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Anatomical structure of Stipa breviflora leaves and its relationship with environmental factors

短花针茅叶片解剖结构及与气候因子的关系



全 文 :书短花针茅叶片解剖结构及与气候因子的关系
康萨如拉1,牛建明1,2,张庆1,陈丽萍1,3
(1.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古 呼和浩特010021;2.中美生态、能源及可持续性科学研究中心,
内蒙古 呼和浩特010021;3.南开大学生命科学学院,天津300071)
摘要:短花针茅是荒漠草原的主要建群物种,在放牧利用和维持生态系统稳定方面有重要的作用,短花针茅叶片结
构的抗旱性可为草原物种的抗逆性研究提供参考依据。本研究采用短花针茅叶片石蜡切片对叶片实际结构进行
矢量化,统计各结构面积、厚度、密度等参数,选择角质层厚度/叶片厚度、维管束/叶片面积、栅栏组织厚度/叶片厚
度、主脉维管束导管腔/主维管束面积、表皮细胞密度和表皮毛密度等6个指标进行统计得到叶片结构数据,随后
分别对8个样地的叶片结构数据和气候数据进行CCA分析,对叶片结构与主导气候因子进行Pearson相关性分
析。实验结果表明,1)为了适应高温、干旱的生长环境,短花针茅叶片具有典型的旱生结构;2)影响8个样地短花
针茅叶片结构差异的主导气候因子为热量因子,水分因子居于次要地位;3)短花针茅叶片维管束和叶面积的比值
与年均气温和年均降水量都存在显著相关性,主维管束导管腔与维管束面积的比值与年平均气温存在显著相关
性;4)短花针茅叶片结构相似性矩阵和遗传相似性矩阵之间不存在一致性。
关键词:适应;气候因子;短花针茅;叶片结构;石蜡切片
中图分类号:Q944.3;Q948.112  文献标识码:A  文章编号:10045759(2013)01007710
  植物个体生长于自然环境中,自然受到干旱、盐碱、低温(冷害、冻害)、高温等气候因子的影响,然而植物对生
存的不良环境具有特定的适应性和抵抗力[13]。植物对逆境适应与响应过程中有形态结构、解剖结构以及生理生
化上的变化[4,5]。生长在不同生境中的植物,常表现出不同的形态结构;同种植物因生境的显著差异,其形态和
解剖结构也会表现出明显的趋异现象[6,7],这与陈庆诚等[8]的多途径适应观点一致。植物形态结构能反映气候
因子对植物的影响以及植物自身对环境的适应,这通常被认为是植物对特殊环境的适应反应[9,10]。
植物叶片是反映植物对环境适应的最敏感器官,也是植物生命活动进行的主要部位[9]。因此在不同生境条
件下,植物叶片的各个结构对其所处的环境有各自的响应特征[11]。暴露在空气中的植物叶片大小、形状及方向
性在一定程度上决定着植物和环境之间能量相互转换的效率[1216]。Hegazy和Elamry[17]认为植物叶片形态差
异会共同表现在植物叶片大小和形状上,而恰恰这种特征保证了植物和环境之间物质和能量的相互转换,是植物
在干旱、半干旱环境中生存的重要条件。还有些研究指出,对于不同地段的植物群落,其叶片的类型、形状、结构
是所处环境最独特的标志,并且认为物种的分化不仅表现在其叶片的外部形态结构,在叶片解剖结构及化学成分
上也有极大的不同[1820]。因此,研究植物叶片形态及解剖结构的分化特征,对植物适应性和抗性生理研究具有重
要意义。
短花针茅(犛狋犻狆犪犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪)系禾本科(Gramineae)针茅族(Stipeae)针茅属(犛狋犻狆犪)须芒组(Sect.Barbatae)
多年生丛生型旱生草本植物,是亚洲中部暖温型荒漠草原的主要建群种,也常在某些典型草原群落及草原化荒漠
群落中成为伴生成分[21]。短花针茅草原是亚洲中部草原亚区荒漠草原带气候偏暖地区的主要草原类型,它的分
布从我国黄土丘陵区西北部起,向北越过阴山山地到内蒙古高原的南部地区,其南界大体上达到甘肃的兰州、会
宁、宁夏的固原、陇东的环县,陕北的靖边、榆林、绥德以及晋西北的河曲、偏关等地。短花针茅草原分布区的湿润
度在0.23~0.47,年降水量为279(化德)~434(准格尔)mm,年均温为2.1(化德)~7.4℃(准格尔),兰州可达
9.1℃[22]。因此,短花针茅适于研究植物适应性及抗性生理[23,24]。本研究通过短花针茅叶片解剖结构对气候因
第22卷 第1期
Vol.22,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
77-86
2013年2月
收稿日期:20111216;改回日期:20120224
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB722201),国家科技支撑计划课题(2011BAC07B01),国家自然科学基金(31060320)和
现代农业产业技术体系建设专项资金资助。
作者简介:康萨如拉(1986),女,蒙古族,内蒙古兴安盟人,在读硕士。
通讯作者。Email:jmniu2005@163.com
子的适应性研究,试图阐明导致短花针茅叶片结构差异的主导环境因子,探究短花针茅适应环境的策略,为植物
适应性和抗性生理研究及相关领域提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
图1 样地分布
犉犻犵.1 犜犺犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狅犫狊犲狉狏犪狋犻狅狀狊犻狋犲狊
   A:中温性典型草原 Moderatetemperatetypicalsteppe;B:中温性荒
漠草原 Moderatetemperatedesertsteppe;C:暖温性典型草原 Warm
temperatetypicalsteppe;D:暖温性荒漠草原 Warmtemperatedesert
steppe;E:草原化荒漠Steppedesert;F:样地Observationsites.
