4种观赏草叶片解剖结构的观察及其对环境的适应性分析

张咏梅，白小明，田彥锋, 龚良建

(1. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070； 3.草业生态系统教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070； 4.中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 5.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

观赏草是指一类色彩丰富、形态美丽，其纤长的叶片、摇曳的花序或株(丛)型有观赏价值的草本植物的统称。观赏草种类繁多，观赏价值高，繁殖容易，养护管理成本低，对环境具有广泛的适应性，有利于低投入、持续性园林景观的建植，可应用于不同类型的城市花园、公园及其他休憩绿地，丰富城市园林景观，体现园林植物的生物多样性和景观多样性。观赏草可以形成较单纯的禾草花境，更多的是与花卉、观叶植物、灌木等配置，可作为过渡带、隔离带进行栽植，或根据观赏草的观赏特性采用群植或片植的方式，无需与其他植物搭配，可独立成景，营造出不同的景观[1],充分体现园林植物的物种多样性和景观多样性，在园林植物造景中发挥了重要作用，具有广阔应用前景，但目前对其引种和应用十分盲目。因此，需要加强各类观赏草的基础研究，科学评价其对不良环境的抗性和生态适应性，为其在园林中的应用提供科学依据。

马蔺(IrislacteaPall. var.chinensis(Fisch.) Koidz.)是鸢尾科鸢尾属多年生植物，分布广泛；其根系发达，绿期长，花高贵淡雅，植株高矮适中，且有较强抗逆性，近年来逐渐被用作缺水城市绿化、护坡固沙，盐碱地改良、园林绿化的优质材料[2]。披针叶苔草(CarexlanceolateBoott)为莎草科苔草属多年生草本植物，分布于我国东北、内蒙古、华北、西北、华中等地[3]，既是一种优良牧草，也是一种应用广泛的观赏草。紫穗狼尾草(PennisetumalopecuroidesL. Spreng)和花叶虉草(PhalarisarundinaceaL.var.pictaL.)均为禾本科多年生草本植物。紫穗狼尾草株形优美、花序美丽、抗逆性强，是一种新型的园林造景植物，尤其在水资源短缺地区是建造耐旱园林不可缺少的植物种类[4]。花叶虉草具根状茎，叶扁平，线形；叶面绿色间有白色或黄绿条纹，质地光滑、飘逸，形似玉带，具有很高的观赏价值。

叶是植物进行光合作用[5]和蒸腾作用[6]的主要器官，在植物整个生命史中占据相当重要的地位，在植物进化过程中与周围环境关系密切[7]。叶片直接暴露于环境中，与各种环境因子接触最为广泛，是植物感应环境变化很敏感的器官之一，表现出较大的可塑性[8]，其结构特征最能体现环境因子的影响或植物自身对环境的适应[9-10]。因此，在植物的结构与环境关系方面，研究最多的器官是叶片[11-12]。了解植物叶片组织解剖结构是探索植物对环境变化和环境适应的基础，具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

供试的4种观赏草，马蔺采自甘肃省天祝藏族自治县高寒草甸，紫穗狼尾草、披针叶苔草和花叶虉草购自北京野草之美园林绿化有限公司，陆续移植于甘肃农业大学校内草业学院草坪实训基地。适应基地环境生长至少4年。校区所在地兰州市位于陇西黄土高原的西部，北纬36°05′，东经103°42′，是青藏高原向黄土高原的过渡地区。境内大部分地区为海拔1 500～2 500 m的黄土覆盖的丘陵和盆地，属温带大陆性气候，年平均气温10.3℃，年平均日照时数为2 446 h，无霜期为180 d，年平均降水量为327 mm。这4种观赏草在兰州地区生长状况大都良好(表1)，移植成活率高，只是紫穗狼尾草叶枯较早，11月3日左右进入枯黄期，但在深秋仍具有观赏性。马蔺在11月15日左右叶色枯黄。花叶虉草和披针叶苔草耐寒性较强，在秋季能够正常生长，直至霜降，地上部叶片冻伤萎蔫。

