大花黄牡丹叶片解剖结构性状异速生长与生态适应性研究

Allometric Growth and Ecological Adaptability of the Leaf Anatomical Structure of Paeonia ludlowii

摘要

以5个居群的大花黄牡丹叶片为研究对象，测量叶片解剖结构中叶片厚度、上表皮细胞、下表皮细胞、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅/海比等叶片解剖性状指标，用经典异速方程描述叶片解剖性状之间的关系。结果表明：5个居群之间的叶片厚度和下表皮厚度均存在显著性差异（P 0.05），叶片厚度与海绵组织厚度呈极显著性正相关（P 0.01），栅栏组织与栅/海呈显著性正相关（P 0.05），栅栏组织与结构组织紧密度呈显著性正相关（P 0.01），海绵组织与组织结构疏松度呈显著性正相关（P 0.01）；叶片解剖指标的变异系数均在0.03 ~ 0.39之间，基本属于系统演替性状；上表皮细胞厚度与下表皮细胞厚度之间存在极显著的正异速生长关系（P 0.01），上表皮细胞厚度与栅栏组织厚度之间存在正异速生长关系，下表皮细胞厚度与栅栏组织厚度之间存在负异速生长关系，栅栏组织厚度与叶片厚度之间存在显著的负异速生长关系（P 0.05）；下表皮细胞厚度与海拔梯度存在显著的负相关关系（P 0.05），除结构组织疏松度外的其他性状与海拔梯度之间存在负相关关系但差异不显著（P 0.05）。大花黄牡丹通过长期的外界异质性环境因子驱动改变叶片结构性状，可以使其在不同的生境下朝着最适的异速生长曲线进化。

Abstract

To evaluate intraspecific variation, Paeonia ludlowii leaves from five natural populations were subjected to morphological and biochemical analyses, focusing on traits including leaf thickness, upper and lower epidermal thickness, palisade and spongy tissue thickness, and the palisade-to-spongy (P/S) ratio. Classical allometric equations were employed to analyze trait relationships. Results revealed significant interspecific variation in leaf thickness and lower epidermal thickness (P 0.05). Strong positive correlations were detected between leaf thickness and spongy tissue (P 0.01), palisade tissue and P/S ratio (P 0.05), and palisade tissue and mesophyll tightness (P 0.01). Spongy tissue thickness positively correlated with mesophyll porosity (P 0.01). All anatomical traits exhibited low to moderate variability (CV = 0.03 ~ 0.39), indicating evolutionary stability. Allometric analysis demonstrated significant positive scaling between epidermal layers (P 0.01), contrasting with negative relationships between lower epidermis/palisade tissue and palisade tissue/leaf thickness (P 0.05). Environmental analysis showed lower epidermal thickness decreased with elevation (P 0.05), while other traits (excluding mesophyll porosity) displayed non-significant altitudinal trends. These findings suggest P.ludlowii adapts to environmental heterogeneity through coordinated adjustments in leaf structural traits, optimizing allometric growth patterns across habitats.

关键词

大花黄牡丹 / 叶片解剖结构 / 异速方程 / 环境因子 / 生态适应性

Key words

Paeonia ludlowii / Leaf anatomical traits / Allometric equation / Environmental factors / Ecological adaptability

叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用和气体交换的主要场所，对环境变化比较敏感且可塑性加大，结合自身遗传特性通过长期自然选择下形成的适应环境的特定形态结构，其结构特征能反映其环境因子的响应以及植物对环境的适应性^[1,2]。植物叶片性状与其利用资源的能力关系较为密切，同时也能反映其适应环境变化的生存能力^[2,3]。因此，众多学者关注并开展植物叶片解剖性状的相关研究。徐高峰等^[4]发现薇甘菊（Mikania micrantha Kunth in Humb. al.）通过调节叶片、茎等功能性状之间的权衡来适应环境,对异质环境条件具有不同的生长与繁殖适应对策,具有强的生态适应性。肖祖飞等^[5]发现不同种源樟树（Camphora officinarum Nees ex Wall）叶片形态特征存在显著差异且在一定程度上受遗传控制，种源间和种源内存在丰富的遗传变异。任尚褔^[6]发现3种白刺（Nitraria tangutorum Bobrov）通过长期的外界异质性环境因子驱动叶片结构性状改变，可以使其在不同的生境下沿着最适的异速生长曲线进化。

