4个甜瓜品种不同生理期叶片和果实的显微结构比较

张凯莉，孔维萍，魏兵强，程鸿, ，颉建明

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院蔬菜研究所，甘肃 兰州 730070)

甜瓜(CucumismeloL.)为葫芦科甜瓜属植物，是国内外重要的经济作物[1]。甜瓜的叶片、嫩茎及幼果均能进行光合作用，因此叶片的生长与发育状况，直接影响作物产量和品质的形成。安福全等[2]对甜瓜幼苗叶片进行了显微结构观察。陈年来等[3]对甜瓜叶面积扩展的生育期动态进行了研究，对于叶片的显微结构也有一系列研究。齐红岩等[4]对网纹甜瓜玻璃苗外观形态、显微结构进行了观察。姜建福等[5]对葡萄属植物叶片显微和超微结构进行了观察。高文辉等[6]对7种枸杞属植物叶片及剖面显微结构进行了比较。叶片是植物进化过程中对环境变化比较敏感且可塑性较大的器官，环境变化常导致叶的厚度、表皮厚度、栅栏组织、海绵组织厚度等形态解剖结构的响应与适应[34]。观察植物叶片解剖结构，对研究植物抗性等有重要意义[23]。

有关细胞微观结构与果疏质地关系的研究已在马铃薯[7]、洋葱[8]和苹果[9]等中有所报道。Hou等[10]对苹果子代群体果肉组织细胞结构分析的结果表明，不同品种果肉组织结构差异明显，且果肉细胞大小具有较强的遗传能力。王勇等[22]认为葡萄果肉组织具有差异性，甚至F1代果实都继承亲本果肉脆质的优势性状。在甜瓜上，对果肉质地的研究主要集中在细胞壁酶相关基因的表达、酶活性分析及细胞壁组分含量等方面[11-13]，目前很少见不同生理期甜瓜材料叶片结构及果肉细胞显微结构的相关研究。为了进一步探索不同甜瓜叶片结构和果肉细胞微观结构差异，本研究分别以两份厚皮甜瓜(白兰瓜、肥白)和两份薄皮甜瓜(日本甜宝、小脆瓜)为试材，通过测定4个甜瓜品种不同生理期叶片和果实细胞显微结构差异，探究不同甜瓜材料组织细胞显微结构，为甜瓜种质资源筛选和品质育种提供组织解剖学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取4个甜瓜品种白兰瓜、肥白、日本甜宝及小脆瓜为试验材料，均由甘肃省农业科学院蔬菜研究所西甜瓜研究室提供。品种特性如表1所示。

1.2 试验设计

试验于2020年8月～2020年11月在兰州市皋兰县九合镇甜瓜试验基地进行。选取籽粒饱满、大小一致的种子浸种催芽，用温水浸种5～6 h，催芽温度25 ℃，胚根露白后，降至20 ℃管理，1～2 d出齐芽后，播种于10 cm×10 cm的塑料营养钵中，长至4～5片真叶后定植到日光温室大棚中。采用立架栽培，坐果及田间管理同常规甜瓜栽培。4个甜瓜品种选择同期开花的两性花授粉，授粉当天进行标记，在生长发育的3个不同生理时期，即前期、中期、后期(文中前期、中期和后期分别代表植株开花授粉后10、25和40 d)分别进行取样制片和细胞结构分析，每个时期样本取3次重复。

表1 甜瓜材料及其生物学特性

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样方法

1.3.1.1 叶的取样方法 叶片选择远离主脉部分切成0.5 mm×0.5 mm的方块，每时期12个样，3个时期共计36个样。

1.3.1.2 果的取样方法 果实采收后切取果实赤道部位厚度约2 cm的果肉，每时期12个样，3个时期共计36个样。

1.3.2 项目测定 在不同生理期分别取样后，将新鲜采集的组织立即投入到FAA液中固定24～48 h备用。从固定液中取出组织部分，经自来水冲洗，酒精系列脱水，二甲苯透明，石蜡包埋,纵切(切片厚度10～12 μm)，番红-固绿对染之后，利用日本产PM30全自动显微照相系统每个时期每个处理取3个样，每个部位取8张组织切片，进行细胞大小的观察。每组内每张切片挑选40倍视野进行拍照。以40倍标尺为标准，统计视野内样本的细胞数量以及细胞面积(mm2)，求平均值后换算成单个细胞的平均面积(mm2)。

细胞圆度=周长×2/(4π×面积)

栅海比=栅栏组织厚度/海绵组织厚度

叶片组织结构紧密度(CTR)=栅栏组织厚度/叶片厚度×100%

叶片组织结构疏松度(SR)=海绵组织厚度/叶片厚度×100%

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2016进行数据整理和作图，用SPSS 16.0进行Duncan显著性分析。

