芝麻葉腺毛顯微結(jié)構(gòu)及干旱條件下腺毛分泌物的變化

蘇　適　李瑞航　郎丹瑩　張　柯　郝小虎　劉　研　王軍衛(wèi)張海洋　徐　虹,3,*

1西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 陜西楊凌 712100;2西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 陜西楊凌 712100;3西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100;4河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心, 河南鄭州 450002

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芝麻葉腺毛顯微結(jié)構(gòu)及干旱條件下腺毛分泌物的變化

蘇適1李瑞航1郎丹瑩1張柯1郝小虎1劉研1王軍衛(wèi)2,3張海洋4徐虹1,3,*

1西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 陜西楊凌 712100;2西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 陜西楊凌 712100;3西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100;4河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心, 河南鄭州 450002

摘要:通過掃描電鏡觀察芝麻苗期葉片表面腺毛的顯微結(jié)構(gòu), 以二氯甲烷作為溶劑提取腺毛分泌物, 并用GC/MS鑒定正常和干旱條件下不同芝麻品種葉片腺毛次生代謝物的差異。結(jié)果顯示, 苗期芝麻葉片表面存在非腺體腺毛、長柄腺毛、短柄腺毛及無柄黏液毛等多種腺毛類型, 葉表面氣孔屬于毛茛型; 芝麻葉腺毛分泌物包含多種組分, 其中峰面積>2％的組分是主要代謝物, 主要由酯類及直鏈飽和烷烴物質(zhì)組成, 且品種間具有顯著差異; 干旱條件下, 分泌物的組分顯著改變, 抗旱性較強(qiáng)的冀9014有10個(gè)組分的相對含量高于其他品種, 這些組分包含三十六烷與三十四烷類物質(zhì)。上述結(jié)果表明, 用GC/MS鑒定芝麻葉表面腺毛分泌物是可行的, 分泌物組分可以反映品種間的差異, 并能揭示干旱條件對芝麻代謝的影響?？梢哉J(rèn)為, 芝麻腺毛與腺毛分泌物組分在芝麻種質(zhì)資源鑒定及抗旱種質(zhì)選育中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:芝麻葉片; 腺體腺毛; 腺毛分泌物; 干旱條件; GC/MS

第一作者聯(lián)系方式: E-mail: ssuusshhii@126.com, Tel: 15891397093

芝麻在我國已有2000多年的種植歷史, 分布廣泛, 是我國四大食用油料作物之一, 種子含油量高

達(dá)61％, 也是傳統(tǒng)的優(yōu)勢出口創(chuàng)匯作物, 具有較高的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。防漬、抗旱、保苗是保證芝麻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和提高品質(zhì)的關(guān)鍵措施[3-6]。近年來, 國內(nèi)外已有較多關(guān)于芝麻抗旱性研究的報(bào)道[4-14]。芝麻是一種較耐旱的油料作物, 但在萌發(fā)期和苗期對干旱極為敏感。苗期干旱, 顯著減緩芝麻植株的生長發(fā)育, 表現(xiàn)為根系發(fā)育緩慢、葉片數(shù)減少、葉面積減小、株高變矮、生物量降低[5-6]。我國芝麻各種植區(qū)域氣候差異較大, 江淮流域主產(chǎn)區(qū)在播種出苗期、苗期和盛花期存在季節(jié)性干旱, 西北、華北、華南等地區(qū)會發(fā)生地域性干旱, 在播種出苗期可能造成大幅度減產(chǎn)[7]。芝麻苗期生長相關(guān)的性狀指標(biāo), 如萌發(fā)率、相對成苗率、根長與芽長、根與芽的干重、相對含水量、可溶性糖、膜透性與脯氨酸含量等, 均被作為抗旱性鑒定和評價(jià)的指標(biāo)[6,10,13-14]。但目前國內(nèi)外還沒有一個(gè)統(tǒng)一的芝麻抗旱性鑒定指標(biāo)體系, 抗旱品種資源的鑒定工作也急需受到關(guān)注。

