干旱脅迫下熱帶櫻花葉片與氣孔形態(tài)變化特征研究

王鋒堂 楊福孫 卜賢盼 周鵬

摘 要 為研究熱帶櫻花在海南島園林綠化中的推廣與應(yīng)用，針對其抗逆適應(yīng)性進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。研究設(shè)4個水分干旱梯度試驗(yàn)，采用改良指甲油印跡法測定其葉片氣孔的形態(tài)特征，觀察葉片形態(tài)變化。結(jié)果表明：（1）隨著干旱時間延長，降低了其葉面積與葉片含水量，干旱處理30 d變化最明顯；（2）隨干旱程度的加重，葉片氣孔密度、氣孔周長等呈減小趨勢；（3）干旱下氣孔密度與其開放度有顯著相關(guān)性（R2=0.038 3，p<0.05，N=36）。干旱條件對海南島種植熱帶櫻花有很大影響。

關(guān)鍵詞 熱帶櫻花；印跡法；氣孔；葉片

中圖分類號 S685 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Leaf Morphological Changes of Tropical Cherry

Blossom under Drought Stress

WANG Fengtang， YANG Fusun， BU Xianpan， ZHOU Peng*

College of Tropical Agriculture and Forestry， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract The purpose of this study is to do application and promotion of tropical cherry blossom in Hainan Island. The study set up 4 water drought gradient tests， using the improved method to determine the morphological characteristics of leaf stomata. The main test showed that：（1）Long time drought affected leaf area and leaf water content for the most obvious change of thirtieth days；（2）With the drought， stomatal density， stomatal perimeter decreased；（3）Under drought stress and stomatal density of openness has a significant correlation（R2=0.038 3， p<0.05， N=36）. The drought conditions had a great influence on the planting of tropical cherry blossoms in Hainan Island.

Key words Cassia nodosa； blotting； stoma； leaf

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.08.011

光合作用、呼吸作用等是植物生長的基礎(chǔ)，而干旱脅迫是制約的重要環(huán)境因素。海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風(fēng)氣候，光溫充足；具有明顯的多雨與少雨季之分，且少雨季持續(xù)時間長，常發(fā)生干旱。因此生產(chǎn)中干旱成為海南島植物生長的重要制約因素之一。很多研究表明氣孔是植物葉片與大氣進(jìn)行水分、二氧化碳交換的主要通道[1]，直接影響到植株體內(nèi)的水分平衡、光合效率以及作物的生產(chǎn)性能[2]，早有研究表明氣孔的靈敏度是植物抗旱的特征之一[3]。有關(guān)研究表明小麥葉片水分條件對氣孔長度、氣孔寬度、氣孔導(dǎo)度、光合速率、蒸騰速率等有顯著影響[4]。熊慧等[5]研究蕨類植物的生境和植物類型對氣孔響應(yīng)行為表明與氣孔均有顯著的影響。王晶晶等[6]對葡萄葉片的研究發(fā)現(xiàn)氣孔受干旱影響也很明顯。通過研究草莓葉片與銀杏葉片發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下氣孔限制葉片凈光合速率較為明顯[7-8]。李真真等[9]研究玉米在水分脅迫下，通過一系列反應(yīng)降低葉表面水勢，能促進(jìn)氣孔關(guān)閉。氣孔的開閉度是植物光合作用、蒸騰作用的重要影響因素。對于這些現(xiàn)象有不同的解釋。有研究表明H2S在調(diào)控植物氣孔運(yùn)動中起到作用，氣孔運(yùn)動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中H2S與H2O2有一定關(guān)系[10]。還有研究表明氣孔關(guān)閉是ABA和Ca2+信號途徑在其中發(fā)揮的作用[11]。還有研究發(fā)現(xiàn)ABA在干旱下是影響氣孔關(guān)閉的重要原因[12-13]，由此可以得出氣孔對于植物的重要性，且植物面對逆境脅迫條件時，可發(fā)生氣孔密度和氣孔長度的變化，葉片形態(tài)也會隨之發(fā)生變化，從而達(dá)到對環(huán)境的最大適合度[14]。所以研究植物對所處環(huán)境的抗干旱能力有重要意義。

