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四种空气凤梨叶片表皮解剖结构与功能的关系

花匠小妙招
2024-12-12 12:09

引用本文

方敏彦, 章明, 李佳, 孔维亮, 戴丹, 王山中. 四种空气凤梨叶片表皮解剖结构与功能的关系[J]. 浙江农业学报, 2017,29(6): 959-965.
FANG Minyan, ZHANG Ming, LI Jia, KONG Weiliang, DAI Dan, WANG Shanzhong. The relationship between leaf surface anatomical structure and its function in four air plant species[J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2017,29(6): 959-965.

Permissions

《浙江农业学报》编辑部所有

1.江苏农林职业技术学院,江苏句容 212400

2.句容市园林管理中心,江苏句容 212400

作者简介:方敏彦(1980—),女,浙江永康人,博士,副研究员,主要从事园林植物栽培和育种研究。E-mail: 398621546@qq.com

收稿日期: 2016-12-02

基金资助:

江苏农林职业技术学院面上项目(2014kj21)

中图分类号:S682.39文献标志码:A文章编号:1004-1524(2017)06-0959-07doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2017.06.14

The relationship between leaf surface anatomical structure and its function in four air plant species

1. Jiangsu Polytechnic College Agriculture and Forsetry, Jurong 212400, China

2. Jiangsu Jurong Garden Management Center, Jurong 212400, China

空气凤梨又名气生铁兰, 原产于中、南美洲的热带、亚热带地区[1], 属于凤梨科(Bromeliaceae)铁兰属(Tillandsia)景天酸代谢类多年生常绿草本植物[2], 是一类特殊的气生无根类植物。目前, 世界范围内空气凤梨约有200多种。由于空气凤梨的观赏性和生态价值较为独特, 21世纪初, 中国开始引进这一物种, 空气凤梨逐渐在园林艺术、环境保护、室内空气净化等方面崭露头角。

空气凤梨全部器官均生长在空气中, 不接触土壤, 极少数品种具少量细弱根状结构, 主要起支撑和依附作用, 也暴露在空气中[3]。叶片作为整个植株主要的器官, 是行使水分和营养物质吸收等功能的主要甚至是唯一器官[4, 5], 推测叶片表面或内部存在特殊的结构, 来帮助其行使各种功能。目前国内从事空气凤梨相关研究的单位甚少, 空气凤梨叶片结构的研究鲜见报道。

本课题组从2006年开始, 先后从美国、危地马拉、日本和澳大利亚等地引进了气生铁兰属植物, 大部分种在引种地表现出了良好的生态适应性和安全性。本研究选取了空气凤梨中最常见的4个代表种, 对其叶片表皮及解剖结构进行了系统研究, 以期为空气凤梨叶片功能及合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以霸王(T. xerographica)、扭叶铁兰(T. streptophylla)、维路提娜(T. velutina)、三色铁兰(T. tricolor)4个种为材料, 选取生长良好的三年生植株, 均取自江苏农林职业技术学院空气凤梨种质资源圃。

1.2 试验方法

1.2.1 叶表皮结构观察

叶表皮鳞片观察:取新鲜健康完整片叶, 直接放置于麦克奥迪MSZ-140体式显微镜下, 观察叶表面鳞片情况, 并用麦克奥迪显微拍照系统进行拍照记录。

叶表皮细胞结构观察:(1)取新鲜的成熟叶片, 室温下在1%~5%双氧水溶液中浸泡 0.5~2.0 h; (2)浸泡后取出叶片, 在上表面和下表面中部, 刮除表面鳞片, 面积为2 cm × 2 cm; (3)切取叶片上刮去鳞片的部分, 撕下表皮层; (4)将撕下的表皮层用清水洗净, 浸入载玻片上的水滴中, 展平, 盖盖玻片并采用番红-固绿对染法染色观察, 用麦克奥迪显微拍照系统进行拍照并测量记录。

