全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (1): 100–106, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2015.00100
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收稿日期: 2014-02-07; 接受日期: 2014-06-09
基金项目: 中国科学院知识创新方向性项目(No.KSCX2-EW-B-9)、北京市自然科学基金(No.6122025)和北京市科委项目(No.Z1411000-
06014036)
∗ 通讯作者。 E-mail: jcdao@ibcas.ac.cn
高粱、紫苏叶脉密度与光合特性的关系
宋丽清1, 2, 胡春梅1, 侯喜林1, 石雷2, 刘立安2, 杨景成3, 姜闯道2*
1南京农业大学, 南京 210095; 2中国科学院植物研究所, 北京 100093; 3北京自然博物馆, 北京 100101
摘要 叶脉是植物叶片光合作用水分输送的重要结构。为阐述叶脉与光合特性之间的关系, 以C4植物高粱(Sorghum bi-
color)、C3植物紫苏(Perilla frutescens)为实验材料研究了叶脉密度和光合特性之间的关系。结果表明, 与紫苏相比, 高粱
叶片叶脉密度大, 导水能力强, 蒸腾速率高, 但气孔密度小。进一步分析表明, 高粱叶片近轴侧气孔密度占总气孔的比例明
显高于紫苏。叶脉密度大的高粱具有较高的净光合速率; 而紫苏叶脉密度小, 净光合速率也较低。由此表明, 较高的叶脉密
度有利于支持较高的光合速率, 但研究表明叶脉密度和气孔密度可能不存在严格的协同变异关系。研究结果对理解植物光
合作用适应有重要意义。
关键词 水导度, 光合特性, 气孔密度, 蒸腾速率, 叶脉密度
宋丽清, 胡春梅, 侯喜林, 石雷, 刘立安, 杨景成, 姜闯道 (2015). 高粱、紫苏叶脉密度与光合特性的关系. 植物学报 50,
100–106.
一般情况下, 水分在植物体内的运输是连续的
(Philip, 1966; 潘瑞炽, 2004)。首先, 水分从土壤溶液
进入根部, 通过皮层薄壁细胞, 进入木质部的导管和
管胞中; 然后水分沿木质部向上运输到茎或叶的木质
部; 最后, 水分通过直径递减的一系列叶脉从维管木
质部末端进入细胞和气孔下腔附近的蒸发部位(叶肉
细胞细胞壁)。对于植物叶片而言, 叶脉是影响其水分
供应和利用的重要结构(Sack and Frole, 2006; Sack
and Scoffoni, 2013)。此后, 水分会通过气孔从植物
体内散失。
气孔是调节植物水分散失的主要结构 (黄勇 ,
2008; 程亮, 2011)。大量研究证明, 气孔密度会影响
叶片的气孔导度和蒸腾量 (Franks and Beerling,
2009; Carins Murphy et al., 2014), 而且对环境变化
非常敏感。因此, 叶脉和气孔对维持叶片水分平衡具
有重要意义。前人对于二者的关系也作了大量研究。
Brodribb和Jordan(2011)在8个不同的毛榉树种群间
进行取样, 发现无论是光下叶片还是遮阴处叶片其叶
脉密度与气孔密度的变化趋势一致。Carins Murphy
(2012)对于4种木本植物的研究表明, 不同物种在适
应环境改变时气孔密度和叶脉密度之间呈现协同变
异关系。
由于叶脉密度在很大程度上影响叶片水分供给
能力, 而气孔密度直接影响叶片水分散失速率。因而,
叶脉密度与气孔密度的协同关系很可能体现了叶脉
系统水分供给和气孔蒸腾水分需求间的相互匹配
(Brodribb and Jordan, 2011; Scoffoni et al., 2011)。
基于这些认识, 前人对叶脉和气孔之间的关系开展了
一些研究。但是, 这些研究主要针对木本植物, 少有
对于草本植物的研究; 而且也很少关注C4和C3植物
之间的区别。众所周知, C4植物多数为平行脉, 而C3
植物多数为网状脉。因此我们希望揭示两类植物在叶
脉密度和气孔密度间的差异。此外, Blonder等(2011)
通过2 548个物种的研究证明叶脉特性影响光合速
率。而且, Brodribb和Feild(2010)通过对759个物种的
进化研究, 认为叶脉密度与光合能力之间也存在协同
变异关系。Brodribb等(2010)也认为, 叶脉密度越大,
最大光合能力越强。但是, Walls(2011)的研究表明,
叶脉密度与叶片光合能力之间并没有显著的协同变
异关系, 很可能两者是相互独立的。因此, 关于叶脉
与光合能力之间的关系目前还存在争议。
本实验以C3植物紫苏(Perilla frutescens)和C4植
·研究报告·
宋丽清等: 高粱、紫苏叶脉密度与光合特性的关系 101

