植物葉片組織結(jié)構(gòu)在抗逆研究中的應(yīng)用進展

陳雪峰，景晨娟，趙習(xí)平，武曉紅

（河北省農(nóng)林科學(xué)院石家莊果樹研究所，河北 石家莊 050061）

植物在長期進化過程中，為了適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境，一般以遺傳分化和表型可塑性2種不同的策略來應(yīng)對環(huán)境的變化。其中，遺傳分化是通過遺傳物質(zhì)的改變，進化出特定的適應(yīng)性器官或組織；表型可塑性是植物特定器官為適應(yīng)環(huán)境變化而產(chǎn)生的適應(yīng)性改變。葉片是植物進行光合、蒸騰以及呼吸等生理代謝活動的重要器官[1]，在植物整個生命史中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。同時，葉片直接暴露于環(huán)境中，與各種環(huán)境因子接觸最為廣泛，是植物感應(yīng)環(huán)境變化很敏感的器官之一，表現(xiàn)出較大的可塑性[2]。經(jīng)過自然法則篩選的植物，其葉片的解剖結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)在一定程度上能夠反映植物的生理適應(yīng)性。因此，可以將植物葉片組織結(jié)構(gòu)作為種質(zhì)資源評價、育種和抗逆研究的重要依據(jù)[3，4]。

1 葉片組織結(jié)構(gòu)與抗旱性

葉片直接暴露于空氣中，是植物進行蒸騰作用最主要的器官，也是控制植物與環(huán)境水和氣交換的閥門，植物體絕大部分水分的散失是通過葉片進行的。在長期干旱脅迫下，為了控制植物體內(nèi)水分的涵養(yǎng)和散失，葉片的形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生適應(yīng)性改變，這在一定程度上可以反映植物的抗旱性。

1.1 葉片角質(zhì)層

葉片表皮覆蓋著發(fā)達的角質(zhì)層，較厚的角質(zhì)層是植物控制水分蒸發(fā)的天然物理屏障，同時還可以提高葉片能量的反射率，達到減少水分散失的目的，從而增強植物的抗旱性。

在干旱環(huán)境下或某些時間段，植物會將表皮的氣孔閉合，使氣孔導(dǎo)度降到最低，此時通過植物表皮角質(zhì)發(fā)生的蒸騰成為植物散失水分的主要途徑。很多學(xué)者認為角質(zhì)層厚度是影響植物水分散失率的因素之一，較厚的角質(zhì)層有利于減少水分的散失。劉紅茹等[5]研究了延安地區(qū)3種灌木的抗旱性之后認為，葉片上表皮角質(zhì)層厚度可以作為植物抗旱性評價的主要指標(biāo)。葉片角質(zhì)層成分也會控制水分的散失，Vogg等[6]在研究西紅柿葉片的蠟質(zhì)層成分時發(fā)現(xiàn)了一種散失水分速度較野生型快4倍的突變體，這種突變體表皮蠟質(zhì)組分中脂肪類物質(zhì)較野生型低50%，證明了角質(zhì)膜成分（脂肪類物質(zhì)）在植物表皮限制水分的散失中具有重要作用。

1.2 葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

耐旱性較強的植物葉片一般柵欄組織發(fā)育程度較高，高度發(fā)育的柵欄組織可以使葉片的組織結(jié)構(gòu)更為緊密，保水能力更強；而海綿組織發(fā)育程度低甚至不發(fā)育的葉片，保水能力較差。這是因為海綿組織細胞排列相對疏松、無規(guī)則，所以，其發(fā)育占比過高不利于植物抗旱。

高占比柵欄組織和低占比海綿組織使得耐旱性植物的葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度（CTR，柵欄組織厚度/葉片厚度）一般較高，葉片組織疏松度（SR，海綿組織厚度/葉片厚度）較低，柵海比（柵欄組織厚度/海綿組織厚度）較大。肖芳等[7]對野芙蓉的葉片組織結(jié)構(gòu)進行研究后發(fā)現(xiàn)，葉片柵欄組織細胞較長、排列較為緊密，在干旱時能夠控制水分蒸發(fā)的速度，表現(xiàn)出較強的耐旱能力。王金印等[8]對葡萄葉片的解剖結(jié)構(gòu)進行研究后發(fā)現(xiàn)，葡萄品種的抗旱性與CTR呈正相關(guān)。王丹等[9]發(fā)現(xiàn)，紫花地丁葉片的主脈厚度及CTR高于鹽芥和薺菜，而野生條件下紫花地丁較鹽芥和薺菜更耐旱，該研究結(jié)果同樣符合“CTR與抗旱性呈正比”的觀點。

