梯牧草植株叶片解剖特征对不同海拔梯度的响应

Response of Leaf Anatomical Characteristics of Phleum pratense to Different Altitudinal Gradients

摘要

以新疆伊犁哈萨克自治州昭苏县为研究区域，以不同海拔1 700～2 200 m处的梯牧草（Phleum pratense）为研究对象，对梯牧草叶片微形态和横切面解剖结构进行测定，比较不同海拔梯度对梯牧草解剖结构的影响。结果表明：（1）梯牧草叶片为等面叶，叶表皮由长细胞、短细胞和气孔器组成，上表皮有泡状细胞，呈不同程度的乳状突起，无栅栏组织和海绵组织分化；（2）不同海拔梯度下野生梯牧草叶片解剖结构存在显著差异，中脉厚度、泡状细胞厚度、维管束鞘细胞厚度、上角质层厚度差异均较大，且随海拔升高呈现减小趋势，气孔的长度随海拔的升高呈现增长的趋势，而气孔密度呈现减小趋势，低海拔地段气孔密度显著高于高海拔地段（P<0.05）；（3）相关性分析结果表明，海拔与下表皮细胞呈极显著负相关（P<0.01），与上表皮细胞呈显著负相关（P<0.05）。研究结果为野生梯牧草种质资源开发利用及优异种质资源筛选提供科学依据。

Abstract

Zhaosu County, Ili Kazakh Autonomous Prefecture in Xinjiang as the study site and Taking Phleum pratense at different altitudes ranging from 1 700 m to 2 200 m as the research object, the micro-morphology and cross-section anatomical structure of Phleum pratense leaf were observed and the effects of different altitudinal gradients on the anatomical structure of Phleum pratense Leaf was compared, The leaf of Phleum pratense is isobilateral leaf, and the epidermis consisted of long cell, short cell and stomatal apparatus. The upper epidermis had vesicular cell with varying degrees and densities of papilla, and palisade tissue and sponge tissue were undifferentiation. There are significant differences in the anatomical structure of Phleum pratense leaves，and the thickness of the midvein, bulliform cell, vascular bundle sheath cell and upper cuticle layer are all relatively large, and they showed a decreasing trend with increasing altitude. The length of stomata showed an increasing trend with increasing altitude, while stomatal density decreasing with altitude. The stomatal density in low altitude areas is significantly higher than that in high altitude areas (P<0.05). The correlation analysis showed that there is extremely significant negative correlation (P<0.01) between elevation and lower epidermal cell thickness and significant negative correlation with upper epithelial cell thickness (P<0.05). The research results provide a scientific basis for the development，utilization and protection of Phleum pratense resources, as well as the screening of qualified germplasm resources.

Graphical abstract

关键词

梯牧草 / 海拔 / 解剖结构 / 气孔特征

Key words

Phleum pratense / altitude / anatomical structures / stomatal characteristics

引 言

梯牧草（Phleum Pratense），又名猫尾草、赫得草，为禾本科梯牧草属多年生疏丛型草本植物，是一种适宜于寒冷湿润地区种植的冷季型牧草^[1]。梯牧草原产于亚欧大陆的温带，在欧美各国也均有栽培，曾被苏联列为重要牧草，在我国的东北、华北、西北地区亦有种植。据《中国植物志》记载野生梯牧草仅分布于新疆地区，且新疆昭苏盆地是野生梯牧草分布的重要区域。梯牧草具有营养价值高、抗逆性强、适应性广等特点，饲用价值极高，是家畜的优良牧草^[2-4]，可以有效解决牧区饲草、退耕还草、种草养畜等问题^[5]，但目前并没有得到广泛的推广^[6,7]。