1.2.2 叶片解剖结构观察

参照已有石蜡切片方法[6]并加以改进, 具体如下。

(1)材料固定:视叶片大小选取一种规格, 将叶片切成3 mm × 5 mm、4 mm × 6 mm、5 mm × 7 mm或6 mm × 8 mm的长方形小块, 切好的材料用清水冲洗后投入FAA固定液中固定, 固定液体积为固定组织的20倍。FAA固定液配置:50%乙醇、冰醋酸、甲醛体积比为18∶ 1∶ 1, 固定24~36 h。(2)材料软化:先将样品放入50%甘油、50%乙醇(95%)体积比1∶ 1的溶液中, 浸泡20~30 d。再将材料放入过氧化氢、丙酸体积比1∶ 1或2∶ 1的混合液中, 每隔0.5~1.0 h用镊子取出样品, 观察叶片材料软硬, 重复6~10次, 流水冲洗约10 min后, 用刀片试切, 若手感柔软即可。(3)材料脱水、透明:经过软化的材料脱水前先用自来水冲洗干净, 然后依次进行以下操作, 30%乙醇脱水→ 70%乙醇(番红预染过夜, 每100 mL 70%乙醇加0.5 g的番红)→ 85%乙醇(1~2 h)→ 95%乙醇(1~2 h)→ 无水乙醇(1~2 h)→ 无水乙醇(0.5~1.0 h)→ 乙醇、二甲苯体积比为3∶ 1(1~2 h)→ 乙醇、二甲苯体积比为1∶ 1(1~2 h)→ 乙醇、二甲苯体积比为1∶ 3(1~2 h)→ 二甲苯(1~2 h)→ 二甲苯(0.5~1.0 h)。(4)材料封蜡:首先熬蜡, 将白色石蜡放入瓷缸内于微波炉上加温, 待石蜡完全融化, 室温冷却, 重复30~40次, 直至石蜡完全变成乳黄色。然后封蜡, 将熬制好的黄色蜡块置于60 ℃电热恒温箱中, 融化待用。将材料放入容器内, 倒入石蜡完全淹没。(5)材料浸蜡, 封蜡完毕后置于37 ℃电热恒温培养箱中24~48 h。将电热恒温箱升温至60 ℃, 保持0.5 h, 倒去约1/3体积石蜡与二甲苯的混合物, 加入等体积纯蜡保持1~2 h → 倒去约1/2体积石蜡与二甲苯的混合物, 加入等体积纯蜡保持1~2 h→ 纯蜡Ⅰ 保持1~2 h→ 纯蜡Ⅱ 保持1~2 h。0.5 h后进行包埋。(6)材料包埋。(7)材料修块、切片。(8)材料粘片。(9)材料染色。(10)材料封片观察。用麦克奥迪显微拍照系统进行拍照并测量记录。

1.3 数据处理

气孔指数=气孔个数/每幅图的面积14 cm2[7]。

每个种随机抽取10个不同的位置, 分别用测微尺测定表皮细胞长、宽, 气孔长、宽, 叶肉组织厚度, 贮水组织厚度。

利用Microsoft excel对各数据标测定值进行统计分析, 采用SPSS软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 四种空气凤梨叶片表面鳞片结构微形态比较

鳞片是空气凤梨不同于其他植物的主要叶片结构特征。空气凤梨上、下表皮一般都有浅灰色鳞片分布, 供试的4个种, 除扭叶铁兰下表皮鳞片密度低, 鳞片没有完全覆盖下表皮外, 其他3种空气凤梨的上、下表皮均有密集的鳞片覆盖, 表皮无裸露区域(图1)。不同种空气凤梨的鳞片微形态差异较大, 鳞片形状、覆盖形式、密度等均不同。鳞片形状主要有圆形、卵圆形、不规则形, 覆盖形式主要有覆瓦状、单个分布、紧密排列、重叠, 密度也不同(表1)。观察结果显示, 同一种空气凤梨上、下表皮鳞片微形态也有较大差异, 如霸王的上表皮鳞片形状为不规则, 覆盖形式为覆瓦状, 密度大; 下表皮鳞片形状为圆形, 覆盖形式为单个分布, 密度中等。其他3种空气凤梨的上、下表皮微形态也有明显差异, 详见图1、表1。此外, 供试的4种空气凤梨鳞片都具一个明显特征, 即同一种的上表皮鳞片密度明显大于下表皮密度。

Figure Option

图1 四种空气凤梨叶片上、下表面鳞片结构微形态
A、C、E、G分别为霸王、扭叶铁兰、维路提娜、三色铁兰的上表皮细胞鳞片; B、D、F、H分别为霸王、扭叶铁兰、维路提娜、三色铁兰的下表皮细胞鳞片Fig.1 The foliar trichomes on upper and lower epidermis in four Tillandsia species
A, C, E and G were foliar trichomes on upper epidermis in T. xerographica, T. streptophylla, T. velutina, T. tricolor, respectively; B, D, F and H were foliar trichomes on lower epidermis in T. xerographica, T. streptophylla, T. velutina, T. tricolor, respectively

表1 四种空气凤梨叶片表面鳞片结构微形态 Table 1 The structures of foliar trichomes on leaf surface in four Tillandsia species

2.2 四种空气凤梨叶片表皮细胞结构微形态比较

供试种的表皮细胞微形态有所差异, 扭叶铁兰下表皮细胞形状为近四边形且周壁浅波, 其余均为近四边形(图2)。表皮细胞大小各不相同, 细胞长1.41~2.32 μ m, 宽0.49~1.51 μ m, 其中维路提娜上表皮细胞最大, 长、宽分别达到2.32、1.19 μ m。各品种上表皮均无气孔分布, 下表皮均有气孔分布, 气孔分布形式均为不规则散列, 气孔长宽、气孔指数因种而异, 长为1.03~1.57 μ m, 宽为0.94~1.35μ m, 气孔指数为0.50~2.14(表2)。

