北极与北京蓼科杨柳科植物的叶表皮微形态特征

秦鹏尧，高肖贤

(1.北京101实验中学,北京 100091；2.中科耀华教育科技有限公司,北京 100091)

1 研究目的

旨在通过分析对比北极蓼属、柳属植物与北京采集的蓼属、柳属植物不同点，了解植物光合作用的主要器官—叶子表皮细胞的微观结构特征，特别是呼吸器官气孔的表面特征，得到造成差异的原因，借此得出气孔与气候类型的关系，对丰富植被多样性，保护生态环境系统具有重要意义。

2 研究方法

2.1 样品采集

笔者在北极采集了肾叶山蓼与北极柳植物样品，为保持数据可靠性，采集了足够数量的样品带回北京。同时在北京百花山采集了拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼、珠芽蓼以及黄花柳植物样品。上述植物的种属信息如表1所示。

表1 植物种属信息

2.2 样品处理

将以上采集到的植物样品利用电子显微镜对其叶片表皮细胞结构进行观察。

2.2.1 样品固定

将叶片切成2～3 mm见方的小块，迅速投入FAA固定液中，上下颠倒几次去除气泡以利于样品沉底，4 ℃固定24 h以上。其中FAA固定液(100 mL): 50%乙醇90 mL、冰乙酸5 mL、甲醛5 mL。如样品为植物幼胚、花器官等幼嫩材料，则FAA固定液组成如下：50%乙醇89 mL、冰乙酸6 mL、甲醛5 mL。

2.2.2 样品脱水、置换

样品进行梯度乙醇脱水，70%、80%、90%、95%、100%乙醇，各处理15～20 min(可提前1 d做好，放于4 ℃过夜)；乙酸异戊酯置换(此时最好在玻璃器皿内进行)：75%乙醇+25%乙酸异戊酯，50%乙醇+50%乙酸异戊酯，25%乙醇+75%乙酸异戊酯，100%乙酸异戊酯，各处理15～20 min。

2.2.3 二氧化碳临界点干燥

将样品处理过后，进行干燥，每次最多可干燥6个样品。

2.2.4 粘台、镀膜

干燥后的植物样品用双面胶粘在金属台上，使待观察部位朝上，然后用离子溅射仪对金属台喷金、镀膜。

2.2.5 扫描电镜观察

对样品进行电镜观察，仔细记录观察结果。重点对较低倍数下植物叶片正面和反面的气孔分布规律，及其高倍数下气孔及保卫细胞、副卫细胞的形态结构进行观察。

2.3 数据分析

利用CAD作图软件对植物叶片气孔的长轴和短轴长度进行测量，同时对气孔的面积进行计算。

3 结果与分析

3.1 5种蓼科植物表皮微形态特征比较

蓼科五种植物的电镜扫描结果见图1～5，由图中看出：①肾叶山蓼植物叶表皮细胞为多边形，垂周壁平直至弓形，少有浅波状；气孔器为不规则型，少有不等细胞型。肾叶山蓼的气孔外拱盖内缘近平滑，角质层无明显条纹，呈浅波状隆起，膜状蜡质层，被蜡质颗粒；②马蓼上表皮细胞呈不规则多角形，垂周壁较平直，下表皮细胞垂周壁弯曲；上下表皮均有多列性非腺毛、腺毛及气孔，以下表皮为多。气孔平轴式，少数不定式或不等式。多列性非腺毛大多稍弯曲，长184～797 μm，基部直径29～60 μm，细胞壁稍厚，基部细胞具孔沟；③尼泊尔蓼上表皮细胞类五、六边形，垂周近平直，具有水波样纹饰；下表面细胞垂周壁呈深波浪形弯曲，无纹饰；上下表面均有类圆形的腺鳞；叶缘具有水波纹饰的单细胞非腺毛；气孔不定式，椭圆形，长19.15 μm～25.34 μm，宽15.03 μm～18.43 μm，副卫细胞3～4个；④拳蓼表皮细胞呈矩形，垂周壁式样为平直弓形或波纹状，表皮光滑或在长轴方向上有条纹，上下表皮都有气孔分布，气孔器类型为不等细胞型兼不规则型，叶表面密被短柔毛，腺体；⑤珠芽蓼从叶表皮形态上看，其叶上、下表皮细胞多呈现不规则形，浅波纹状的垂周壁，气孔器微形态特征为无规则型和不等型共存。

