杂交葡萄‘M10’及其亲本叶片解剖结构与光合特性研究

纪佳慧,张付春,钟海霞,潘明启,周晓明, 乔江霞,李文胜,伍新宇

(1. 新疆农业大学 园艺学院,乌鲁木齐 830052;2. 新疆农业科学院 园艺作物研究所,乌鲁木齐 830091)

叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用和气体交换的重要场所,为植物的生长和发育提供所需的养分,其显微结构不仅是植物进行一系列生理活动的基础,同时与适应环境能力、抗逆性等密切相关[1-3]。木纳格葡萄为大粒、有核、晚熟品种,是最具新疆特色的传统地方品种之一[4],有‘白木纳格’和‘红木纳格’两种[5],主要集中在新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿图什市,喀什、阿克苏也有少量种植。‘莫莉莎无核’是美国农业研究中心培育成的中晚熟、大粒、黄白色、有玫瑰香味、耐储运的无核品种[6-7]。关于木纳格葡萄,前人在贮藏保鲜、田间管理、果实品质、光合特性等方面有部分研究[4,8-14],莫莉莎无核葡萄在贮藏保鲜、果实品质、抗性分析、亲缘关系分析等方面有部分研究[15-18]。2010-2011年新疆农科院园艺所葡萄课题组用‘莫莉莎无核’做父本和‘白木纳格’杂交,在后代中筛选出的优株‘M10’具有中早熟、红色、玫瑰香味、肉脆等特点,是优异的育种材料,也可在生产上示范推广。‘M10’与其父母本在果实颜色、成熟期等方面存在较大差异,为进一步了解‘M10’与其父母本在生理生化方面的差异,本研究对杂交葡萄‘M10’及其亲本的叶片解剖结构与光合生理相关因子进行系统地观测和比较分析,探究其叶片解剖结构与光合生理特征的相关关系,为后续相关研究提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在新疆农业科学院综合试验场园艺所葡萄基地核心示范园进行,该地属于温带干旱半干旱大陆性气候。试验材料为杂交葡萄‘M10’及其母本‘白木纳格’、父本‘莫莉莎无核’(图1),各品种生长环境和栽培管理方法一致。

1.2 方 法

2021年于果实膨大期的晴天,每个品种选择生长健壮、长势相近的3株,每株选取新梢第4～5节位上向阳、无病虫害的功能叶3片,采用CIRAS-3便携式光合仪(PP SYSTEMS,USA)于北京时间10:30-21:00测定净光合速率(Net photosynthetic rate,Pn,μmol·m-2·s-1)日变化,光合仪同步记录叶面光合有效辐射(Photosynthetically active radiation,PAR,μmol·m-2·s-1)、环境温度(Tamb,℃)、叶片温度(Tleaf,℃)、相对湿度(RH,%)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration,Ci,μmol·mol-1)、气孔导度(Stomatal conductance,Gs,mmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr,mmol·m-2·s-1)等参数,2 h测定1次(以实际测定时刻为准),共6次。采集对应叶片用FAA固定液固定,番红—固绿染色法观察叶片解剖结构。用显微镜观察并采集图片,Image J软件测量叶片厚度、主脉厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度等指标,参照高驰等[19]的方法计算:叶脉突起度(Vein protu-berance degree,VPD)=叶脉厚度/叶片厚度;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%;栅海比(Palisade tissue thickness / Spongy tissue thickness,P/S)=栅栏组织厚度/海绵组织厚度。于果实转色期的晴天上午北京时间11:00-13:00测定光照强度在 2 500、2 000、 1 500、1 100、750、500、300、150、75、0 μmol·m-2·s-1时的光响应特征参数。

光合光响应数据采用Ye等[20]模型拟合,用DPS数据处理系统中的Duncan’s法进行方差分析,图表绘制使用Excel 2019和Origin 9.0 软件。

2 结果与分析

2.1 ‘M10’及其亲本叶片解剖结构特征比较

2.1.1 ‘M10’及其亲本的叶表皮与主脉特征 ‘M10’及其亲本的上、下表皮均由单层薄壁细胞构成,表皮细胞形状多样。‘白木纳格’的上表皮细胞呈矩形或长圆形,略有突起,下表皮细胞多为矩形或不规则形;‘莫莉莎无核’的上、下表皮细胞均呈矩形或突起状;‘M10’的上、下表皮细胞均呈不规则形;角质层均不明显(图2)。叶片厚度‘白木纳格’>‘M10’>‘莫莉莎无核’,差异极显著。上表皮厚度‘白木纳格’>‘M10’>‘莫莉莎无核’,差异显著。下表皮厚度‘M10’极显著低于‘白木纳格’和‘莫莉莎无核’(表1)。‘M10’及其亲本主脉均为椭圆形或圆形,上、下表皮突出,且下表皮突出程度高于上表皮。主脉厚度‘M10’极显著低于‘白木纳格’和‘莫莉莎无核’。叶脉突起度是主脉厚度与叶片厚度的比值,‘莫莉莎无核’>‘白木纳格’>‘M10’,‘莫莉莎无核’极显著高于‘M10’(图2,表1)。