植物葉片表面的腺毛(glandular trichomes)具有防御和保護(hù)的功能, 并能分泌許多次生代謝物, 在生物與非生物脅迫抗性中起到積極的作用。一些植物腺毛分泌物具有極高的藥用價(jià)值, 備受植物學(xué)家與植物生理學(xué)家的關(guān)注[15-20]。近年來, 研究人員已從代謝組學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等多個(gè)方面對植物腺毛進(jìn)行了研究[21], 已建立起較完善的方法體系, 在闡明腺毛次生代謝途徑、克隆腺毛特異表達(dá)基因、以及腺毛的生理生化功能研究方面奠定了良好的基礎(chǔ)[22-24]。

關(guān)于芝麻葉表面腺毛研究的報(bào)道最早見于1908 年, Solereder[25]報(bào)道了芝麻葉表皮存在二細(xì)胞頭部的黏液毛(mucilage hairs), 現(xiàn)在看來應(yīng)歸于無柄腺毛類。李焜章[26]、AbdulRahaman和Oladele[27]先后報(bào)道指出, 芝麻葉表面分布有長柄與短柄非腺體腺毛(nonglandular trichomes), 長柄腺體腺毛(long-capitate glandular, 包括單細(xì)胞或多細(xì)胞頭部uniseriate or multiseriate), 短柄腺體腺毛(short-capitate glandular)、無柄腺毛(peltate glandular)及星狀腺毛(stallate) 等, 并指出下表皮腺毛密度大于上表皮, 多細(xì)胞分泌頭部的每個(gè)細(xì)胞分泌的成分不同。

本文用葉片失水率以及模擬干旱對細(xì)胞膜造成的傷害率作為抗旱性鑒定指標(biāo)[28-31], 對4個(gè)芝麻品種的抗旱性初步鑒定, 觀察芝麻葉片表面腺體腺毛的結(jié)構(gòu), 并利用GC/MS系統(tǒng)檢測腺毛分泌物中的次生代謝物組分, 研究了干旱處理對芝麻葉腺毛次生代謝的影響。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

主栽芝麻品種豫芝11、鄭芝98N09、冀9014、中油1134, 農(nóng)家品種榮縣黑芝麻, 以及M-1突變株系, 種子均由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心張海洋研究員惠贈。

1.2芝麻材料種植與處理

優(yōu)選籽粒飽滿的芝麻種子, 清水漂洗后置培養(yǎng)皿內(nèi), 每皿約100粒, 加蓋后于25℃下暗中萌發(fā)。待2～3 d后種皮破裂、胚根伸長0.5～1.0 cm時(shí)用鑷子將幼芽移至裝好營養(yǎng)土的直徑7 cm營養(yǎng)缽中, 每缽4～5棵種子, 放在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待長出3對真葉時(shí)間苗移栽, 每個(gè)營養(yǎng)缽留2棵幼苗, 繼續(xù)培養(yǎng)至長出4對真葉、株高約12～15 cm時(shí)即可取材,用于掃描電鏡觀察及對抗旱性初步鑒定。干旱處理即持續(xù)10 d不澆水, 待葉子出現(xiàn)萎蔫時(shí)結(jié)束。

1.3芝麻抗旱性測定

用葉片失水率及干旱處理對細(xì)胞膜的傷害率作為抗旱鑒定指標(biāo)[28-31], 初步鑒定豫芝11、鄭芝98N09、冀9014和榮縣黑芝麻4個(gè)品種的抗旱性。參考Clarke[29]、侯建華等[30]、張木清等[32]的方法測定葉片失水率。待芝麻幼苗長至4對真葉、株高約12～15 cm時(shí), 取第3對真葉, 將葉柄插入蒸餾水飽和3 h, 剪去葉柄稱重。2 min稱一次, 24 h后以70℃殺青、50℃烘5～6 h至恒重、稱重計(jì)算飽和含水量及失水率, 繪制失水動態(tài)曲線。

每個(gè)品種測量6株, 取平均值。

參考改進(jìn)的Sullivan等[28]和高俊風(fēng)[31]的方法測定膜傷害率。取第3對真葉, 將葉柄插入40％PEG溶液(水勢是–1.8 MPa)滲透脅迫4 h, 用直徑1 cm打孔器打葉圓片, 測定電導(dǎo)率。

