3個薄殼山核桃品種葉片結(jié)構(gòu)特征和枝條導(dǎo)水功能比較

王兆成， 王 磊， 周夢鈺， 何的明， 畢慧慧， 葛 翔， 沈軍城， 傅松玲，①

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院， 安徽 合肥 230036； 2. 安徽萬利生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司， 安徽 合肥 231200；3. 阜陽市新豐種業(yè)有限公司， 安徽 阜陽 236000； 4. 安徽省順源農(nóng)業(yè)有限公司， 安徽 合肥 231100)

植物生長過程中水分的消耗量巨大，其中，蒸騰作用散失的水分是光合作用水分用量的數(shù)百倍，因此，植物的水分利用效率(WUE)非常低[1-2]。前人的研究發(fā)現(xiàn)，高約21 m喬木的最大蒸騰散失水量可達(dá)200 L·d-1[3]。氣候模型預(yù)測21世紀(jì)內(nèi)全球氣溫將升高1.0 ℃～4.0 ℃，亞熱帶地區(qū)將更加頻繁地發(fā)生由極端天氣引發(fā)的干旱[4]。20世紀(jì)80年代以來，受人為活動影響，中國氣溫波動上升，且增溫量和增溫態(tài)勢均較世界平均水平更嚴(yán)峻[5]。植物的組織結(jié)構(gòu)特征在干旱少水環(huán)境中會發(fā)生適應(yīng)性改變[6]5，可作為植物抗旱性的評價標(biāo)準(zhǔn)[7]。其中葉片的形態(tài)和結(jié)構(gòu)可能影響植物的蒸騰作用和抗旱性[8]，氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用強度受氣孔的規(guī)格和密度影響[9-10]。葉片脈絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅提供機械支撐、保障植物葉片的正常生理機能，而且負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運水分至葉片各細(xì)胞中，氣孔特性和葉脈密度能體現(xiàn)植物在長期缺水環(huán)境中的抗旱性[11-12]。導(dǎo)管是樹木養(yǎng)分輸送的主要渠道，導(dǎo)管越粗，導(dǎo)水能力越強[13-14]，但導(dǎo)管內(nèi)徑增加，導(dǎo)管間氣體透過紋孔滲入管腔而發(fā)生栓塞的概率越大，易導(dǎo)致植株缺水，甚至死亡[15-18]。

薄殼山核桃〔Caryaillinoinensis(Wangenh.) K. Koch〕具有深根性的特點，對水分的需求量大。目前，國內(nèi)對薄殼山核桃的研究主要集中在開花物候期[19-20]、果實發(fā)育[21]、果實品質(zhì)[22]、枝條生長及枝條和葉片碳氮代謝物積累[23]、光合特性[24]、種仁中酚類成分含量和抗氧化能力差異以及優(yōu)株篩選[25]等方面，而對薄殼山核桃的抗旱性研究較少，僅有少量研究干旱脅迫下不同品種薄殼山核桃幼苗的生長及生理指標(biāo)[26-28]。薄殼山核桃進(jìn)入始果期后，若生長旺盛時期和果實灌漿期(8月至9月)水分匱乏將直接限制薄殼山核桃營養(yǎng)生長和果實膨大，導(dǎo)致果實充盈度不足，進(jìn)而增加了空殼率和壞果率，果實的質(zhì)量和產(chǎn)量嚴(yán)重受損[29]。目前，有關(guān)薄殼山核桃對干旱脅迫響應(yīng)的研究較少且試材多為幼苗[30]，不足以反映豐產(chǎn)林分對干旱脅迫的響應(yīng)，指導(dǎo)意義有限。此外，年降水量1 000～1 600 mm對薄殼山核桃生長較為理想[31]，安徽省薄殼山核桃主栽地區(qū)(江淮丘陵及皖北平原地區(qū))年降水量950～1 188 mm，相比較低，夏季伏旱阻礙薄殼山核桃豐產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)。

