5种观赏桃F1代叶片解剖结构与光合性能研究

张艳萍，刘卫东，龙达，张雕，曾广辉

(1.吉安市林业科学研究所，江西吉安343011；2.中南林业科技大学·林学院，湖南长沙410004；3.信阳市林业科学研究所，河南信阳464000）

观赏桃作为一种观赏植物，区别于人们以往惯有的果桃的概念。果桃偏重其果实的经济价值，而观赏桃更偏重在城市园林应用方面的价值。观赏桃因其极高的观赏价值和吉祥的寓意，自古就深受人们的喜爱，形成了深厚的桃花文化。

观赏桃新品种选育和花期调控一直是目前研究的热点，现培育出的观赏桃品种已达126个[1]。关于植物叶片解剖结构的研究主要集中在叶的表皮细胞结构、气孔类型、色素类型及含量等方面[2]。在观赏桃中也发现不同生长环境中的叶片在气孔、叶片解剖结构上存在显著的差异[3-4]。董晓民[5]等人研究发现耐旱性较强的品种扁桃品种浓帕尔叶片最厚，相应的角质层、上下表皮厚度、栅海比、叶片紧密度等也最大；耐旱性较弱的普通桃品种玉妃叶片最薄，上下表皮、角质层厚度及栅海比均最小。郭改改[6]对生长在降雨量不同区域的扁桃品种进行叶片解剖，对比叶片结构发现降雨量最小的榆阳区长柄扁桃的叶片最小且最厚，对应的角质层、上表皮厚度、叶片紧密度等也最大，具备很强的抗旱能力。有学者还把叶片结构作为抗寒性的综合评价指标，郭学民[7]等野外实地调查16个品种桃树干抗寒性，然后隶属函数法对各品种叶片解剖结构综合评价，所得出的抗寒性类型划分与野外实地调查结果一致。

环境条件的差异会导致植物叶片解剖结构的变化[8]，阳生植物和阴生植物或阳生叶片和阴生叶片在解剖结构与生理指标均差异显著[9]。目前还没有对观赏桃杂交子代幼苗光合特性的研究，光合是植物生长及发挥其他经济价值的内在基础，观赏桃叶片解剖结构的差异是否会导致其光合特性的差异还不清楚。为此，本研究比较观察了观赏桃5种F1代苗期叶片的解剖结构及光合特性，旨在比较分析叶片解剖结构与光合之间的关系。

1 材料与方法

1.1 材料

2018年2－4月在湖南省森林植物园开展观赏桃人工授粉杂交实验，杂交组合见表1。于晴天采集盛花期的即将开放的元春、白花山碧、粉花山碧花朵，将其带回实验室收集花粉，低温保存备用。按去雄-授粉-套袋的顺序进行人工授粉。2018年8月果实成熟，采回取出果核，清洗干净后放置在干燥环境中，沙藏过冬，得到F1代种子。2019年3月以草炭土∶黄土∶珍珠岩=3∶1∶1比例配制营养土，初种植于外口径高为30 cm×22 cm规格的PP塑料花盆中，得到F1代实生苗，室外环境下生长，统一水肥管理。6月开始进行实验指标测定。

表1 亲本材料及杂交后代名称Tab.1 Parent material and hybrid progeny names

1.2 方法

1.2.1 光合作用测定

以5种观赏桃F1代当年生幼苗为研究对象，每个杂交组合分别挑选3株长势良好的幼苗作好标记，于2019年6、7、8、9月利用LI-6400便携式光合仪测定净光合速率(Pn)。

1.2.2 叶片解剖结构及表皮气孔观察

光合测定全部完成后，取下有标记的叶片，进行叶片解剖和表皮气孔观察。按常规石蜡切片技术制片，切片厚度8~10μm，番红-固绿染色，以加拿大中性树胶封片，制成永久切片[10]。OLYMPUS-BX51型光学显微镜和cellSensEntry图像分析系统拍摄照片和统计叶片厚度(TL)、叶脉厚度(TMV)、上表皮厚度(TU)、下表皮厚度(TLE)、叶脉厚度(TMV)和栅栏组织(TP)。

表皮制片及气孔密度(DS)，用双氧水—醋酸离析法制片，OLYMPUSBX51型光学显微镜和cellSensEntry图像分析系统拍摄照片和计算气孔密度。

1.3 数据处理

数据使用SPSS.25进行显著性差异分析、相关性分析以及隶属函数分析，利用Oringin.2018、Excel进行统计作图。

2 结果与分析

2.1 观赏桃F1代净光合速率比较

净光合速率直接反映植物光合作用的强弱。观赏桃5种F1代不同月份净光合速率（Pn）日变化如图1所示。6月、9月5种F1代Pn日变化曲线趋势似单峰型，都在12点达到峰值。7月、8月Pn日变化曲线出现“M”型趋势，存在“光合午休”现象。出现“M”型趋势的F1代不同，7月为MM、FJ、JJ，8月为BM、MM。7月份第1次峰值在10点出现，8月份第1次峰值则在12点出现。7月和8月第2次峰值均出现在16点，且第1次峰值均高于第2次峰值。

