巴西橡膠樹5個(gè)主栽品種幼苗葉片的解剖結(jié)構(gòu)及光合特性研究

高新生 胡欣欣 李 廷 李維國 黃 肖

（1. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南 ?？?571101；2. 國家橡膠樹育種中心，海南 ?？?571101；3. 海南大學(xué)，海南 ?？?570228；4. 海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022）

在不同的光照強(qiáng)度下，植物通過長期的進(jìn)化，使自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)和其生理過程變得更加適應(yīng)外界環(huán)境，從而得到更好的發(fā)展。葉片作為植物進(jìn)行光合作用的主要器官以及植物進(jìn)行生命活動(dòng)的主要部位，其解剖結(jié)構(gòu)和生長都會(huì)隨著光環(huán)境的變化自發(fā)的發(fā)生適應(yīng)性的變化[1]。因此研究葉片的解剖結(jié)構(gòu)，探索其光合生理特性具有重要的科學(xué)和實(shí)踐價(jià)值。

王少先等[2]、廖文婷等[3]、索巍巍[4]研究表明，即使在同一環(huán)境下，不同的物種以及相同物種的不同品系間的光合速率均存在差異。巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis）作為原產(chǎn)于巴西亞馬遜河的高大喬木，在長期的栽培馴化過程中，其葉片結(jié)構(gòu)和光合特性具有與熱帶生境相匹配的特征[5-6]。而經(jīng)過多年品種選育，不同遺傳背景的品系、相同品系不同物候間的凈光合速率、光能利用率、水分利用率等均存在明顯的差異，如傳統(tǒng)主栽品種PB86、熱研8813等高產(chǎn)品系凈光合速率較高，部分抗寒品系則較低[7-8]；而作為反映植物光合作用與環(huán)境關(guān)系內(nèi)在探針的葉綠素?zé)晒夥矫嫜芯恳沧糇C了巴西橡膠樹品系間在光合潛能、光適應(yīng)能力方面存在較大差異[9-11]；胡耀華等[12]運(yùn)用光合模型從群體光合角度證實(shí)了不同基因型間光合總量存在差異和季節(jié)性波動(dòng)；同時(shí)，研究表明，巴西橡膠樹葉片凈光合速率的日變化是受到了非氣孔因素的存在，即“午休”現(xiàn)象的干擾，而影響葉片凈光合速率的主要生態(tài)因子是光合有效輻射和大氣相對(duì)濕度[13]，并且即使是同一基因型當(dāng)中，由于光照、溫度、土壤環(huán)境、農(nóng)藝措施等因子等的顯著不同，基因型與環(huán)境存在較強(qiáng)互作，導(dǎo)致其高、低產(chǎn)材料間光飽和點(diǎn)等重要光合特征參數(shù)也存在較大差異[14]。

植物葉片是其進(jìn)行光合作用的物質(zhì)載體，對(duì)環(huán)境因子變化敏感，且變異及可塑性較大，其海綿組織、柵欄組織、上下表皮的厚度等組織結(jié)構(gòu)的發(fā)育成熟程度對(duì)光合作用起著至關(guān)重要的作用。巴西橡膠樹中，不同品種間、同品種不同環(huán)境和不同倍性材料中葉片解剖結(jié)構(gòu)均存在著很大的差異，植物葉片厚度、柵欄組織、海綿組織等均會(huì)受到環(huán)境因子的影響而發(fā)生相應(yīng)的變化，對(duì)光照強(qiáng)度、抗逆性均存在不同適應(yīng)性[15-17]。但目前，對(duì)巴西橡膠樹特定品種如熱墾628等潛力主栽新品種葉片解剖結(jié)構(gòu)方面的研究基本未見報(bào)道，其對(duì)光合效能的具體影響仍有待進(jìn)一步明晰。

本研究對(duì)部分巴西橡膠樹主栽品種的葉片解剖結(jié)構(gòu)和光合生理相關(guān)因子進(jìn)行了觀測，旨在探索巴西橡膠樹主栽品種葉片結(jié)構(gòu)變化與光合生理特征的關(guān)系，為巴西橡膠樹高光效基因型篩選，抗逆品種選育與抗逆栽培技術(shù)研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與材料來源

試驗(yàn)地點(diǎn)位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院第九試驗(yàn)區(qū)（39°54′N，116°28′E），試區(qū)屬典型熱帶海島季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫21.5～28.5 ℃，全年日平均氣溫≥10 ℃，積溫為8 500～9 100 ℃；歷年平均降雨量為1 607 mm，主要分布在7—9月，占全年降雨量的70%以上。試區(qū)土壤為典型磚紅壤，層厚度約200 cm。

