芋葉形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察及光合特征分析

盛潔悅， 崔文雪， 張二金， 余徐潤， 熊 飛

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 揚(yáng)州大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實驗室， 揚(yáng)州 225009)

芋(Colocasiaesculenta)，又稱芋頭、芋艿，為天南星科、芋屬多年生球莖植物，主要分布于氣候濕潤地帶，在中國珠江流域及臺灣地區(qū)種植較多[1]。近年來人們對芋的研究大多集中于開發(fā)利用[2-4]、球莖淀粉體發(fā)育[5]、栽培管理[6]、營養(yǎng)成分提取和分析[7-8]等，而對地上部分的葉片及葉柄的結(jié)構(gòu)和光合特性相關(guān)基礎(chǔ)性的研究很少。隨著人們對芋地上和地下部分的開發(fā)利用程度越來越高，探明芋葉器官解剖結(jié)構(gòu)和光合特性對芋的產(chǎn)量形成機(jī)理及光合作用機(jī)理具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

芋地上部分主要由葉片和葉柄兩部分構(gòu)成。對于大部分單子葉植物來說(尤其是禾本科植物)，葉肉沒有柵欄組織和海綿組織的分化，然而葉元英等[9]對芋頭葉片進(jìn)行切片觀察后發(fā)現(xiàn)，芋葉的腹面是由薄壁細(xì)胞組成的柵欄組織，背面則為海綿組織，葉脈中的維管束系統(tǒng)多而大，輸導(dǎo)組織發(fā)達(dá)，適應(yīng)干旱的環(huán)境，而葉片中發(fā)達(dá)的氣腔和較多數(shù)量的氣孔又與水生條件相適應(yīng)。

光合效率的高低可直接影響植物生長發(fā)育，對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也有直接聯(lián)系[10-11]，其高低取決于植物光合作用產(chǎn)物的積累分配[12]。劉曉榮發(fā)現(xiàn)白鶴芋5個品種間凈光合速率、蒸騰速率存在顯著性差異[13]。衡量光合特性的指標(biāo)有很多，這些指標(biāo)能直接或間接反映光合作用強(qiáng)弱的變化，主要包括：氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、凈光合速率、蒸騰速率等[14-15]。

以檳榔芋和香荷芋兩種芋為材料，采用樹脂半薄和超薄切片對芋葉片的葉肉、葉緣、主脈及一級側(cè)脈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較觀察，同時利用光合儀測定葉片的光合作用參數(shù)，比較兩個品種光合能力的差異。探明不同品種芋葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)和光合特性的差異，以期能為芋器官解剖學(xué)特征及光合作用機(jī)理方面的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選用的芋品種為‘荔浦檳榔芋’(以下簡稱檳榔芋)和‘泰興香荷芋’(以下簡稱香荷芋)，種球分別由廣西荔浦農(nóng)副產(chǎn)品批發(fā)有限公司和靖江市農(nóng)科所提供,兩個品種球莖于2017年3月栽種在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理實驗室試驗田內(nèi)。于9月中旬(十葉期)進(jìn)行取樣，每種芋取其倒2葉片，取芋葉中部左邊部分的葉肉、葉緣、主脈及一級側(cè)脈。

1.2 方法

1.2.1 樹脂切片

采集兩個芋頭品種的葉片，取其葉肉、葉緣、主脈、一級側(cè)脈，并迅速置于戊二醛中前固定，樣品經(jīng)磷酸緩沖液清洗后再用0.5%鋨酸后固定，然后用乙醇進(jìn)行梯度脫水，再用環(huán)氧丙烷置換。最后用Spurr樹脂浸透與包埋，獲得樣品樹脂包埋塊。包埋好的樣品先通過超薄樹脂切片機(jī)(Ultracut R, Leica, Germany)切1 μm厚的半薄切片，然后烘干，染色，在光學(xué)顯微鏡(DMLS, Leica, Germany)下觀察并拍照。在半薄切片的基礎(chǔ)上對樣品進(jìn)行進(jìn)一步修塊，再用切片機(jī)切60 nm厚的超薄切片，用鍍膜銅網(wǎng)撈片后染色后在透射電子顯微鏡(Tecnai 12, Philips, The Netherlands)下觀察葉綠體形態(tài)并拍照。

