模擬干旱脅迫對黃瓜幼苗組織結構的影響

陳文妃，杜長霞，金佩穎，何亞妮，樊懷福,2

（1.浙江農林大學 農業(yè)與食品科學學院，浙江 杭州311300；2.浙江農林大學 浙江省農產品品質改良技術研究重點實驗室，浙江杭州311300）

模擬干旱脅迫對黃瓜幼苗組織結構的影響

陳文妃1，杜長霞1，金佩穎1，何亞妮1，樊懷福1,2

（1.浙江農林大學 農業(yè)與食品科學學院，浙江 杭州311300；2.浙江農林大學 浙江省農產品品質改良技術研究重點實驗室，浙江杭州311300）

為研究不同程度干旱脅迫對黃瓜Cucumis sativus幼苗營養(yǎng)器官中組織和細胞結構的影響，以 ‘津優(yōu)1號’‘Jinyou No.1’黃瓜幼苗為試材，分別在營養(yǎng)液中添加質量分數(shù)為5%和10%的聚乙二醇（PEG-6000），模擬干旱脅迫條件。結果表明：隨著干旱脅迫程度的增加，黃瓜幼苗組織結構變化程度逐漸加劇。在質量分數(shù)為5%的PEG-6000處理下，幼苗組織出現(xiàn)根皮層薄壁細胞減少、莖木質部導管萎縮、葉片柵欄組織排列更緊密等特征；而在質量分數(shù)為10%的PEG-6000處理下，黃瓜幼苗組織和細胞已發(fā)生嚴重變形、萎縮、排列紊亂、表皮破裂。試驗結果表明：黃瓜通過一定程度的組織結構變化適應輕度干旱脅迫，而在重度干旱脅迫下組織結構受到了嚴重破壞，最終導致器官、組織或細胞功能的喪失。圖3參21

園藝學；黃瓜；干旱脅迫；組織學；特征

干旱是對農作物生長影響最大的非生物脅迫因子之一。在中國，干旱半干旱區(qū)占國土面積的50%，無灌溉條件的旱地占耕地總面積的52%［1］，由于干旱造成的農作物產量損失幾乎等同于其他所有環(huán)境因子所造成損失的總和［2］。近幾十年，干旱脅迫現(xiàn)象急劇增加［3］，提高作物的耐旱性或抗旱性成為備受關注的焦點。大量研究表明，植物的顯微結構在干旱脅迫下發(fā)生明顯變化，如葉表皮細胞變小，細胞壁加厚，葉肉柵欄組織增加，海綿組織相對減少，細胞間隙減小等，以此適應水分短缺環(huán)境［4-5］。張祿等［6］發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下豇豆Vigna unguiculata幼苗的心葉和成熟葉的顯微結構都呈現(xiàn)出柵欄組織細胞失水、變形，排列紊亂，根的中柱細胞收縮、變形，皮層薄壁細胞萎縮、干癟等現(xiàn)象。王順才等［7］報道了干旱脅迫下3種蘋果屬Malus植物葉片厚度、柵欄組織厚度及葉肉組織結構緊密度都顯著減少，而海綿組織厚度與葉肉組織結構疏松度均顯著增加。吳建慧等［8］研究干旱脅迫對絹毛委陵菜Potentilla sericea的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度加劇，葉片柵欄組織和海綿組織均變薄，柵欄組織與海綿組織的比值大于未受干旱脅迫的對照植物。黃瓜Cucumis sativus是世界性的重要蔬菜作物，在中國蔬菜產業(yè)中占有重要地位，深受人們喜愛；黃瓜對水分變化敏感，干旱嚴重影響其生長、產量和品質。本研究通過在營養(yǎng)液中添加聚乙二醇（PEG-6000）模擬干旱脅迫，研究了不同程度干旱脅迫對黃瓜組織細胞結構的影響，以期為黃瓜耐旱品種篩選和抗旱栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

