不同樹齡同心圓棗營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)與其抗旱性的關(guān)系*

程 昊 ， 趙宏亮 ， 李永華 ， 黃占明 ， 倪細爐

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏林業(yè)研究院種苗生物工程國家重點實驗室，寧夏 銀川 750004；3.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；4.寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 銀川 750021）

棗樹（Zizyphus jujubeMill.）屬鼠李科棗屬喬木，素有“鐵桿莊稼”之稱，是我國栽培歷史較長的落葉果樹之一[1]。其果實含豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖等養(yǎng)分，有較高的藥用、保健作用和經(jīng)濟價值，受到人們的重視。同心圓棗（Zizyphus jujube cv.“Tongxinyuanzao”）原產(chǎn)于寧夏同心縣王團鎮(zhèn)，具有悠久的栽培歷史，同時具有很強的抗逆性和適應(yīng)性能力，在降雨量不足100 mm的干旱帶地區(qū)能存活，是寧夏特有的極耐干旱的棗樹品種，也是我國干旱、半干旱地區(qū)的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)[2]。植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一是植物適應(yīng)干旱環(huán)境的生物學(xué)基礎(chǔ)[3]。在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面，凡是抗旱性強的植物，植物的表面積不發(fā)達、葉面積小、表皮角質(zhì)層發(fā)達、葉組織較緊密，柵欄組織和葉脈都很發(fā)達，氣孔下陷、單位面積氣孔數(shù)較多，保水能力強、根系發(fā)達等。長期以來，對植物旱生結(jié)構(gòu)的研究主要為新疆羅布麻[4]、駱駝蓬屬植物[5]、錦雞兒屬植物[6]、四合木[7]、蒺藜科[8]等旱生植物，對同心圓棗的研究主要集中在同心圓棗的棗樹栽培、植株離體培養(yǎng)[9]、病蟲害調(diào)查防治[10]、促進棗樹的生長發(fā)育和提高果實的品質(zhì)等方面[11-12]，對其的研究已經(jīng)比較深入。同心圓棗在幼年期生長較為緩慢，但其具體原因沒有研究報道，一般認為植物根莖葉的解剖結(jié)構(gòu)與其抗旱性關(guān)系特征是植物抗旱的關(guān)鍵因素之一，而同心圓棗營養(yǎng)器官的結(jié)構(gòu)特征與其抗旱性的關(guān)系尚未見報道，因此，擬對同心圓棗的結(jié)構(gòu)特點與抗旱相關(guān)性進行研究。擬解決以下科學(xué)問題：1）揭示同心圓棗營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性的關(guān)系，為同心圓棗抗旱機理的研究提供形態(tài)解剖學(xué)依據(jù)；2）采用隸屬度函數(shù)值法綜合評價不同樹齡同心圓棗的抗旱性強弱，為同心圓棗的栽培管理和進一步的開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料取自寧夏同心縣王團鎮(zhèn)棗園（東經(jīng)105°59′，北緯36°51′），該地區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)量大，屬于典型的大陸性氣候。取材時選擇生長健壯、具典型代表性的不同樹齡棗樹各3株，于生長旺盛季節(jié)6月分別采集兩年生、十年生和百年生同心圓棗營養(yǎng)器官的根、莖和葉。根從根尖往上5 cm~6 cm處，截取1 cm小段，用自來水沖洗干凈，莖選用發(fā)育良好的當年生枝條截取約1 cm小段，葉片在主脈兩側(cè)選取1 cm×1 cm小方塊片，并固定于FAA（90 mL 50%乙醇＋4 mL甲醛＋6 mL冰乙酸）中。

1.2 切片制作與解剖結(jié)構(gòu)觀察

采用常規(guī)的石蠟方法制作切片[13]，采集不同年齡植株的根、莖、葉，分割成小塊，以FAA固定液固定，經(jīng)酒精洗滌脫水、透蠟、包埋，常規(guī)石蠟切片，切片厚度為8μm~10μm，鐵礬-蘇木精染色，并以番紅-固綠雙重染色對照，中性樹膠封片，Leica－DMLB顯微鏡觀察并照相。由于同心圓棗的根、莖質(zhì)地堅硬，故制片時進行適當?shù)能浕幚怼?/p>

