新疆兩個主栽核桃品種葉片結構和光合特性的比較

張 玉，韓立群，，趙 鈺，于 棟，李麗莉，周 龍，馬 凱

（1. 新疆農業大學 園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆農業科學院 a. 園藝作物研究所；b. 農業農村部新疆地區果樹科學觀測試驗站，新疆 烏魯木齊 830091）

核桃Juglans regiaL.系胡桃科核桃屬多年生落葉果樹，位居世界四大干果（核桃、扁桃、板栗、腰果）之首，是我國重要的木本油料樹種，具有很高的經濟價值[1]。核桃仁富含多種不飽和脂肪酸和礦質元素等營養物質，具有抗衰老、提高免疫力等保健功效[2-3]。新疆維吾爾自治區是我國核桃種植大省區，核桃產業是新疆特色林果業之一，發展特色林果業是帶動經濟增長的新動力，不僅能促使農民增收致富，而且能促進新疆林果產業提質增效，所以，如何提高核桃產量的問題是目前亟待解決的現實問題。而果樹產量與其基因、器官形態和組織結構等內在因素有關，而光合作用是影響果樹產量的決定性因素，因此，提高植株的光合速率是提高果樹產量的關鍵措施[4]。

光合作用是植物生長發育、產量形成與增加的關鍵影響因素[5]，葉片是進行光合作用的主要器官，其結構和功能與光合作用的關系均十分密切。有關研究結果表明：植株種內光合速率的大小是由測定方法和葉片內部顯微結構的異同造成的[6]，葉片的解剖結構與其光合特性緊密相關，其凈光合速率與葉片的柵欄組織、海綿組織的厚度及氣孔密度均呈正相關，即柵欄組織和海綿組織越厚，凈光合速率就越高[7]；邱彥芬等[6]在研究橡膠樹時發現，胞間CO2濃度與角質層和葉片厚度均呈極顯著負相關；任順梅等[8]在研究地石榴時發現，凈光合速率與氣孔導度、蒸騰速率均呈極顯著正相關，而與胞間CO2濃度呈極顯著負相關。

目前，有關不同核桃品種光合特性日變化規律的研究報道較多：宗建偉等[9]、王陸軍等[10]和劉鵬等[11]研究了不同核桃品種光合特性的變化規律；楊瑩等[12]對紅、綠核桃葉片的性狀特征及光合日變化趨勢進行了比較分析；李秋煜等[13]研究了早實和晚實核桃的光合特性。目前，關于核桃光合作用與環境因子之間變化關系的研究報道較多[14-15]，然而，有關相同生境下不同核桃品種光合特性與葉片的顯微結構和葉綠素相對含量之間的關系的研究報道并不多見。為給新疆地區早實核桃的豐產和優質栽培提供理論依據，本研究對新疆地區現有優良核桃品種‘溫185’和‘新新2 號’的葉片形態結構與光合特性等方面進行了比較分析，現將研究結果分析報道如下。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區喀什地區葉城縣農業農村部果樹科學觀測站。該地區屬于溫帶干旱氣候，光熱量資源豐富，日照時間長，降水稀少，晝夜溫差大，年平均氣溫11.3 ℃，年平均降水量54 mm，平均年無霜期約228 d。試驗地的土壤是沙壤土，土壤中的有機質含量為2.954 g/kg，其pH 值為7.3 ～8.0。

1.2 材 料

試材為7 年生的‘溫185’和‘新新2 號’實生大樹，南北向定植，常規管理，株行距均為6 m×3 m。

1.3 方 法

1.3.1 葉片形態及顯微結構的觀測

葉片形態的觀測：2021 年7 月，選擇長勢一致的‘溫185’和‘新新2 號’核桃樹，每個品種各選3 株樣樹，分別從核桃樣樹的東、南、西、北4 個方向各標記2 片中部新梢葉片的旗葉，共設8 次生物學重復，每隔15 d 用游標卡尺測量旗葉的葉長（即葉片頂端到葉柄與葉片連接處的長度）和葉寬（即葉片最寬處的寬度），并參照吉德娟等[16]和王磊等[17]的計算方法分別計算葉形指數和葉面積：葉形指數=葉長/葉寬；葉面積=葉長×葉寬×2/3。