物高粱(Sorghum bicolor)为实验材料, 通过对两种材
料叶脉密度、气孔密度和光合特性的对比, 揭示叶脉
和气孔以及叶脉和光合能力之间的关系, 从而加深对
植物光合作用适应性的理解。
1 材料与方法
1.1 实验材料与设计
以C3植物紫苏(Perilla frutescens L.)和C4植物高粱
(Sorghum bicolor L.)为实验材料。2013年5–9月于中
国科学院植物研究所温室内进行实验。4月底在温室
内育苗, 待长出真叶后移苗至塑料花盆(直径26 cm,
深20 cm)中培养。每盆种植1株, 栽培基质为草炭:园
土=1:1(v/v), 生长环境正午最大光强为900 μmol·m–2·
s–1。当幼苗长到具有3片成熟叶时, 挑选生长状态一
致的植株进行各项生理指标的测定。
1.2 气体交换参数的测定
选择6–7月晴朗天气的9:00–12:00进行气体交换参数
的测定。用CIRAS-2便携式光合仪(PP. Systems, UK)
分别测定紫苏和高粱成熟叶片的净光合速率(Pn)、气
孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)等参数。
为了全面理解紫苏和高粱的光合特性, 我们制作光合
作用-光强响应曲线。光强从高到低的梯度分别设定
为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、
600、400、200、100、50和0 μmol·m–2·s–1。在室温
25°C, 大气CO2浓度为360–390 μmol·mol–1和大气
相对湿度为70%的条件下, 每间隔180秒记录1次, 测
定不同光强下的气体交换参数。每个处理重复6次。
1.3 气孔密度和长度的测定
采用无色透明指甲油印迹法, 把无色透明指甲油涂于
叶片上, 待其干透后撕下, 制成临时装片。于光学显微
镜(Nikon-E800)下放大40倍(目镜×4, 物镜×10)后对
其上下表皮气孔进行观察拍照。在Photoshop软件中
统计气孔数目, 同时度量气孔长度。每个材料选取6个
叶片, 每个叶片上下表皮分别观察5个视野。气孔密度
(stomatal density)用单位面积(mm2)的气孔数表示。
1.4 叶脉密度的测定
用5%NaoH溶液浸泡叶片5–7天, 叶片会逐渐褪色直
至透明(每天更换浸泡液)。用去离子水多次清洗叶片,
然后用0.5%甲苯胺蓝浸泡1分钟, 再次用去离子水冲
洗。在光学显微镜(Nikon-E800)下放大10倍后拍照。
用Adobe Acrobat软件统计分析叶脉的总长度。每个
材料选取6个叶片, 每个叶片观察5个视野。主叶脉
(major vein)指一级、二级和三级叶脉, 小叶脉(minor
vein)指四级及以下叶脉(Scoffoni et al., 2011; Sack
et al., 2012)。叶脉密度(vein density)用单位叶面积
(单位: mm2)的叶脉总长度(单位: mm)表示(Sack et
al., 2012)。
1.5 叶片水导度的测定
采用EFM法求水导度(Kleaf=E/∆Ψleaf), 水导度为稳定
状态的蒸腾速率 (E, mmol·m–2·s–1)与水势驱动力
(water potential driving force)(∆Ψleaf, MPa)的比值。
在整个叶片中, 水流动的驱动力为叶片的水势梯度,
而水势梯度为叶片叶肉水势(测得的水势Ψleaf)与大气
压强下进入叶脉的水(0 MPa, 相对压强)之间的差值
(Scoffoni et al., 2012)。
叶片水势采用压力室 (plant moisture stress,
PMS)测定。测量完叶片蒸腾速率之后, 将叶片取下置
于压力室测定水势Ψleaf。
Kleaf = E/(0–Ψleaf) = E /∆Ψleaf
1.6 叶面积和比叶面积的测定
将叶片置于105°C烘箱中杀青30分钟, 85°C烘至恒
重, 进行称量, 即为干质量。叶面积用激光叶面积仪
(CI-203, CID, USA)测定。比叶面积(单位: cm2·g–1)=
叶面积/干质量。
1.7 统计分析
测量数据用软件SPSS 16.0进行统计分析。不同处理
之间差异显著性分析采用单因素方差分析法。用
Sigmaplot 10.0软件作图。
2 结果与讨论
2.1 高粱、紫苏的气孔特性
从图1可以看出, 高粱叶面积为321.42 cm2, 紫苏叶
面积为99.14 cm2, 高粱叶面积为紫苏叶面积的3.24
倍。高粱比叶面积为314.53 cm2·g–1, 而紫苏比叶面
102 植物学报 50(1) 2015