异速生长是植物生长发育过程中器官与组织所呈现的反映植物不同性状间相关性的一个重要规律，描述植物2个性状间相对生长速率不相同的生长规律，且植物叶片功能性状间多存在异速生长规律^[7,8]。异速生长的定量关系大多采用幂函数进行描述和展示，遗传物质决定其特征规律，同时也受外界环境的影响^[9,10]。

毛茛科芍药属的大花黄牡丹（Paeonia ludlowii (Stern et Taylor) Hong）为西藏特有濒危植物，其花大且色艳^[11]，为常用藏药，根含有丹皮酚，具有重要的药用价值。其生存条件极为苛刻^[12]，为丛生灌木^[13]，较耐寒，喜温和气候。主要分布在雅鲁藏布江流域及支流，如巴宜区、米林县、隆子县等长达约300 km的开阔河谷地带，垂直分布范围为海拔2 900 ~ 3 500 m^[14,15]。目前关于大花黄牡丹的研究主要集中在繁育系统、资源开发与利用、生理特性、遗传资源与种群生态学、形态结构和内生菌及根际土壤微生物群落多样性等方面的研究^[16-36]，而有关其叶片解剖性状之间的异速生长研究尚未见报道。因此，本研究选取林芝市5个居群的大花黄牡丹为研究对象，研究大花黄牡丹叶片不同解剖性状对环境变化的响应以及叶片解剖性状之间的异速生长关系，探讨其叶片解剖结构特征对不同生境的生态适应性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于西藏东南部的林芝市，雅鲁藏布江中下游，属热带湿润和半湿润气候。巴宜区地处念青唐古拉山东南麓，雅鲁藏布江与尼洋河在此相汇，平均海拔3 000 m，属高原温带湿润季风气候，年平均气温8.5 ℃，最冷月平均气温为- 2.0 ℃ ~ 3.7 ℃，最热月平均气温为15.9 ℃ ~ 20.0 ℃，全年无霜期175 d左右，年平均降水量654 mm。10 ℃以上积温为2 272 ℃，土壤类型主要为山地暗棕壤和棕壤^[28]。米林县地处雅鲁藏布江中游河谷地带，属高原温带半湿润季风气候，年平均气温6.5 ℃，最冷月平均气温为0.1 ℃ ~ 3.2 ℃，最热月平均气温12.3 ℃ ~ 17.4 ℃，无霜期170 d，年降水量为600 mm，10 ℃以上积温为2 200 ℃，土壤类型主要为山地暗棕壤和棕壤^[27]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

在5个大花黄牡丹居群内各选择1个5 m × 5 m的样方，在每个样方内随机选取3株生长健壮、长势一致的大花黄牡丹株丛（居群概况见表1），原则上保证3株大花黄牡丹不属于全同胞家系或半同胞家系，在样方两个相对边缘和中间区域各采一株。在每丛每株大花黄牡丹的中部取发育程度大致相同的成熟叶片，手袋一次性橡胶手套，并且用锋利经75%消毒的刀片在叶脉中间位置切取0.5 ~ 1 cm的小块，立刻置于FAA固定液（70%无水酒精90 mL + 甲醛5 mL + 冰醋酸5 mL）中密封、编号、抽真空后保存^[37,38]。

1.2.2 叶片解剖结构的观察

取出FAA固定液中保存的叶片样品，酒精脱水，二甲苯透明，石蜡包埋切片，然后用番红-固绿染色，中性树胶封片。用Nikon（ECLIPSE80i）显微镜及成像系统观察并拍照，每张切片随机观察4个视野，用NIS-Elements D 4.30.00软件测定图像中各种组织厚度^[38]。测定指标包括叶片厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、下表皮厚度。

计算组织结构紧密度、栅/海、组织结构疏松度，其中栅/海＝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。

