不同品種茶花在干旱脅迫下葉片氣孔和蠟質(zhì)的差異化表現(xiàn)

魏 鳴 祁雄輝 董芳維 何 偉 高榮敏 李清源 陳寶林 張冬林 許 林

(1．武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 武漢 430065；2．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 武漢 430070； 3.美國(guó)喬治亞大學(xué)園藝系 雅典 30602)

茶花是山茶科山茶屬多種植物及園藝品種的通稱。它既是中國(guó)十大著名的花卉之一，也是盆栽及其它園林綠化的一個(gè)重要花卉品類。作為中國(guó)傳統(tǒng)花卉的茶花，原產(chǎn)于中國(guó)東部，尤以兩江流域(長(zhǎng)江、珠江)、云貴川等地居多，亞洲各國(guó)也有普遍種植。以中國(guó)的大陸、臺(tái)灣分布居多，在日本和歐美等地區(qū)也有分布，尤以亞洲的品種數(shù)量最多[1]。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)茶花干旱脅迫下植物性狀研究的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)茶花的研究主要集中在生理生化指標(biāo)、分子水平響應(yīng)等方面，對(duì)于葉片結(jié)構(gòu)的研究并不多。近年來(lái)，茶屬植物耐旱性的相關(guān)研究引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，對(duì)于茶花葉片表皮蠟質(zhì)等結(jié)構(gòu)在保水抗旱方面的作用及機(jī)制研究才剛剛開(kāi)始，特別是將其直接用于茶花品種之間的耐旱性比較研究還沒(méi)有。本研究采用盆栽控水法進(jìn)行干旱脅迫，利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)葉片的表皮，通過(guò)對(duì)葉片氣孔和表皮蠟質(zhì)抗逆響應(yīng)的表現(xiàn)進(jìn)行跟蹤分析，了解干旱脅迫下不同品種茶花的表現(xiàn)差異，為進(jìn)一步探討和提高其抗旱性提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以前期試驗(yàn)篩選出的抗旱性較強(qiáng)的‘十八學(xué)士’Camelliajaponica‘shibaxueshi’和較弱的‘情人節(jié)’C.japonica‘qingrenjie’2個(gè)品種為研究對(duì)象。

1.2 試驗(yàn)方法

將2個(gè)品種的試驗(yàn)對(duì)象放置到光照、溫度條件一致的溫室大棚中進(jìn)行干旱處理。每3盆為一組，每個(gè)品種做3組重復(fù)，共18盆。分別在進(jìn)行干旱脅迫處理前、第15 天、第30 天、第40 天下午14∶00～16∶00進(jìn)行樣品采集，每個(gè)品種各階段取4個(gè)樣本在掃描電鏡下觀察，每個(gè)樣本收集17個(gè)視野的照片進(jìn)行氣孔數(shù)統(tǒng)計(jì)，收集不同倍數(shù)下的蠟質(zhì)形態(tài)照片，做對(duì)比討論。

1.3 樣本制備

取相同位置上成熟功能葉片，避開(kāi)主脈，在中脈至葉緣1/2處取約5 mm×5 mm大小的葉片小塊，迅速投入到2.5%戊二醛固定液中，抽氣30 min，使葉片全部浸泡在固定液中，于室溫下放置2 h后，放置到4 ℃冰箱保存。每個(gè)品種每次取樣9個(gè)重復(fù)。樣品進(jìn)行真空冷凍干燥、噴金后，用 JSM-6390LV 生物掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表述，應(yīng)用 Microsoft Office Excel 2007處理所有數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片氣孔形態(tài)

本試驗(yàn)僅在茶花葉片下表皮觀察到了氣孔，無(wú)規(guī)則狀排列。同一個(gè)視野中‘十八學(xué)士’的氣孔較小，排列較密集(圖1-1)。‘情人節(jié)’的氣孔較大，排列較稀疏(圖1-2)。 在500 倍電鏡下觀測(cè)，‘十八學(xué)士’的氣孔數(shù)為11±3 個(gè)/視野，‘情人節(jié)’的氣孔數(shù)為 8±3 個(gè)/視野。通過(guò)放大至3 000倍觀察發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)品種的氣孔在試驗(yàn)的各個(gè)階段其形態(tài)會(huì)發(fā)生變化且存在差異。