表1 ‘M10’及其亲本的叶表皮与主脉特征Table 1 Characteristics of leaf epidermis and main vein of ‘M10’ and its parents

A-Ⅰ.‘白木纳格’叶表皮和叶肉组织;A-Ⅱ.‘白木纳格’主脉;B-Ⅰ.‘莫莉莎无核’叶表皮和叶肉组织;B-Ⅱ.‘莫莉莎无核’主脉; C-Ⅰ.‘M10’叶表皮和叶肉组织;C-Ⅱ.‘M10’主脉;UE.上表皮;LE.下表皮;PT.栅栏组织;ST.海绵组织

2.1.2 ‘M10’及其亲本的叶肉组织结构特征 ‘M10’及其亲本的叶肉组织均由栅栏组织和海绵组织组成。栅栏组织靠近叶片上表皮,由排列规则、紧密的长柱状单层细胞组成;海绵组织靠近叶片下表皮,由排列规律性差、疏松的不规则形细胞组成,细胞数量较少且有较多的细胞间隙。

‘M10’叶片栅栏组织厚度与‘白木纳格’差异不显著,但极显著高于‘莫莉莎无核’。海绵组织厚度‘白木纳格’>‘M10’>‘莫莉莎无核’,差异极显著。栅海比‘M10’>‘莫莉莎无核’>‘白木纳格’,差异极显著。细胞结构紧密度‘M10’极显著大于‘白木纳格’和‘莫莉莎无核’。细胞结构疏松度‘白木纳格’极显著大于‘M10’(表2)。

表2 ‘M10’及其亲本的叶肉组织结构特征Table 2 Structural characteristics of mesophyll tissue of ‘M10’ and its parents

2.2 ‘M10’及其亲本光合生理指标比较

2.2.1 ‘M10’及其亲本净光合速率的光响应 ‘白木纳格’和‘M10’净光合速率始终高于‘莫莉莎无核’(图3)。‘莫莉莎无核’暗呼吸速率Rd最高,极显著高于‘白木纳格’和‘M10’,‘白木纳格’与‘M10’差异不显著;‘白木纳格’最大净光合速率Pnmax最大,极显著高于‘M10’和‘莫莉莎无核’,‘莫莉莎无核’极显著低于‘M10’;‘白木纳格’光饱和点LSP最高,极显著高于‘莫莉莎无核’和‘M10’,‘莫莉莎无核’与‘M10’差异不显著;‘莫莉莎无核’光补偿点LCP最高,极显著高于‘白木纳格’和‘M10’,‘白木纳格’与‘M10’差异不显著;‘M10’与其父母本的表观量子效率AQY差异不显著(表3)。

表3 ‘M10’及其亲本光响应曲线的特征参数Table 3 Characteristic parameters of light response curves of ‘M10’ and its parents

图3 ‘M10’及其亲本的光响应曲线Fig.3 Light response curves of ‘M10’ and its parents

2.2.2 ‘M10’及其亲本叶片光合气体交换参数日变化 从净光合速率(Pn)日变化(图4)来看,‘白木纳格’呈明显的双峰型变化趋势,有午休现象,第一次峰值出现在13:06,之后下降,在17:07到达低谷,然后在19:09出现第二次峰值,之后迅速下降。‘莫莉莎无核’在12:38出现峰值之后下降,14:41到达低谷,然后缓慢回升,在18:41出现第二次峰值,之后迅速下降,有午休现象。‘M10’在15:02达到最大值,然后下降直至 19:02,之后下降更为迅速,属于单峰曲线,没有午休现象。Pn日均值表现为‘白木纳格’>‘M10’>‘莫莉莎无核’(表4),‘M10’显著高于‘莫莉莎无核’。

表4 ‘M10’及其亲本的叶片光合气体交换参数日均值Table 4 Daily mean values of photosynthetic gas exchange parameters in leaves of ‘M10’ and its parents

图4 ‘M10’及其亲本的叶片光合气体交换参数日变化Fig.4 Diurnal variation of photosynthetic gas exchange parameters in leaves of ‘M10’ and its parents

‘莫莉莎无核’和‘M10’的胞间CO2浓度(Ci)日变化趋势相似(图4),基本上分别在18:41和19:02之前呈现缓慢降低,之后呈快速上升的趋势。而‘白木纳格’在19:09之前的变化呈双峰曲线,13:06出现第一次峰值,15:09出现第一次低谷,17:07出现第二次峰值,19:09是整个日变化过程中的第二次低谷,之后呈快速上升趋势。Ci日均值表现为‘M10’>‘白木纳格’>‘莫莉莎无核’(表4),且‘M10’与父母本均存在极显著差异。