目前，薄殼山核桃品種‘波尼’(‘Pawnee’)、‘馬罕’(‘Mahan’)和‘威斯頓’(‘Western’)在安徽地區(qū)的引種栽植面積較大、規(guī)模栽培時間較長，其中，‘波尼’和‘威斯頓’原產(chǎn)于美國得克薩斯州(年降水量約700 mm)，‘馬罕’原產(chǎn)于美國密西西比州(年降水量約1 600 mm)。本研究對進(jìn)入始果期后這3個薄殼山核桃品種的葉片結(jié)構(gòu)特征和枝條導(dǎo)水功能進(jìn)行比較和研究，以自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率為主要依據(jù)對3個薄殼山核桃品種進(jìn)行抗旱性評價，旨在對薄殼山核桃抗旱性品種進(jìn)行早期診斷，為薄殼山核桃耐旱品種篩選和精準(zhǔn)推廣提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地分別位于安徽省合肥市肥西縣、合肥市長豐縣以及阜陽市潁泉區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。3個樣地的基本情況和土壤(0～20 cm)理化性質(zhì)見表1。

表1 薄殼山核桃3個樣地的基本情況和土壤理化性質(zhì)

1.2 材料

于2019年9月(安徽省特大旱情期間且薄殼山核桃處于果實灌漿期)，分別在3個樣地選擇8年生(砧木2年生，嫁接后生長6年)、長勢健康的薄殼山核桃品種‘波尼’、‘馬罕’和‘威斯頓’母株各3株，每株選取南向、長勢基本一致、粗度約6 mm的當(dāng)年生枝條2根，剪取長度約30 cm的枝條，立即插入盛有純水的塑料桶，并用修枝剪在桶內(nèi)水面以下剪去末端2 cm左右的枝條，消除原有栓塞，最后用純黑塑料袋將整個枝條套住后帶回實驗室。

1.3 方法

1.3.1 葉片氣孔特征和葉脈密度觀測 參照王磊[32]18的方法，每根枝條選取1對復(fù)葉中部的成熟葉片(小葉)2枚，在葉片背部涂抹指甲油，待指甲油風(fēng)干后撕下，在Olympus BX53光學(xué)顯微鏡(日本Olympus公司)下觀察并用Image J軟件測量氣孔長度和氣孔密度，結(jié)果為2個視野的平均值。然后將葉片置于質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)5%NaOH溶液中浸泡至葉肉消失、葉片透明，在每枚葉片的兩端及中間部位(避開主脈)選擇3個視野在Olympus BX53光學(xué)顯微鏡下拍照，使用Image J軟件測量視野內(nèi)葉脈總長度和葉片面積，計算葉脈密度。

1.3.2 葉片橫切面解剖結(jié)構(gòu)觀測 參照王磊[32]18的方法，每根枝條選取1對復(fù)葉中部的成熟葉片2枚，將葉片剪切并固定、脫水、包埋、染色，使用Leica SM2000R滑走切片機(德國Leica公司)過主脈切厚7 μm的葉片橫切片，然后在Olympus BX53光學(xué)顯微鏡下觀察和拍照，每個切片對稱選取6個視野觀測，并用Image J軟件測量葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度，然后計算柵欄組織/海綿組織比(柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值)、葉片組織結(jié)構(gòu)緊實度(柵欄組織厚度與葉片厚度的比值)、葉片組織結(jié)構(gòu)松弛度(海綿組織厚度與葉片厚度的比值)。

1.3.3 葉片比葉質(zhì)量測量 每根枝條選取1對復(fù)葉中部的成熟葉片2枚，使用LI-COR 3100C葉面積儀(美國LI-COR公司)測量葉片表面積，然后將該葉片置于60 ℃烘箱烘干72 h后稱量葉片干質(zhì)量，計算比葉質(zhì)量(葉片表面積與葉片干質(zhì)量的比值)。

1.3.4 枝條橫切面導(dǎo)管特征觀測 將枝條剪成長約2 cm的小段，使用Leica SM2000R滑走切片機切厚25 μm的枝條橫切片，使用番紅-固綠法染色后在Olympus BX53光學(xué)顯微鏡20倍鏡下拍照，用Image J軟件測量導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管密度，在40倍鏡下拍照后用Image J軟件測量導(dǎo)管壁厚(VWT)和導(dǎo)管內(nèi)徑跨度(IDSV)，導(dǎo)管壁加固度(VWR)根據(jù)公式“VWR=(VWT/IDSV)2”計算。每張照片選取5個視野觀測。

