木薯葉片顯微結構及葉綠素熒光參數比較

安飛飛 陳霆 楊龍 陳松筆

（1. 中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所 農業部木薯種質資源保護與利用重點實驗室，儋州 571737；2. 海南師范大學，?？?70228；3. 貴州省亞熱帶作物研究所，興義 562400）

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界上重要的糧食及經濟作物之一。作為熱帶經濟作物的典型材料，獲得高產、高抗性的木薯新品種是育種的主要目標。作物產量主要來源于光合作用的產物，提高光合效率是作物增產的有效途徑。源是光合產物的生產和供應者，對大多數作物來說，源主要指的是葉源。光合作用同葉片結構有著非常緊密的聯系［1］。植物器官、組織和細胞的形態結構及其生理功能都與生長環境有著密切的關系。在長期的進化過程中，不同環境下的植物逐漸形成了與其相適應的結構類型，而植物這種應對生長環境的能力很大程度上反映在植物的葉片結構上［2］。在應對各種環境變化時，高等植物葉片表現出相對的適應性結構［3］。根據碳同化途徑可以將高等植物分為C3類植物、C4類植物和景天酸代謝植物，對應每類植物有著相應的碳同化途徑即C3途徑、C4途徑和景天酸代謝（CAM）途徑［4］。目前，有關木薯為C3植物還是C4植物還未有準確的定論。因此，從顯微水平了解其葉片結構特征，對揭示木薯高光效的機理具有一定的指導意義。Calatayud等［5］采用同位素（13C）檢測20種野生樹薯（包括木薯栽培種的祖先M.flabellifolia）的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCase）和磷酸乙醇酸磷酸酶（PGP）（屬C4關鍵酶）的活性，研究結果表明所有的野生樹薯都屬于C3植物。雖然木薯栽培品種和野生樹薯的葉片擁有提高C4磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶的活力，但缺少C4植物葉片Kranz花環結構的解剖學特性［6］。木薯栽培種屬C3植物，有比較明顯的綠色維管束鞘細胞，也有比較廣幅的光合作用溫度（20-45℃），其光合效率特征和C4 植物相似。這些特性推測木薯栽培種可能從擁有C4光合作用特性的野生種進化而來［7］。有研究表明木薯體內同時存在C3和C4兩種酶系，當溫度低時為C3途徑，溫度高時為C4途徑，但木薯的C4酶活性，比典型的C4植物（如玉米）的低。當木薯表現為C3植物時，光合效率比普通植物高；當表現為C4植物時，在高光照下，光合作用不會出現飽和，增產潛力大［5，8-12］。在植物的生長發育過程中，葉綠素是光合作用中最重要的色素分子，植物功能葉片的葉綠素含量直接影響光合作用速率和光合產物形成［13］，而葉綠素熒光可作為光合作用的探針［14］。本研究從木薯葉片的解剖結構出發，結合其葉片葉綠素熒光參數揭示野生種與栽培種在進化角度上的差異，旨為進一步解釋其光合效率的差異提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究選用的材料橡膠木薯（巴西引進資源）、野生近緣種W14（國際熱帶農業中心（CIAT）引進資源）、華南205（SC205）來自中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所國家木薯種質資源圃，植后3個月選取完好的功能葉片進行實驗。

1.2 方法

參照余炳生等［15］方法（稍有改動）制作木薯功能葉石蠟切片，葉片經過固定、脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、貼片、染色后，選用Leica正置金相顯微鏡觀察切片并拍照。

參照孔祥生［16］95%乙醇直接提取法提取葉綠素。按公式計算葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量。

葉綠素a的含量（mg/g）=13.95×OD665-6.8×OD649

葉綠素b的含量（mg/g）=24.96×OD649-7.32×OD665

總葉綠素含量（mg/g）=18.16×OD649+6.63×OD665

采用葉綠素熒光儀PAM-2500，于上午10：00測定葉片光系統 II（PS II）葉綠素熒光動力學參數：最大光合效率Fv/Fm，實際光合效率ΦPS II、非光化學淬滅系數NPQ/4。