葉片解剖結構的觀察：用孔徑為0.7 cm 的打孔器分別對‘溫185’和‘新新2 號’葉片的旗葉進行打孔。利用常規石蠟切片法[18]制片，將其葉片放入70%的FAA 固定液中保存以備用，脫水、浸蠟和包埋，利用切片機（LEACA CM1950）切片，切片厚度為10 μm，用1%的番紅和1%的固綠進行染色，用中性樹膠封片，并標注好樣品的名稱和采樣時間，然后，用顯微鏡（NIKON eclipse Ts2）觀察并拍照，利用Image J 軟件測量葉片上表皮、下表皮、柵欄組織、海綿組織的厚度和葉片厚度等微觀結構指標，并計算出柵海比、葉片組織疏松度和葉片組織緊密度：柵海比=柵欄組織/海綿組織；葉片組織疏松度=海綿組織/葉片厚度；葉片組織緊密度=柵欄組織/葉片厚度。

1.3.2 光合參數的測定

于2021 年7 月22—24 日（天氣晴朗），選擇健康且長勢一致的樣樹測定其光合參數，每株樣樹各測定5 片樹冠中層不同方向且健康的完整旗葉，設3 次生物學重復。采用SPAD-502 和Li-6800 光合儀分別測定旗葉的葉綠素相對含量（SPAD 值）和凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、光合有效輻射強度（PAR）等光合參數與溫度（T）、CO2濃度等環境因子，光合參數的測定時刻為9:00—21:00時，每隔2 h 測定1 次，取平均值，并根據戴秋月等[19]所用的方法計算水分利用效率（RWUE）：

RWUE=Pn/Tr。

1.4 數據統計與分析

運 用SPSS 26.0 和Microsoft Excel 2010 軟 件進行數據處理和單因素方差分析（顯著性水平為0.05）與相關性分析及制作圖表；運用Image J 軟件在顯微鏡（20 倍）下測量上表皮、下表皮、柵欄組織、海綿組織的厚度和葉片厚度等指標。

2 結果與分析

2.1 不同核桃品種葉片形態與顯微結構的觀測結果

不同日期測定的不同核桃品種的葉長和葉寬如圖1 所示，其葉形指數和葉面積如圖2 所示。從圖1 和圖2 中可以看出，‘溫185’的葉長、葉寬和葉面積均略大于‘新新2 號’的；‘新新2 號’的葉形指數略大于‘溫185’的。兩個核桃品種的葉長存在顯著性差異（P＜0.05），而其葉寬、葉形指數和葉面積均不存在顯著性差異（P＞0.05）。

圖1 不同核桃品種葉長和葉寬的測定結果Fig. 1 Determination results of leaf length and leaf width of different walnut varieties

圖2 不同核桃品種葉形指數和葉面積的測定結果Fig. 2 Comparison results of leaf shape index and leaf area of different walnut varieties

觀察到的‘溫185’和‘新新2’的葉片縱切面的顯微結構如圖3 所示。從圖3 中可以看出，從外向內可以觀察到，核桃葉片的最外層是由大小不等且透明的1 列橢圓形細胞構成上下表皮的，其內層是由顏色較深的2 列長條狀細胞組成的柵欄組織，有多個由不規則細胞組成的海綿組織分布在柵欄組織與下表皮之間。‘溫185’的海綿組織明顯少于‘新新2 號’的，‘新新2 號’葉片的空腔大于‘溫185’的。