供試材料為黃瓜品種 ‘津優(yōu)1號’ ‘Jinyou No.1’。試驗在人工氣候室內進行。將供試種子浸泡于55～60℃水中，不斷攪拌15 min；常溫下浸種4～6 h，轉移至28℃恒溫箱黑暗催芽；露白后選取整齊一致的黃瓜種子播于裝有基質的塑料穴盤中，晝夜溫度設置為（24±1）℃。待幼苗長至2葉1心時，選擇整齊一致的幼苗水培。水培容器為專用水培箱，12株·箱-1。采用Hogland營養(yǎng)液，電導率為2.2～2.5 mS·cm-1，pH 6.8～7.0，用氣泵間歇性通氣40 min·h-1，培養(yǎng)至幼苗第3片真葉完全展開。共設3個處理，正常營養(yǎng)液栽培（對照，ck），質量分數(shù)為5%PEG-6000的營養(yǎng)液栽培（輕度干旱脅迫，T5），質量分數(shù)為10%PEG-6000的營養(yǎng)液栽培（重度干旱脅迫，T10）；12株·處理-1，3次重復。處理36 h后取樣用于顯微結構觀察。

1.2 試驗方法

石蠟切片制樣參考常規(guī)石蠟切片法［9-10］。選取不同處理下生長健壯、完好無損的幼苗，用干凈的刀片分別切取根尖（1.0～1.5 cm），莖（1.0 cm），葉片（0.5 cm×0.5 cm），標準固定液（FAA）固定，按常規(guī)石蠟包埋制片，OLYMPUS-BX61顯微鏡觀察拍照。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對黃瓜根尖顯微結構的影響

由圖1A可知：正常生長黃瓜根尖的顯微結構整體近圓形，表皮組織有裂隙，皮層薄壁細胞近長方形，排列周密；木質部較韌皮部發(fā)達，導管近圓形；內皮層到髓心的距離與內皮層到表皮的距離相近；觀察位于根中間部位的初生維管組織，可看到初生木質部和初生韌皮部，原生木質部在外，后生木質部在內（圖1B）。經輕度干旱處理后，根尖整體形態(tài)發(fā)生變化，根外表皮向內凹陷，整體凹凸不平；皮層薄壁細胞扭曲變形，相互擠壓，內皮層到髓心的距離縮短（圖1C），但黃瓜根尖木質部的組織結構仍完整（圖1D）。與輕度干旱脅迫相比，重度干旱脅迫下木質部嚴重萎縮變形，內皮層凹陷，與髓心相互擠壓，皮層薄壁組織變形程度加深（圖1E），皮層薄壁細胞嚴重擠壓變形，表皮與皮層薄壁細胞均發(fā)生破裂（圖 1F）。

2.2 干旱脅迫對黃瓜莖顯微結構的影響

如圖2A所示：正常生長黃瓜幼苗莖橫切面的表皮細胞排列有序，細胞近方形或卵圓形；薄壁細胞縫隙明顯，排列疏松，細胞近圓球形；維管組織木質部有明顯導管，韌皮部細胞小且排列緊密，韌皮部導管近橢圓形，導管木質部次生加厚，易木質化（圖2B）；莖的形成層將木質部和韌皮部分隔，且細胞排列緊密，韌皮部中的篩管和伴胞排列緊密，后生韌皮部發(fā)育完整（圖2C）。輕度干旱脅迫下，形成層細胞變形，兩端長短不一（圖2D）；韌皮部導管變形，但木質部的篩管細胞變化不明顯（圖2E，圖2F）。重度干旱脅迫下，篩管嚴重變形，固綠滲入細胞，伴胞嚴重擠壓（圖2G）；形成層細胞結構受到破壞，導管模糊不清，排列紊亂（圖2H）；細胞膜破裂，管胞和皮層薄壁細胞在不同濃度處理下均發(fā)生變形（圖2I），但不同處理后的變形程度難以區(qū)分（圖2E，圖2I）。