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

將顯微鏡圖像處理結(jié)果或視野中所觀測的數(shù)據(jù)記錄在Excel中，用SPSS 22.0做差異顯著性分析（P＜0.05）。

隸屬函數(shù)值的計算：

如果某一指標與抗旱能力成負相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)：

式中，R(Xij)為i年齡j指標抗旱性隸屬函數(shù)值，Xij為i年齡j指標測定值，Xmax表示第j個綜合指標的最大值，Xmin表示第j個綜合指標的最小值。

采用于萍等[14]的方法利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)的灰色關(guān)聯(lián)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年齡同心圓棗根解剖結(jié)構(gòu)分析

由圖1可知，成熟根的橫切面呈圓形，由周皮和次生維管組織組成。周皮由木栓層、木栓形成層和栓內(nèi)層組成。最外的是木栓層，由3~5層細胞組成，其外側(cè)的2~4層細胞呈褐色，因內(nèi)部組織的增加而受壓破壞和剝落，內(nèi)側(cè)1~2層扁平狀細胞排列緊密；木栓形成層為一層扁平細胞，細胞壁較薄；栓內(nèi)層為2~3層扁平細胞，細胞較小，排列緊密。次生維管組織由次生韌皮部、維管形成層和次生木質(zhì)部組成。初生韌皮部已被破壞，經(jīng)過次生生長形成次生韌皮部，由篩管、伴胞、韌皮纖維、韌皮部薄壁細胞和韌皮射線組成，韌皮部薄壁細胞中分布有大量的黏液細胞。

圖1 同心圓棗根橫切解剖結(jié)構(gòu)Figure 1 Cross section of root in Zizyphus jujube Mill

由表1可知，不同年齡的同心圓棗根解剖特征值在木質(zhì)部寬、木栓層厚度和導(dǎo)管直徑等方面均存在著顯著性差異，而木質(zhì)部半徑之間沒有顯著差異性，約為0.62μm；形成層由一層扁形細胞組成，呈棕黃色，細胞排列整齊。木質(zhì)部由初生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部組成，初生木質(zhì)部二原型，在根的中央被保存下來；次生木質(zhì)部位于初生木質(zhì)部的外方，由導(dǎo)管、木纖維和木薄壁細胞以及木射線組成。木質(zhì)部的寬度占根橫切面半徑的63%（表1），導(dǎo)管分子的直徑達40.67μm。木質(zhì)部寬和根半徑的特征值趨勢一致，表現(xiàn)出十年生的同心圓棗高于百年生和二年生；木栓層厚度則是同心圓棗百年生的最大，其次是十年生的，最后是二年生的，同心圓棗二年生的占百年生的71.5%；而導(dǎo)管直徑則恰好與木栓層厚度相反，同心圓棗二年生最厚，同心圓棗十年生次之，同心圓棗百年生最薄，同心圓棗百年生導(dǎo)管直徑約是同心圓棗二年生的0.44倍。

表1 不同樹齡同心圓棗根的解剖學(xué)特征Table 1 Anatomical characters of roots in Zizyphus jujube at different ages

2.2 不同年齡同心圓棗莖解剖結(jié)構(gòu)分析

由圖2可知，莖的橫切面呈近圓形，具有明顯的雙子葉植物莖的結(jié)構(gòu)特點，莖的初生結(jié)構(gòu)自外向內(nèi)由表皮、皮層、維管柱和髓構(gòu)成；二年生莖在次生生長中形成周皮和次生維管柱。在老莖中，表皮被周皮代替，木栓層為深棕色，由多層厚壁組成；木栓形成層和栓內(nèi)層。皮層由10~12層薄壁細胞組成，表皮內(nèi)第1~5層細胞排列緊密，細胞壁較厚，且分布有一定數(shù)量的黏液細胞；第6~12層細胞較大，細胞排列較疏松，存在大量的細胞間隙。皮層在后期的次生生長過程中受內(nèi)部組織的擠壓而破壞。次生維管組織連接成環(huán)狀，由次生韌皮部、維管形成層和次生木質(zhì)部組成。其中韌皮部由篩管、伴胞和韌皮薄壁組織構(gòu)成，韌皮部薄壁細胞中分布了少量的黏液細胞。

