多年生黑麥草的葉片結構分析

程 玲 (長江大學農學院，湖北省澇漬災害與濕地農業重點實驗室，湖北 荊州 434025)

邱永福，葉東明，田志宏 (長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025)

多年生黑麥草的葉片結構分析

程 玲
(長江大學農學院，湖北省澇漬災害與濕地農業重點實驗室，湖北 荊州 434025)

邱永福，葉東明，田志宏
(長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025)

用徒手切片法和石蠟切片法，對11個多年生黑麥草(Loliumperenne)品種葉片的表皮結構和橫切面結構進行觀察與統計。結果表明：多年生黑麥草的葉表皮細胞形狀都較為規則并排列成行。在葉表皮結構中，不同多年生黑麥草葉片中單位面積的平均細胞數目變化較大，當細胞數目較多時，氣孔密度會偏大，而平均氣孔面積會變小。同時，不同品種葉片的平均上表皮厚度變化也很大，當葉片的主脈和上、下表皮厚度越大時，維管束的數目會減少，尤其是當上表皮厚度增加時，維管束數目會顯著地減少。

多年生黑麥草(Loliumperenne)；葉片結構；徒手切片；石蠟切片

多年生黑麥草(Loliumperenne)是應用最廣泛的冷季型禾本科草種之一，它既能作為優良的牧草，又能被用作草坪草。作為建植草坪的草種時，多年生黑麥草具有成坪速度快、葉片質地較精細等優良的坪用性狀[1，2]。因此，它已作為草坪建植中的先鋒草種被廣泛使用。但有研究表明，多年生黑麥草的耐熱及抗旱性能均比其他冷季型草坪草如草地早熟禾、高羊茅等差[3]。因此，篩選并獲得耐熱及抗旱性能較好的多年生黑麥草品種意義重大。評價植物的抗旱性能時，最傳統、最直接有效的途徑是直接進行抗旱性處理，篩選獲得存活的即為抗旱性能好的材料。但由于該方法操作性較差，且效率也較低，因此在抗旱性研究中，人們也常常采用其他一些方法來進行植物的抗旱性評價。植物長期生長在干旱生態環境中，往往會形成多種抗旱的形態結構，而最能反映干旱生境適應性特征的是葉片結構[4，5]。因此，分析葉片結構特征是評價植物抗旱性能的一個非常重要途徑。迄今為止，尚無多年生黑麥草葉片結構特征的研究報道。因此，本研究以11個多年生黑麥草品種為材料，采用徒手切片和石蠟切片后對葉表皮和葉片橫切面結構進行觀察和統計，旨在比較不同多年生黑麥草品種間葉片結構特征的差異，為評價抗旱性能提供合適的篩選指標并為獲得抗旱品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

多年生黑麥草(Loliumperenne)種子由北京中種草業有限公司、北京克勞沃種業有限公司及荷蘭百綠種子集團公司提供，其來源與編號詳見表1。田間種植每個品種3個小區(重復)，每個小區3 m ×2 m，隨機排列，小區播種量均為20 g/m2。將種子與少量沙混合人工撒播，播完后澆水，覆蓋薄膜。

1.2 方法

所用的葉片取自生長期為6個月的多年生黑麥草品種(即當年11月份播種，次年5月份取葉片)，每個品種取3片完全展開的新鮮無病害的葉片。采用簡易的徒手切片法制片后觀察葉表皮細胞及氣孔。具體方法是將葉片于中部剪下5 mm葉段，用固定液FAA固定24 h后，用刀片輕輕地刮去上表皮及葉肉，再放置盛水的培養皿中；然后在培養皿中用鑷子及玻璃棒輕輕地將葉表皮展平，再用毛筆將展平的葉表皮移至載玻片上；接著用1%番紅水溶液染色，蒸餾水漂洗浮色和鹽酸分色適度(低倍鏡觀察)后，用蒸餾水漂洗干凈并用濾紙吸干葉表皮周圍水分，最后經無水乙醇和二甲苯浸潤2次后蓋上蓋玻片，壓緊即可在顯微鏡下觀察。采用石蠟切片法制片來觀察葉片的維管束束數，主脈及上、下表皮厚度。方法是用單面刀片將中央有葉脈的部分切取5 mm的葉段，具體操作參照鄭國昌[6]的方法進行。每個葉片表面及橫切面分別隨機選取6個視野，觀察統計其形態特征并取平均值。

表1 11個多年生黑麥草品種的名稱及來源Table 1 The name and source of 11 perennial ryegrass varieties