植物形态结构受水分、温度、光照、降水量等环境因子的影响而发生一定的变化^[8]，其中植株形态特征及叶表皮形态结构的差异是环境差异导致的最直接反应^[9]。环境变化常引起叶片形态解剖结构的响应与适应^[10]，具体表现在叶片长、宽、厚度，叶表面气孔、表皮细胞及附属物，叶肉栅栏组织、海绵组织、胞间隙、厚角组织和叶脉等方面。其中海拔是不同环境因素的综合表现，各种环境因素在不同海拔梯度上表现出相应的变化。如，施海燕等^[11]对青藏高原东缘不同海拔的7种风毛菊属（Saussurea）植物的叶结构进行研究发现，7种植物均为异面叶，表皮细胞单层，角质层厚，叶肉栅栏组织、海绵组织和叶片的总厚度均随海拔升高而增大；陈钊等^[12]对不同海拔的3种披碱草属（Elymus）植物进行测定发现，不同披碱草属植物的形态特征对海拔变化的反映不同。在叶表皮微形态特征研究中，王燕红^[13]对禾本科梯牧草属（Phleum）的叶片上下表皮微形态特征进行了研究发现，梯牧草属植物叶片上下表皮脉间长细胞均为长筒形或长菱形；刘金祥^[14]对3种香根草属（Vetiveria Bory）植物的叶表皮微形态特征进行观察和比较发现，香根草属的叶表皮皆由长细胞、短细胞、气孔器、微毛、刺毛、大毛和乳突所组成；吕婷^[15]对沙生植物沙鞭（Psammochloa）50个代表种群的叶表皮微形态特征进行了观测，系统探讨了叶表皮微形态特征的分类学及生态适应性。

上述研究表明，海拔对植物叶片解剖结构有一定的影响。本研究以新疆昭苏盆地海拔1 700\sim2 200 m的野生梯牧草集中分布区为研究区域，通过采用野外调查与室内分析相结合的方法，测定不同海拔地段梯牧草叶片解剖结构，分析比较海拔梯度变化与野生梯牧草叶片解剖结构差异关系，明确海拔变化对梯牧草叶片解剖结构的影响，为野生梯牧草种质资源开发利用及优异种质资源筛选提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆伊犁哈萨克自治州昭苏县（E 80°08′～81°30′，N 42°38′～43°15′），海拔介于1 323\sim6 995 m。该区域地形独特：南倚天山主脉，北靠乌孙山和塞克散山，西临沙尔套山，形成一个南、北、西三面高，东部低的山间盆地。昭苏县属于大陆性温带山区半干旱半湿润冷凉气候，其特点是冬长夏短，春秋湿润、寒冷、多雾，盛夏多雷、多雨、多冰雹^[16]。由于受山区地形影响，该地区气候在垂直梯度上有明显的差异，年均温在2.9℃左右，气候较凉爽，全年无霜期短，年均降水量达500 mm以上，属于新疆降水量较多的一个地区，降水空间分布特点是东部多于西部，山区多于盆地。山区年降水量可达600 mm以上，低谷地带降水量则约为400 mm。全年降水主要集中在4—9月份，占全年降水量的85%，使得该地区降水充足，空气湿润。

1.2 材料来源与取样方法

本研究以野生梯牧草为研究对象，取样点位于该物种集中分布区海拔1 700～2 200 m范围内。按照不同生境类型，每隔海拔100 m设置一个调查点，共6个点，每个点随机采集健康、完整的梯牧草植株30株，采集其新鲜旗叶叶片，置于卡诺固定液中固定，随后带回实验室，切取叶片中部、中脉两侧约3 mm × 4 mm的区域，经清水漂洗干净后，使用JSM－6380LV型扫描电镜（日本电子株式会社，日本）进行叶片解剖学指标的观察与测定。

1.3 测定内容

选取不同叶片中间部位的叶组织进行观察，并在其中挑选形状规范、体积大小相似的10个细胞进行数据测定。

叶表皮微形态结构特征观察测定：脉间长细胞形状、脉间短细胞形状、气孔副卫细胞形状、脉上钩毛分布、乳突的分布。

叶片横切面解剖结构观察测定：上角质层厚度、上表皮细胞厚度、下角质层厚度、下表皮细胞厚度、泡状细胞厚度、维管束直径、维管束鞘细胞厚度、叶片厚度、中脉厚度、机械组织厚度等。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据处理和绘图，SPSS 21.0软件对各个形态学指标进行相关性分析及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 梯牧草叶片解剖结构的共同特征

