四倍體白榆葉片形態(tài)特征和光合特性研究

張秀珍 宋文龍 梁海永* 王志彬

（1.河北省大海陀國家級自然保護(hù)區(qū)管理處，河北 張家口 075500；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北省種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000；3.張家口市金沙灘林場，河北 懷安 076150）

白榆(Ulmus pumila)是我國分布最廣、最重要的榆屬樹種，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值，在生態(tài)防護(hù)、園林綠化和用材等方面逐漸得到重視并被廣泛應(yīng)用。然而，由于人們對白榆優(yōu)良性狀認(rèn)識不足，近年來白榆在科研和生產(chǎn)等方面都未受到應(yīng)有的重視。

林木多倍體在材積、抗性和品質(zhì)改良等方面具有顯著成效，同時(shí)多倍體育種是對種質(zhì)資源的創(chuàng)新與擴(kuò)大，而種質(zhì)資源是進(jìn)行品種選育的基礎(chǔ)，因此，大量地進(jìn)行林木多倍體誘導(dǎo)既可選育出優(yōu)良新品種，又可以豐富林木種質(zhì)資源。研究發(fā)現(xiàn)植物染色體組加倍后，植物的形態(tài)和生理也會發(fā)生某些變化[3]。葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔玫奶结?通過對熒光參數(shù)的分析,可以得到有關(guān)光能利用途徑的信息[4]。葉綠素作為葉綠體的重要組成部分，對光的吸收能力極強(qiáng)，決定著葉片功能持續(xù)期的長短。一定范圍內(nèi)葉綠素含量的多少會直接影響葉片的光合能力，基于葉綠素含量與光合能力的關(guān)系研發(fā)的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，作為一種新方法廣泛應(yīng)用于植物光合生理特性的研究中[5-7]，但四倍體白榆的研究一直未見報(bào)導(dǎo)。四倍體白榆是河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院通過秋水仙素加倍培育的同源四倍體材料，研究白榆染色體加倍后帶來形態(tài)及光合生理的變化為白榆多倍體育種提供參考資料，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用白榆四倍體葉片和二倍體親本葉片均采自河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院實(shí)習(xí)基地，每個(gè)品種分別采取長枝中上部發(fā)育良好、無病蟲害的葉片20片。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光合色素含量的測定

用dd H2O清洗除去雜物,室溫晾干,避開主脈部分，剪取3個(gè)榆樹二倍體和同源四倍體葉片中的綠色區(qū)域,測定方法參考許元明等[8]采用的分光光度法。

1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

測定時(shí)間在2019年6月，于上午9:00～11:00在室內(nèi)采用MINI-PAM-Ⅱ(WALZ,德國)超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x不離體測定3個(gè)榆樹二倍體和同源四倍體的葉綠素?zé)晒鈪?shù)PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率Y(Ⅱ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)，其中Y(Ⅱ)、qp、NPQ值直接在室溫下進(jìn)行測定,Fv/Fm值在葉片經(jīng)過至少20 min黑暗處理后于室溫下測定。各項(xiàng)測定均重復(fù)3次,操作方法參照儀器使用說明書。

1.2.3 光合參數(shù)的測定

于上午9～11點(diǎn)，在供試榆樹單株胸徑位置選擇葉片無明顯病蟲害和機(jī)械損傷的枝條用于測定光合速率。測定采用LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400XT型光合測定儀，將待測枝置入測定儀針葉葉室內(nèi)，經(jīng)過2000 lx飽和光適應(yīng)20 min后，開始讀取測定值，測定時(shí)間5 min，每隔10 s讀取1次，環(huán)境CO2濃度為(380±20)μL/L，取凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)為分析指標(biāo)。測定結(jié)束后將測定枝剪下，采用CI-202便攜式激光葉面積儀測定葉面積。每株單株測定3個(gè)枝條作為重復(fù)。

1.2.4 形態(tài)指標(biāo)測定

試驗(yàn)結(jié)果表明：制種玉米采用膜下滴灌節(jié)水效果明顯，單方水產(chǎn)值和單方水效益明顯高于常規(guī)漫灌處理，高于張掖市各種作物灌溉水的平均產(chǎn)出效益[3]；制種玉米膜下滴灌節(jié)本增收效果顯著，較常規(guī)大水漫灌效益增加1 818～2 254.5元/hm2。膜下滴灌省工省時(shí)，便于規(guī)?；芾怼⒐?jié)本增收等優(yōu)勢明顯，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代設(shè)施裝備農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的重要途徑，發(fā)展前景市場廣闊[4]。但是，膜下滴灌節(jié)水技術(shù)其前期資金投入較大，整個(gè)滴灌系統(tǒng)對管理與操作人員的素質(zhì)要求較高，建議在農(nóng)場、土地流轉(zhuǎn)大戶等農(nóng)田集約化程度較高的地塊應(yīng)用，同時(shí)新開墾的、地力水平較為貧瘠，沙化嚴(yán)重的地塊也可推廣應(yīng)用。

