幼苗期玉米叶片表皮细胞和气孔量化指标的研究

李富恒，朱会杰，Поляков А.В，徐清华，杨洪升，李楠丁，刘增兵

（1.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030；2.俄罗斯农业科学院蔬菜研究所，莫斯科州拉明斯克区 140153）

幼苗期玉米叶片表皮细胞和气孔量化指标的研究

李富恒1，朱会杰1，Поляков А.В2，徐清华1，杨洪升1，李楠丁1，刘增兵1

（1.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030；2.俄罗斯农业科学院蔬菜研究所，莫斯科州拉明斯克区 140153）

以九单48和松玉656两个玉米品种为材料，对幼苗期不同时期各叶片表皮细胞和气孔的量化指标进行较系统的研究。结果表明，在试验范围内，各叶片上下表皮细胞和气孔的长与宽均表现为随着叶片的生长而逐渐增大；各叶片在初次取样时其上下表皮细胞和气孔长与宽的数值是相近的；上表皮细胞短而宽，下表皮细胞长而窄；上表皮气孔长小于下表皮的气孔长、上表皮气孔宽大于下表皮的气孔宽；各叶片上下表皮细胞和气孔的面积均表现为随叶面积增加而逐渐增大；上表皮细胞面积小于下表皮细胞面积，而上表皮气孔面积大于下表皮气孔面积；上下表皮细胞和气孔的密度均随叶面积增加而逐渐减小。

玉米；叶片；表皮细胞；气孔；量化指标

玉米（Zea mays L.）为禾本科单子叶草本植物，是我国北方地区栽培面积最大的粮食作物。玉米具有很高的营养价值，除作为粮食作物食用外，还是配制畜牧业优质饲料的重要成分，也可作为工业原料进行深加工。有关干旱[1-2]、渍涝[3]、低温[4]、缺素[5]和水分胁迫[6]等因素对玉米植株生理生化指标与形态解剖结构影响方面的研究较多，而对于玉米叶片形态解剖学量化指标方面的研究却鲜有报道。

叶片是重要的光合器官。过去对植物叶片形态解剖结构的研究多是定性的[7]，而定量的研究较少，而且主要针对的是双子叶植物[8-9]，对单子叶植物叶片进行的研究较少[10]。定量研究中一般取样次数较少，多是某一时期的静态指标比较，对叶片表皮细胞和气孔量化指标动态变化的系统性研究更少[11-12]。本试验以九单48和松玉656两个玉米品种为材料，定期对各节位叶片取样，对其表皮细胞和气孔的量化指标进行测量与计算，以系统研究这些指标的动态变化规律，为揭示玉米叶片的发育机理、提高叶面积指数和产量提供理论依据。九单48属中熟品种，而松玉656是早熟品种，二者在成熟期、需要的活动积温、植株形态及产量等方面均存在明显差异，以这两个品种为试验材料，得出的玉米叶片表皮细胞和气孔量化指标的变化规律具有较强的代表性和说服力。

1 材料与方法

1.1 材料

九单48和松玉656两个玉米品种，种子由东北农业大学植物生理教研室提供。

1.2 方法

1.2.1 玉米幼苗培养方法

选取籽粒饱满、大小一致的种子，75%酒精消毒10 s后用蒸馏水冲洗干净，浸种15 h。在恒温培养箱中催芽，每天用水冲洗种子2～3次，直到种子发芽为止。

将发芽的种子播种在直径为20 cm的花盆中，放在白天/黑天为10 h/14 h、温度为25℃/20℃的光照培养箱中培养，适时浇水。

1.2.2 取样时期

在第1、2、3和4片叶分别完全展开2～3 d后依次对植株的第1，第1和2，第1、2和3，第1、2和3片叶取样，测量表皮细胞和气孔的相应指标。

1.2.3 装片制作

根据封涛等方法并稍作改良[13]，省去对样品用铬酸溶液离析12 h的步骤，制作的装片在光学显微镜下观测并进行显微摄影。

1.2.4 测量指标及计算公式

用直线式测微尺测量上下表皮细胞和气孔长与宽，用网格式测微尺测量10×10个网格内的细胞数与气孔数、测量单个气孔所占方格数。每个品种每次取3株玉米苗，每个装片在显微镜下随机取3个视野进行测量。用镜台测微尺对所得数据校正后计算单位面积（1 mm2）的表皮细胞数和气孔数。

