不同品种茶花在干旱胁迫下叶片气孔和蜡质的差异化表现

魏 鸣 祁雄辉 董芳维 何 伟 高荣敏 李清源 陈宝林 张冬林 许 林

(1．武汉市农业科学院 武汉 430065；2．华中农业大学园艺林学学院 武汉 430070； 3.美国乔治亚大学园艺系 雅典 30602)

茶花是山茶科山茶属多种植物及园艺品种的通称。它既是中国十大著名的花卉之一，也是盆栽及其它园林绿化的一个重要花卉品类。作为中国传统花卉的茶花，原产于中国东部，尤以两江流域(长江、珠江)、云贵川等地居多，亚洲各国也有普遍种植。以中国的大陆、台湾分布居多，在日本和欧美等地区也有分布，尤以亚洲的品种数量最多[1]。

通过对国内外有关茶花干旱胁迫下植物性状研究的相关文献进行梳理，发现目前对茶花的研究主要集中在生理生化指标、分子水平响应等方面，对于叶片结构的研究并不多。近年来，茶属植物耐旱性的相关研究引起越来越多学者的关注，对于茶花叶片表皮蜡质等结构在保水抗旱方面的作用及机制研究才刚刚开始，特别是将其直接用于茶花品种之间的耐旱性比较研究还没有。本研究采用盆栽控水法进行干旱胁迫，利用扫描电子显微镜观测叶片的表皮，通过对叶片气孔和表皮蜡质抗逆响应的表现进行跟踪分析，了解干旱胁迫下不同品种茶花的表现差异，为进一步探讨和提高其抗旱性提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以前期试验筛选出的抗旱性较强的‘十八学士’Camelliajaponica‘shibaxueshi’和较弱的‘情人节’C.japonica‘qingrenjie’2个品种为研究对象。

1.2 试验方法

将2个品种的试验对象放置到光照、温度条件一致的温室大棚中进行干旱处理。每3盆为一组，每个品种做3组重复，共18盆。分别在进行干旱胁迫处理前、第15 天、第30 天、第40 天下午14∶00～16∶00进行样品采集，每个品种各阶段取4个样本在扫描电镜下观察，每个样本收集17个视野的照片进行气孔数统计，收集不同倍数下的蜡质形态照片，做对比讨论。

1.3 样本制备

取相同位置上成熟功能叶片，避开主脉，在中脉至叶缘1/2处取约5 mm×5 mm大小的叶片小块，迅速投入到2.5%戊二醛固定液中，抽气30 min，使叶片全部浸泡在固定液中，于室温下放置2 h后，放置到4 ℃冰箱保存。每个品种每次取样9个重复。样品进行真空冷冻干燥、喷金后，用 JSM-6390LV 生物扫描电子显微镜进行观察拍照。

1.4 数据处理

试验所得数据用“平均值±标准偏差”表述，应用 Microsoft Office Excel 2007处理所有数据。

2 结果与分析

2.1 叶片气孔形态

本试验仅在茶花叶片下表皮观察到了气孔，无规则状排列。同一个视野中‘十八学士’的气孔较小，排列较密集(图1-1)。‘情人节’的气孔较大，排列较稀疏(图1-2)。 在500 倍电镜下观测，‘十八学士’的气孔数为11±3 个/视野，‘情人节’的气孔数为 8±3 个/视野。通过放大至3 000倍观察发现，两个品种的气孔在试验的各个阶段其形态会发生变化且存在差异。

图1-1 干旱胁迫对‘十八学士’叶片气孔形态的影响

图1-2 干旱胁迫对‘情人节’叶片气孔形态的影响

随着干旱时间的延长，对植株表皮气孔闭合产生的影响存在差异。在干旱初期，‘十八学士’气孔大量闭合，蜡质堵塞气孔为极少数，仅保留部分气孔不关闭用于基本代谢；随着干旱时间的延长，气孔闭合率进一步增加，直至达到96.4%。 ‘情人节’则主要通过蜡质堆积堵塞气孔，来降低蒸腾速率。在干旱中后期 ，才出现近半数的气孔闭合；气孔闭合机制缓慢加强，同时蜡质分解、转移增加(表1)。

表1 两个茶花品种干旱胁迫期叶片气孔形态变化统计

2.2 叶片表面蜡质结构

两个品种的叶片上下表皮均附着有蜡质，上表皮蜡质覆盖较下表皮多。‘十八学士’上下表皮蜡质含量比 ‘情人节’的均较多。通过扫描电镜500、1 000、3 000倍对叶片上下表皮放大观察，干旱初期，‘十八学士’叶片上表皮蜡质积累速度明显快于下表皮，在15 d时达到高峰(表2)。胁迫中期上表皮的蜡质减少，下表皮增多，推测此时蜡质出现转移。在胁迫后期，上表皮蜡质再次正向积累达到高峰。下表皮蜡质，从干旱初期开始一直呈增加趋势，在30 d后开始减少(图2-1)。‘情人节’叶片上下表皮蜡质虽有正向积累，但速度较慢。在干旱30 d时达到峰值，之后出现负增长。(图2-2)。

