雜交葡萄‘M10’及其親本葉片解剖結構與光合特性研究

紀佳慧,張付春,鐘海霞,潘明啟,周曉明, 喬江霞,李文勝,伍新宇

(1. 新疆農業大學 園藝學院,烏魯木齊 830052;2. 新疆農業科學院 園藝作物研究所,烏魯木齊 830091)

葉片是植物進行光合作用、蒸騰作用和氣體交換的重要場所,為植物的生長和發育提供所需的養分,其顯微結構不僅是植物進行一系列生理活動的基礎,同時與適應環境能力、抗逆性等密切相關[1-3]。木納格葡萄為大粒、有核、晚熟品種,是最具新疆特色的傳統地方品種之一[4],有‘白木納格’和‘紅木納格’兩種[5],主要集中在新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿圖什市,喀什、阿克蘇也有少量種植。‘莫莉莎無核’是美國農業研究中心培育成的中晚熟、大粒、黃白色、有玫瑰香味、耐儲運的無核品種[6-7]。關于木納格葡萄,前人在貯藏保鮮、田間管理、果實品質、光合特性等方面有部分研究[4,8-14],莫莉莎無核葡萄在貯藏保鮮、果實品質、抗性分析、親緣關系分析等方面有部分研究[15-18]。2010-2011年新疆農科院園藝所葡萄課題組用‘莫莉莎無核’做父本和‘白木納格’雜交,在后代中篩選出的優株‘M10’具有中早熟、紅色、玫瑰香味、肉脆等特點,是優異的育種材料,也可在生產上示范推廣。‘M10’與其父母本在果實顏色、成熟期等方面存在較大差異,為進一步了解‘M10’與其父母本在生理生化方面的差異,本研究對雜交葡萄‘M10’及其親本的葉片解剖結構與光合生理相關因子進行系統地觀測和比較分析,探究其葉片解剖結構與光合生理特征的相關關系,為后續相關研究提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在新疆農業科學院綜合試驗場園藝所葡萄基地核心示范園進行,該地屬于溫帶干旱半干旱大陸性氣候。試驗材料為雜交葡萄‘M10’及其母本‘白木納格’、父本‘莫莉莎無核’(圖1),各品種生長環境和栽培管理方法一致。

1.2 方 法

2021年于果實膨大期的晴天,每個品種選擇生長健壯、長勢相近的3株,每株選取新梢第4～5節位上向陽、無病蟲害的功能葉3片,采用CIRAS-3便攜式光合儀(PP SYSTEMS,USA)于北京時間10:30-21:00測定凈光合速率(Net photosynthetic rate,Pn,μmol·m-2·s-1)日變化,光合儀同步記錄葉面光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR,μmol·m-2·s-1)、環境溫度(Tamb,℃)、葉片溫度(Tleaf,℃)、相對濕度(RH,%)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration,Ci,μmol·mol-1)、氣孔導度(Stomatal conductance,Gs,mmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Transpiration rate,Tr,mmol·m-2·s-1)等參數,2 h測定1次(以實際測定時刻為準),共6次。采集對應葉片用FAA固定液固定,番紅—固綠染色法觀察葉片解剖結構。用顯微鏡觀察并采集圖片,Image J軟件測量葉片厚度、主脈厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度等指標,參照高馳等[19]的方法計算:葉脈突起度(Vein protu-berance degree,VPD)=葉脈厚度/葉片厚度;細胞結構緊密度(Cell tense ratio,CTR)=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%;細胞結構疏松度(Spongy ratio,SR)=海綿組織厚度/葉片厚度×100%;柵海比(Palisade tissue thickness / Spongy tissue thickness,P/S)=柵欄組織厚度/海綿組織厚度。于果實轉色期的晴天上午北京時間11:00-13:00測定光照強度在 2 500、2 000、 1 500、1 100、750、500、300、150、75、0 μmol·m-2·s-1時的光響應特征參數。

光合光響應數據采用Ye等[20]模型擬合,用DPS數據處理系統中的Duncan’s法進行方差分析,圖表繪制使用Excel 2019和Origin 9.0 軟件。

2 結果與分析

2.1 ‘M10’及其親本葉片解剖結構特征比較

2.1.1 ‘M10’及其親本的葉表皮與主脈特征 ‘M10’及其親本的上、下表皮均由單層薄壁細胞構成,表皮細胞形狀多樣。‘白木納格’的上表皮細胞呈矩形或長圓形,略有突起,下表皮細胞多為矩形或不規則形;‘莫莉莎無核’的上、下表皮細胞均呈矩形或突起狀;‘M10’的上、下表皮細胞均呈不規則形;角質層均不明顯(圖2)。葉片厚度‘白木納格’>‘M10’>‘莫莉莎無核’,差異極顯著。上表皮厚度‘白木納格’>‘M10’>‘莫莉莎無核’,差異顯著。下表皮厚度‘M10’極顯著低于‘白木納格’和‘莫莉莎無核’(表1)。‘M10’及其親本主脈均為橢圓形或圓形,上、下表皮突出,且下表皮突出程度高于上表皮。主脈厚度‘M10’極顯著低于‘白木納格’和‘莫莉莎無核’。葉脈突起度是主脈厚度與葉片厚度的比值,‘莫莉莎無核’>‘白木納格’>‘M10’,‘莫莉莎無核’極顯著高于‘M10’(圖2,表1)。

