小黑麥和黑麥主莖基部第2節(jié)間解剖 結(jié)構(gòu)特征比較

劉漢成，田新會(huì)，杜文華

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅民族師范學(xué)院 化學(xué) 與生命科學(xué)系，甘肅 合作 747000)

莖稈是植物主要的營(yíng)養(yǎng)器官之一，在維持植物形態(tài)、輸導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和貯藏營(yíng)養(yǎng)方面具有重要的作用[1]。禾本科植物的莖稈常呈圓柱形或棱柱形，有明顯的節(jié)和節(jié)間，節(jié)間有空心(如稻、小麥等)和實(shí)心(如高粱、玉米等)之分[2]。小黑麥和黑麥同屬于禾本科小麥族，莖稈空心，分節(jié)，莖稈的橫切面與小麥莖稈結(jié)構(gòu)相同[3]，從外向內(nèi)依次是表皮組織、機(jī)械組織、基本組織和髓腔，在機(jī)械組織和基本組織分別分布有面積不同的小維管束和大維管束[4]。

研究莖稈的結(jié)構(gòu)特征，有助于理解莖稈的生理功能及對(duì)生產(chǎn)性能的影響，如莖稈的支持能力(即抗倒伏性)強(qiáng)弱會(huì)直接影響作物產(chǎn)量[5]，有研究者運(yùn)用農(nóng)業(yè)生物力學(xué)的原理與方法，揭示了小麥和水稻莖稈的組織結(jié)構(gòu)與倒伏的機(jī)理，認(rèn)為莖稈橫切面中維管束數(shù)目越多，抗倒伏能力越強(qiáng)，隨著莖稈強(qiáng)度的增強(qiáng)，其抗倒伏性較強(qiáng)，產(chǎn)量隨之增加[6-9]。姚金保等[10]報(bào)道，小麥的株高、基部節(jié)間長(zhǎng)度與抗倒伏能力呈負(fù)相關(guān)，基部節(jié)間粗度、稈壁厚和節(jié)間干重與抗倒伏能力呈正相關(guān)，莖稈機(jī)械組織的細(xì)胞層數(shù)和厚度、維管束數(shù)目、面積以及髓腔大小與抗倒伏能力密切相關(guān)，莖稈的纖維素、木質(zhì)素以及碳水化合物含量和抗倒伏能力呈正相關(guān)。

莖稈的機(jī)械組織、基本組織和維管束組織等除了支持植株外，還具有制造、輸導(dǎo)和貯存營(yíng)養(yǎng)的功能[11]。范平等[12]研究報(bào)道，不同小麥品種的莖稈機(jī)械組織厚度和維管束數(shù)目與收獲指數(shù)間存在顯著相關(guān)性，并認(rèn)為在小麥選種、育種時(shí)，應(yīng)選取機(jī)械組織和輸導(dǎo)組織發(fā)達(dá)的親本?；窘M織主要由薄壁細(xì)胞構(gòu)成，其細(xì)胞壁薄而體積較大，其中可儲(chǔ)存大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分[13]。維管束系統(tǒng)則主要由位于木質(zhì)部的導(dǎo)管和韌皮部的篩管與伴胞等構(gòu)成的輸導(dǎo)組織組成，這些結(jié)構(gòu)在機(jī)體內(nèi)不斷輸導(dǎo)水分和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，滋養(yǎng)著植物體不斷生長(zhǎng)發(fā)育，但在不同節(jié)間，維管束數(shù)目不同，對(duì)植株的產(chǎn)量也有不同影響，如秦月秋[14]研究發(fā)現(xiàn)，小麥莖稈中第2、3節(jié)間大維管束數(shù)目最多，第3、4節(jié)間小維管束數(shù)目最多，且第2節(jié)間維管束數(shù)目與小穗數(shù)呈顯著正相關(guān)，而第3節(jié)間維管束數(shù)目與穗粒數(shù)顯著正相關(guān)。這一報(bào)道與周方竹[15]，裘昭峰等[16]研究結(jié)果一致，即小麥穗粒數(shù)、粒重與莖稈節(jié)間維管束數(shù)目和大小呈顯著正相關(guān)。