圖2 同心圓棗莖橫切解剖結(jié)構(gòu)Figure 2 Cross section of stem in Zizyphus jujube Mill

由表2可知，不同年齡同心圓棗莖半徑之間存在著顯著性差異，木質(zhì)部的寬度占莖橫切面半徑的41%，木質(zhì)部導(dǎo)管分子呈放射狀排列，木質(zhì)部中分布密度為56個/平方毫米。維管射線由2~3層細胞組成，呈放射狀排列。髓部較發(fā)達，由大量薄壁細胞構(gòu)成，細胞間隙大，其總面積占莖橫切面總面積的33.4%，靠近木質(zhì)部內(nèi)側(cè)的髓部分布有一層黏液細胞。

表2 不同樹齡同心圓棗莖的解剖學(xué)特征Table 2 Anatomical characters of stems in Zizyphus jujube at different ages

2.3 不同年齡同心圓棗葉解剖結(jié)構(gòu)分析

通過圖3可知，同心圓棗葉片為等面葉，無海綿組織的分化，葉片較厚，約150 μm左右，葉兩面無毛，成熟葉片由表皮、葉肉和葉脈組成。上下表皮各一層細胞，大型表皮細胞呈長方形或方形，排列緊密，上表皮細胞較下表皮大，約34 μm；表皮外有發(fā)達的角質(zhì)層；氣孔僅分布于下表皮，氣孔較小且分布密集（見圖4）；葉肉組織發(fā)達，由5~6層?xùn)艡诮M織薄壁細胞組成，柵欄組織厚度約124.3 μm，占葉片厚度的73.5%。葉子近軸面2~3層長柱狀細胞排列緊密，胞間隙小，而遠軸面3層短柱狀細胞排列相對疏松；葉脈維管束發(fā)達，并被圓形、不規(guī)則薄壁細胞組成的發(fā)達維管束鞘所包圍，其背腹面均有厚壁細胞分布；由圖5可知，葉片主脈中的薄壁組織分布有黏液細胞圍繞維管束排列，中肋韌皮部中分布有簇晶細胞。同心圓棗百年老樹主脈明顯多且發(fā)達，厚度也大于十年生和二年生的。

圖3 同心圓棗葉片橫切解剖結(jié)構(gòu)Figure 3 Anatomical structure of leaf cross section of Zizyphus jujube Mill

圖4 氫氧化鈉透明法對同心圓棗葉片氣孔的觀察Figure 4 Showing the distribution of stoma in Zizyphus jujube Mill.

圖5 同心圓棗葉片主脈橫切解剖結(jié)構(gòu)Figure 5 Showing the anatomical structure of the medial vein in Zizyphus jujube Mill

通過表3可以看出不同年齡同心圓棗葉片解剖特征值之間基本都存在顯著差異性，柵欄組織厚度和主脈直徑的變化是由同心圓棗百年老樹向同心圓棗二年生降低的過程，同心圓棗老樹的柵欄組織厚度比同心圓棗二年生高12.54%，同心圓棗老樹的主脈直徑比同心圓棗二年生高出近40%；上表皮厚度在同心圓棗二年生和同心圓棗十年生之間差異不顯著，同心圓棗老樹表現(xiàn)差異顯著；下表皮厚度隨著棗樹年齡的增長而降低，呈顯著差異性，同心圓棗老樹是同心圓棗二年生的39.5%；角質(zhì)層厚度之間差異不顯著，基本沒變化；葉片厚度總體呈升高的趨勢，在同心圓棗二年生和同心圓棗十年生之間有顯著差異性，與同心圓棗老樹差異不顯著，但同心圓棗二年生葉片厚度是同心圓棗十年生的86.3%，是同心圓棗老樹的79.7%；同心圓棗老樹的導(dǎo)管直徑稍粗于同心圓棗十年生和同心圓棗二年生的；黏液細胞直徑在不同年齡的棗樹中差異不顯著；同心圓棗老樹的氣孔數(shù)量要明顯少于同心圓棗二年生和同心圓棗十年生的，比同心圓棗二年生的約少18.5%。

