5種草莓葉片解剖結構與抗旱性的關系

劉倩文 邱安然 謝 翔 劉 瑞 王唯先 武春霞

摘? ? 要：為了篩選出抗旱性優(yōu)良的草莓種質(zhì)，以5種野生草莓（東方草莓，黃毛草莓，森林草莓，木犀草莓和五葉草莓）為試驗材料，通過測量其葉片解剖結構（角質(zhì)膜厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、氣孔大小、氣孔密度、葉片厚度、柵欄組織厚度、柵欄組織層數(shù)、海綿組織厚度、海綿組織層數(shù)等）指標，計算出柵海比、葉片組織結構緊密度（CTR）、葉片組織結構疏松度（SR）等，以隸屬函數(shù)法綜合分析5種草莓的抗旱性。結果表明：上、下表皮以五葉草莓最厚，分別為27.28 μm和18.80 μm，而森林草莓最?。?9.59 μm和7.29 μm）;角質(zhì)膜以黃毛草莓最厚而木犀草莓最薄，分別為7.15 μm和3.78 μm;葉片和柵欄組織厚度以黃毛草莓最厚，分別為221.21 μm和95.86 μm，東方草莓最?。?37.12 μm和65.51 μm）;柵海比以五葉草莓最大而木犀草莓最小，分別為1.89%和1.13%;葉片組織結構緊密度（CTR）和疏松度（SR）以東方草莓最大，分別為47.78%和35.96%，五葉草莓最?。?4.97%和18.52%）;氣孔以五葉草莓最大，為45.84 μm2，黃毛草莓最小（30.18 μm2），氣孔密度以木犀草莓最大（702.6 個·mm-2）而黃毛草莓最小（489.9 個·mm-2）。隸屬函數(shù)綜合評價5種草莓的抗旱性表現(xiàn)為：五葉草莓>黃毛草莓>東方草莓>森林草莓>木犀草莓。

關鍵詞：草莓;解剖結構;抗旱性

中圖分類號：S669.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.07.004

Abstract：In order to screen out the strawberry germplasm with excellent drought resistance， 5 strawberry varieties including? Fragaria orientalis Losinsk.， F. nilgerrensis Schltdl. ex J. Gay，? F. vesca L.， F. vesca var. semperflorens and F. pentaphylla Losinsk. were used as test materials to measure the anatomical structure of the leaves （keratin thickness， upper epidermis thickness， lower epidermis thickness， stomatal size， stomatal density， leaf thickness， fence tissue thickness， number of fence tissue layers， sponge tissue thickness， sponge tissue layer， etc.）， the ratio of fence tissue to sponge tissue， leaf tissue structure tightness （CTR）， leaf tissue structure looseness （SR） were calculated， and the drought resistance of 5 kinds of strawberries was analyzed synthetically by membership function method.The results showed that in the 5 strawberry varieties， F. pentaphylla had the thickest upper and lower epidermis （27.28 μm and 18.80 μm）， while the F. vesca was thinnest （19.59 μm and 7.29 μm）; the F. nilgerrensis had the thickest keratin thickness （7.15 μm） while F. vesca var. semperflorens was thinnest （3.78 μm）; the F. nilgerrensis had the largest thickness of leaf and fence tissue （221.21 μm and 95.86 μm） while the F. orientalis was thinnest（137.12 μm and 65.51 μm）; the F. pentaphylla had the largest ratio of fence tissue to sponge tissue （1.89%） while the F. vesca var. semperflorens was lowest （1.13%）; the F. orientalis had the highest leaf tissue structure tightness （CTR） and leaf tissue structure looseness （SR） （47.78% and 35.96%） while the F. pentaphylla was lowest （34.97% and 18.52%）; the F. pentaphylla had the largest stomatal （45.84 μm2） while the F. nilgerrensis was smallest （30.18 μm2）; the F. vesca var. semperflorens had the largest stomatal density （702.6·mm-2） while the? F. nilgerrensis was smallest （489.9·mm-2）. According to the analysis of membership function method， the drought resistance of 5 strawberry varieties was as follows： F. pentaphylla > F. nilgerrensis > F. orientalis> F. vesca> F. vesca var. semperflorens.