计算公式如下：

1.2.5 数据处理

用Excel 2003和DPSv7.05软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 表皮细胞量化指标的变化规律

2.1.1 不同时期各叶片表皮细胞长和宽的动态变化

由图1～4可以看出，两个玉米品种各叶片上下表皮细胞长和宽的动态变化趋势一致，都表现为随着叶片的生长而逐渐增大；各叶片在初次取样时其上下表皮细胞长和宽的数值是相近的,如九单48第一片叶初次取样时上表皮细胞长为9.22×10-2mm、第二片叶为9.19×10-2mm、第三片叶为9.45×10-2mm，三者之间差异不显著；同一叶片在各次取样时均表现为上表皮的细胞长小于下表皮的细胞长、上表皮的细胞宽大于下表皮的细胞宽（如松玉656第一片叶在第一次取样时上、下表皮细胞长分别为11.24×10-2和13.20×10-2mm；上、下表皮细胞宽分别为3.06×10-2和2.72×10-2mm），说明上表皮的细胞短而宽，下表皮的细胞长而窄。

图1 九单48不同时期各叶片表皮细胞长的动态变化Fig.1 Dynamic changes of each leaf epidermal cell length of Jiudan48 in different periods

图2 松玉656不同时期各叶片表皮细胞长的动态变化Fig.2 Dynamic changes of each leaf epidermal cell length of Songyu656 in different periods

图3 九单48不同时期各叶片表皮细胞长的动态变化Fig.3 Dynamic changes of each leaf epidermal cell length of Jiudan48 in different periods

图4 松玉656不同时期各叶片表皮细胞宽的动态变化Fig.4 Dynamic changes of each leaf epidermal cell width of Songyu656 in different periods

2.1.2 不同时期各叶片表皮细胞面积的动态变化

从图5、6可知，两个玉米品种各叶片上下表皮细胞面积的动态变化趋势一致，都表现为随着叶面积的增加而逐渐增大；上表皮的细胞面积小于下表皮的细胞面积，两品种之间表皮细胞面积数值存在一定差异。

2.1.3 不同时期各叶片表皮细胞密度的动态变化

由表1可见，两个品种叶片上下表皮细胞密度均随着叶面积的增加而逐渐减小；上表皮细胞密度大于下表皮细胞密度，两品种之间的表皮细胞密度存在一定差异。差异显著性测验结果表明，各叶片不同取样时期上表皮和下表皮细胞密度间的差异显著性没有一定规律可循，有的叶片几次取样间的数值均表现为极显著差异（如第一片叶上表皮四次取样间的表皮细胞密度值）；有的叶片几次取样间的数值多数表现为差异不显著（如第一片叶下表皮四次取样间的表皮细胞密度值）。

图5 九单48不同时期各叶片表皮细胞面积的动态变化Fig.5 Dynamic changes of each leaf epidermal cell area of Jiudan48 in different periods

2.2 气孔量化指标的变化规律

2.2.1 不同时期各叶片气孔长和宽的动态变化

由图7、8可知，两个玉米品种各叶片上下表皮气孔长和宽的动态变化趋势一致，都表现为随着叶片的生长而逐渐增大；各叶片在初次取样时其上下表皮气孔长和宽的数值是相近的，如九单48第一片叶在初次取样时上表皮气孔宽为2.69×10-2mm，第二片叶为2.48×10-2mm，第三片叶为2.54×10-2mm，三者之间无显著差异；同一叶片在各次取样时均表现为上表皮的气孔长小于下表皮的气孔长、上表皮的气孔宽大于下表皮的气孔宽；气孔宽与表皮细胞宽的大小基本一致，如松玉656第一片叶初次取样时下表皮细胞宽为2.72×10-2mm（见图4），而下表皮气孔宽为2.60×10-2mm（见图8）。

图6 松玉656不同时期各叶片表皮细胞面积的动态变化Fig.6 Dynamic changes of each leaf epidermal cell area of Songyu656 in different periods

表1 不同时期各叶片表皮细胞密度的动态变化Table 1 Dynamic changes of each leaf epidermal cell density at different periods

图7 九单48和松玉656不同时期各叶片气孔长的动态变化Fig.7 Dynamic changes of each leaf stomata length of Jiudan48 and Songyu656 in different periods

图8 九单48和松玉656不同时期各叶片气孔宽的动态变化Fig.8 Dynamic changes of each leaf stomata width of Jiudan48 and Songyu656 in different periods