圖1 干旱脅迫對黃瓜根尖顯微結構的影響Figure 1 The influence of drought stress on cucumber root tip microstructure

圖2 干旱脅迫對黃瓜莖顯微結構Figure 2 Influence of drought stress on cucumber stem microstructure

2.3 干旱脅迫對黃瓜葉片顯微結構的影響

正常生長黃瓜幼苗葉片柵欄組織和海綿組織完整，細胞排列有序（圖3A）；除個別導管外，其余葉片側脈中的維管組織結構層次分明，柵欄組織細胞排列有序且緊密；海綿組織結構層次清晰，細胞排列疏松，縫隙明顯；維管組織存在若干不發(fā)達的維管束，木質部近近軸面，韌皮部近遠軸面（圖3B）。與對照相比，輕度干旱脅迫下，海綿組織細胞縫隙擴大（圖3C）；柵欄組織密度增大，細胞變短，層數(shù)增加，但細胞排列有序（圖3D）。重度干旱脅迫下，柵欄組織細胞失水、變形、排列紊亂，表皮細胞變形，甚至干癟（圖3E），海綿組織結構模糊不清，細胞縫隙擴大（圖3F）。

圖3 干旱脅迫對黃瓜葉片顯微結構的影響Figure 3 Influence of drought stress on cucumber leaf microstructure

3 討論

干旱脅迫對植物的影響是多層次的，不僅影響植物外部形態(tài)，也影響其內部組織結構和細胞。植物遭遇干旱脅迫時，根系受到的影響比莖和葉更顯著，做出的響應也較莖和葉早，對干旱脅迫的耐受性依次分別為根＞莖＞葉［11］?？道剑?2］報道了豇豆幼苗根的結構在不同干旱條件不同處理時間內有明顯差異，對干旱脅迫下的豇豆幼苗而言，根作出結構變化的響應比葉片早，且干旱對根的生長抑制程度也大于葉片，推測這可能與植物的根是最先感受水分脅迫的器官有關［6］。本試驗發(fā)現(xiàn)：黃瓜受到干旱脅迫后根外表皮萎縮變形，維管組織萎縮變形，內皮層占比縮小。為緩解輕度干旱脅迫，根器官在組織層面發(fā)生響應，皮層薄壁組織縮短，中柱輸導組織增多，以此縮短水分運輸距離；重度干旱時，表皮及皮層薄壁組織細胞萎縮干癟，直至失去活力，與前人的研究結果相似［13］。

莖是聯(lián)系植物根和葉的營養(yǎng)器官，具有運輸水分、無機鹽和有機物以及支持和儲藏營養(yǎng)物質的作用。一般來說，旱生植物莖的皮層和中柱比率較大，皮層較寬，維管束較緊密；對有些沙生植物而言，莖中還可發(fā)育出儲水的薄壁組織。丁菲等［14］發(fā)現(xiàn)：構樹Broussonetia papyriferavent為適應干旱環(huán)境表現(xiàn)為表皮細胞排列緊密，密被表皮毛、腺毛和一些乳狀突起,以此來減少蒸騰失水；中柱中髓占比較大，保證良好的輸水保水功能；莖木質部發(fā)達，導管密度和導管孔徑較大，輸導水分效率高。于海秋等［15］發(fā)現(xiàn)：干旱脅迫處理7 d后，玉米Zea mays莖大部分組織細胞斷裂解體，薄壁組織排列無序；維管束數(shù)量減少，木質部導管結構被破壞。本研究表明：隨著干旱脅迫程度增加，黃瓜莖部導管、篩管、形成層、薄壁組織細胞均發(fā)生破裂，這和其他植物的莖在干旱脅迫下的反應機制相似；但輸導組織在干旱環(huán)境下數(shù)量變化的規(guī)律無法推斷，這可能與其系統(tǒng)的復雜性有關。相對于根而言，莖對水分脅迫的應答并不突出，只出現(xiàn)細胞破壞的現(xiàn)象，并未發(fā)生組織結構適應干旱脅迫應有的變化。