1.2.2 葉綠素含量的測定

用石英砂、碳酸鈣和濃度為96%的乙醇對樣品進(jìn)行研磨勻漿，然后定容，最后利用分光光度計測定葉綠素提取液在649 nm和665 nm處的最大吸收波長下的吸光值，每個樣品重復(fù)3次，最后根據(jù)公式分別計算出葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的含量。

1.2.3 光合作用指標(biāo)測定

在晴朗天氣上午10：00—11：30利用光合儀(Li-6400，LI-COR，USA)測定兩個品種芋頭葉片的光合作用指標(biāo)，測定的部位為芋的倒二葉，每個樣重復(fù)測3次。指標(biāo)包括：Pn、Gs、Ca、Tr及Ci等，而Ls和WUE可由公式間接計算出，即Ls= 1-Ci/Ca，WUE=Pn/Tr。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

上述各項試驗數(shù)據(jù)利用函數(shù)繪圖軟件Origin(Version 9.1，OriginLab，USA)繪制成圖表，并使用SPSS(Version 19.0)對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P<0.05，LSD法)，試驗圖片用圖像處理軟件Photoshop進(jìn)行圖片的修飾標(biāo)注及圖版的制作。

2 結(jié)果

2.1 葉綠素含量和光合特性

表1所示為檳榔芋和香荷芋葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間濃度、水分利用率和氣孔限制值、葉綠素含量等光合特性指標(biāo)。從表1中可以看出，香荷芋凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、葉綠素含量顯著高于檳榔芋；而氣孔導(dǎo)度、水分利用效率及氣孔限制值與檳榔芋相比無顯著差異。

2.2 葉緣結(jié)構(gòu)

圖1-A、B所示為分別檳榔芋和香荷芋葉緣顯微結(jié)構(gòu)圖。從圖1中可以看出，檳榔芋和香荷芋的葉緣都為圓弧形，尖端細(xì)胞較為質(zhì)密，葉緣中間都分布有一大一小兩個氣腔，還有一些維管束。檳榔芋葉緣表皮細(xì)胞多為凸起的近圓形，葉肉細(xì)胞較疏松，但柵欄組織質(zhì)密(圖1-A)；香荷芋葉緣的表皮細(xì)胞則趨向于橢圓形，葉肉細(xì)胞排列緊密，柵欄組織較為發(fā)達(dá)(圖1-B)。

表1 兩種芋葉片光合特征參數(shù)

注：同列數(shù)值后不同小寫字母表示數(shù)據(jù)間存在顯著性差異(P<0.05)

Note: The values followed by different small letters in the same column mean significant difference at the 0.05 level

2.3 葉片結(jié)構(gòu)

圖1-C、D所示為檳榔芋和香荷芋葉片顯微結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，芋葉的葉片結(jié)構(gòu)分為表皮、葉肉和葉脈3個部分。葉肉細(xì)胞中有很多大氣腔，排列在整個葉肉組織中，葉脈中的維管束貫穿葉肉。靠近上表皮有較多細(xì)胞間隙，形成發(fā)達(dá)的通氣組織。檳榔芋的表皮多為長細(xì)胞，而香荷芋的則較多短細(xì)胞，都為單層密集排布；檳榔芋氣腔大而少，分布規(guī)律，香荷芋氣腔小而多，分布凌亂。

兩芋品種柵欄組織細(xì)胞都為長柱形，有2～3層細(xì)胞組成，細(xì)胞內(nèi)含有大量的葉綠體。檳榔芋的柵欄組織細(xì)胞密集排列，細(xì)胞間隙較小，厚度為14.84 μm(圖1-C)；香荷芋柵欄組織細(xì)胞排列較疏松，細(xì)胞間隙較大，厚度為22.32 μm，顯著高于檳榔芋(圖1-D、I)。