1.3.5 自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率和木材密度計算方法

參照王磊[32]16的方法，取下薄殼山核桃枝條后，依次測定同一枝條的瞬時導(dǎo)水率、最大導(dǎo)水率和邊材平均面積，然后計算自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率和邊材比導(dǎo)率。隨后將該枝條剪成長2～4 cm的小段，參照王磊[32]16和白重炎等[33]的方法，測量莖段的干質(zhì)量(m)和鮮體積(V)，木材密度(ρ)根據(jù)公式“ρ=m/V”計算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

參照王磊[32]17的方法，計算薄殼山核桃不同品種某一抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值(Xi)。使用EXCEL 2010和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和多重比較(LSD法，P<0.05)，采用SigmaPlot 13.0軟件繪圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 3個薄殼山核桃品種葉片結(jié)構(gòu)特征的比較

3個薄殼山核桃品種葉片氣孔特征和葉脈密度見圖1，葉片解剖結(jié)構(gòu)和比葉質(zhì)量見圖2。

SL： 氣孔長度Stomatal length； SD： 氣孔密度Stomatal density； VD： 葉脈密度Vein density. P： ‘波尼’‘Pawnee’； M： ‘馬罕’‘Mahan’； W： ‘威斯頓’‘Western’. 同一指標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercases of the same index indicate the significant (P<0.05) difference.

LT： 葉片厚度Leaf thickness； UET： 上表皮厚度Upper epidermis thickness； LET： 下表皮厚度Lower epidermis thickness； PTT： 柵欄組織厚度Palisade tissue thickness； STT： 海綿組織厚度Spongy tissue thickness； PTT/STT： 柵欄組織/海綿組織比Ratio of palisade tissue to spongy tissue； TD： 葉片組織結(jié)構(gòu)緊實度Tightness degree of leaf tissue structure； LD： 葉片組織結(jié)構(gòu)松弛度Loose degree of leaf tissue structure； SLM： 比葉質(zhì)量Specific leaf mass. P： ‘波尼’‘Pawnee’； M： ‘馬罕’‘Mahan’； W： ‘威斯頓’‘Western’. 同一指標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercases of the same index indicate the significant (P<0.05) difference.

2.1.1 氣孔特征和葉脈密度的比較 結(jié)果(圖1)顯示：‘馬罕’的氣孔長度為15.8 μm，分別較‘波尼’(15.0 μm)和‘威斯頓’(15.2 μm)高5.3%和3.9%，差異顯著(P<0.05)?！帷臍饪酌芏葹?12.2 mm-2，分別較‘馬罕’(648.2 mm-2)和‘威斯頓’(662.2 mm-2)高9.9%和7.6%，差異顯著?！R罕’的葉脈密度為9.0 mm-2，分別較‘波尼’(9.7 mm-2)和‘威斯頓’(9.9 mm-2)低7.2%和9.1%，差異顯著。

2.1.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)和比葉質(zhì)量的比較 結(jié)果(圖2)顯示：‘波尼’的葉片最厚(175.4 μm)，較‘馬罕’(168.4 μm)厚4.2%，差異顯著。‘威斯頓’的上表皮(9.3 μm)較‘馬罕’(8.7 μm)厚6.9%，差異顯著?！诡D’的下表皮(8.8 μm)分別較‘波尼’(8.1 μm)和‘馬罕’(7.6 μm)厚8.6%和15.8%，差異顯著。‘波尼’的柵欄組織厚度為77.6 μm，顯著厚于‘馬罕’(68.1 μm)和‘威斯頓’(74.0 μm)。‘波尼’、‘馬罕’和‘威斯頓’的海綿組織厚度無顯著差異?！R罕’的柵欄組織/海綿組織比(0.85)顯著低于‘波尼’(0.97)和‘威斯頓’(0.93)?！帷汀诡D’的葉片組織結(jié)構(gòu)緊實度分別為0.44和0.43，顯著高于‘馬罕’(0.41)；而‘馬罕’的葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度為0.50，顯著高于‘波尼’(0.46)和‘威斯頓’(0.47)?！帷汀诡D’的比葉質(zhì)量均為8.9 mg·cm-2，顯著高于‘馬罕’(7.7 mg·cm-2)。