图1 高粱与紫苏叶面积和比叶面积的比较

Figure 1 Leaf area and specific leaf area of Sorghum bi-
color and Perilla frutescens leaves



图2 高粱(A)和紫苏(B)近轴侧气孔比较
Bar=100 μm

Figure 2 The adaxial stomatas in Sorghum bicolor (A) and
Perilla frutescens (B) leaves
Bar=100 μm
积为491.28 cm2·g–1, 紫苏比叶面积是高粱的1.56
倍。以上结果说明高粱叶片面积大且厚。
由图2和图3A可知 , 紫苏近轴侧气孔密度为
44.19个·mm–2, 远轴侧气孔密度为216.98个·mm–2;
高粱近轴侧气孔密度为88.02个·mm–2, 远轴侧气孔
密度为131.19个·mm–2。紫苏总气孔密度明显高于高
粱的总气孔密度; 而且两种材料均为远轴侧气孔多于
近轴侧。但是, 紫苏近轴侧气孔密度小于高粱, 远轴
侧气孔密度大于高粱。图3B可以看出, 紫苏近轴侧气
孔长度为20.42 μm, 远轴侧气孔长度为18.59 μm;
高粱近轴侧气孔长度为28.32 μm, 远轴侧气孔长度
为31.38 μm。结果表明, 高粱气孔大, 且远轴侧气孔
大于近轴侧气孔; 紫苏则相反。
2.2 高粱、紫苏叶片的叶脉特性
由图4和图5A可以得出 , 高粱总叶脉密度为20.57
mm·mm–2, 紫苏总叶脉密度为7.96 mm·mm–2, 高粱
叶脉密度为紫苏叶脉密度的2.6倍。其中, 高粱主叶脉
密度为4.09 mm·mm–2, 小叶脉密度为16.48 mm·

图3 高粱与紫苏气孔密度(A)和气孔大小(B)的比较

Figure 3 Stomatal density (A) and stomatal length (B) in
Sorghum bicolor and Perilla frutescens leaves
宋丽清等: 高粱、紫苏叶脉密度与光合特性的关系 103



图4 高粱(A)和紫苏(B)叶脉的显微图像
Bar=100 μm

Figure 4 Microscopic photograph of veins in Sorghum bi-
color (A) and Perilla frutescens (B) leaves
Bar=100 μm

mm–2, 主叶脉占总密度的19.9%; 紫苏主叶脉密度为
0.7 mm·mm–2, 小叶脉密度为7.25 mm·mm–2, 主叶
脉占总密度的9.7%。
由图5B可知, 高粱和紫苏的水导度均随着光照
强度的增强而升高。高粱最大水导度为7.57 mmol·
m–2·s–1·MPa–1, 紫苏最大水导度为4.68 mmol·m–2·
s–1·MPa–1, 高粱最大水导度为紫苏的1.62倍。
2.3 高粱、紫苏的气体交换
由图6可知, 高粱、紫苏的净光合速率和蒸腾速率随
着光强的增加而升高。紫苏饱和光强约为1 000 μmol·
m–2·s–1, 高粱饱和光强约为1 400 μmol·m–2·s–1。高
粱的最大净光合速率和蒸腾速率分别为紫苏的2.75
倍和1.63倍。高粱的气孔导度随着光强增加而升高;


图5 高粱与紫苏叶脉密度(A)和水导度(Kleaf)(B)比较

Figure 5 Vein density (A) and hydraulic conductance (Kleaf)
(B) of Sorghum bicolor and Perilla frutescens leaves


而紫苏的气孔导度随着光强的增加先升高后降低, 在
光强为1 200 μmol·m–2·s–1时, 气孔导度达到最大值。
二者胞间CO2浓度随着光强的增加而降低, 高粱的下
降速度更快; 而紫苏的胞间CO2浓度较高。
2.4 讨论
本研究结果表明, 高粱气孔密度小, 叶脉密度大; 相
反, 紫苏气孔密度大, 而叶脉密度小。而前人研究认
为气孔密度和叶脉密度之间是协同变异关系
(Brodribb and Jordan, 2011; Carins Murphy, 2012)。
显然, 我们的实验结果与前人研究不完全相符。我们
注意到, 以往研究是通过比较不同环境条件下同一物
种而得出这一结论的(Brodribb and Jordan, 2011),
比如强光和弱光下同一物种的叶脉和气孔呈现协同
变化。实际上, 迄今还很少有人对不同物种间两者的
关系展开细致的研究。本实验证明不同物种间叶脉和
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图6 气体交换参数对光强的响应
(A) 净光合速率(Pn); (B) 气孔导度(Gs); (C) 胞间CO2浓度(Ci); (D) 蒸腾速率(Tr)