熱帶櫻花（Tropical cherry），學(xué)名粉花山扁豆（Cassia nodosa），又名節(jié)果決明、塔槐等，是一種熱帶半落葉喬木，隸屬于蘇木科（Caesalpiniaceae）決明屬（Cassia）[15]。熱帶櫻花的樹體高大，樹冠呈傘狀，遮蔭效果好，春季長出新芽，花季盛開粉紅色花，顏色艷麗，宛如櫻花，是一種優(yōu)良的園林綠化樹種，對其合理開發(fā)及應(yīng)用有重要意義[16]。繁殖方式有種子的有性繁殖、嫁接與壓條的無性繁殖等方法。種植范圍比較廣泛，在云南西雙版納地區(qū)、兩廣南部及海南等地均有栽培[17]。作為園林植物其抗性強(qiáng)弱，直接影響到其推廣應(yīng)用。海南省具有顯著的旱季和雨季，而熱帶櫻花苗期是最為關(guān)鍵與重要的時期之一，因此本試驗(yàn)以熱帶櫻花苗期植株為研究對象，通過葉片形態(tài)及氣孔變化，分析其抗旱能力，為其推廣應(yīng)用作好前期基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2016年7～10月在海南大學(xué)海甸校區(qū)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。采用盆栽方式以種植2年生熱帶櫻花植株為研究對象，在實(shí)驗(yàn)基地塑料大棚中每天控水調(diào)節(jié)完成干旱脅迫實(shí)驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 干旱脅迫處理 試驗(yàn)設(shè)對照組CK[正常澆水（70±5）%]，輕度干旱組[（60±5）%含水量]，中度干旱組[（50±5）%含水量]和重度干旱組[（40±5）%含水量]，共4梯度處理，3次重復(fù)，每重復(fù)9株，每株1盆。

干旱處理方法：首先采用稱重法結(jié)合土壤水分速測儀（型號TPY-6A）測定土壤的絕對含水量與相對含水量，然后研究分析2種方法與土壤相對含水量相對應(yīng)的容積含水量，最后建立土壤相對含水量和容積含水量的關(guān)系式（圖1）。

土壤水分控制方法：于7月12日開始控水，7月19日各干旱處理均達(dá)到設(shè)定的土壤相對含水量范圍，以后每天17 ： 00～18 ： 00采用土壤水分速測儀逐盆測定土壤相對含水量并補(bǔ)充水分至設(shè)定的目標(biāo)值。補(bǔ)充水分量的計(jì)算方法，實(shí)測土壤容積含水量，并將其換算為土壤相對含水量，然后計(jì)算設(shè)定含水量與實(shí)際含水量之間的水分重量差，以重量差作為補(bǔ)充水分量。

1.2.2 測定指標(biāo)與方法 于晴天上午9 ： 00～10 ： 00，取熱帶櫻花植株分枝頂部的倒數(shù)第一片葉進(jìn)行形態(tài)的觀測及記錄。

干旱脅迫開始后，每10 d測量1次葉面積與葉片含水量，每次在不同干旱處理方式下的每個植株采3片葉片迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。利用千分位天平測算，共進(jìn)行3次。用葉形紙稱重法測量葉面積、烘干法測量葉片水分含量。

葉含水量=（葉鮮重-葉干重）/葉鮮重×100%

使用指甲油印跡法和透明膠帶結(jié)合改良方法測定葉片氣孔[18]。用透明膠帶粘取代鑷子撕取能獲得較完整的指甲油薄膜。在脅迫干旱開始后15 d，選取健康的熱帶櫻花功能葉片用脫脂棉拭去葉片表皮的灰塵，在葉片中間部位及兩側(cè)涂一層薄薄的指甲油。采摘涂抹指甲油的葉片帶回實(shí)驗(yàn)室，待其自然風(fēng)干后，取下并置于載玻片上，于光學(xué)顯微鏡下400倍并結(jié)合測微尺觀測。測量計(jì)算出視野面積，按每平方毫米的氣孔數(shù)計(jì)算氣孔密度，每片葉上取5個部位，每個部位觀測5個視野，求其平均值。氣孔近似橢圓，利用橢圓周長公式計(jì)算其周長。