表2 两个茶花品种干旱胁迫期叶片上下表面蜡质积累变化趋势

图2-1 干旱胁迫对‘十八学士’叶片蜡质形态的影响

图2-2 干旱胁迫对 ‘情人节’叶片蜡质形态的影响

3 结论与讨论

3.1 结论

试验通过大量电镜照片并结合以往的干旱生理试验结论，展示并证明了茶花在抵御干旱时的防御机制特点，即通过控制叶片下表皮的气孔开合，并结合叶片蜡质的合成、堆积、转移、分解来降低蒸腾，减少灼伤保护植株。由此，在抵御干旱胁迫时，相较于生化调节因素，其蜡质层、气孔调节和根系深度等是植物抗旱更为直接和主要的因素。本研究通过扫描电镜观察气孔形态和蜡质结构，结合光合表现进一步说明了茶花有别于其他品种花卉在抗旱方面的优势和耐受性。综上，茶花在感受干旱胁迫后，除了表型、生理生态以及光合特性等方面会出现差异外，叶片结构的差异对于品种间的抗旱能力影响更大，其在生理生态等方面有着不可忽视的作用。

3.2 讨论

通过观察发现，整个试验周期不同品种茶花的气孔密度和形态均会随着干旱程度的增加而发生改变，这与叶片的萎蔫程度有关[2-3]。已有诸多研究表明，干旱会促使叶片角质层蜡质的覆盖度变大，从而使角质蒸腾屏障变得更强[4-6]。本研究得出，伴随干旱周期茶花品种间叶片表皮的蜡质积累、形态和结构均存在差异性。通过归纳蜡质积累规律并结合气孔观察结果，胁迫中期‘十八学士’表皮气孔大量自主关闭，因此蜡质相对减少，可能是植株本身为了延续存活降低自身消耗。而此时‘情人节’叶片蜡质合成速度开始变快，下表皮蜡质明显比上表皮集聚的多，结合气孔闭合情况，说明该品种半数气孔闭合依赖于蜡质堵塞。胁迫后期，‘十八学士’叶片上表皮蜡质比下表皮集聚量差异明显，整体蜡质含量与30 d比较，上表皮出现正增长是为了降低灼伤性，下表皮出现负增长是为了减少合成带来的消耗，推测‘情人节’继续依靠蜡质堆积降低蒸腾率。

气孔开合及蜡质积累随着干旱时间延长出现规律性变化[7-8]。正常环境下，茶花以上表皮蜡质含量居多为宜。随着旱害不断加强，叶片表皮的气孔大量闭合，净光合速率、蒸腾速率快速下降[9]。叶片感受到干旱后，上、下表皮蜡质的积累规律出现显著差异。其中‘情人节’的叶片下表皮蜡质最早出现堆积，气孔也最早出现堵塞。整个胁迫周期中，对气孔的开张控制机制表现不得当，主要通过利用蜡质的合成、堆积来堵塞气孔，降低蒸腾作用，避免植株受害，属于完全被动防御机制。比较抗旱性表现相对较强的‘十八学士’，气孔的保卫细胞在干旱早期就启动闭合响应机制，叶片上表皮的蜡质堆积程度更强，更好地起到保护叶片免受光照和有害物质的伤害作用。下表皮主要通过控制气孔开张阻止蒸腾作用，降低胁迫下的生物量损耗。

这些结果说明，在经历逆境时，植物可能会做出一些更利己的选择，比如对角质蒸腾屏障功能较差的叶片上表皮的蜡质层优先进行修饰，这是植物在降低自身消耗，最大限度提高自身生存几率的有效策略，这与张弋的结论一致[8]，Carr也证实了气孔关闭是由水分亏缺引起[10]。因干旱引发茶花幼苗失水萎蔫后，植株体内游离脯氨酸含量很低，因此没有充足的机制保护其不受伤害[11-12]。

本试验通过对茶花2个品种的研究，推测叶片表皮的蜡质特性，在影响气孔开张的同时，对植株干旱胁迫下的光合作用也存在影响，但本文未在蜡质代谢途径，以及叶片的细胞器水平上再做深入研究及具体数据计量。在之后的研究中，应该结合蜡质的合成、代谢途径及原理，叶片的叶肉细胞和细胞器变化，通过研究不同角质层蜡质层次的修饰策略，来分析该物质是如何具体参与到植物的光合活动中并发挥作用的。