白榆二倍體及其同源四倍體無性系，采集10個(gè)葉片作為重復(fù)，放在掃描儀上進(jìn)行圖像掃描，將掃描好的葉片圖像用Lamina 1.0.2軟件進(jìn)行葉形分析，得到葉長、葉寬、葉面積、葉片周長、葉片圓度、葉片指數(shù)、葉鋸齒數(shù)量及鋸齒大小等能夠表現(xiàn)葉片形態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 三個(gè)同源四倍體榆樹形態(tài)指標(biāo)的分析

植物多倍化后，由DNA劑量效應(yīng)和互作效應(yīng)，使其原二倍體有關(guān)多聚糖、氨基酸及蛋白質(zhì)合成與代謝的功能改變，從而使葉片表型發(fā)生了變化。由表1可知，四倍體S4與Y4植株在葉面積、葉長、葉寬、葉形指數(shù)、周長、圓度及鋸齒數(shù)量均與原二倍體對照均出現(xiàn)了差異，N4變化不顯著。四倍體Y4的葉面積、葉寬、葉形指數(shù)、鋸齒數(shù)量分別比二倍體Y2增加了58.40%、82.11%、119.88%、56.96%，但葉長減少20.00%，兩者之間的差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；四倍體S4的葉面積、葉長、葉寬、周長及鋸齒數(shù)量分別比二倍體S2顯著增加了76.21%、30.57%、30.79%、26.27%、22.20%，但葉形指數(shù)及圓度未出現(xiàn)明顯變化(P<0.05)；四倍體N4葉片的各形態(tài)指標(biāo)均未出現(xiàn)顯著水平變化(P<0.05)。2個(gè)榆樹四倍體在葉長、葉寬、葉面積及周長等形態(tài)學(xué)特征方面表現(xiàn)出了巨大性。

表1 3個(gè)同源四倍體榆樹及原二倍體的葉片形態(tài)指標(biāo)

2.2 光合色素含量比較

大多數(shù)高等植物葉片的色素主要由葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素(Caro)(主要為葉黃素和類胡蘿卜素)三大類組成。多數(shù)研究表明，光合色素對植物光合作用的正常進(jìn)行起著決定作用，其含量的高低反映植物光合能力的強(qiáng)弱。植物多倍化后，由DNA劑量效應(yīng)和互作效應(yīng)，使其原二倍體有關(guān)光合色素合成與代謝功能改變，進(jìn)而使植物體內(nèi)的光合色素含量發(fā)生了變化，最后影響光合速率。

3個(gè)榆樹無性系同源四倍體與原二倍體葉片的3種色素含量出現(xiàn)差異（圖1），除類胡蘿卜素(Caro)呈現(xiàn)降低外，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和總?cè)~綠素(Chla+b)均呈升高現(xiàn)象。在葉綠素a含量方面，S與N系列差異不明顯，Y4的含量為10.29 mg/g相比于比原二倍體Y2葉片3.24 mg/g升高217.59%；對葉綠素b含量，Y與S系列基本無差異，但N4比N2升高了61.27%；在類胡蘿卜素含量方面，除Y系列無差異外，S與N系列均呈現(xiàn)出顯著降低；總?cè)~綠素含量方面，N4與Y4均呈顯著升高。

圖1 三個(gè)同源四倍體榆樹及原二倍體的光合色素含量

高等植物葉片中3類光合色素的含量和成分影響植物葉片總體呈色，葉綠素a與葉綠素b的含量比值顯著提高，通常易發(fā)生葉綠素b缺乏癥。類胡蘿卜素與總?cè)~綠素的比值高于60%以上時(shí)，葉片呈綠色，而比值低于60%時(shí)，葉片色彩呈現(xiàn)黃色。

