1. 引言
北美海棠是蔷薇科(Rosaceae)苹果属(Malus)的落叶小乔木,该类植物观赏特点突出,适应性强,观赏周期长,对环境要求不严格,能耐−30度低温,全国各地均可引种栽培,是不可多得的园林优秀观赏树种。目前,我国常见的北美海棠有:冬红、道格、钻石、高原之火、火焰、亚当、舞美、王族、绚丽等。为了探究北美海棠叶片结构与抗旱性的关系,我们选择了冬红、红宝石、舞美、绚丽这4个耐寒型,抗病型品种,通过徒手切片的方法对其叶片进行解剖试验,为以后的栽培提供理论依据。
冬红,花期4月中旬,成熟期11月初。果实自7月始,一直挂果到次年4月,冬季也不落果,是北美海棠中果实观赏期最长、颜色变化最复杂的品种。
红宝石,落叶小乔木或灌木,叶色嫩绿富有光泽,花期4~5月,花色艳红,8~9月份为果实成熟期,结紫红色果实,近似球形,是观花、观叶、观果的综合性树种。
舞美,落叶小乔木。新叶红色,老叶绿色,果实青红。原产于北美洲的美国。开花繁密而艳丽,花期4月下旬,果熟期6~12月。舞美的生长快,栽培管理方法简单,繁殖比较容易。它较耐贫瘠,抗寒、抗盐碱能力都较强。
绚丽,为观花落叶小乔木。嫩叶呈紫红色,逐渐变为翠绿色,花粉色,花开繁密而艳丽,花期4月下旬,鲜艳夺目。果实为灯笼形,萼片宿存,结实量大,果期长达数月,直到隆冬。具有抗病、抗旱,耐瘠薄的优良品性。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
冬红、红宝石、舞美、绚丽等北美海棠植物试验材料均取自天津市静海区远大园林苗圃内。供试苗木为8年生植株,株行距为2~4 m,苗圃周年管理方法采用常规管理,管理方法统一。试验地土壤为黏壤土,pH为8.02,含盐量为0.32%,属轻度盐碱地,土壤肥力中等。植株采集外围中部的成熟叶片。
2.2. 试验方法
利用徒手切片法和撕表皮法制作切片 [1],切片可以放置于显微镜(LEICA-DM2000)下面观察并拍照,标记好材料,以便分辨种类。
2.3. 数据与计算
1) 4个北美海棠品种,每个品种随机选10个叶片,每个叶片选3个视野,分别测定气孔的数量并取平均值;每个品种选取中部的10个叶片,测定上表皮厚度以及角质膜厚度并取平均值;随机选取叶片中的30个气孔,测量保卫细胞的长径和短径,并计算其比值,测量气孔的大小取平均值,计算出气孔密度。
气孔密度(个/mm2) = 气孔数量/视野面积。
2) 测量叶肉厚度、栅栏组织厚度及海绵组织的厚度,并计算出叶片组织结构紧实度等。
叶片组织结构紧实度 = 栅栏组织的厚度/叶片的厚度 × 100%;
所有的数据通过SPSS软件进行数据分析。
3) 隶属函数分析方法:
由于本试验是对4个品种的北美海棠抗旱性进行的研究,单一的指标所得出的结论并不是完全相同的,所以利用隶属函数法可以对多个指标进行综合分析,这样能更好的对北美海棠品种抗旱性进行综合性评价,更具科学性和可靠性 [2]。各指标不但具有各自单方面的作用,更重要的是具有多指标间的相互作用,必须对这些指标的交互作用加以深入综合分析,从而提高抗旱鉴定的准确性和可靠性。
3. 结果与分析
3.1. 4种北美海棠叶片表皮结构特征与抗旱性
叶片的表皮对叶片起到保护作用,包括表皮细胞、气孔器及表皮毛等附属物。角质层存在于表皮细胞外壁,起到保护作用,可以防止水分的过分蒸腾,有较强的折光性。角质层还有机械支撑作用,可以保证植物缺水时不会立即萎蔫,纤维素框架和角质结合部分比较厚,存在于内部 [3]。保护功能与角质膜厚度成正相关,角质膜越厚,水分的蒸发量越少,抗旱效果也就越好 [4]。
由表1和图1可以看出,绚丽的角质膜最厚,为0.92 μm,明显厚于冬红和红宝石,但与舞美差异不显著;冬红最薄,为0.72 μm,与红宝石、舞美差异不显著。从角质膜上可得绚丽的耐旱性较强。
