全 文 ：环草石斛和铁皮石斛试管苗叶片气孔特征比较
孙志蓉1，王美云2，张宏桂1，金家兴3，李碧彪3
(1．北京中医药大学中药学院，北京 100102;2．河北省廊坊市人民医院，河北廊坊 065000;3．贵州吉仁堂药业公司，贵州兴义 562400)
摘要 ［目的］比较环草石斛和铁皮石斛试管苗叶片的气孔特征和光合特性，揭示试管苗生长发育的生理生态机制。［方法］对环草石
斛和铁皮石斛不同生长发育时期试管苗叶片的气孔进行扫描电镜观察，并用调制式荧光仪测定荧光诱导光响应曲线。［结果］在各个生
长发育时期，环草石斛试管苗叶片的气孔密度均明显高于铁皮石斛，而气孔开放率则较低。随着生长时间的延长，环草石斛和铁皮石斛
试管苗叶片气孔的大小变化不大，而气孔的数量则逐渐增加，气孔密度分别增加了 83． 0%和 17． 6%，两者均以播种生长 240 d时叶片的
气孔开放率最高。在设定的 3种光照强度下，环草石斛试管苗叶片气孔开放程度随光强的增加而增大，光强为 54 μmol /(m2·s)时气孔
的开放度最大。在相同培养条件下，环草石斛试管苗的最大电子传递速率 14 μmol /(m2·s)和光饱和点 318 μmol /(m2·s)均低于铁皮
石斛20、483 μmol /(m2·s)，其潜在的光合作用能力较差。［结论］不同种类石斛试管苗的气孔特性不同，因而光合速率也不同。遵循试
管苗对光照强度的需求规律，选择合适的培养条件，增大气孔开度，提高光合速率，将更有利于试管苗的生长发育。
关键词 环草石斛;铁皮石斛;组织培养;气孔;光合特性
中图分类号 S567 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2011)27 －16583 －04
Comparison of Stomatal Characteristics of Test-tube Seedling Leaves of Dendrobium loddigesii and Dendrobium candidum
SUN Zhi-rong et al (School of Chinese Materia Medica，Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 100102)
Abstract ［Objective］This study was to compare the leaf stomatal and photosynthetic characteristics of Dendrobium loddigesii and Dendrobi-
um candidum，so as to reveal the physiological and ecological mechanism of growth and development of test-tube seedling． ［Methods］Leaf
stomata of test-tube seedlings of D． loddigesii and D． candidum at different growth and development stages was observed under scanning elec-
tron microscope，and their fluorescence induction response curve was assayed by using modulate fluorometer． ［Results］At each growth and
development stage，D． loddigesii test-tube seedling had a higher leaf stomatal density over D． candidum，while a lower stomata opening rate．
Along with the growth，the size of stomata of both D． loddigesii and D． candidum did not change obviously，but their stoma density was in-
creased by 83% and 17． 6% respectively． Leaf stomata opening rate reached the highest at the age of 240． Under the conditions of three light
intensities tested，stomatal opening degree of D． loddigesii was increased with the intensity of illumination raised，the maximum opening degree
occurred at the light intensity of 54 μmol /(m2 · s)． Given the same culture condition，both the maximum electron transport rate(14