2017年10月23日上午10:00采样。采集成熟叶片剪成1 cm长的小段放置于FAA混合固定液(福尔马林∶冰醋酸∶70%乙醇=5∶5∶90)中。真空抽气30～40 min，保证固定液充分浸泡材料以迅速杀死细胞，防止细胞自溶，保存完整的细胞结构。

1.2 切片制作方法

按常规石蜡切片程序制片：70%乙醇(含1%伊红)洗涤2～3次(方便包埋时辨认材料)至材料不含冰乙酸气味。依次采用85%,90%,95%无水乙醇，无水乙醇进行梯度脱水，每级溶液停留2 h；然后在通风橱中以二甲苯试剂进行组织透明；对透明后的组织材料浸蜡4次，每次6～8 h；最后将材料包埋在石蜡中。对石蜡块修块，用Leica RM2265旋转切片机(德国)切片。切片厚度分6 μm,8 μm和10 μm3种。将切下的石蜡条带轻轻漂浮在38℃蒸馏水水面上，以载玻片捞起。将得到组织切片置于40℃烘箱中充分烤片至少72 h。以番红-固绿双重染色；中性树胶封片。Olympus BX-61正置万能显微镜(日本)下对切片进行观察并拍照。

表1 4种观赏草在兰州地区生长状况

2 结果与分析

2.1 马蔺

马蔺叶片较厚，为等面叶，由上、下表皮细胞、叶肉细胞和叶脉组成，且在叶脉处略有突起(图1A)。表皮细胞呈卵圆形或矩圆形，平行排列，表皮细胞表面光滑，覆盖有角质层。平行叶脉发育相近，且无大、小叶脉之分，毗邻两叶脉相距较远(图1A)；叶脉外包围着一圈直径大小不一的维管束鞘细胞，但不以花环状排列(图1C)；且在叶脉两侧均有厚壁细胞群与表皮相连。叶肉细胞短圆柱形，3～4层叶肉细胞紧密排列在表皮细胞之下；两边叶肉细胞层之间——占叶片厚度1/3的空间——是空腔(图1A)。叶片解剖结构尤其是叶脉结构显示马蔺为C3植物。

细胞中的单宁化合物可被氧化成褐色和红褐色的鞣酐[11]，对20 μm厚的马蔺切片番红-固绿双重染色后，叶片一侧的叶肉细胞着色较深，呈现红褐色，表明单侧叶肉细胞中含有丰富的单宁物质(图1 A、C、D)。此外，在马蔺叶片中观察到了含晶细胞(图1 D)。马蔺叶片大而厚，组成叶片的细胞尺寸也较大，叶表面可以清楚地观察到气孔，气孔口略低于表皮细胞，且覆盖有较厚的角质(图1C，D)。

2.2 披针叶苔草

披针叶苔草叶片由上、下表皮细胞、叶肉细胞和叶脉组成(图2A，B，C)。表皮细胞大而圆，尤其是上表皮细胞远远大于下表皮细胞，近叶片的1/4厚(图2 B)。叶肉细胞呈圆形，较小，内含丰富的叶绿体。披针叶苔草叶肉细胞间存在少量黑色团状物；近轴面叶肉细胞3～4层，远轴面多为1层。叶肉细胞间有巨大的空腔，近叶片的1/2厚(图2A，B)。披针叶苔草的平行叶脉为外韧型维管束，相距较远。不同于其它草在叶脉处外突，披针叶苔草叶脉较小，在叶脉处稍有内凹(图2 B)。花环状维管束鞘细胞两层，外层维管束鞘细胞内无叶绿体(图2 B)，内层维管束鞘细胞内切向壁加厚。维管束鞘细胞结构显示披针叶苔草是C3植物。叶中脉之上是6～8个大泡状细胞(图2 A，C)，干旱缺水时有利于叶片闭合。