图1 肾叶山蓼叶面微观结构

图2 拳蓼叶面微观结构

图3 马蓼叶面微观结构

3.2 北极柳与中国黄花柳叶表皮微形态特征比较

由图6、7扫描电子显微镜观察结果来看，中国黄花柳蜡质纹饰为锥形纤维体，气孔外拱盖隆起且平滑，内缘角化明显，顶端聚为小片状的纤维体，周围无脊状突起。而采自北极的北极柳则为表面有疣状突起的壳状蜡质层，气孔陷于蜡质层内，看不到外拱盖等结构，顶端聚为大片状的鳞片状纤维体，周围有脊状突起。两者微形态特征区别非常明显，后者蜡质层发育更好，推测分布于寒温带和高海拔地区的柳属种类可能是为适应更寒冷的气候环境，多数具有较厚的痂状蜡质层或纤维体。而分布在温带地区的种类蜡质层多光滑且较薄。

图4 尼泊尔蓼叶面微观结构

图5 珠芽蓼叶面微观结构

图6 北极柳叶面微观结构

图7 黄花柳叶面微观结构

3.3 北极肾叶山蓼与北京蓼科植物气孔数量及面积对比

在200倍放大倍数下对北极肾叶山蓼和北京百花山拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼和珠芽蓼植物叶片正反面气孔数量进行了计数，同时测量了各自气孔长度(表2)。北极肾叶山蓼正面叶片的长、短轴长度分别为20.95 μm和15.24 μm，单个气孔面积为250.63 μm2；反面长轴为16.3 μm，短轴为12.6 μm，单个气孔面积为161.22 μm2。较北极肾叶山蓼而言，北京百花山的其他四种蓼属植物外表皮气孔的面积要小很多，但气孔数量很少，叶片正面气孔数量有3个，多的达7个。单位面积下(253800 μm2)北极肾叶山蓼叶面正面气孔数量为18个，反面气孔数量为56个，远多于北京百花山其他蓼属植物。

通过对比发现，无论是上表皮还是小表皮，肾叶山蓼叶片的单个气孔面积均小于北京百花山采集的拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼和珠芽蓼。但由于肾叶山蓼上下表皮气孔数量均多于其他四种蓼属植物，故其气孔总面积(正面4511.39 μm2，反面为9028.51 μm2)均大于拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼、珠芽蓼。

表2 肾叶山蓼、拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼、珠芽蓼气孔数量及面积对比

4 讨论

4.1 环境因素对蓼科植物气孔的影响

气孔是存在于植物叶片表皮和茎上的微小孔隙，气孔通过控制植物与外界的气体和水分交换来适应复杂多变的环境。气孔虽小，但是对于植物水分利用、营养吸收、物质代谢等方面以及整个生态环境的调节作用不容小视。气孔总面积仅占叶片总面积的5%，但是通过气孔蒸发的水分却占植物总失水量的70%。植物生长的环境对气孔有很大的影响。田鑫和于广文[1]指出在干旱胁迫轻度发展时，叶片各个部位气孔密度分布差异不是很大，而干旱胁迫达到一定程度后，其气孔密度在整个叶上的分布即出现严重紊乱。绝大多数研究表明遮荫处理会促使多数植物的气孔数量减少，气孔密度会变小，气孔的形状发生改变，植物的气孔导度和净光合速率降低。在CO2浓度、水分状况相同的条件下，不同温度也会对叶片的气孔分布产生影响。随温度升高，气孔密度下降，而且当CO2浓度变化较小时，温度变化的影响将超过浓度变化的影响[2]。以上都是植物为了适应一定的环境所作的反应。