Key words： strawberry; anatomic structure; drought resistance

草莓屬于薔薇科（Rosaceae）草莓屬（Fragaria）多年生草本植物，現(xiàn)代生產(chǎn)應用的大果型栽培草莓基本都是鳳梨草莓（Fragaria × ananassa （Weston） Duchesne）為主。雷家軍等[1]報道，我國作為世界野生草莓起源中心，自然分布有11個種，約占世界草莓屬植物20個種的一半以上，廣泛分布于我國東北、西北、西南地區(qū);11個種包括8個二倍體種：五葉草莓（Fragaria pentaphylla Losinsk.）、東北草莓（Fragaria mandshurica Staudt）、森林草莓（Fragaria vesca L.）、裂萼草莓（Fragaria daltoniana J. Gay）、黃毛草莓（Fragaria nilgerrensis Schltdl. ex J. Gay）、纖細草莓（Fragaria gracilis Losinsk.）、西藏草莓[Fragaria nubicola （Lindl. ex Hook. f.）? Lacaita]和綠色草莓（Fragaria viridis Duchesne），3個四倍體種：東方草莓（Fragaria orientalis Losinsk.）、西南草莓[Fragaria moupinensis （Franch.） Cardot]和傘房草莓（Fragaria corymbosa Losinsk.）等。作為一個18世紀歐洲發(fā)現(xiàn)的野生森林草莓變種，高山草莓系列多擁有抗寒、高產(chǎn)、花期綿長、果實的風味和香氣極佳等優(yōu)秀表現(xiàn)[2]。對野生種質(zhì)資源與高山草莓種質(zhì)資源的開發(fā)在草莓育種方面有著極大的應用潛力。

在適應外界環(huán)境過程中，不同植物其葉片形態(tài)表現(xiàn)不同，葉片結構在解剖層面上也發(fā)生了部分變化，如表皮上角質(zhì)層增厚、輸導組織發(fā)達、氣孔變小[3]，因此，植物抗旱性與葉片形態(tài)和解剖結構具有一定關系[4]。早在1956年，H.T.瓦西里也娃和董任瑞[5]對葉片自由水與結合水比例、原生質(zhì)體黏度（即質(zhì)壁分離與恢復時間與選擇透過性的差異）進行比較，并對葉片與抗旱性關系進行宏觀分析，結果表明，自由水和結合水的比例是衡量植物生理活性的一個指標，且植物僅有結合水不能存活;1983年，邱慶樹等[6]通過對花生葉片氣孔突變體和原品種上下表皮的氣孔數(shù)量進行分析，總結出氣孔數(shù)量越少抗旱性越強這一規(guī)律;1991年，夏明忠[7]首次引入隸屬函數(shù)分析對不同品種蠶豆的生理抗旱性研究，隸屬函數(shù)值越大，植物抗旱性越好;1996年，楊靜慧和楊煥婷[8]通過對幾種蘋果屬植物葉片的角質(zhì)層厚度與抗旱性進行分析，得出抗旱性較強的植物葉片角質(zhì)層較厚這一結論;1997年，李軍等[9]對9種核桃葉片的解剖結構進行分析，首次引入了柵欄組織與葉肉組織比這一概念，為后期解剖學上柵欄組織與海綿組織比的出現(xiàn)奠定了基礎。

本試驗通過對5種草莓成熟葉片在光學顯微鏡下的解剖結構進行觀察，探討解剖學上草莓葉片結構與植株抗旱性的關系，為研究草莓的抗旱性栽培及抗旱性育種提供形態(tài)解剖學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

東方草莓、黃毛草莓、森林草莓、木犀草莓和五葉草莓均取自天津農(nóng)學院西校區(qū)設施溫室——園林系草莓種質(zhì)資源圃。

1.2 試驗方法

試驗于2019年2月開展，5種草莓各選取 10 株，每株選取中下部的 3 個葉片，徒手切片法制作葉片橫切面的臨時裝片。采用Motic-BA410E光學顯微鏡觀察，拍攝，并運用Motic顯微分析軟件對葉片各個指標進行測量，記錄相應數(shù)據(jù)，按如下公式計算相應的指標。