2.3 紫穗狼尾草

紫穗狼尾草叶片横切面结构由表皮细胞、叶肉细胞和叶脉组成(图3A)。叶片近轴面具有肋状突起，远轴面平直。上表皮细胞大小不均匀，下表皮细胞小而圆，表面覆盖厚的角质层。平行叶脉为有限外韧型，大、中、小叶脉相间排列。紫穗狼尾草每个肋状突起下有1个或大或小的叶脉，紫穗狼尾草叶片1个突起下有1个较大的叶脉，或1个突起下具有3个小叶脉。大叶脉的木质导管和韧皮部筛管为木质化的厚壁细胞所包围，并与下表皮相连，维管束鞘细胞较小；小叶脉维管束鞘细胞较大，有大而浓的叶绿体，叶脉维管束鞘细胞结构表明紫穗狼尾草是典型的C4植物。小叶脉周边是排列紧密、胞间隙小的叶肉细胞，叶肉细胞不规则形，内含叶绿体。紫穗狼尾草上表面肋状突起间的凹陷处有不甚发达的泡状细胞存在。

整个叶片的中部有中脉，外围突出，由大、中、小3种尺寸的叶脉相间排列(图3B，C)；内部有大量髓细胞存在，结构像半个茎(图3C)。

图1 马蔺叶片解剖结构

图2 披针叶苔草叶片解剖结构

2.4 花叶虉草

花叶虉草，商品名、俗名玉带草、丝带草，为禾本科虉草属多年生草本植物。具根状茎，叶扁平，线形；叶面绿色间有白色或黄绿条纹，质地光滑、飘逸，形似玉带。花叶虉草叶片横切面由表皮、叶肉、叶脉组成(图4A，B，C)。上表皮细胞呈圆形或矩圆形；下表皮细胞大小不等；上、下表皮细胞表面覆盖有角质层，无表皮毛。叶肉没有栅栏组织和海绵组织的分化，叶肉细胞不规则形，排列紧密，个别叶肉细胞间隙有小型的气腔存在(图4A，B，C)。花叶虉草叶面黄绿色或白绿色条纹相间，叶片横切面显示绿色条纹处叶肉细胞含有丰富的叶绿体，白色条纹处无叶绿体，有白色体存在(图4B，C)。平行叶脉相对不发达，相距较远。维管束鞘细胞有两层，内层鞘细胞内切向壁加厚，外层鞘细胞为大型薄壁细胞，其内无叶绿体，表明花叶虉草为C3植物。花叶虉草未观察到中脉，平行叶脉间有大型的泡状细胞分布。

图3 紫穗狼尾草叶片解剖结构

图4 花叶虉草叶片解剖结构

3 讨论

环境是植物生存与发展的条件，在各种不同的生态环境中，聚生着特定的植物种类。温度、光照、水分、土壤、大气和其它生物有机体是重要的环境因子。植物对自身生长的生态环境有特定的响应和适应，在适应多样化的环境过程中，叶片各结构表现出了各自的响应特点，构成了类型繁多的响应模式[13]。通过研究植物叶片的形态结构特征，能在一定程度上说明其对环境的适应策略[14]。

本研究的4种观赏草具有一般单子叶植物叶片结构特点：等面叶，由表皮细胞、叶肉细胞和叶脉组成；表皮细胞排列规则，上表皮含泡状细胞；叶肉细胞无栅栏组织和海绵组织的分化；平行脉序，叶脉内的维管束为有限外韧型，木质部和韧皮部之间无形成层。由于这些观赏草属不同科、属，遗传差异大，适生环境地理因素、气候因素、伴生物种等生态因子亦不同，叶片的解剖结构和特点也不尽相同。

3.1 叶片叶脉结构与适应性

维管束是植物体内对水分和养分进行传导的运输系统，位于叶片中通常称为叶脉，而位于根系和茎中常称为维管束。叶脉为植物叶片提供结构支持、水分传导和光合碳水化合物转运，以维持植物的水分状况和光合能力[15]。研究发现，C4植物紫穗狼尾草的叶脉格外发达，水分传导能力强。叶片对水分的传导已经被证明与光合能力呈正相关[16-18]。这也在解剖学基础上，从水分供应方面解释了紫穗狼尾草具有高光合能力的原因[19]。