表3 不同樹齡同心圓棗葉子的解剖學(xué)特征Table 3 Anatomical characters of leaves in Zizyphus jujube at different ages

2.4 不同年齡同心圓棗營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)綜合評價

從表1～3的數(shù)據(jù)可知，不同年齡的不同指標間變化不一致，說明在分析不同年齡同心圓棗的抗旱性時，不能根據(jù)一項指標的優(yōu)劣判斷其抗旱性。因此，本研究從根、莖、葉中挑選出差異性顯著的指標（見表4），標準化后采用隸屬函數(shù)值法（根導(dǎo)管直徑采用反隸屬函數(shù)），對不同年齡的同心圓棗具有顯著差異性的指標進行綜合評價，取平均值。從結(jié)果可以看出，不同年齡的同心圓棗的抗旱性強弱不同，二年生同心圓棗樹的隸屬函數(shù)平均值為0.10，十年生的為0.72，百年老樹的為0.74，抗旱性大小排序為同心圓棗百年老樹＞同心圓棗十年生＞同心圓棗二年生，且同心圓棗百年老樹和十年生的抗旱性遠大于二年生的同心圓棗。

表4 不同年齡抗旱性綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of drought resistance at different ages

2.5 同心圓棗抗旱性的灰色關(guān)聯(lián)分析

將不同樹齡同心圓棗的抗旱性指數(shù)及10個指標視為一個整體，即灰色系統(tǒng)。原始數(shù)據(jù)通過計算機軟件標準化處理后，計算各指標與抗旱性指數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后分別求出各指標與抗旱性指數(shù)的關(guān)聯(lián)度，并按關(guān)聯(lián)度大小排列出關(guān)聯(lián)序。

將不同樹齡同心圓棗的抗旱性指數(shù)作為參考數(shù)據(jù)列（母序列，隸屬函數(shù)平均值標準化得出），記為X0=（0.192 308，1.384 615，1.423 077）；選取營養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)特征的10項抗旱指標為比較數(shù)列（子序列），記為（i=1，2，…，9），X1=（1.053 146，0.995 456，1.046 385），X2=（1.752 452，1.598 624，1.662 681），…，X10=（2.389 915，2.535 724，2.688 527），分別求出各指標變化率（Xi）與（X0）的關(guān)聯(lián)度，并按照關(guān)聯(lián)度大小進行排序（見表5）。

依照關(guān)聯(lián)分析原則，關(guān)聯(lián)度愈大，表明參考各指標與抗旱性的關(guān)系愈緊密，反之，關(guān)系較遠。因而，關(guān)聯(lián)度大小可表明某一項指標對抗旱的敏感性。從表5可以看出，植物的抗旱性與各指標的關(guān)聯(lián)序為莖直徑（X5）>葉主脈直徑（X10）>根半徑（X2）>根木質(zhì)部寬（X1）>葉片柵欄組織厚度（X9）>根木栓層厚度（X3）>莖導(dǎo)管密度（X7）>根導(dǎo)管直徑（X4） >葉下表皮厚度（X8）＞莖角質(zhì)層厚度（X6）。

表5 不同樹齡同心圓棗抗旱性與各種指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序Table 5 The indexes of drought resestance and their correlative coefficient, correlative degree and correlation order

