不同谷子品種葉片表皮微形態(tài)學(xué)特征

王淑君，魏萌涵，解慧芳，邢 璐，劉海萍，王素英，劉金榮

（安陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南安陽(yáng)455000）

谷子起源于我國(guó)，是古老的農(nóng)作物之一，抗旱耐瘠，被稱(chēng)為環(huán)境友好型作物[1]。谷子脫殼后成為小米，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，是很好的營(yíng)養(yǎng)保健品。隨著人們生活水平提高，膳食結(jié)構(gòu)調(diào)整，水資源短缺日趨嚴(yán)重，谷子在供給側(cè)改革中發(fā)揮的作用日益顯著。然而，谷子作為雜糧作物，對(duì)其研究起步較晚。目前，對(duì)谷子的研究多集中在品種選育[2-3]、栽培生理[4-6]、品質(zhì)[7-9]和分子生物學(xué)[10-11]等方面，對(duì)其微形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究較少。本研究通過(guò)對(duì)3 個(gè)不同谷子品種葉片微形態(tài)特征進(jìn)行分析，以期為揭示谷子葉片特性及其高產(chǎn)、抗逆機(jī)理等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為安陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適谷子品種豫谷18 及其親本之一豫谷1 號(hào)，河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子所選育的品種冀谷19（曾多年為國(guó)家谷子區(qū)域試驗(yàn)對(duì)照品種）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017 年在河南省安陽(yáng)市柏莊鎮(zhèn)安陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（114°2′E、36°6′N(xiāo)）進(jìn)行。土壤為壤土，水澆地，肥力均勻，前茬作物為小麥。試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組排列，4 次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，6 行區(qū)，行距0.4 m；6 月23 日播種，留苗密度60 萬(wàn)株/hm2。田間管理同大田常規(guī)管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

掃描電鏡樣品的制備：谷穗完全抽出旗葉后，選擇生長(zhǎng)一致、同時(shí)抽穗的植株掛牌標(biāo)記。灌漿中期，用鋒利刀片截取掛牌植株旗葉中部主脈一側(cè)葉片2 mm2（1 mm×2 mm）大小，材料離體后立即投入裝有預(yù)冷的2.5%戊二醛針管中抽氣直至切塊下沉，然后將樣品轉(zhuǎn)移至離心管，放入4 ℃冰箱冷藏固定。

掃描電鏡樣品的觀察：將戊二醛固定的葉片樣品用磷酸緩沖液（PBS）沖洗3 次，每次10 min；再將材料用1%鋨酸4 ℃下固定2 h；PBS 緩沖液再?zèng)_洗3 次，每次10 min；乙醇系列梯度（30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液）脫水，每次10 min，其中100%乙醇脫水2 次；樣品臨界點(diǎn)干燥；Eiko 公司IB-3 型離子鍍金儀噴金鍍膜，JEOL 公司JSM-6390LV掃描電鏡觀察并拍照。

氣孔特征的計(jì)算：每個(gè)品種隨機(jī)選取4 個(gè)掃描電鏡視野照片，用Image J 測(cè)量、計(jì)算視野內(nèi)所有氣孔的數(shù)目、長(zhǎng)、寬、周長(zhǎng)、面積，換算為單位面積內(nèi)氣孔總面積及氣孔密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

Excel 2010 和SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表皮結(jié)構(gòu)

由圖1 可以看出，谷子葉片表皮主要由表皮細(xì)胞、氣孔器、乳突和表皮毛等結(jié)構(gòu)組成。表皮細(xì)胞上覆有1 層蠟質(zhì)，對(duì)表皮細(xì)胞起到了保護(hù)作用。葉片表皮細(xì)胞由長(zhǎng)、短2 種細(xì)胞組成。長(zhǎng)細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，位于脈上和脈間，兩側(cè)具有不規(guī)則的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，與鄰近細(xì)胞緊密嵌合，沿葉脈方向縱向排列。短細(xì)胞由栓細(xì)胞和硅細(xì)胞組成，2 種細(xì)胞相間排列，形成硅-栓帶，位于葉脈之上。栓細(xì)胞位于硅細(xì)胞之間，呈灰黑色；硅細(xì)胞因含有較多硅質(zhì)而呈灰白色，400 倍掃描電鏡下觀察為啞鈴形，兩端又分為2 個(gè)近圓瓣，形成四葉草狀。

