香梨果實(shí)維管束發(fā)育與石細(xì)胞關(guān)系的解剖學(xué)研究

任丹丹，張 倩，王 睿，包建平,2,3*

（1 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 843300；3 南疆特色果樹高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 843300）

‘庫(kù)爾勒香梨’（Pyrus sinkiangensis Yu）簡(jiǎn)稱‘香梨’，屬于薔薇科梨屬，以皮薄、肉脆、汁多、味甜、酥香、爽口、耐儲(chǔ)藏、營(yíng)養(yǎng)豐富等特點(diǎn)馳名中外，是新疆的主栽品種[1]。石細(xì)胞對(duì)梨果實(shí)品質(zhì)起著至關(guān)重要作用，其含量增加、體積增大均會(huì)導(dǎo)致果肉粗糙，口感多渣，含糖量降低，甚至果肉變硬[2-3]。

梨果實(shí)中存在著呈網(wǎng)狀分布的維管束，是一個(gè)相互連通的重要輸導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)形成有重要作用。前人于20 世紀(jì)40 年代便運(yùn)用染料示蹤法進(jìn)行植物維管束的研究，Kunmazawa[4]利用堿性品紅觀察玉米維管束分布；邊媛等[5]通過紅墨水染色法觀察棗果實(shí)維管束的分布情況。維管束是果實(shí)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，同時(shí)會(huì)影響果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)形成[6]。水稻谷粒充實(shí)率會(huì)隨著穗頸節(jié)間維管束增加而變大，單穗重也會(huì)有一定程度的增加[7]。Guo 等[8]利用石蠟切片的方法對(duì)獼猴桃果實(shí)維管束的發(fā)育情況及解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)獼猴桃具有周韌型維管束，維管束為適應(yīng)果實(shí)膨大生長(zhǎng)，其形狀隨果實(shí)發(fā)育由近圓形變成長(zhǎng)圓形?！畮?kù)爾勒香梨’作為一種深受大眾喜愛的水果，在果實(shí)品質(zhì)方面已有大量的研究，而關(guān)于果實(shí)維管束分布和形態(tài)方面的研究較少，且目前未有關(guān)于探討維管束與石細(xì)胞關(guān)系的研究。本試驗(yàn)以‘庫(kù)爾勒香梨’為試材，比較分析‘庫(kù)爾勒香梨’果實(shí)各個(gè)發(fā)育時(shí)期的維管束和石細(xì)胞性狀，探討‘庫(kù)爾勒香梨’果實(shí)石細(xì)胞發(fā)育與維管束發(fā)育變化之間的關(guān)系。旨在通過理論實(shí)驗(yàn)，找到‘庫(kù)爾勒香梨’維管束和石細(xì)胞之間的關(guān)系，從而為生產(chǎn)上減少‘庫(kù)爾勒香梨’石細(xì)胞數(shù)目和體積提高果實(shí)品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)設(shè)在塔里木大學(xué)行政樓西側(cè)梨園，供試材料為13 年生的‘庫(kù)爾勒香梨’，果園常規(guī)管理。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

于2019 年4 月，盛花期后15d、36d、81d、110d 及145d，隨機(jī)選擇‘庫(kù)爾勒香梨’樹東面外圍果實(shí)進(jìn)行采樣，每次脫萼果和宿萼果各采60 個(gè)，定期采樣至果實(shí)成熟。除部分新鮮果實(shí)直接用于墨水染色外，其余果實(shí)用于石細(xì)胞分析。

1.2.1 維管束和石細(xì)胞在梨果實(shí)中的分布情況。分別選取‘庫(kù)爾勒香梨’脫萼果和宿萼果各20 個(gè)，剪去果梗部分末端，插入藍(lán)墨水中染色24h，果實(shí)縱切，分析維管束在梨果實(shí)中分布情況；將被藍(lán)墨水染色的果實(shí)縱切，果肉表面滴濃鹽酸，隨后將5%間苯三酚滴在果實(shí)縱切面，染色1～2 min，使間苯三酚和木質(zhì)素在酸性環(huán)境下發(fā)生櫻紅色反應(yīng)，分析石細(xì)胞在梨果實(shí)中分布情況；通過徒手切片取萼端染紅色部分，顯微鏡下觀察香梨果實(shí)維管束和石細(xì)胞的分布情況，分析二者關(guān)系。