氣孔密度=每個視野內(nèi)的氣孔數(shù)/視野面積。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excle 2007進(jìn)行葉面積及葉片含水量等數(shù)據(jù)處理，采用Spss 20.0軟件對葉片氣孔形態(tài)與密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱處理下葉面積與相對含水量變化

在干旱脅迫下，熱帶櫻花的植株葉片形態(tài)發(fā)生變化。隨著干旱脅迫處理的加重，植株在試驗(yàn)期間葉片出現(xiàn)卷縮，葉片絨毛密集而凸顯，新枝出現(xiàn)不同程度的萎蔫下垂現(xiàn)象；其中重度干旱下葉面積減小最明顯，中度與輕度干旱在30 d時，葉平均面積明顯減?。ū?）。干旱脅迫處理下，植株出現(xiàn)生長滯緩現(xiàn)象，新葉生長緩慢，新的分枝減少。

分析得到葉片相對含水量隨干旱脅迫時間增長，中度干旱變化相對平穩(wěn)；輕度干旱在第20天時含水量明顯減少，而重度干旱在第30天出現(xiàn)含水量明顯下降（表1）。表明短時間內(nèi)，熱帶櫻花在重度干旱能較好生存，但長時間干旱對熱帶櫻花小苗造成的危害嚴(yán)重。

2.2 不同干旱處理下對葉片氣孔的密度及形態(tài)的變化及相關(guān)性

隨著干旱程度加劇，氣孔的密度逐漸減小，且在中度干旱與輕度干旱時氣孔的橫徑相差較小，中度與重度干旱時縱徑相差最?。▓D2）。統(tǒng)計(jì)分析表明干旱與氣孔密度呈負(fù)相關(guān)（y=84.362-6.322x， R2=0.374，F(xiàn)=20.332，Sig=0）。且干旱與氣孔的開放度也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3）。數(shù)據(jù)分析表明氣孔張開度在重度干旱條件下最小，僅為0.024 2 μm；對照處理葉片氣孔的張開度最大，達(dá)0.032 0 μm。

在不同干旱處理下，葉片氣孔密度與氣孔大小形態(tài)也存在相關(guān)性。經(jīng)過相關(guān)性分析，氣孔的密度與氣孔的大小呈顯著正相關(guān)（R2=0.038 3， p<0.05， N=36）。表明熱帶櫻花的氣孔密度在干旱脅迫下會減小，其中氣孔的縱徑與橫徑也呈縮小的趨勢。

2.3 不同干旱處理下葉片氣孔的周長變化

氣孔的縱徑橫徑隨著干旱脅迫程度的加重呈減小趨勢（圖3）；氣孔周長也隨著干旱處理程度的加重而顯著減小，其中度干旱與重度干旱處理下單個氣孔周長差異不明顯（圖4），輕度干旱與中度干旱處理下單葉氣孔總周長差異顯著（圖5）。但中度干旱與重度干旱處理對熱帶櫻花氣孔周長影響最大，與對照相比差異達(dá)顯著水平。

2.4 不同干旱處理對葉片氣孔相對面積的變化

隨著脅迫干旱處理程度的增加，葉片中單位面積的氣孔相對面積在逐步減小（圖6）。經(jīng)過相關(guān)性分析表明不同干旱處理方式下葉氣孔數(shù)與葉單位面積上的氣孔面積呈極顯著相關(guān)（R2=0.75，p<0.01， N=36）。干旱使氣孔的面積縮小，其中中度干旱與重度干旱氣孔變化差異較小，但與對照相比差異顯著。