3 討論與結(jié)論

3.1 根解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性

同心圓棗木栓形成層在生長期內(nèi)不斷分生加厚，向外形成木栓層，向內(nèi)形成栓內(nèi)層，栓內(nèi)層越發(fā)達，表明植物的物質(zhì)儲備能力越強[15]。栓內(nèi)層具有減少植株體內(nèi)水分外散的作用，是對旱生環(huán)境的適應(yīng)[16]。本研究中百年老樹的木栓層厚度和木質(zhì)部厚度明顯高于十年生和二年生的，說明同心圓棗老樹通過根部的變化適應(yīng)環(huán)境，增加其抗旱性，根木質(zhì)部越厚，韌皮部越發(fā)達，運輸物質(zhì)的能力越強，可以吸收更多的物質(zhì)，則抗旱性越強，這與陳小紅等[17]對川西高原4種高山海棠的營養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)中的研究結(jié)果相一致，在植物的吸收根中，皮層厚度的變化可用于評估植物對環(huán)境變化的適應(yīng)性[18]。一種觀點認為導(dǎo)管孔徑越大，說明運輸水分的阻力越小，輸水效率越高[15]，也有學(xué)者認為，土壤水分比較缺乏環(huán)境下的根導(dǎo)管較大容易造成導(dǎo)管空腔和栓塞，不利于形成根壓向上長距離運輸[19]。李魯華等[20]在小麥根系與土壤水分脅迫關(guān)系的研究進展中認為較小直徑的導(dǎo)管可以減少在干旱環(huán)境中開花或敏感時期使用的土壤水的消耗，從而提高產(chǎn)量和水的利用率，這與本研究的結(jié)果一致，在今后研究中，要特別注意果樹不同發(fā)育時期根系形態(tài)的變化。同心圓棗根的韌皮部中存在黏液細胞，黃振英等[21]認為韌皮部中黏液細胞內(nèi)存在的黏液物質(zhì)為樹膠，具有保水能力，為周圍的細胞提供一個較濕的小環(huán)境，是旱生植物所具有的抗旱特征。同心圓棗根木質(zhì)部導(dǎo)管分子的直徑達40.67μm，強大的疏導(dǎo)系統(tǒng)為水分和礦物質(zhì)從植物根部輸往各同化器官提供了保證。

3.2 莖解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性

一般認為：莖的表皮和角質(zhì)層形成了保護結(jié)構(gòu)，以防止在貯存和運輸過程中水分流失，是對干旱環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果[22-23]。表皮可以保護木材和韌皮部免受生物和非生物脅迫[24]，皮層外側(cè)分布的大量黏液細胞，能增加細胞液濃度，改變細胞滲透壓，提高了吸水和貯存水分的能力，增強抗旱能力；密集的導(dǎo)管細胞提高了棗樹在干旱環(huán)境中的輸送效率，發(fā)達的髓部能貯藏降雨時期多余的水分，并且髓部外側(cè)的一層黏液細胞能起到保水的作用[21]，百年老樹的黏液細胞直徑要大于十年生和二年生的，相比可以更好地保存水分。同心圓棗老樹莖的角質(zhì)層厚度和木質(zhì)部寬度都大于十年生和二年生的，這與劉新雨等[25]關(guān)于菊芋的研究結(jié)果一致，即植株通過增加角質(zhì)層厚度和木質(zhì)部寬度來抵御干旱。不同年齡的同心圓棗莖的解剖結(jié)構(gòu)及參數(shù)值在一定程度上反映了其具有良好的抗旱性。