圖3 不同核桃品種的葉片顯微結構Fig. 3 Leaf microstructure of different walnut varieties

采用單因素檢驗法對‘溫185’和‘新新2 號’葉片的解剖結構指標值進行單因素方差分析，結果見表1。由表1 可知，‘溫185’的上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、葉片厚度、柵海比、葉片組織緊密度均大于‘新新2 號’的；‘新新2號’的海綿組織厚度大于‘溫185’的；‘新新2 號’的海綿組織和葉片組織疏松度均大于‘溫185’的?！疁?85’和‘新新2 號’的8 個葉片解剖結構指標值均無顯著差異（P＞0.05）。

表1 不同品種核桃葉片解剖結構的觀測結果?Table 1 Significance analysis of leaf anatomical structure of two varieties of walnut

2.2 不同核桃品種葉綠素相對含量和光合參數的比較分析

2.2.1 不同核桃品種葉綠素相對含量的比較分析

葉綠素是植物細胞內參與光合作用的主要色素，直接參與光合作用過程，葉綠素含量的高低決定著植物光合能力的強弱[20]。不同核桃品種的葉綠素相對含量（SPAD 值）如圖4 所示。從圖4中可以看出，‘溫185’和‘新新2 號’的葉綠素相對含量不同，但其含量差異不明顯，‘溫185’的葉綠素相對含量略高于‘新新2 號’的。

圖4 不同核桃品種的葉綠素相對含量比較Fig. 4 Comparison of chlorophyll relative content in different walnut varieties

2.2.2 不同核桃品種各個光合參數的比較分析

2.2.2.1 各個環境因子的比較分析

光合作用是葉綠素吸收和利用光能，將環境中的二氧化碳和水合成植株生長發育所需的營養物質，因此光合作用與環境因子密切相關[21]。不同核桃品種的光合有效輻射、空氣溫度和CO2濃度的日變化趨勢如圖5 所示。從圖5 中可以看出，‘溫185’和‘新新2 號’核桃的光合有效輻射（PAR）與氣溫的日變化趨勢均相似，均呈現出先上升至平穩狀態最后下降的變化趨勢；其PAR 在15:00時均最大，均為1 809 μmol·m-2·s-1；氣溫在17:00時達到最高，為38.96 ℃；其大氣中CO2的濃度在上午9:00時均最大，為386.4 μmol·mol-1，在9:00—11:00 時均呈明顯的下降趨勢，在11:00—17:00 時均表現為上下波動狀態，而在19:00—21:00 時均趨于平緩。

圖5 不同核桃品種的光合有效輻射、溫度和CO2濃度的日變化趨勢Fig. 5 Diurnal variation trend of photosynthetic available radiation, temperature and CO2 concentration of different walnut varieties

2.2.2.2 各個光合參數的比較分析

‘溫185’和‘新新2 號’核桃品種的凈光合速率日變化趨勢如圖6 所示。從圖6 中可以看出，‘溫185’和‘新新2 號’的凈光合速率變化曲線均為單峰型，且‘溫185’的凈光合速率日均值（9.89 μmol·m-2·s-1）大于‘新新2 號’的（8.68 μmol·m-2·s-1）； 但 是，‘ 新 新2 號’ 的最大凈光合速率出現的時間比‘溫185’的早，‘溫185’的凈光合速率在13:00 時達到了峰值（13.12 μmol·m-2·s-1），而‘新新2 號’的凈光合速率在11:00 時就達到了峰值（11.56 μmol·m-2·s-1），隨著時間的推移，兩者的凈光合速率在達到峰值后均緩慢減小；且2 個品種間其凈光合速率在13:00、15:00、17:00 和21:00 時測定的值均存在顯著差異（P＜0.05）。

氣孔是葉片內部與外界O2、CO2等氣體交流的主要通道[22]，氣孔導度（Gs）的大小可以反映植物光合作用的強弱[23]?！疁?85’和‘新新2 號’核桃品種的氣孔導度日變化趨勢如圖7 所示。從圖7 中可以看出，‘溫185’的Gs日均值（0.223 mol·m-2·s-1）大于‘新新2 號’的Gs日均值（0.170 mol·m-2·s-1），且兩者的氣孔導度均呈現出先增加再減小的變化趨勢；‘溫185’與‘新新2 號’的氣孔導度峰值出現的時刻不一致，‘溫185’的氣孔導度峰值（0.270 mol·m-2·s-1）出現在13:00 時，而‘新新2 號’的氣孔導度峰值（0.044 mol·m-2·s-1）出現在11:00 時；2 個品種間其氣孔導度在13:00、15:00、17:00、19:00 和21:00 時測定的值均存在顯著差異（P＜0.05），而在其余時刻測定的氣孔導度均無顯著性差異（P＞0.05）。