利用Excel 2013和DPS v7.05統計軟件對數據進行分析，差異顯著性標準采用新復極差法（Duncan）。

2 結果

2.1 葉片顯微結構觀察

使用光學顯微鏡對橡膠木薯、W14和SC205葉片石蠟切片的觀察，發現3種木薯葉片的顯微結構存在一定的差異，結果如圖1-圖3所示。

觀察顯微鏡（5×）下（圖1）葉片維管束結構并統計葉主脈附近維管束細胞富集區密度，結果（表1）顯示，維管束細胞富集區密度從大到小依次為SC205＞橡膠木薯＞W14，SC205與橡膠木薯相近，而W14明顯小于SC205與橡膠木薯。

圖1 三種木薯葉片橫切面解剖圖（5×）

表1 三種木薯維管束細胞富集區密度統計結果

氣孔是葉片進行氣體和水分交換的主要通道，對植物的光合、呼吸、蒸騰等生理活動起著重要的調節作用。統計顯微鏡（20×）下葉片下表皮氣孔密度（圖2），結果（表2）顯示，3種木薯氣孔密度從大到小依次為SC205＞橡膠木薯＞W14。因此推測栽培種SC205光合作用等生理活動強度比橡膠木薯要高，3者中W14最低。

圖2 三種木薯葉片橫切面解剖圖（20×）

表2 三種木薯葉片下表皮氣孔密度統計結果

觀察顯微鏡（40×）下葉片維管束細胞富集區的維管束細胞，發現橡膠木薯的維管束細胞較發達，且部分細胞已延伸至柵欄組織區域；SC205與橡膠木薯相比，兩者維管束富集區細胞發達程度相似，而W14的維管束富集區細胞沒有橡膠木薯發達，僅分布于柵欄組織和下表皮葉肉細胞之間（圖3）。觀察3種木薯柵欄組織葉肉細胞，發現SC205和橡膠木薯葉肉細胞均略大且排列緊密；W14細胞大小與橡膠木薯比無明顯差異，但細胞排列略顯稀疏。觀察維管束周圍的海綿組織葉肉細胞排列情況，發現SC205和橡膠木薯的葉肉細胞較小且排列較疏松，而W14的海綿組織葉肉細胞明顯圍繞在維管束鞘細胞周圍，形似“花環”，但整個“花環結構”并沒有典型C4植物的明顯，即W14的維管束細胞發達程度及海綿組織葉肉細胞排列緊密程度均較低。

圖3 三種木薯葉片橫切面解剖圖（40×）

2.2 葉綠素含量及葉綠素熒光參數比較

橡膠木薯、W14和SC205葉片葉綠素含量如表3所示，結果顯示葉綠素a和總葉綠素含量含量從大到小均為SC205＞橡膠木薯＞W14；SC205和橡膠木薯葉片的葉綠素a含量均較高，但彼此間未達顯著差異，W14葉片葉綠素a含量明顯比橡膠木薯低，且達到極顯著差異；總葉綠素含量的差異規律與葉綠素a一致；但3個木薯品種葉片葉綠素b含量彼此間未達顯著差異。

表3 三種木薯葉片葉綠素含量比較（mg/g）

3種木薯葉片葉綠素熒光參數測定結果見表4，Fv/Fm是指PS II 最大光化學量子產量，反映植物潛在最大光合能力。上午10：00時，3種木薯Fv/Fm值均在0.60-0.85間，且均未達顯著差異。ΦPS II是指PS II實際量子產量，反映植物的實際光合能力。3種木薯ΦPS II值從大到小依次為SC205（0.526）＞橡膠木薯（0.497）＞ W14（0.362），其中SC205葉片ΦPS II值比橡膠木薯略高，彼此間未達到顯著差異，但W14 葉片ΦPS II值低于橡膠木薯和SC205，且達到極顯著差異。NPQ是植物光保護能力的一個指標，橡膠木薯和SC205葉片的NPQ值分別為0.164和0.136，均低于W14（0.329），這表明3種木薯中，W14的光保護能力最強。

