貴州火龍果的氣孔特征及其日變化規律

聶克艷， 李莉婕， 王 苓， 王小紅， 張貴進， 趙澤英*

(1.貴州省農業科技信息研究所， 貴州 貴陽 550006； 2.安順學院， 貴州 安順 561000)

0 引言

【研究意義】貴州火龍果(Hylocereusundatus)主要在南北盤江流域和紅水河流域的羅甸、關嶺和望謨等區域種植，是當地農業產業發展的支柱產業之一[1]。紫紅龍是貴州火龍果主栽品種，所處的山區生態環境復雜多樣，土層淺薄保水難，多為季節性干旱的干熱河谷和低海拔的石漠化地區[1]。氣孔作為植物與外界環境進行水分和氣體交換的重要通道，在某種程度上間接反應了植物對生長環境水分含量變化的適應。氣孔在控制植物體內水分損失和生物量積累之間的平衡中起著關鍵作用，氣孔開度和導度直接影響植物蒸騰。研究火龍果的氣孔特征及其日變化規律，對探究貴州田間水分管理方法和促進火龍果高效生產具有重要意義。【前人研究進展】朱玉等[2]對3種北高叢藍莓氣孔特征研究表明，高溫條件下藍莓主要通過增加氣孔的寬度和規則化氣孔的空間分布提高光合效率。孫志蓉等[3]對環草石斛和鐵皮石斛不同生長發育時期試管苗葉片的氣孔進行掃描電鏡觀察發現，隨著生長時間的延長，環草石斛和鐵皮石斛葉片氣孔的大小變化不大，而氣孔的數量和密度均增加。美花石斛在水分充足和干旱處理后，其氣孔開放率表現一致，均是夜間開放率遠大于中午開放率，表現出專性植物特征[4]。張延龍等[5]對起源于我國的葡萄屬(Vitis)20個種或變種葉片氣孔特性進行觀察發現，氣孔縱徑對葡萄屬種的分類有較大的價值。PAZOUREK[6]研究發現，鳶尾屬的葉片氣孔密度隨著光強度的減少而增加。通常情況下，同種植物單個葉片的氣孔密度排序為葉基>葉中>葉尖[7]。董天英等[8]研究發現，向日葵等10種常見植物葉片不同部位的氣孔密度無明顯規律性。鄒龍海[9]研究鐵皮石斛的景天酸代謝途徑與其關鍵基因的共表達網絡結果表明，鐵皮石斛成熟葉片的光合代謝為CAM途徑。蘇文華[10]等對不同天氣條件下鐵皮石斛葉片CO2吸收速率的一晝夜波動研究發現，晴天鐵皮石斛夜晚和白天的CO2吸收速率均表現為CAM途徑；而在陰雨天則表現為C3途徑；多云天氣下，白天和夜晚均吸收CO2，植株光合代謝途徑在C3和CAM途徑之間轉換，說明鐵皮石斛的光合代謝途徑隨著外界環境條件的變化在C3和CAM途徑之間變換?！狙芯壳腥朦c】火龍果肉質莖作為蒸騰作用的主要器官，分布著大量氣孔，直接控制氣孔蒸騰強度?；瘕埞赓|莖氣孔性狀及其影響因素在很大程度上可有效促進其在作物生產上的調控，但到目前為止，少見火龍果肉質莖氣孔的相關研究?！緮M解決的關鍵問題】通過電鏡觀察紫紅龍火龍果的肉質莖和果實表皮氣孔，分析各部位氣孔特征和氣孔日變化規律，以期為火龍果氣孔研究、樹體水分調控和田間水分管理提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試火龍果品種為紫紅龍(貴州省果樹科學研究所選育，黔審果2009005號)，種植于貴州數字農業技術研究基地(惠水縣)大棚，為5年生成年樹。選擇長勢相對一致、育齡大體相當的1年生肉質莖和2年生肉質莖標記備用。