2.2.2 不同时期各叶片气孔面积的动态变化

由图9可知，两个玉米品种各叶片上下表皮气孔面积的动态变化趋势一致，都表现为随着叶面积的增加而逐渐增大，如松玉656第一片叶上表皮气孔面积在第1次取样时为8.99×10-4mm2，第2次取样时为9.86×10-4mm2，第3次取样时为10.54× 10-4mm2，第4次取样时为10.83×10-4mm2；上表皮气孔面积大于下表皮气孔面积，两品种之间气孔面积存在一定差异。差异显著性测验结果表明，每次取样时上下表皮的气孔面积有时表现为差异显著，有时表现为差异不显著，但总体看二者相差绝对值并不大。

图9 九单48和松玉656不同时期各叶片气孔面积的动态变化Fig.9 Dynamic changes of each leaf stomata area of Jiudan48 and Songyu656 in different periods

2.2.3 不同时期各叶片气孔密度的动态变化

由表2可见，两个品种叶片上下表皮气孔密度均随叶面积增加而逐渐减小；上表皮气孔密度小于下表皮气孔密度，两品种之间气孔密度存在一定差异。

表2 不同时期各叶片气孔密度的动态变化Table 2 Dynamic changes of each leaf stoma density at different periods

3 讨论

玉米是禾本科单子叶作物，其叶片具有平行状叶脉，显著区别于双子叶植物的网状叶脉。通过对幼苗期玉米叶片表皮特征进行观测表明，玉米叶片表皮细胞与气孔相间成排排列，一般每隔三排表皮细胞分布着一排气孔；表皮细胞近长方形；气孔器由两个哑铃型保卫细胞和两个半月形副卫细胞组成，近圆形。大多数双子叶植物气孔发育遵照“一个细胞间距”原则相一致，即两个气孔之间至少相隔一个非气孔表皮细胞，这种细胞间隔有利于气体交换[14]。这一原则对单子叶植物同样适用，只不过表现形式不同而已。

单子叶植物叶脉为平行脉，平行叶脉之间由横向脉连接，围成一个个封闭的小空间，这些封闭的小空间被称之为“脉岛”或“脉间区”[15]，脉岛形状与表皮细胞形状均近似长方形。可以认为叶片是由若干个脉岛组成，或者说可以把脉岛看成是构成叶面积的基本单位。通过对玉米叶片表皮细胞和气孔量化指标的动态研究，有利于揭示单子叶植物叶片发育机理。

叶片是重要的光合器官。过去对单子叶植物叶片形态解剖结构的定量研究较少，对叶片表皮细胞和气孔量化指标动态变化的系统性研究更少。本试验以九单48和松玉656两个玉米品种为材料，定期对各节位叶片取样，对其表皮细胞和气孔的量化指标进行测量与计算，研究结果表明两个玉米品种叶片表皮细胞和气孔量化指标的变化规律一致。九单48是中熟品种，成熟期为126 d，需要活动积温2 600℃；松玉656是早熟品种，成熟期为115 d，需要活动积温约2 300℃；二者在植株形态及产量等方面也存在明显差异。以这两个品种为试验材料，得出玉米叶片表皮细胞和气孔量化指标的变化规律具有一定普遍意义，为研究玉米叶片发育机理提供理论依据。

4 结论

a.各叶片上下表皮细胞和气孔的长与宽均表现为随着叶片的生长而逐渐增大。

b.各叶片在初次取样时其上下表皮细胞和气孔长与宽的数值是相近的。

c.上表皮的细胞短而宽，下表皮的细胞长而窄。

d.上表皮的气孔长小于下表皮的气孔长、上表皮的气孔宽大于下表皮的气孔宽。

e.各叶片上下表皮细胞和气孔面积均表现为随叶面积的增加而逐渐增大。

f.上表皮的细胞面积小于下表皮的细胞面积，而上表皮的气孔面积大于下表皮的气孔面积。

g.上下表皮细胞和气孔密度均随叶面积的增加而逐渐减小。

h.两个玉米品种叶片表皮细胞和气孔量化指标的变化规律一致。

[参 考 文 献]

[1]王泽立,张恒悦,阎先喜,等.玉米抗旱品种的形态解剖学研究[J].西北植物学报,1998,18(4)∶581-583.