1.3 表皮毛

植物葉片表面覆蓋表皮毛，較長、較密的表皮毛可以對葉片表面起到一定的遮擋作用，反射一部分陽光，避免因陽光直接照射而造成灼傷，同時減少植物水分的蒸發(fā)，因此，表皮毛也可作為植物抗旱性的評價之一[10]。侯艷偉等[11]對綿刺葉片的組織結(jié)構(gòu)進行研究后發(fā)現(xiàn)，其上、下表皮都覆蓋有濃密的表皮毛，很好地起到了阻尼陽光的作用，葉肉細胞緊密排列且高度柵欄化，表現(xiàn)出較強的抗逆能力。趙述文等[12]在大豆上研究發(fā)現(xiàn)，抗旱性弱的大豆品種葉片表皮毛細弱，抗旱性強的大豆品種葉片表皮毛較為粗壯，這可能也與表皮毛起到緩沖陽光照射的作用有關(guān)。

1.4 葉片比表面積

葉片的體積越大，其涵水量越大；葉片的面積越小，水分散失越少。因此，葉面積與體積的比值越小，其抗旱性越強。

張德巧等[13]在研究南方高叢藍莓品種陽光藍的葉片結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)其葉片小且厚，與其抗旱能力較強相吻合。單位面積的葉片干重可以反映葉片的貯水能力[14]，干物質(zhì)越多時植物葉片能夠儲存的水分越多，表面積越小時植物蒸騰散失水分的速率越小，這種結(jié)構(gòu)特點有利于適應(yīng)干旱環(huán)境[15]。王國富等[16]認為，為了適應(yīng)干旱脅迫，植物一般會增加單位葉片面積的質(zhì)量密度、降低蒸騰表面積。

2 葉片組織結(jié)構(gòu)與抗病蟲害性

植物長期進化過程中形成了抵御病蟲害的能力，這種抵抗機制主要包括結(jié)構(gòu)抗性和生物化學(xué)抗性。其中，結(jié)構(gòu)抗性是利用植物自身的某些物理結(jié)構(gòu)阻擋病原物入侵和在體內(nèi)擴散；生物化學(xué)抗性是植物在細胞或組織水平上產(chǎn)生對病原物有毒害作用的物質(zhì)來抑制病原物活動的生理生化反應(yīng)[17]。目前植物抗病機制的研究主要集中在生物化學(xué)抗性方面，結(jié)構(gòu)抗性研究尚未被充分重視，這主要是由于技術(shù)的限制以及植病工作者在主觀上的偏見造成的。對于植物而言，表面是植物與病原菌最初接觸的地方，也是形成起始防御的場所，在植物的抗病生理中占有非常重要的地位。很多植物在進化過程中都形成了天然的防御結(jié)構(gòu)[18]，包括較厚的角質(zhì)層[19]、較小的氣孔密度等，這些均有利于阻擋病原菌侵入植物體內(nèi)[20]，達到抗病的目的。

2.1 蠟質(zhì)層

病原菌想要侵入寄主，首先必須能粘附在寄主表面且萌發(fā)產(chǎn)生菌絲，這通常要求寄主表面比較濕潤。植物葉片表面的蠟質(zhì)層具有天然的防水作用，能夠阻礙病原菌的附著，減少入侵，因此，表現(xiàn)出較強的抗病性[21]。

Martin和Juniper[22]認為，蠟質(zhì)層和葉毛是控制表面濕潤度的關(guān)鍵因素。1931年外國學(xué)者發(fā)現(xiàn)某些可以抵抗黑星病的蘋果品種其葉片和果實上覆有蠟粉層，認為此蠟粉層可以迅速排除水分而避免黑星病菌粘附在其表面。葉片有蠟質(zhì)層的植物普遍較沒有蠟質(zhì)層的植物發(fā)病輕，這主要是因為含有病原菌的液滴較難粘附在寄主表面。劉艷濤等[23]對1株抗黑星病芽變鴨梨的葉片組織結(jié)構(gòu)和生理生化特性進行研究后發(fā)現(xiàn)，抗黑星病的鴨梨葉片蠟質(zhì)含量較高。陳志宜[21]在對水稻紋枯病的抗性研究中發(fā)現(xiàn)，抗病品種葉片中的蠟質(zhì)含量明顯多于感病品種。田麗波等[24]在苦瓜抗白粉病的研究中也得出了類似結(jié)論。