1.2 方法

1.2.1 肉質莖和果實表皮的顯微結構觀察 參照李莉婕[1]的掃描電鏡觀察方法，用刀片將肉質莖上部表皮切成長寬厚分別為4 mm×4 mm×1 mm的小方塊，將其放在10 mL離心管中，用7 mL 2.5%戊二醛4℃固定12 h以上；用pH 7.0的磷酸緩沖液漂洗4次后，用濃度分別為30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇梯度脫水各15～20 min，然后用乙酸異戊醋置換，最后用100%乙醇浸泡過夜。用CO2臨界點干燥儀對樣品進行干燥，用離子濺射儀鍍金，在S-3400型掃描電子顯微鏡(日本)下進行掃描觀察，加速電壓模式，10.0 kV，分辨率4.0 nm，放大100～1 000倍。

1.2.2 肉質莖和果實表皮的氣孔密度和大小測量 用300倍照片計算氣孔密度，用5 000倍照片測量氣孔大小和開張程度，每個處理選取10個視野，取平均值，用Photoshop進行測量。用形狀指數S(通過計算單一氣孔形狀與相同面積的圓之間的偏離程度)測量氣孔形狀的復雜程度，即當氣孔為圓形時，其形狀指數為1；若氣孔的形狀越扁長，則氣孔形狀指數的值就越大。

式中，S為形狀指數，P為氣孔開口周長(mm)，A為氣孔開口面積(mm2)。

1.2.3 植物氣孔特征測量 植物氣孔特征主要表現在氣孔器大小、氣孔開口大小以及形狀上。通過對火龍果1年生肉質莖、2年生肉質莖和果實表皮的氣孔進行觀察，選擇氣孔器的長度、寬度、面積、周長、氣孔比和氣孔內開口長度、寬度、面積、周長、形狀指數等10個指標表述火龍果各部位氣孔特征。通過電鏡觀察記錄連續24 h肉質莖和果實的氣孔開閉情況。氣孔導度用氣孔計測定。

1.3 數據處理

數據用Excel和SPSS統計軟件進行整理。

2 結果與分析

2.1 肉質莖和果實表皮的顯微結構

從圖1看出，2年生肉質莖表皮的顯微結構表面角質層紋路清晰，圍繞氣孔器呈拼圖狀鑲嵌分布，溝壑分明，無顯著縱橫向發育特征，花紋較小，紋路較為平坦松散，與氣孔器的形態差異明顯。1年生肉質莖表皮的顯微結構，表面角質層花紋的形態分布與2年生肉質莖大致相同，但1年生肉質莖紋路較為飽滿立體，條紋之間孔隙較小，結構較為緊縮，緊密貼合于氣孔器周圍。果實表皮的顯微結構，花紋與肉質莖有明顯差異，其紋路較深，花紋較大，呈明顯縱向發育，褶皺較多，具有乳突狀突起，與向下凹陷的橢圓形氣孔器差異較明顯。

2.2 肉質莖和果實表皮的氣孔密度和空間格局

氣孔大小和氣孔密度能夠反映植物的生態學特性?；瘕埞赓|莖氣孔器分布于莖的3個面，呈散生型分布，鑲嵌于凹凸不平的表皮之上，氣孔兩側的腎形保衛細胞環繞形成氣孔口，2個副衛細胞環繞于腎形保衛細胞周圍，與不規則的表皮細胞形狀差異較大；莖表皮氣孔開放時，保衛細胞內緣向內凹陷形成開口；莖氣孔關閉時，氣孔兩側保衛細胞內緣呈“一”字型緊密貼合。

從圖2看出，2年生肉質莖的氣孔器為近圓形，其保衛細胞與周圍表皮細胞之間的溝壑較淺。1年生肉質莖的氣孔器也為近圓形，其保衛細胞形狀較為飽滿，與周圍表皮細胞的區別較明顯。與肉質莖氣孔器形狀截然不同，火龍果果實表皮氣孔器呈長橢圓形，不規則分布于果皮表面，多為向下凹陷，保衛細胞呈長條狀，外緣較平滑；副衛細胞呈月牙形圍繞在保衛細胞兩側，少數氣孔器不見明顯副衛細胞，與周圍乳突狀表皮細胞相比具有較大差異；果實表皮氣孔開口較大，開放時，氣孔由中間向橢圓形兩端逐漸打開，關閉時，氣孔保衛細胞呈平行狀收縮合攏?；瘕埞?年生肉質莖的表皮氣孔密度(30.07個/視野)略高于1年生肉質莖氣孔密度(28.07個/視野)，均極顯著高于果實表皮的氣孔密度(11.80個/視野)(圖3)。

