基于14种葡萄叶解剖结构的弱光适应性评价

刘 芳，张雅欣，李浩然，胡利琴，吴三林※

（1 乐山师范学院 生命科学学院，四川 乐山 614000 2 夹江县农业农村局，四川 乐山 614100）

0 引言

葡萄（Vitis vinifera L.）为多年生木质藤本植物，是世界上最广泛种植的果树之一[1]。葡萄是喜光的多年生木质藤本攀援植物，在光照充分时，葡萄枝条健壮、茎叶营养状况好、主干的营养物质积累增多、果实产量高和品质佳；光照不足时，葡萄枝条变细、节间增长、光合效率低、生殖生长受损、果实品质降低[2]。近年来，全国葡萄产业发展迅猛，据统计，2019 年全国葡萄种植面积72.63 万hm2，产量为1419.54 万t，占全国园林水果面积比重5.92%[3]，四川省种植面积为3.33万hm2，产量为60 万t[4]。葡萄栽培若立地条件适宜，管理得当，第2 年就可以结果，3-4 年进入盛果期，其种植见效快，效益高，市场俏销，成为效益农业[5]。四川盆地雨水充足的气候特点，使得避雨栽培成为种植优质葡萄的必须[6]，而因避雨设施遮挡，棚膜反光等影响使得到达葡萄叶面光照强度进一步降低，四川盆地避雨栽培措施使得弱光的不利因素更加突出，有研究表明避雨栽培对光照抑制效率高达25%-50%[7]，尤其是在早春和秋冬季节，影响葡萄植株生长和花芽分化[8-9]。弱光成为限制四川盆地葡萄产业发展的瓶颈之一[10]。战吉成[11]等人的研究表明葡萄幼苗的形态和生长反应对弱光环境具有生态适应性，弱光环境下葡萄幼苗的比茎长和株高增加有利于葡萄尽快到达有利的光环境，而叶面积率和比叶面积的增加有利于其充分利用弱光环境中有限的光照。盛宝龙[12]等人在研究大棚设施栽培华酥梨叶片时证明，在弱光条件下梨叶片变大变薄，叶色变淡，叶绿素及可溶性糖含量降低，含水量升高，造成梨叶片叶绿体类囊体松散，堆垛变薄，叶绿体中淀粉累积加剧，叶片光合能力降低，光合系统热耗散比例加大。同时，叶片中线粒体数减少，细胞活性降低，正常代谢能力降低。叶是植物进行光合作用、蒸腾作用和气体交换的重要场所[13]，其形态结构是生理功能实现的基础，不同葡萄品种叶显微结构观察及耐弱光性分析方面的研究报道尚少，为筛选适合四川盆地栽培的耐弱光葡萄品种，本试验拟通过分析14种葡萄叶解剖结构，分析不同品种葡萄的弱光适应性，为四川盆地及类似气候类型区葡萄品种引进、品种选育等奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2021 年5 月27-30 日葡萄盛花期时，在四川省成都市双流区四友葡萄农庄（103°58'39"，30°24'43"）进行。实验地气候属亚热带季风性湿润气候，全年气候温和，年平均气温为16.1 ℃，年均降水量875.2 mm，年均日照时数1067 h，年均相对湿度84%[14]。

1.2 试验材料

实验材料选取5a生欧美杂交种户太8号、金手指、巨峰、巨玫瑰、夏黑、香悦和阳光玫瑰以及5a生欧亚种红巴拉多、红提、克伦生、玫瑰香、美人指、瑞都红玉和蜀葡一号，共计14个品种。

1.3 试验处理及测定

1.3.1 试验场地种植情况

实验地土壤沙质，肥力条件一致，采用喷灌。供试葡萄采用避雨栽培，行距3.0 m，株距1.0-2.0 m，双十字V 型架。

1.3.2 试验方法及项目测定

选取14种葡萄的结果枝第3-5 叶位健康功能叶，用便携式叶面积测定仪（SYS-LAM-B）测定叶面积，并采摘装入冰盒，带回实验室用天平（XF1204T）称重，重复3 次，计算平均鲜重。

避开叶脉剪取0.5 m2大小的叶，迅速放入FAA 固定液中，抽气固定，随后进行脱水，包埋，切片，使用番红固绿染液染色、封片。随机选取叶横截面上的3 个部位，使用PANNORAMIC 全景切片扫描仪扫描拍照，Image-Pro Plus6.0 图像处理软件测量叶片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、角质层厚度。

根据测量数据计算以下指标：

1.4 统计分析

1.4.1 主成分分析

主成分分析法作为经典的特征提取方法，是在不减少原始数据所包含的内在信息前提下，将原始数据集转化为由维数较少的“有效”特征成分来表示，使其在统计均方意义下达到方差最优的目的[15]。使用SPSS22 统计分析软件进行主成分分析，首先结合公式（3）对各项指标数据进行Z-Score 标准化，并结合公式（4）、（5）得出综合主成分评价值。