式中, L1為葉片煮沸殺死前外滲液電導(dǎo)值; L2為葉片煮沸殺死后外滲液電導(dǎo)值。

式中, C1為正常生長條件下葉片煮沸殺死前外滲液電導(dǎo)值; C2為正常生長條件下葉片煮沸殺死后外滲液電導(dǎo)值; T1為干旱脅迫條件下葉片煮沸殺死前外滲液電導(dǎo)值; T2為干旱脅迫條件下葉片煮沸殺死后外滲液電導(dǎo)值。

1.4葉片表皮腺毛顯微結(jié)構(gòu)的觀察

取每個(gè)芝麻品種的第2對真葉, 用酒精消毒的

單面刀片切下5個(gè)面積為5 mm2的無主脈小塊, 清水漂洗后用吸水紙吸干水分, 在4％的戊二醛溶液中固定, 4℃過夜。再經(jīng)過漂洗(用pH 6.8的PBS緩沖液浸洗4次, 每次10 min)、脫水(將樣品分別浸于濃度梯度為30％、50％、70％、80％和90％乙醇中, 每濃度浸沒時(shí)間為15～10 min, 再浸于100％乙醇中1次、100％丙酮中2次, 每次30 min)、置換(用乙醇異戊酯置換2次, 原丙酮液留一半加置換液, 每次置換20 min)等一系列樣品處理過程。之后用CO2臨界點(diǎn)干燥儀(HITACHI HCP-2)干燥樣品, 將樣品黏貼于導(dǎo)電膠置E-1045型離子濺射鍍膜儀樣品臺,噴鍍金鉑合金鍍層, 用日本電子JSM-6360LV型掃描電鏡觀察。

1.5葉片表皮腺體腺毛分泌物的提取

用控水干旱處理與正常生長的材料分別提取葉片表皮腺體腺毛分泌物, 參考改進(jìn)的孔光輝[33]方法。用二氯甲烷(分析純)作為浸提劑, 以無水硫酸鈉(化學(xué)純)去除雜質(zhì), 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮樣品。所有操作均在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。

具體步驟如下。先稱取芝麻葉片7 g, 準(zhǔn)備3只盛有200 mL二氯甲烷的燒杯, 將葉片依次在3只燒杯中浸洗, 每只燒杯浸洗4次, 每次停留2 s, 每次需等葉片表面的二氯甲烷揮發(fā)干凈再浸洗下次; 用二氯甲烷潤洗燒杯, 合并3只燒杯內(nèi)的二氯甲烷提取液與潤洗液, 并用50 g無水硫酸鈉過濾; 將濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40℃下減壓濃縮至2 mL, 濃縮液用一次性濾膜過濾純化, 低溫避光保存。

1.6用GC/MS檢測腺毛內(nèi)含物組分變化

取濃縮純化后的提取液1 μL, 用島津GCMSQP2010型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測。氣相色譜柱為Rxi-5 MS 30 m, 0.25 mm ID, 0.25 μm。色譜程序是,分流進(jìn)樣, 分流比為30∶1, 載氣為氦氣, 流速為1 mL min–1; 進(jìn)樣口溫度250℃; 起始柱溫60℃, 保持1 min, 按5℃ min–1速度升溫至250℃保持30 min。質(zhì)譜條件是, 離子源溫度180℃, 接口溫度260℃,溶劑切割時(shí)間3 min, 掃描范圍m/z: 50～600 amu (原子質(zhì)量單位), 用隨機(jī)軟件GCMS solution 2.0分析組分。

2　結(jié)果與分析

2.1葉片表皮腺毛顯微結(jié)構(gòu)

2.1.1芝麻葉表皮氣孔結(jié)構(gòu)表皮細(xì)胞呈不規(guī)則型, 氣孔被周圍3～5個(gè)表皮細(xì)胞包裹, 屬毛茛型, 這是胡麻科的典型特征[26]。幾個(gè)品種間差異不大, 但上下表皮的氣孔差異顯著, 如圖版I所示。上表皮的氣孔細(xì)胞陷于周圍的表皮細(xì)胞內(nèi)(圖版I, A～D、G),而下表皮的氣孔細(xì)胞突出于周圍的表皮細(xì)胞(圖版I, E、F、H), 且下表皮的氣孔密度大于上表皮(圖版I, G、H)。

