不同光强对4种鸭跖草科植物茎秆性状和力学特征的影响

doi:10.11686/cyxb2020466

摘要/Abstract

摘要：

为探究不同光强下鸭跖草科植物茎秆性状和力学特征的变化规律，以紫鸭跖草、花叶水竹草、吊竹梅和绿叶水竹草的茎段扦插苗为试验材料，通过遮光网设置5种光强梯度（分别为自然光强的100%、75%、50%、25%、5%）进行试验，研究不同光强对4种植物茎秆形态性状、解剖结构和力学特征的影响。结果表明：随光强的降低，4种植物节间长显著增加（P<0.05），比茎重显著降低（P<0.05），除紫鸭跖草的茎生物量无显著变化外，其他3种植物的茎生物量均呈先增加后降低趋势；不同的光强对4种植物的表皮厚度、皮层厚度、维管束直径、髓直径以及茎粗产生了不同的影响，但各组织结构与茎粗的比值保持相对稳定，同时光强降低使4种植物的髓细胞长和皮层细胞长显著增加（P<0.05），髓细胞宽和皮层细胞宽显著降低（P<0.05）；4种植物的弯折性能和抗压强度以及紫鸭跖草、吊竹梅和绿叶水竹草的组织结构强度随光强的降低而显著降低（P<0.05）。Pearson相关性分析结果表明，比茎重、表皮厚度、皮层厚度、维管束直径、髓直径、茎粗、皮层细胞宽、髓细胞宽与弯折性能呈极显著正相关（P<0.01），髓细胞宽与组织结构强度呈极显著正相关（P<0.01），比茎重、表皮厚度、髓直径、髓细胞宽与抗压强度呈极显著正相关（P<0.01）。综合上述结果，4种植物可以通过增加茎生物量的分配、节间长的方式在弱光环境中获取有限的光资源，但茎生物量的增加存在明显的阈值，且与节间长的增加呈失衡状态，导致比茎重的降低以及茎秆各解剖结构发生改变，造成4种植物的弯折性能、组织结构强度和抗压强度降低，隶属函数分析表明不同光强下花叶水竹草和吊竹梅的茎秆特性较优，其次为绿叶水竹草，最差的为紫鸭跖草。

关键词: 光强, 鸭跖草科植物, 茎秆性状, 力学特征

Abstract:

This study explored the patterns of change in stem characters and mechanical traits in Commelinaceae plants grown under different light intensities. Ramets of Commelina purpurea， Tradescantia fluminensis ‘Variegata’， T. zebrina and T. fluminensis ‘Vairidia’ propagated from stem cuttings were used as experimental material. Shading net was used to create a series of five light levels of 100% natural light intensity， 75% natural light intensity， 50% natural light intensity， 25% natural light intensity and 5% natural light intensity. Stem morphological characters， anatomical structure and mechanical traits were measured under the different light levels. It was found that： As the light intensity decreased， plant internode length of the four taxa increased significantly （P<0.05）. Conversely， decrease in light intensity led to significant decrease in the specific stem weight （P<0.05）. Apart from C. purpurea， which showed no significant change， stem biomass was greatest at medium light levels in the taxa studied. Different light intensities had different effects on stem epidermis thickness， cortical thickness， vascular bundle diameter， medulla diameter and stem diameter. However， the relationship between internal tissue structure and stem thickness remained relatively stable across the range of light intensities. Reduced light intensity led to a significant increase in cortical cell length and medulla cell length of the four taxa （P<0.05）， but also to a significant decrease in the cortical and medulla cell widths （P<0.05）. The resistance to bending and compressive strength of all taxa and the organizational density of C. purpurea， T. zebrina and T. fluminensis ‘Vairidia’ significantly decreased （P<0.05） when light intensity decreased. Pearson correlation analysis showed that specific stem weight， epidermis thickness， cortical thickness， vascular bundle diameter， medulla diameter， stem diameter， cortical cell width and medulla cell width were all significantly correlated with resistance to bending （P<0.01）. Medulla cell width was significantly correlated with organizational density （P<0.01）， while specific stem weight， epidermis thickness， medulla diameter and medulla cell width were significantly correlated with compressive strength （P<0.01）. These results indicate that the four studied taxa were able to obtain limited light resources in low-light environments by increasing their stem biomass and plant internode length. The increase of stem biomass has obvious limitations. These changes led to an unbalanced state with the increased plant height and internodes. This not only resulted in decreases of specific stem weight and changes of stalk anatomical structure， but also reduced stem rigidity， organizational density and compressive strength. A membership function analysis showed that the stalk characteristics of T. fluminensis ‘Variegata’ and T. zebrina were superior under a range of light intensities， followed by the T. fluminensis ‘Vairidia’， while C. purpurea was the worst.