图1为梯牧草的叶片横切解剖结构。从图中可以看出，其叶片为等面叶，横切显示中脉处最厚、叶缘处最薄。叶片结构由表皮、叶肉和叶脉3部分组成，叶脉为平行脉。表皮由长细胞、短细胞和气孔器组成，上表皮有泡状细胞；叶脉为平行脉，维管束鞘由1～2层薄壁细胞组成，细胞大，排列整齐；维管束鞘细胞外侧密接1层叶肉细胞；与其他禾本科植物不同的是梯牧草没有海绵组织和栅栏组织。具体特征：上、下表皮各由1层细胞构成，并具有不同程度的乳状突起，上表皮中有泡状细胞分布；泡状细胞嵌入每2个维管束间的叶肉组织中，并处于上表皮；表皮细胞外壁为角质层；叶肉组织较简单，由1层围绕维管束的薄壁细胞组成，叶肉组织分布在维管束的左右两边，上下无分布或很少分布，维管束上下分布着厚壁细胞，即机械组织，机械组织与上、下表皮相连。

2.2 梯牧草叶表皮微形态结构特征

本研究对不同海拔野生梯牧草叶表皮微形态结构进行分析，梯牧草上下表皮由脉间长细胞、短细胞、气孔、气孔保卫细胞、脉上钩毛、乳突等组成。梯牧草叶片上表皮脉间长细胞大多呈现长筒形，而在海拔1 700 m和2 200 m处呈现六边形；叶片下表皮脉间长细胞均呈现六边形。上下表皮脉间短细胞形状分析结果表明，海拔1 700 m、1 900 m、2 000 m处叶片上表皮脉间短细胞呈结节形，而1 800 m、2 200 m处接近长方形；叶片下表皮脉间短细胞在海拔1 700 m处呈结节形，其余海拔梯度均接近长方形。气孔保卫细胞形状分析结果表明，叶片上下表皮气孔保卫细胞形状均呈低圆顶屋形。脉上钩毛在海拔1 700 m、1 900 m处叶片上表皮均有钩毛分布，而其他海拔梯度未被发现；各个海拔梯度植株的叶片下表皮均有钩毛分布。乳突在叶片上表皮脉上均无发现，常见于叶片下表皮。

2.3 海拔对梯牧草叶片气孔的影响

根据不同地段梯牧草气孔长度进行分析（表2），分布于不同海拔梯牧草植株气孔长度存在显著差异（P<0.05），气孔的长度随海拔升高呈增大趋势，在2 200 m处气孔长度最大。气孔宽度：不同海拔梯度上表皮气孔宽度未呈现显著差异（P>0.05）；下表皮气孔宽度在海拔1 900～2 200 m处显著高于低海拔地段。气孔密度：气孔密度在各海拔均呈现显著差异（P<0.05），且随海拔升高呈现下降趋势。

2.4 海拔对梯牧草叶片角质层和表皮细胞的影响

梯牧草叶片上下表皮细胞外切向壁上都有角质层，即上、下角质层，角质层可以防止水分的散失。图2显示，叶片上角质厚度在海拔1 800\sim2 100 m范围内变化不大，未呈现显著差异（P>0.05），而在海拔1 700 m和2 200 m处上角质层较厚，与其他4个海拔梯度呈现显著差异（P<0.05），海拔对梯牧草叶片影响情况呈现两头高中间低的趋势，在海拔2000 m处变异系数最高，为21.01%；下角质层厚度在海拔1 900 m处较厚，呈现显著性差异（P<0.05），1 700 m、1 800 m、2 000 m、2 100 m、2 200 m处角质层厚度未呈现显著差异（P>0.05），在海拔1 900 m处变异系数最高，为27.81%。