A：檳榔芋葉緣；B：香荷芋葉緣；C：檳榔芋葉肉；D：香荷芋葉肉；E：檳榔芋主脈；F：香荷芋主脈；G：檳榔芋一級側(cè)脈；H：香荷芋一級側(cè)脈；I：兩品種芋葉肉上表皮、下表皮、柵欄組織、海綿組織厚度；圖中不同小寫字母表示兩品種間差異顯著(P<0.05)；AC：氣腔；CT：海綿組織；Ct：厚角組織；PT：柵欄組織；VB：維管束

(A) leaf edge of ‘Binglang’; (B) leaf edge of ‘Xianghe’ ; (C) mesophyll of ‘Binglang’ ; (D) mesophyll of ‘Xianghe’ ; (E) main vein of ‘Binglang’ ; (F) main vein of ‘Xianghe’ ; (G) primary side vein of ‘Binglang’ ; (H) primary side vein of ‘Xianghe’; (I) the thinkness of upper epidermis, lower epidermis, palisade tissue and spongy tissue of two taro varities; the different lowercase letters in the
Figure indicate the significant differences between the two taro varieties ( P ＜ 0. 05); AC，air cavity; CT，cavernous tissue; Ct，collenchyma tissue; PT，palisade tissue; VB，vascular bundle

圖1 檳榔芋和香荷芋葉片顯微結(jié)構(gòu)比較

Figure 1 Comparison of the microstructure of the leaves from ‘Binglang’ and ‘Xianghe’

兩芋品種海綿組織細(xì)胞排列不規(guī)則，面積大，中間有大的氣腔。檳榔芋海綿組織細(xì)胞多條狀排列，較規(guī)整，單個氣腔較大，均勻地分布在海綿組織中間，其海綿組織厚度為38.02 μm(圖1-C)；香荷芋海綿組織細(xì)胞為條狀或簇狀，較凌亂，氣腔密集地分布在海綿組織中間，海綿組織厚度為51.46 μm，顯著高于檳榔芋(圖1-D、I)。

2.4 主脈、一級側(cè)脈結(jié)構(gòu)

圖1中E、F、G及H為檳榔芋和香荷芋主脈和一級側(cè)脈顯微結(jié)構(gòu)圖，從圖1中可以看出，檳榔芋、香荷芋葉片的莖中存在許多維管束和氣腔。其中香荷芋維管束較多，檳榔芋較少，同時還可以看出檳榔芋厚角組織比香荷芋發(fā)達(dá)。

2.5 葉片表面氣孔

植物蒸騰過程中的水蒸氣主要通過氣孔從體內(nèi)排到體外，氣孔對植物的蒸騰、光合、呼吸等過程具有關(guān)鍵作用。圖2所示為檳榔芋和香荷芋葉片下表皮表面掃描電子顯微鏡圖片。從圖2中可以觀察出檳榔芋葉片表面紋飾粗糙、氣孔較小(圖2-A)，而香荷芋表面紋飾光滑、氣孔較大(圖2-B)。

A：檳榔芋；B：香荷芋；圖中白色箭頭示氣孔

(A) Binglang; (B) Xianghe; the white arrows in the Figures indicate the stoma

圖2 檳榔芋和香荷芋葉片掃描電鏡圖片

Figure 2 Scanning electron microscope images of the leaves from ‘Binglang’ and ‘Xinghe’

2.6 葉綠體超微結(jié)構(gòu)