2.1.2芝麻葉表皮腺毛的不同類型分別觀察鑒定出非腺體腺毛、長柄腺毛、短柄腺毛和無柄腺毛等多種類型, 根據(jù)分泌細(xì)胞頭部和柄部的差異又可將各種類型分成不同亞類(表1), 不同品種間的腺毛類型有顯著差異, 上下表皮的腺體分布也顯著不同,下表皮的腺體密度大于上表皮(圖版II, A～D)。

非腺體腺毛、長柄腺毛和短柄腺毛在上下表皮都有分布, 而無柄的黏液毛僅分布在下表皮。所有品種中都有單細(xì)胞頭部的長柄腺毛、二細(xì)胞頭部的短柄腺毛與四細(xì)胞頭部的無柄腺毛(圖版II, E～H),針狀非腺體腺毛僅出現(xiàn)在冀9014與榮縣黑芝麻中(圖版II, A～B、H)。M-1株系腺毛類型比較特殊, 有柱狀單列毛及多細(xì)胞頭部的長柄和短柄腺毛(圖版III, A～B)。類型最豐富的是分泌型無柄腺毛, 可分為無包被及有包被兩種類型, 根據(jù)頭部分泌細(xì)胞數(shù)目又可分為不同亞類(圖版II, G; 圖版III, C～F)。分泌細(xì)胞分泌后, 細(xì)胞表現(xiàn)出萎縮特征(圖版II, F; 圖版III, E)。

2.2四個(gè)芝麻品種苗期的抗旱性比較

從失水動態(tài)曲線(圖1)可以看出, 榮縣黑芝麻的葉片失水最快、保水性最差; 其他3個(gè)品種在8 h內(nèi)鄭98N09的失水速率相對較低, 失水較慢; 10～24 h 冀9014的失水速率相對較低, 失水最慢, 保水力最強(qiáng)。可以初步確定, 保水力依次為冀9014>鄭芝98N09 >豫芝11>榮縣黑芝麻。

用40％PEG處理離體芝麻葉片4 h后, 用電導(dǎo)率法計(jì)算膜的傷害率, 結(jié)果榮縣黑芝麻的15.0395％>豫芝11的5.3447％>鄭芝98N09的2.3284％>冀9014 的0.0088％ (原始數(shù)據(jù)見附表1), 這與失水動態(tài)曲線的結(jié)果基本吻合。結(jié)合上述兩項(xiàng)抗旱指標(biāo)的鑒定結(jié)果, 我們初步認(rèn)為, 抗旱性為冀9014>鄭芝98N09>豫芝11>榮縣黑芝麻。

2.3葉片腺毛分泌物的代謝組學(xué)分析

如圖2所示, 品種間及同一品種在干旱脅迫與正常生長條件下的質(zhì)譜圖均表現(xiàn)差異。

圖1　室溫下4個(gè)品種葉片的失水動態(tài)曲線Fig. 1　Water loss dynamic curve of sesame seedling leaves in room temperature

圖2　正常生長條件(A)與干旱條件下(B)的芝麻葉腺毛分泌物組分總離子流圖比較Fig. 2　TIC chromatogram of secretion components of sesame glandular trichomes under normal (A) and drought conditions (B)

表2　GC/MS檢測芝麻腺毛分泌物的組分?jǐn)?shù)Table 2　Component number in secretions of sesame glandular trichomes tested by GC/MS

分析質(zhì)譜數(shù)據(jù), 共檢出154類有機(jī)物, 包括飽和烷烴類(34)、酯類(26)、苯環(huán)類(22)、醇類(14)、帶有官能團(tuán)的烷烴類(26)、醛酮類(14)、及其他醚類酸酐類物質(zhì)(18), 具體物質(zhì)名稱詳見附表2。每一類物質(zhì), 根據(jù)保留時(shí)間及質(zhì)譜圖的差異, 又可分為多個(gè)結(jié)構(gòu)相近的衍生物。

可以將所有檢測到的物質(zhì)分為三類(表2), 即正常與干旱條件下都能檢測到的組分、正常條件下存在但干旱條件下未檢測到的組分及干旱條件誘導(dǎo)產(chǎn)生的新組分。在所有腺毛分泌物組分中, 峰面積大于2％的組分?jǐn)?shù)較少, 但各組分含量之和占到所有組分含量的63％～78％, 是主要的次生代謝物。