參試品種包括熱研106、熱墾628、IAN873、RRIM600和PR107共5個(gè)，均為我國當(dāng)前生產(chǎn)中重要栽培種。試驗(yàn)材料為1年生大田定植常規(guī)管理的幼苗，砧木為GT1種子苗。從品種類型看，PR107、RRIM600為傳統(tǒng)的高產(chǎn)和抗逆主栽品種，熱研106為早熟高產(chǎn)品種，熱墾628為膠木兼優(yōu)品種，IAN873為抗平流型寒害的中產(chǎn)品種。從系譜看，RRIM600為Tjir1和PB86雜交的品種，PR107為初生代無性系，熱研106與PR107，RRIM600親緣關(guān)系較近，IAN873與熱墾628親緣關(guān)系較近。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 葉片樣品采集

在2018年8月，每個(gè)參試無性系選擇非邊行的3株生勢一致健壯植株，每株選擇當(dāng)年生樹冠中上部外圍不同方位的向陽、健康、成熟的葉片12片，并分為4組，每組選定不同方向的3張葉片，分別用于光合特性、SPAD值、光合色素與葉片解剖特征觀測。

1.2.2 測定方法

光合特性測定利用Li-6400XT光合測定儀（Li-COR，美國），采用LED紅藍(lán)光源葉室，光合有效輻射（PAR）設(shè)置為1 500 μmol/(m2·s)，氣體流速設(shè)定為500 μmol/s，溫度25 ℃。于2017年8月（天氣晴朗）的9：00—11：00觀測，每隔3 d測定1次，共觀測3次取平均值，測定指標(biāo)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）等。水分利用效率（WUE）為瞬時(shí)凈光合速率與蒸騰速率的比值。葉肉瞬時(shí)羧化效率為瞬時(shí)凈光合速率與胞間二氧化碳的比值。

葉綠素含量的測定方法為95%乙醇提取法[18]。測定指標(biāo)有葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）、總?cè)~綠素（Chl）、總類胡蘿卜素（Car）、SPAD值。

葉解剖特征采用石蠟切片法（材料1.0 cm×0.5 cm，切片厚度為12 μm）[19]。觀測葉片厚度（LT）、上表皮厚度（UET）、下表皮厚度（LET）、柵欄組織厚度（PT）、海綿組織厚度（ST）、組織結(jié)構(gòu)緊密度（柵欄組織厚度與葉片厚度比值，PT/LT）、組織結(jié)構(gòu)疏松度（柵欄組織厚度與海綿組織厚度比值，PT/ST）、柵海比（ST/LT）、瞬時(shí)羧化效率（ICE）等指標(biāo)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用DPS V7.05和Excel V2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種葉片解剖結(jié)構(gòu)特征比較

從葉片解剖結(jié)構(gòu)看，品種間存在顯著差異（表1）。其中，葉片厚度在137.25～150.05 μm，上、下表皮厚度分別在9.75～13.32 μm、9.51～11.66 μm，RRIM600、IAN873葉片最厚，顯著厚于熱研106、熱墾628，其中熱研106最??；從上、下表皮厚度看，PR107、RRIM600最厚，熱研106最薄，熱墾628、IAN873介于中間。從柵欄、海綿組織看，RRIM600、IAN873最厚，熱墾628、熱研106最薄。柵海比介于0.93～1.15，RRIM600、IAN873與熱研106柵海比較大；而組織結(jié)構(gòu)疏松度、致密度分別介于0.40～0.44、0.41～0.45，其中RRIM600、IAN873、熱研106組織結(jié)構(gòu)致密度較高，而熱墾628致密度低。整體來看，RRIM600、IAN873不僅葉片厚，且致密度高，而PR107葉片厚度及致密度中等，熱墾628葉片厚度及致密度均較差，而熱研106雖然葉片最薄，但葉片致密度較高。

表 1 葉片解剖結(jié)構(gòu)的比較分析Table 1 Comparison of leaf anatomic characteristics

2.2 不同品種葉片光合氣體交換參數(shù)

由表2可知，品種間的凈光合速率為11.21～17.41 μmol/(m2·s)，其中最高與最低的品種分別為RRIM600與熱研106，且品種間存在極顯著差異，從蒸騰速率看，IAN873蒸騰速率較大，PR107蒸騰速率小，二者差異顯著；從二者比值所得的水分利用率看，結(jié)果基本與蒸騰速率結(jié)果相反，最高的為PR107，最低的為IAN873，二者間差異顯著。從氣孔導(dǎo)度看，PR107、RRIM600的氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度較高，極顯著高于熱研106，胞間CO2濃度結(jié)果與之相似。從葉肉瞬時(shí)羧化效率看，效率最高的是RRIM600，其次是IAN873，最低的是PR107，且彼此間存在著顯著差異。