葉片表皮結構特征觀察下表皮細胞數目、氣孔密度、氣孔長度和氣孔寬度。其中，下表皮細胞數目和氣孔密度的統計通過計數全部葉表皮中的細胞數和氣孔數，再除以葉表皮總面積。氣孔寬度為量取氣孔最寬處的長度。葉片橫切面主要觀察葉片的維管束束數、主脈及上、下表皮厚度。

1.3 數據處理

利用標尺工具配合顯微鏡照片上的比例尺測量各性狀指標大小，測得數據采用Microsoft Excel和SPSS 13.0軟件進行處理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 多年生黑麥草葉表皮細胞特征

從葉片的表皮特征看，11個不同多年生黑麥草的葉表皮細胞形狀都較為規則，排列成行，主要由長細胞和短細胞2種類型的細胞組成。長細胞呈長方形，縱向相接成行并平行排列于脈間，細胞壁厚薄不均，多數呈微波狀彎曲；短細胞呈橢圓形，成排于葉脈上。氣孔器分布在長細胞之間，由一對啞鈴形的保衛細胞和一對似半球形的副衛細胞組成。

2.2 多年生黑麥草葉表皮微形態結構特征

表2 11個多年生黑麥草品種的葉表皮結構特征Table 2 The leaf epidermal characteristics of 11 perennial ryegrass varieties

注：氣孔面積由氣孔長度乘以氣孔寬度獲得。

從表2可看出，多年生黑麥草葉片中單位面積的平均細胞數目變化較大，平均數目最多的2個品種是H8和H7，分別為19.5個/mm2和17.7個/mm2；平均數目最少的2個品種是H4和H6，分別為9.8個/mm2和11.4個/mm2。其他品種葉片中的細胞數目位于它們之間。單位面積內的平均氣孔密度在品種間也存在差異。H11和H2葉片的平均氣孔密度最大，分別為35.2個/mm2和34.8個/mm2；H1和H4葉片的平均氣孔密度最小，分別為24.4個/mm2和27.3個/mm2。不同多年生黑麥草品種的平均氣孔面積變化幅度也較大，分布在393.1～667.1之間。其中，最小氣孔面積(H3)僅為最大氣孔面積(H11)的58.9%。從這3個形態結構統計可知，多年生黑麥草品種H11的平均氣孔密度和氣孔面積均要大于其他品種。相關性分析結果表明，多年生黑麥草品種的平均細胞數目與氣孔密度呈正相關(r=0.27，P=0.42)，與氣孔面積呈負相關(r=-0.20，P=0.55)但它們之間的相關性均較差。同樣，多年生黑麥草品種的平均氣孔密度與氣孔面積也呈正相關，但相關性不顯著(r=0.26，P=0.44)。可見，在多年生黑麥草品種的葉片結構中，當細胞數目較大時，氣孔密度也會偏大，而平均氣孔面積要變小。

2.3 多年生黑麥草葉片橫切面結構特征

表3 11個多年生黑麥草品種葉片的橫切面結構特征Table 3 The leaf transverse section characteristics of 11 perennial ryegrass varieties

表4 多年生黑麥草品種葉片的橫切面結構指標間的相關性分析Table 4 The correlation analysis among the leaf transversesection characteristics of the perennial ryegrass varieties

注：每組數值中，括號外的數值為r值，括號內的數值為P值。

通過觀察多年生黑麥草葉片橫切面的石蠟切片(圖版Ⅰ圖1)，統計葉片維管束束數，主脈及上、下表皮厚度(表3)。從表3可知，11個多年生黑麥草品種的葉片中平均維管束束數從11個到19個不均。其中，H3、H1和H6品種的數目最多，分別有19個、18個和17個。葉片平均主脈厚度最大的品種有H3和H5，分別為369.3 μm和346.8 μm；而主脈厚度最小的品種是H6和H4，分別為220.3 μm和234.4 μm。不同多年生黑麥草品種的葉片平均上表皮厚度變化很大。H5和H8品種的平均上表皮厚度最大，分別為25.6 μm和24.3 μm；而H1和H3品種的平均上表皮厚度最小，分別為13.7 μm和15.7 μm。可見，最大的平均上表皮厚度是最小厚度的1.87倍。相對于葉片的上表皮厚度，下表皮厚度的變化幅度也較大，分布在19.9～30.6 μm。葉片平均下表皮厚度最大的品種是H8(30.6 μm)，最小的品種是H10(19.9 μm)。多年生黑麥草葉片橫切面的4個結構特征的相關性分析表明，葉片中平均維管束束數與主脈厚度，上表皮和下表皮厚度均呈負相關，且與上表皮厚度的相關性達到顯著水平(r=0.70，P=0.02)。葉片的平均主脈厚度與上、下表皮厚度以及上表皮厚度與下表皮厚度也呈正相關，但均未達到顯著水平(表4)。從這些數據分析可知，當多年生黑麥草葉片結構中主脈和上、下表皮厚度越大時，葉片中的維管束數目會減少，尤其是葉片的上表皮厚度增加時，維管束數目會顯著地減少。而上表皮厚度較大的品種，它的下表皮厚度也相應地偏大。