比较不同海拔梯度梯牧草叶片表皮细胞厚度差异发现，上表皮细胞厚度在海拔1900 m和2200 m处较低，与其他海拔梯度呈显著差异（P<0.05），且在2 200 m处变异系数最高，为18.64%；下表皮细胞厚度变化范围为18\sim22.19 µm，在海拔1 700 m处下表皮细胞显著高于其他海拔（P<0.05），且变异系数最高，为26.56%。

2.5 海拔对梯牧草叶片泡状细胞和机械组织的影响

植物叶片泡状细胞可以储存水分，参与调控叶片水分蒸腾过程，其厚度变化范围为29.50\sim47.53 µm。如图3所示，在海拔2 200 m处泡状细胞的厚度最小，在海拔1 700\sim1 800 m范围内泡状细胞厚度相对较大，显著高于其他海拔（P<0.05），在海拔2 000\sim2 200 m范围内，随着海拔上升泡状细胞厚度显著减小（P<0.05），在海拔2 200 m处其变异系数最高，为28.21%。

梯牧草叶片机械组织分布于维管束上下，与上下表皮相连。图3显示，上表皮机械组织厚度呈现两端高，其厚度变化范围为58.08～73.04 µm，在海拔2 200 m处上表皮机械组织较厚，而在2 000 m处其变异系数最高，为36.41%；下表皮机械组织厚度在海拔1 700\sim1 900 m范围内呈下降趋势，在1 700 m处下表皮机械组织显著高于其他海拔梯度（P<0.05），且变异系数最低，为11.82%，在海拔1 700 m和1 900 m、2 100 m处呈现显著差异（P<0.05），1 800 m、2 000 m、2 200 m处的表皮机械组织厚度基本相近，未呈现显著差异（P>0.05）。

2.6 海拔对梯牧草叶片维管束和维管束鞘细胞的影响

维管束不仅可以运输营养物质，还可以储存水分，保证了植物体内水分含量充足^[19]。如图4所示，在海拔1 700 m、1 800 m、2 100 m、2 200 m处维管束鞘细胞厚度相近，未呈现显著差异（P>0.05），而与海拔1 900 m和2 000 m地区呈现显著差异（P<0.05），并且在这两处海拔梯度其厚度较小，厚度随海拔的变化表现出中间低两边高；维管束直径变化范围为134.93\sim157.42 µm，分布于不同海拔地区的维管束直径较相近，未呈现显著性差异（P>0.05），在海拔1 700 m处维管束直径较大，1 900 m处维管束直径较小，且在2 000 m处变异系数最大，为12.55%。

2.7 海拔对梯牧草叶片中脉厚度和叶片厚度的影响

中脉具有机械支撑和营养物质疏导双重功效，其厚度变化范围为265.93\sim400.11 µm。图5显示，在海拔1 700 m处中脉厚度显著高于其他海拔梯度（P<0.05），而在2 100 m处其厚度最小，1 800\sim2 000 m、2 200 m处厚度比较相近，未呈现显著性差异（P>0.05），2 200 m处变异系数最高，为28.11%。

叶片厚度的变化范围为129.02～167.65 µm，图5显示，海拔在1 700 m处叶片厚度显著高于其他海拔梯度（P<0.05），在海拔1 700 m处叶片厚度较大，海拔2 100 m处叶片厚度较小，在2 100 m和2 200 m处呈现显著性相关（P<0.05），且在2 200 m处变异系数最高。

2.8 梯牧草叶片解剖学特征与海拔之间的相关性分析

分析海拔与叶片解剖学特征之间的相关性（图6），研究表明海拔与梯牧草下表皮细胞厚度和泡状细胞厚度呈极显著负相关（P<0.01），并与其上表皮细胞厚度呈显著负相关（P<0.05），即随海拔升高，梯牧草上下表皮细胞厚度呈减小趋势，泡状细胞也在不断减小，这与不同海拔的气候环境存在显著差异，梯牧草水热条件发生变化有关。

3 讨 论

植物解剖结构的变化是对环境变化的一种响应机制，环境变化常导致植物叶片的长、宽及厚度发生变化，叶表面气孔、表皮细胞及附属物，叶肉栅栏组织、海绵组织、胞间隙、厚角组织和叶脉等形态解剖结构发生改变。本研究结果表明，海拔变化对梯牧草叶片解剖结构影响显著，这与前人对其他植物的相关研究结果一致^[17]。