2.4正常生長條件下幾個(gè)品種腺毛分泌物組分比較

在正常生長條件下, 4個(gè)品種共有的組分有33個(gè),

包括烷烴類物質(zhì)和酯類物質(zhì)。相對其他品種, 每個(gè)品種中都存在特有或缺失的組分, 其中榮縣黑芝麻與其他品種相比差異較大。

榮縣黑芝麻特有的組分有7個(gè), 分別是(Z)-9-甲基-5-十五烯、二乙基亞硝胺、2-乙酰丁酸內(nèi)酯、正癸酸酐、1,1’-雙(1-甲基-1,3-丙二基)環(huán)己烷、二十七烷醇和二十五烷醇。與其他3個(gè)品種相比, 榮縣黑芝麻缺失的組分有12個(gè), 分別是鄰-異丙基苯、2-乙基對二甲苯、1,2,3,4-四甲基苯、1,2,4,5-四甲基苯、1,2,3,5-四甲基苯、1-乙基-2,4,5-三甲基苯、5-甲基茚滿、1-甲基-4-異丁基苯、萘、2-甲基奈、十六烷酸甲酯和十七烷基己酸酯。特別是在保留時(shí)間10～13 min范圍內(nèi), 榮縣黑芝麻缺失多個(gè)苯環(huán)類組分。在榮縣黑芝麻中還有8個(gè)組分的相對含量比其他品種要高(圖2-A), 主要是二(三甲基甲硅烷基)乙炔, 保留時(shí)間29.092; 三十四烷, 保留時(shí)間34.194和37.877;二十四烷, 保留時(shí)間47.000; 正三十烷, 保留時(shí)間41.607; 五十四烷, 保留時(shí)間54.009、55.630和59.641。

冀9014特有的組分有3個(gè), 分別是1,2,3,4,5-五甲基苯、2-環(huán)己基十二烷與順式-環(huán)氧乙烷辛酸-3-辛基甲酯。豫芝11與鄭芝98N09的物質(zhì)組成比較接近, 2個(gè)品種特有的組分都是三反油酸甘油酯與十九烷基-2-乙基丁酸酯, 并且?guī)讉€(gè)保留時(shí)間在60 min以后的組分, 主要包括十七烷基己酸酯和(順)9-十八碳烯酸-2,3-雙(乙酰氧基)丙基酯的含量均顯著高于冀9014與榮縣黑芝麻(圖2-A)。

榮縣黑芝麻與其他3個(gè)品種相比有較大的組分差異, 揭示栽培種在選育后有共同的特征。而豫芝11與鄭芝98N09的組分接近, 可能與生長的自然環(huán)境或種質(zhì)來源相近有關(guān)。上述結(jié)果揭示出芝麻葉片腺毛的分泌物組分具有品種特異性, 利用這些特有組分可以鑒定品種或研究芝麻種質(zhì)資源的多樣性。

2.5干旱條件下幾個(gè)品種的組分比較

與正常生長條件下相比, 干旱條件下芝麻葉片腺毛分泌物的組分發(fā)生了顯著變化, 組分總數(shù)減少,干旱抑制一些組分的表達(dá), 又誘導(dǎo)一些新組分的產(chǎn)生(表2)。4個(gè)品種共有的組分有41個(gè), 大多是甲基苯類、直鏈飽和烷烴類及酯類物質(zhì)。

冀9014的總離子流圖與別的品種相比差異較大, 在保留時(shí)間30～60 min的10個(gè)烷烴組分峰面積顯著高于其他品種(圖2-B和表3), 其中第1、第7、第8組分在干旱條件下上調(diào)表達(dá), 其余7個(gè)組分是干旱條件下誘導(dǎo)表達(dá)的新組分, 這些新組分主要是三十四烷與三十六烷類物質(zhì), 其中相對含量最高的是三十四烷(組分4)。