Key words: light intensity, Commelinaceae, stem characters, mechanical traits

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图/表 11

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指标 Index	弯折性能 Bending properties	组织结构强度 Intensity of organizational structure	抗压强度 Compressive strength
节间长 Internode length	-0.173	-0.451*	-0.482*
茎生物量 Stem biomass	0.108	-0.262	0.394
比茎重Specific stem weight	0.902**	0.350	0.680**
表皮厚度 Epidermises thickness	0.782**	0.073	0.720**
皮层厚度 Cortex thickness	0.809**	0.358	0.422
维管束直径 Vascular bundle diameter	0.850**	0.452*	0.561*
髓直径 Pith diameter	0.899**	0.389	0.603**
茎粗 Stem diameter	0.881**	0.376	0.546*
表皮茎粗比 Epidermise and stem thickness ratio	0.228	-0.315	0.477*
皮层茎粗比 Cortical and stem thickness ratio	0.670**	0.274	0.302
髓茎粗比 Myeloid and stem thickness ratio	-0.754**	-0.253	-0.405
维管束茎粗比Vascular and stem thickness ratio	-0.754**	-0.154	-0.492*
皮层细胞长 Cortical cell length	0.324	0.065	0.021
皮层细胞宽 Cortical cell width	0.866**	0.327	0.557*
髓细胞长 Pith cell length	0.040	0.026	-0.275
髓细胞宽 Pith cell width	0.766**	0.593**	0.756**
皮层细胞长宽比Cortical cell length and width ratio	-0.416	-0.258	-0.451*
髓细胞长宽比Pith cell length and width ratio	-0.288	-0.244	-0.576**

指标 Index	弯折性能 Bending properties	组织结构强度 Intensity of organizational structure	抗压强度 Compressive strength
节间长 Internode length	-0.173	-0.451*	-0.482*
茎生物量 Stem biomass	0.108	-0.262	0.394
比茎重Specific stem weight	0.902**	0.350	0.680**
表皮厚度 Epidermises thickness	0.782**	0.073	0.720**
皮层厚度 Cortex thickness	0.809**	0.358	0.422
维管束直径 Vascular bundle diameter	0.850**	0.452*	0.561*
髓直径 Pith diameter	0.899**	0.389	0.603**
茎粗 Stem diameter	0.881**	0.376	0.546*
表皮茎粗比 Epidermise and stem thickness ratio	0.228	-0.315	0.477*
皮层茎粗比 Cortical and stem thickness ratio	0.670**	0.274	0.302
髓茎粗比 Myeloid and stem thickness ratio	-0.754**	-0.253	-0.405
维管束茎粗比Vascular and stem thickness ratio	-0.754**	-0.154	-0.492*
皮层细胞长 Cortical cell length	0.324	0.065	0.021
皮层细胞宽 Cortical cell width	0.866**	0.327	0.557*
髓细胞长 Pith cell length	0.040	0.026	-0.275
髓细胞宽 Pith cell width	0.766**	0.593**	0.756**
皮层细胞长宽比Cortical cell length and width ratio	-0.416	-0.258	-0.451*
髓细胞长宽比Pith cell length and width ratio	-0.288	-0.244	-0.576**

指标Index	第1主成分PC1	第2主成分PC2	第3主成分PC3	第4主成分PC4
节间长 Internode length	0.157	0.729	0.589	-0.191
茎生物量 Stem biomass	-0.073	-0.785	0.446	0.141
比茎重 Specific stem weight	0.949	-0.144	0.090	-0.033
表皮厚度 Epidermise thickness	0.854	-0.247	0.387	0.173
皮层厚度 Cortex thickness	0.948	0.135	0.040	-0.248
维管束直径 Vascular bundle diameter	0.908	0.044	-0.239	0.025
髓直径 Pith diameter	0.981	0.080	-0.082	0.066
茎粗 Stem diameter	0.988	0.094	-0.016	-0.059
表皮茎粗比 Epidermise and stem thickness ratio	0.181	-0.537	0.663	0.365
皮层茎粗比 Cortical and stem thickness ratio	0.857	0.088	0.162	-0.417
髓茎粗比 Myeloid and stem thickness ratio	-0.919	-0.065	-0.206	0.293
维管束茎粗比Vascular bundle and stem thickness ratio	-0.907	-0.143	-0.272	-0.071
皮层细胞长 Cortical cell length	0.529	0.743	0.004	0.361
皮层细胞宽 Cortical cell width	0.974	0.086	0.021	-0.009
髓细胞长 Pith cell length	0.271	0.883	-0.138	0.183
髓细胞宽 Pith cell width	0.699	-0.199	-0.492	0.339
皮层细胞长宽比Cortical cell length and width ratio	-0.240	0.788	0.026	0.447
髓细胞长宽比Pith cell length and width ratio	-0.022	0.974	0.085	0.089
弯折性能 Bending properties	0.635	-0.602	-0.131	0.399
组织结构强度 Intensity of organizational structure	0.395	-0.164	-0.771	-0.142
抗压强度 Compressive strength	0.913	-0.274	-0.154	0.078
特征值 Eigenvalue	10.995	4.998	2.256	1.228
方差贡献率Variance contribution rate （%）	52.359	23.801	10.745	5.846
累计贡献率Cumulative contribution （%）	52.359	76.160	86.904	92.750