小黑麥和黑麥同屬禾本科小麥族，因二者具有較強(qiáng)抗逆性而逐漸在高寒牧區(qū)推廣種植。小黑麥?zhǔn)呛邴満托←溄?jīng)人工雜交產(chǎn)生的新品種，其性狀源自雙親而勝于雙親，較小麥具有較強(qiáng)的抗寒性，而較黑麥具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)(鮮草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量)。黑麥較小麥和小黑麥都有更高的株高，且莖稈纖細(xì)，很難抵抗強(qiáng)風(fēng)暴雨而倒伏，其鮮草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量都會(huì)受到影響。長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)業(yè)工作者多注重研究二者的生產(chǎn)性能[17-19]，而對(duì)二者的莖稈的形態(tài)結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)特征尚無(wú)詳細(xì)報(bào)告。因此，研究二者莖稈結(jié)構(gòu)特征，可揭示小黑麥和黑麥不同的生理機(jī)能和抗倒伏性能差異，也能夠?yàn)樾『邴満秃邴溒贩N選育及種植資源創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試材料為小黑麥(×TriticosecaleWittmack)品系C35和C2，黑麥(Secalecereal)品系C13和C33。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選擇在蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站。該試驗(yàn)站位于甘南藏族自治州合作市，N 34°57′136″，E 102°53′54″，海拔2 954 m，年平均氣溫3.2℃，無(wú)霜期113 d，年降水量671.7 mm。高寒草甸土，土壤有機(jī)質(zhì)7.56 g/kg，速效氮382.25 mg/kg，速效磷98.84 mg/kg，速效鉀45.33 mg/kg，pH為7.55[17]。新開(kāi)墾的荒地，無(wú)灌溉條件。播種日期為2016年5月12日。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，條播行距20 cm，播種深3～5 cm，播量按照750萬(wàn)基本苗/hm2計(jì)算而得，3次重復(fù)，小區(qū)面積為2 m×4 m。試驗(yàn)地周?chē)? m種植保護(hù)行，播種前和植株拔節(jié)期分別施氮肥320 kg/hm2。試驗(yàn)期間及時(shí)清除雜草，未進(jìn)行灌溉。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

分別于小黑麥和黑麥開(kāi)花期[20]，從種植品系C2、C35、C33、C13的小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取10個(gè)植株，剪取基部第2節(jié)間，用常規(guī)石蠟切片法[21-23]制作橫切面切片后在顯微鏡下觀察其顯微結(jié)構(gòu)，并分別在低倍物鏡(4×～10×)、中倍物鏡(40×)和高倍物鏡下(100×)測(cè)定大維管束數(shù)目統(tǒng)計(jì)分布在橫切面基本組織中的大維管束總數(shù)目；小維管束數(shù)目統(tǒng)計(jì)分布在橫切面機(jī)械組織中的小維管束總數(shù)目；大維管束大小用目鏡測(cè)微尺分別測(cè)量大維管束的長(zhǎng)度和寬度(包括維管束鞘細(xì)胞)；小維管束大小用目鏡測(cè)微尺分別測(cè)量小維管束的長(zhǎng)度和寬度(包括維管束鞘細(xì)胞)；大維管束鞘細(xì)胞數(shù)統(tǒng)計(jì)組成大維管束鞘的細(xì)胞數(shù)目；導(dǎo)管大小用目鏡測(cè)微尺分別測(cè)量大維管束中環(huán)紋導(dǎo)管和孔紋導(dǎo)管橫切面的長(zhǎng)度與寬度，小維管束中孔紋導(dǎo)管的直徑；篩管和伴胞大小用目鏡測(cè)微尺分別測(cè)量大維管束中篩管和伴胞的長(zhǎng)度與寬度；表皮細(xì)胞大小用目鏡測(cè)微尺測(cè)量位于小維管束外中部、小維管束兩側(cè)和兩個(gè)小維管束中間表皮細(xì)胞的長(zhǎng)度和寬度；機(jī)械組織細(xì)胞層數(shù)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)小維管束之間構(gòu)成機(jī)械組織的細(xì)胞層數(shù)；機(jī)械組織厚度用目鏡測(cè)微尺分別測(cè)量小維管束處(包括小維管束)和小維管束之間機(jī)械組織的厚度；基本組織厚度用目鏡測(cè)微尺分別測(cè)量小維管束處和小維管束之間基本組織的厚度。

1.5 電鏡掃描觀察

開(kāi)花期分別從小黑麥和黑麥品系中隨機(jī)選取10個(gè)單株，將除去葉鞘的基部第2節(jié)間中部切成0.3～0.5 cm的橫切環(huán)，經(jīng)固定、脫水、噴金后，使用S-3400型掃描電鏡在高真空和3.0 kV電壓下掃描小黑麥和黑麥莖稈基部第2節(jié)間橫切面[24]，并測(cè)定莖稈橫切面表皮細(xì)胞大小、機(jī)械組織厚度及細(xì)胞層數(shù)、基本組織厚度、小維管(SVB)及大維管束(MB)數(shù)目及大小，并拍照。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有測(cè)定數(shù)據(jù)用Excel 2010和SPSS 19.0軟件分析處理。分析數(shù)據(jù)時(shí)，小黑麥品系C35和C2各個(gè)測(cè)定指標(biāo)的平均值作為小黑麥該項(xiàng)指標(biāo)的特征值，黑麥品系C33和C13各個(gè)測(cè)定指標(biāo)的平均值作為黑麥該項(xiàng)指標(biāo)的特征值。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)常規(guī)石蠟切片和電鏡掃描后，可觀察到小黑麥和黑麥莖稈橫切面結(jié)構(gòu)基本相同(圖1，2)，即由外向內(nèi)分別是表皮、由厚壁細(xì)胞構(gòu)成的機(jī)械組織和由薄壁細(xì)胞組成的基本組織3部分，稈壁內(nèi)側(cè)為髓腔。構(gòu)成表皮的細(xì)胞在小維管束外側(cè)、小維管束兩側(cè)和兩個(gè)小維管束之間大小和形態(tài)各有差異；機(jī)械組織細(xì)胞多呈長(zhǎng)方形、正方形甚至多邊形，排列緊密，細(xì)胞層數(shù)較少；基本組織細(xì)胞呈多邊形，細(xì)胞大而層數(shù)多。維管束組織根據(jù)孔徑大小，分為大維管束和小維管束兩類，小維管束分布在機(jī)械組織，而大維管束分布在基本組織之中。

