5種觀賞桃F1代葉片解剖結(jié)構(gòu)與光合性能研究

張艷萍，劉衛(wèi)東，龍達(dá)，張雕，曾廣輝

(1.吉安市林業(yè)科學(xué)研究所，江西吉安343011；2.中南林業(yè)科技大學(xué)·林學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；3.信陽(yáng)市林業(yè)科學(xué)研究所，河南信陽(yáng)464000）

觀賞桃作為一種觀賞植物，區(qū)別于人們以往慣有的果桃的概念。果桃偏重其果實(shí)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而觀賞桃更偏重在城市園林應(yīng)用方面的價(jià)值。觀賞桃因其極高的觀賞價(jià)值和吉祥的寓意，自古就深受人們的喜愛(ài)，形成了深厚的桃花文化。

觀賞桃新品種選育和花期調(diào)控一直是目前研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)培育出的觀賞桃品種已達(dá)126個(gè)[1]。關(guān)于植物葉片解剖結(jié)構(gòu)的研究主要集中在葉的表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)、氣孔類型、色素類型及含量等方面[2]。在觀賞桃中也發(fā)現(xiàn)不同生長(zhǎng)環(huán)境中的葉片在氣孔、葉片解剖結(jié)構(gòu)上存在顯著的差異[3-4]。董曉民[5]等人研究發(fā)現(xiàn)耐旱性較強(qiáng)的品種扁桃品種濃帕爾葉片最厚，相應(yīng)的角質(zhì)層、上下表皮厚度、柵海比、葉片緊密度等也最大；耐旱性較弱的普通桃品種玉妃葉片最薄，上下表皮、角質(zhì)層厚度及柵海比均最小。郭改改[6]對(duì)生長(zhǎng)在降雨量不同區(qū)域的扁桃品種進(jìn)行葉片解剖，對(duì)比葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)降雨量最小的榆陽(yáng)區(qū)長(zhǎng)柄扁桃的葉片最小且最厚，對(duì)應(yīng)的角質(zhì)層、上表皮厚度、葉片緊密度等也最大，具備很強(qiáng)的抗旱能力。有學(xué)者還把葉片結(jié)構(gòu)作為抗寒性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，郭學(xué)民[7]等野外實(shí)地調(diào)查16個(gè)品種桃樹干抗寒性，然后隸屬函數(shù)法對(duì)各品種葉片解剖結(jié)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)，所得出的抗寒性類型劃分與野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果一致。

環(huán)境條件的差異會(huì)導(dǎo)致植物葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化[8]，陽(yáng)生植物和陰生植物或陽(yáng)生葉片和陰生葉片在解剖結(jié)構(gòu)與生理指標(biāo)均差異顯著[9]。目前還沒(méi)有對(duì)觀賞桃雜交子代幼苗光合特性的研究，光合是植物生長(zhǎng)及發(fā)揮其他經(jīng)濟(jì)價(jià)值的內(nèi)在基礎(chǔ)，觀賞桃葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異是否會(huì)導(dǎo)致其光合特性的差異還不清楚。為此，本研究比較觀察了觀賞桃5種F1代苗期葉片的解剖結(jié)構(gòu)及光合特性，旨在比較分析葉片解剖結(jié)構(gòu)與光合之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料

2018年2－4月在湖南省森林植物園開展觀賞桃人工授粉雜交實(shí)驗(yàn)，雜交組合見(jiàn)表1。于晴天采集盛花期的即將開放的元春、白花山碧、粉花山碧花朵，將其帶回實(shí)驗(yàn)室收集花粉，低溫保存?zhèn)溆?。按去?授粉-套袋的順序進(jìn)行人工授粉。2018年8月果實(shí)成熟，采回取出果核，清洗干凈后放置在干燥環(huán)境中，沙藏過(guò)冬，得到F1代種子。2019年3月以草炭土∶黃土∶珍珠巖=3∶1∶1比例配制營(yíng)養(yǎng)土，初種植于外口徑高為30 cm×22 cm規(guī)格的PP塑料花盆中，得到F1代實(shí)生苗，室外環(huán)境下生長(zhǎng)，統(tǒng)一水肥管理。6月開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定。

表1 親本材料及雜交后代名稱Tab.1 Parent material and hybrid progeny names

1.2 方法

1.2.1 光合作用測(cè)定

以5種觀賞桃F1代當(dāng)年生幼苗為研究對(duì)象，每個(gè)雜交組合分別挑選3株長(zhǎng)勢(shì)良好的幼苗作好標(biāo)記，于2019年6、7、8、9月利用LI-6400便攜式光合儀測(cè)定凈光合速率(Pn)。