1.2.3 数据分析

叶片各解剖性状之间的异速生长关系采用幂次方程Y = βX^α 计算，式中Y和X为两个叶片解剖性状，α为异速生长指数（当α = 1时，代表两个叶片解剖性状之间呈等速生长关系，α 1或α 1时，两个叶片解剖性状之间表现为异速关系），β为异速生长常数（即线性关系的截距），等式两边同时取对数使其转化为lgY = lgβ + αlgX。（表2）

利用R软件进行标准化主轴回归分析（SMA）的方法计算异速生长指数和常数^[39,40]。根据测量数据，利用Excel软件计算各指标平均值、标准差以及变异系数^[6]，变异系数CV＝标准差（SD）/平均值（Mean），用SPSS 20软件进行各叶片解剖性状数据的差异和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同居群大花黄牡丹叶片解剖性状的比较分析

5个不同居群大花黄牡丹叶片解剖性状差异分析表明，如表3所示，生境对叶片结构存在一定的影响，5个居群的部分叶片解剖性状之间存在一定差异。5个居群之间的叶片厚度和下表皮厚度均存在不同程度的显著性差异（P 0.05），米瑞乡（MR）居群叶片厚度最厚（73.65 µm），巴宜区栽培居群（NM）居群叶片最薄（50.19 µm），二者之间差异显著（P 0.05）；彩门村（CM）下表皮厚度最厚（7.79 µm），米瑞乡（MR）居群下表皮厚度最薄（6.80 µm），二者之间差异显著（P 0.05）。由表可知，野生居群（SS、CM、ML、MR）叶片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织和海绵组织大部分比栽培居群（NM）的相应厚度要厚，这可能是大花黄牡丹叶片解剖性状适应农田生境的一种表征和响应。5个居群的大花黄牡丹叶片结构组织紧密度、结构组织疏松度以及栅/海比值之间无显著性差异，色苏庄园居群（SS）的栅/海比值最大，为0.38，米林县居群（ML）的结构组织紧密度最大，为0.22，米瑞乡居群（MR）的结构组织疏松度最大，为0.64。

不同生境下大花黄牡丹叶片解剖性状的变异系数在0.03 ~ 0.39之间（表4），按照变异系数（CV）划分等级，CV 0.1为弱变异，CV = 0.1 ~ 1.0为中等变异^[41]。色苏庄园居群（SS）、米瑞乡居群（MR）、巴宜区栽培居群（NM）3个居群的叶片厚度呈中等变异，彩门村居群（CM）和米林县居群（ML）的叶片厚度呈弱变异；5个居群的上表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、结构组织紧密度均为中等变异；巴宜区栽培居群（NM）和色苏庄园居群（SS）的下表皮厚度呈弱变异，其他3个居群的下表皮厚度呈中等变异；结构组织疏松度只有色苏庄园居群（SS）呈弱变异，其他4个居群的结构组织疏松度呈中等变异；栅/海只有巴宜区栽培居群（NM）呈弱变异，其他4个居群的栅/海比值呈中等变异。5个居群中只有米瑞乡居群（MR）的各叶片解剖性状呈中等变异。

2.2 不同居群大花黄牡丹叶片解剖性状的相关性分析

大花黄牡丹叶片解剖性状相关性分析如表5所示，叶片厚度与海绵组织厚度呈极显著性正相关（P 0.01），叶片厚度与上表皮细胞厚度、下表表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、结构组织疏松度呈正相关关系但差异不显著，叶片厚度与栅/海、结构组织紧密度呈负相关关系但差异不显著。栅栏组织厚度与栅/海呈显著性正相关（P 0.05），与结构组织紧密度呈极显著正相关（P 0.01），栅/海与结构组织紧密度呈显著正相关（P 0.05）。

