基于當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)的扁桃品種栓塞抗性分析

木巴熱克·阿尤普，楊 波，艾沙江·買買提，龔 鵬，郭春苗

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝作物研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

木質(zhì)部栓塞是木本植物在干旱環(huán)境下遭受水分脅迫時產(chǎn)生的木質(zhì)部導(dǎo)管輸水功能的障礙[1]。眾多研究表明，植物的抗旱性與其木質(zhì)部栓塞特性有關(guān)，樹體的抗旱性在一定程度上可以由其栓塞抗性或栓塞修復(fù)能力所決定[1-2]，因此認(rèn)為木質(zhì)部抗栓塞能力和栓塞修復(fù)能力可以作為植物抗旱性鑒定指標(biāo)之一。植物木質(zhì)部栓塞形成是與木質(zhì)部水柱張力的大小和木材理化性質(zhì)有關(guān)的非生物過程[3-4]。對木本被子植物而言，抗栓塞能力強(qiáng)的植物木質(zhì)部一般具有導(dǎo)管直徑偏小、木材密度高、導(dǎo)管壁厚等解剖結(jié)構(gòu)特征。

扁桃(Amygdaluscommunis)，又名巴旦姆，屬于薔薇科李亞科桃屬扁桃亞屬植物，是世界著名堅果和珍貴的經(jīng)濟(jì)林樹種，同時具有良好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價值[5-6]。我國栽培種植面積95%以上集中分布在南疆喀什地區(qū)(莎車縣為中心)。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，截至2019年，我國扁桃種植總面積6.3萬hm2，總產(chǎn)量(帶殼)約4.3萬t，占世界扁桃總產(chǎn)量的3.3%[7]。扁桃原產(chǎn)于干旱的中亞山地，其眾多栽培品種按近代分布起源可分為地中海類群和中亞類群等2個生態(tài)類群，而這2種生態(tài)類群均具有夏季干燥炎熱的夏干特征，因此而形成扁桃抗旱、耐熱等抗性特點[5]。

樹體抗性強(qiáng)、矮化是扁桃品種選育的目標(biāo)之一[5]。目前，國內(nèi)外扁桃抗旱性研究主要集中在蒙古扁桃(Amygdalusmongolica)、野生扁桃(A.ledebouriana)和長柄扁桃(A.pedunculata)等種類的耐旱生理及分子機(jī)理[8-9]，或者幾種扁桃品種或砧木[10-12]在干旱脅迫下形態(tài)和生理指標(biāo)的變化方面，在扁桃木質(zhì)部結(jié)構(gòu)及栓塞特性方面的研究報告較少。H.Cochardetal[2]對薔薇科李亞科10種不同果樹的莖木質(zhì)部抗栓塞能力和抗旱性之間關(guān)系的研究表明，扁桃、杏子(Armeniacavulgaris)等樹種的抗栓塞能力比其他果樹要高(P50值<-6 MPa)，抗旱性也較強(qiáng)。關(guān)于我國扁桃栽培品種資源(新疆地方品種和美國引進(jìn)品種)當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)特征上的差異性，以及從當(dāng)年生枝木質(zhì)部結(jié)構(gòu)特征角度探究其品種的栓塞抗性方面研究目前尚未見報道。

本研究以9個扁桃栽培品種為試材，解析當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)特征，并對不同品種的栓塞抗性進(jìn)行初步評估，為了解扁桃木質(zhì)部適應(yīng)干旱脅迫的對策，以及為今后核果類果樹分子設(shè)計育種提供抗旱材料有一定的理論意義和應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料分別采自新疆喀什地區(qū)莎車縣英吾斯塘鄉(xiāng)扁桃示范園和阿熱斯蘭巴格鄉(xiāng)美國扁桃品種保存圃。該試驗區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，氣候干燥，日照時間長，占全年日照數(shù)的67%，年均氣溫12.3℃，年均降水量56.6 mm，年均蒸發(fā)量2 259 mm[13]。供試材料的樹齡約20 a，均以毛桃為砧，生長良好。于2017年6月29日-31日分別采集5個新疆地方栽培品種(紙皮(S1)、大巴旦(S3)、雙軟(S9)、雙果(S12)、葉爾羌(S14))和4個美國引種品種Nonpareil(M1)、Sonora(M2)、Thompson(M7)、Ne Pulusultera(M8)的當(dāng)年生枝。采樣時，首先對每一個品種選取長勢、樹齡相近的3株，在每株樹冠中部向陽方向剪取當(dāng)年生枝(直徑2.2～2.8 mm)10枝，在其從基部往上數(shù)第4～5間節(jié)部分取1個節(jié)間(1.5～2 cm)。樣品再從節(jié)間兩邊剪去0.5 cm，用自來水沖洗后放入FAA固定液(70%酒精∶冰醋酸∶甲醛=90∶5∶5，v/v)中保存。每品種隨機(jī)選取4～5個樣品制作石蠟切片。