干旱條件下, 不同品種中出現(xiàn)了特有組分, 這些組分大多在正常條件下是沒被檢測到的。冀9014特有的組分有十六烷、龍涎香脂和15-Isobutyl-(13.alpha.H)-isocopalane; 榮縣黑芝麻特有組分有二十三烷醇、二十五烷醇、二十六烷醇及2,3-二甲基十九烷; 豫芝11特有組分是二乙基亞硝胺、4-環(huán)己基-十二烷、環(huán)氧乙烷辛酸-3-辛基甲酯與2,2,4-三甲基-3-(3,8,12,16-四甲基-十七碳-3,7,11,15-四烯基)-環(huán)己醇; 鄭芝98N09特有的組分是五甲基苯和二十八烷基乙酸酯。

從上述結(jié)果看出, 干旱條件下葉片腺毛次生代謝途徑發(fā)生改變, 腺毛分泌物組分會對干旱條件做出積極響應(yīng), 不同品種間的組分變化有差異。在抗旱性相對較強(qiáng)的冀9014中, 干旱處理誘導(dǎo)碳原子數(shù)大于20的直鏈飽和烷烴上調(diào)表達(dá)或產(chǎn)生新組分, 新組分主要是三十四烷與三十六烷。

2.6峰面積大于2％的組分分析

峰面積大于2％的物質(zhì)包括正常與干旱條件下共有組分, 正常生長條件下特有組分, 及干旱處理后誘導(dǎo)產(chǎn)生的組分(表4)。這些組分主要是酯類與飽和烷烴類物質(zhì), 在榮縣黑芝麻中還出現(xiàn)了特有的烷醇類物質(zhì)(十七烷醇、二十五烷醇、二十三烷醇)、雙(三甲基硅烷基)乙炔及四甲基苯。

不同品種中酯類與飽和烷烴的相對含量不同,根據(jù)峰面積>2％組分中酯類/烷烴類物質(zhì)相對含量的比值, 可以將4個(gè)品種分為兩組(圖3)。鄭芝98N09與豫芝11中的酯類物質(zhì)相對含量高, 而冀9014與榮縣黑芝麻中烷烴類物質(zhì)含量較高。干旱處理后,只有豫芝11中是酯類物質(zhì)含量增加, 其余3個(gè)品種均是烷烴類物質(zhì)含量增加, 特別是在冀9014中, 酯類/烷烴類物質(zhì)比值最低。

在所有的酯類物質(zhì)中, 含量最高的是保留時(shí)間在65 min后出現(xiàn)的2個(gè)9-十八碳烯酸-(2,3-雙乙酰氧基)-丙基酯類物質(zhì)(圖2), 該組分在鄭芝98N09與豫芝11中干旱處理后含量增加, 而在冀9014與榮縣黑芝麻中干旱處理后含量下降, 表現(xiàn)出品種間的差異(表5)。9-十八碳烯酸-(2,3-雙乙酰氧基)丙基酯應(yīng)是油酸(即9-十八碳烯酸)的衍生物, 腺毛分泌物中該物質(zhì)含量高, 可能與芝麻葉中含有油酸、亞油酸等十八碳不飽和脂肪酸有關(guān)[34]。

表5　品種間9-十八碳烯酸-(2,3-雙乙酰氧基)-丙基酯2個(gè)組分的含量比較Table 5　Content comparison of two(Z)-9-octadecenoic acid 2,3-bis(acetyloxy) propyl ester components among sesame cultivars

圖3　峰面積大于2％的組分中酯類/烷烴類物質(zhì)相對含量的比值Fig. 3　Content ratio of easters to alkanes in the components with peak area more than 2％

表6　峰面積大于2％的烷烴類物質(zhì)組成比較Table 6　Comparison of alkanes components with peak area >2％

面積大于2％的烷烴類物質(zhì)主要是碳原子大于30以上的偶數(shù)直鏈飽和烷烴(表6)。正常條件下, 鄭芝98N09與豫芝11中的烷烴相對含量較高的都是三十四烷, 而在冀9014與榮縣黑芝麻中烷烴相對含量較高的是五十四烷。干旱處理后, 鄭芝98N09與豫芝11中的烷烴主要有兩種組分, 冀9014與榮縣黑芝麻中分別檢測到5個(gè)烷烴組分, 相對含量最高的都是三十六烷, 三十四烷次之。上述結(jié)果揭示出品種間在烷烴代謝途徑上存在差異, 對干旱條件的響應(yīng)也顯著不同, 可以根據(jù)烷烴組分的不同, 將這4