在不同倍性條件下（表2），Y系列的葉綠素a與葉綠素b比值、類胡蘿卜素與總?cè)~綠素含量的比值均有顯著變化，Y4葉綠素a與葉綠素b含量(Chla/chlb)的比值為2.60，是二倍體葉片比值的1.9倍，同時(shí)類胡蘿卜素與總?cè)~綠素含量(caro/Chl)的比值為0.15，僅為二倍體的一半。

表2 三個(gè)同源四倍體榆樹及原二倍體的光合色素比值

2.3 光合效應(yīng)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

2.3.1 同源四倍體葉片及原二倍體葉片的光合效應(yīng)比較

高等植物的光合作用是重要代謝過程之一，其強(qiáng)弱對于植物的生長、發(fā)育和抗逆性均有重要影響。由表3可知，N4相比于N2在凈光合作用速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均出現(xiàn)了明顯升高，分別升高了34.25%、55.02%和51.08%；S4僅在胞間CO2濃度方面與S2出現(xiàn)了不同，顯著降低了8.14%；與Y2相比，Y4的氣孔導(dǎo)度顯著升高了32.08%，而蒸騰速率與胞間CO2濃度卻顯著下降了11.64%和11.37%。

表3 3個(gè)同源四倍體榆樹及原二倍體的葉片光合參數(shù)

2.3.2 同源四倍體葉片及原二倍體葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

在光合作用中，植物的葉綠素?zé)晒鈪?shù)多指組織或葉片的葉綠體膜上的PSⅠ和PSⅡ兩套系統(tǒng)的光電子傳遞過程。由表4可知，N4與N2相比，在所有參數(shù)均未出現(xiàn)顯著差異，而S4僅在光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)方面有較小差異，Y4在所有參數(shù)方面均出現(xiàn)了顯著差異。

表4 3個(gè)同源四倍體榆樹及原二倍體葉綠素?zé)晒鈪?shù)

經(jīng)過暗處理后，Y4的最小熒光產(chǎn)量(Fo)比Y2高出21.00%；而Y4的最大熒光產(chǎn)量(Fm)比Y2降低了19.39%；Y4的PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)為Y2的62.09%；Y4的性能指數(shù)（PI）遠(yuǎn)低于Y2，降低了近一半，表明在四倍體葉片中，光能利用率低，光合性能差。Y4葉片F(xiàn)v/Fm為0.72，比Y2低了12.15%。

三個(gè)系列的同源四倍體葉片光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）均高于二倍體葉片，其中S與Y系列分別升高了16.71%、21.34%，但N4與N2相比差異不明顯，僅升高5.58%，說明同源四倍體葉片在正常光照下，利用光能效率高于原二倍體；對于非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）值來說，其越高表示葉片的熱耗散能力越強(qiáng)，即植物對于強(qiáng)光脅迫下光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)能力越強(qiáng)，反之越差，N系列無明顯升降，S與Y系列明顯下降。

3 討論與結(jié)論

與二倍體相比，酸棗[13]、青檀[14]四倍體植物在快速生長時(shí)期均呈現(xiàn)出節(jié)間、葉柄縮短，葉脈數(shù)量減少，枝條開張角度增大等特點(diǎn)，榆樹四倍體也出現(xiàn)了相似情況。3個(gè)榆樹無性系同源四倍體與原二倍體葉片的3種色素含量出現(xiàn)差異，除類胡蘿卜素呈現(xiàn)降低外，葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素均呈現(xiàn)出或多或少的升高現(xiàn)象。四倍體青檀的葉片色素研究中也出現(xiàn)顯著高于普通二倍體青檀和變異小葉青檀[14]。

高等植物的光合作用是重要代謝過程之一，其強(qiáng)弱對于植物的生長、發(fā)育和抗逆性均有重要影響。四倍體N4相比于N2在凈光合作用速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率均出現(xiàn)了明顯升高，這與草莓多倍體研究結(jié)果基本一致。葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定表明在四倍體葉片中，光能利用率低，光合性能差，同源四倍體葉片在正常光照下，利用光能效率高于原二倍體。

三個(gè)榆樹四倍體在葉長、葉寬、葉面積及周長等形態(tài)學(xué)特征方面表現(xiàn)出了巨大性。光合色素對植物光合作用的正常進(jìn)行起著決定作用，四倍體白榆的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素均呈現(xiàn)升高現(xiàn)象，四倍體榆樹無性系的葉片顏色更深。同源四倍體葉片在正常光照下，光能利用效率高于原二倍體；同源四倍體葉片的凈光合速率高于原二倍體。