多數(shù)實驗證實，干旱脅迫時植物通過葉片加厚、表皮細胞變小、葉肉柵欄組織增加和海綿組織相對減少等變化來適應水分短缺，但不同植物的適應機制不同［16-18］；干旱脅迫帶來植物根系獲水減少會引起葉面積減少，葉片變薄，含水量下降，氣孔關閉，以此減少體內水分的散失［19］。劉忠靜等［16］發(fā)現(xiàn)：干旱脅迫下葉片產生過量的活性氧，損傷葉片超微結構，導致柵欄組織和海綿組織排列疏松；干旱脅迫程度越大，柵欄組織厚度越小，可能是柵欄組織細胞為減小因干旱導致細胞收縮而產生的機械損傷而做出的響應［20］；因此陳麗等［21］認為葡萄Vitis vinifera葉片上表皮細胞的大小可作為鑒定抗旱性的標志之一，葉片組織結構與其抗旱性存在顯著相關性。本試驗發(fā)現(xiàn)：輕度干旱脅迫下黃瓜葉片柵欄組織排列較對照緊密有序，這可能是黃瓜葉片對干旱脅迫在結構上的適應；重度脅迫后葉片呈現(xiàn)出柵欄組織細胞變形、失水、排列紊亂的現(xiàn)象，海綿組織細胞和表皮細胞縫隙增大，這可能與干旱使細胞失水，膨壓降低有關。

不同干旱脅迫對黃瓜根莖葉的顯微結構均造成了一定的影響。重度干旱脅迫導致黃瓜幼苗組織細胞變形，受到嚴重損害，進而失去功能。在輕度干旱脅迫下，黃瓜幼苗能夠在一定限度內通過結構的改變來適應干旱脅迫，但由結構改變所引起的代謝上的變化目前尚不清楚，有待進一步研究。

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Histological structure of cucumber seedlings with drought stress

CHEN Wenfei1,DU Changxia1,JIN Peiying1,HE Yani1,FAN Huaifu1,2
（1.School of Agriculture and Food Science,Zhejiang A＆F University,Hangzhou 311300,Zhejiang,China;2.The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province,Zhejiang A＆F University,Hangzhou 311300,Zhejiang,China）

To determine the effect of drought stress on cucumber histological structure,the Cucumis sativus‘Jinyou No.1’ seedlings were cultured in a nutrient solution under drought stress simulated by 5%and 10%PEG-6000.Results showed that the degree of deformation in the structure of cucumber seedlings gradually intensified with an increase in the degree of drought stress and differed compared to normal seedling growth.The 5%PEG-6000 treatment decreased the number of root cortex parenchyma cells,stem xylem conduit atrophy,and more closely arranged the leaf palisade tissue.With the 10%PEG-6000 treatment,cucumber seedlings showed serious deformation,shrinkage,disordered arrangement,and broken skin in the tissues and cells.To a certain extent cucumbers could adapt to mild drought stress through a change in histological structure;however,with severe drought stress the organizational structure suffered damage ultimately resulting in a loss in function of organs,tissues,or cells.This study provided a reference for screening drought-tolerant varieties and for drought cultivation of cucumber. ［Ch,3 fig.21 ref.］

horticulture;cucumber;drought stress;histology;characteristics

S642.2

A

2095-0756（2017）06-1149-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.06.024

2016-12-19；

2017-02-28

國家自然科學基金資助項目（31201658；31101539）；浙江省自然科學基金資助項目（LY15C150006；Y3110308）；浙江農林大學科研發(fā)展基金人才啟動項目（2011FR018）

陳文妃，從事園藝植物生理生化研究。E-mail:1443220381@qq.com。通信作者：樊懷福，副教授，博士，從事園藝植物生理生化等研究。E-mail:fanhf@zafu.edu.cn