指标Index	第1主成分PC1	第2主成分PC2	第3主成分PC3	第4主成分PC4
节间长 Internode length	0.157	0.729	0.589	-0.191
茎生物量 Stem biomass	-0.073	-0.785	0.446	0.141
比茎重 Specific stem weight	0.949	-0.144	0.090	-0.033
表皮厚度 Epidermise thickness	0.854	-0.247	0.387	0.173
皮层厚度 Cortex thickness	0.948	0.135	0.040	-0.248
维管束直径 Vascular bundle diameter	0.908	0.044	-0.239	0.025
髓直径 Pith diameter	0.981	0.080	-0.082	0.066
茎粗 Stem diameter	0.988	0.094	-0.016	-0.059
表皮茎粗比 Epidermise and stem thickness ratio	0.181	-0.537	0.663	0.365
皮层茎粗比 Cortical and stem thickness ratio	0.857	0.088	0.162	-0.417
髓茎粗比 Myeloid and stem thickness ratio	-0.919	-0.065	-0.206	0.293
维管束茎粗比Vascular bundle and stem thickness ratio	-0.907	-0.143	-0.272	-0.071
皮层细胞长 Cortical cell length	0.529	0.743	0.004	0.361
皮层细胞宽 Cortical cell width	0.974	0.086	0.021	-0.009
髓细胞长 Pith cell length	0.271	0.883	-0.138	0.183
髓细胞宽 Pith cell width	0.699	-0.199	-0.492	0.339
皮层细胞长宽比Cortical cell length and width ratio	-0.240	0.788	0.026	0.447
髓细胞长宽比Pith cell length and width ratio	-0.022	0.974	0.085	0.089
弯折性能 Bending properties	0.635	-0.602	-0.131	0.399
组织结构强度 Intensity of organizational structure	0.395	-0.164	-0.771	-0.142
抗压强度 Compressive strength	0.913	-0.274	-0.154	0.078
特征值 Eigenvalue	10.995	4.998	2.256	1.228
方差贡献率Variance contribution rate （%）	52.359	23.801	10.745	5.846
累计贡献率Cumulative contribution （%）	52.359	76.160	86.904	92.750

指标 Index	紫鸭跖草 C. purpurea	花叶水竹草 T. fluminensis ‘Variegata’	吊竹梅 T. zebrina	绿叶水竹草 T. fluminensis ‘Vairidia’
节间长 Internode length	0.54	0.53	0.50	0.46
茎生物量 Stem biomass	0.44	0.50	0.47	0.52
比茎重 Specific stem weight	0.69	0.56	0.58	0.54
表皮厚度 Epidermise thickness	0.60	0.57	0.57	0.39
皮层厚度 Cortex thickness	0.43	0.52	0.49	0.56
维管束直径 Vascular bundle diameter	0.51	0.40	0.49	0.34
髓直径 Pith diameter	0.50	0.39	0.51	0.57
茎粗 Stem diameter	0.47	0.42	0.54	0.40
表皮茎粗比 Epidermise and stem thickness ratio	0.49	0.54	0.50	0.49
皮层茎粗比 Cortical and stem thickness ratio	0.40	0.65	0.53	0.57
髓茎粗比 Myeloid and stem thickness ratio	0.44	0.67	0.46	0.63
维管束茎粗比Vascular bundle and stem thickness ratio	0.52	0.41	0.44	0.49
皮层细胞长 Cortical cell length	0.54	0.55	0.55	0.70
皮层细胞宽 Cortical cell width	0.62	0.44	0.66	0.55
髓细胞长 Pith cell length	0.40	0.47	0.53	0.58
髓细胞宽 Pith cell width	0.44	0.59	0.48	0.52
皮层细胞长宽比Cortical cell length and width ratio	0.41	0.54	0.63	0.66
髓细胞长宽比Pith cell length and width ratio	0.42	0.58	0.55	0.58
弯折性能 Bending properties	0.51	0.55	0.71	0.38
组织结构强度 Intensity of organizational structure	0.52	0.59	0.41	0.31
抗压强度 Compressive strength	0.59	0.74	0.50	0.49
平均值 Mean	0.50	0.53	0.53	0.51