1.2.2 維管束與石細(xì)胞的相連情況。隨機(jī)選取‘庫(kù)爾勒香梨’脫萼果、宿萼果各10 個(gè)，取萼端切5mm×5mm×2mm 的小塊（取材部位同上），用FAA 固定液固定。參照楊虎彪等[9]和張珺等[10]的方法，選取固定材料制作石蠟切片，番紅-固綠二重染色，中性樹膠封固后用奧林帕斯顯微鏡BX50F-3 進(jìn)行觀察維管束和石細(xì)胞相連情況。

1.2.3 石細(xì)胞分級(jí)。隨機(jī)選取‘庫(kù)爾勒香梨’將脫萼果、宿萼果各30 個(gè)放入冰箱冷凍24h，取萼端果肉5g，用榨汁機(jī)分離石細(xì)胞，分離出的石細(xì)胞烘干[11]，并利用不同目篩對(duì)石細(xì)胞分級(jí)，計(jì)算石細(xì)胞粒徑比。

1.2.4 維管束半徑、周長(zhǎng)、面積與石細(xì)胞大小的關(guān)系。利用上述試驗(yàn)完成的石蠟切片，在顯微鏡導(dǎo)入電腦的圖像中，利用軟件MvImagevt 測(cè)量維管束的半徑、周長(zhǎng)、面積。測(cè)量維管束的橫截面積和石細(xì)胞的大小，從而通過數(shù)據(jù)得到二者的相關(guān)性，分析二者關(guān)系。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用奧林帕斯顯微鏡BX50F-3 進(jìn)行觀察拍照以及數(shù)據(jù)的測(cè)量，并用MvImagevt 軟件測(cè)量石細(xì)胞面積、維管束半徑和數(shù)量。試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel2003 進(jìn)行處理與作圖，使用DPS 7.05 數(shù)據(jù)處理軟件顯著性分析、相關(guān)性分析等。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 發(fā)育時(shí)期對(duì)梨果實(shí)維管束、石細(xì)胞分布和相連情況的影響

從不同發(fā)育時(shí)期果實(shí)維管束中染料運(yùn)輸與分布來看，香梨脫萼果與宿萼果果實(shí)維管束染色范圍最大的時(shí)期均為盛花期后36d 與81d（圖1-B 和C，圖2-B 和C），果實(shí)果梗處維管束被深度染色，盛花期后81d 和145d 的維管束染色范圍較小，顏色較淺。此外，果梗與果萼處呈現(xiàn)兩端石細(xì)胞多、中間少的現(xiàn)象，且越靠近果梗，可被染色為維管束數(shù)目越多，越靠近萼端處可被染色的維管束越少，且隨著果實(shí)發(fā)育萼端可被染色的維管束和石細(xì)胞越少。

由徒手切片和石蠟切片可知，無論是脫萼果還是宿萼果，石細(xì)胞周圍均有3～8 個(gè)維管束相連。在盛花期81d 后，可被染色的石細(xì)胞逐漸減少。隨著果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育，維管束周圍的石細(xì)胞含量越多，分布越密集，離維管束越近，體積越大。

2.2 果實(shí)發(fā)育過程中維管束半徑、面積與周長(zhǎng)變化情況

從圖3 可以看出，隨著果實(shí)發(fā)育，宿萼果的維管束半徑出現(xiàn)先下降再上升，再于盛花期后81d 又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且在盛花期后81d 維管束半徑達(dá)到峰值；而脫萼果的維管束半徑出現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)，但是同樣在盛花期后81d 達(dá)到維管束半徑最大值。脫萼果與宿萼果不同的是，兩者維管束半徑的最小值出現(xiàn)時(shí)期不同，脫萼果于盛花期后36d 出現(xiàn)最低值，為1.7724μm，宿萼果于盛花期后110d 出現(xiàn)最低值，為1.7301μm。

