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12种木兰科植物气孔形态量化及气孔大小与气孔密度的关系

12种木兰科植物气孔形态量化及气孔大小与气孔密度的关系

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作者：于可心南京林业大学

学位级别：硕士

气孔是由一对保卫细胞及其包围形成的孔隙组成的复合结构,具有调控个体内部与外界环境之间气体交换的功能,这一功能对自然界水循环和碳循环具有重要的影响。植物表皮上的气孔大小和密度反映了植物功能经济学的关键投资,因此准确描述气... 详细信息

气孔是由一对保卫细胞及其包围形成的孔隙组成的复合结构,具有调控个体内部与外界环境之间气体交换的功能,这一功能对自然界水循环和碳循环具有重要的影响。植物表皮上的气孔大小和密度反映了植物功能经济学的关键投资,因此准确描述气孔的几何形状以及计算气孔的面积对估计叶表面积分配和叶片形态建成投资具有重要意义。木兰科(Magnoliaceae)是双子叶植物中较为原始的类群,自然分布在美洲和亚洲。在中国,木兰科植物是温带常绿(落叶)阔叶林的重要组成部分。木兰科植物相较于其他植物有显著较低的进化速率,种间气孔形态、大小、密度也各不相同,因此对木兰科植物的研究在有花植物系统发育和进化上具有重要价值。本研究选取来自南京林业大学和中山植物园的12种木兰科植物作为研究材料,通过铬酸—硝酸离析法处理叶片,获取叶片不同位置的气孔图像。借助Procreate、Photoshop、Image J、MATLAB等软件处理图像,获取叶片边际坐标、气孔边际坐标、气孔长、气孔宽、气孔孔隙长等数据。使用R软件处理分析气孔大小(气孔面积)、气孔密度、最大气孔导度(g)、气孔近圆形指数各项指标,使用超椭圆方程描述气孔几何形状,比较蒙哥马利方程及其他3种面积计算模型计算气孔面积的拟合优度,量化了4种木兰科植物的形态特征;使用最小二乘法拟合12种木兰科植物气孔大小与气孔密度的关系和g与单位叶面积鲜重的关系,研究结果如下:(1)玉兰(Magnolia denudata)、星花玉兰(Magnolia stellata)、乐昌含笑(Michelia chapensis)和长蕊含笑(Michelia martini)4种植物超椭圆方程拟合的形状参数n均大于2,表明这四种植物气孔几何形状均为超椭圆,960个气孔调整后的均方根误差小于0.04,即气孔半径的实际值和预测值之间的平均绝对偏差不超过假设圆(假设圆面积与气孔面积相等)半径的4%。(2)蒙哥马利方程假设气孔面积和气孔长宽乘积之间存在一个简单的比例系数,这个比例系数被称为蒙马利参数,它能有效计算气孔的面积,玉兰、星花玉兰、乐昌含笑和长蕊含笑4个物种的蒙马利参数分别为0.8111、0.8116、0.8016、0.8039,汇总数据的蒙马利参数为0.8071,均高于椭圆假设的?4。这一结果表明,对比于气孔为椭圆形的假设,蒙哥马利方程能够更为准确地估计气孔面积。(3)12种木兰科植物的汇总数据显示,气孔大小与气孔密度呈显著的负相关关系(r=–0.8814,P蒙哥马利方程在估计气孔面积方面的有效性。同时,还探讨了g与单位叶面积鲜重之间的关系,以及同一片叶上不同位置气孔特征的差异。这一研究为木兰科植物的进化研究提供了有价值的信息,有助于进一步了解植物对环境的适应策略。未来的研究可在更多物种和生境类型的基础上,对气孔特征与植物生理生态特征的关系进行更深入的探讨,以期为理解植物对气候变化的响应提供更为全面的依据。

关键词： biogeom软件包单位叶面积鲜重蒙哥马利方程气孔导度超椭圆方程

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樟科植物叶片收益性投入和支撑性能成本的权衡

樟科植物叶片收益性投入和支撑性能成本的权衡

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作者：李依蓉南京林业大学

学位级别：硕士

叶片作为植物进行光合作用、蒸腾作用和气体交换的中心场所,对植物的生长发育起着至关重要的作用,同时需要执行多个功能。植物功能性状之间存在着千丝万缕的联系,在众多功能性状中权衡关系(trade-off)是最为常见的,也被称为“生态策略... 详细信息