2 结果与分析

2.1 4个甜瓜品种在不同生理期叶片显微结构差异

对4个甜瓜品种不同生理期进行叶片解剖，由图1可以看出，甜瓜叶片属于栅栏薄壁组织与海绵薄壁组织分化较明显的异面叶类型。栅栏薄壁组织均为2层，呈长圆柱体，海绵薄壁组织细胞短小，且排列无规则(图1)。在4个甜瓜品种之间，小脆瓜在生长前期叶片厚度最大，栅栏组织和海绵组织排列最紧密；到达生长中期，栅栏组织逐渐增大，海绵组织也逐渐减小；生长后期，海绵组织减小，栅海比值也趋于增大。与小脆瓜相比，日本甜宝在生长前期叶片厚度仅次于小脆瓜，栅栏组织和海绵组织排列紧密；到达生长中期，栅栏组织逐渐减小，海绵组织也逐渐增大；到达生长后期，海绵组织减小，栅海比值也趋于增大。与日本甜宝相比，白兰瓜在生长前期叶片厚度接近日本甜宝，栅栏组织和海绵组织排列比较疏松；到达生长中期，栅栏组织逐渐增大，海绵组织也逐渐增大；到达生长后期，海绵组织减小，栅海比值也趋于变小。与其他3个品种相比，肥白在生长前期叶片厚度相对最小，栅栏组织和海绵组织排列疏松；到达生长中期，栅栏组织逐渐减小，海绵组织也逐渐增大；到达生长后期，海绵组织增大，栅海比值也趋于变小。由此可知，4个甜瓜品种在不同生理期叶片显微结构差异较大。

图1 4个甜瓜品种不同生理期叶片解剖结构特征Figure 1 Leaf anatomical structure characteristics of four melon varieties at different physiological periods

2.1.1 4个甜瓜品种不同生理期叶片厚度比较 由表2可知，4个甜瓜品种不同生理期叶片厚度存在明显的差异，生长前期小脆瓜叶片厚度最大，厚度达858.8 μm，日本甜宝和白兰瓜次之，分别是719.33 μm和706.12 μm，肥白叶片厚度最小，平均值为596.00 μm，到达生长中期，小脆瓜叶片厚度最大为913.11 μm，日本甜宝和肥白次之，叶片厚度为650～700 μm，白兰瓜叶片厚度最小，到达生长后期，叶片厚度依次为小脆瓜>肥白>日本甜宝>白兰瓜。

2.1.2 4个甜瓜品种在不同生理期上下表皮厚度比较 对4个甜瓜品种不同生理期进行分析可知，生长前期白兰瓜叶片上表皮厚度最大，达79.84 μm，日本甜宝和小脆瓜次之，上表皮厚度为60～67 μm，肥白上表皮厚度最小，为49.93 μm；到达生长中期，小脆瓜叶片上表皮厚度最大为77.46 μm，白兰瓜上表皮厚度最小；到达生长后期，上表皮厚度由大到小依次为白兰瓜>肥白>日本甜宝>小脆瓜。

在生长前期和中期日本甜宝下表皮厚度均最大，平均值分别为56.13 μm和53.68 μm，肥白和小脆瓜次之，白兰瓜最小，平均厚度为38.88 μm；白兰瓜在生长前期和中期下表皮厚度均最小；到达生长后期，叶片下表皮厚度由大到小依次为小脆瓜>日本甜宝>白兰瓜>肥白。

2.1.3 4个甜瓜品种不同生理期栅栏组织厚度、海绵组织厚度 由表2可知，4个甜瓜品种在生长前期肥白栅栏组织最厚，平均厚度可达324.26 μm，日本甜宝次之，小脆瓜和白兰瓜相差不大，为210～240 μm，到达生长中期小脆瓜栅栏组织厚度最大，平均值为374.27 μm，白兰瓜最小，平均厚度为203.08 μm；到达生长后期栅栏组织厚度从大到小依次为小脆瓜>日本甜宝>肥白>白兰瓜。

4个甜瓜品种生长前期小脆瓜海绵组织厚度最大，平均值可达515.77 μm，白兰瓜和日本甜宝次之，为160～280 μm，肥白海绵组织厚度最小，平均为240.72 μm，到达生长中期小脆瓜的海绵组织厚度仍最大，平均为409.25 μm，日本甜宝、肥白和白兰瓜次之，为220～300 μm，到达生长后期，海绵组织的厚度从大到小依次为小脆瓜>肥白>日本甜宝>白兰瓜。

4个甜瓜品种生长前期肥白栅海比最大，平均值为1.34，小脆瓜的栅海比最小，平均值为0.42，到达生长中期，肥白栅海比最大，平均值为1.04，日本甜宝和白兰瓜次之，平均值为0.9～1.1，小脆瓜的栅海比最小，平均值为0.91，到达生长后期栅海比从大到小依次为日本甜宝>白兰瓜>小脆瓜>肥白。