2.2 3個薄殼山核桃品種枝條導(dǎo)管特征的比較

3個薄殼山核桃品種枝條導(dǎo)管特征見圖3。結(jié)果顯示：‘馬罕’枝條的導(dǎo)管直徑(45.1 μm)較‘波尼’(42.2 μm)大6.9%，差異顯著(P<0.05)?！帷汀诡D’枝條的導(dǎo)管密度均為26.3 mm-2，較‘馬罕’(20.0 mm-2)高31.5%，差異顯著?！诡D’枝條的導(dǎo)管壁厚為13.2 μm，顯著高于‘波尼’(11.9 μm)?！R罕’枝條的導(dǎo)管內(nèi)徑跨度為56.5 μm，顯著高于‘威斯頓’(49.9 μm)和‘波尼’(44.5 μm)；‘波尼’和‘威斯頓’枝條的導(dǎo)管壁加固度分別為0.074和0.072，顯著高于‘馬罕’(0.055)。

VDi： 導(dǎo)管直徑Vessel diameter； VDe： 導(dǎo)管密度Vessel density； VWT： 導(dǎo)管壁厚Vessel wall thickness； IDSV： 導(dǎo)管內(nèi)徑跨度Inside diameter span of vessel； VWR： 導(dǎo)管壁加固度Vessel wall reinforcement. P： ‘波尼’‘Pawnee’； M： ‘馬罕’‘Mahan’； W： ‘威斯頓’‘Western’. 同一指標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercases of the same index indicate the significant (P<0.05) difference.

2.3 薄殼山核桃枝條木材性狀和水力性狀的比較

3個薄殼山核桃品種枝條的木材性狀和水力性狀見圖4。結(jié)果顯示：‘波尼’枝條的木材密度(0.49 g·cm-3)高于‘馬罕’(0.45 g·cm-3)和‘威斯頓’(0.45 g·cm-3)，差異顯著(P<0.05)?！帷?、‘馬罕’和‘威斯頓’枝條的邊材比導(dǎo)率無顯著差異?！帷汀诡D’枝條的自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率分別為23.3%和22.2%，顯著低于‘馬罕’(32.9%)。

WD： 木材密度Wood density； SSC： 邊材比導(dǎo)率Sapwood specific conductivity； NPLHC： 自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率Natural percentage loss of hydraulic conductivity. P： ‘波尼’‘Pawnee’； M： ‘馬罕’‘Mahan’； W： ‘威斯頓’‘Western’. 同一指標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercases of the same index indicate the significant (P<0.05) difference.

2.4 3個薄殼山核桃品種的隸屬函數(shù)值

3個薄殼山核桃品種的隸屬函數(shù)值見表2。結(jié)果顯示：‘波尼’和‘威斯頓’各指標(biāo)隸屬函數(shù)值的均值分別為0.55和0.52，遠(yuǎn)大于‘馬罕’(0.44)，說明‘波尼’和‘威斯頓’的抗旱性較強。

表2 3個薄殼山核桃品種的隸屬函數(shù)值1)

3 討論和結(jié)論

葉片是光合作用和呼吸作用的主要場所，也是樹木表面積最大的器官，對立地條件變化非常敏感[34-35]，環(huán)境變化和品種差異在葉片形態(tài)和結(jié)構(gòu)上均有直觀反映，例如：小而密的氣孔特征更能適應(yīng)干旱環(huán)境[36]。王樹森等[37]認(rèn)為小而密的氣孔特征和更發(fā)達(dá)的葉脈有利于灌木在干旱環(huán)境中生存。本研究中，薄殼山核桃品種‘波尼’和‘威斯頓’擁有小而密的氣孔特征和更發(fā)達(dá)的葉脈，使二者在最大程度保證自身光合作用的前提下能夠維持蒸騰作用，當(dāng)遇到干旱脅迫時，可有效降低葉片水勢，達(dá)到保護(hù)植株的目的。植物葉片對植物體水分供給高度敏感，在長期的進(jìn)化過程中形成許多特殊結(jié)構(gòu)，并能夠通過改變這些結(jié)構(gòu)的形態(tài)和數(shù)量應(yīng)對環(huán)境水分變化，植物葉片解剖結(jié)構(gòu)可作為評價植物抗旱性的重要依據(jù)[34-37]。葉片厚度為體現(xiàn)植物對外界環(huán)境適應(yīng)性的重要表型性狀，常用于衡量植物的抗旱性，葉片厚度與葉片貯藏水分的能力呈正相關(guān)，通常葉片越厚，抗旱能力越強[38]。除直接測量外，比葉質(zhì)量能夠反映葉片厚度差異。柵欄組織和海綿組織與植物抗旱性密切相關(guān)，植物抗旱性隨柵欄組織厚度的增加而增強，隨海綿組織厚度增加而減弱[39]。白重炎等[40]對12個核桃(JuglansregiaLinn.)品種的研究發(fā)現(xiàn)，柵欄組織厚度與植物抗旱性正相關(guān)。本研究中，原產(chǎn)于較干旱生境的‘波尼’和‘威斯頓’的柵欄組織厚度顯著高于‘馬罕’，海綿組織厚度低于‘馬罕’，推測‘波尼’和‘威斯頓’葉肉細(xì)胞排列緊致，滲透調(diào)節(jié)能力和水分利用能力更強，更適應(yīng)較干旱環(huán)境。