（1）指标数据标准化计算公式：指标数据标准化是为了消除量纲和取值范围差异的影响，将数据处理为均值为0，标准差为1 的数据集。计算公式为：

1.4.2 数据分析

用Excel 2010 软件对所测得数据进行清洗、计算等处理，用SPSS22（IBM SPSS Statistic 22）软件对数据相关性、主成分进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 14种葡萄叶显微结构观察

葡萄叶对生，上叶面绿色，下叶面浅绿色，无毛或被疏柔毛，为异面叶[16]。14种受试葡萄品种叶显微结构大致相似（见图1），主要由单层近长圆形横向排列的上表皮、下表皮以及介于上下表皮之间的栅栏组织、海绵组织、小叶脉组成，在上、下表皮上分布有数量不等的气孔。观察14种受试葡萄叶显微结构可知，不同品种葡萄叶栅栏组织细胞均呈长柱形，内含有大量的叶绿体，其中美人指（图1-l）、红巴拉多（图1-j）、红提（图1-k）、香悦（图1-d）、巨峰（图1-e）、蜀葡一号（图1-m）、户太8 号（图1-f）、瑞都红玉（图1-n）、与夏黑（图1-g）葡萄叶栅栏组织排列均匀，结构紧密；巨玫瑰（图1-a）、金手指（图1-b）、玫瑰香（图1-h）、阳光玫瑰（图1-c）、克伦生（图1-i）葡萄的栅栏组织排列较疏松。不同葡萄品种的叶海绵组织由多层不规则细胞组成，有较多的胞间隙，均排列较为松散。

图1 14种葡萄叶显微结构

2.2 14种葡萄叶面积、叶鲜重和比叶重分析

对14 个受试葡萄品种叶面积和叶鲜重进行测定，由表1 可知，7种欧美杂交品种葡萄叶大小分布在0.023～0.091 m2之间，叶片大小变化较大，叶面积最大的为香悦，是叶面积最小葡萄品种户太8 号的3.89 倍。叶鲜重介于18.61 g 和3.87 g 之间，其中最大的品种为香悦，最小的为金手指，香悦的鲜重为金手指的4.92 倍。叶鲜重大于10 g 的有夏黑、香悦和阳光玫瑰，小于5 g 的有户太8 号和金手指。比叶重香悦和巨峰的较大，分别为204.51 g·m-2和201.06 g·m-2，金手指的最小，为121.94 g·m-2；7种欧亚品种葡萄叶面积大小分布在0.022～0.043 m2之间，相对于7 个供试欧美杂交品种的叶面积大小更加集中，多集中在0.03 m2大小的范围内。7种欧亚品种葡萄品种叶鲜重均小于10 g，最高的为蜀葡一号，为9.21 g，最小的为红巴拉多，为3.49 g。比叶重红提和蜀葡一号的大，分别为272.86 g·m-2和214.19 g·m-2，美人指的最小，为106.15 g·m-2。

表1 14种葡萄叶面积、叶鲜重和比叶重

2.3 14种葡萄叶组织测量结果分析

由表2 可知，7种欧美杂交品种葡萄进行比较，巨峰葡萄的叶片平均厚度、栅栏组组厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角质层厚度均为最大，金手指的叶片平均厚度、栅栏组组厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度均为最小；7种欧亚品种比较，红提葡萄的叶片平均厚度、栅栏组组厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角质层厚度均为最大，玫瑰香葡萄的叶片平均厚度、栅栏组组厚度、海绵组织厚度、角质层厚度等厚度为最小。欧美杂交品种的葡萄叶片平均厚度为0.153 9 mm，欧美亚品种的葡萄叶片平均厚度为0.147 2 mm，欧美杂交品种的葡萄叶片平均厚度高于欧美亚品种的4.41 %。叶片厚度最大的巨峰，约是金手指叶片厚度的2 倍，且差异显著。欧美杂交品种巨峰叶栅栏组织厚度为0.091 7 mm，显著的高于其他13个品种的，最小的为欧美杂交品种金手指，栅栏组织厚度为0.034 2 mm，显著的小于除玫瑰香外的葡萄品种。

表2 14种葡萄叶组织解剖结构厚度

2.4 主成分分析

为便于观察，使用主成分分析法对平均叶面积、平均鲜重、叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角质层厚度8 个耐弱光性指标进行分析。根据主成分分析法对数据的要求，完成各指标正向化和指标数据标准化。