Figure Option

图2 四种空气凤梨叶片上、下表皮细胞结构微形态
A、C、E、G分别为霸王、扭叶铁兰、维路提娜、三色铁兰的上表皮细胞结构; B、D、F、H分别为霸王、扭叶铁兰、维路提娜、三色铁兰的下表皮细胞结构Fig.2 The structure of upper and under epidermis cells in four Tillandsia species
A, C, E and G were upper epidermis structures in T. xerographica, T. streptophylla, T. velutina, T. tricolor, respectively; B, D, F and H were lower epidermis structures in T. xerographica, T. streptophylla, T. velutina, T. tricolor, respectively

表2 四种空气凤梨叶片表皮细胞结构微形态 Table 2 The foliar trichomes of four Tillandsia species

2.3 四种空气凤梨叶片解剖结构

4种空气凤梨品叶片解剖结构类似, 都有表皮、叶肉组织、贮水组织、维管束及空腔(图3)。不同种角质层厚度不同, 叶片均为等面叶, 叶肉细胞一般无栅栏组织和海绵组织的分化。霸王、扭叶铁兰、维路提娜和三色铁兰的叶肉组织厚度分别为990、1 105、300、520 μ m。不同品种贮水组织的数量和厚度也不同, 霸王的贮水组织数量多, 靠近上表皮, 厚度约520 μ m; 扭叶铁兰的贮水组织数量多, 靠近上表皮, 厚度约320 μ m; 维路提娜的贮水组织数量多, 上、下表皮均有分布, 厚度约450 μ m; 三色铁兰的贮水组织数量多, 靠近下表皮, 厚度约120 μ m。不同种空气凤梨的叶肉细胞中间部位均有较多维管束均匀分布, 且都有明显的空腔, 空腔一般与维管束并排间隔排列。

Figure Option

图3 四种空气凤梨叶片解剖结构
A、B、C、D分别为霸王、扭叶铁兰、维路提娜、三色铁兰。mt, 叶肉组织; wst, 储水组织; vb, 维管束; ac, 空腔Fig.3 The leaf anatomical structure of four Tillandsia varieties
A, B, C and D were T. xerographica, T. streptophylla, T. velutina and T. tricolor, respectively. mt, mesophyll tissue; wst, water storage tissue; vb, vascula rbundle; ac, air cavity

3 讨论

本研究选取了4个有代表性的空气凤梨种, 对其叶片表面进行了研究, 发现空气凤梨与其他植物的叶片结构有明显差异, 空气凤梨不同种之间叶片结构也有差异, 这主要与其在自然生境中的环境适应性有关。

鳞片是指生物体表的表皮硬质化, 是一些动物皮肤表面衍生的硬薄片状结构, 对机体有保护作用, 在鱼类、爬行动物中常见[8]。植物中的鳞片有2类:一类是指鳞茎的一部分, 在百合、郁金香、风信子等有鳞茎的植物上存在[9, 10, 11]; 另一类是指叶片表皮的毛状附属物, 如杜鹃花属的少数种叶片上的鳞片[12]。而空气凤梨叶片上的鳞片与以上2类都不同, 它的形态类似于动物表皮的薄片状结构, 层叠覆盖于叶片表面, 主要功能是吸收空气中的水分和养分[13], 这也是空气凤梨不同于其他植物叶片结构的主要方面。空气凤梨不同种上、下表皮一般都具鳞片分布, 供试的4个种鳞片形状、覆盖形式、密度等均不同, 且同一种空气凤梨上、下表皮鳞片结构、密度也不完全一致, 上表皮密度均大于下表皮, 这可能是由不同种空气凤梨的原始生境不同所导致, 因此, 不同种对干旱等逆境的适应性也应不同。

空气凤梨表皮细胞结构与普通植物叶片表皮结构类似, 有大小不一、紧密排列的表皮细胞和气孔。比较特殊的是, 供试的4种空气凤梨叶片上表皮均没有气孔分布, 只在下表皮有气孔分布, 不同品种气孔指数也不同。对应叶表鳞片研究结果发现, 上表皮鳞片密度明显比下表皮大, 由于上表皮鳞片的密集覆盖, 具有吸收水分和养分的功能, 其上表皮就没有气孔分布; 下表皮气孔指数也比较低, 这也再次印证了空气凤梨叶表鳞片的作用和功能。

4种空气凤梨的叶片解剖结构类似, 叶片均为等面叶, 叶肉细胞均无栅栏组织和海绵组织的分化, 都有角质层、维管束等。在解剖结构中可以观察到2个明显特征:(1)叶肉细胞中均有较多的贮水组织分布, 贮水组织内部贮有水分, 干燥时期失水收缩, 将水分供给其他组织[14, 15]; 空气凤梨贮水组织靠近上、下表皮, 较多的贮水组织可以储存叶表鳞片及气孔吸收的水分, 并在干旱时输出。(2)相邻维管束间有大而明显的空腔结构, 这类空腔结构在芦荟属(Aloe)、石蒜属(Lycorischinensis)[8]植物叶片结构中被认为是大型的贮水细胞或薄壁细胞破裂形成的, 起着分泌道和通气腔的作用, 以增加叶片内的气体交换, 从而适应弱光和相对缺氧的阴生环境[8, 16]。空气凤梨叶片内空腔的功能应与此类似, 与生态适应性相关。

The authors have declared that no competing interests exist.

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