μmol /(m2·s)and light saturation point (318 μmol /(m2·s)of D． loddigesii test-tube seedling were lower than that of D． candidum(20，483
μmol /(m2·s )． Moreover，the potent photosynthetic capacity of D． loddigesii was relatively poor． ［Conclusion］The photosynthetic rate var-
ied among different species of Dendrobium，which could be attributed to their different stomatal characteristics． Usually，the light intensity of
tissue culture chamber was set up as 27 μmol /(m2·s)，both D． loddigesii and D． candidum did not acquire an optimal state for their leaf
stomatal opening． Following the characteristics to select suitable culture condition，the stomatal opening degree and photosynthetic rate could
be enhanced，which can promote the growth and development of test-tube seedlings．
Key words Dendrobium loddigesii;Dendrobium candidum ;Tissue culture ;Stomata;Photosynthetic characteristics
基金项目 “十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAI06A11-11)。
作者简介 孙志蓉(1967 －)女，山东诸诚人，副教授，博士，从事药用植
物资源研究。
收稿日期 2011-05-16
气孔是植物叶片与外界环境进行气体和水分交换的主要
通道，对植物生理活动起着重要的调节作用，气孔的数量组成
与气孔的开闭对植物光合、呼吸和蒸腾作用具有重要意
义［1 －2］。气孔是重要的植物学性状之一，其遗传稳定性较强。
研究表明，气孔与植物的生长势、抗性、亲缘关系和染色体倍性
等存在相关性［3］。气孔在植物遭受环境胁迫时会作出各种响
应以减轻胁迫，从而提高植物的抗逆性。虽然叶片上气孔的孔
道面积只占叶片面积的 1% ～ 3%，但通过气孔散失的水分则
相当于叶片表面总蒸散水分的 50% ～75%［4］。在植物遗传育
种及资源研究等领域，气孔性状受到越来越多学者的关注。石
斛是名贵的中药材，名列“中华九大仙草”之首。由于石斛野
生资源匮乏，已被列为中国三级珍稀濒危保护植物。环草石斛
(Dendrobium loddigesii Rolfe．)和铁皮石斛(Dendrobium candi-
dum Wall． ex Lindl．)自然繁殖率低，植株生长缓慢，更新恢复周
期长，而目前人工栽培技术还很不成熟，优质种苗的来源与供
应已成为制约石斛产业发展的“瓶颈”。目前，有关药用石斛
试管苗生理生态机制方面的研究较少，而有关石斛试管苗气孔
特性方面的研究尚未见报道。笔者对环草石斛和铁皮石斛不
同生长发育时期和不同光照培养条件下试管苗叶片的气孔进
行扫描电镜观察，并测定其荧光诱导光响应曲线，分析比较了
2种药用石斛试管苗叶片的气孔特征和光合特性，为揭示试管
苗生长发育的生理生态机制奠定理论基础，为药用石斛的研究
提供形态学资料。
1 材料与方法
1． 1 材料 环草石斛和铁皮石斛的种子由贵州吉仁堂药
业公司提供。环草石斛和铁皮石斛的种子经消毒后，在无菌
条件下分别撒播在种子萌发培养基(MS + NAA 0． 2 mg /L +
2%白砂糖 +15%马铃薯提取液 +琼脂粉)表面，待萌发生长
120 d后，选取长势和大小一致的幼苗，转接到生根壮苗培养
基(MS + NAA 0． 5 mg /L +3%白砂糖 +20%马铃薯提取液 +
活性炭 1‰ +琼脂粉)上，接种密度 10 株 /瓶，培养条件为光
照强度 27 μmol /(m2·s) ，光照时间 12 h /d，温度(25 ±2)℃。
最后取播种后生长 180、240、300 d时的环草石斛和铁皮石斛
试管苗作为供试材料。当环草石斛种子播种萌发生长 120 d
后，另选苗高约 0． 5 cm，1 ～ 2 片真叶，0 ～ 2 条短根的试管苗
转接到生根壮苗培养基上(培养基同上) ，接种密度 10
株 /瓶，分别进行 18、36、54 μmol /(m2·s)的光照处理，每处
理接种 30瓶，光照时间为 12 h /d，温度为(25 ± 2)℃，最后取
光照处理 60和 120 d的试管苗作为供试材料。
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2011，39(27):16583 － 16586 责任编辑 李占东 责任校对 况玲玲
