17个葡萄砧木品种叶片解剖结构与抗旱性分析

由佳辉，高 林，冯琳骄，买迪妮阿依·买买提，周 龙，李树德

（1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆维吾尔自治区玛纳斯县中信国安葡萄酒业有限公司，新疆玛纳斯 832200）

0 引言

【研究意义】葡萄（Vitis vinifera L.）为葡萄科（Vitaceae L.）一种落叶藤本果树[1]，我国葡萄产区分布广泛，西北地区是重要产区之一，该地区受干旱半干旱气候影响，降水稀少，蒸发量大，大部分地区可利用降水量不足250 mm，甚至少数地区可利用降水量已低于10 mm[2]，水资源严重匮乏，极大地限制了该地区葡萄产业的健康可持续发展。而利用抗旱砧木进行嫁接栽培，对抗旱性葡萄品种筛选有重要意义。【前人研究进展】叶片作为植物适应环境变化时最为敏感的器官之一，具有较强可塑性，其细胞组织结构的特征与变化最能反应逆境对植物的影响[3-5]，在抗旱研究中尤为重要，可以作为评价植物抗旱性的重要依据。樊卫国[6]、郭素娟等[7]分别在梨砧木和板栗的抗旱性研究中得出，叶片解剖结构特征与砧木抗旱性联系紧密，可以用来鉴定品种之间抗旱能力。王金印等[8]在对3种葡萄叶片和根系研究中，也表明叶片组织结构紧密度值和栅海比越高、叶片组织结构疏松度值越低的品种，其抗旱性越强。厉广辉等[9]通过研究得出，叶片厚度、栅海比值与品种抗旱性呈极显著正相关，不论在正常浇水时还是干旱条件下均有较高表现。潘昕等[10]在研究青藏高原25种灌木的抗旱性时，气孔密度、叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度和角质层厚度能够较为敏锐的反映植物的抗旱能力。【本研究切入点】新疆葡萄种质资源极为丰富，但鲜有针对该地区抗旱性葡萄砧木的评价报道。需研究叶片解剖结构指标与葡萄砧木抗旱性之间的关系。【拟解决的关键问题】分析新疆地区的17个葡萄砧木品种的茎叶相对含水量、电导率以及叶片解剖结构的特征与变化，并运用主成分分析法和聚类分析法对各个砧木品种的抗旱性进行评价，研究其与品种抗旱性的关系，为优良抗旱砧木的筛选与推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在中信国安葡萄种质资源基地进行，该基地位于天山北麓玛纳斯河流域，属于典型的大陆性气候，年均降水量110～200 mm，年蒸发量1500～2 000 mm[11]。试验所用的葡萄砧木品种及其亲本如下，皆为长势一致且健康的7年生成年植株，每个砧木品种栽植两行，植株树龄为7 a，南北行向，株行距为0.5 m×2.0 m，树势中庸，栽培管理基本一致。表1

表1 葡萄砧木品种及其亲本Table 1 Test Grape rootstock varieties and their parents

1.2 方法

1.2.1 试验设计

各品种各选取长势中庸、生长状态良好且无病虫害的植株5株用于试验。采用自然干旱法给予葡萄砧木干旱胁迫，于2019年7月11日将试验田地浇透水，在7月12日（对照CK）和8月1日（处理Treatment）分别取样，并采用烘干法测定其土壤含水量，CK 土壤绝对含水量为25.88%，Treatment土壤绝对含水量为7.64%。每次每株选取第3～4 节位的健康功能叶6 片和第3～4 节位的茎节间3 节，将采取的叶片与茎节间全部用蒸馏水洗净后，用滤纸吸净表面水分。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 相对含水量与相对电导率

取出1/2 的叶片和全部的茎节间，采用饱和称重法[12]测定叶片相对含水量（relative water content of leaf，RWCL）和茎相对含水量（relative water content of stem，RWCS），采用电导仪法[12]测定叶片相对电导率（relative conductivity of leaf，RECL）和茎相对电导率（relative conductivity of stem，RECS）。