1.2 測量指標(biāo)與方法

1.2.1 木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)及測量方法 對扁桃當(dāng)年生枝樣品進(jìn)行石蠟切片(切片厚度8～10 μm)，用番紅(1%)-固綠對染(1%)，每個品種重復(fù)4～5個樣品。采用光學(xué)顯微鏡(Olympus,BX51,Japan)進(jìn)行觀察拍照(Olympus DP 70,Japan)。用Image-J 圖像處理軟件對其進(jìn)行測量分析。

注:放大倍數(shù)：所有當(dāng)年生枝木質(zhì)部橫切面圖的為4X，比例尺：50 μm；木質(zhì)部導(dǎo)管壁厚(Tvw)圖為100X,比例尺：10 μm；V:vessel,導(dǎo)管。圖1 扁桃不同品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部橫切面光學(xué)顯微鏡圖Fig.1 Cross sectional light microscopy images of the current-year shoot anatomical structure of almond different cultivars

1.2.2 木材密度(wood density,WD)的測量方法 參考U.G.Hackeetal[15]和李榮等[16]的方法，即每個當(dāng)年生枝從基部往上數(shù)第5～6間節(jié)(第4～5間節(jié)用作石蠟切片)(1.5～2 cm)，測定枝段干質(zhì)量和鮮體積，則木材密度(WD) = 干質(zhì)量/鮮體積，每個品種8～10個當(dāng)年生枝的木材密度平均值即為每品種的平均木材密度。

1.3 當(dāng)年生枝木質(zhì)部抗栓塞能力評價結(jié)構(gòu)指標(biāo)的選取

相關(guān)研究結(jié)果顯示，木本植物莖的木材密度(WD)[15-21]、導(dǎo)管直徑(D、Dh)和導(dǎo)管密度(VD)[16,18,21-23]、導(dǎo)管的空間分布(VG,VS)[24-29]及導(dǎo)管壁厚度特征(Tvw、Tvw/D連接導(dǎo)管)2[2,27,30-32]均與其木質(zhì)部的抗栓塞能力(P50值)相關(guān)。木質(zhì)部高抗栓塞植物的木材密度高、相互連接的導(dǎo)管壁厚、導(dǎo)管壁理論機(jī)械強(qiáng)度值和單導(dǎo)管指數(shù)高。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖。各項指標(biāo)在不同品種或不同生態(tài)類群間的差異性和各項指標(biāo)間的關(guān)系分別采用SPSS 19.0的ANOVA過程、LSD多種比較和Pearson相關(guān)分析來完成；運用SPSS 19.0 Fuzzy數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法[33]對9個扁桃栽培品種當(dāng)年生枝的栓塞抗性能力進(jìn)行評價。根據(jù)公式[34]，計算各項解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值，用平均隸屬函數(shù)值的大小初步評價扁桃不同品種當(dāng)年生枝的栓塞抗性，隸屬函數(shù)值越大，抗栓塞能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同扁桃品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)差異性

方差分析結(jié)果表明，不同品種扁桃當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)間存在不同程度的差異性(P<0.05)(表1)。品種S3、M7和M8的木材密度最高(WD，0.49～0.50 g·cm-3)，而S9、S12和S14的為最低(0.4～0.42 g·cm-3)；導(dǎo)管直徑(D)的變化范圍為12.9～20.4 μm，其中以S12最大，其次是S1、S3、S14、M8，最小是S9；品種S9的導(dǎo)管密度值為最高(1 596±281 N·mm-2)，S3的最低(464±34.3 N·mm-2)，其他品種均為570～728 N·mm-2；單導(dǎo)管指數(shù)(VS)的變化范圍為0.54～0.75，其中4個美國引進(jìn)品種(M1、M2、M7、M8)的VS值均比較高，都在0.71～0.75，其次是S1、S3、S14，最低是S9和S12；相鄰導(dǎo)管壁厚度(Tvw)在4.4～5.3 μm，差異較小，且S1的最高，其次是M8，其他品種為4.4～4.7 μm；導(dǎo)管壁理論機(jī)械強(qiáng)度值(Tvw/D連接導(dǎo)管)2在品種之間的差異最小，除了品種S3(0.034±0.003)之外，其他品種均在0.021～0.027，差異不顯著(P>0.05)。