葉片上下表皮均有氣孔分布，呈橢圓形或近圓形，位于硅- 栓帶和乳突帶之間，在葉脈2 側(cè)的長(zhǎng)細(xì)胞中分布有1～2 列，各列有序縱向交錯(cuò)排列，形成氣孔帶，與葉脈平行。氣孔器中央為啞鈴形保衛(wèi)細(xì)胞，中部狹窄，兩端膨大成球形，外側(cè)被1 對(duì)副衛(wèi)細(xì)胞包圍。

圖1 谷子葉片表皮結(jié)構(gòu)

2.2 表皮毛

表皮毛是植物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果[12]，它可有效減少陽(yáng)光對(duì)植物表皮的直射、葉表面空氣流動(dòng)，起到反光、保溫、防止水分散失的作用等[13-14]。3 個(gè)品種葉片下表皮表皮毛分布（圖2-d、圖2-e、圖2-f）均較上表皮（圖2-a、圖2-b、圖2-c）濃密。品種間比較，豫谷18 上、下表皮表皮毛分布最為密集（圖2-b 和圖2-e），明顯比豫谷1 號(hào)和冀谷19 多，說(shuō)明豫谷18 葉片可有效防止水分蒸發(fā)，有利于提高豫谷18的抗旱性。

2.3 氣孔

2.3.1 氣孔長(zhǎng)和寬。由表1 可以看出，葉片上、下表皮氣孔長(zhǎng)度均為豫谷18 最短，且與冀谷19 差異顯著；豫谷1 號(hào)下表皮氣孔長(zhǎng)度顯著較冀谷19 短，而上表皮氣孔長(zhǎng)度與冀谷19 差異并不明顯。3 個(gè)品種氣孔寬度比較，上、下表皮均為豫谷1 號(hào)氣孔最窄，其次是豫谷18，冀谷19 最寬。從氣孔長(zhǎng)/寬來(lái)看，上表皮氣孔長(zhǎng)寬比表現(xiàn)為冀谷19≤豫谷18＜豫谷1 號(hào)；下表皮氣孔長(zhǎng)寬比排序?yàn)樵ス?8＜冀谷19＜豫谷1 號(hào)，三者差異顯著（P＜0.05）。這說(shuō)明豫谷18和冀谷19 氣孔較豫谷1 號(hào)偏圓形，增加了氣孔的開(kāi)張度。

2.3.2 氣孔周長(zhǎng)和氣孔面積。由表1 可知，豫谷1號(hào)、豫谷18 和冀谷19 下表皮氣孔周長(zhǎng)分別比上表皮長(zhǎng)9.77%、20.51%和24.36%，單個(gè)氣孔面積分別是上表皮的1.22、1.58 和1.34 倍，說(shuō)明谷子葉片下表皮氣孔較大。品種間比較，3 個(gè)品種上表皮氣孔周長(zhǎng)從小到大排序?yàn)樵ス?8≤豫谷1 號(hào)＜冀谷19，氣孔面積從小到大排序?yàn)樵ス?8＜豫谷1 號(hào)＜冀谷19；葉片下表皮依然是冀谷19 的氣孔周長(zhǎng)和面積最大，豫谷1 號(hào)和豫谷18 的氣孔周長(zhǎng)分別比冀谷19 小16.85%、11.13%，氣孔面積分別比冀谷19小24.81%、13.23%，3 個(gè)品種間差異顯著（P＜0.05）。

圖2 表皮毛的分布

2.3.3 氣孔密度。由表1 可知，豫谷1 號(hào)、豫谷18和冀谷19 下表皮氣孔密度分別比上表皮增加4.79%、37.60%和4.56%，說(shuō)明谷子葉片上下表皮均有氣孔分布，但下表皮氣孔較多，品種豫谷18 尤為明顯。3 個(gè)品種間葉片上下表皮氣孔密度為豫谷18最大（分別是冀谷19 的1.33 和1.75 倍），其次是豫谷1 號(hào)，二者與冀谷19 氣孔密度呈顯著性差異。