1.2.2.2 叶片组织结构观察

将剩余叶片避开叶片大叶脉，剪取若干0.6 cm×0.6 cm 的小叶块，置于FAA 固定液中带回实验室，放于4 ℃冰箱中保存1周后，采用石蜡切片法制片，切片厚度为8µm，在番红—固绿染色后封片，于Nikon显微镜下拍照，并用显微镜维尺对叶片厚度（thickness of leaf，TL）、上表皮细胞厚度（thickness of upper epidermis，TUE）、下表皮细胞厚度（thickness of lower epidermis，TLE）、栅栏组织厚度（thickness of palisade tissue，TP）和海绵组织厚度（thickness of spongy tissue，TS）测量，每片5个视野，重复10 次，每次每个砧木品种观察视野总数为150，每个视野读取3个观察值，求其平均值。

栅海比（Ratio of palisade tissue/spongy tissue，R/S）=栅栏组织厚度/海绵组织厚度；

细胞结构紧密度（cell tense ratio，CTR）=栅栏组织厚度/叶片厚度×100%；

细胞结构疏松度（spongy ratio，SR）=海绵组织厚度/叶片厚度×100%。

参照Bouslama等[13]的方法计算得出叶片解剖结构指标的抗旱系数。

叶片解剖结构指标的抗旱系数=（Treatment各指标值/CK各指标值）×100%。

1.3 数据处理

数据处理和表格制作均采用Excel 2010 和SPSS 19.0完成。

2 结果与分析

2.1 茎、叶相对含水量

研究表明，17个葡萄砧木品种的叶片相对含水量和茎相对含水量的CK分别保持在69%～80%和82%～95%，存在显著性差异（P＜0.05），到干旱胁迫21d 后的Treatment 则都出现了极显著性差异（P＜0.01）。叶片相对含水量的Treatment 较CK 均出现大幅度降低的现象，与CK 相对比，其中降幅较小的为1103P、河岸9 号和5BB，降幅较大的为河岸4号、Ganzia和Riparia Glorie。而茎相对含水量的Treatment 与CK 相比，则出现了上升和下降两种情况，且变化幅度都较小。17个葡萄砧木品种中出现下降变化的为Ganzia、河岸7号、3309C 和河岸2 号，其中又以Ganzia 下降幅度最大，降低了7.62%，剩余13个品种都为上升趋势，1613C上升幅度最大，升高了12.54%。表2

表2 17个葡萄砧木品种茎叶相对含水量Table 2 The relative water content of stem and leaf of 17 grape rootstock varieties

2.2 茎、叶相对电导率

研究表明，17个葡萄砧木品种仅叶片相对电导率的CK 存在显著性差异（P＜0.05），且基本保持在20%～10%，而其叶片相对电导率的Treatment以及茎相对电导率的CK和Treatment则都存在极显著性差异（P＜0.01）。各品种叶片相对电导率的增加幅度为20%～34%，其中，1103P 的增加幅度最小，仅增加了20.15%，Ganzia 的增幅最大，增加了33.44%。17个葡萄砧木品种的茎相对电导率则从8%～20%增加到了32%～49%。其中，5BB、1103P、河岸9号和3309C这4个品种茎段相对电导率的增幅都小于24%，分别为21.73%、22.62%、23.21%和23.31%，Ganzia、河岸4 号和101-14MG 这3个品种茎段相对电导率的增幅大于32%，分别为33.87%、33.71%和32.32%。表3

表3 17个葡萄砧木品种茎叶相对电导率Table 3 The relative electrical conductivity of stem and leaf of 17 grape rootstock varieties

2.3 葡萄砧木品种叶片解剖结构特征

研究表明，17个葡萄砧木品种成熟叶片的解剖结构大致相同，依次包括上表皮、栅栏组织、海绵组织和下表皮，其中仅1613C 和贝达这2种砧木叶片的下表皮有较为明显的绒毛。栅栏组织由单层柱状细胞组成，排列较为紧密规则，紧靠上表皮且与其垂直。海绵组织则位于栅栏组织和下表皮之间，由大小、形状均不规则的细胞组成，排列疏松，彼此存在大量间隙。Treatment 的栅栏组织之间的间隙和海绵组织之间的间隙较CK均有不同程度的扩大。图1