图2 短花针茅叶片石蜡切片
犉犻犵.2 犘犪狉犪犳犳犻狀狊犲犮狋犻狅狀狅犳犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪
图3 短花针茅显微照片示例(1犿犿,100∶1)
犉犻犵.3 犕犻犮狉狅犻犿犪犵犲狅犳犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪
本研究设置野外调查样地共8个,分布于内蒙古
准格尔旗皇甫川、鄂托克旗三北羊场、鄂托克旗东深
井、达茂旗巴音敖包苏木、达茂旗百灵庙、达茂旗石宝
乡、苏尼特右旗都仁乌力吉苏木(图1)。其中,在苏尼
特右旗都仁乌力吉苏木选取2个不同生境下的样地,
其地理位置介于北纬39.24°~42.48°、东经107.34°~
113.33°。样地的植被类型包括温性典型草原、温性荒
漠草原、暖温性典型草原、暖温性荒漠草原和草原化荒
漠,详情见表1[25]。
1.2 研究方法
1.2.1 取样 2007年8月,在研究区各样地随机剪
取短花针茅(依据内蒙古植物志[22]及内蒙古大学植物
标本馆中短花针茅标本对所取样品进行鉴定)植株相
同高度的成熟、健康、向阳、无虫害的基生叶3.0~3.5
cm,重复取样25~30株,迅速放入福尔马林-醋酸-
酒精固定液(formalinaceticacidalcoholstationary
liquid,FAA)中固定,带回实验室4℃保存备用。
1.2.2 制作石蜡切片及成像 将FAA固定液中固
定的短花针茅叶片(每个样地随机选择5~6株),通过
脱水、透明、渗蜡、石蜡包埋、修蜡、切片、粘片(每片粘
10~20横切面,如图2,每株重复3次)、烘片、脱蜡、双
重染色及封片等步骤,制作短花针茅叶片的石蜡切
片[26,27]。
在OLYMPUSCX41显微镜下分别对切片进行
4×10倍和10×10倍观察,筛选出染色效果较佳的切
片,使用 CANONDS16275数码相机以照片与切片
100∶1的比例进行拍照与存储,显微照片示例图像见
图3。并按JPEG格式存储图像文件。根据测微尺的
刻度确定图像的长和宽,分别为1550.24和1033.49
μm。
1.2.3 图像分析及数据获取 首先将JPEG图像转
化为PIX图像文件,在PCIGeomaticaV8.2软件下,
确定每张图片左下角及右上角的坐标,定义单位为微
米(μm)。
在ArcMapversion9.3下每个样地选取10~15
幅染色及成像效果较佳的切片,对其实际结构进行矢
量化。该处主要对叶片表皮、角质层、栅栏组织、维管
束、主脉导管腔进行了矢量化与拓扑,形成Coverage
文件[28]。
87 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.1
表1 样地描述[25]
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犱犲狊犮狉犻狆狋犻狅狀狅犳狅犫狊犲狉狏犪狋犻狅狀狊犻狋犲狊
地点
Location
种群代码
Population
code
地理位置
Geographic
position
海拔
Altitude
(m)
年平均降水量
Annualmean
precipitation(mm)
≥10℃年积温
Accumulated
temperature(℃)
土壤类型
Soiltype
准格尔旗皇甫川 Huangpu
chuan,Zhungerbanner
1 111.13°E,
39.80°N
1129 387.3 3225.7 黄绵土Loessalsoil
鄂托克旗三北羊场 Sanbeiy
angchang,Etuokebanner
2 107.34°E,
39.24°N
1289 264.7 3173.9 淡棕钙土Lightchestnut
brownsoil
鄂托克旗东深井 Dongshen
jing,Etuokebanner
3 107.98°E,
39.26°N
1482 264.7 3173.9 棕钙土 Chestnutbrown
soil
达茂旗巴音敖包Bayinaobao,
Damaobanner
4 110.12°E,
41.92°N
1426 260.9 2502.4 棕钙土 Chestnutbrown
soil
达茂旗百灵庙 Bailingmiao,
Damaobanner
5 110.37°E,
41.73°N
1388 260.9 2502.4 棕钙土 Chestnutbrown
soil
达茂旗石宝乡Shibao,Damao
banner
6 111.02°E,
41.37°N
1682 260.9 2502.4 淡 栗 钙 土 Light kas