1.2.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)及表皮氣孔觀察

光合測(cè)定全部完成后，取下有標(biāo)記的葉片，進(jìn)行葉片解剖和表皮氣孔觀察。按常規(guī)石蠟切片技術(shù)制片，切片厚度8~10μm，番紅-固綠染色，以加拿大中性樹膠封片，制成永久切片[10]。OLYMPUS-BX51型光學(xué)顯微鏡和cellSensEntry圖像分析系統(tǒng)拍攝照片和統(tǒng)計(jì)葉片厚度(TL)、葉脈厚度(TMV)、上表皮厚度(TU)、下表皮厚度(TLE)、葉脈厚度(TMV)和柵欄組織(TP)。

表皮制片及氣孔密度(DS)，用雙氧水—醋酸離析法制片，OLYMPUSBX51型光學(xué)顯微鏡和cellSensEntry圖像分析系統(tǒng)拍攝照片和計(jì)算氣孔密度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用SPSS.25進(jìn)行顯著性差異分析、相關(guān)性分析以及隸屬函數(shù)分析，利用Oringin.2018、Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 觀賞桃F1代凈光合速率比較

凈光合速率直接反映植物光合作用的強(qiáng)弱。觀賞桃5種F1代不同月份凈光合速率（Pn）日變化如圖1所示。6月、9月5種F1代Pn日變化曲線趨勢(shì)似單峰型，都在12點(diǎn)達(dá)到峰值。7月、8月Pn日變化曲線出現(xiàn)“M”型趨勢(shì)，存在“光合午休”現(xiàn)象。出現(xiàn)“M”型趨勢(shì)的F1代不同，7月為MM、FJ、JJ，8月為BM、MM。7月份第1次峰值在10點(diǎn)出現(xiàn)，8月份第1次峰值則在12點(diǎn)出現(xiàn)。7月和8月第2次峰值均出現(xiàn)在16點(diǎn)，且第1次峰值均高于第2次峰值。

從Pn日均值和Pn峰值來(lái)看，在6、7、8月份BM、YM的Pn日均值均顯著高于MM。FJ在6、7月顯著高于JJ，8、9月JJ高于FJ，每個(gè)月的Pn峰值也符合這一規(guī)律。表明雜交子代BM、YM的光合能力強(qiáng)于親本自交MM，F(xiàn)J和JJ光合能力相當(dāng)。同時(shí)5種F1代各自的最小Pn日均值集中在9月，表明其9月的光合能力在4個(gè)月中的最差。

2.2 觀賞桃F1代葉片結(jié)構(gòu)的比較

2.2.1 氣孔密度的比較

觀賞桃氣孔器為橢圓形或長(zhǎng)圓形，由2個(gè)腎形保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成，形狀對(duì)稱（圖2，ST），并分布于下表皮，上表皮無(wú)氣孔分布。5種供試材料的氣孔密度（Ds）最高達(dá)265.40個(gè)·mm-2，由大到小依次為絳桃自花（JJ）＞白花山碧×滿天紅（BM）＞粉花山碧×絳桃（FJ）＞元春×滿天紅（YM）＞滿天紅自花（MM）（表2），YM、BM顯著高于親本MM，JJ與FJ差異不顯著。

2.2.2 葉肉解剖結(jié)構(gòu)特征

圖2 觀賞桃下表皮氣孔顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of stomata in the lower epidermisofornamental peach

從葉片非主脈部分橫切圖可知，5種F1代葉肉均有明顯的柵欄組織（圖3，PA）和海綿組織（圖3，SP），因此為典型的異面葉。靠近上表皮的柵欄組織細(xì)胞為長(zhǎng)柱狀，細(xì)胞豎著排列為兩層，胞間隙較小。海綿組織細(xì)胞位于柵欄組織和下表皮之間，多為短柱狀或橢球形，相互連接成網(wǎng)，無(wú)規(guī)則放置胞間隙較大。由表3可知，觀賞桃柵欄組織（TP）厚度由大到小依次為JJ＞FJ＞BM＞MM＞YM，JJ顯著高出YM62.70%。由圖3可看出上表皮（UE）和下表皮（LE）均由不規(guī)則的單層細(xì)胞構(gòu)成，排列緊湊，而單個(gè)細(xì)胞的大小存在明顯的差異，造成上表皮較厚，下表皮薄，但不同F(xiàn)1代之間上下表皮的厚度差異不顯著。