葉片組織結構緊密度CTR=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%

葉片組織結構疏松度SR=海綿組織厚度/葉片厚度×100%

柵海比P/S = 柵欄組織厚度/海綿組織厚度

氣孔密度=固定面積內(nèi)氣孔個數(shù)/固定面積

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

抗旱性綜合評價采用隸屬函數(shù)分析法[4]。

隸屬函數(shù)值計算公式：

U（xi）=（xi-xmin）/ （xmax-xmin）

式中，U（xi）為隸屬函數(shù)值，xi為指標測定值，xmax、xmin為所有參試材料某一指標的最大值和最小值。

如果某一指標與抗旱性為負相關，則利用反隸屬函數(shù)進行轉換。計算公式：

U（ xi）=1-（ xi -xmin） /（ xmax -xmin）

文中數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel2010進行計算，并采用SPSS 22軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 5種草莓葉片的表皮結構與抗旱性的比較

葉片結構中耐旱性強的植物角質(zhì)膜厚度會較厚，由于蒸騰作用受到角質(zhì)層限制，即降低蒸騰作用，減少水分散失，在干旱脅迫下提高植物體自身抗旱性[3]。由表1和圖1可以看出，草莓葉片的角質(zhì)膜厚度表現(xiàn)為黃毛草莓>東方草莓>森林草莓>木犀草莓>五葉草莓，其中，木犀草莓與五葉草莓間差異不顯著（P>0.05），其他品種間差異均顯著（P<0.05）。

表皮是葉片結構的基礎，植物解剖結構中表皮越厚，其抗旱、隔熱、持水能力一般均較強[11]。由表1可知，草莓上表皮和下表皮的厚度均表現(xiàn)為五葉草莓>黃毛草莓>木犀草莓>東方草莓>森林草莓，后3者上表皮厚度差異不顯著（P>0.05），但下表皮厚度在東方草莓和木犀草莓差異不顯著（P>0.05），二者顯著高于森林草莓（P<0.05），其他種間上表皮和下表皮厚度差異均顯著（P<0.05）;下表皮表現(xiàn)為五葉草莓>黃毛草莓>木犀草莓>東方草莓>森林草莓。

植物葉片表皮微結構中表觀氣孔大小與植物解剖上的抗旱性相關，植物表皮氣孔愈小則氣孔張閉能力越強，對于干旱逆境的抵抗力越強[10-11]。由表1可知，草莓氣孔大小表現(xiàn)為五葉草莓>東方草莓>森林草莓>木犀草莓>黃毛草莓，前2者與后3者差異顯著（P<0.05）。

邱慶樹等[6]通過對花生葉片氣孔突變體的研究，表明單位面積氣孔密度越大抗旱性越差，越小則抗旱性越強。由表1可知，草莓氣孔密度表現(xiàn)為木犀草莓>東方草莓>五葉草莓>森林草莓>黃毛草莓，東方草莓與五葉草莓、森林草莓與黃毛草莓差異不顯著（P>0.05），其他種間差異均顯著（P<0.05）。

2.2 5種草莓葉肉特征與抗旱性的比較

草莓葉片的葉肉分化為柵欄組織和海綿組織，柵欄組織呈緊密豎狀排列狀，有規(guī)則地垂直于上表皮，不同種類柵欄組織層數(shù)有差異，本試驗測得草莓品種在2～4層（表2），海綿組織均為3層（表2），散亂排列，形狀不規(guī)則，緊鄰于下表皮。

柵欄組織厚度與抗旱性呈正相關[12];柵海比是表示柵欄組織發(fā)育程度的一個重要指標，其值越大，說明柵欄組織越發(fā)達。葉片的海綿組織厚度和葉片組織結構疏松度越大，抗旱性越弱[13]。由表2可知，葉片厚度和柵欄組織厚度均表現(xiàn)為黃毛草莓>五葉草莓>木犀草莓>森林草莓>東方草莓，其中黃毛草莓和東方草莓及二者與其他種間差異均顯著（P<0.05）;海綿組織厚度表現(xiàn)為黃毛草莓>五葉草莓>木犀草莓>森林草莓>東方草莓，種間差異均顯著（P<0.05）;柵海比表現(xiàn)為五葉草莓>黃毛草莓>東方草莓>森林草莓>木犀草莓，其中五葉草莓和木犀草莓及二者與其他種間差異均顯著（P<0.05）;葉片組織結構緊密度和疏松度均表現(xiàn)為東方草莓>黃毛草莓>森林草莓>木犀草莓>五葉草莓，其中緊密度除木犀草莓與五葉草莓差異不顯著（P>0.05）外，其他中間差異均顯著（P<0.05），而疏松度在東方草莓和五葉草莓及二者與其他種間差異均顯著（P<0.05）。