表 2 不同品種葉片光合氣體交換參數(shù)Table 2 Comparison of gas exchange parameters among different clones

整體來看，凈光合速率較高，效率較高的品種有RRIM600、IAN873；而凈光合速率一般的品種為熱墾628、熱研106，品種對(duì)應(yīng)的氣孔導(dǎo)度較小，胞間二氧化碳含量也較低，說明凈光合速率低可能受到了氣孔因素限制。而對(duì)水分利用較好的品種有PR107、RRIM600，PR107則在氣孔開放與水分利用方面較為均衡，但羧化效率不高。

2.3 不同品種葉片光合色素差異

葉綠素在光合作用的光吸收中起到核心作用，SPAD值一般與葉綠素含量呈現(xiàn)正相關(guān)。本研究中，不同品種間，除熱墾628外，其余品種間葉綠素含量不存在顯著差異，而SPAD值間PR107顯著低于其他品種。其中，Chla、Chlb與Chl的范圍分別為1.67～2.02、1.14～2.11、2.92～4.13 mg/mL，其中熱墾628的Chl與Chla、Chlb含量明顯高于其他品種，而RRIM600、熱研106的Chl含量較低，但與其他品種基本不存在顯著差異。從Chla/Chlb值看，熱研106、IAN873較高，說明該品種可能對(duì)強(qiáng)光的利用較好，熱墾628比值最低，表征其可能對(duì)弱光的利用最好。Car范圍介于0.12～0.26 mg/mL間，但彼此間均差異不顯著。SPAD值范圍介于51.00～58.98之間，熱研106的SPAD值最高，顯著高于PR107和RRIM600，但與其他2個(gè)品種無顯著差異（表3）。整體來看，SPAD值與光合色素間的變化趨勢不盡一致。

表 3 不同品種光合色素含量和SPAD值Table 3 Camparision of photosynthetic pigment content and SPAD values among different clones

2.4 凈光合速率與葉片解剖結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析

由表4中可知，葉片凈光合速率（Pn）與PT，LT極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.676、0.721，與LET顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.561。在巴西橡膠樹的絕大多數(shù)葉片中，含葉綠素的葉綠體主要位于接近上表皮的柵欄組織中，海綿組織次之，因此Pn與PT相關(guān)性較強(qiáng)。氣孔則直接影響光合氣體交換的效率，而其主要集中在葉片下表皮，這可能導(dǎo)致了Pn與LET顯著相關(guān)。葉片由海綿組織、柵欄組織、下表皮和上表皮構(gòu)成也導(dǎo)致葉片與之的強(qiáng)相關(guān)性。

表 4 凈光合速率與葉片解剖特征的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between Pn and leaf anatomic characteristic

同時(shí)，本研究中的PT與ST/LT、PT/LT極顯著相關(guān)，與PT/ST極顯著負(fù)相關(guān)；ST/LT與PT/LT極顯著正相關(guān)，與 PT/ST顯著負(fù)相關(guān)，主要是由柵欄組織、海綿組織、柵海比、組織緊密度等指標(biāo)的定義與計(jì)算關(guān)系所決定的。

2.5 凈光合速率、葉綠素含量與SPAD值間的相關(guān)分析

由表5可知，Pn與葉綠素含量、SPAD值均無顯著相關(guān)性；Chla、Chlb與Chl含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，Chla與總類胡蘿卜素的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；葉片Chl含量與葉片總類胡蘿卜素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，而SPAD值與其他參數(shù)均無顯著相關(guān)性。

表 5 凈光合速率、光合色素與SPAD值間的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis among Pn, photosynthetic pigment content and SPAD value