圖7 不同核桃品種的氣孔導度的日變化趨勢Fig. 7 Diurnal variation trend of stomatal conductance of different walnut varieties

胞間CO2濃度是反映植株調控和影響光合作用的關鍵因子[24]?！疁?85’和‘新新2 號’核桃品種的胞間CO2濃度（Ci）的日變化趨勢如圖8 所示。從圖8 中可以看出，‘溫185’的Ci日均值（261.06 μmol·mol-1）大于‘新新2 號’的Ci日均值（241.02 μmol·mol-1）；‘溫185’的胞間CO2濃度呈現出先下降再緩慢增加最后緩慢減小的變化趨勢，‘新新2 號’的胞間CO2濃度則呈現出先快速下降再緩慢下降的變化趨勢；2 個品種間其胞 間CO2濃 度 在13:00、15:00、17:00、19:00 和21:00 時測定的值均存在顯著差異（P＜0.05），而其余時間測定的胞間CO2濃度均無顯著差異（P＞0.05）。

圖8 不同核桃品種的胞間CO2濃度的日變化趨勢Fig. 8 Diurnal variation trend of intercellular CO2 concentration in different walnut varieties

蒸騰速率是指植物通過蒸騰作用產生蒸騰拉力在單位時間內散失水蒸汽的量，是反映植物含水量的關鍵生理指標[25]?！疁?85’和‘新新2 號’的蒸騰速率（Tr）日變化趨勢如圖9 所示。從圖9 中可以看出，‘溫185’和‘新新2 號’的蒸騰速率均呈現出先增加再減小的變化趨勢，其日變化曲線類型均為單峰型；‘溫185’的Tr日均值（0.007 7 mol·m-2·s-1）大于‘新新2 號’的Tr日均值（0.005 6 mol·m-2·s-1）；‘溫185’和‘新新2 號’的Tr峰值均出現在13:00 時，分別為0.015 0 和0.007 5 mol·m-2·s-1?！疁?85’和‘新新2 號’間其蒸騰速率在13:00、15:00、17:00 和21:00 時測定的值均存在顯著差異（P＜0.05），而在其余時刻測定的值均無差異顯著性（P＞0.05）。

圖9 不同核桃品種的蒸騰速率的日變化趨勢Fig. 9 Diurnal variation trend of transpiration rate of different walnut varieties

2.2.2.3 葉片水分利用率的比較分析

葉片的水分利用率可以反映植物對水分的利用效果及對逆境的適應能力[26]?！疁?85’和‘新新2 號’的水分利用率日變化趨勢如圖10 所示。從圖10 中可以看出，‘溫185’的水分利用率日均值（9.89 μmol·mol-1）大于‘新新2 號’的（8.68 μmol·mol-1）；‘溫185’和‘新新2 號’的水分利用率均在9:00 時達到最大值；9:00—11:00 時測定的水分利用率，‘溫185’大于‘新新2 號’；13:00—17:00 時測定的水分利用率，‘新新2 號’大于‘溫185’；17:00 時以后，‘新新2 號’的水分利用率隨著時間的推移而緩慢增加，而‘溫185’的水分利用率卻呈現出先增加再減小的變化趨勢。除了13:00 時測定的水分利用率2 個品種間存在顯著差異（P＜0.05）之外，其余時刻測定的水分利用率2 個品種間均不存在顯著差異（P＞0.05）。

圖10 不同核桃品種的水分利用率的日變化趨勢Fig. 10 Diurnal variation trend of water use efficiency of different walnut varieties