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2011.27.193
注:1 ～3为生长 6、8、10个月的环草石斛试管苗叶片气孔器(×2 000) ;4为生长 8个月的环草石斛试管苗叶片气孔器(× 150) ;5 ～ 7 为生长 6、
8、10个月的铁皮石斛试管苗叶片气孔器(× 2 000) ;8 为生长 8 个月的铁皮石斛试管苗叶片气孔器(× 300) ;9 ～ 11 为 18、36、54
μmol /(m2·s)光照强度处理 60 d的环草石斛试管苗叶片气孔器(×2 000) ;12为 54 μmol /(m2·s)光照强度处理 60 d的试管苗叶片气孔
器(×500) ;13 ～15为18、36、54 μmol /(m2·s)光照强度处理120 d的环草石斛试管苗叶片气孔器(×2 000) ;16为18 μmol /(m2·s)光照强
度处理 120 d的环草石斛试管苗叶片气孔器(×150)。
Note:1 －3． test tube seedlings of D． loddigesii with ages of 6，8 and 10 months(×2 000) ;4． test tube seedlings of D． loddigesii with age of 8 months
(×150) ;5 －7，test tube seedlings of D． candidum with ages of 6，8 and 10 months(×2 000) ;4，test tube seedlings of D． candidum with age
of 8 months(×150) ;9 －11． test tube seedlings of D． loddigesii treated with intensity of 18，36 and 54 μmol /(m2·s)for 60 d (×2 000) ;12．
test tube seedlings of D． loddigesii treated with intensity of 54 μmol /(m2·s)for 60 d(×150) ;13 －15． test tube seedlings of D． loddigesii trea-
ted with intensity of 18，36 and 54 μmol /(m2·s)for 120 d(×2 000) ;16． test tube seedlings of D． loddigesii treated with intensity of 18 μmol /
(m2·s)for 120 d (×150)．
图 1 环草石斛和铁皮石斛试管苗叶片气孔器
Fig． 1 Stomatal apparatus of test tube seedlings of D． loddigesii and D． candidum
1． 2 方法
1． 2． 1 气孔形态的电镜观察。选取环草石斛和铁皮石斛试
管苗茎尖下的第 3片叶片，靠近中脉剪取 0． 2 cm2 的小块，将
样品放在 3%的戊二醛中固定 24 h，蒸馏水冲洗，再用 1%的
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锇酸固定，乙醇梯度脱水，进行 CO2 临界点干燥及喷金。处
理后的样品用日立 S-570 型扫描电镜观察叶背面，放大倍数
150 ～2 000倍。
1． 2． 2 气孔大小和气孔密度测定。每份材料在放大 300和
500倍的条件下，随机选择 30个气孔，测定气孔长轴(通常指
气孔口纵径)、气孔器长轴、气孔器短轴。每份材料在放大
150、200、300倍的条件下，各选取 3个单位面积，统计气孔数
量，换算成气孔个数 /mm2，测量平均值。
1． 2． 3 气孔开放率和气孔指数测定。每份材料在放大 150、
200、300倍的条件下，各选取 3个单位面积，分别观察和测定
气孔开放率。气孔指数的计算公式:SI =［S /(E + S) ］× 100，
式中，S 为单位叶面积气孔数，E 为相同叶面积表皮细胞
数［5］。
1． 2． 4 ETR-PAR荧光诱导光响应曲线的测定。分别对播
种后生长 6、8、10个月的环草石斛和铁皮石斛试管苗叶片进
行随机取样。用 PAM-2100 脉冲调制式荧光仪(Portable
Chlorophyll Fluorometer;德国 Heinz Walz GmbH公司生产)与
电脑联用，在室温下进行光响应曲线测定，每个处理重复 3
次。数据处理用 PAMwin软件进行。
2 结果与分析
2． 1 试管苗生长发育过程中叶片气孔特征的变化 叶片
气孔的大小和气孔指数的高低能够反映植物的生理生态学
特性。从表 1和图 1可以看出，环草石斛和铁皮石斛试管苗
叶片气孔均为卵圆形，气孔以一定的间距分布在表皮细胞
之间。2种石斛试管苗叶片气孔长轴和气孔器短轴差异不显
著，但铁皮石斛试管苗气孔器的长轴明显大于环草石斛，气
孔器长轴与短轴之比，环草石斛为 1． 18，铁皮石斛为 1． 53。