注：A為氣孔開放狀態，B為氣孔關閉狀態。

注：不同大、小寫字母分別表示差異極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)。

2.3 不同部位的氣孔開放情況

從圖4看出，24 h內，2年生肉質莖氣孔開放率最高在4：00和18：00，分別達47.92%和50.00%；其次在8：00和10：00，分別為37.50%和33.04%；在0：00、2：00、6：00、12：00、14：00和20：00時，均未看到視野中有氣孔開放。1年生肉質莖氣孔開放率最高在4：00和16：00，分別達36.11%和24.29%，其次在18：00和20：00，分別為21.43%和23.81%；在2：00、10：00、12：00和14：00時，均未看到視野中有氣孔開放。果實表皮氣孔開放率最高在4：00和16：00，此2個時間點氣孔開放率均達100%，其次在6：00和18：00，分別為92.31%和94.44%；氣孔開放率最低在2：00和14：00，分別為75.91%和77.50%。

圖4 連續24 h內火龍果肉質莖和果實氣孔的平均開放率

2.4 肉質莖氣孔導度的日變化規律

從圖5看出，2年生肉質莖24 h內在0：00-5：00氣孔導度逐漸增大至118.5 mmol/(m2·s)，5：00-8：00逐漸降低至30.1 mmol/(m2·s)，8：00-22：00呈上下波動變化；23：00時氣孔導度最低，為24.3 mmol/(m2·s)；23：30時增至最高，為129.7 mmol/m2·s)。1年生肉質莖在0：00-3：00氣孔導度逐漸增大，3：00-6：00劇烈波動，在4：00達最高值140.4 mmol/(m2·s)，6：00-23：30平緩波動，在10：30達最低值15.3 mmol/(m2·s)。1年生和2年生肉質莖變化趨勢基本一致，2年生肉質莖氣孔導度總體高于1年生肉質莖，且變化趨勢更加明顯。在7：00—17：00時氣孔導度較低，在2：00—6：30以及18：00—至23：30時氣孔導度較高。

圖5 火龍果肉質莖24 h內的的氣孔導度

2.5 不同部位氣孔特征及日變化規律

2.5.1 氣孔器和氣孔內開口特征 從表1看出，火龍果不同部位氣孔大小以及形狀均有所不同。1年生和2年生肉質莖氣孔器的長、寬、面積和周長大小較相近，兩者間差異不顯著，但均顯著高于果實表皮氣孔器。1年生和2年生肉質莖氣孔內開口的寬度顯著低于果實表皮，而1年生肉質莖的氣孔內開口寬度略大于2年生肉質莖，說明果實氣孔內開口的張開程度比肉質莖大。火龍果各部位氣孔內開口的面積和形狀指數均表現出顯著性差異，氣孔內開口的長度和周長無顯著性差異。在形狀上，2年生肉質莖和果實的形狀指數偏高，而1年生肉質莖的形狀指數更接近于1，即1年生肉質莖的形狀更近似于圓形。

表1 火龍果不同部位的氣孔器和氣孔內開口特征

2.5.2 氣孔開度的日變化規律 從圖6看出，2年生肉質莖氣孔開度(氣孔內開口橫徑與縱徑之積)在14：00-18：00、20：00-22：00、2：00-4：00、6：00-10：00呈升高趨勢，10：00時達最高，為115.24 μm2；在12：00-14：00、0：00-2：00氣孔處于關閉狀態；在18：00-20：00、22：00-0：00、4：00～6：00呈下降趨勢，并最終下降至氣孔完全完閉。1年生肉質莖氣孔開度在2：00-4：00、14：00-16：00、18：00-20：00呈升高趨勢，在4：00時達最高，為124.59 μm2；在16：00-18：00、20：00-2：00、4：00-10：00呈不同幅度下降趨勢；在2：00、10：00、12：00-14：00處于完全關閉狀態。火龍果果實氣孔在24 h中均呈不同程度的開放狀態，在14：00-18：00、20：00-22：00，0：00-2：00、4：00-8：00氣孔開度呈升高趨勢，在18：00時達最高，為174.90 μm2，在12：00-14：00、18：00-20：00、22：00-0：00、2：00-4：00、8：00-10：00呈下降趨勢，在0：00時最低，為87.37 μm2。