tanozems
苏尼特右旗都仁乌力吉Dure
nwuliji,Suniteyoubanner
7 113.33°E,
42.48°N
1160 217.2 2700.1 淡 栗 钙 土 Light kas
tanozems
苏尼特右旗都仁乌力吉Dure
nwuliji,Suniteyoubanner
8 113.25°E,
42.47°N
1175 183.0 2837.0 棕钙土 Chestnutbrown
soil
地点
Location
种群代码
Populationcode
植物群落类型及特征
Characterofplantcommunity
准格尔旗皇甫川 Huangpu
chuan,Zhungerbanner
1 短花针茅+本氏针茅:分布于阳坡峁坡,主要伴生种有达乌里胡枝子、细叶远志、草木樨状黄芪
等。犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪+犛.犫狌狀犵犲犪狀犪:distributeinloesssunnyslope,maincompanionsare犔犲狊狆犲
犱犲狕犪犱犪狏狌狉犻犮犪,犘狅犾狔犵犪犾犪狋犲狀狌犻犳狅犾犻犪,and犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犿犲犾犻犾狅狋狅犻犱犲狊.
鄂托克旗三北羊场 Sanbeiy
angchang,Etuokebanner
2 短花针茅+小针茅:位于缓坡,主要伴生种狭叶锦鸡儿和无芒隐子草。短花针茅主要分布在谷
地,丘坡上以小针茅为主。犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪+犛.犽犾犲犿犲狀狕犻犻:distributeingentleslope,maincom
panionsare犆犪狉犪犵犪狀犪狊狋犲狀狅狆犺狔犾犾犪and犆犾犲犻狊狋狅犵犲狀犲狊狊狅狀犵狅狉犻犮犪.犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪distributeinbottom
ofvaley,but犛.犽犾犲犿犲狀狕犻犻intopofhil.
鄂托克旗东深井 Dongshen
jing,Etuokebanner
3 短花针茅+无芒隐子草:位于梁地,主要伴生种为狭叶锦鸡儿、戈壁天门冬等,有放牧利用。犛.
犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪+犆.狊狅狀犵狅狉犻犮犪:distributeinbridgeofhils,pastured,maincompanionsare犆.狊狋犲狀狅
狆犺狔犾犾犪and犃狊狆犪狉犪犵狌狊犵狅犫犻犮狌狊犲狋犪犾.
达茂旗巴音敖包Bayinaobao,
Damaobanner
4 短花针茅+小针茅:位于缓坡下部,地表有细小砾石,有放牧利用,主要伴生种为无芒隐子草。
犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪+犛.犽犾犲犿犲狀狕犻犻:distributeinlowergentleslope,gravelonthesurface,pastured,
andthemaincompanionis犆.狊狅狀犵狅狉犻犮犪.
达茂旗百灵庙 Bailingmiao,
Damaobanner
5 短花针茅+无芒隐子草:位于缓丘下部,地表轻微覆沙,有放牧利用,主要伴生种为冰草、冷蒿
等。犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪+犆.狊狅狀犵狅狉犻犮犪:distributeinlowergentleslope,partofsurfacecoveredby
sand,pasturedandmaincompanionsare犃犵狉狅狆狔狉狅狀犮狉犻狊狋犪狋狌犿and犃狉狋犲犿犻狊犻犪犳狉犻犵犻犱犪.
达茂旗石宝乡Shibao,Damao
banner
6 克氏针茅+短花针茅:位于缓丘中部,较新围栏内,有轻微放牧,主要伴生种为碱韭、无芒隐子
草、糙隐子草、冷蒿等,地表有地皮菜。犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻+犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪:distributeinmiddleof
gentleslope,inanewfence,pasturedmildly,maincompanionsare犃犾犾犻狌犿狆狅犾狔狉犺犻狕狌犿,犆.