2.2.3 不同核桃品種的光合參數、SPAD 值與葉片顯微結構指標之間的相關性分析

‘溫185’與‘新新2 號’的凈光合速率與各光合參數和SPAD 值之間的相關系數分別見表2和表3，‘溫185’與‘新新2 號’的凈光合速率與葉片各個顯微結構指標之間的相關系數分別見表4 和表5。相關分析結果表明，‘溫185’和‘新新2 號’的凈光合速率與其蒸騰速率、氣孔導度均呈極顯著正相關；2 個品種的凈光合速率與其光合有效輻射均呈顯著正相關，而與其CO2濃度和葉片厚度均呈顯著負相關?！滦? 號’的凈光合速率與胞間CO2濃度呈極顯著正相關；而‘溫185’的凈光合速率與胞間CO2濃度無相關性。‘溫185’的凈光合速率與其柵欄組織和葉片組織疏松度均呈顯著正相關，而‘新新2 號’的凈光合速率與其柵欄組織和葉片組織疏松度均無相關性。

3 結 論

測定結果表明，核桃品種的葉長、葉寬和葉面積，‘溫185’均略大于‘新新2 號’；‘新新2 號’的葉形指數略大于‘溫185’的，其葉寬、葉形指數和葉面積的生長量差異均不顯著。顯微觀察結果表明，‘溫185’和‘新新2 號’的葉片均由上表皮、下表皮、柵欄組織和海綿組織構成；采用單因素檢驗法對‘溫185’和‘新新2 號’葉片各個解剖結構指標的顯著性進行分析，結果表明，葉片的上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、葉片厚度、柵海比、葉片組織緊密度，‘溫185’均大于‘新新2 號’；而葉片的海綿組織厚度，‘新新2 號’大于‘溫185’。

表2‘溫185’的凈光合速率與各光合參數和SPAD值之間的相關系數?Table 2 Correlation coefficient between net photosynthetic rate of ‘Wen 185’ and photosynthetic parameters and SPAD value

表3‘新新2號’的凈光合速率與各光合參數和SPAD值之間的相關系數Table 3 Correlation coefficient between net photosynthetic rate and photosynthetic parameters and SPAD value of ‘Xinxin 2’

表4‘溫185’的凈光合速率與葉片各個顯微結構指標之間的相關系數Table 4 Correlation coefficient between net photosynthetic rate of ‘Wen 185’ and various microstructure indexes of leaves

表5‘新新2號’的凈光合速率與葉片各個顯微結構指標之間的相關系數Table 5 Correlation coefficient between net photosynthetic rate and leaf microstructure indexes of ‘Xinxin 2’

‘溫185’和‘新新2 號’所在環境各因子（光合有效輻射、溫度和CO2濃度）的日變化趨勢均基本一致；且‘溫185’的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率及水分利用率均大于‘新新2 號’的；且‘溫185’和‘新新2 號’的凈光合速率日變化曲線類型均為呈單峰型，表明2 個核桃品種都沒有出現明顯的光合午休現象。

2 個核桃品種的凈光合速率與葉片柵欄組織厚度、葉片組織疏松度、蒸騰速率和氣孔導度均呈正相關，說明核桃葉片的柵欄組織、葉片厚度、蒸騰速率、氣孔導度及葉片的水分利用率都能影響其光合速率。此外，葉片柵欄組織的厚度、上表皮厚度、下表皮厚度和水分利用率均可作為植物抗旱性的評價指標。分析結果表明：‘溫185’比‘新新2 號’更能適應南疆地區的氣候條件。