从Pn日均值和Pn峰值来看，在6、7、8月份BM、YM的Pn日均值均显著高于MM。FJ在6、7月显著高于JJ，8、9月JJ高于FJ，每个月的Pn峰值也符合这一规律。表明杂交子代BM、YM的光合能力强于亲本自交MM，FJ和JJ光合能力相当。同时5种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个月中的最差。

2.2 观赏桃F1代叶片结构的比较

2.2.1 气孔密度的比较

观赏桃气孔器为椭圆形或长圆形，由2个肾形保卫细胞构成，形状对称（图2，ST），并分布于下表皮，上表皮无气孔分布。5种供试材料的气孔密度（Ds）最高达265.40个·mm-2，由大到小依次为绛桃自花（JJ）＞白花山碧×满天红（BM）＞粉花山碧×绛桃（FJ）＞元春×满天红（YM）＞满天红自花（MM）（表2），YM、BM显著高于亲本MM，JJ与FJ差异不显著。

2.2.2 叶肉解剖结构特征

图2 观赏桃下表皮气孔显微结构Fig.2 Microstructure of stomata in the lower epidermisofornamental peach

从叶片非主脉部分横切图可知，5种F1代叶肉均有明显的栅栏组织（图3，PA）和海绵组织（图3，SP），因此为典型的异面叶。靠近上表皮的栅栏组织细胞为长柱状，细胞竖着排列为两层，胞间隙较小。海绵组织细胞位于栅栏组织和下表皮之间，多为短柱状或椭球形，相互连接成网，无规则放置胞间隙较大。由表3可知，观赏桃栅栏组织（TP）厚度由大到小依次为JJ＞FJ＞BM＞MM＞YM，JJ显著高出YM62.70%。由图3可看出上表皮（UE）和下表皮（LE）均由不规则的单层细胞构成，排列紧凑，而单个细胞的大小存在明显的差异，造成上表皮较厚，下表皮薄，但不同F1代之间上下表皮的厚度差异不显著。

图3 观赏桃叶肉解剖图Fig.3 Anatomy of ornamental peach leaf meat

2.2.3 主叶脉结构特征

叶脉是支撑叶片的骨架，在叶脉的最外面往往存在2～3层的厚角组织，能够对叶脉起到很好的保护作用。5种观赏桃F1代的叶脉厚角细胞如图4，CO所示，厚角细胞形状规则排列整齐紧密。紧挨着厚角组织的是薄壁组织，薄壁组织层较厚，细胞无规则，大小也不一致，排列紧密但不整齐（图4，PC）。维管束位于叶脉中间，维管束鞘由很小的厚壁细胞密集排列构成（图4，VS），木质部排列成扇形（图4，XY）。主脉的大小直接影响水分和养分的运输能力与效率，主脉越粗则水分控制能力越强，在高温及旱热环境下通过提高蒸腾能力降低叶表温度，使机体免受伤害[11]。BM、YM的主脉厚度(TMV)分别高出亲本MM42.07%、6.33%，JJ显著高出FJ12.01%。进一步比较维管束面积(VA)、木质部面积(XA)发现与主脉厚度规律一致，说明BM、YM叶片内部的物质运输能力优于亲本MM，而FJ相反。

2.3 净光合速率与叶片组织结构参数相关性分析

净光合速率（Pn）与气孔密度（DS）、栅栏组织厚度（TP）、叶脉厚度（TMV）极显著正相关，而与上表皮厚度（TU）显著负相关；DS与TMV极显著正相关，与TP显著正相关；TP与海绵组织（TS）、叶片厚度（TL）极显著正相关，与TMV显著正相关，而与TU显著负相关。叶片各组织结构联系密切，使叶片成为有机的整体，并不断适应环境，保证为植物高效的合成有机物打下了基础。

表3 观赏桃叶组织结构参数差异分析Tab.3 Tissue Structure Parameters of ornamental peach

图4 观赏桃主脉解剖图Fig.4 Anatomy of the main vein of ornamental peach

2.4 光合性能综合分析

本文测定了5种F1代4个月份的光合日变化，得出较为一致的净光合速率强弱顺序；同时采取石蜡切片技术对5种F1代叶片进行结构解剖，比较得出净光合速率较强的杂交组合其叶片栅栏组织厚度、主脉厚度、气孔密度均较高，表明叶片解剖结构和净光合速率有一定的相关性，相关性分析证明了这一点。为了综合光合参数、叶片解剖指标两个方面对光合性能的影响，能够科学的得出5种F1代的光合性能强弱。隶属函数法是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法，其特点是评价结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示。因此本文尝试采用隶属函数法对光合性能做出综合评价。由于3个方面的指标间分别存在一定相关性，反映的信息具有一定重叠性，因此不能直接用于分析光合性能。