叶表皮是植物体与外界环境直接接触的部位，对周围环境变化敏感，并且可塑性较大^[18,19]。本研究发现，梯牧草叶片上表皮长细胞和叶片下表皮长细胞形态为长筒形和六边形，六边形细胞的出现可能是梯牧草为了适应高海拔低温环境而特化出的细胞形状，以增加叶片表面积，从而提高叶片对光能的吸收效率，也有可能是低温环境使叶片上表皮细胞的生长受到一定程度的抑制，导致细胞形态发生变化。从梯牧草叶片横切解剖结构上分析，其解剖结构随着海拔变化有一定的差异，上表皮细胞厚度与海拔上升呈显著负相关（P<0.05），下表皮细胞厚度与海拔上升呈极显著正相关（P<0.01），中脉厚度、叶片厚度在海拔1 700 m时最大，显著高于其他海拔梯度，随海拔升高呈减小趋势，这与刘梦颖等^[20]对全缘叶绿绒蒿（Meconopsis integrifolia）形态及解剖结构与海拔关系的研究结果相似。海拔与泡状细胞呈现极显著负相关（P<0.01），随海拔升高而呈减小趋势。值得注意的是，泡状细胞厚度、上下表皮细胞厚度、叶片厚度、中脉厚度均与水分有关^[21]，厚度越大表明越干旱。因此，海拔1 700 m处的环境相对其他海拔梯度较干旱。叶表皮微形态结构分析结果表明，梯牧草叶片叶脉为平行脉，中脉较粗，与王燕红等^[13]对梯牧草属微形态结构描述相同。从植物叶片气孔特性来看，气孔分布于叶片表面，是植物与外界环境进行气体交换及水分散失的重要通道^[21]。本研究结果表明，在海拔1 700～1 900 m范围内梯牧草叶片的上表皮气孔数显著高于海拔2 000～2 200 m处，但气孔长度普遍小于海拔2 000～2 200 m处，与朱玉怀等^[22]对西藏蒿草属（Kobresia）植物气孔特征与海拔变化研究结论相同。气孔密度随海拔升高而下降，这可能是由于高海拔地区气温较低、气压较低、空气稀薄，植物为了减少水分散失和热量交换，通过减少气孔数量来降低蒸腾作用。气孔长度随海拔升高而增大，这可能是因为高海拔地区光照强度较高，较长的气孔有助于气体交换，从而提高光合作用效率，以适应高海拔地区较强的光照环境。

本研究结果为野生梯牧草种质资源开发利用保护及优异种质资源筛选提供了科学依据。在梯牧草的引种驯化和栽培过程中，应充分考虑海拔因素对其叶片解剖结构和生理功能的影响，选择适宜的种植区域，以提高梯牧草的生长适应性和生产性能。同时，对于野生梯牧草资源的保护，也需要关注不同海拔种群的特点，制定针对性的保护策略。未来的研究可以进一步深入探讨梯牧草叶片解剖结构变化背后的分子机制，以及这些变化如何影响植物的整体生理生态过程，为梯牧草的可持续利用和生态保护提供更全面的理论支持。

4 结 论

梯牧草叶片为等面叶，叶表皮由长细胞、短细胞和气孔器组成，上表皮有泡状细胞，无栅栏组织和海绵组织分化，其解剖结构具有独特特征。不同海拔梯度下野生梯牧草叶片解剖结构存在显著差异，中脉厚度、泡状细胞厚度、维管束鞘细胞厚度、上角质层厚度在低海拔地区较大且随海拔升高呈减小趋势；气孔长度随海拔升高而增长，气孔密度随海拔升高而减小，低海拔气孔密度显著高于高海拔地段。相关性分析显示，海拔与下表皮细胞呈极显著负相关，与上表皮细胞呈显著负相关，表明海拔变化影响梯牧草叶片解剖结构，且与水热条件有关。

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