2.4.1 适宜度检验

主成分分析要求各指标之间具有较强的相关性，首先使用Kaiser-Meyer-Olkin 检验(简称KMO 检验)和Bartlett 的球形检验,进行先决性检验。经检验，KMO=0.523>0.50，Bartlett 的球形检验显著性=0.000<0.01，表明该数据适宜进行主成分分析。

2.4.2 主成分提取

特征值的大小与主成分的解释能力成正比，特征值越大，解释能力越强。根据总方差解释表（表3），选择特征值>1、方差累积百分比>80%的3 个主成分的累积贡献率可以解释总变异的93.66%，可以较好的解释指标。

根据表3 得知，第1 个主成分的特征值为4.477，方差百分比为55.967%，主要解释叶片厚度、栅栏组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度4个指标；第2 个主成分的特征值为1.882，方差百分比为23.526%，主要解释平均叶面积、平均鲜重2 个指标；第3 个主成分的特征值为1.133，方差百分比为14.167%，主要解释海绵组织厚度、角质层厚度2 个指标。

表3 14种葡萄叶组织解剖结构测量数据旋转后的成分矩阵a

根据表4、表5，构建3 个主成分分值表达式，结果为：

表4 14种葡萄叶组织解剖结构测量数据成分变换矩阵

表5 14种葡萄叶组织解剖结构测量数据成分得分系数矩阵

其中V1-V8 为各指标标准化数值。

2.4.3 综合评价

将各组数据进行标准化处理后代入各主成分表达式和综合主成分计算模型中计算，得到各葡萄品种耐弱光性综合评分，所得结果见表6。得到各葡萄品种耐弱光性评价为：巨峰>夏黑>香悦>蜀葡一号>户太8 号>红提>玫瑰香>瑞都红玉>克伦生>红巴拉多>美人指>巨玫瑰>阳光玫瑰>金手指。

表6 14种葡萄叶组织解剖结构测量数据主成分、综合主成分分值

续表5

3 讨论

植物体的形态、结构和生理功能是统一的，叶片作为植物的主要光合器官，其形态的建成与解剖学特性直接关系到植株的光合速率[17]。姚允聪在研究桃叶片结构时发现，弱光条件下，栅栏组织在弱光条件下相对变厚，有利于叶绿体的向阳排列；海绵组织厚度相对增加，使得叶片能更充分的利用光能，有利于提高光合效率[18]。安福全[19]在研究低温弱光对西葫芦叶片解剖结构的影响，结构表明：弱光下西葫芦叶片表皮细胞变薄，栅栏组织厚度减小，叶片厚度减小，海绵组织变得较为疏松。14 个葡萄品种间所表现出的叶片解剖结构的差异性反应了不同品种对弱光的适应能力的不同，谢计蒙[20]认为可通过分析弱光下植物比叶重、叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度等形态指标，来确定品种适应弱光的能力。本试验中，欧美杂交品种香悦和巨峰，欧亚品种红提和蜀葡一号的比叶重较大，均超过200 g·m-2；巨峰葡萄的叶片平均厚度、栅栏组组厚度、上表皮厚度、下表皮厚度均显著的大于其他13 个葡萄品种。香悦葡萄的叶片组织紧密度值最低，表现在叶显微结构上为栅栏组织和海绵组织排列疏松。将本试验各组数据进行标准化处理后代入各主成分表达式和综合主成分计算模型中计算，得到各葡萄品种耐弱光性综合评分。各葡萄品种耐弱光性评价为：巨峰>夏黑>香悦>蜀葡一号>户太8 号>红提>玫瑰香>瑞都红玉>克伦生>红巴拉多>美人指>巨玫瑰>阳光玫瑰>金手指。本研究中欧美杂交种巨峰表现出最佳的耐弱光性，其次为夏黑和香悦；欧亚种蜀葡一号和红提的耐弱光性较佳，认为一般而言欧美杂交种葡萄较欧亚种葡萄耐弱光，与吴月燕[21]在两类不同种葡萄上得到的结果一致。欧美杂交种葡萄比较适应高温多湿寡日照气候，且抗病性强，巨峰、夏黑因其适应性强，产量高，品质优，深受消费者喜爱，已在我国各地不同气候类型的种植区域广泛种植，巨峰是四川盆地的主栽鲜食葡萄品种。而欧亚种葡萄在多雨、高温、高湿环境抗病性弱，但其脆甜的口感，高产和耐储运等品质受种植户和消费者的喜欢，随着葡萄避雨栽培的使用，使得欧亚种的种植越来越广泛。在四川盆地，弱光因素影响突出的情况下，通过对叶解剖结构的弱光适应性评价，结合葡萄早晚熟性，可种植巨峰、夏黑、香悦，蜀葡一号和红提等品种葡萄。