圖3所示為透射電子顯微鏡下拍攝的兩芋品種葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)圖片。從圖3中可以看出，芋頭葉片中葉綠體具有完整的片層結(jié)構(gòu)，緊貼細(xì)胞壁分布，葉綠體中類囊體膜堆疊，遍布整個葉綠體。檳榔芋葉片細(xì)胞中葉綠體較小，數(shù)目多(圖3-A、C、E)，而香荷芋葉綠體體積大，數(shù)目少。檳榔芋葉綠體呈橄欖球或卵圓球形，其中基本不積累淀粉粒，電子密度較淺，類囊體堆疊程度較高，排列密集，同時還有部分基質(zhì)片層囊泡化，囊泡大小不一(圖3-A、C、E)；香荷芋葉綠體呈橄欖球或卵圓球形，其中積累紡錘形或卵圓形的淀粉粒，不規(guī)則的分布在葉綠體中，類囊體堆疊松散，淀粉粒周圍則排列更為松散(圖3-B、D、F)。

3 討論與結(jié)論

本文對檳榔芋和香荷芋的葉片在形態(tài)結(jié)構(gòu)和光合特征上進(jìn)行了細(xì)致的觀察對比。在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面，香荷芋的柵欄組織和海綿組織較厚，葉片氣孔較多，發(fā)達(dá)的柵欄組織和海綿組織有利于植物的氣體交換和蒸騰作用，使它們在水旱環(huán)境下都有較強(qiáng)的適應(yīng)性[9]。

檳榔芋和香荷芋在葉綠體結(jié)構(gòu)方面差異也較大，在透射電鏡下，香荷芋有較多淀粉粒，而且比較大，顏色深，有較多淀粉粒積累，說明其光合作用碳循環(huán)效率較高[16]。檳榔芋類囊體膜堆疊程度高，而香荷芋類囊體膜堆疊較松散，雖然這一特征說明檳榔芋光合能力強(qiáng)，但是根據(jù)本文的結(jié)果可以看出，檳榔芋的光合能力要低于香荷芋，這說明影響光合能力強(qiáng)弱的不僅與類囊體堆疊形態(tài)有關(guān)，也與葉綠體數(shù)目、大小有關(guān)。香荷芋葉綠體體積大，這可能是導(dǎo)致其光合能力高的原因之一。

A、C、E：檳榔芋；B、D、F：香荷芋；Ch：葉綠體；SG：淀粉粒；Th：類囊體；TV：類囊體空泡

(A，C，E) ‘Binglang’; (B，D，F(xiàn)) ‘Xianghe’; Ch, chloroplast; SG, starch graule; Th, thylakoid; TV, thylakoid vacuoles

圖3 檳榔芋和香荷芋葉肉細(xì)胞葉綠體透射電子顯微鏡圖片

Figure 3 Transmission electron microscope images of the chloroplast of mesophyll cell of ‘Binglang’ and ‘Xinghe’

從實驗對比中可以看出，香荷芋的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和氣孔限制值都比檳榔芋高，表明了香荷芋的光合作用較強(qiáng)。當(dāng)氣孔小而密時，植株能有效控制葉片水分的散失，提高植株抗旱性[17]。檳榔芋葉片表面氣孔較小，有助于減少水分蒸發(fā)，而香荷芋氣孔較大，水分蒸騰快。曹陽等對不同品種的板栗進(jìn)行研究得出光合速率與葉綠素含量呈顯著相關(guān)性[18]，但是在李愛民等對墨蘭葉片的研究中[16]，又得出葉綠素含量與光合速率之間沒有正相關(guān)性。在本研究中，檳榔芋和香荷芋葉綠素含量無顯著差異，這說明葉綠素含量的差異可能不是造成光合速率差異的主要原因。

綜上所述，檳榔芋和香荷芋葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)和光合特性方面有較大差異。柵欄組織和海綿組織厚度大，細(xì)胞排列緊密度、氣孔大的芋(香荷芋)品種光合能力強(qiáng)；而葉綠體類囊體堆疊程度高、維管束發(fā)達(dá)的芋品種(檳榔芋)光合能力反而弱。因此我們可以得出：芋光合能力的高低是各類因素的綜合表現(xiàn)的結(jié)果，在不同品種間表現(xiàn)不一。