圖6 火龍果各部位24 h內的氣孔開度

2.6 氣孔性狀特征的相關性

從表2～4看出，火龍果各部位氣孔不同性狀特征之間存在不同程度的相關性。2年生肉質莖氣孔開度與氣孔內開口橫徑、面積、周長、形狀指數及氣孔開放率均呈極顯著正相關，其中與氣孔內開口橫徑的相關性最高；肉質莖形狀指數與氣孔內開口橫徑、面積、周長、氣孔開度、氣孔開放率均呈極顯著正相關，其中與氣孔內開口周長的相關性最高(表2)。1年生肉質莖氣孔開度與氣孔內開口橫徑、面積、周長及氣孔開放率均呈極顯著正相關，其中與氣孔內開口橫徑相關性最高；肉質莖形狀指數與氣孔內開口橫徑、周長、氣孔開放率均呈極顯著正相關，其中與氣孔內開口周長的相關性最高(表3)。果實氣孔開度與氣孔器面積、氣孔內開口橫徑、面積及周長均呈極顯著正相關，其中與氣孔內開口橫徑的相關性最高；果實氣孔的形狀指數與氣孔器橫徑、氣孔內開口橫徑呈極顯著負相關，與氣孔比呈極顯著正相關(表4)。表明，不同部位氣孔特征指標的相關性具有差異，氣孔內開口橫徑是影響氣孔各特征指標變化的重要因素。

表2 2 年生肉質莖氣孔特征指標的相關系數

表3 1年生肉質莖氣孔特征指標的相關系數

表4 果實氣孔特征指標的相關系數

3 討論

氣孔是植物與外界環境進行氣體交換的重要通道[11]，其形態特征會因溫濕度、土壤水含量和光照等外界因素發生變化[12-13]，但氣孔整體特征由遺傳因素決定。研究發現，火龍果果實表皮與肉質莖表皮氣孔形態特征差別較大；果實表皮褶皺較多，具有明顯乳突狀突起，與向下凹陷的肉質莖近圓形氣孔器差異較明顯?；瘕埞赓|莖氣孔呈下陷狀態，下陷的氣孔在減少光線輻射和風沙損害方面有積極的作用[14]，一方面受遺傳因素控制，另一方則可能是對生長環境的一種適應機制[15-16]。此外，氣孔形態特征還因肉質莖的生長發育時間不同而存在一定差異。與2年生肉質莖相比，1年生肉質莖紋路較為飽滿立體，條紋之間孔隙較小，結構較為緊縮，緊密貼合于氣孔器周圍，這種差異可能是1年生肉質莖表皮細胞尚未發育成熟所致[17]。

火龍果肉質莖氣孔器鑲嵌于凹凸不平的表皮之上，肉質莖的氣孔器呈近圓形，保衛細胞飽滿膨脹，且不因肉質莖的生長發育時間而發生明顯改變?；瘕埞麑嵄砥饪灼鞒书L橢圓形，保衛細胞呈長條狀，與肉質莖近圓形的氣孔器區別較為明顯。相同放大倍數視野下，2年生肉質莖表皮氣孔密度最大，約為果實表皮氣孔密度的2.55倍，可見火龍果的氣孔器主要分布在成熟的肉質莖中。氣孔蒸騰是植物蒸騰作用的最主要方式，是植物吸收和運輸水分的主要動力，火龍果的蒸騰部位主要在肉質莖。植物氣孔特征表現主要與土壤含水量相關，氣孔開度對抗旱性的影響最大[18]，而對于抗旱系數直接作用影響最大的是氣孔密度[12]。為使植物水分利用效率最大化，應采取有效措施來調控田間的生態因子以調控氣孔密度，抑制蒸騰速率，避免產生植物“午休”現象，從而增強樹體的光合作用。