木質(zhì)部導(dǎo)管和管胞是高大喬木將水分和營養(yǎng)物質(zhì)從根系運輸?shù)竭h(yuǎn)端葉片的主要通道[41]，木質(zhì)部導(dǎo)水效率與管腔直徑的四次方成正比，說明導(dǎo)水效率隨導(dǎo)管管腔寬度的增加而提高[42]。栓塞是導(dǎo)管中阻礙水分和養(yǎng)分運輸?shù)闹饕系K，嚴(yán)重時可導(dǎo)致植株在干旱失水后死亡，栓塞更容易出現(xiàn)在管腔較寬的導(dǎo)管中[6]26。自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率表明植株在干旱環(huán)境中水分運輸功能的喪失情況，反映薄殼山核桃在自然失水狀態(tài)下的栓塞發(fā)生情況，可用于比較不同薄殼山核桃品種抗旱性的差異。本研究中，‘波尼’和‘威斯頓’的導(dǎo)管直徑明顯小于‘馬罕’，自然狀態(tài)下導(dǎo)水損失率也顯著低于‘馬罕’，與Knipfer等[43]在對原產(chǎn)于干旱和富水生境下核桃幼苗的研究結(jié)果類似，導(dǎo)管直徑的增加在加快植物輸水效率的同時也使植物發(fā)生栓塞的概率大大增加，影響植物的抗旱性。

導(dǎo)管間壁的水分通道通過紋孔相互連接，木質(zhì)部栓塞的產(chǎn)生受紋孔間連接程度和端壁紋孔面積的直接影響，因此紋孔結(jié)構(gòu)在植物抗旱生理研究中尤為重要[43-44]。本研究中，‘波尼’和‘威斯頓’的導(dǎo)管密度較‘馬罕’更大，使得‘波尼’和‘威斯頓’在保證導(dǎo)水安全性的情況下兼顧了導(dǎo)水效率。Hacke等[45]研究認(rèn)為，導(dǎo)管壁加固度與導(dǎo)管發(fā)生內(nèi)爆形成栓塞的風(fēng)險緊密相關(guān)。本研究中，與‘馬罕’相比較，‘波尼’和‘威斯頓’導(dǎo)管內(nèi)徑跨度較小，導(dǎo)管壁加固度較大，降低了植物導(dǎo)管中栓塞的發(fā)生概率，從而增強‘波尼’和‘威斯頓’導(dǎo)管的安全系數(shù)，提高抗旱能力。

綜上所述，3個薄殼山核桃抗旱性由強到弱依次為‘波尼’、‘威斯頓’、‘馬罕’，在相同的栽培條件下，原產(chǎn)于富水生境下的‘馬罕’導(dǎo)水損失率顯著高于原產(chǎn)于干旱生境下的‘波尼’和‘威斯頓’。3個薄殼山核桃品種的葉片解剖性狀和枝條導(dǎo)水能力均有所不同，這可能是品種長期進(jìn)化的結(jié)果。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)針對立體條件，尤其是降水量和灌溉能力，遵循薄殼山核桃各品種的特性，選擇適宜品種，制定合理的供水措施，避免因水分欠缺導(dǎo)致產(chǎn)量及品質(zhì)下降。