Figure 6 Responses of gas exchange parameters to photosynthetic photon flux density (PPFD)
(A) Net photosynthetic rate (Pn); (B) Stomatal conductance (Gs); (C) Intracellular CO2 concentration (Ci); (D) Transpiration rate
(Tr)

气孔密度并不完全遵循协同变异的规律。植物的水分平
衡很可能是由水分供应、水分散失和细胞的保水能力三
者共同决定的, 所以支持水分供应的叶脉和支持水分
散失的气孔两者间可能不是完全的协同变异关系。
前人研究表明叶脉密度与叶片水导度之间呈线
性关系 (Sack and Frole, 2006; Brodribb et al.,
2007)。本研究也表明, 与紫苏相比, 高粱叶脉密度
高, 其叶片的水导度也较高。通常其叶片的水分供应
能力较强, 蒸腾速率较高(Carins Murphy, 2012)。但
是, 叶片的水分散失是通过气孔完成的。一般情况下,
植物气孔密度越高 , 蒸腾速率也越高 (钟海民等 ,
1991; 姜彦秋等, 1991; 李海波等, 2003)。本研究中
高粱气孔密度低而蒸腾速率高与此不符。分析高粱叶
片的气孔分布, 我们观察到高粱叶片近轴侧气孔密度
占总气孔的比例为38.42%, 明显高于紫苏(16.92%)。
由于叶片近轴侧直接暴露在强光下, 而远轴侧光强很
弱(王晓琳等, 2012)。因为光照越强蒸腾速率越高(图
6), 所以我们推测高粱近轴侧高的气孔密度很可能导
致其较高的蒸腾速率。而高粱叶片高的叶脉密度和水
导度则与其较高的蒸腾速率相一致。相反, 紫苏由于
叶脉密度和水导度低, 所以很可能不能支持其较大的
蒸腾速率。因此, 其气孔在近轴侧的分布比例相对较
少, 而远轴侧较多。所以, 我们推测不同物种之间基
于叶脉密度的水分供应能力可能与气孔在叶片两侧
的分布比例有关。
因为高粱叶片具有很好的水分供应能力, 可以在
复杂的环境条件下维持水分供应和散失的平衡, 所以
能够确保其光合机构的正常运转。因此, 高粱较高的
光合速率应该与其高的叶脉密度有关; 紫苏低的叶脉
密度和其较低的光合速率也是一致的。这一结果支持
叶脉密度与光合速率间的协同变异。或许, 获得更多
物种的数据和更精确的叶脉统计方法将是解决这一
宋丽清等: 高粱、紫苏叶脉密度与光合特性的关系 105

争议的重要途径。当然, 本研究中我们不能完全排除
C4途径对高粱光合速率的贡献。但是, 如果没有充裕
的水分供应, C4途径的运转可能也会受到很大影响。
总之, 我们认为对于不同物种较高的叶脉密度有
利于支持较高的光合速率, 但叶脉密度和气孔密度间
可能不存在严格的协同变异关系。
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106 植物学报 50(1) 2015

Relationship Between Photosynthetic Characteristics and Leaf
Vein Density in Sorghum bicolor and Perilla frutescens
Liqing Song1, Chunmei Hu1, Xilin Hou1, Lei Shi2, Li’an Liu2, Jingcheng Yang3, Chuangdao Jiang2*
1Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093,
China; 3Beijing Natural Museum, Beijing 100101, China
Abstract Leaf vein is an important structure for plant photosynthesis and water transportation. In this study, leaf vein
density and photosynthetic characteristics were examined to explore the relationship between them in Sorghum bicolor
and Perilla frutescens seedlings. Compared with perilla, sorghum leaves had higher leaf vein density, stomatal conduc-
tance (Gs) and leaf hydraulic conductance (Kleaf). While perilla leaves had higher stomatal density than sorghum leaves.
For sorghum leaves, the proportion of stomata on the adaxial side accounted for 38.4% of the total stomata, which was
significantly higher than that in perilla leaves. Sorghum leaves developed with higher vein density had higher net photo-
synthetic rate, whereas perilla leaves developed with lower vein density have lower net photosynthetic rate. Therefore,
high photosynthetic rate in sorghum may be related to high vein density. However, there was no rigidly collaborative
variation between leaf vein density and stomatal density. These conclusions are important for the study of photosynthetic
adaptation to water availability.
Key words leaf hydraulic conductance, photosynthetic characteristic, stomatal density, transpiration rate, vein density
Song LQ, Hu CM, Hou XL, Shi L, Liu LA, Yang JC, Jiang CD (2015). Relationship between photosynthetic characteris-
tics and leaf vein density in Sorghum bicolor and Perilla frutescens. Chin Bull Bot 50, 100–106.
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* Author for correspondence. E-mail: jcdao@ibcas.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)