Table 1. Comparison of epidermal structure of 4 kinds of North American begonia
表1. 4种北美海棠植物表皮结构的比较
注:数据后同行不同小写字母表示差异显著(p < 0.05),不同大写字母表示差异极显著(p < 0.01)。
由表1可以看出,绚丽的上表皮最厚,达2.5 μm;舞美次之,为2.3 μm;绚丽明显厚于舞美;冬红略薄,为1.66 μm,明显薄于舞美;红宝石最薄,为1.52 μm。绚丽与冬红上表皮不存在明显差异。二氧化碳和水分的吸收利用主要是由表皮厚度决定的,气孔的开合主要是由叶片表皮的厚度决定的,表皮越厚,植物本身的抗旱能力也就越强,因此其隔热、保水、防损伤的能力越强。从表皮和角质膜厚度进行综合分析,舞美、绚丽的抗旱性强于冬红与红宝石。
樊红梅 [5],姜帅、居辉、刘勤 [6] 等研究曾提到,当植物在不同干旱胁迫强度下,气孔开张度表现的差异较为明显,并且气孔开张度与蒸腾作用是正相关的,当气孔开放的越大,植物失水就越快,蒸腾速率越快,植物就越不抗旱 [7]。
(a) 冬红角质膜;(b) 红宝石角质膜;(c) 舞美角质膜;(d) 绚丽角质膜
Figure 1. Horny membrane structure of 4 kinds of North American begonia (10 times)
图1. 4种北美海棠角质膜结构(10倍)
由表2及图2可以看出:只有冬红叶片的上表皮能观察到极少的气孔。从表2中可知:红宝石气孔最大为1.65 μm2,与舞美、绚丽差异显著,与冬红之间差异不显著;舞美的气孔最小,只有1.14 μm2,与绚丽差异不显著。因此,红宝石耐旱性较差,舞美、绚丽耐旱性较强。气孔密度方面:红宝石密度最大,为178个/mm2,冬红为166个/mm2,舞美141个/mm2,气孔密度最小的是绚丽,为102个/mm2,明显小于舞美。叶表皮气孔密度大,就会抑制叶肉水分蒸腾,有利于光合作用和气体交换 [8],抗旱性就强。由此得出结论,抗旱性红宝石和冬红较强。
Table 2. Comparison of stomatal structure of 4 kinds of North American begonia
表2. 4种北美海棠植物气孔结构的比较
(a) 冬红上表皮;(b) 冬红下表皮;(c) 红宝石上表皮;(d) 红宝石下表皮; (e) 舞美上表皮;(f) 舞美下表皮;(g) 绚丽上表皮;(h) 绚丽下表皮
Figure 2. Leaf epidermal structure of 4 kinds of North American begonia (40 times)
图2. 4种北美海棠植物叶片表皮结构(40倍)
3.2. 4种北美海棠叶肉特征与抗旱性
叶肉是叶片内进行光合作用的主要部分,也是最重要、最发达的部分。叶肉细胞之间有间隙,构成通气系统,通过表皮上的气孔与外界进行气体交换。叶片是植物长期适应环境的一种表现,因此,叶片是研究植物抗旱性的重要指标,叶片的大小及其厚度都与抗旱性有关 [9]。
多数植物的叶肉细胞分化为栅栏组织和海绵组织,栅栏组织靠近上表皮,主要进行光合作用;海绵组织靠近下表皮,主要进行气体交换,也能进行光合作用。由表3、图3可以看出,栅栏组织最厚的是舞美17 μm,然后依次是绚丽:16.99 μm、冬红:16.81 μm、最薄的是红宝石:7.04 μm,前三种之间没有明显差异,而红宝石与另外3种北美海棠存在显著差异。由此可得舞美、绚丽抗旱性较强,红宝石较弱。