3 討論

植物的生長過程中受到很多因素影響，其中干旱是限制植物生長最重要最普遍的環(huán)境因素之一，干旱脅迫下植物能夠通過調(diào)控氣孔開度來防止植物體內(nèi)水分的散失，葉片的形態(tài)變化會反映出植株健康狀態(tài)[19-20]。有相關(guān)研究表明，在干旱脅迫下植物葉片氣孔密度分布位置紊亂，沒有規(guī)律的排布[21]。同時植物氣孔開放度會變小，以此來減少水分散失確保生存[22]。本試驗(yàn)在海南島氣溫較高、光照較強(qiáng)的月份進(jìn)行，受到的光照強(qiáng)度大，日照時間長。當(dāng)熱帶櫻花小苗植株在水分缺少時，通過減小氣孔開放度，同時降低氣孔的密度，加快老葉脫落，葉片生長面積縮小，葉片絨毛密集，以此減少水分散失，維持植株的代謝生長。所以本試驗(yàn)中在葉背面觀察到大量開放的氣孔。試驗(yàn)得出葉片背面氣孔密度減少，氣孔開放度減小，氣孔周長減小且輕度干旱與中度干旱處理下差異最大，單位面積氣孔的相對面積在減小。氣孔密度與氣孔大小即與氣孔縱徑、橫徑有顯著相關(guān)性，這與劉世鵬等[23]相關(guān)棗樹研究結(jié)果一致。通過本試驗(yàn)觀察，熱帶櫻花小苗植株在隨著干旱脅迫程度的增加和時間的增長，生長速度明顯減緩，說明干旱對氣孔的影響導(dǎo)致光合、呼吸等生理反應(yīng)產(chǎn)生的凈光合產(chǎn)物在減少。在重度干旱處理下時，小苗植株很快會出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。隨著干旱脅迫時間的延續(xù)，重度干旱下葉面積和葉片含水量的變化差距小，觀察得到葉片會出現(xiàn)嚴(yán)重的卷曲下垂，老葉枯黃與脫落速度也會加快很多，說明植株通過形態(tài)的改變來應(yīng)對與適應(yīng)干旱逆境。長時間干旱脅迫對熱帶櫻花小苗會造成嚴(yán)重的傷害，因此在種植生產(chǎn)過程中小苗的栽培要確保水分充足供應(yīng)，不能長時間缺水。

植物在逆境中會產(chǎn)生適應(yīng)性變化，本研究表明干旱逆境下，植物通過氣孔形態(tài)，密度的改變適應(yīng)環(huán)境；同時能改變?nèi)~片的形態(tài)與含水量來應(yīng)對逆境。熱帶櫻花小苗植株通過一系列的變化表明其不適應(yīng)在重度與中度干旱下生長，長時間干旱脅迫促使其葉片大量下垂、萎蔫及老葉干枯脫落加速。但其能適應(yīng)輕度干旱，在旱季少雨時期，可適當(dāng)進(jìn)行水分補(bǔ)充，即可適應(yīng)干旱環(huán)境，鑒于本試驗(yàn)初步研究結(jié)果，熱帶櫻花適合在海南島推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 石培華， 冷石林， 梅旭榮. 氣孔導(dǎo)度、 表面溫度的環(huán)境響應(yīng)模型研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象， 1995（5）： 51-54.

[2] 董樹亭， 胡昌浩， 周關(guān)印. 玉米葉片氣孔導(dǎo)度、 蒸騰和光合特性研究[J]. 玉米科學(xué)， 1993（2）： 41-44.

[3] 張守仁， 高榮孚. 白楊派新無性系氣孔生理生態(tài)特性的研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)， 1998（4）： 24-27， 29.

[4] 王曙光， 李中青， 賈壽山， 等. 小麥葉片氣孔性狀與產(chǎn)量和抗旱性的關(guān)系[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2013， 24（6）： 1 609-1 614.

[5] 熊 慧， 馬承恩， 李 樂， 等. 不同生境條件下蕨類和被子植物的氣孔形態(tài)特征及其對光強(qiáng)變化的響應(yīng)[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)， 2014， 38（8）： 868-877.