3 結(jié)論與討論

巴西橡膠樹作為典型的熱帶作物，其葉片要兼顧實(shí)現(xiàn)較高的蒸騰速率、營養(yǎng)與水分的運(yùn)輸功能。從葉片看，為異面型葉，葉片表皮均由單層細(xì)胞構(gòu)成，上表皮外被角質(zhì)層，下表皮外被單細(xì)胞非腺毛，上、下表皮細(xì)胞為不規(guī)則的扁長方形，排列緊密。靠近上表皮的柵欄組織細(xì)胞為長柱狀，細(xì)胞分層，胞間隙較??；海綿組織細(xì)胞位于柵欄組織和下表皮之間，多為短柱狀或橢球形，相互連接成網(wǎng)。本研究中，各品種的上表皮厚度均高于下表皮。一般而言，植物葉片結(jié)構(gòu)與植株光合能力、抗性等密切相關(guān)。上表皮較厚，有利于避免強(qiáng)光對(duì)葉肉細(xì)胞的灼傷，下表皮較薄有利于植株進(jìn)行氣體交換。而植物葉片柵欄與海綿組織的分化程度（組織結(jié)構(gòu)致密度）和水分利用率是反映作物適宜強(qiáng)光照射程度等重要參考指標(biāo)[20]。本研究中，凈光合速率與柵欄組織厚度極顯著相關(guān)，也支持這一結(jié)論。在葉片中，如果柵欄組織發(fā)達(dá)、細(xì)胞層數(shù)增加而體積減小，海綿組織則相對(duì)減少、細(xì)胞間隙減小，一方面表征了葉片涵養(yǎng)水分潛力越大，是植物對(duì)水分短缺的一種響應(yīng)，能更好的應(yīng)對(duì)干旱的脅迫[21]；另一方面，高度發(fā)達(dá)的柵欄組織既可避免葉肉組織受到強(qiáng)光灼傷，又可最大限度利用衍射光進(jìn)行光合作用，也可增加水分從維管束到表皮間的運(yùn)輸效率，保證光合作用對(duì)水分的需求，從而提高葉片的光合效率[22]。

本研究中，從葉片解剖結(jié)構(gòu)看，RRIM600的葉片厚度、柵海比均較高，表明其具備較強(qiáng)的對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力。而IAN873的葉片厚度，上表皮、柵欄組織厚度基本顯著高于PR107、熱研106和熱墾628，說明其光合潛力較大，對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性概率更好。從光合性狀看，品種間光合速率存在較大的差異，其中RRIM600的最大凈光合速率及羧化效率較高，顯著高于熱研106等品種；品種間的水分利用率也存在較大差異，RRIM600、PR107對(duì)水分的利用率較高，蒸騰速率和氣體交換方面較為均衡，品種間光合能力、水分利用率（WUE）的較大差異也為后續(xù)高光效與高水分利用率品種改良提供了遺傳基礎(chǔ)。同時(shí)，品種凈光合速率除了與柵欄組織厚度，葉片厚度極顯著相關(guān)外，與下表皮厚度也顯著相關(guān)。因此，葉片柵欄組織發(fā)達(dá)，葉片較厚尤其是下表皮較厚的品種光合能力可能較強(qiáng)。

光合色素是光合作用的基礎(chǔ)，其含量直接影響著光合作用速率，是反映光合強(qiáng)度的重要指標(biāo)。在本研究中，凈光合速率與葉綠素含量、SPAD值均無相關(guān)性，而葉片Chl含量與Chlb含量顯著性更強(qiáng)。一些報(bào)道認(rèn)為，相當(dāng)多的植物葉片在正常情況下均含有充足的甚至過剩的葉綠素，當(dāng)葉綠素含量超過某一閾值后，含量高低與凈光合速率不存在必然相關(guān)[23-24]，巴西橡膠樹作為熱帶常綠喬木，葉色濃綠，本研究幾個(gè)品種葉片的葉綠素含量主要介于3～4之間，而艾天成等[25]在研究不同作物葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性研究中，水稻、棉花、高粱等的葉綠素含量則分別最高值分別為3.4、2.0和2.6，推測葉綠素含量充足可能是本研究中凈光合速率與葉綠素含量不具顯著相關(guān)性的重要原因。

本試驗(yàn)以熱研106，熱墾628等5個(gè)當(dāng)前生產(chǎn)中的主栽品種幼苗為參試材料，系統(tǒng)觀測了其光合參數(shù)與葉片解剖特征，探討葉片結(jié)構(gòu)對(duì)光合生理的影響。結(jié)果表明，不同品種間葉片解剖結(jié)構(gòu)、光合參數(shù)及光合色素之間均存在著顯著差異，相關(guān)分析表明，凈光合速率與葉片厚度、柵欄組織厚度極顯著相關(guān)，與葉綠素不顯著相關(guān)。巴西橡膠樹葉片厚度，柵欄組織的厚度等可作為篩選高光效基因型的重要參考指標(biāo)。從品種來看，IAN873、PR107、RRIM600葉片較厚，柵欄組織發(fā)達(dá)，光合能力與水分利用率較強(qiáng)，RRIM600的組織致密度與水分利用率均較高。本研究為以葉片解剖特征輔助評(píng)價(jià)不同品系光合特性及水分脅迫逆境等的適應(yīng)能力提供了依據(jù)，也為參試品種的配套栽培技術(shù)研發(fā)提供了參考。