[2]魏良明,贾了然,胡学安,等.玉米抗旱性生理生化研究进展[J].干旱地区农业研究,1997,15(4)∶66-71.

[3]葛均筑,展茗,赵明,等.渍涝胁迫对玉米生理生化的影响研究进展[J].中国农学通报,2012,28(21)∶7-11.

[4]马延华,王庆祥,陈绍江.玉米耐寒性生理生化机理与分子遗传研究进展[J].玉米科学,2013,21(3)∶76-81,86.

[5]梁秀兰,林英春,年海,等.低磷胁迫对不同基因型玉米主要生理生化特性的影响[J].作物学报,2005,31(5)∶667-669.

[6]于海秋,武志海,沈秀瑛,等.水分胁迫下玉米叶片气孔密度、大小及显微结构的变化[J].吉林农业大学学报,2003,25(3)∶239-242.

[7] 向刚,傅体华,贾明娟,等.3种黄连叶片表皮特征研究[J].四川农业大学学报,2006,24(3)∶337-343.

[8]刘云,张萍,肖宜安,等.蚕用桑不同品种叶表皮形态和结构的比较研究I[J].广西植物,2006,26(2)∶125-131.

[9]萨仁,苏德毕力格,陈家瑞.黄华属植物叶表皮特征及其生物学意义[J].草地学报,2000,8(1)∶65-76.

[10]周存宇,聂敏,杨朝东.4种百合科植物叶表皮结构的比较[J].长江大学学报∶自然科学版,2012,9(3)∶38-41.

[11]陈存武,李耀享,周守标.大别山5种黄精属植物叶表皮的初步比较研究[J].安徽农业大学学报,2006,33(1)∶108-112.

[12]于龙凤,安福全,李富恒.茄果类蔬菜作物叶片表皮细胞数量性状的研究[J].东北农业大学学报,2010,41(1)∶73-76.

[13]封涛,胡东.单子叶植物叶片气孔观察方法改良的研究[J].植物研究,2008,28(1)∶82-84.

[14]刘婧,王宝山,谢先芝.植物气孔发育及其调控研究[J].遗传, 2011,33(2)∶131-137.

[15]К.Эсау.Анатомия растений[М].Моска∶Мир,1969∶370-373.

Research of the quantitative indicators of epidermal cells and stomata in the leaves of maize seedlings

LI Fuheng1,ZHU Huijie1,Поляков А.В2,XU Qinghua1, YANG Hongsheng1,LI Nanding1,LIU Zengbing1(1.School of Life Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.All Russian Research Institute of Vegetable Crops,RussianAcademy ofAgricultural Sciences,Ramensky District,Moscow Region 140153,Russia)

The quantitative indicators of epidermal cells and stomata for different periods of each seedling leaves were systematically studied using two maize cultivars Jiudan48 and Songyu656 as materials.The results showed that,in this study,the length and width of epidermal cells and stomata on each leaf upper and lower epidermal were increased gradually with the leaf growth.The values for the initial sampling of the length and width of upper and lower epidermal cells and stomata of each blade were similar.The upper epidermal cells were short and wide,the lower epidermal cells were long and narrow;the stomata on the upper epidermis were shorter than the lower epidermal stomata,but the stomata on the upper epidermis were wider than the lower epidermal stomata;the areas of upper and lower epidermal cells and stomata for each leaf were increased gradually with the increase of the leaf area;the areas of upper epidermal cells were less than that of lower epidermal cells,but the areas ofthe stomata on upper epidermis was larger than that of lower epidermis;the cell density and stoma density of the upper and lower epidermis were decreased gradually with the increase of leaf area.

Zea maysL.;leaves;epidermis cell;stoma;quantitative indicators

S336

A

1005-9369（2014）12-0042-07

时间2014-12-29 9∶00∶54 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141229.0900.005.html

李富恒,朱会杰,Поляков А.В,等.幼苗期玉米叶片表皮细胞和气孔量化指标的研究[J].东北农业大学学报,2014,45(12): 42-48.

Li Fuheng,Zhu Huijie,Поляков А.В,et al.Research of the quantitative indicators of epidermal cells and stomata in the leaves of maize seedlings[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(12):42-48.(in Chinese with English abstract)

2014-09-06

国家外国专家局2013年度引进国外技术、管理人才项目（20132300046）

李富恒（1962-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为植物发育生理。E-mail∶lifuheng1963@126.com