表1 ‘M10’及其親本的葉表皮與主脈特征Table 1 Characteristics of leaf epidermis and main vein of ‘M10’ and its parents

A-Ⅰ.‘白木納格’葉表皮和葉肉組織;A-Ⅱ.‘白木納格’主脈;B-Ⅰ.‘莫莉莎無核’葉表皮和葉肉組織;B-Ⅱ.‘莫莉莎無核’主脈; C-Ⅰ.‘M10’葉表皮和葉肉組織;C-Ⅱ.‘M10’主脈;UE.上表皮;LE.下表皮;PT.柵欄組織;ST.海綿組織

2.1.2 ‘M10’及其親本的葉肉組織結構特征 ‘M10’及其親本的葉肉組織均由柵欄組織和海綿組織組成。柵欄組織靠近葉片上表皮,由排列規則、緊密的長柱狀單層細胞組成;海綿組織靠近葉片下表皮,由排列規律性差、疏松的不規則形細胞組成,細胞數量較少且有較多的細胞間隙。

‘M10’葉片柵欄組織厚度與‘白木納格’差異不顯著,但極顯著高于‘莫莉莎無核’。海綿組織厚度‘白木納格’>‘M10’>‘莫莉莎無核’,差異極顯著。柵海比‘M10’>‘莫莉莎無核’>‘白木納格’,差異極顯著。細胞結構緊密度‘M10’極顯著大于‘白木納格’和‘莫莉莎無核’。細胞結構疏松度‘白木納格’極顯著大于‘M10’(表2)。

表2 ‘M10’及其親本的葉肉組織結構特征Table 2 Structural characteristics of mesophyll tissue of ‘M10’ and its parents

2.2 ‘M10’及其親本光合生理指標比較

2.2.1 ‘M10’及其親本凈光合速率的光響應 ‘白木納格’和‘M10’凈光合速率始終高于‘莫莉莎無核’(圖3)。‘莫莉莎無核’暗呼吸速率Rd最高,極顯著高于‘白木納格’和‘M10’,‘白木納格’與‘M10’差異不顯著;‘白木納格’最大凈光合速率Pnmax最大,極顯著高于‘M10’和‘莫莉莎無核’,‘莫莉莎無核’極顯著低于‘M10’;‘白木納格’光飽和點LSP最高,極顯著高于‘莫莉莎無核’和‘M10’,‘莫莉莎無核’與‘M10’差異不顯著;‘莫莉莎無核’光補償點LCP最高,極顯著高于‘白木納格’和‘M10’,‘白木納格’與‘M10’差異不顯著;‘M10’與其父母本的表觀量子效率AQY差異不顯著(表3)。

表3 ‘M10’及其親本光響應曲線的特征參數Table 3 Characteristic parameters of light response curves of ‘M10’ and its parents

圖3 ‘M10’及其親本的光響應曲線Fig.3 Light response curves of ‘M10’ and its parents

2.2.2 ‘M10’及其親本葉片光合氣體交換參數日變化 從凈光合速率(Pn)日變化(圖4)來看,‘白木納格’呈明顯的雙峰型變化趨勢,有午休現象,第一次峰值出現在13:06,之后下降,在17:07到達低谷,然后在19:09出現第二次峰值,之后迅速下降。‘莫莉莎無核’在12:38出現峰值之后下降,14:41到達低谷,然后緩慢回升,在18:41出現第二次峰值,之后迅速下降,有午休現象。‘M10’在15:02達到最大值,然后下降直至 19:02,之后下降更為迅速,屬于單峰曲線,沒有午休現象。Pn日均值表現為‘白木納格’>‘M10’>‘莫莉莎無核’(表4),‘M10’顯著高于‘莫莉莎無核’。

表4 ‘M10’及其親本的葉片光合氣體交換參數日均值Table 4 Daily mean values of photosynthetic gas exchange parameters in leaves of ‘M10’ and its parents

圖4 ‘M10’及其親本的葉片光合氣體交換參數日變化Fig.4 Diurnal variation of photosynthetic gas exchange parameters in leaves of ‘M10’ and its parents

‘莫莉莎無核’和‘M10’的胞間CO2濃度(Ci)日變化趨勢相似(圖4),基本上分別在18:41和19:02之前呈現緩慢降低,之后呈快速上升的趨勢。而‘白木納格’在19:09之前的變化呈雙峰曲線,13:06出現第一次峰值,15:09出現第一次低谷,17:07出現第二次峰值,19:09是整個日變化過程中的第二次低谷,之后呈快速上升趨勢。Ci日均值表現為‘M10’>‘白木納格’>‘莫莉莎無核’(表4),且‘M10’與父母本均存在極顯著差異。