CAM途徑代謝的植物有專性和兼性之分，葉片年齡和外界條件變化會導致其光合碳同化途徑在C3和CAM間轉換[19]。遺傳因素、個體發育及環境因素如光強[20]、相對濕度和水分都可以在一定程度上從生理生化方面影響CAM植物的表達。研究發現，火龍果在氣孔的呼吸作用中表現出CAM植物特有的規律，火龍果各部位氣孔主要在夜間開放，且在夜間氣孔開度較大，但在白天也見果實氣孔開放，而2年生肉質莖和1年生肉質莖在白天無烈日暴曬時可見氣孔開放。火龍果肉質莖氣孔導度在7：00-17：00時較低，在2：00-6：30及18：00-23：30時氣孔導度較高。綜上說明，火龍果肉質莖氣孔的呼吸作用主要在夜晚進行，白天的呼吸作用較弱。與成熟葉片相比，自然條件下幼葉因其位于冠層頂部，更容易暴露在強光和高溫下，而強光和高溫能夠直接或間接影響氣孔開度和氣孔導度[20]?；瘕埞律赓|莖在一定程度上為成熟肉質莖遮擋了強光，從而也直接或間接地影響其氣孔的開度和氣孔導度。火龍果1年生肉質莖的氣孔導度普遍低于2年生肉質莖，在氣孔大小上，2年生肉質莖也表現出比1年生肉質莖更大的特征，顯然氣孔導度的高低主要受氣孔發育的影響，與冬青衛矛和華北紫丁香的氣孔上研究結果[21]一致。因此，葉片生長過程中氣孔導度的提高主要取決于氣孔大小，這一結果也表明，未發育成熟的1年生肉質莖氣孔可能具有較弱的氣體交換功能。

植物表面的微觀形態結構是研究物種起源、進化和分類的重要指標。相關研究已在荔枝、龍眼、柑橘、蘋果和胡楊等植物中廣泛應用[22]，氣孔與各物種的分類學和種間親緣有著密切聯系，且有研究認為，氣孔密度、大小的變異系數和重復力與遺傳變異關系密切[23]。相關研究表明，蝴蝶蘭葉片的氣孔面積與氣孔開度呈顯著正相關，說明植物進行光合、呼吸和蒸騰作用等生理活動時，葉片上需要一定數量的氣孔面積；氣孔開度在一定程度上決定了氣孔面積。同時，蝴蝶蘭葉片一些氣孔指標間具有較高的相關性[24]。研究表明，火龍果不同部位氣孔性狀指標之間的相關性具有較大差異。肉質莖的氣孔特征指標中，氣孔內開口橫徑和氣孔開度及形狀指數之間都具有較高的相關性，不僅如此，其他指標之間也表現出不同程度的相關性。因此，在氣孔研究過程中，要考慮到性狀之間的相互影響，在選擇氣孔指標時，應該關注這些性狀彼此間的相關性并加以充分利用。

4 結論

火龍果氣孔主要分布在成熟的肉質莖上，2年生肉質莖的氣孔密度大于1年生肉質莖?；瘕埞赓|莖表皮氣孔呈近圓形，保衛細胞飽滿膨脹，顯微結構圖紋路較為平坦；果實表皮氣孔呈橢圓形，保衛細胞呈長條狀，具有明顯乳突狀突起；火龍果氣孔開閉情況和常見CAM植物相似，氣孔開放集中在清晨和傍晚時分?；瘕埞麣饪讓Ф日w呈波浪式變化規律，但在0:00和5:00火龍果氣孔導度逐漸增大至峰值，日間降低，傍晚時分又有所升高?；瘕埞鞑课粴饪组_度整體呈升-降-升-降的規律變化，且均在14:00和00:00出現增加趨勢?；瘕埞麣饪滋卣鞲髦笜碎g存在不同程度的相關性，肉質莖中氣孔開度與氣孔內開口橫徑、面積、周長、氣孔開放率等均呈極顯著正相關，氣孔內開口橫徑是影響氣孔各特征指標變化的重要因素。