在各个生长时期，环草石斛的气孔密度均明显高于铁皮石
斛，而气孔开放率则较低，两者的气孔指数相近，差异不显
著。由表 1可知，随着生长时间的延长，环草石斛试管苗叶
片气孔器逐渐变长，气孔器长轴增加了 16%，气孔密度增加
了 83%，气孔开放率呈先增加后减少的趋势，气孔指数则先
减小再增加;而铁皮石斛试管苗气孔长轴、气孔器长轴和气
孔器短轴变化都不大，气孔密度增加了 17． 6%。2 种石斛试
管苗均以播种后生长 240 d时叶片开放的气孔数量最多，气
孔指数最低。
表 1 环草石斛和铁皮石斛试管苗不同生长时期叶片的气孔特征
Table 1 Stomatal characteristics of test-tube seedlings of D． loddigesii and D． candidum at different growth and development stages
种类
Species
生长时间
Age∥d
气孔大小 Stomatal size /∥μm
气孔长轴
Long axes
of stomata
气孔器长轴
Long axes of
stomatal apparatus
气孔器短轴
Short axes of
stomatal apparatus
气孔开放率
Stomatal
opening rate∥%
气孔密度
Stomatal
density∥个 /mm2
气孔指数
Stomatal
index
环草石斛 180 13． 16(1． 21) 27． 72(1． 85) 24． 63(1． 88) 76(2． 74) 49． 77(0． 07) 0． 075(0． 03)
D． loddigesii 240 12． 54(1． 59) 28． 69(2． 55) 24． 54(0． 33) 85(2． 36) 80． 64(0． 08) 0． 056(0． 03)
300 11． 81(2． 50) 32． 21(2． 33) 25． 76(1． 38) 70(3． 51) 91． 40(0． 08) 0． 078(0． 02)
铁皮石斛 180 12． 91(2． 56) 39． 13(2． 01) 26． 58(0． 97) 80(1． 79) 44． 27(0． 14) 0． 079(0． 01)
D． candidum 240 13． 59(1． 94) 38． 38(0． 95) 24． 77(1． 37) 98(2． 73) 46． 30(0． 04) 0． 060(0． 02)
300 12． 33(1． 80) 40． 29(1． 17) 25． 60(1． 66) 86(1． 85) 52． 06(0． 13) 0． 084(0． 00)
2． 2 光照强度对环草石斛试管苗叶片气孔特征的影响
除进行景天酸代谢的植物外，大多数植物的气孔都是白天开
放，夜间关闭，且表现出内源的开张和关闭的昼夜节奏。光
对气孔开放的效应，不是通过光合作用使胞间 CO2 浓度下降
而引起的，而是光的直接效应。使用希尔反应抑制剂抑制光
合作用，气孔开度仍随光强增强而增大。结果表明，石斛虽
是兼性景天酸代谢(CAM)植物，但其景天酸代谢现象在自然
界中仅在晴天中午发生光胁迫的情况下才会发生，在阴天时
一般不会发生，由于组培室的光照强度较弱，所以环草石斛
和铁皮石斛试管苗以 C3 代谢为主。由表 2 可知，光照处理
60 和 120 d的环草石斛试管苗叶片气孔的各项指标均随光
照强度的增大而增加。随着光照强度的改变，2 个处理时间
环草石斛叶片气孔的变化规律相同。当光强为 18
μmol /(m2·s)时，叶片气孔萎缩凹陷，气孔开放率为 0，气孔
大小、气孔密度和气孔指数最小;当光强为 54 μmol /(m2·s)
时，气孔各项指标值均最大。
2． 3 ETR光响应 由图 2 可知，在生长发育过程中，环草
石斛试管苗的最大电子传递速率(ETRmax)呈下降趋势，
ETR最大值为 14 μmol /(m2·s)左右，光饱和点除生长 10个
月时为 149 μmol /(m2·s) ，其他生长时期试管苗的光饱和点
均在 318 μmol /(m2·s)左右。铁皮石斛试管苗的 ETR最大
值明显高于环草石斛，均在 20 μmol /(m2·s)以上，光饱和点
在 483 μmol /(m2·s)左右。表明铁皮石斛潜在的光合作用
能力较强，且生长发育过程中光饱和点和 ETRmax变化相对
较稳定，而环草石斛潜在光合作用能力明显低于铁皮石斛。
图 2 环草石斛和铁皮石斛试管苗荧光诱导光响应
Fig． 2 Fluorescence induction response curve of test tube seed-
lings of D． loddigesii and D． candidum
3 结论与讨论
环草石斛和铁皮石斛试管苗叶片气孔均为卵圆形，气
孔以一定的间距分布在表皮细胞之间。铁皮石斛试管苗气
孔器的长轴明显大于环草石斛。在各个生长时期，环草石斛
的气孔密度均明显高于铁皮石斛，而气孔开放率则较低。说
5856139卷 27期 孙志蓉等 环草石斛和铁皮石斛试管苗叶片气孔特征比较
明环草石斛试管苗在气孔开放率不高的情况下，以较多的气
孔数量来提高其生理活性。该研究结果表明，环草石斛试管