圖1-1 干旱脅迫對(duì)‘十八學(xué)士’葉片氣孔形態(tài)的影響

圖1-2 干旱脅迫對(duì)‘情人節(jié)’葉片氣孔形態(tài)的影響

隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)植株表皮氣孔閉合產(chǎn)生的影響存在差異。在干旱初期，‘十八學(xué)士’氣孔大量閉合，蠟質(zhì)堵塞氣孔為極少數(shù)，僅保留部分氣孔不關(guān)閉用于基本代謝；隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，氣孔閉合率進(jìn)一步增加，直至達(dá)到96.4%。 ‘情人節(jié)’則主要通過(guò)蠟質(zhì)堆積堵塞氣孔，來(lái)降低蒸騰速率。在干旱中后期 ，才出現(xiàn)近半數(shù)的氣孔閉合；氣孔閉合機(jī)制緩慢加強(qiáng)，同時(shí)蠟質(zhì)分解、轉(zhuǎn)移增加(表1)。

表1 兩個(gè)茶花品種干旱脅迫期葉片氣孔形態(tài)變化統(tǒng)計(jì)

2.2 葉片表面蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)

兩個(gè)品種的葉片上下表皮均附著有蠟質(zhì)，上表皮蠟質(zhì)覆蓋較下表皮多。‘十八學(xué)士’上下表皮蠟質(zhì)含量比 ‘情人節(jié)’的均較多。通過(guò)掃描電鏡500、1 000、3 000倍對(duì)葉片上下表皮放大觀察，干旱初期，‘十八學(xué)士’葉片上表皮蠟質(zhì)積累速度明顯快于下表皮，在15 d時(shí)達(dá)到高峰(表2)。脅迫中期上表皮的蠟質(zhì)減少，下表皮增多，推測(cè)此時(shí)蠟質(zhì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移。在脅迫后期，上表皮蠟質(zhì)再次正向積累達(dá)到高峰。下表皮蠟質(zhì)，從干旱初期開(kāi)始一直呈增加趨勢(shì)，在30 d后開(kāi)始減少(圖2-1)。‘情人節(jié)’葉片上下表皮蠟質(zhì)雖有正向積累，但速度較慢。在干旱30 d時(shí)達(dá)到峰值，之后出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。(圖2-2)。

表2 兩個(gè)茶花品種干旱脅迫期葉片上下表面蠟質(zhì)積累變化趨勢(shì)

圖2-1 干旱脅迫對(duì)‘十八學(xué)士’葉片蠟質(zhì)形態(tài)的影響

圖2-2 干旱脅迫對(duì) ‘情人節(jié)’葉片蠟質(zhì)形態(tài)的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

試驗(yàn)通過(guò)大量電鏡照片并結(jié)合以往的干旱生理試驗(yàn)結(jié)論，展示并證明了茶花在抵御干旱時(shí)的防御機(jī)制特點(diǎn)，即通過(guò)控制葉片下表皮的氣孔開(kāi)合，并結(jié)合葉片蠟質(zhì)的合成、堆積、轉(zhuǎn)移、分解來(lái)降低蒸騰，減少灼傷保護(hù)植株。由此，在抵御干旱脅迫時(shí)，相較于生化調(diào)節(jié)因素，其蠟質(zhì)層、氣孔調(diào)節(jié)和根系深度等是植物抗旱更為直接和主要的因素。本研究通過(guò)掃描電鏡觀察氣孔形態(tài)和蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合光合表現(xiàn)進(jìn)一步說(shuō)明了茶花有別于其他品種花卉在抗旱方面的優(yōu)勢(shì)和耐受性。綜上，茶花在感受干旱脅迫后，除了表型、生理生態(tài)以及光合特性等方面會(huì)出現(xiàn)差異外，葉片結(jié)構(gòu)的差異對(duì)于品種間的抗旱能力影響更大，其在生理生態(tài)等方面有著不可忽視的作用。