在受到干旱胁迫后，大部分叶片解剖结构抗旱相关指标较CK 会有不同程度的升高，根据抗旱系数平均值的大小，将8 项指标对干旱胁迫的敏感程度进行排序，栅海比＞细胞结构紧实度＞细胞结构疏松度＞上表皮细胞厚度＞叶片厚度＞下表皮细胞厚度＞栅栏组织厚度＞海绵组织厚度。栅海比和细胞结构紧实度于干旱胁迫后均呈现增加的品种有1613C、3309C、1103P、贝达、Riparia Glorie、河岸10号、河岸9号和山河4号，而栅海比和细胞结构紧实度均呈现减少的品种有101-14MG、Ganzia、河岸7 号、河岸4 号、河岸2 号和山河1号。由于同一品种不同指标或同一指标不同品种之间的抗旱系数都有较大差异，故应将各项指标进行综合比较，提高对各品种抗旱性评价的可信度。图1，表4

表4 17个葡萄砧木品种叶片解剖结构中抗旱性相关指标的抗旱系数Table 4 The drought-resistance coefficient of the indexes related to drought-resistance in the anatomical structure of leaves of 17 grape rootstock varieties

图1 17个葡萄砧木品种叶片解剖结构Fig.1 Anatomical structure of leaves of 17 grape rootstock varieties

2.4 抗旱性相关指标的主成分分析及综合评价

研究表明，4个主成分的累计贡献率达到87.739%，这4个主成分代表了原有信息的绝大部分，贡献率最高的为主成分1，达到32.870%，其反映的信息量最大。主成分1的负向载荷中细胞结构疏松度的权数最大，为-0.240，而正向载荷中海绵组织厚度权数的最大，为0.236，这两个指标对主成分1 的作用较大。主成分2 的贡献率为24.922%，其中负向载荷的叶片相对含水量的权数最大，为-0.309，正向载荷中茎相对电导率和叶片相对电导率的权数较大，分别为0.308 和0.300。主成分3 的贡献率为20.181%，其正向载荷中栅栏组织厚度和栅海比的权数最大，分别为0.348 和0.339，负向载荷中细胞结构紧密度的权数最大，为-0.341。主成分4的贡献率为9.766%，其中较大权数都集中在正向载荷，最大的是上表皮细胞厚度，为0.712，远大于其他指标，其次是茎相对含水量，为0.448，是主成分4 的主要贡献指标。表5

表5 17个葡萄砧木品种各项指标的主成分载荷矩阵、特征值和贡献率Table 5 Principal component loading matrix,characteristic value and contribution rate of 17 grape rootstock varieties of various indicators

根据综合得分F越高的砧木品种，其抗旱能力越强，进行综合排名。各表达式分别如下：

F1=- 0.072X1+ 0.098X2+ 0.069X3+ 0.079X4-0.007X5+ 0.163X6+ 0.191X7+ 0.126X8+ 0.236X9-0.137X10+0.130X11-0.240X12；

F2=- 0.309X1+ 0.300X2+ 0.124X3+ 0.308X4+0.080X5- 0.048X6- 0.099X7- 0.048X8- 0.092X9+0.030X10-0.046X11+0.082X12；

F3=- 0.009X1+ 0.013X2+ 0.070X3- 0.002X4-0.030X5- 0.115X6+ 0.193X7+ 0.348X8+ 0.054X9+0.339X10-0.341X11-0.039X12；

F4=0.163X1- 0.069X2+ 0.448X3- 0.134X4+0.712X5+ 0.287X6+ 0.001X7- 0.017X8- 0.047X9+0.085X10-0.021X11+0.066X12；

F=- 0.099X1+ 0.118X2+ 0.127X3+ 0.101X4+0.092X5+0.053X6+0.088X7+0.112X8+0.070X9+0.045X10-0.045X11-0.068X12。

上列各式中：X1表示叶片相对含水量；X2表示茎相对含水量；X3表示叶片相对电导率；X4表示茎相对电导率；X5表示上表皮细胞厚度；X6表示下表皮细胞厚度；X7表示叶片厚度；X8表示栅栏组织厚度；X9表示海绵组织厚度；X10表示栅海比；X11表示细胞结构紧密度；X12细胞结构疏松度。

17个葡萄砧木品种抗旱能力的强弱顺序为：1103P＞5BB＞河岸9号＞3309C＞河岸2号＞河岸10号＞山河4 号＞1613C＞Dogrizdge＞贝达＞山河1号＞山河3 号＞河岸7 号＞Riparia Glorie＞101-14MG＞河岸4号＞Ganzia。其中，在17个葡萄砧木品种中，1103P的综合得分最高，达到了31.061分，其抗旱能力最强；而Ganzia 的综合得分最低，只有22.368分，其抗旱能力最差。表6