狊狅狀犵狅狉犻犮犪,犆.狊狇狌犪狉狉狅狊犪,and犃.犳狉犻犵犻犱犪犲狋犪犾.Thesurfacecovered犖狅狊狋狅犮犮狅犿犿狌狀犲.
97第22卷第1期 草业学报2013年
 续表1 Continued
地点
Location
种群代码
Populationcode
植物群落类型及特征
Characterofplantcommunity
苏尼特右旗都仁乌力吉Dure
nwuliji,Suniteyoubanner
7 克氏针茅+短花针茅:位于丘坡下部围栏内,地表覆沙,且有较多的玄武岩砾石,主要伴生种有
羊草、黄囊苔草等。犛.犽狉狔犾狅狏犻犻+犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪:distributeinlowerslope,infence,surfacecov
eredbysandandbasalticgravels,maincompanionsare犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊,犆犪狉犲狓犽狅狉狊犺犻狀狊犽犻犲狋犪犾.
苏尼特右旗都仁乌力吉Dure
nwuliji,Suniteyoubanner
8 小针茅+短花针茅:位于缓坡下部围栏内,地表覆沙且有少量小砾石,有放牧利用,主要伴生种
为冰草、碱韭和无芒隐子草。犛.犽犾犲犿犲狀狕犻犻+犛.犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪:distributeinlowerslope,infence,
surfacecoveredbysandandalittlegravel,pastured,maincompanionsare犃.犮狉犻狊狋犪狋狌犿,犃.
狆狅犾狔狉犺犻狕狌犿,and犆.狊狅狀犵狅狉犻犮犪.
 年平均降水量及≥10℃年积温为样地所处气象站自1977年建站至2005年29年数据平均值;土壤类型依据内蒙古自治区1∶100万土壤类型图获
得。Annualmeanprecipitationandaccumulativetemperatureabove10℃weretheaverageof29yearsdatafrom1977to2005;Soiltypewasobtained
accordingtothesoiltypemapofInnerMongolia(1∶1000000).
在ArcMapversion9.3下对叶片结构的长度、厚度、面积等参数进行测量统计后,确定以下6个指标,并获
得每个样地指标的均值。
A:角质层占叶片厚度的比例(%)=角质层厚度/叶片厚度×100
B:维管束占叶面积比例(%)=维管束总面积/叶面积×100
C:栅栏组织占叶片厚度的比例(%)=栅栏组织厚度/叶片厚度×100
D:主导管占主维管束比例(%)=主维管束导管面积/主维管束面积×100
E:表皮细胞密度(%)=表皮细胞个数/统计长度×100
F:表皮毛密度(%)=表皮毛个数/统计长度×100
1.3 样地与气候指标的获得
选取10个气候因子,即≥0℃年积温(AMT0)、≥10℃年积温(AMT10)、最冷月平均气温(CMT)、最热月平
均气温(WMT)、年平均气温(MT)、年蒸发量(EVP)、年降水量(P)、夏秋降水量(P_SF)、冬春降水量(P_WS)及
无霜期(FRZ_FD)。依据内蒙古气候要素空间分布模型[29],基于调查地点的经度、纬度与海拔,分别获取8个样
地的上述10个气候因子指标。
1.4 统计分析
利用CanocoForWindows4.5软件,对叶片结构数据矩阵(6个指标)与气候数据矩阵(10个指标)进行典范
对应分析(canonicalcorrespondenceanalysis,CCA),阐明叶片结构与气候因子之间的关系,探究影响短花针茅
分布及叶片结构分化的主导气候因子。
结合上述CCA分析结果,选取2个主导气候因子年平均气温和年降水量,利用SPSS16.0,对叶片结构数据
矩阵(6个指标)与气候因子(2个指标)之间进行Pearson相关显著性检验,阐明主导气候因子与各个叶片结构的
关系,探讨短花针茅适应环境时所采取的策略。
结合8个样地短花针茅的遗传分化[25],对短花针茅叶片结构和遗传结构数据矩阵之间进行 Mantel检验,阐
明遗传分化在短花针茅叶片结构分化中所起的作用。
2 结果与分析
2.1 短花针茅叶片的结构特征
短花针茅叶片有以下典型的旱生特征(图4)。如叶片横切面完全卷曲成“V”型或椭圆型,表皮细胞排列整齐
密集,上表皮有致密的表皮毛,有发达紧密的维管组织及维管束有发达的导管腔,叶片上表皮弯曲的每个凹陷处
有数个运动细胞,厚壁组织排列紧密,具有加厚的角质层,有较大的气孔密度等。
统计表明,短花针茅叶片厚度为(122.42±5.28)μm,角质层加厚,为(5.23±0.63)μm,表皮细胞密度为
08 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.1