Table 3. Comparison of leaf structure of 4 kinds of North American begonia
表3. 4种北美海棠植物叶肉结构的比较
(a) 冬红叶肉结构;(b) 红宝石叶肉结构;(c) 舞美叶肉结构;(d) 绚丽叶肉结构
Figure 3. Leaf structure of 4 kinds of North American begonia (10 times)
图3. 4种北美海棠叶肉结构(10倍)
4种北美海棠的叶片组织结构紧密度由大到小依次为:冬红56.35%,舞美50.3%,绚丽38.9%,红宝石22.9%。耐旱性强的植物一般栅栏组织发达 [10]。通过对叶片组织结构紧密度的比较,得出4种北美海棠抗旱性比较结果:红宝石 > 冬红 > 绚丽 > 舞美。
栅海比是栅栏组织发育程度的一个重要指标,它是栅栏组织与海绵组织厚度的比值,该数值越大,说明栅栏组织越发达。4个品种的北美海棠栅海比存在极显著的差异。舞美的栅海比最大,为162%;冬红次之,为131%;绚丽更小,为81%;红宝石的栅海比最小,为52%。栅海比越大的植物的耐旱性越强。说明:舞美海棠 > 冬红海棠 > 绚丽海棠 > 红宝石。
3.3. 4种北美海棠叶脉特征与抗旱性
叶脉具有输导和支持作用,它分布在叶肉组织中。主脉或侧脉中有一条(或几条)维管束,其中木质部在上方,韧皮部在下方,二者之间有形成层。叶脉不仅可以为叶提供水分和无机盐、输出光合产物,而且能支撑叶片,保证叶的生理功能顺利进行。
由表4、图4可以看出,绚丽导管列数最多,有59列;每列导管数量最多,有9个;导管直径最大,为0.99 μm。红宝石导管列数最少,有36列,每列7个导管,导管直径0.57 μm。叶脉中导管的数量越多,直径越大,运输水分的能力就越强,植物的抗旱能力也越强 [11]。得出抗旱性结果为:绚丽抗旱性最强,红宝石抗旱性最弱。
Table 4. Comparison of leaf vein structure of 4 kinds of North American begonia
表4. 4种北美海棠植物叶脉结构的比较
(a) 冬红叶脉结构;(b) 红宝石叶脉结构;(c) 舞美叶肉结构;(d) 绚丽叶脉结构
Figure 4. Leaf vein structure of 4 North American begonia species (4 times)
图4. 4种北美海棠叶脉结构(4倍)
3.4. 4种北美海棠叶片结构特征综合分析
抗旱性是一种复杂的生理反应,它包括干旱屏蔽和耐旱性两方面内容,通过干旱屏蔽的方式植物能够抵抗水分胁迫,干旱条件下,植物会出现叶子卷曲的现象,从而减少水分丢失。北美海棠的抗旱性可以通过不同的测定指标进行综合评判。因此,为了对抗旱性进行科学、客观的评价,本研究在对北美海棠进行多个指标测定分析的基础上,利用隶属函数的方法,对所研究的4个品种的抗旱性进行了综合性的评价,植物抗旱性的强弱与平均隶属函数值的大小成正相关 [12]。
从表5隶属函数综合分析来看,4种北美海棠抗旱性可总结为:绚丽 > 舞美 > 冬红 > 红宝石。
Table 5. Membership function analysis of 4 kinds of North American begonia species
表5. 4种北美海棠隶属函数分析
4. 讨论
植物本身会随着环境的变化而产生相适应的变化,在干旱条件下生长,就会对干旱环境产生一定的适应性。为了进一步探究植物的结构与环境的关系,本次试验主要是对4种北美海棠叶片的解剖结构进行分析。
4.1. 角质膜与植物抗旱性的关系