表6 主成分综合评价结果Table 6 Results of principal component comprehensive evaluation

2.5 抗旱性的聚类

研究表明，当欧式距离阀值为4时，根据4个主成分的得分将17个葡萄砧木品种区分为5 大类。第1类包括1103P、5BB和河岸9号，这3个砧木品种的抗旱性最强；第2 类包括3309C、河岸2号、河岸10 号和山河4 号，综合得分位于第4～7位，这4个砧木品种的抗旱性较强；第3 类包括1613C、Dogridge、贝达和山河1 号，这4个砧木品种的综合得分位于第8～11 位，抗旱性中等；第4类包括山河3 号、河岸7 号、Riparia Glorie、101-14MG和河岸4号，综合得分为第12～16位，这5个砧木品种的抗旱性较弱；第5类仅包括Ganzia，其综合排名为第17位，Ganzia的抗旱性最弱。聚类分析的结果与主成分分析的结果具有一致性，均可用于评价葡萄砧木品种的抗旱性强弱。图2

图2 17个葡萄砧木品种抗旱性的聚类Fig.2 Cluster analysis results of drought resistance of 17 Grape Rootstock Varieties

3 讨论

3.1 茎、叶相对含水量与抗旱性的关系

所有砧木品种叶片上、下表皮均为单层长方形细胞，栅栏组织和海绵组织分化明显，属于典型的异面叶[14]。相对含水量是植物体内的各种供水机制与保水机制综合作用的结果，干旱条件下具有较高相对含水量的植物，可以更好的维持体内的水分平衡，通常被认为与植物的抗旱性呈正相关[15-17]。研究发现在受到干旱胁迫后，17个葡萄砧木品种的叶片相对含水量较CK 均有所减少，而茎相对含水量则出现减少和增加两种变化趋势。WARING 等[18]认为植物在受到干旱胁迫时，会主动闭合叶片上的气孔，减少叶片水分损失，但同时会引起蒸腾拉力减弱，进而使较多的水分贮藏在植物茎中。孙琪等[19]在研究干旱胁迫下云南松苗木时发现茎的相对含水量随干旱胁迫程度增加呈下降趋势，与研究结果存在一定的差异。云南松属于针叶树种，叶面积和叶片气孔数量明显小于葡萄砧木叶片，且葡萄的节间与茎之间存在横膈膜这一特殊结构，在一定程度上阻碍了水分向叶片的运输，造成这种差异的出现。

3.2 叶片解剖结构与抗旱性的关系

植物在生长发育过程中，各个器官的生理形态特征不仅受遗传的控制，还会随环境因素的变化而发生各种适应性变化[20]。叶片作为植物暴露在空气环境中的面积最大的器官，同时也是植物适应环境变化时最为敏感的器官之一，其结构特征是评价植物适应环境能力大小的重要依据[10]。研究结果发现，17个葡萄砧木品种之间的叶片解剖结构参数指标中以栅海比对干旱胁迫的敏感程度最高，且栅海比与品种抗旱性呈正相关。樊卫国等[6]在研究梨砧木的叶片组织结构与抗旱性关系时也得出，栅海比越大，梨砧木的抗旱性越强，与研究结果一致。通常认为栅栏组织内含有大量的叶绿体，较厚的栅栏组织有利于植物光合作用的增强，提高强光利用效率，以减少光照对植物的伤害[21-23]，而海绵组织由于排列疏松，间隙较大，会加快植物的气体交换和蒸腾速率[24]，栅海比越大越有利于植物在干旱环境中生存。

4 结论

观测的8项叶片解剖结构指标与植物抗旱性的敏感程度不一致，对干旱胁迫敏感程度的顺序为栅海比＞细胞结构紧实度＞细胞结构疏松度＞上表皮细胞厚度＞叶片厚度＞下表皮细胞厚度＞栅栏组织厚度＞海绵组织厚度。1103P、5BB 和河岸9号的抗旱性极强，3309C、河岸2 号、河岸10 号和山河4 号的抗旱性较强，1613C、Dogridge、贝达和山河1 号的抗旱性中等，山河3 号、河岸7 号、Riparia Glorie、101-14MG 和河岸4 号的抗旱性较弱，Ganzia的抗旱性最弱。