3 討論

本實驗所用野生木薯種質分別是巴西及CIAT引進的橡膠木薯和野生近緣種W14，木薯栽培品種選用華南205。石蠟切片鏡檢結果顯示，3種木薯葉片維管束鞘細胞顯示不同程度的綠色，說明其維管束細胞存在不同數量的葉綠體，進一步觀察發現SC205和橡膠木薯葉片維管束鞘細胞發達程度明顯高于W14，同時葉片中也不存在典型C4植物的“花環結構”。由此推測橡膠木薯和SC205均不是典型的C3植物，而是擁有獨特維管束結構的C3植物。這與Angelov等［7］關于木薯栽培種葉片顯微結構研究的結果以及Calatayud等［5］通過13C同位素標記檢測葉片PEPC和PGP來研究野生樹薯的結果類似。與Kennedy等［17］關于種棱粟米草葉片顯微結構研究的結果相似。

表4 三種木薯葉片葉綠素熒光參數比較

氣孔是高等植物用來與外界交換氣體和水的器官，氣孔密度、大小和空隙等因素會影響氣孔擴散阻力，進而影響植物的光合作用［18］。海綿組織葉肉細胞間隙常通向氣孔，可以讓CO2在葉肉細胞中擴散，因此，較大體積的葉肉細胞間隙利于植物光合作用。曹兵［19］通過對靈武長棗的光合作用研究印證了這一規律。本實驗中SC205與橡膠木薯的海綿組織排列疏松，而W14的海綿組織葉肉細胞圍繞其維管束鞘細胞排列，較為緊密；并且SC205葉片下表皮氣孔密度略大于橡膠木薯，顯著大于W14葉片氣孔密度。綜合上述規律，將3種木薯葉片氣孔密度和海綿組織葉肉細胞排列方式的差異與它們光合作用實際速率的差異進行比較可以推斷：3種木薯葉片氣孔和海綿組織葉肉細胞排列的差異特征與本實驗3種木薯光合作用的強弱是相適應的。

大量研究表明，光合作用的產物積累超過植物的利用能力時，植物就會對此做出反饋并抑制光合速率的持續增強，達到降低光合速率至平衡的目的［20-23］。高等植物葉片中的維管束組織通過葉脈與莖中的維管束相連接，有運輸光合產物和支持葉片的作用。因此，維管束鞘細胞組織發達程度及維管束細胞富集區密度大小將影響植物的光合作用強度。本試驗中SC205和橡膠木薯均含發達的維管束組織，可使它們擁有比W14更通暢的光合產物運輸通道，同時還可以降低因葉肉細胞內光合產物積累而對光合作用產生的反饋抑制作用。這與張楊等［24］對木薯栽培種與野生種葉片光合器官結構和酶學差異研究的結果相一致；同時與華鶴良等［25］對玉米棒3葉光合性狀的相關性研究的結果相似。

劉周莉等［26］、張耀文等［27］研究證明葉綠素含量與光合速率呈正相關，葉綠素含量越高，光合作用越強。本研究中，W14葉片葉綠素a和總葉綠素含量均低于橡膠木薯和SC205，且差異水平達到顯著。這與W14葉片實際光合速率均低于巖生木薯和SC205的結果一致。3種木薯間葉綠素熒光參數也存在明顯差異，這與米國全等［28］對番茄葉綠素熒光參數的研究結論一致，表明基因型是造成不同品種（系）間葉綠素熒光參數差異的主要因素。ΦPS II結果顯示W14葉片的實際光合效率最低，SC205最高，這與對木薯野生及栽培種葉片光合速率的測定結果相似［29-30］。同等條件下，較高的NPQ值會導致較多的光能耗散，從而在一定程度上降低植物的光合能力。反之，則增強植物的光合能力［31-32］。本研究也發現NPQ值較低的木薯栽培種SC205具有較強光合性能，而NPQ值較高的W14葉片光合性能較弱。

4 結論

橡膠木薯和SC205葉片擁有綠色維管束鞘細胞結構，但沒有C4植物典型的“花環結構”；W14葉片海綿組織葉肉細胞圍繞維管束鞘細胞排列，但發達程度略低，整體形狀略似“花環結構”，但沒有典型的C4植物明顯。橡膠木薯和SC205均屬于C3植物，W14是一種介于C3和C4之間的木薯種質。

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