角质膜厚度是反应植物抗旱能力的重要指标之一,角质膜越厚,保水能力越强,蒸腾作用越小,植物的抗旱性就越强 [13]。绚丽的角质膜最厚,因此绚丽的抗旱性也是最强的。
4.2. 气孔密度与植物抗旱性的关系
气孔是进行气体交换的主要通道,也是表皮所特有的结构,它通常存在于地上部分,如叶表皮、幼茎和花瓣等,气孔会直接影响植物的蒸腾和光合作用 [14]。叶片在形状、厚度以及解剖结构上都存在差异。气孔密度与耐旱性成负相关,气孔密度越大,植物蒸腾作用越小,水分散失的越慢,因此植物的抗旱性就强 [15]。在实际生产过程中,耐旱性强的绚丽,在本研究中发现,气孔密度却是最小的。这很有可能是气孔密度越大,蒸腾速率越大,加速了水分和无机盐的运输,植物生长和发育过程中,是由根、茎、叶共同作用而成,并且要判断植物叶片是否抗旱,还要从栅栏组织厚度、角质层厚度、气孔是否下陷等各个方面进行综合分,此外还要看根系是否强大、根茎的组织结构及生理效应等 [16]。
4.3. 栅栏组织的厚度与植物抗旱性的关系
栅栏组织与植物的抗旱性有着密切的联系,栅栏组织紧密排列可以减少叶片的蒸腾作用,植物的保水能力增强。冬红与绚丽的栅栏组织几乎一样厚,说明冬红和绚丽的抗旱性均较强,但实际上冬红的抗旱性要弱于绚丽。因此,对植物的抗旱性研究要综合各个指标,考虑全面。
5. 结论
冬红和红宝石的表皮厚度的差异与舞美和绚丽是极显著的。表皮最厚的是绚丽,表皮厚度为2.5 μm,红宝石的表皮最薄,为1.52 μm。从上表皮厚度的分析中得出:绚丽 > 舞美 > 冬红 > 红宝石。
在角质膜厚度方面,冬红和红宝石亦极显著于舞美和绚丽。角质膜厚度最厚的是绚丽,为0.92μm,冬红与红宝石角质膜均最薄,分别为0.73 μm、0.74 μm。从角质膜厚度上可以得出抗旱性比较的结论:绚丽 > 舞美 > 冬红 > 红宝石。
表皮气孔密度最大的是红宝石,为178个/mm2;冬红的气孔密度数次之,为166个/mm2;再次,是舞美,为141个/mm2;绚丽的气孔密度最小,为102个/mm2;4种北美海棠叶片的表皮气孔大小的观测值比较。红宝石的气孔最大,为1.65 μm2,冬红气孔大小为1.43 μm2,绚丽气孔大小为1.37 μm2,舞美气孔最小,为1.14 μm2。结合上述两点,可得出抗旱性结论:红宝石 > 冬红 > 舞美 > 绚丽。
栅栏组织厚度方面,舞美、绚丽、冬红的栅栏组织厚度几乎没有差异,但都与红宝石海棠差异显著,红宝石海棠的栅栏组织最薄,为7.04 μm,所以红宝石海棠的抗旱性最弱。
绚丽和舞美的海绵组织厚度分别与冬红、红宝石差异极显著,其中绚丽海绵组织最厚,为20.95 μm,舞美海绵组织最薄,为10.51 μm。从海绵组织厚度方面可得出结论:绚丽 > 红宝石 > 冬红 > 舞美。
叶肉紧密度方面,4者差异均极显著。冬红叶肉紧密度最高,为56%;舞美次之,为50%;绚丽叶肉紧密性稍差,为38%;最小的是红宝石,为23%。分析叶片结构紧密性后得出的结论为:冬红 > 舞美 > 绚丽 > 红宝石。
不能通过一项指标就决定植物的抗旱性,应该多方位,全方面的分析植物的抗旱性指标。因此我们用隶属函数,综合分析各项可以影响北美海棠抗旱性的指标,得出一个较为全面、严谨的结果:绚丽 > 舞美 > 冬红 > 红宝石。
通过上述数据研究表明:由几个指标得出的结论都是比较类似的。故再综合隶属函数的分析结果得出结论,4种北美海棠抗旱强弱顺序依次为:绚丽 > 舞美 > 冬红 > 红宝石。
基金项目
天津市科委种业科技重大专项,北美海棠引种、选育、繁殖的研究(17ZXZYNC00070);天津市林果现代农业产业技术体系创新团队项目(ITTFPRS2018002);油用牡丹优质种源的规模化繁育与种植项目(17ZXBFNC00310)。
参考文献