4 討 論

核桃樹是喜光果樹。‘溫185’和‘新新2 號’作為新疆地區的主栽核桃品種，其樹勢均較強，樹姿均較張開。植物葉片的微觀構造是反映植物光合能力的結構基礎[27]，本研究通過分析核桃新梢葉片的生長勢探究其光合特性。已有研究結果表明，葉片厚度、單位面積柵欄細胞數及表皮和表面角質層與植物的光合作用均顯著相關[6-7]。研究中發現，‘溫185’的柵欄組織、葉片厚度均大于‘新新2 號’的，且其凈光合速率也大于‘新新2 號’的。相關性分析結果表明，‘溫185’和‘新新2 號’的凈光合速率與葉片厚度均呈負相關，而與葉片組織緊密度均呈正相關，反映出光合速率與葉片厚度和葉片組織緊密度均密切相關，‘溫185’的凈光合速率與葉片柵欄組織厚度和葉片組織疏松度均呈顯著正相關，這與李艷麗等[28]對錐栗的研究結果一致。另外，葉片柵欄組織的厚度、上表皮厚度、下表皮厚度均可作為植物抗旱性的評價指標[29]，并且柵欄組織的厚度與植物的抗旱性呈正相關[30]。研究結果表明，‘溫185’葉片中柵欄組織的厚度大于‘新新2 號’的，說明‘溫185’更能適應新疆地區的氣候（典型的大陸性干旱氣候）條件。

凈光合速率是植物光合作用的直觀體現，凈光合速率的大小反映了植物同化物生產能力的大小[12]。有關研究結果表明，植物凈光合速率的日變化曲線類型主要有雙峰、單峰和不規則類型，‘溫185’和‘新新2 號’的凈光合速率日變化曲線類型均為單峰型，說明2個品種均未表現出明顯的“午休”現象，這一結果與張志華等[31]的研究結果一致，而與前人對紅富士[32]和櫻桃[33]的研究結果均不一致。導致研究結果不一致的原因如下：一是品種不同；二是測定光合參數的儀器不同，本研究采用LI-6800 進行測定，而楊瑩等[12]所用的光合儀器是LI-6400 XT 便攜式光合儀；三是測定方法不同，張志華等[31]采用改良干重法測量光合參數，而本課題組成員則采用便攜式光合儀測定葉片在某個時刻的光合參數，這樣能更加準確地反映植物的光合特性。

環境因子（CO2濃度、光合有效輻射和溫度）、氣孔導度和蒸騰速率都是影響果樹光合速率的重要因子[34]。研究中發現，隨著溫度和光合有效輻射的增加，核桃的凈光合速率也有所增加，說明此時核桃樹體開始生成機體所需的營養物質；核桃的凈光合速率隨著氣孔導度和蒸騰速率的增加而增加，說明核桃的凈光合速率與氣孔導度和蒸騰速率均呈正相關，‘溫185’和‘新新2 號’的凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導度均呈正相關，這一分析結果與吳強等[27]對小黃楊的研究結論一致。同時，水分是植物進行光合作用的關鍵成分，水分利用率也是植物光合作用及抗旱性的關鍵評價因子。在相同的生境條件下，植株對水分的利用效率越大，說明植物在消耗等量水分的同時制造出的有機物越多，越利于植株在干旱逆境中生長[35]，‘溫185’的水分利用率日均值大于‘新新2 號’的，表明‘溫185’的抗旱性強于‘新新2 號’的，‘溫185’更能適應干旱條件。

本研究以‘溫185’和‘新新2 號’為試驗材料，通過測定其光合參數、觀察其葉片顯微結構、計算各個相關指標間的相關系數、參考前人研究結論來判斷其抗旱能力，研究結果雖能反映出2 個核桃品種的抗旱能力，但還存在一定的不足，今后還可對核桃進行不同程度的干旱脅迫處理，并結合其表型、生理生化指標、葉片解剖結構及影響干旱的相關基因等指標，對其抗旱性進行綜合評判；此外，果實是反映植株抗旱能力的直觀體現，因此，還應在核桃果實不同的發育時期（果實速長期、果殼硬化期、種仁充實期和果實成熟期）對其進行干旱脅迫試驗，并測定其光合參數與抗旱性指標，探究影響其干旱性的相關基因，并利用綜合抗旱系數、抗旱指數和隸屬函數綜合評價值進行綜合評價，這樣才能更加科學、全面地評價不同核桃品種的抗旱性。