3个品种的气孔导度(Gs)日变化规律基本一致(图4),都是先上升后下降,属于单峰型变化趋势,峰值均出现在13:00左右。其中‘白木纳格’和‘莫莉莎无核’下降过程分为两个阶段,都是在15:00左右之前快速下降,之后缓慢下降;而‘M10’下降过程分为3个阶段,15:00左右之前下降较为缓慢,之后迅速下降直至17:00之后再较为缓慢地下降。Gs日均值表现为‘M10’>‘白木纳格’>‘莫莉莎无核’(表4),且‘M10’与父母本均存在极显著差异。

‘莫莉莎无核’和‘白木纳格’的蒸腾速率(Tr)日变化趋势相近(图4),区别在于第一个时间段内的变化,‘白木纳格’呈快速上升趋势,而‘莫莉莎无核’基本没有变化,后面4个时间段变化趋势一致,均在第三次测定时到达低谷,第四次测定时出现峰值,且始终表现为‘白木纳格’高于‘莫莉莎无核’;‘M10’在整个蒸腾速率日变化测定过程中均高于其父母本。Tr日均值与相应Gs的表现一致(表4)。

2.3 叶片解剖特征与光合参数的相关性分析

由表5可知,光合气体交换参数变化主要决定于栅栏组织厚度PT,其中Pn与PT极显著正相关,相关系数为0.876,Gs与PT显著正相关,相关系数为0.728。光合气体交换参数中Pn与Gs显著正相关,Ci、Gs和Tr两两之间均存在极显著正相关关系。同时,本研究中的LT与UET、ST极显著正相关,与LET、PT显著正相关,UET与LET、ST极显著正相关,这是由叶片组织结构构成决定的。

表5 叶片解剖特征与光合参数的相关分析Table 5 Correlation analysis between leaf anatomical characteristics and photosynthetic parameters

3 讨 论

最大净光合速率反映了叶片的光合潜能[21],光饱和点、光补偿点分别作为衡量植物对强光、弱光的利用能力的指标[22],饱和点越高,反映植物利用强光的能力越强;补偿点越低,反映植物利用弱光的能力越强。本研究中,‘白木纳格’光饱和点最高,与另外两品种存在极显著差异,光补偿点低,对光照强度的利用范围最宽,表明其耐强光同时也耐弱光,对光环境的适应性非常强。‘莫莉莎无核’光补偿点最高,与另外两品种存在极显著差异,光饱和点最低,对光照强度的利用范围最窄,适应性相对较弱。‘M10’对光环境的适应性则介于父母本之间。另外‘白木纳格’不仅最大净光合速率最大,而且其叶片厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度最大,这都表明‘白木纳格’可能具有较大的光合潜能。

光合作用日变化有多种类型,其变化类型主要取决于植物的种类和测定时的外界条件[23]。本试验中,‘M10’净光合速率日变化趋势呈单峰曲线,‘白木纳格’净光合速率日变化趋势呈明显的双峰曲线,说明‘白木纳格’光合作用存在午休现象,这与伍新宇等[12]和张付春等[14]对‘木纳格’葡萄光合日变化的研究结果不一致。本研究中的‘白木纳格’第一次峰值出现在13:06前后,之后下降,在17:07前后到达低谷。这个下降过程分两个阶段进行:13:06-15:09净光合速率下降伴随着气孔导度以及胞间CO2浓度的下降;15:09-17:07净光合速率下降较上一阶段更为迅速,气孔导度下降,蒸腾速率反而快速上升,这可能是葡萄叶片通过蒸腾作用调节叶片温度,而胞间CO2浓度大幅增高有可能是光呼吸[24]产生的CO2积累在细胞间隙的结果。根据Farquhar等[25-26]提出的引起光合午休的植物自身因素有气孔部分关闭(气孔限制因素)和叶肉细胞自身活性下降(非气孔限制因素)两种,推断‘白木纳格’净光合速率在13:06-15:09下降的主要原因是气孔限制,而15:09-17:07净光合速率下降是气孔限制和非气孔限制共同作用的结果,非气孔限制因素占主导地位。

一般而言,植物叶片结构与光合能力密切相关。叶肉是叶片进行光合作用的主要部位,栅栏组织或海绵组织厚度会影响到光合效率。前人研究发现,植物叶片栅栏组织越发达,光合效率越高[27-28],本试验结果也显示净光合速率与栅栏组织厚度呈极显著正相关关系,可能是因为葡萄叶片的叶绿体大部分存在于栅栏组织细胞中[3],栅栏组织厚度的增加为叶绿体数量和体积增加提供了可能[29],同时栅栏组织发达有利于叶绿体利用衍射光进行光合作用,从而提高光合效率[30]。

4 结 论

杂交葡萄‘M10’与其亲本的叶组织结构、光合特性均存在显著差异。果实膨大期‘M10’没有光合午休,而其父母本有不同程度的光合午休。‘M10’的光合能力介于父母本之间,母本‘白木纳格’光合能力最强,父本‘莫莉莎无核’光合能力最弱。‘M10’及其亲本的光合气体交换参数变化受叶片解剖结构影响,与栅栏组织厚度极显著正 相关。