個(gè)芝麻品種分為兩組, 鄭芝98N09與豫芝11一組, 冀9014與榮縣黑芝麻歸為另一組。

3　討論

對芝麻腺毛結(jié)構(gòu)的研究已有一些相關(guān)報(bào)道[25-27],但關(guān)于芝麻腺毛分泌物組分的研究較少。本文觀察到一些新的芝麻葉表面腺毛結(jié)構(gòu), 特別是各種無柄腺毛(即黏液毛)[25-26], 但沒有發(fā)現(xiàn)已報(bào)道的星狀腺毛[27]。無柄腺毛是胡麻科的分類特征[26], 本文所觀察到的無柄腺毛I(xiàn)I類腺毛(圖版III), 是否屬于芝麻腺毛的特有結(jié)構(gòu), 還有待進(jìn)一步鑒定。不同類型的腺毛在上下葉表面以及品種間的分布是有差異的,這些腺毛的結(jié)構(gòu)特征與分布特點(diǎn)可以用來區(qū)分不同的種質(zhì)資源或生態(tài)類型, 有可能作為一個(gè)形態(tài)特征用于芝麻的育種及資源鑒定。

芝麻葉表面腺毛大多是腺體腺毛, 具有可分泌的頭部, 對腺毛分泌物組分及其代謝途徑的研究有助于以腺毛分泌物為育種目標(biāo)對芝麻進(jìn)行遺傳修飾[15-16]。本文研究結(jié)果揭示了芝麻腺毛分泌物組分具有品種特異性, 而且會對外界環(huán)境條件的改變做出積極響應(yīng)。芝麻腺毛分泌物主要組分是碳原子數(shù)大于30的偶數(shù)碳直鏈飽和烷烴及各種酯類物質(zhì)。在酯類物質(zhì)中, 9-十八碳烯酸-2,3-雙乙酰氧基-丙基酯是含量最高的一類, 是所有品種共有的、在干旱處理前后都能被檢測到的組分, 可以被認(rèn)為是芝麻腺毛分泌物的特征物質(zhì)。

此外, 本文提取腺毛分泌物的溶劑是二氯甲烷[33],而二氯甲烷也可以提取葉表面的蠟質(zhì)成分[35], 那本文所鑒定出的分泌物組分中是否也包含了芝麻葉表面的蠟質(zhì)組分呢？因?yàn)橄炠|(zhì)的化學(xué)組分主要有脂肪族飽和烷烴類化合物和環(huán)狀化合物兩類, 在干旱條件下, 植物表面的蠟質(zhì)也會增加[36], 這些都與本文干旱誘導(dǎo)飽和烷烴增加的結(jié)果頗為相近。

經(jīng)過對芝麻蠟質(zhì)相關(guān)文獻(xiàn)[37-38]的分析和比較表明, 本文所檢測到的組分不屬于蠟質(zhì)。Kim等[37-38]用氯仿作為溶劑提取芝麻葉片的表面蠟質(zhì), 檢測出蠟質(zhì)主要由C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34和C35烷, 以及C30、C32和C34醛組成, 主要的組分是C27、C29、C31、C33和C35奇數(shù)碳烷烴, 干旱條件下芝麻蠟質(zhì)中的烴類和醛類組分含量都增加。本文所鑒定的腺毛分泌物組分主要由烷烴與酯類物質(zhì)組成, 醛類物質(zhì)相對較少, 烷烴類包括C10、C12、C14、C15、C16、C17、C18、C20、C21、C22、C24、C30、C34、C36、C40、C54、 C60烷, 及個(gè)別帶官能團(tuán)的烷烴, 其中以C30、C34、C36、C40、C54、C60等碳原子數(shù)大于30的偶數(shù)碳飽和烷烴為主要組分。個(gè)別醛酮類組分, 如壬醛、2-叔丁基-5-甲基-(1,3)二惡烷-4-酮、正十四醛、棕櫚醛、(Z)-9-十六碳烯醛等, 含量都較低。可以看出, 本文所鑒定出的芝麻葉腺毛分泌物組分與蠟質(zhì)組分顯著不同。