2.3.4 單位面積內(nèi)氣孔總面積。由表1 可知，豫谷1號(hào)、豫谷18 和冀谷19 下表皮單位面積內(nèi)氣孔總面積分別是上表皮的1.31、2.23 和1.52 倍，說(shuō)明谷子葉片下表皮單位面積內(nèi)氣孔總面積較大。品種間比較，豫谷1 號(hào)上表皮單位面積內(nèi)氣孔總面積最大，其次是冀谷19，豫谷18 最小，但品種間差異不顯著；豫谷18 葉片下表皮單位面積內(nèi)氣孔總面積為最大，與豫谷1 號(hào)和冀谷19 2 個(gè)品種差異顯著；豫谷1 號(hào)和冀谷19 葉片下表皮單位面積內(nèi)氣孔總面積差異并不明顯。總體來(lái)看，豫谷18 葉片上下表皮單位面積內(nèi)氣孔總面積最大（和為174 162.13 μm2/mm2），分別是豫谷1 號(hào)（和為142 814.23 μm2/mm2）和冀谷19（和為141 644.82 μm2/mm2）的1.22 和1.23 倍。

3 討論與結(jié)論

谷子葉片是重要的光合器官，為植株的生長(zhǎng)和籽粒灌漿提供營(yíng)養(yǎng)。葉片表皮中乳突、表皮毛和蠟質(zhì)的存在可增加葉片表面積，減少植株體內(nèi)水分和熱量的流失與損耗，抵抗外界傷害[15-16]。氣孔是植株與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的門(mén)戶，其形態(tài)、大小、分布和數(shù)量均影響植物光合和蒸騰等生理活動(dòng)[17-18]。苗芳等認(rèn)為，氣孔小，數(shù)量增多，有利于提高蒸騰速率，促進(jìn)植株體內(nèi)物質(zhì)循環(huán)，且有利于CO2進(jìn)入葉片中，提高光合速率[19]。趙秀琴等對(duì)水稻高光效后代材料的光合速率和氣孔密度研究發(fā)現(xiàn)，光合速率和氣孔密度呈正顯著相關(guān)[20]。增加氣孔密度能提高光合速率，有利于生物產(chǎn)量的積累[21]。郭素娟等研究認(rèn)為，氣孔小而多者，抗旱性強(qiáng)[22]。3 個(gè)谷子品種葉片表皮掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，谷子葉片表皮主要由表皮細(xì)胞、氣孔帶、乳突和表皮毛等結(jié)構(gòu)組成。葉片下表皮表皮毛分布較上表皮濃密，這與糜子葉片表皮毛分布一致[23]。馬麗亞等研究認(rèn)為，隨著干旱脅迫的加劇，費(fèi)爾干豬毛菜葉片上下表皮表皮毛密度與長(zhǎng)度均顯著增加，且下表皮明顯大于上表皮，說(shuō)明谷子葉片表皮毛的分布特征提高了谷子的抗旱性[15]。谷子葉片上下表皮均分布著大量氣孔，依然遵照劉婧等提出的“一個(gè)細(xì)胞間距”原則[24]，且下表皮氣孔分布多于上表皮，這種分布模式既可促進(jìn)植物與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換，又能保持水分[25]，增加谷子的抗逆性，這與范光宇等研究結(jié)果[26]一致。

3 個(gè)品種比較，豫谷18 的表皮毛、氣孔等分布最為密集，氣孔較小，單位面積內(nèi)氣孔總面積最大，說(shuō)明豫谷18 葉片可以有效減少水分蒸發(fā)，提高光合速率，揭示了豫谷18 高產(chǎn)、抗逆性好的部分原因。由此可見(jiàn)，品種間葉片表皮微形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異性可為揭示品種高產(chǎn)及抗性機(jī)理提供了形態(tài)學(xué)依據(jù)。