第七章 叶的形态与结构

第七章叶的形态与结构第一节叶的发生组成与叶序叶就是先于根发育出现的结构,就是植物光合作用制造养分的重要场所,就是植物重要的营养器官之一。

本章主要讲述叶的形态、结构特征及其与功能间的相互关系。

第一节叶的发生、组成与叶序一、叶的发生与生长(一)叶的发生与生长1.叶的发生叶由叶原基生长分化而来。

当芽形成与生长时,在茎的生长锥的亚顶端,周缘分生组织区的外层细胞不断分裂,形成侧生的突起。

这些突起就是叶分化发育的起点,因而被称为叶原基。

叶原基就是一团原分生组织细胞,将朝着长、宽、厚三个方向进一步生长,逐渐形成具有叶片、叶柄、托叶等结构雏形的幼叶,最终发育成为成熟叶。

叶的这种起源发育方式称为外起源(图7-1)。

2.叶的生长由叶原基发育成叶的过程包括顶端生长、边缘生长与居间生长三个阶段。

叶原基形成后,首先进行顶端生长,不断伸长,成为圆柱状的结构,称为叶轴。

叶轴就是尚未分化的叶柄与叶片。

具有托叶的植物,叶原基上部形成叶轴;叶原基基部的细胞分裂较上部快,且发育较早,分化成为托叶,包围着上部叶轴,起到保护作用。

具有叶鞘的植物(如禾本科),叶原基基部生长活跃,侧向延伸可以包围整个茎端分生组织。

在叶轴伸长的同时,叶轴两侧边缘的细胞开始分裂,进行边缘生长(边缘生长进行一段时间后,顶端生长停止)。

叶轴的边缘生长,使叶轴变宽,形成具有背腹性的、扁平的叶片雏形;如果就是复叶,则通过边缘生长形成多数小叶片。

没有进行边缘生长的叶轴基部分化为叶柄,当幼叶叶片展开时叶柄才随之迅速伸长(图7-2)。

当幼叶由芽内逐渐伸出、展开时,边缘生长逐渐停止,整个叶片进入居间生长,最后发育成熟。

大多数幼叶叶片的生长基本上就是等速生长,但有些幼叶各部分细胞的生长速度并非完全一致,因而在叶的生长过程中,便出现了不同的叶缘、叶形等。

叶片在不断增大的同时,伴随着内部组织的分化成熟。

在边缘生长时期,叶轴两侧的边缘分生组织经垂周分裂产生原表皮,将来发育成为表皮;近边缘分生组织平周分裂与垂周分裂交替进行,形成了基本分生组织与原形成层。

在一种植物中叶肉的层数基本就是恒定的,就是由平周分裂决定的。

在各层形成后,细胞停止了平周分裂,只进行垂周分裂,增大叶片面积,但不增加叶片厚度。

一般说来,叶的生长期就是有限的,这与具有形成层的无限生长的根、茎不同。

叶在短期内生长达一定大小后,生长即停止。

但有些单子叶植物的叶的基部保留着居间分生组织,可以有较长期的居间生长。

如禾本科植物的叶鞘可以随节间生长而伸长,葱、韭菜等剪去上部叶片,叶仍可继续生长(即割一茬又长一茬),就就是由于叶基部居间分生组织活动的结果。

3.叶的发育、生长与调控叶就是植物进行光合作用的器官。

不同物种叶的大小、颜色、形状差别非常大,同一植物在不同阶段其叶形也可能完全不同。

(二)叶在植物系统进化与个体发育中的地位与意义二、叶的生理功能与利用(一)叶的生理功能(二)叶的利用(三)叶序三、叶的形态多样性(一)叶的形态与组成1、完全叶与不完全叶完全叶就是具有叶片、叶柄与托叶三部分的叶,如杨树、棉花等。

不完全叶就是叶片、叶柄与托叶三者中缺少其任一部分或两部分的叶,如丁香叶无托叶,莴苣茎叶无叶柄及托叶等(图7-3)。

2.叶的形态叶形态多样,大小差别很大,小的仅数毫米,大的可达数米。

可从质地、类型(单叶与复叶)、叶序、叶的整体形状及大小、叶尖、叶基、叶缘、叶脉等方面对叶进行描述,描述叶片的术语也可用于托叶等片状结构的描述(详细参见第三篇第十四章)。