3 討論

在進化過程中，不同植物為適應高溫、干旱的生長環境具有不同的對策。在葉片結構方面，向著降低蒸騰、增強儲水性和提高光合效率等方面進化。為了降低蒸騰，植物葉片會減少氣孔數目或關閉更多的氣孔；為了增強儲水能力，植物會發育出較厚的上、下表皮細胞，有的植物葉片中還出現含晶狀體或粘液的細胞[6，7]。本研究觀察到11個多年生黑麥草品種的葉表皮細胞外形差異很小，而在其他植物葉表皮特征研究中也存在類似現象，種內或亞種內不同品種的葉表皮細胞外形差異較小，這可能是由于該性狀是由它自身的遺傳因子控制的[8，9]。在葉片結構中，氣孔器分布在細胞與細胞之間，為細胞的光合作用和呼吸作用提供重要的物質交換通道。本研究中，當多年生黑麥草葉表皮中細胞數目偏多時，氣孔密度也會偏大，但平均氣孔面積會變小。有研究表明，水稻在干旱條件下可以通過關閉更多的氣孔以減少水分的喪失，達到抵御干旱的目的[7]。多年生黑麥草品種‘索納塔’葉片中的平均細胞數目和氣孔密度均較小，它可能比其他品種更具抗旱性能，但還需進行抗旱實驗驗證。

本研究還發現，多年生黑麥草葉片結構中主脈和上、下表皮厚度越大時，葉片的維管束數目會減少，尤其是葉片的上表皮厚度增加時，維管束數目會顯著地減少。許多研究表明，植物葉片厚度與體內水分的蒸發直接相關。它可以通過葉表皮的角質層或蠟質來防止或減少植物體內的水分蒸發，從而達到適應高溫和干旱環境的目的[10，11]。本研究的11個多年生黑麥草品種中，‘金牌美達麗’和‘頂峰’品種葉片的平均上表皮厚度最大，可能表明它們更好地適應高溫或干旱的生長環境。

[1]邱永福，田志宏．湖北江漢平原冷季型草坪草的抗性研究[J]．草業科學，2005，22(9)：77～80．

[2]李 敏，徐 琳，趙美琦．冷季型草坪草建植與管理指南[M]．北京：中國林業出版社，2001．4～13．

[3]邱永福，田志宏．湖北江漢平原冷地型草坪草的坪用特性研究[J]．草業科學，2006，123(12)：98～102．

[4]趙翠仙，黃子深．騰格里沙漠主要旱生植物旱性結構的初步研究[J]．植物學報，1981，23(4)：278～283．

[5]韓 剛，李少雄，徐 鵬，等．16種灌木葉片解剖結構的抗旱性分析[J]．西北林學院學報，2006，21(4)：43～46．

[5]鄭國昌．生物顯微技術[M]．北京：人民出版社，1983．185～188．

[6]寇建村，楊文權，賈志寬，等．不同紫花苜蓿品種葉片旱生結構的比較[J]．西北農林科技大學學報(自然科學版)，2008，36(8)：67～72．

[7]Hu H H,Dai M Q,Yao J L,etal. Overexpressing a NAM,ATAF,and CUC (NAC) transcription factor enhances drought resistance and salt tolerance in rice [J]. Proc Natl Acad Sci USA,2006,103: 12987～12992.

[8]Darok J,Kocss M,Borhidi A. Quantitative characteristics of stomata and epidermal cells of leaves in the genusExostema(Rubiaceae) [J]. Acta Botanica Hungarica,1999,42: 97～104.

[9]Kocsis M,Darok J,Borhidi A. Comparative leaf and stem anatomy and morphology of some neotropicalRondeletiaspecies [J]. Plant Syst Evol,2004,248: 205～218.

[10]張偉玉，Yuji SA KAI，楊 揚，等．四種野生鹽生植物解剖結構與抗旱耐鹽性[J]．廣西植物，2008，28(5)：580～584．

[11]李魏強，張正斌，李景娟．植物表皮蠟質與抗旱及其分子生物學[J]．植物生理與分子生物學學報，2006，32(5)：505～512．

2010-05-06

程 玲(1976-)，女，湖北公安人，農學碩士，實驗師，從事儀器分析及實驗室管理工作.

邱永福，E-mail: yfqiu@126.com

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.03.009

Q944.56;Q949.71+4.2

A

1673-1409(2010)03-S023-04