2.3 不同居群大花黄牡丹叶片解剖性状的异速生长规律

以大花黄牡丹叶片解剖性状指标为分组变量，用异速方程描述叶片解剖性状之间的关系，结果（表6）表明，上表皮细胞厚度-下表皮细胞厚度和上表皮细胞厚度-栅栏组织厚度这两组均呈现正异速生长关系，其中上表皮细胞厚度和下表皮细胞厚度之间存在极显著的正异速生长关系（P 0.01）；下表皮细胞厚度-栅栏组织厚度和栅栏组织厚度-叶片厚度这两组呈现负异速生长关系，其中栅栏组织厚度和叶片厚度之间存在显著的负异速生长（P 0.05）。上表皮细胞厚度-海绵组织厚度、上表皮细胞厚度-叶片厚度2组性状均为同速生长关系，共同斜率为1.124（95%的置信区间0.968 ~ 1.306）。下表皮细胞厚度-海绵组织厚度、下表皮细胞厚度-叶片厚度、栅栏组织厚度-海绵组织厚度、海绵组织厚度-叶片厚度4组性状均为同速生长关系，共同斜率为0.8 558（95%的置信区间0.7 735 ~ 0.9 470）。

2.4 大花黄牡丹叶片解剖性状与环境因子之间的关系

对大花黄牡丹叶片解剖性状与相应的海拔梯度、经度和纬度分别进行相关性分析，结果表明（表7）仅下表皮厚度与海拔梯度存在显著的负相关关系（r = - 0.622，P 0.05），即海拔的增加大花黄牡丹叶片下表皮细胞厚度显著变薄。除结构组织疏松度外的其他性状与海拔梯度之间存在负相关关系但差异不显著（P 0.05），结构组织疏松度与海拔梯度之间存在负相关关系但差异不显著（P 0.05），表明随着海拔的升高叶片厚度、上表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度可能会存在逐渐变薄的趋势，栅/海比值逐渐变小趋势，结构组织逐渐变疏松的趋势。8种叶片解剖性状与经度和纬度之间存在一定的正相关或负相关关系但差异不显著（P 0.05）。

3 讨论与结论

外界环境因子影响植物的叶片解剖结构，叶片解剖结构特征也体现植物自身对环境的适应性^[42]。5个不同居群大花黄牡丹叶片解剖性状差异分析表明，生境对叶片结构存在一定的影响，5个居群之间的叶片厚度和下表皮厚度存在不同程度的显著性差异（P 0.05），米瑞乡（MR）居群叶片厚度最厚，巴宜区栽培居群（NM）居群叶片最薄，二者之间差异显著（P 0.05）；彩门村（CM）下表皮厚度最厚，巴宜区栽培居群（NM）下表皮厚度最薄，二者之间差异显著（P 0.05）。巴宜区栽培居群（NM）叶片厚度和下表皮厚度最薄，其原因可能为人工驯化栽培过程中形成的叶片形态结构适应农田生境的一种表征，具体原因有待进一步研究。

对于叶片解剖而言，变异系数大于0.5的性状被认为是生态适应性状，变异系数较小的被认为是相对稳定的系统演替性状^[1]，本研究所测量计算的叶片解剖指标的变异系数在0.03 ~ 0.39之间，基本属于系统演替性状。目前已普遍承认植物不同性状间的生长关系为异速生长关系^[43]，在本研究中上表皮细胞厚度与下表皮细胞厚度之间存在极显著的正异速生长关系（P 0.01），上表皮细胞厚度与栅栏组织厚度之间存在正异速生长关系，下表皮细胞厚度与栅栏组织厚度之间存在负异速生长关系，栅栏组织厚度与叶片厚度之间存在显著的负异速生长关系（P 0.05）。大花黄牡丹叶片解剖性状与环境因子之间的关系研究表明下表皮细胞厚度与海拔梯度存在显著的负相关关系（P 0.05），即随着海拔的增加大花黄牡丹叶片下表皮细胞厚度显著变薄。除结构组织疏松度外的其他性状与海拔梯度之间存在负相关关系但差异不显著（P 0.05），结构组织疏松度与海拔梯度之间存在正相关关系但差异不显著（P 0.05），表明海拔与大花黄牡丹叶片解剖性状之间存在一定的关联性，海拔上升，大花黄牡丹不同叶片解剖性状的变化差异不同。上述结果表明虽然大花黄牡丹为西藏特有种，其分布极为狭窄，但其在长期进化过程中对自然环境的变化形成了一定的适应和响应机制。

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