(4.90±0.36)个/μm,维管束总面积占叶面积的比例为(10.52±0.87)%,靠近下表皮的栅栏组织厚度为
(38.16±3.29)μm,栅栏组织厚度占叶片厚度的比例为(31.44±1.64)%(表2)。
比较发现,不同样地短花针茅主维管束导管腔占主维管束面积比值的差异最大,其次为表皮毛密度(表2)。
而进一步对不同样地间短花针茅叶片结构分化差异显著性检验表明(表3),叶片结构分化具有极显著性差异的
有样地8与样地1,2,3,7之间和样地2与样地5,6之间。样地8与样地4,5和6之间的叶片结构分化差异显
著。
图4 石蜡切片
犉犻犵.4 犘犪狉犪犳犻狀狊犲犮狋犻狅狀
 A:表皮毛Trichomes;B:运动细胞Vacuoleshapedcels;C:导管腔Cavities;D:厚壁组织Sclerenchyma;E:栅栏组织Palisades;F:气孔Stoma;G:下
表皮Lowerepidermal;H:上表皮Upperepidermal.
表2 6个指标统计数值表
犜犪犫犾犲2 犖狌犿犲狉犻犮犪犾狏犪犾狌犲狅犳狊犻狓犻狀犱犻犮犲狊
指标
Indices
样地1
Site1
样地2
Site2
样地3
Site3
样地4
Site4
样地5
Site5
样地6
Site6
样地7
Site7
样地8
Site8
平均值
Mean
相对标准偏差Relative
standarddeviation
角质层/叶片厚 度 Corneum/leaf
thickness(%)
3.94 4.23 4.92 4.55 3.88 4.29 3.82 4.31 4.24 0.08
维管束/叶面积 Vascular/leafarea
(%)
11.43 11.06 11.74 9.52 9.66 9.96 10.96 9.85 10.52 0.08
栅栏组织/叶片厚度 Palisadetis
sue/leafthickness(%)
30.21 32.67 30.65 31.38 31.91 32.27 33.88 28.55 31.44 0.05
主脉导管腔/主维管束面积Bundle
catheter cavity/bundle of main
vasculararea(%)
11.54 11.10 8.13 8.38 9.16 7.23 7.85 6.42 8.72 0.21
表皮细胞密度Epidermalcelden
sity(No./μm)
4.78 4.88 5.16 5.28 4.53 4.74 5.43 4.43 4.90 0.07
表 皮 毛 密 度 Trichome density
(No./μm)
1.12 1.01 1.13 1.19 0.84 0.78 0.74 0.86 0.96 0.18
18第22卷第1期 草业学报2013年
表3 样地之间叶片结构差异显著性检验
犜犪犫犾犲3 犞犪狉犻犪犫犾犲狊犻犵狀犻犳犻犮犪狀狋犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犲犻犵犺狋狊犻狋犲狊
样地Sites 样地1Site1 样地2Site2 样地3Site3 样地4Site4 样地5Site5 样地6Site6 样地7Site7
样地2Site2 -0.3229
样地3Site3 0.2158 0.5387
样地4Site4 0.4536 0.7765 0.2378
样地5Site5 0.5052 0.8281 0.2894 0.0516
样地6Site6 0.6264 0.9492 0.4106 0.1727 0.1211
样地7Site7 0.0585 0.3813 -0.1573 -0.3952 -0.4468 -0.5679
样地8Site8 1.4345 1.7573 1.2187 0.9809 0.9292 0.8081 1.3760
 :在0.01水平上差异显著Variableissignificantatthe0.01level;:在0.05水平上差异显著Variableissignificantatthe0.05level.
2.2 叶片结构与气候因子的关系
图5 犆犆犃分析结果
犉犻犵.5 犜犺犲狉犲狊狌犾狋狅犳犆犆犃
   AMT0℃:≥0℃年积温 Annualaccumulativetemperatureabove
0℃;AMT10℃:≥10℃年积温 Annualaccumulativetemperaturea
bove10℃;CMT:最 冷 月 平 均 气 温 Meantemperatureofcoldest
months;WMT:最 热 月 平 均 气 温 Meantemperatureofhottest
months;MT:年平均气温 Annualmeantemperature;EVP:年蒸发量
Annualevaporation;P:年降水量 Annualprecipitation;P_SF:夏秋降
水量Precipitationofsummerautumn;P_WS:冬春降水量Precipitati
onofwinterspring;FRZ_FD:无霜期Frostfreeperiod.下同Thesame
below.