作者在对植物光合作用基本了解的基础上，分析北极肾叶山蓼与北京四种蓼科植物气孔的差异，阐述了环境因素对气孔的影响。为更加直观的对比，将每种植物单个气孔的面积列于表2中，并且在扫描电镜放大200倍的条件下，数出253800 μm2(600 μm×423μm)内气孔的数量，比较它们在单位面积内气孔所占的总面积。肾叶山蓼是双子叶植物，从图6、7中的电镜扫描结果中可以看出它的气孔主要分布在叶面的反面。肾叶山蓼气孔在颗粒面的凹陷里，气孔开放时会突出于其他表皮细胞，有利于进行呼吸，在北极夏季的极昼天气里，肾叶山蓼的气孔分布于叶面阴面，防止了阳光的长时间照射，避免了长期开放造成叶面的灼伤(失水过多)。从表2中可以看出，肾叶山蓼的正反面气孔数量整体多于其他4种植物，但是单个气孔的面积却小于其他4种植物，这是由于在遇到大风时可以降低气孔表面的蒸发作用，减少体内水分的流失。肾叶山蓼的这种结构，有助于它在北极特殊的气候中更好的进行光合作用，为植物提供更多的能量。

对比生长于大陆温带气候区域的拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼、珠芽蓼，从表2中可以看出它们的气孔数量也是阴面的大于正面的数量，但是整体数量少于北极植物肾叶山蓼。且它们的气孔形态是呈现出突出状态，造成这种差别的原因可能是不同气候类型的影响。肾叶山蓼在极昼情况下，就会打开气孔快速呼吸，为植物生长提供能量，同时也为极夜的到来储存能量。而生长于大陆温带气候区域的拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼、珠芽蓼不用担心能量的散失，在白天进行光合作用，为植物提供能量。

4.2 北极柳与中国黄花柳的气孔特征

杨柳科柳属全世界约有520多种，绝大多数种类分布于北半球温带地区[3]。由于杨柳科柳属的花部结构简单、种内居群间形态变异大、广泛的自然杂交等原因，杨柳科柳属被公认为是分类困难的植物类群。扫描电子显微镜下的叶表皮微形态特征，对于一些根据宏观形态特征难于区分的种、属的鉴定具重要价值。研究表明植物的微形态特征是受遗传因子所控制，比较稳定，在植物分类学上有重要的意义[4]。可为杨柳科柳属植物的分类积累叶表皮微形态学资料提供帮助。

本文探讨扫描电子显微镜下北极柳和中国黄花柳叶表皮微形态特征。仔细观察表4电镜扫描结果，可以看出北极柳与黄花柳在外观形态与气孔大小上有很大区别，首先北极柳气孔外拱盖内缘呈浅波状，气孔形态为气孔外拱盖脊状隆起且有颗粒状纹饰，内缘角质化明显，周围有一圈隆起的脊，正面的气孔大小比阴面的大，这样有利于光合作用的快速进行。对比于北极柳，黄花柳表面有疣状突起的壳状蜡质层，气孔陷于蜡质层内，看不到外拱盖等结构，顶端聚为大片状的鳞片状纤维体，部分部位愈合近似痂状蜡质层。正面气孔大小大于北极柳的气孔。由此看来，扫描电镜下的叶表皮微形态特征对柳属的种间鉴别有很好的作用。研究发现，北极柳气孔外拱盖浅波状这一形态特征可能同环境存在明显的相关性，内缘呈浅波状的气孔外拱盖可能对柳属极地环境的种类具有指示作用，有特殊的生态学意义。

5 结论

(1) 肾叶山蓼、拳蓼、马蓼、尼泊尔蓼、珠芽蓼为适应不同气候及日照条件，气孔形态和大小有很大的差别，肾叶山蓼气孔比较小，呈凹陷状，但整体气孔数量比较多，这是它为适应北极气候所具有的独特特征，既可以不会因蒸发散失过多的水分，又可以进行高效率的呼吸。其他4种植物气孔呈椭圆形，内缘角质化明显，与肾叶山蓼相比，它们明显具有温带植物的特征。

(2) 比较北极柳与中国黄花柳，二者的气孔形态不同，北极柳气孔张开，周围有隆起的脊，叶面表皮结构较为光滑，而黄花柳气孔被蜡质层包围，具有较厚的痂状蜡质层或纤维体。

(3) 在总结上述规律基础上，发现分布于寒冷地区和高海拔地区的柳属植物的叶表皮微形态特征相对多样，这可能是植物对寒冷环境的适应进化。通过大致总结的规律可以用来区分不同气候类型区域生长的植物，这样对于保护生态环境、保护生物多样性具有积极的意义。