叶片作为植物进行光合作用、蒸腾作用和气体交换的中心场所,对植物的生长发育起着至关重要的作用,同时需要执行多个功能。植物功能性状之间存在着千丝万缕的联系,在众多功能性状中权衡关系(trade-off)是最为常见的,也被称为“生态策略”。探究植物叶片收益性投入和支撑性成本之间的权衡可以了解植物在同质环境和异质环境下的生物量投资的差异,揭示植物叶片对外界环境的适应性策略。植物叶片在光合收益性投入(增大叶片面积)和支撑性成本(叶柄、叶脉、叶形)之间的权衡是植物叶片生理活动的重要特征,通过对叶形、叶片面积、叶片质量、叶柄性状以及叶片质心之间的关系研究可以了解植物生物量的投资权衡。本研究以生长在亚热带地区的南京市和热带地区的西双版纳傣族自治州的17种樟科(Lauraceae)植物的5908片叶片为研究对象,并根据叶脉类型将17种樟科叶片分成了羽状脉和三出脉。通过分析叶形、叶片面积、叶片质量(鲜重和干重)、叶柄鲜重以及叶片质心之间的关系,来探究樟科叶片生物量分配的权衡策略。在许多物种中存在收益递减现象,即叶片质量(M)与叶片面积(A)之间的异速生长关系(M∝A,其中α是超过1的异速生长指数)。首先进行采样和测量数据,每种采样约300片,测得叶片质量(鲜重和干重)和叶柄鲜重等数据后,使用扫描仪对叶片进行扫描;之后使用软件Photoshop、MATLAB、R来确定叶片面积、叶片周长、叶片长度、叶片宽度以及叶片质心位置;然后,用叶片两侧非对称标准化指数、叶片近椭圆指数以及叶片宽长比等指标衡量叶片形状;同时,使用蒙哥马利方程验证叶片面积和叶片长度、叶片宽度乘积的关系;使用减少主轴回归法(reduced major axis regression protocols)对17种樟科植物叶片的鲜重、干重、面积和叶柄鲜重的异速生长关系进行拟合,用Bootstrap自举法检验不同物种间α值的显著性差异;并分析了叶片质心和叶柄质量以及叶片质量之间的关系。主要研究结果如下:(1)17种樟科植物的叶片两侧存在非对称的现象,叶片近椭圆指数的值在不同物种间存在显著性差异,17种樟科叶片宽长比的平均值介于0.227到0.574之间。羽状脉的两侧对称性优于三出脉,叶片宽长比小于三出脉,热带地区的叶片宽长比大于亚热带地区;(2)通过蒙哥马利方程验证了17种樟科植物叶片的叶片面积与叶片长度、叶片宽度之间的关系,即叶片面积与叶片长度、叶片宽度的乘积成正比关系,该方程的参数估计值都处于在一定的范围内(0.60-π/4);(3)验证了17种樟科叶片鲜重与面积和叶片干重与面积之间的收益递减现象。基于双变量回归的r值,鲜重与面积的异速生长关系在统计学上比干重与面积的异速生长关系更稳健。叶柄鲜重与叶片鲜重和叶柄鲜重与叶片面积的异速生长关系也存在收益递减现象,且叶柄鲜重与叶片鲜重的异速生长关系在统计学上比叶柄鲜重与叶片面积的异速生长关系更稳健;(4)17种樟科叶片的质心比具有显著的差异,而且亚热带地区的叶片质心大于热带地区,羽状脉大于三出脉。叶片质心比所影响的叶片的大小和形状可能会调节叶片质量和叶柄质量之间的投资分配,从而影响不同环境下的叶片发育模式。综上所述,当外界资源有限时,多数樟科叶片会在收益性投入(增大叶片面积获得光合收益)和支撑性成本(叶柄、叶脉、叶形)之间作出权衡,在不同功能之间进行资源优化配置,使叶片自身收益最大化。通过对叶形、叶片面积、叶片质量、叶柄性状以及叶片质心之间的关系研究可以了解植物在功能结构和支持结构之间的权衡,对樟科植物叶片如何在权衡之后作出对植物收益最大化的生物量分配提供了新的认知,同时也揭示了叶片对环境与自身投资和成本的适应性策略。

关键词：适应性策略收益递减蒙哥马利方程叶片性状异速生长关系

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