[6] 王晶晶， 莫偉平， 賈文鎖， 等. 干旱條件下葡萄葉片氣孔導(dǎo)度和水勢與節(jié)位變化的關(guān)系[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013， 46（10）： 2 151-2 158.

[7] 張慶華， 曾祥國， 向發(fā)云， 等. 干旱脅迫對草莓苗期葉片光合特性的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2016（23）： 6 147-6 150.

[8] 張 斌， 周廣柱， 聶義豐， 等. 干旱脅迫對銀杏幼苗葉片光合性狀的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2016（5）： 202-205.

[9] 李真真， 張 莉， 李 思， 等. 玉米葉片氣孔及花環(huán)和維管束結(jié)構(gòu)對水分脅迫的響應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2014， 25（10）： 2 944-2 950.

[10] 王蘭香， 侯智慧， 侯麗霞， 等. H2O2介導(dǎo)的H2S產(chǎn)生參與干旱誘導(dǎo)的擬南芥氣孔關(guān)閉[J]. 植物學(xué)報(bào)， 2012， 47（3）： 217-225.

[11] Yoko Tanaka， Tomoe Nose， Yusuke Jikumaru， et al. ABA inhibits entry into stomatal-lineage development in Arabidopsis leaves[J]. The Plant Journal： for Cell and Molecular Biology， 2013， 74（3）： 448-457.

[12] Mekonnen D W， Flügge U I， Ludewig F. Gamma-aminobutyric acid depletion affects stomata closure and drought tolerance of Arabidopsis thaliana[J]. Plant Science An International Journal of Experimental Plant Biology， 2016， 245： 25-34.

[13] Sven-Erik Jacobsen， Fulai Liu， Christian Richardt Jensen. Does root-sourced ABA play a role for regulation of stomata under drought in quinoa（Chenopodium quinoa Willd.）[J]. Scientia Horticulturae， 2009， 122： 281-287.

[14] 張立榮， 牛海山， 汪詩平， 等.增溫與放牧對矮嵩草草甸4種植物氣孔密度和氣孔長度的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2010， 30（24）： 6 961-6 969.

[15] 程政寧主編， 《中國99昆明世界園藝博覽會園藝百科全書》編輯委員會編. 中國99昆明世界園藝博覽會園藝百科全書[M]. 北京： 中國林業(yè)出版社， 2000： 718.

[16] 李淑嫻， 吳沙沙， 黃俊婷， 等. 粉花山扁豆種子萌發(fā)與貯藏特性[J]. 森林與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2015， 35（4）： 364-369.

[17] 邱 瓊， 楊德軍， 陳顯兵， 等. 不同處理方法對粉花山扁豆種子發(fā)芽率的影響[J]. 西部林業(yè)科學(xué)， 2011（1）： 80-82.

[18] 段云峰， 王幼寧， 李 霞. 一種獲得葉片表皮觀察氣孔的簡易方法及其應(yīng)用[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)， 2008（S1）： 73-76.

[19] Seemann J R， Critchley C. Effects of salt stress on the growth， ion content， stomatal behaviour and photosynthetic capacity of a salt-sensitive species， Phaseolus vulgaris L.[J]. Planta， 1985， 164（2）： 151-162.

[20] Dong Y， Wang C P， Han X， et al. A novel bHLH transcription factor PebHLH35 from Populus euphratica confers drought tolerance through regulating stomatal development， photosynthesis and growth in Arabidopsis[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications， 2014， 450： 453-458.

[21] 田 鑫， 于廣文. 干旱脅迫對水稻葉片氣孔密度的影響[J]. 遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2010（2）： 26-28.

[22] Wang S G， Jia S S， D Z， et al. Mapping QTLs for stomatal density and size under drought stress in wheat （Triticum aestivum L.）[J]. Journal of Integrative Agriculture， 2016， 15： 1 955-1 967.

[23] 劉世鵬， 劉濟(jì)明， 曹娟云， 等. 干旱脅迫下棗樹葉片表皮氣孔分布及特征分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2006（7）： 1 315-1 318.