小于雄株下表皮的保卫细胞长度（P＜0.05）。雌株上下表皮保卫细胞长度间无显著差异（P＞0.05），而雄株则表现为上表皮保卫细胞长度显著小于下表皮保卫细胞长度（P＜0.05）。

雌株上下表皮保卫细胞宽度分别为10.46±0.39微米和9.51±0.24 微米，雄株上下表皮保卫细胞宽度分别为9.70±0.24 微米和10.18±0.24 微米。雌株、雄株上表皮保卫细胞宽度间无显著差异（P＞0.05），雌株下表皮保卫细胞宽度显著小于雄株下表皮的保卫细胞宽度（P＜0.05）。雌株上下表皮保卫细胞宽度间无显著差异（P＞0.05），而雄株则表现为上表皮保卫细胞宽度显著小于下表皮保卫细胞宽度（P＜0.05）。

气孔各指标的相关性如表2 所示，其中气孔密度与气孔长度表现为极显著负相关，与保卫细胞长度表现为显著负相关，与其他指标表现为不显著。气孔长度与气孔宽度、气孔深度、保卫细胞长度和保卫细胞宽度表现为极显著正相关。气孔开度与气孔深度、保卫细胞长度和保卫细胞宽度表现为显著正相关。气孔深度与保卫细胞长度和保卫细胞宽度表现为极显著正相关。保卫细胞长度与保卫细胞宽度表现为正相关。

表2 气孔各指标间相关性

三、结论与讨论

胡杨是典型的异面叶植物，本研究结果表明胡杨无论雌株还是雄株，其叶片气孔密度均表现为上少下多的异面叶规律。这主要是由于胡杨长期生存于沙漠环境，叶片上表面面临更强的光照辐射和相对较高的温度，从而产生更强的蒸腾拉力，为了防止细胞失水造成生理干旱，胡杨上表皮细胞排列紧密，细胞间隙少，而下表皮细胞排列相对疏松，细胞间隙大。同时，相对疏松的下表皮细胞排列会减少二氧化碳进入光合反应中心时的气孔扩散阻力，从而有利气体交换和碳水化合物合成。同时，本研究表明气孔分布数量多的叶片则表现出气孔更小（主要表现为气孔长度更短）的特点。有研究表明大密度小气孔拥有更大的气体扩散效率和气孔调节能力，能够使叶片气孔快速开闭响应外界环境变化。因此，胡杨为了适应长期干旱高温等环境胁迫在气孔分布上表现出上少下多的规律。

在长期的自然进化中，植物雌雄株的资源配置、生理生化方面产生明显的差异。胡杨的气孔特征在雌雄株的上下表面的规律相似，数量、长度等存在明显差异，雌株的气孔密度、长度、宽度等指标均大于雄株。相比雄株，雌株拥有较高的生殖消耗，需要提高自身从环境中获取资源，特别是碳资源的能力。通过对杨柳科植物的研究证明雌雄株在叶片气孔和气体交换能力方面具有明显的性别差异，雌株拥有更高的光合能力和水分利用效率。通常认为较大的气孔密度和气孔大小，保证了较多二氧化碳的流入，能够合成更多有机物以供生殖生长，进而弥补了雌株较高的生殖耗费。

本实验仅对胡杨的雌雄株叶片的气孔差异进行了综合分析，为了更加全面揭示胡杨雌雄株对环境的适应性差异，还需进一步对胡杨雌雄株水力结构性状、光合能力等方面的差异进行研究。同时，胡杨是具有典型异形叶的植物，不同异形叶具有不同的环境适应能力，雌雄株异形叶间的气孔特征具有何种差异，雌雄株在响应环境方面异形叶间气孔行为具有何种差异等问题的研究，将更有助于我们了解雌株在长期负担生殖压力的情况下生理活动的权衡，对雌株的生殖消耗补偿机制以及雌雄株营养分配等研究提供帮助。

四、致谢

本研究是在甘肃省青年科技计划（18JR3RA188）和甘肃农业大学省级大学生创新创业训练计划项目资助（202008014）资助下完成的。