圖3 觀賞桃葉肉解剖圖Fig.3 Anatomy of ornamental peach leaf meat

2.2.3 主葉脈結(jié)構(gòu)特征

葉脈是支撐葉片的骨架，在葉脈的最外面往往存在2～3層的厚角組織，能夠?qū)θ~脈起到很好的保護(hù)作用。5種觀賞桃F1代的葉脈厚角細(xì)胞如圖4，CO所示，厚角細(xì)胞形狀規(guī)則排列整齊緊密。緊挨著厚角組織的是薄壁組織，薄壁組織層較厚，細(xì)胞無(wú)規(guī)則，大小也不一致，排列緊密但不整齊（圖4，PC）。維管束位于葉脈中間，維管束鞘由很小的厚壁細(xì)胞密集排列構(gòu)成（圖4，VS），木質(zhì)部排列成扇形（圖4，XY）。主脈的大小直接影響水分和養(yǎng)分的運(yùn)輸能力與效率，主脈越粗則水分控制能力越強(qiáng)，在高溫及旱熱環(huán)境下通過(guò)提高蒸騰能力降低葉表溫度，使機(jī)體免受傷害[11]。BM、YM的主脈厚度(TMV)分別高出親本MM42.07%、6.33%，JJ顯著高出FJ12.01%。進(jìn)一步比較維管束面積(VA)、木質(zhì)部面積(XA)發(fā)現(xiàn)與主脈厚度規(guī)律一致，說(shuō)明BM、YM葉片內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)輸能力優(yōu)于親本MM，而FJ相反。

2.3 凈光合速率與葉片組織結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性分析

凈光合速率（Pn）與氣孔密度（DS）、柵欄組織厚度（TP）、葉脈厚度（TMV）極顯著正相關(guān)，而與上表皮厚度（TU）顯著負(fù)相關(guān)；DS與TMV極顯著正相關(guān)，與TP顯著正相關(guān)；TP與海綿組織（TS）、葉片厚度（TL）極顯著正相關(guān)，與TMV顯著正相關(guān)，而與TU顯著負(fù)相關(guān)。葉片各組織結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切，使葉片成為有機(jī)的整體，并不斷適應(yīng)環(huán)境，保證為植物高效的合成有機(jī)物打下了基礎(chǔ)。

表3 觀賞桃葉組織結(jié)構(gòu)參數(shù)差異分析Tab.3 Tissue Structure Parameters of ornamental peach

圖4 觀賞桃主脈解剖圖Fig.4 Anatomy of the main vein of ornamental peach

2.4 光合性能綜合分析

本文測(cè)定了5種F1代4個(gè)月份的光合日變化，得出較為一致的凈光合速率強(qiáng)弱順序；同時(shí)采取石蠟切片技術(shù)對(duì)5種F1代葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)解剖，比較得出凈光合速率較強(qiáng)的雜交組合其葉片柵欄組織厚度、主脈厚度、氣孔密度均較高，表明葉片解剖結(jié)構(gòu)和凈光合速率有一定的相關(guān)性，相關(guān)性分析證明了這一點(diǎn)。為了綜合光合參數(shù)、葉片解剖指標(biāo)兩個(gè)方面對(duì)光合性能的影響，能夠科學(xué)的得出5種F1代的光合性能強(qiáng)弱。隸屬函數(shù)法是對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)價(jià)的一種十分有效的多因素決策方法，其特點(diǎn)是評(píng)價(jià)結(jié)果不是絕對(duì)地肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來(lái)表示。因此本文嘗試采用隸屬函數(shù)法對(duì)光合性能做出綜合評(píng)價(jià)。由于3個(gè)方面的指標(biāo)間分別存在一定相關(guān)性，反映的信息具有一定重疊性，因此不能直接用于分析光合性能。

R(Xij)為各指標(biāo)與光合性能相關(guān)的隸屬函數(shù)值。指標(biāo)與光合性能呈正相關(guān)計(jì)算公式為:R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)；指標(biāo)與光合性能呈負(fù)相關(guān)計(jì)算公式為：R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

根據(jù)隸屬函數(shù)計(jì)算公式，求得觀賞桃5種F1代不同指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，據(jù)此對(duì)光合性能進(jìn)行排序，結(jié)果如表5所示。隸屬值越大，其光合性能越強(qiáng)，順序?yàn)椤{桃’自花（JJ）＞‘粉花山碧’ב絳桃’(FJ)＞‘白花山碧’ב滿天紅’(BM)＞‘元春’ב滿天紅’(YM)＞‘滿天紅’自花(MM)。

表4 凈光合速率與葉片組織結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between net photosynthetic rate and leaf tissue structure parameters

表5 觀賞桃5種F1代的指標(biāo)隸屬值Tab.5 Sorts of photosynthetic performance of five F1 generations of ornamental peach