3.叶的组成1)双子叶植物的叶一般双子叶植物的叶由叶片、叶柄及托叶组成,有的叶或无托叶,或叶柄不明显。

叶片叶片大多呈典型的扁平体,不同的植物其叶片形状差异很大。

叶片就是进行光合作用与蒸腾作用的主要场所,就是叶最重要的组成部分。

叶片内分布叶脉,叶脉有运输水分、养分及支持叶片伸展的功能。

叶柄叶柄位于叶片基部,上端与叶片相连,下端与茎相连,就是连接叶片与茎的部分。

叶柄有支持作用,可通过自身长短的变化与扭曲,支持叶片处于最有利于光合作用的位置;叶柄还有输导作用,通过叶柄中的维管束将叶片及茎中的维管系统连接起来,成为茎与叶片之间物质运输的通道。

托叶(stipules) 托叶就是叶柄基部的附属物,多成对出现,通常比较细小。

很多双子叶植物具有托叶,托叶形状多样,单子叶植物一般没有托叶。

托叶在发育过程中有保护幼叶叶片作用,成长后或脱落或保留。

2)禾本科植物的叶水稻、小麦等禾本科植物叶的组成与上述双子叶植物不同,由叶片、叶鞘、叶环、叶舌、叶耳组成。

叶片条形,具平行脉。

叶基部呈鞘状,叶鞘一侧开裂,包围着茎杆,有保护茎的居间生长、加强茎的支持作用及保护叶腋内幼芽的功能。

叶鞘与叶片连接处的外侧称为叶枕(又称叶颈、叶环),它就是一个与叶片颜色不同的环,具有弹性及伸延性,可以调节叶片的位置。

在叶鞘与叶片连接处的内侧,有些禾本科植物有一向上突起的膜状结构,称为叶舌;叶舌能使叶片向外弯曲,使叶片接受更多的阳光,同时可以防止水分、病原菌及害虫进入叶鞘内。

有些植物,在叶舌的两旁,有一对从叶片基部边缘伸出来的突出物,称为叶耳。

叶舌、叶耳的有无、形态、大小及色泽常为禾本科植物分类的依据。

如小麦叶耳明显,稗草则不具叶耳(图7-4)。

(二)单叶与复叶单叶就是只有一个叶柄且其上只生一个叶片的叶,绝大多数植物的叶就是单叶。

复叶就是在一个叶柄上生有两片以上的叶片的叶。

复叶的叶柄称为总叶柄,总叶柄上着生的叶片称为小叶(leaflet),着生小叶的轴状部分(叶柄的延伸结构)称为叶轴。

复叶与生有单叶的小枝、叶轴与纤细的茎有时不易区分,可根据以下几个方面进行判断:复叶的小叶叶腋处不具腋芽,仅总叶柄叶腋处具腋芽,且叶轴先端不具顶芽;茎生单叶叶腋处具芽,且茎端有顶芽;复叶中的各小叶多排列在同一平面;茎生单叶常排列成螺旋状;复叶脱落时,总叶柄或与小叶一同、或在小叶之后,也会脱落;茎在其叶脱落后,一般枝干不脱落。

根据小叶在总叶柄上的排列情况,可将复叶分为羽状复叶、掌状复叶、三出复叶与单身复叶等类型,详见第十四章第一节。

第二节叶的解剖结构一、双子叶植物叶的解剖结构(一)叶片的解剖结构横切双子叶植物的叶片,其结构由表及里可分为表皮、叶肉、叶脉三部分。

1.表皮表皮就是由初生分生组织的原表皮发育而来、位于叶片的上、下表层的初生保护组织。

构成表皮的细胞有表皮细胞、气孔器与表皮附属物等组成(图7-5,图7-6)。

表皮细胞就是生活细胞,通过显微镜观察叶片表面,可见表皮细胞形状不规则,彼此间紧密嵌合,一般不含叶绿体,有的植物表皮细胞内含有花青素,使叶片呈现红、紫、蓝等颜色。

观察叶片切片,可见表皮细胞厚度相仿,基本呈长方形,外切向壁较厚,常覆有一层角质层。

角质层有较强折光性,可减少强光对植物的伤害,还有减少水分过度蒸腾与防止病菌侵入的作用。

角质层并非完全不通透,喷洒在叶面上的药液,一部分通过气孔,一部分则通过角质层进入叶片。

表皮一般为一层细胞,但少数植物的表皮可为多层细胞,称为复表皮,如印度橡皮树、夹竹桃等植物的叶,其复表皮由3～4层细胞组成。

在大多数双子叶植物叶表皮上,都有气孔器的分布。

气孔器通常由2个保卫细胞及其细胞间的气孔组成。

保卫细胞形态与表皮细胞差异很大,表面观为肾形;细胞壁薄厚不均,与气孔相邻处的细胞壁较厚,其它部分较薄、有弹性;所含叶绿体及细胞质均较表皮细胞丰富;有些植物在保卫细胞旁还有两至多个其形态大小与表皮细胞、保卫细胞均不同的、排列整齐的副卫细胞,形成特定的气孔器结构,成为物种分类的显微特征之一。