第1主导因子为热量因子(83.0%),而水分因子
位居第2(13.9%)(图5)。8个样地在第1轴上受
AMT0℃、AMT10℃、MT、FRZ_FD、CMT、WMT的
影响较大,在第2轴上受P_SF、P、P_WS的影响较大。
1,2和6,7,8样地受热量因子的影响较大;3和4,5样
地受水分因子的影响较大。1,2与热量因子正相关,
而6,7,8三个样地与热量因子负相关;第3样地与水
分因子正相关,4,5两个样地与水分因子负相关。
通过对信息量相关性矩阵的分析发现(表4),在
热量因子当中年平均气温对8个样地短花针茅的影响
最大(0.763),而≥0℃年积温与≥10℃年积温位居第
2(0.7628和0.7591);结合排序结果,无霜期因子最
接近第1轴,说明无霜期与热量的相关性非常显著。
水分因子当中年平均降水量的影响最大(0.8033),夏
秋降水量居第2位;年降水量与夏秋降水量的相关性
比与冬春降水量的相关性大,说明一年中夏秋降水量
对8个样地短花针茅生长过程中的影响比冬春降水量
的影响大。
Pearson显著性检验结果表明(表5),维管束占叶
面积的比值和主维管束导管占主维管束面积的比值与
热量因子呈显著正相关,而角质层厚度占叶片厚度的
比值、栅栏组织厚度占叶片厚度的比值、表皮细胞密度、表皮毛密度与热量因子的相关性不显著。
与水分因子具有显著相关性的指标为维管束占叶面积的比值,其他指标均不显著。不过,尽管角质层厚度/
叶片厚度、栅栏组织厚度/叶片厚度、表皮细胞密度与水分因子之间的相关性不显著,但具有负相关特征,即随着
年降水量减小,角质层厚度增大,表皮细胞密度增加,栅栏组织厚度增大,符合植物抗旱性的特点。
2.3 叶片结构与遗传特征的关系
对短花针茅叶片解剖结构与遗传结构之间的 Mantel检验结果表明(图6),短花针茅叶片解剖结构与遗传特
征之间存在相似性,但不显著。
28 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.1
表4 犆犆犃信息量相关性矩阵
犜犪犫犾犲4 犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀狋犪犫犾犲狅犳犆犆犃
指标Indices
叶片结构Leafstructures
轴1Axis1 轴2Axis2 轴3Axis3 轴4Axis4
气候因子Environmentalfactors
轴1Axis1 轴2Axis2 轴3Axis3 轴4Axis4
AMT0℃ 0.7628 0.4236 -0.0179 -0.0246 0.7702 0.4674 -0.0346 -0.0705
AMT10℃ 0.7591 0.4162 -0.0368 -0.0333 0.7665 0.4592 -0.0712 -0.0954
CMT 0.7469 0.5006 0.0699 0.0403 0.7542 0.5523 0.1354 0.1156
WMT 0.7514 0.3881 -0.0544 -0.0486 0.7587 0.4282 -0.1054 -0.1395
MT 0.7630 0.4669 0.0264 0.0079 0.7705 0.5150 0.0511 0.0225
EVP 0.2893 -0.1533 0.4038 0.0030 0.2917 -0.1675 0.7878 0.0106
P 0.2218 0.7281 -0.1462 0.1382 0.2239 0.8033 -0.2830 0.3965
P_SF 0.1866 0.7237 -0.1690 0.1317 0.1885 0.7983 -0.3271 0.3779
P_WS 0.4006 0.6001 0.0618 0.1769 0.4062 0.6570 0.1034 0.5498
FRZ_FD 0.7236 0.2297 0.0654 -0.0610 0.7303 0.2545 0.1304 -0.1768
 :在0.05水平上相关性显著(双侧检验)Correlationissignificantatthe0.05level(2tailed).