2.1.4 4个甜瓜品种不同生理期叶片紧密度和疏松度 由表2可知，在生长前期肥白的紧密度最大，平均值为54.40%，日本甜宝和白兰瓜次之，平均值为25%～45%，与肥白相比差异显著，小脆瓜的紧密度最小，平均值为27.22%.到达生长中期日本甜宝紧密度最大，平均值为42.47%，白兰瓜紧密度最小，平均值为37.08%.到达生长后期，紧密度从大到小依次为日本甜宝>小脆瓜>白兰瓜>肥白，疏松度则相反。

2.2 4个甜瓜品种不同生理期具有不同果肉细胞结构

在甜瓜生长前期，甜瓜果肉细胞由小到大依次为：小脆瓜>日本甜宝>白兰瓜>日本甜宝，但白兰瓜和日本甜宝的果肉细胞很不规则(图2)。在甜瓜成熟过程中，果肉细胞均不断增大，但是不同类型甜瓜细胞的大小和排列具有一定的差异性。其中白兰瓜和日本甜宝与肥白和小脆瓜相比差异明显。白兰瓜与日本甜宝前期果肉细胞较小，且排列紧密；到达生长中期，细胞明显增大，排列较为疏松；到成熟后期果肉细胞较小，且排列紧密，但褶皱较多。肥白和小脆瓜，前期果肉细胞较大，排列疏松，到达中期细胞显著增大，到达后期细胞排列散乱，间隙较大。综上所述，4个甜瓜品种在不同生理期果肉细胞显微结构存在着明显的差异。

表2 4个甜瓜品种在不同生理期叶片显微结构的差异

2.2.1 4个甜瓜品种不同生理期果肉细胞面积和周长变化差异 由图3可以看出，在甜瓜果实生长中期，果肉细胞面积和周长在不同类型甜瓜材料间存在显著差异，小脆瓜的细胞面积和周长平均值最大，分别为32 486.06 μm2和800.96 μm，肥白和日本甜宝次之分别为8 700～15 500 μm2和780～800 μm，白兰瓜面积和周长最小分别7 929.92 μm2和644.27 μm。在果实生长中期及后期，果肉细胞大小参数呈增大趋势，白兰瓜从中期到后期细胞面积变化最大，由12 205.06 μm2增长到18 084.7 μm2，日本甜宝从中期到后期细胞周长变化最大，由750.53 μm增长到792.01 μm。

图2 4个甜瓜品种在不同生理期果肉细胞解剖结构特征Figure 2 Anatomical structure characteristics of flesh cells of four melon varieties at different physiological periods

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lower case letters showed sigificant difference between treatments(P<0.05).图3 4个甜瓜品种不同生理期果肉细胞面积和周长变化差异Figure 3 Changes of pulp cell area and perimeter of four melon varieties at different physiological periods

2.2.2 4个甜瓜品种不同生理期果肉细胞长、宽变化差异 由图4可知，在甜瓜不同生理时期，白兰瓜生长中期细胞长度最大，平均值为258.08 μm，与肥白相比差异显著，日本甜宝和小脆瓜次之，分别为242.26 μm和241.13 μm，肥白的细胞长度最小，平均值为105.23 μm。到达生长后期4个甜瓜品种不同生理期果肉细胞长度间差异不显著，从大到小依次为：肥白>白兰瓜>日本甜宝>小脆瓜。生长中期4个甜瓜品种的细胞宽度比较，白兰瓜细胞宽度最小，平均值为106.12 μm，与其他3个材料相比差异显著。生长后期，4个甜瓜品种果肉细胞长度间差异显著，从大到小依次为：小脆瓜>日本甜宝>小脆瓜>白兰瓜。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lower case letters showed sigificant difference between treatments(P<0.05).图4 4个甜瓜品种不同生理期果肉细胞长、宽变化差异Figure 4 Variation of flesh cell length and width among four melon varieties at different physiological periods

2.2.3 4个甜瓜品种不同生理期果实纵横比和圆度变化差异 由图5可知，在生长中期肥白细胞圆度和纵横比均为最小，分别为1.06和1.42，与其他3个品种差异显著，白兰瓜与日本甜宝相比纵横比和圆度差异均不显著。生长后期，白兰瓜细胞纵横比和圆度值最大，平均值分别为1.82和1.87，小脆瓜的细胞纵横比和圆度最小，平均值为1.57和1.37，且差异显著。说明白兰瓜和肥白的纵横比在不同生理期呈增大趋势，日本甜宝和小脆瓜在不同生理期细胞纵横比呈增大再减小的趋势。白兰瓜和日本甜宝不同生理期细胞圆度显著大于肥白和小脆瓜。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lower case letters showed sigificant difference between treatments(P<0.05).图5 4个甜瓜品种不同生理期果肉细胞纵横比和圆度的变化差异Figure 5 Changes of aspect ratio and roundness of flesh cells of four melon varieties at different physiological periods