從圖4、5 可以發(fā)現(xiàn)，脫萼果維管束面積與周長(zhǎng)均呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，宿萼果維管束面積與周長(zhǎng)呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，總體上得出維管束的面積、周長(zhǎng)的變化趨勢(shì)相反。盛花期后15d、110d、145d 時(shí)，脫萼果維管束面積小于宿萼果維管束面積，分別相差 5.21μm、5.39μm、0.84μm；而盛花期后36～81d 脫萼果維管束面積大于宿萼果。脫萼果與宿萼果維管束周長(zhǎng)相比較的結(jié)果與維管束面積的比較結(jié)果相似，不同在于盛花期后145d 脫萼果維管束周長(zhǎng)大于宿萼果，與維管束面積比較結(jié)果相反。

2.3 果實(shí)發(fā)育過程中不同等級(jí)石細(xì)胞變化情況

從圖6 整體上可以看出，香梨石細(xì)胞的重量在盛花期15～36d 呈增加趨勢(shì)。在盛花期15d 時(shí)后，香梨石細(xì)胞重量不到0.1g，脫萼果0.105～0.2mm 的石細(xì)胞明顯多于宿萼果，＜0.2mm 的石細(xì)胞重量低于宿萼果的石細(xì)胞。在盛花期36d 時(shí)，石細(xì)胞的重量相較于盛花期15d 明顯增加，然而此時(shí)的脫萼果0.105～0.2mm 石細(xì)胞重量小于宿萼果。盛花期后81d～145d，香梨石細(xì)胞重量逐漸減小。在盛花期81d，脫萼果＞0.78mm 石細(xì)胞重量低于宿萼果，0.45～0.5mm 的石細(xì)胞重量高于宿萼果；在盛花期后110d，脫萼果與宿萼果不同等級(jí)的石細(xì)胞重量相近，不同等級(jí)之間最多的為＞0.78mm 的石細(xì)胞；在盛花期后145d，即果實(shí)成熟時(shí)，＞0.78mm的脫萼果石細(xì)胞重量相較于110d 減少，宿萼果石細(xì)胞重量增加。

2.4 果實(shí)發(fā)育過程中石細(xì)胞面積變化情況

從圖7 可以看出，香梨石細(xì)胞面積呈先上升后下降的趨勢(shì)，在盛花期后81d 出現(xiàn)峰值，脫萼果與宿萼果石細(xì)胞面積分別達(dá)到2.1620μm2、2.1911μm2，說明在盛花期后的15d、36d、81d 內(nèi)，是石細(xì)胞的發(fā)育時(shí)期，其中脫萼果表現(xiàn)的最為明顯，在盛花期81d 后，石細(xì)胞發(fā)育較為緩慢，且石細(xì)胞整體有變小的趨勢(shì)。說明在盛花期后81d，是石細(xì)胞發(fā)育的臨界期，在其前后石細(xì)胞都相對(duì)較小。

2.5 石細(xì)胞和維管束半徑、周長(zhǎng)、面積的相關(guān)性分析

由表1 可知，宿萼果在果實(shí)發(fā)育的不同時(shí)期，石細(xì)胞面積和與其相連的維管束周長(zhǎng)顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.85，脫萼果在果實(shí)發(fā)育不同時(shí)期石細(xì)胞面積和維管束半徑呈無顯著相關(guān)性。