表5 犘犲犪狉狊狅狀相关显著性检验结果
犜犪犫犾犲5 犚犲狊狌犾狋狅犳犘犲犪狉狊狅狀狋犲狊狋
相关性
Correlations
角质层厚度/
叶片厚度
Corneum
thickness/leaf
thickness
维管束面积/
叶面积
Vascular
area/leaf
area
栅栏组织厚度/
叶片厚度
Palisadetissue
thickness/leaf
thickness
主维管束导管面积/
主维管束面积
Bundle
cathetercavity/
bundleareaof
mainvascular
表皮细胞密度
Epidermalcel
density
表皮毛密度
Trichome
density
年平均气温 Meanannualtemperature 0.865 0.023 -0.790 0.018 0.898 0.147
年降水量Annualprecipitation -0.936 0.027 -0.605 0.566 -0.848 0.951
 :在0.05水平上相关性显著(双侧检验)Correlationissignificantatthe0.05level(2tailed).
3 结论与讨论
图6 结构相似性系数与遗传相似性系数
之间的 犕犪狀狋犪犾检验结果
犉犻犵.6 犚犲狊狌犾狋狅犳犕犪狀狋犲犾狋犲狊狋犫犲狋狑犲犲狀狊狋狉狌犮狋狌狉犲
犻狀犱犻犮犲狊犪狀犱犵犲狀犲狋犻犮犻狀犱犻犮犲狊
3.1 短花针茅叶片具有典型的旱生结构
为了更好地适应高温、缺水等干旱环境,植物叶片
解剖结构均具有相应的变化特征[3032]。不同干旱条件
下的植物,其叶片本身、叶表皮附属结构、机械组织、输
导组织及通气组织等都较发达[33]。植物适应干旱环
境的第一个特点是尽量缩小叶面积以减少蒸腾量,但
不同植物适应干旱环境所采取的策略都有所不同[1]。
有些植物随环境干旱程度的加剧,不仅叶面积减小,有
时退化形成鳞片状甚至无叶[1,34,35],有些植物叶片较
多肉质或薄叶植物的叶片卷曲[6,36,37];或叶片上下表
皮角质层加厚[34,3742],表皮较多白色绒毛,并且密度增
加[6],叶表皮蜡质结构增多[35];或叶肉细胞较小,栅栏
组织厚度增加,栅海组织比增大以及后壁组织发
达[35];或叶脉致密,中脉厚度增加,叶脉维管束及导管
38第22卷第1期 草业学报2013年
腔发达[43];或气孔下陷,单位面积气孔数增多[33]等。而以上适应策略在同种植物中并不是单独存在的,有些植
物在极度干旱环境下同时采取以上少数几种或多种适应策略[12]。黄振英等[36]把高温、干旱环境下不同适应策
略的植物归纳为薄叶植物、多浆植物、肉茎植物和卷叶植物4类,其叶片可归为正常型、全栅型、环栅型、不规则
型、禾草型、退化型6类。
短花针茅叶片也具有典型的旱生特征,其适应策略为:1)叶片横切面完全卷曲成“V”形或椭圆形,它属于薄
叶卷叶植物,以缩小暴露在空气中的叶面积;2)表皮细胞排列整齐密集,减少蒸散量,并且上表皮有致密的表皮
毛,可反射阳光,降低叶表面的温度;3)有发达紧密的维管组织,增强了输导水分和有机物的能力,而维管束导管
腔也较发达,可增加对水分的输导能力;4)叶片上表皮弯曲的每个凹陷处有数个运动细胞,可根据外部环境的变
化调整叶片的卷曲程度;5)厚壁组织排列紧密,可减小水分蒸腾损失;6)角质层较厚,增加水分的扩散阻力,使叶
片叶肉细胞更有效的利用水分,发达的角质层也可保护叶肉组织以免被强光灼伤;7)气孔密度大,由于影响光合
作用的一个主要因子为CO2 的浓度[31],因此大的气孔密度会增加CO2 的吸收量,从而提高光合速率。
3.2 热量是引起短花针茅叶片结构差异的主导气候因子,水分居次要地位
在长期的进化过程中,每一种植物存在于一个适于生长和发育的地理区域内,形成了与气候因素(例如温度、
降水、光照等)相适应的分布格局[44]。因此气候是在大尺度上决定物种分布的主要因素[45]。通常认为,决定大
尺度植被分布格局及植物形态结构差异的因素主要为温度和降水等气候因子[30,37]。而在小尺度上,影响植物形
态结构差异主要由微环境导致,如地形条件(海拔)、土壤母质性质、土壤盐分含量、土壤水分条件及其他生物因
素[35,46]。植物的分布与气候因子的关系,尤其是水热因子的关系逐渐从定性描述转变为定量描述[47,48]。本项关
于短花针茅叶片解剖结构与气候因子关系的研究与之有相同的结果。在较为广阔的研究区域内(即大的空间尺
度),热量因子的分异对短花针茅叶片结构的变化产生了决定性的作用,水分因子处于次要地位,尽管其作用也是
不能够被忽视的。
既然热量和水分因子是引起短花针茅叶片解剖结构分化的主要气候因子,那么必定有一种或多种叶片结构
与热量和水分因子之间呈现相关关系。研究结果显示,短花针茅叶片维管束/叶面积与热量因子(年平均气温)和
水分因子(年降水量)均显著正相关,主脉导管腔/主维管束面积与热量因子(年平均气温)显著正相关,因此认为
短花针茅极有可能在适应生长环境的水热变化时,首先采取的策略是改变维管束结构,使得在高温环境下能够吸
收更多的水分来调节叶片自身表面的温度[44,49]。
样地8虽然与样地7的地理位置非常相近,但是由于样地8的年平均降水量在8个样地中处于最低水平。
因此,样地8的短花针茅叶片结构分化出能够适应该地区极度干旱环境的独特的叶片结构特征。
3.3 叶片解剖结构和分子结构之间有差异
每个生物都有其独特的遗传特性和形态特征,其形态特征是生物遗传特性的外部表象,而遗传多样性决定了
外部形态结构千姿百态的特征,因此形态结构的多样化必然会受到遗传分化的制约[5053]。
通过与张庆等[25]关于短花针茅遗传多样性研究结果的比较发现,8个样地短花针茅的叶片解剖结构与遗传
特征之间存在相似性,但不显著。其原因极有可能是遗传特征受到地理位置隔离的影响,受遗传因子基因流的影