3個品種的氣孔導度(Gs)日變化規律基本一致(圖4),都是先上升后下降,屬于單峰型變化趨勢,峰值均出現在13:00左右。其中‘白木納格’和‘莫莉莎無核’下降過程分為兩個階段,都是在15:00左右之前快速下降,之后緩慢下降;而‘M10’下降過程分為3個階段,15:00左右之前下降較為緩慢,之后迅速下降直至17:00之后再較為緩慢地下降。Gs日均值表現為‘M10’>‘白木納格’>‘莫莉莎無核’(表4),且‘M10’與父母本均存在極顯著差異。

‘莫莉莎無核’和‘白木納格’的蒸騰速率(Tr)日變化趨勢相近(圖4),區別在于第一個時間段內的變化,‘白木納格’呈快速上升趨勢,而‘莫莉莎無核’基本沒有變化,后面4個時間段變化趨勢一致,均在第三次測定時到達低谷,第四次測定時出現峰值,且始終表現為‘白木納格’高于‘莫莉莎無核’;‘M10’在整個蒸騰速率日變化測定過程中均高于其父母本。Tr日均值與相應Gs的表現一致(表4)。

2.3 葉片解剖特征與光合參數的相關性分析

由表5可知,光合氣體交換參數變化主要決定于柵欄組織厚度PT,其中Pn與PT極顯著正相關,相關系數為0.876,Gs與PT顯著正相關,相關系數為0.728。光合氣體交換參數中Pn與Gs顯著正相關,Ci、Gs和Tr兩兩之間均存在極顯著正相關關系。同時,本研究中的LT與UET、ST極顯著正相關,與LET、PT顯著正相關,UET與LET、ST極顯著正相關,這是由葉片組織結構構成決定的。

表5 葉片解剖特征與光合參數的相關分析Table 5 Correlation analysis between leaf anatomical characteristics and photosynthetic parameters

3 討 論

最大凈光合速率反映了葉片的光合潛能[21],光飽和點、光補償點分別作為衡量植物對強光、弱光的利用能力的指標[22],飽和點越高,反映植物利用強光的能力越強;補償點越低,反映植物利用弱光的能力越強。本研究中,‘白木納格’光飽和點最高,與另外兩品種存在極顯著差異,光補償點低,對光照強度的利用范圍最寬,表明其耐強光同時也耐弱光,對光環境的適應性非常強。‘莫莉莎無核’光補償點最高,與另外兩品種存在極顯著差異,光飽和點最低,對光照強度的利用范圍最窄,適應性相對較弱。‘M10’對光環境的適應性則介于父母本之間。另外‘白木納格’不僅最大凈光合速率最大,而且其葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度最大,這都表明‘白木納格’可能具有較大的光合潛能。

光合作用日變化有多種類型,其變化類型主要取決于植物的種類和測定時的外界條件[23]。本試驗中,‘M10’凈光合速率日變化趨勢呈單峰曲線,‘白木納格’凈光合速率日變化趨勢呈明顯的雙峰曲線,說明‘白木納格’光合作用存在午休現象,這與伍新宇等[12]和張付春等[14]對‘木納格’葡萄光合日變化的研究結果不一致。本研究中的‘白木納格’第一次峰值出現在13:06前后,之后下降,在17:07前后到達低谷。這個下降過程分兩個階段進行:13:06-15:09凈光合速率下降伴隨著氣孔導度以及胞間CO2濃度的下降;15:09-17:07凈光合速率下降較上一階段更為迅速,氣孔導度下降,蒸騰速率反而快速上升,這可能是葡萄葉片通過蒸騰作用調節葉片溫度,而胞間CO2濃度大幅增高有可能是光呼吸[24]產生的CO2積累在細胞間隙的結果。根據Farquhar等[25-26]提出的引起光合午休的植物自身因素有氣孔部分關閉(氣孔限制因素)和葉肉細胞自身活性下降(非氣孔限制因素)兩種,推斷‘白木納格’凈光合速率在13:06-15:09下降的主要原因是氣孔限制,而15:09-17:07凈光合速率下降是氣孔限制和非氣孔限制共同作用的結果,非氣孔限制因素占主導地位。

一般而言,植物葉片結構與光合能力密切相關。葉肉是葉片進行光合作用的主要部位,柵欄組織或海綿組織厚度會影響到光合效率。前人研究發現,植物葉片柵欄組織越發達,光合效率越高[27-28],本試驗結果也顯示凈光合速率與柵欄組織厚度呈極顯著正相關關系,可能是因為葡萄葉片的葉綠體大部分存在于柵欄組織細胞中[3],柵欄組織厚度的增加為葉綠體數量和體積增加提供了可能[29],同時柵欄組織發達有利于葉綠體利用衍射光進行光合作用,從而提高光合效率[30]。

4 結 論

雜交葡萄‘M10’與其親本的葉組織結構、光合特性均存在顯著差異。果實膨大期‘M10’沒有光合午休,而其父母本有不同程度的光合午休。‘M10’的光合能力介于父母本之間,母本‘白木納格’光合能力最強,父本‘莫莉莎無核’光合能力最弱。‘M10’及其親本的光合氣體交換參數變化受葉片解剖結構影響,與柵欄組織厚度極顯著正 相關。