R(Xij)为各指标与光合性能相关的隶属函数值。指标与光合性能呈正相关计算公式为:R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)；指标与光合性能呈负相关计算公式为：R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

根据隶属函数计算公式，求得观赏桃5种F1代不同指标的隶属函数值，据此对光合性能进行排序，结果如表5所示。隶属值越大，其光合性能越强，顺序为‘绛桃’自花（JJ）＞‘粉花山碧’ב绛桃’(FJ)＞‘白花山碧’ב满天红’(BM)＞‘元春’ב满天红’(YM)＞‘满天红’自花(MM)。

表4 净光合速率与叶片组织结构参数相关性分析Tab.4 Correlation analysis between net photosynthetic rate and leaf tissue structure parameters

表5 观赏桃5种F1代的指标隶属值Tab.5 Sorts of photosynthetic performance of five F1 generations of ornamental peach

3 讨论

5种F1代之间，叶片光合作用不同程度的都受到环境和叶片解剖结构的影响。光合作用受到外界温湿度、光照强度的综合影响，当外界条件十分适宜植物生长，叶片会充分进行光合作用，维持自身生长和代谢，光合速率最高；当外界温度较高、光照过强，会对植物光合作用造成影响，可能出现“午休”现象。这是植物在高温高光强环境下形成的适应对策，前人对山杏[12]、油茶[13]、桢楠[14]的光合特性研究中都出现了光合“午休”现象。根据Farquhar[15]的观点，引起植物光合“午休”主要包括气孔限制因素和非气孔限制因素2种。本次研究中MM、FJ、JJ也出现了“午休”现象，其中7月的现象最为明显。净光合速率在中午降低的同时气孔导度、胞间CO2浓度都出现小幅度下降，这种生理指标变化趋势偏向于MM、FJ、JJ的光合“午休”主要是由气孔限制因素影响，即叶片通过减小气孔开度或者关闭部分气孔阻碍水分蒸发，同时空气进入叶片的通道减少，造成胞间CO2浓度下降，净光合速率下降。这与李东林[16]研究结论相一致。习松峰[17]等人进一步研究发现，植物“午休”的原因会在树体不同生长时期发生改变，而引起“光合午休”的发生主要还是植物不同生长时期受到高光强、高温或干旱胁迫等不利条件导致的[18]。因此对于本研究5种F1代中MM、FJ、JJ最有可能出现“光合午休”的现象，可以通过午间给植物喷水，降低叶片温度，改善局部小环境的方法降低发生“光合午休”的可能性。生态环境为叶片光合作用提供能量和物质，不仅直接影响有机物的合成，还可以影响自身的光合特性，是一种综合性的影响[19]。

Vogelmann[20]等人研究发现叶片表皮层单个细胞常呈平凸状起到聚光作用，经聚集进入光合细胞的光线，可以使到达叶绿体的PPFD提高到周边光量的数倍之多。本文中，观赏桃叶片的上表皮层细胞具有形状不规则、向里或向外突出的特征，以便达到聚光的目的。紧挨着上表皮的是栅栏组织，栅栏层细胞就像导光管，而且叶片的叶绿素主要集中在这部分，因此栅栏细胞能够充分利用光能驱动光合作用，合成有机物。测量结果显示JJ的栅栏组织厚度最高为75.38 μm，可能含有较高的叶绿素含量，这也解释了JJ的Pn日均值高于其他子代的原因。栅栏组织在叶片的构成中占有极大的比重，相关性分析表示TP与Pn存在显著的正相关关系，而叶片厚度TL与Pn相关性不显著，因此TP比TL较准确的反应不同F1代的光合能力的差异。李雁鸣[21]研究燕麦不同叶位叶片的解剖结构和光合性能，也得出与本文一致的相关关系。叶片栅栏组织、海绵组织厚度在整个叶片厚度中分别占有很大比重，因此相关性分析表明三者之间存在显著正相关关系。

综上，5种F1代之间，叶片光合作用不同程度的都受到环境和叶片解剖结构的影响。光合特性在植物选育过程中是重要的生理指标，光合能力是植物生长和物质积累的基础。本研究每个指标结果只显示出相似的规律，因此尝试运用隶属函数法综合比较5种F1代的光合性能强弱，结论较科学合理。光合性能顺序为‘绛桃’自花（JJ）＞‘粉花山碧’ב绛桃’(FJ)＞‘白花山碧’ב满天红’(BM)＞‘元春’ב满天红’(YM)＞‘满天红’自花(MM)。

但值得注意的是，本研究只选择了成熟叶片进行研究，还并不清楚生理指标是如何随着叶片结构的发育而变化的，以及在不同的发育阶段，树种在生理和叶片结构上的差异是否会更小或更大。目前仍有许多关于叶片结构对光合的影响机理需要研究，才能使叶片组织结构能更好地解释光合速率、呼吸速率和蒸腾速率等生理指标的变化。