气孔可开闭,其开闭与调节水分蒸腾有关。

当保卫细胞含水分较多时,细胞鼓胀外凸,气孔张开;当失水较多时,细胞横向瘪缩,气孔关闭。

多数植物的气孔白天开放,干热的中午及夜晚关闭。

表皮上还有一些形态不同的表皮附属物,由表皮细胞向外突出分裂形成。

表皮附属物形状多样,多呈单列毛状,还有分枝状、星形或鳞片状,其形态就是鉴定植物的特征之一;表皮附属物组成不同,有些就是单细胞的,有些就是多细胞的;表皮附属物功能不一,有些为分泌结构,有些起保护作用。

表皮附属物可反射强光,分泌粘性物质,限制叶表面的空气流动,使干热风不致直入气孔,减缓蒸腾作用,使表皮的保护作用得以加强。

2.叶肉叶肉由含大量叶绿体的薄壁细胞组成,就是叶进行光合作用的主要部位。

根据细胞形态的不同,叶肉可分为栅栏组织、海绵组织(图7-6)。

1)栅栏组织栅栏组织就是紧贴上表皮的一至数层长圆柱状薄壁细胞,长轴垂直于表皮,排列紧密如栅栏状,细胞内富含叶绿体,光合作用强。

细胞内叶绿体可随光照条件而移动,使自身既免遭强光破坏又可充分接受光能。

光强时,叶绿体贴近细胞侧壁,减少受光面积,以免过度发热;光弱时,叶绿体分散在细胞质内,以充分利用散射光。

虽然在光学显微镜下观察,栅栏组织细胞排列紧密,但实际上它的胞间隙仍然很大。

2)海绵组织海绵组织细胞形状不规则,含叶绿体较少,排列疏松,胞间隙大,光合作用弱,但气体交换与蒸腾作用较强。

有些植物上表皮内侧为栅栏组织,下表皮内侧为海绵组织,这种上、下表皮内侧的叶肉组织形态不同的叶称为异面叶(背腹型叶、两面叶)。

海绵组织所含叶绿体较栅栏组织少,所以异面叶的背面一般绿色较淡。

上、下表皮内侧的叶肉组织形态相同,或叶肉细胞没有栅栏组织与海绵组织分化的叶称为等面叶(isobilateral leaf),如禾本科植物的叶等。

3.叶脉叶脉就是叶片中贯穿于叶肉组织间的脉纹结构。

叶脉分布如茎枝系统,有粗细与主侧脉之分。

位于叶片中央最粗大的叶脉称为主脉(中脉);主脉的分支为侧脉,侧脉的分枝称为细脉或小脉,细脉仍可再分枝;细脉的末端称为脉梢。

叶脉的分布方式叫做脉序。

1)叶脉的组成一般叶脉含有厚角组织、薄壁组织及一至数个维管束。

薄壁组织包围在维管束外形成维管束鞘(bundle sheath)。

较大叶脉的维管束由木质部、韧皮部与束中形成层组成,属无限维管束;束中形成层活动能力弱,活动时间短,只形成极少量的次生维管组织。

叶脉中维管束可视作茎中维管束的延伸,茎中维管束的类型,影响叶中初生木质部、初生韧皮部的相对位置。

在叶片中,多数植物木质部近上表皮、韧皮部近下表皮,也有些植物上、下表皮内侧均有韧皮部,木质部居于中间。

主脉及侧脉中组成分子较多,尤其就是厚角组织、薄壁组织,因而叶脉常会在叶面形成隆起(图7-6)。

细脉中结构趋于简单,一般没有束中形成层与机械组织,维管束鞘细胞也较少,木质部与韧皮部的组成分子逐渐减少。

到了脉梢,仍有一圈薄壁细胞围成的维管束鞘;维管束中仅余一列狭短的筛管分子与1～2个螺纹管胞,有时甚至没有筛管,只有管胞存在。

与小脉进行物质交换的维管束鞘薄壁细胞,常具传递细胞(transfer cell)或传输细胞特征,传递细胞的细胞壁多网状内突,由此相应增大了质膜面积,这种特有的结构,对该细胞与周围细胞间进行快速的物质运输非常有利。