3 讨论与结论

3.1 4个甜瓜品种不同生理期叶片显微结构差异

植物叶片是进行光合作用的主要器官，也是糖分积累的源端。王丽芳[14]在对不同生境下蒙古栎(QuercusmongolicaFisch.exLedeb)解剖结构比较研究后发现，蒙古栎的基本结构并未发生改变，但是由于受到不同的生活环境的影响进而引起蒙古栎的叶片厚度、叶表皮厚度、叶肉细胞厚度、栅海比等有明显不同。蔡永立等[15]通过相关的研究认为，叶片下表皮厚度、栅栏组织细胞厚度、海绵组织细胞厚度等结构特征更能体现出植物对强光生态环境的适应性。叶片结构敏感，对于外界环境的改变能最先预知，并且做出适应性的改变。

本研究表明，4个甜瓜品种不同生理期叶片厚度、叶片下表皮细胞厚度、栅栏组织细胞厚度、海绵组织细胞厚度等细胞结构也存在明显的差异。生长前期小脆瓜叶片厚度最大，肥白叶片厚度最小；到达生长中期，小脆瓜叶片厚度最大，白兰瓜最小；到达生长后期，叶片厚度由大到小依次为小脆瓜>肥白>日本甜宝>白兰瓜。表明4个甜瓜品种在不同生理期叶片的组织厚度可能会随生长时期的不同发生变化。植物的叶表皮是控制植物叶片吸收光量子的重要因素，表皮的性状对植物的光合、蒸腾作用等起着关键的作用[16-18]。本试验中4个甜瓜不同生理期上表皮细胞厚度几乎都大于下表皮细胞厚度，下表皮密被绒毛且叶表皮细胞垂周壁上均具有波浪状增厚，增加了细胞的韧性,这一结论与李小燕等[19]的研究结果一致。栅栏组织越厚，细胞越小，排列越紧密，则植物利用光能的效率越高[20]。本研究中不同甜瓜叶肉组织致密发达、分化程度明显，栅栏薄壁组织均为一层，海绵细胞层次多且无规则排列。白兰瓜、日本甜宝和小脆瓜均表现为后期栅栏组织厚度最大，肥白前期栅栏组织厚度最大。CTR值和SR值体现了叶片厚度、栅栏组织和海绵组织厚度之间存在相互制约关系，使其比值能够保持相对稳定。4个甜瓜品种不同生理期CTR值和SR值均不同。生长前期肥白的紧密度最大，日本甜宝和白兰瓜次之，小脆瓜的紧密度最小；到达生长中期，日本甜宝紧密度最大，白兰瓜紧密度最小；到达生长后期，紧密度从大到小依次为日本甜宝>小脆瓜>白兰瓜>肥白，疏松度则相反。栅海比是植物栅栏薄壁组织、海绵薄壁组织发育程度的衡量参数[21]。4个甜瓜品种在生长前期与中期栅海比从大到小均为：肥白>日本甜宝>白兰瓜>小脆瓜，生长后期栅海比从大到小依次为日本甜宝>白兰瓜>小脆瓜>肥白。由于材料的不同，因此4个甜瓜品种在不同生理期，栅栏组织或者海绵组织的厚度在不同时期存在较大差异，但是栅海比的值能够保持相对一致性，与彭伟秀等[22]关于不同抗寒性的杏品种叶片组织结构比较的研究结果相似。同时栅海比也能反映植物适应干旱环境的能力，比值愈大，植物抗寒、抗旱能力愈强[23]。

3.2 4种甜度差异型甜瓜果实不同时期显微结构差异

本研究对4个甜瓜品种不同生理期果实进行了细胞显微结构的观察，结果表明：4种甜瓜细胞结构存在显著差异。4种甜瓜成熟过程中，不同时期细胞周长、面积、长度等均呈增高趋势，与李三陪等[24]的研究结果一致。白兰瓜和肥白纵横比在不同时期呈增大趋势，日本甜宝和小脆瓜在不同生理期细胞纵横比呈先上升然后下降的趋势。白兰瓜和肥白不同生理期细胞圆度差异不显著，日本甜宝和小脆瓜细胞圆度呈先减小再增大的趋势。与前人对于苹果的研究结论不同，需要进一步深入研究。Glvezlópez等[7-8]研究表明苹果果肉细胞大小具有较强的遗传能力；王勇等[25]也认为葡萄能将脆质地性状以很强优势传递给F1代，但在甜瓜中尚未见相关报道，以后在甜瓜果肉质地的遗传性方面需深入研究，为甜瓜品质的遗传育种提供理论依据。