紫穗狼尾草和马蔺叶脉上下厚壁组织发达。下皮层、厚壁组织、纤维等机械组织的存在被认为可以降低叶片萎蔫时的损伤，同时也能阻挡光线的直接照射，从而达到降低蒸腾的作用[20]。这2种观赏草叶脉内木质部细胞壁加厚，维管束鞘细胞内切向壁五面加厚，叶脉上下两侧有厚壁细胞与表皮细胞相连，有利于叶脉木质导管内水分的纵向运输，限制水分的横向扩散，保证了整个叶片尤其是远离根系的叶尖的水分供应，有利于叶片的伸长生长。这种结构可能也是大部分禾草叶片纤长的原因。

3.2 叶片气腔或气室结构与适应性

马蔺、披针叶苔草和花叶虉草叶片结构显示叶肉细胞间具有气腔。说明这3种观赏草在一定程度上能够适应水生或湿生环境生长。其中，披针叶苔草的叶脉退化，叶脉内木质部较小，具有湿生植物的特点；花叶虉草气腔体积稍小，推测此草能够适应湿生环境；而马蔺和披针叶苔草叶肉细胞间气腔格外发达，这2种观赏草可能能够适应水生环境生长。此外，马蔺叶肉中含有丰富的丹宁或胶状物质，叶肉细胞排列整齐紧密，适应于干旱生境生长；其叶片较厚，质地较硬，叶肉细胞紧实程度高，可以在低温环境下为叶片提供更好的“围墙效应”[21-22],具有高山植物的特点，可以适应寒冷环境。披针叶苔草表皮细胞之下、叶肉细胞间存在有数量不少的黑色团状物(可能为石细胞或含晶细胞)[23-24]，这可能有助于其对寒冷条件的适应[23]。植物的结构往往与其功能相适应。根据叶片结构特点推断，马蔺、花叶虉草和披针叶苔草具有很强的适应性和抗性，马蔺和花叶虉草在干旱、严寒和水涝的不良环境中可正常生长；而披针叶苔草对寒冷和湿生环境适应性更强。研究表明：苔草属植物因其固有的生殖对策，具有极强的营养繁殖能力，特殊生理功能以及顽强的生命力，能够生长在极其脆弱的生态环境，如高寒草原，高寒冰缘、许多湿地系统以及森林最下层，对维持脆弱的生态环境起着极其重要的作用[25]。苔草亚属的Spirostachyae绝大多数种类分布在欧亚大陆和北非的湿地，而在澳大利亚、南非和南美洲干旱地区几乎没有分布[26-27]。

3.3 叶片光合作用方式与适应性

C4植物进行光合作用时的CO2补偿点很低，固定CO2效率很高，光合作用很强，具有更高的光合效率、水分利用效率和氮素利用效率，表现出更高的产量潜力和产量稳定性[28-29]。在强光、高温或干旱时，C4植物能够通过部分地收缩气孔孔径，减少蒸腾失水，利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用，从而提高了水分的利用率，这一特性在干旱的沙漠、草原、热带、亚热带地区尤其具有明显的优势[30]。然而，由于C4光合作用(2个额外的ATP/CO2固定)比传统C3途径具更高的内在能量需求，可能导致C4植物在低光强下的光利用效率降低[31-32]。因此，在利用紫穗狼尾草及其他C4型观赏草造景时，应注意避免将其配置在林下或阴蔽的弱光环境，或冷凉的气候条件下[33]，光照较弱则株型开张、松散，易倒伏从而影响景观效果。

4 结论

叶片解剖结构显示，马蔺叶片、角质层较厚，叶肉细胞多层，叶片富含单宁；披针叶苔草叶肉层间气腔发达，中脉处泡状细胞大而多；紫穗狼尾草为典型C4植物，大、中、小叶脉相间排列；花叶虉草叶肉细胞间有小气腔，叶肉含叶绿体或白色体，与叶面黄绿色或白绿色条纹相对应。4种观赏草的叶片解剖学结构既呈现较大的不同，有些种又有一些相似的结构特点以适应相近的生长环境。马蔺、披针叶苔草和花叶虉草可适应干旱环境和湿生环境；马蔺具有一定的耐寒性；紫穗狼尾草对干旱和热带高温生境均有较强的适应性。