干旱處理后, 4個(gè)品種的抗旱性存在差異, 其腺毛分泌物酯類/烷烴類物質(zhì)含量的比值、以及烷烴類物質(zhì)的組成都發(fā)生了變化, 揭示腺毛內(nèi)部的次生代謝途徑發(fā)生了改變。在抗旱品種冀9014中, 烷烴組分中三十六烷的含量最高、三十四烷次之, 而且有10個(gè)烷烴組分顯著高于其他品種, 也主要是三十六烷與三十四烷, 揭示烷烴類物質(zhì)在芝麻腺毛分泌物中起著重要的作用, 會對外界干旱條件做出積極的響應(yīng)。但是, 榮縣黑芝麻腺毛分泌物烷烴組分的變化模式與冀9014相近, 它卻是一個(gè)對干旱敏感的品種。分析原因發(fā)現(xiàn), 榮縣黑芝麻中有57個(gè)組分是正常條件下表達(dá)但在干旱條件下消失的(表2), 這些組分的峰面積總和加起來達(dá)到所有正常組分的62.96％, 是4個(gè)品種中最高的, 反映出腺毛代謝途徑的變化。推測榮縣黑芝麻中不僅是腺毛內(nèi)部的次生代謝, 其他組織的代謝也都受到了干旱的影響, 最終表現(xiàn)出整體植株對外界干旱條件的敏感。

4　結(jié)論

芝麻苗期葉片表面有多種非腺體腺毛與腺體腺毛結(jié)構(gòu), 腺體腺毛的分泌物包含多種組分, 主要是酯類與直鏈飽和烷烴類物質(zhì), 具有品種特異性, 可用于芝麻的品種資源鑒定。干旱處理顯著改變了分泌物的組分, 三十六烷與三十四烷在芝麻對水分虧缺的響應(yīng)過程中起積極作用。

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圖版I　芝麻葉上下表皮氣孔結(jié)構(gòu)Plate I　Stomata microstructure of sesame leaf surface

圖版II　芝麻葉表面各種常見腺毛結(jié)構(gòu)Plate II　Normal glandular trichomes on the surface of sesame leaves

圖版III　芝麻葉表面各種特有腺毛結(jié)構(gòu)Plate III　Special glandular trichomes on the surface of sesame leaves

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20151008.1403.010.html

Microstructure of Glandular Trichomes on Leaf Surface of Sesame and Changes of Trichome Secretions under Drought Condition

SU Shi1, LI Rui-Hang1, LANG Dan-Ying1, ZHANG Ke1, HAO Xiao-Hu1, LIU Yan1, WANG Jun-Wei2,3, ZHANG Hai-Yang4, and XU Hong1,3,*
1College of Life Sciences, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;2College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;3State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Area, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;4Henan Sesame Research Center, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China

Abstract:We investigated the microstructure of glandular trichome on sesame leaf surface by scan electron microscope and extracted the trichome secretions using dichloromethane as solvent, and the secretion components under normal and drought conditions were measured by GC/MS to compare the secondary metabolites between sesame varieties. The experiment results indicated that, there were non-glandular hairs, long stalk glandular hairs, short stalk glandular hairs and mucilage hairs on the sesame leaves surface, and the stomata belong to the buttercup type. The secretions of glandular hairs contained a variety of components, of which the main fractions with peak area more than 2％ were composed of esters and straight chain saturated alkanes mainly, showing notable differences among four sesame cultivars. Under drought condition, the secreted components changed significantly. Ji 9014 with the highest drought resistance among the four cultivars, had ten components, including C36 alkanes and C34 alkanes, which were higher in Ji 9014 than in other tested cultivars. We can conclude that, the GC/MS technique is feasible to identify the glandular trichome secretions, and the secretion components are good index to reveal differences between varieties and the effects of drought condition on metabolic pathway in sesame leaves. Therefor, the glandular hairs and secretion components have important application values in sesame germplasm identification and molecular breeding for drought-resistant sesame.

Keywords:Sesame leaves; Glandular trichome; Secretions of glandular trichome; Drought condition; Gas chromatography-mass spectrometer

收稿日期Received(): 2015-04-20; Accepted(接受日期): 2015-09-06; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2015-10-08.

通訊作者*(Corresponding author): 徐虹, E-mail: xuh73@163.com, Tel: 13572445613

DOI:10.3724/SP.J.1006.2016.00278