苗叶片气孔指数的变化与其光合速率的变化趋势相一致，而
铁皮石斛气孔开放率的变化与其光合速率的变化趋势相一
致，这可能是由于不同种类试管苗气孔发育速度不同，进而
对其光合速率产生了不同的影响。在生长发育过程中，环草
石斛和铁皮石斛试管苗叶片气孔的大小变化不大，而气孔的
数量则逐渐增加，气孔密度分别增加了83． 0%和17． 6%。随
着生长时间的延长，2种石斛试管苗气孔开放率呈先增加后
减少的趋势，两者均以生长 8 个月时叶片的气孔开放率最
高，而气孔指数最低。
表 2 不同光照条件下环草石斛试管苗叶片的气孔特征
Table 2 Leaf stomal characteristics of D． loddigesii test-tube seeding under different light intensities
处理时间
Treatment
duration∥d
光照强度
Light intensity
μmol /(m2·s)
气孔大小 Stomatal size∥μm
气孔长轴
Long axes
of stomata
气孔器长轴
Long axes of
stomatal apparatus
气孔器短轴
Short axes of
stomatal apparatus
气孔开放率
Stomatal
opening rate∥%
气孔密度
Stomatal
density∥个 /mm2
气孔指数
Stomatal
index
60 18 0(0) 26． 31(2． 80) 24． 70(2． 81) 0 (1． 06) 19． 10(0) 0． 031(0． 01)
36 12． 57(1． 33) 29． 92(1． 90) 28． 15(1． 28) 84 (1． 43) 38． 09(0) 0． 079(0． 02)
54 14． 92(0． 72) 31． 11(0． 88) 28． 95(0． 97) 98 (1． 74) 44． 96(0． 17) 0． 093(0． 01)
120 18 0 23． 15(2． 77) 17． 96(2． 14) 0 (2． 06) 28． 13(0． 01) 0． 056(0． 02)
36 11． 44(0． 96) 25． 73(2． 33) 20． 86(2． 16) 80 (1． 65) 68． 90(0． 05) 0． 058(0． 02)
54 14． 01(0． 68) 28． 06(2． 29) 23． 04(0． 48) 100(2． 02) 73． 33(0． 05) 0． 068(0． 03)
光照强弱显著影响叶片的气孔密度、气孔大小和气孔的
生理活性，这与孟雷等［6］的研究结果相一致。由于气孔开度
与光合作用的底物 CO2 的浓度直接相关，因此光照强度直接
影响光合速率。在设定的 3 种光照强度下，环草石斛试管苗
叶片气孔开放程度随光强的增加而增大，当光强为 18
μmol /(m2·s)时，叶片气孔萎缩凹陷，气孔开放率为 0，气孔
大小、气孔密度和气孔指数最小;当光强为 54 μmol /(m2·s)
时气孔开放程度最大，对 CO2 运输至叶肉细胞的阻力也最
小。该研究结果表明，18 μmol /(m2·s)的光照强度过低，不
利于环草石斛播种生长 6个月以后试管苗的生长发育。
光合作用碳循环的原料 CO2 主要是通过气孔进入叶肉
细胞中，因此气孔的特性与光合速率密切相关。石斛试管苗
叶片的气孔开度随光强增强而增大，表明提高光强有利于提
高光合速率。为了节约生产成本，通常组培室内的光强不足
27 μmol /(m2·s) ，此条件下，2 种石斛试管苗叶片气孔的开
度都未达到最佳状态。所以生产中若能遵循石斛试管苗对
光照条件的要求，选择合适的培养条件，增大气孔开度，提高
光合速率，将更有利于试管苗的生长发育。
电子传递速率能够反映植物的光合速率。在弱光范围
内，非环式电子传递速率 ETR与光强呈线性正相关，直至光
强增强到一定水平，所吸收的光强超越了电子传递能力后，
即光强不再是限制因子后，ETR 便不再随光强的增加而增
强，当碳循环、光呼吸、氮同化及 Mehler 反应均达到最大值
时，电子流的速度也达到最快，此时的 ETR 便达到最大值。
因此从某种意义上来说，正常情况下 ETR光响应曲线与叶片
气体交换的光响应是等效的。该研究结果表明，在相同培养
条件下，环草石斛试管苗的最大电子传递速率 14
μmol /(m2·s)和光饱和点 318 μmol /(m2·s)均低于铁皮石
斛 20、483 μmol /(m2·s) ，其潜在的光合能力较铁皮石斛弱。
环草石斛试管苗的 ETRmax呈下降趋势，说明在设定的培养
条件下，其光合能力逐渐降低，而铁皮石斛试管苗的光合速
率相对较稳定。不同种类石斛试管苗的气孔特性不同，因而
光合速率也不同，这种差异可能也是导致环草石斛和铁皮石
斛试管苗长势存在差异的主要原因之一。ETR 光响应曲线
研究结果显示，不同发育时期石斛试管苗的光饱和点均在
150 μmol /(m2·s)以上，而该试验所设定的最高光强仅为 54
μmol /(m2·s) ，因此在这方面还有待于作更全面深入的
研究。
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