3 討論

5種F1代之間，葉片光合作用不同程度的都受到環(huán)境和葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響。光合作用受到外界溫濕度、光照強(qiáng)度的綜合影響，當(dāng)外界條件十分適宜植物生長(zhǎng)，葉片會(huì)充分進(jìn)行光合作用，維持自身生長(zhǎng)和代謝，光合速率最高；當(dāng)外界溫度較高、光照過(guò)強(qiáng)，會(huì)對(duì)植物光合作用造成影響，可能出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。這是植物在高溫高光強(qiáng)環(huán)境下形成的適應(yīng)對(duì)策，前人對(duì)山杏[12]、油茶[13]、楨楠[14]的光合特性研究中都出現(xiàn)了光合“午休”現(xiàn)象。根據(jù)Farquhar[15]的觀點(diǎn)，引起植物光合“午休”主要包括氣孔限制因素和非氣孔限制因素2種。本次研究中MM、FJ、JJ也出現(xiàn)了“午休”現(xiàn)象，其中7月的現(xiàn)象最為明顯。凈光合速率在中午降低的同時(shí)氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度都出現(xiàn)小幅度下降，這種生理指標(biāo)變化趨勢(shì)偏向于MM、FJ、JJ的光合“午休”主要是由氣孔限制因素影響，即葉片通過(guò)減小氣孔開度或者關(guān)閉部分氣孔阻礙水分蒸發(fā)，同時(shí)空氣進(jìn)入葉片的通道減少，造成胞間CO2濃度下降，凈光合速率下降。這與李東林[16]研究結(jié)論相一致。習(xí)松峰[17]等人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，植物“午休”的原因會(huì)在樹體不同生長(zhǎng)時(shí)期發(fā)生改變，而引起“光合午休”的發(fā)生主要還是植物不同生長(zhǎng)時(shí)期受到高光強(qiáng)、高溫或干旱脅迫等不利條件導(dǎo)致的[18]。因此對(duì)于本研究5種F1代中MM、FJ、JJ最有可能出現(xiàn)“光合午休”的現(xiàn)象，可以通過(guò)午間給植物噴水，降低葉片溫度，改善局部小環(huán)境的方法降低發(fā)生“光合午休”的可能性。生態(tài)環(huán)境為葉片光合作用提供能量和物質(zhì)，不僅直接影響有機(jī)物的合成，還可以影響自身的光合特性，是一種綜合性的影響[19]。

Vogelmann[20]等人研究發(fā)現(xiàn)葉片表皮層單個(gè)細(xì)胞常呈平凸?fàn)钇鸬骄酃庾饔茫?jīng)聚集進(jìn)入光合細(xì)胞的光線，可以使到達(dá)葉綠體的PPFD提高到周邊光量的數(shù)倍之多。本文中，觀賞桃葉片的上表皮層細(xì)胞具有形狀不規(guī)則、向里或向外突出的特征，以便達(dá)到聚光的目的。緊挨著上表皮的是柵欄組織，柵欄層細(xì)胞就像導(dǎo)光管，而且葉片的葉綠素主要集中在這部分，因此柵欄細(xì)胞能夠充分利用光能驅(qū)動(dòng)光合作用，合成有機(jī)物。測(cè)量結(jié)果顯示JJ的柵欄組織厚度最高為75.38 μm，可能含有較高的葉綠素含量，這也解釋了JJ的Pn日均值高于其他子代的原因。柵欄組織在葉片的構(gòu)成中占有極大的比重，相關(guān)性分析表示TP與Pn存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而葉片厚度TL與Pn相關(guān)性不顯著，因此TP比TL較準(zhǔn)確的反應(yīng)不同F(xiàn)1代的光合能力的差異。李雁鳴[21]研究燕麥不同葉位葉片的解剖結(jié)構(gòu)和光合性能，也得出與本文一致的相關(guān)關(guān)系。葉片柵欄組織、海綿組織厚度在整個(gè)葉片厚度中分別占有很大比重，因此相關(guān)性分析表明三者之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

綜上，5種F1代之間，葉片光合作用不同程度的都受到環(huán)境和葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響。光合特性在植物選育過(guò)程中是重要的生理指標(biāo)，光合能力是植物生長(zhǎng)和物質(zhì)積累的基礎(chǔ)。本研究每個(gè)指標(biāo)結(jié)果只顯示出相似的規(guī)律，因此嘗試運(yùn)用隸屬函數(shù)法綜合比較5種F1代的光合性能強(qiáng)弱，結(jié)論較科學(xué)合理。光合性能順序?yàn)椤{桃’自花（JJ）＞‘粉花山碧’ב絳桃’(FJ)＞‘白花山碧’ב滿天紅’(BM)＞‘元春’ב滿天紅’(YM)＞‘滿天紅’自花(MM)。

但值得注意的是，本研究只選擇了成熟葉片進(jìn)行研究，還并不清楚生理指標(biāo)是如何隨著葉片結(jié)構(gòu)的發(fā)育而變化的，以及在不同的發(fā)育階段，樹種在生理和葉片結(jié)構(gòu)上的差異是否會(huì)更小或更大。目前仍有許多關(guān)于葉片結(jié)構(gòu)對(duì)光合的影響機(jī)理需要研究，才能使葉片組織結(jié)構(gòu)能更好地解釋光合速率、呼吸速率和蒸騰速率等生理指標(biāo)的變化。