3.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性

解剖結(jié)果發(fā)現(xiàn)同心圓棗葉片的解剖結(jié)構(gòu)為等面葉，與王中英等[26]關(guān)于棗樹的組織解剖構(gòu)造中的結(jié)果一致。隨著樹木高度或年齡的增加，葉片會相應(yīng)地發(fā)生一系列的變化，如比葉重增加、葉面積減小和角質(zhì)層厚度增加等[27]。植物葉片角質(zhì)層的加厚自然可以抑制蒸騰失水[28]，較大的表皮細胞具有貯水作用，對于增強水分的調(diào)節(jié)能力有一定意義[29]。植物葉片中的海綿組織越厚，葉片疏松度越大，說明葉肉細胞排列越疏松，則會使葉片的抗旱性越差[30-31]，而在觀察同心圓棗的葉片解剖結(jié)構(gòu)中沒有發(fā)現(xiàn)海綿組織，這與曹娟云等[32]對四種棗葉片的解剖學(xué)研究結(jié)果一致，說明同心圓棗的確具有較強的抗旱性。植物葉片越厚，表明其儲水能力越強，本研究中同心圓棗百年生老樹的葉片厚度要明顯高于十年生和二年生的，這與潘昕等[30]對25種青藏高原灌木葉片解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性中的研究結(jié)果相近。葉片表皮細胞能有效避免強烈光照對葉肉細胞的灼傷，也可以有效利用衍射光進行光合作用，使植物利用光能的效率更高，是對干旱的高度適應(yīng)性，同心圓棗具有這一特征；同心圓棗中含晶細胞的出現(xiàn)則可以降低積累的有害物質(zhì)濃度，形成一個相對穩(wěn)定的環(huán)境，以積極方式適應(yīng)干旱環(huán)境；葉片主脈主要起輸導(dǎo)和支持的作用，發(fā)達的中脈不僅能很好地輸送水分、養(yǎng)分而且有保水、貯水的作用，主脈中的薄壁組織分布的黏液細胞能夠使葉片中的水分不易散失[33]，這種細胞分布形式能在干旱季節(jié)使周圍的細胞形成濕潤的小環(huán)境，這一點對中部干旱帶的植物是十分重要的。

3.4 植株年齡與抗旱性

李吉躍[34]對太行山區(qū)的造林樹種研究發(fā)現(xiàn)，同一樹種的保水力在不同年齡間存在差異，且不同的樹種隨年齡的變化趨勢不同。李淑英等[35]研究發(fā)現(xiàn)，二年生的常春藤的抗旱性大于一年生的，可見植物的抗旱性與其年齡存在一定的相關(guān)性。又有研究發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)油松的保水力隨著年齡的增加而下降，而側(cè)柏則是有所增強，闊葉樹種有的隨著年齡增加抗旱性在增強，如白蠟，元寶楓；有的變化則不大，如刺槐和紫穗槐；有的反而增強，如黃櫨和沙棘[34]。各樹種各年齡間的抗旱性是否有顯著性差異，并無明確判斷，但足以說明不同年齡樹木的抗旱性增加或降低，存在著一定差異，這種變化將會影響它們在長期干旱條件下的生存能力[36]并及時完成對環(huán)境變化的響應(yīng)。

從解剖結(jié)構(gòu)可以看出，不同年齡的同心圓棗的根莖葉等營養(yǎng)器官都具有一定的抗旱性特征。同心圓棗抗旱機理是以盡可能地保存水分、減少葉片失水、提高光合效率占主要地位，在水分有限的狀況下，最大限度吸收水分和儲藏水分來調(diào)節(jié)體內(nèi)的水分平衡，因此同心圓棗耐旱性是以忍耐性的方式適應(yīng)干旱嚴酷環(huán)境。隸屬函數(shù)值分析表明同心圓棗百年老樹的抗旱性相對更強，但十年生的同心圓棗樹的抗旱性也相當強。因此，在生產(chǎn)中選擇強抗旱性的同時還應(yīng)該結(jié)合棗樹的產(chǎn)量進行綜合研判，以獲得最大效益。灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明莖直徑（X5）、葉主脈直徑（X10）、根半徑（X2）、根木質(zhì)部寬（X1）和葉片柵欄組織厚度（X9）等可以作為同心圓棗抗旱解剖結(jié)構(gòu)的主要鑒定指標，以后也可以通過鑒定這些指標的大小判斷其他植物抗旱性強弱。