3.2 討論

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，整個(gè)試驗(yàn)周期不同品種茶花的氣孔密度和形態(tài)均會(huì)隨著干旱程度的增加而發(fā)生改變，這與葉片的萎蔫程度有關(guān)[2-3]。已有諸多研究表明，干旱會(huì)促使葉片角質(zhì)層蠟質(zhì)的覆蓋度變大，從而使角質(zhì)蒸騰屏障變得更強(qiáng)[4-6]。本研究得出，伴隨干旱周期茶花品種間葉片表皮的蠟質(zhì)積累、形態(tài)和結(jié)構(gòu)均存在差異性。通過(guò)歸納蠟質(zhì)積累規(guī)律并結(jié)合氣孔觀察結(jié)果，脅迫中期‘十八學(xué)士’表皮氣孔大量自主關(guān)閉，因此蠟質(zhì)相對(duì)減少，可能是植株本身為了延續(xù)存活降低自身消耗。而此時(shí)‘情人節(jié)’葉片蠟質(zhì)合成速度開(kāi)始變快，下表皮蠟質(zhì)明顯比上表皮集聚的多，結(jié)合氣孔閉合情況，說(shuō)明該品種半數(shù)氣孔閉合依賴于蠟質(zhì)堵塞。脅迫后期，‘十八學(xué)士’葉片上表皮蠟質(zhì)比下表皮集聚量差異明顯，整體蠟質(zhì)含量與30 d比較，上表皮出現(xiàn)正增長(zhǎng)是為了降低灼傷性，下表皮出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)是為了減少合成帶來(lái)的消耗，推測(cè)‘情人節(jié)’繼續(xù)依靠蠟質(zhì)堆積降低蒸騰率。

氣孔開(kāi)合及蠟質(zhì)積累隨著干旱時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)規(guī)律性變化[7-8]。正常環(huán)境下，茶花以上表皮蠟質(zhì)含量居多為宜。隨著旱害不斷加強(qiáng)，葉片表皮的氣孔大量閉合，凈光合速率、蒸騰速率快速下降[9]。葉片感受到干旱后，上、下表皮蠟質(zhì)的積累規(guī)律出現(xiàn)顯著差異。其中‘情人節(jié)’的葉片下表皮蠟質(zhì)最早出現(xiàn)堆積，氣孔也最早出現(xiàn)堵塞。整個(gè)脅迫周期中，對(duì)氣孔的開(kāi)張控制機(jī)制表現(xiàn)不得當(dāng)，主要通過(guò)利用蠟質(zhì)的合成、堆積來(lái)堵塞氣孔，降低蒸騰作用，避免植株受害，屬于完全被動(dòng)防御機(jī)制。比較抗旱性表現(xiàn)相對(duì)較強(qiáng)的‘十八學(xué)士’，氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞在干旱早期就啟動(dòng)閉合響應(yīng)機(jī)制，葉片上表皮的蠟質(zhì)堆積程度更強(qiáng)，更好地起到保護(hù)葉片免受光照和有害物質(zhì)的傷害作用。下表皮主要通過(guò)控制氣孔開(kāi)張阻止蒸騰作用，降低脅迫下的生物量損耗。

這些結(jié)果說(shuō)明，在經(jīng)歷逆境時(shí)，植物可能會(huì)做出一些更利己的選擇，比如對(duì)角質(zhì)蒸騰屏障功能較差的葉片上表皮的蠟質(zhì)層優(yōu)先進(jìn)行修飾，這是植物在降低自身消耗，最大限度提高自身生存幾率的有效策略，這與張弋的結(jié)論一致[8]，Carr也證實(shí)了氣孔關(guān)閉是由水分虧缺引起[10]。因干旱引發(fā)茶花幼苗失水萎蔫后，植株體內(nèi)游離脯氨酸含量很低，因此沒(méi)有充足的機(jī)制保護(hù)其不受傷害[11-12]。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)茶花2個(gè)品種的研究，推測(cè)葉片表皮的蠟質(zhì)特性，在影響氣孔開(kāi)張的同時(shí)，對(duì)植株干旱脅迫下的光合作用也存在影響，但本文未在蠟質(zhì)代謝途徑，以及葉片的細(xì)胞器水平上再做深入研究及具體數(shù)據(jù)計(jì)量。在之后的研究中，應(yīng)該結(jié)合蠟質(zhì)的合成、代謝途徑及原理，葉片的葉肉細(xì)胞和細(xì)胞器變化，通過(guò)研究不同角質(zhì)層蠟質(zhì)層次的修飾策略，來(lái)分析該物質(zhì)是如何具體參與到植物的光合活動(dòng)中并發(fā)揮作用的。