圖1 小黑麥和黑麥不同品系第2節(jié)間橫切面結(jié)構(gòu)Fig.1 Transverse section structure of the second internode in different triticale and rye lines

圖2 小黑麥和黑麥不同品系第2節(jié)間 橫切面亞顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Ultrastructure of the second internode in different triticale and rye lines

2.1 表皮細(xì)胞大小和組織厚度

小黑麥和黑麥的表皮細(xì)胞排列緊密，在小維管束正外側(cè)處多呈正方形，而在小維管束兩側(cè)和兩個(gè)小維管束之間呈長(zhǎng)方形，位于小維管束兩側(cè)的細(xì)胞大于兩個(gè)小維管束之間的表皮細(xì)胞(表1)；比較二者表皮細(xì)胞大小可知，小維管束外側(cè)細(xì)胞大小和兩個(gè)小維管束之間表皮細(xì)胞寬度無(wú)明顯差異，而其他比較項(xiàng)目之間均差異明顯(P<0.05)?？傮w分析，小黑麥稈壁厚度大于黑麥稈壁厚度，但小黑麥機(jī)械組織細(xì)胞層數(shù)小于黑麥，其厚度也明顯小于黑麥的機(jī)械組織厚度，而基本組織厚度大于黑麥(P<0.05)。

注：SVB 指小維管束，MB 指大維管束；同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05),下表同

2.2 維管束結(jié)構(gòu)特征

維管束組織在小黑麥和黑麥莖稈中都呈雙層排布，即位于機(jī)械組織的小維管束和位于基本組織的大維管束，維管束多呈橢圓形。從二者莖稈中維管束的數(shù)目分析，分布于機(jī)械組織中的小維管束數(shù)目無(wú)明顯差異(P>0.05)，但小黑麥莖稈中的大維管束數(shù)目明顯多于黑麥莖稈(P<0.05)；維管束長(zhǎng)軸(長(zhǎng)度)和短軸(寬度)的度量特征表明，二者大維管束長(zhǎng)度無(wú)明顯差異，而大維管束寬度、小維管束長(zhǎng)度和寬度均表現(xiàn)出小黑麥大于黑麥的趨勢(shì)，且差異顯著(P<0.05)；組成維管束鞘的細(xì)胞數(shù)目也是小黑麥多于黑麥(表2)。

表2 小黑麥與黑麥莖稈第2節(jié)間維管束 數(shù)目和大小比較Table 2 Differences of number and size of vascular bundle in the second internode between triticale and rye

2.3 輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)特征

植物的輸導(dǎo)組織包括位于木質(zhì)部的導(dǎo)管和韌皮部的篩管、伴胞等，其主要作用是輸導(dǎo)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其孔徑大小影響著植物體內(nèi)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸導(dǎo)效率。導(dǎo)管作為木質(zhì)部的重要組成部分，對(duì)莖稈具有支持作用，而篩管和伴胞則為整個(gè)植株的生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)。比較小黑麥和黑麥莖稈第2節(jié)間輸導(dǎo)組織孔徑大小，可見(jiàn)，小黑麥莖稈中輸導(dǎo)組織孔徑均大于黑麥中輸導(dǎo)組織的孔徑(表3)。

3 討論

3.1 小黑麥與黑麥莖稈基部第2節(jié)間結(jié)構(gòu)差異性

對(duì)于禾本科植物而言，株高是影響其倒伏性的主要因素[25]，莖稈較矮的植株，其重心高度降低，可提高植株的抗倒伏性[26]。但Tripathi等[27]研究報(bào)道，莖稈高度與倒伏性相關(guān)不顯著，即說(shuō)明作物的抗倒伏性不僅與株高有關(guān)，而且也與莖稈本身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)系。

表3 小黑麥和黑麥第2節(jié)間輸導(dǎo)組織特征比較Table 3 Comparison of structural features of conducting tissues in the second internode between triticale and rye