2.2 氣孔

氣孔是植物進行水和氣交換的主要器官，對植物的生長發(fā)育具有重要作用，同時也是病原菌入侵植物的通道。柴晨博[25]在梨抗黑星病的研究中發(fā)現(xiàn)，抗病品種的葉片氣孔密度小，而感病品種的葉片氣孔密度較大，較大的葉片氣孔密度可能增加了病原菌入侵的概率。李聰[26]在研究獼猴桃葉片氣孔結(jié)構(gòu)與潰瘍病抗性的相關(guān)關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，感病品種的葉片氣孔長度和氣孔密度均大于抗病品種。李海英[27]的研究結(jié)果表明，大豆對灰斑病的抗性與葉片氣孔密度呈反比。黨志國等[28]在蘋果抗褐斑病的研究中發(fā)現(xiàn)，不同品種蘋果葉片的氣孔密度存在很大差異，抗性品種的葉片氣孔密度明顯小于感病品種，且葉片氣孔密度與發(fā)病程度呈正相關(guān)。趙軍等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在葉片發(fā)育過程中，易感黑星病梨品種的葉片氣孔密度和開放氣孔密度顯著高于抗病品種。

3 葉片組織結(jié)構(gòu)與抗寒性

葉片作為植物與環(huán)境因子互作最多的器官，長期處于低溫環(huán)境下時會通過進化改變其外部形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較為敏感的生態(tài)適應(yīng)性，并穩(wěn)定地遺傳給后代。因此，葉片結(jié)構(gòu)特點可以作為抗寒性鑒定的指標(biāo)之一[30]。

柵欄組織的高度發(fā)育可以提高葉片的緊實程度，在低溫環(huán)境下為葉片提供更好的“圍墻效應(yīng)”[31]。尹立榮等[32]在研究葡萄的抗寒性時發(fā)現(xiàn)，抗寒性強的品種，葉片柵欄組織發(fā)育程度較高且排列緊密；抗寒性弱的品種，其海綿組織發(fā)育較好且排列疏松。Li和Palta[33]在馬鈴薯上的研究發(fā)現(xiàn)，抗寒性較強的馬鈴薯葉片具有2層?xùn)艡诮M織細胞，抗寒性較弱的馬鈴薯葉片只有1層?xùn)艡诮M織細胞，其認為可以將柵欄組織細胞層數(shù)作為抗寒性評價指標(biāo)。但彭偉秀等[34]對杏的抗寒性研究結(jié)果顯示，葉片柵欄組織細胞層數(shù)與品種的抗寒性強弱相關(guān)性不明顯。簡令成等[35]對柑桔葉片與抗寒性的相關(guān)關(guān)系進行研究時發(fā)現(xiàn)，單一的葉片組織（柵欄組織或海綿組織）厚度可能會隨樣品所處生境的不同而發(fā)生變化，但葉片的柵欄組織和海綿組織厚度在遺傳上存在著相互制約關(guān)系，其比值能夠保持相對的穩(wěn)定。因此，以CTR和SR作抗寒性鑒定指標(biāo)具有更高的可靠性與可重復(fù)性。靳哲[36]通過對甘藍葉片橫切結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，可以將柵海比、CTR和SR作為評價其耐寒能力的指標(biāo)。石美娟等[37]在研究柿子葉片組織結(jié)構(gòu)與抗寒性的相關(guān)關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，CTR和柵海比與抗寒性呈正相關(guān)，SR與抗寒性呈負相關(guān)。此外，在杏、柑桔、紫花苜蓿[38]、越橘[39]、香蕉[40]和核桃[41]上的研究也均得到了相似的結(jié)論。

4 結(jié)論

植物在長期適應(yīng)某種生態(tài)環(huán)境的漫長過程中，經(jīng)歷了自然選擇和人工選擇的篩選，每個器官都經(jīng)歷了惡劣環(huán)境的考驗，表現(xiàn)出較強的可塑性。所以，植物器官的組織結(jié)構(gòu)特點能反映環(huán)境因子的變化及其影響，也是植物生態(tài)適應(yīng)性鑒定的重要指標(biāo)。很多生態(tài)學(xué)家認為，植物器官的可塑性是植物積極應(yīng)對環(huán)境變化的策略，有利于植物在異質(zhì)環(huán)境下生存下來[42]。不同的植物在不同的生境中形成了各具特色的適應(yīng)機制，這是長期進化的結(jié)果。尤其是在應(yīng)對干旱、病蟲害、低溫、高溫等惡劣環(huán)境時，植物通常會使用多種應(yīng)對策略，包括形態(tài)結(jié)構(gòu)變化和生理生化變化。因此，植物的形態(tài)解剖特征在一定程度上可以反映植物抗逆性的強弱[43]。