响比较大[54],而属于外部形态特征的叶片结构,不仅受到大尺度水热条件的影响,还要受到微环境的影响;另一
方面,形态特征是遗传特征的外部表象,叶片只是植物器官的一部分,因此植物的遗传特征不只表现在植物叶片
上,而是综合表现在根、茎、叶和其他繁殖器官上[55]。
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犃狀犪狋狅犿犻犮犪犾狊狋狉狌犮狋狌狉犲狅犳犛狋犻狆犪犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪犾犲犪狏犲狊犪狀犱犻狋狊狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狑犻狋犺犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犳犪犮狋狅狉狊
KANGSarula1,NIUJianming1,2,ZHANGQing1,CHENLiping1,3
(1.SchoolofLifeSciences,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China;2.SinoUSCenter
forConservation,EnergyandSustainabilityScience,Hohhot010021,China;
3.SchoolofLifeSciences,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:犛狋犻狆犪犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪istheconstructivespeciesindesertsteppeandplaysanimportantroleingrazinguse
andstabilizingdesertgrasslandecosystems.Thecharacteristicof犛.犫犲狏犻犳犾狅狉犪leafstructurewithdroughtre
sistancecanprovideagoodreferenceforgrasslandspecies.犛.犫犲狏犻犳犾狅狉犪leavesfromeightsiteswereparaffin
waxsectionedanddoublestained,thenobservedwithanOLYMPUSCX41microscope,andimagedbyaCAN
ONDS16275digitalcamera.Thearea,thicknessanddensityofcorneum,vascularbundle,vascularcatheter
cavityofthemainvein,palisadetissue,leaves,epidermalcels,andleaftrichomeswerecalculatedwithArc
Gis.Sixindicators(corneumthickness/leafthickness,vasculararea/leafarea,palisadetissuethickness/leaf
thickness,theareaofmainveinvascularbundlecathetercavity/mainvascularbundle,epidermalceldensity
andtrichomedensityofleaflikestructures)fromtheeightsiteswereselectedforCCA (canonicalcorrespon
denceanalysis)withclimatedataandtherelationshipbetweenleafstructureandenvironmentalfactorswasan
alyzedusingPearsonanalysis.Finaly,thecorrelationbetweentwosimilaritymatrixesofleafstructureandge
neticswascalculatedbyaManteltest.1)Theleafstructureof犛.狉犲狏犻犳犾狅狉犪showedtypicaldroughtresistance;
2)Temperaturewasthedominantenvironmentalfactorforthedifferentiationstructureof犛.犫犲狏犻犳犾狅狉犪leaves,
withmoisturesecond;3)Thereweresignificantcorrelationsbetweentheratiosofvascularareawithinleafare
a,themainvascularbundlewiththevascularbundleandannualmeantemperatureandtheratioofvascularar
eawithinleafareaandannualmeanprecipitation;4)Therewasnosignificantcorrelationbetweentwosimilari
tymatrixesofleafstructureandgenetics.
犓犲狔狑狅狉犱狊:adaptation;environmentalfactors;犛狋犻狆犪犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪;leaf’sstructures;paraffinsection
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