2.3 抗旱性綜合評價

根據(jù)單一指標很難判斷5種草莓的抗旱性強弱，故本文引入隸屬函數(shù)綜合評價法[14]，選取角質(zhì)膜厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、氣孔大小、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、CTR和SR等指標，對5種草莓的綜合隸屬函數(shù)進行計算（表3）。由表3可知，根據(jù)解剖結構指標所得5種草莓的抗旱性表現(xiàn)為五葉草莓>黃毛草莓>東方草莓>森林草莓>木犀草莓。

3 結論與討論

干旱脅迫是現(xiàn)今農(nóng)業(yè)領域的重要難題之一，隨著抗旱性育種日益受到重視，對于親本抗旱能力差異性辨析成為目前重要工作之一[15]。楊靜慧和楊煥婷[8]在對蘋果屬植物葉片角質(zhì)層厚度與抗旱性的關系研究中表明，葉片角質(zhì)層越厚，其抗旱性越強。本試驗中，5種草莓葉片角質(zhì)膜厚度以黃毛草莓最大，其次是東方草莓，二者在綜合評價結果中分別列居第2、3位次。表皮的厚度一定程度反映了植物葉片的貯水能力，在干旱脅迫下，植物葉片貯水對植物生理代謝活動有重大的影響。H.T.瓦西里也娃和董任瑞[5]在論植物葉片中自由水和束縛水的比例與植物抗旱性的關系中指出，較抗旱的植物能保持住自由水與束縛水的適當比列幾乎一直到生長的末期;而抗旱性較弱的植物的這個比例，是朝著自由水減少的方向急劇變動，自由水的減少就會使植物生命活動降低。本試驗中，5種草莓葉片上下表皮厚度均以五葉草莓最大，其次是黃毛草莓，二者在綜合評價結果中分別列居第1、2位次。蒸騰作用作為植物體自身水分散失最主要途徑，氣孔的閉合控制能力與氣孔的數(shù)量，同樣也對植物體自身的抗旱性有著重要的作用。邱慶樹等[6]在花生葉片氣孔突變及其與抗旱性的關系研究中指出，氣孔越少，抗旱性越強，反之，抗旱性越弱。本試驗中，5種草莓中氣孔以黃毛草莓氣孔最小且氣孔密度最低。葉肉結構中對抗旱性影響的主要因素包括柵欄組織與海綿組織比、葉片組織結構緊密度（CTR）和疏松度（SR），其中柵欄組織越厚則預期植物抗旱性會越強，海綿組織越厚則對植物抗旱性有所降低，即柵海比越高則反映植物抗旱性越強[16]。史曉霞等[12]在馬藺葉片解剖結構特征與其抗旱性關系研究中指出，抗旱種質(zhì)材料的柵欄組織和海綿組織較發(fā)達，柵海比比較高。本試驗中，5種草莓柵欄組織和海綿組織均以黃毛草莓最厚，而五葉草莓柵欄組織厚度雖排第2位但其海綿組織最薄，這應該是影響綜合隸屬函數(shù)對5種草莓抗旱性排名時五葉草莓優(yōu)于黃毛草莓的主要因素之一。植物葉片組織結構緊密度（CTR）越高，植物體抗旱性越強，葉片組織結構疏松度（SR）越高，植物體抗性越差[16]。本試驗中，5種草莓中葉片結構緊密度（CTR）和疏松度（SR）均以東方草莓最高，主要原因是東方草莓葉片厚度最低（表2）導致，其次是黃毛草莓，主要原因如前所述，即黃毛草莓柵欄組織和海綿組織均最厚，且葉片厚度也最厚。郭素娟和武燕奇[13]采用基于多項指標的隸屬函數(shù)法對板栗葉片解剖結構特征及其與抗旱性的關系進行研究具有一定的可行性，同時，根據(jù)主要成分分析確定各指標的權重，可提高抗旱性評價的準確性。本試驗通過隸屬函數(shù)法綜合評價5種草莓抗旱性，表現(xiàn)為五葉草莓>黃毛草莓>東方草莓>森林草莓>木犀草莓。

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