表1 宿萼果、脫萼果石細(xì)胞面積和維管束半徑的相關(guān)性分析

3 討論

果實(shí)維管束群是果實(shí)內(nèi)水分、無機(jī)鹽及有機(jī)物質(zhì)的重要輸導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)形成有重要作用。謝兆森等[12]研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)莓果實(shí)第1 次快速生長(zhǎng)期的維管束染色范圍最廣，從果實(shí)進(jìn)入第2 次快速生長(zhǎng)期后，果實(shí)維管束染色范圍下降，同時(shí)整個(gè)發(fā)育過程中維管束結(jié)構(gòu)保持完整。王艷芳等[13]研究發(fā)現(xiàn)，蘋果果實(shí)幼果期各類維管束系統(tǒng)連成一體，且形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，水分運(yùn)輸速率最高，染色范圍分布最廣；成熟期果實(shí)萼片處膨大的細(xì)胞將維管束擠壓變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，染液在梗洼處大量積聚。這與本研究結(jié)果一致，本研究通過藍(lán)墨水染色研究發(fā)現(xiàn)，盛花期后15d、36d、81d 維管束都可以被墨水較為清晰地染色，而盛花期110d、145d 只有果梗部位的維管束能被墨水染色，果實(shí)內(nèi)部維管束無法被染色。本研究還發(fā)現(xiàn)，所有靠近果心的石細(xì)胞都和果心外圍的維管束相連，單個(gè)石細(xì)胞都有3～8 條維管束相連，石細(xì)胞團(tuán)周圍都有數(shù)量不同的維管束相連。

不同品種梨的石細(xì)胞團(tuán)含量增加的速度和比例不同，其含量高峰出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)不同，早熟品種較早，如保利阿斯卡、早酥；中晚熟品種較晚，如博多青、鴨梨等[14]。本研究表明，在香梨果實(shí)盛花期后81d 達(dá)到石細(xì)胞含量最大值。艾沙江·買買提等[15]得出石細(xì)胞含量在花后50d 達(dá)到含量最大值，與本研究結(jié)果存在差異，這與兩者的實(shí)驗(yàn)方案不同有一定關(guān)系，艾沙江等[15]試驗(yàn)中花期時(shí)間未明確，與本試驗(yàn)可能存在差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在差異。

維管束是由木質(zhì)部和韌皮部成束狀排列并相互連接構(gòu)成的維管系統(tǒng)，主要作用是為植物體運(yùn)輸水分、無機(jī)鹽和有機(jī)養(yǎng)料等，也有支持植物體的作用。尚莉莉等[16]研究表明，毛竹維管束的面積為0.0383～0.2462mm2，平均值為0.1555mm2；導(dǎo)管孔的面積為0～0.0585mm2，平均值為0.022mm2；與本研究結(jié)果基本一致，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，和所有石細(xì)胞相連的維管束面積的平均值分布在1385～2507μm2之間；黎靜等[17]研究表明，纖維鞘總面積在隨竹環(huán)位置的變化規(guī)律與竹環(huán)面積的變化趨勢(shì)相近；聶佩顯等[18]研究發(fā)現(xiàn)，棗果實(shí)維管束面積在II 期迅速增加，在I 期和III期變化較小，而棗果實(shí)在I 期和III 期快速生長(zhǎng)發(fā)育，而在II 期生長(zhǎng)緩慢，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明維管束的面積于盛花期后81d 達(dá)到最大值，隨果實(shí)后期發(fā)育呈減小的趨勢(shì)，但增大的過程很慢且有面積達(dá)到最大值的發(fā)育時(shí)期，但毛竹和香梨果實(shí)的維管束是否具有相關(guān)性有待商榷。

綜上所述，本研究通過染料示蹤法揭示了‘庫(kù)爾勒香梨’不同發(fā)育時(shí)期維管束水分運(yùn)輸狀況，從解剖結(jié)構(gòu)觀察上進(jìn)一步研究表明，香梨維管束發(fā)育時(shí)期維管束結(jié)構(gòu)一直保持完整，并且果實(shí)石細(xì)胞與維管束之間存在一定的聯(lián)系，兩者之間產(chǎn)生聯(lián)系的原因可能是維管束與石細(xì)胞存在一定的連接，維管束的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸或者生理代謝引起果實(shí)石細(xì)胞的變化，但是兩者之間的具體的生理機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究。