莖稈粗度是莖稈結(jié)構(gòu)的另一特征，胡昊等[26]研究報(bào)道小麥基部節(jié)間越粗，其抗倒性能越強(qiáng)。試驗(yàn)對(duì)小黑麥和黑麥莖稈基部第2節(jié)間解剖結(jié)構(gòu)特征方面的研究表明，小黑麥莖稈節(jié)間較黑麥莖稈節(jié)間更粗壯，說(shuō)明小黑麥較黑麥具有更強(qiáng)的抗倒伏能力。

機(jī)械組織的厚度、細(xì)胞層數(shù)和維管束數(shù)目與莖稈的抗倒伏能力關(guān)系密切[28-30]。此次試驗(yàn)小黑麥的莖稈第2節(jié)間機(jī)械組織細(xì)胞層數(shù)和厚度并沒(méi)有比黑麥體現(xiàn)出數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，但在生產(chǎn)實(shí)踐中卻能表現(xiàn)出比黑麥更強(qiáng)的抗倒伏能力；而黑麥莖稈第2節(jié)間機(jī)械組織厚度和細(xì)胞層數(shù)都顯著大于小黑麥?zhǔn)怯捎诤邴湵旧砬o稈纖細(xì)，其莖稈中機(jī)械組織的增加是為了增強(qiáng)抗倒伏的適應(yīng)機(jī)制。從維管束數(shù)量和大小分析，小黑麥莖稈基部第2節(jié)間明顯占優(yōu)勢(shì)，這也驗(yàn)證了小黑麥的抗倒伏能力[31]較強(qiáng)。

3.2 小黑麥比黑麥生產(chǎn)潛能更高

試驗(yàn)表明，小黑麥比黑麥抗倒伏能力更強(qiáng)，與趙國(guó)慶，潘丹英等[32-33]研究結(jié)果一致，抗倒伏能力強(qiáng)的品種能夠在作物生長(zhǎng)到一定高度時(shí)仍然保持直立姿態(tài)，可有效保證植株正常的光合作用和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸導(dǎo)作用，從而使籽粒正常灌漿至完熟，而黑麥抗倒伏能力較弱，對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴雨的抵御能力弱，易倒伏，故其生產(chǎn)潛能比小黑麥更低。

從莖稈的解剖特征分析，小黑麥莖稈中基本組織所占比例高于黑麥，小黑麥莖稈中維管束組織也多于黑麥莖稈，且小黑麥維管束中導(dǎo)管、篩管及伴胞等的孔徑均大于黑麥維管束中輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)的孔徑。魏愛(ài)麗等[34]研究報(bào)道，莖稈的基本組織中貯藏的碳水化合物可在逆境條件下降解以提供給籽粒灌漿生長(zhǎng)需要，而莖稈中貯藏碳水化合物的主要部位是基本組織。作物莖稈中維管束數(shù)目與籽粒產(chǎn)量、籽粒中蛋白質(zhì)的含量成正相關(guān)[35]，莖稈的機(jī)械組織厚度與收獲指數(shù)、小維管束數(shù)目與千粒質(zhì)量、大維管束數(shù)目與穗粒數(shù)、穗長(zhǎng)及結(jié)實(shí)的小穗數(shù)等關(guān)系顯著[12]，遠(yuǎn)彤等[36]報(bào)道維管束數(shù)目、面積與籽粒的灌漿強(qiáng)度、粒長(zhǎng)、粒重呈顯著正相關(guān)。羅夫來(lái)等[37]報(bào)道，莖稈木質(zhì)部導(dǎo)管孔徑越大，輸導(dǎo)能力也越強(qiáng)。因此，從小黑麥的莖稈結(jié)構(gòu)特征來(lái)看，高比例的基本組織、較多的維管束數(shù)目和較大的輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)的孔徑等指標(biāo)，均顯示出其生產(chǎn)潛能高于黑麥。

4 結(jié)論

小黑麥莖稈基部第2節(jié)間較黑麥莖稈基部第2節(jié)間更粗壯，同時(shí)，小黑麥莖稈的維管束數(shù)目和大小都較黑麥占優(yōu)勢(shì)，顯示了小黑麥作為小麥和黑麥的雜交品種所具有的雜交優(yōu)勢(shì)，即小黑麥較黑麥具有更強(qiáng)的抗倒伏能力。

小黑麥更強(qiáng)的抗倒伏能力保障了作物正常的生長(zhǎng)狀態(tài)和生理功能，且莖稈中高比例的基本組織結(jié)構(gòu)有利于儲(chǔ)存更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)，小黑麥莖稈中維管束數(shù)目及導(dǎo)管、篩管和伴胞的孔徑值等均大于黑麥，說(shuō)明小黑麥籽粒生產(chǎn)潛能大于黑麥。