新疆地方品種和美國引進(jìn)品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間有顯著性差異(P<0.05)(表1)，即地中海類群扁桃品種的WD比中亞類群扁桃的高(美國0.46±0.01 g·cm-3、新疆地方0.43±0.01 g·cm-3)、D值小(15±0.1、17±0.3 μm)、VD值低(632±20、803±48 N·mm-2)、單導(dǎo)管指數(shù)高(VS,0.73±0.01、0.63±0.01)，但在相鄰連接導(dǎo)管壁厚度(Tvw)和(Tvw/D連接導(dǎo)管)2指標(biāo)之間沒有呈顯著性差異(P>0.05)(表1，圖1)。從木質(zhì)部導(dǎo)管徑級的分布來看，新疆地方品種的直徑為5～25 μm的導(dǎo)管數(shù)量占總導(dǎo)管數(shù)量的比例為70%～96%，而美國引進(jìn)品種的占比為83%～89%，說明當(dāng)年生枝木質(zhì)部導(dǎo)管徑級的分布比例在地方品種間的變異程度較大，而其在美國品種的較小，導(dǎo)管徑級分布比率較均勻(圖2)。

圖2 扁桃不同品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部導(dǎo)管直徑分布比例Fig.2 Current-year shoot xylem vessel diameter distribution ratio of Almond different cultivars

表1 扁桃不同品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)之間的差異性Table 1 Differences in the xylem anatomical structures of current year shoot of different almond Cultivars

2.2 基于隸屬函數(shù)的扁桃主栽品種栓塞抗性能力的初步評價

共獲取8項與木質(zhì)部栓塞抗性相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)，各指標(biāo)在品種間的差異性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，變異系數(shù)為5.58%～44.66%，說明這8項指標(biāo)對9個扁桃品種均具有較高靈敏度和代表性。應(yīng)用隸屬函數(shù)法對9個品種的當(dāng)年生枝木質(zhì)部抗栓塞能力進(jìn)行了綜合評價(表2)。平均隸屬函數(shù)值越大表明抗栓塞能力越強(qiáng)，9個品種當(dāng)年生枝的抗栓塞能力由大到小排序為S3>M7>M2>M1>M8>S14>S1>S9>S12(表2)。

從不同生態(tài)類群來看，地中海類群品種的平均隸屬函數(shù)值為0.613，高于中亞類群(0.574)，說明美國引進(jìn)扁桃品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部栓塞抗性比新疆地方品種強(qiáng)(表2)。

表2 基于隸屬函數(shù)的扁桃9個品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部栓塞抗性綜合評分值及排序Table 2 Subordinate function values of 9 Almond varieties and comprehensive appraisal on xylem cavitation resistance

3 結(jié)論與討論

不同生態(tài)類群扁桃品種在當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)上存在顯著差異。地中海類群扁桃木質(zhì)部木材密度和單導(dǎo)管指數(shù)均比中亞類群高，而導(dǎo)管直徑和導(dǎo)管密度比其低。從當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)角度來看，地中海類群-美國扁桃品種的栓塞抗性能力較高，而中亞類群-新疆地方品種的栓塞抗性較低(除S3以外)；新疆地方品種S3、美國品種M7、M2、M1、M8的栓塞抗性較強(qiáng)(平均隸屬函數(shù)值均在0.60～0.65)，而新疆地方品種S14、S1、S12和S9的抗栓塞能力最低(0.49～0.58)。

栓塞的形成是與木質(zhì)部水柱張力的大小和木材理化性質(zhì)有關(guān)的非生物過程[3-4]，本研究發(fā)現(xiàn)，扁桃當(dāng)年生枝木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)特征在地方品種之間變異較大，而其在美國品種之間的差異較小。前期的研究中發(fā)現(xiàn)，新疆地方品種和美國品種扁桃在葉片的組織結(jié)構(gòu)上也有相似的變化[6]。

目前，在植物木質(zhì)部栓塞特性研究中，被公認(rèn)的抗栓塞能力相關(guān)指標(biāo)包括木質(zhì)部導(dǎo)管大小、相鄰連接導(dǎo)管壁厚度及理論機(jī)械強(qiáng)度、木材密度等。但導(dǎo)管空間分布特征與栓塞抗性的關(guān)系方面的研究較少，結(jié)論也不一致。部分學(xué)者認(rèn)為，相對于單導(dǎo)管，栓塞在導(dǎo)管團(tuán)(grouped vessels)內(nèi)更容易被消除[31,33,35-36]；也有學(xué)者認(rèn)為，隨著導(dǎo)管間接觸面積的增大，栓塞在導(dǎo)管團(tuán)內(nèi)的擴(kuò)展速度會加快，從而降低其木質(zhì)部的抗栓塞能力[24-29]。A.Scholzetal[37]的研究表明，薔薇科李亞科10種不同果樹中栓塞抗性高樹種的單導(dǎo)管數(shù)量比例也高。木本植物莖的木材密度越高木質(zhì)部抗栓塞能力越強(qiáng)[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，扁桃當(dāng)年生枝木材密度與單導(dǎo)管指數(shù)呈顯著正相關(guān)(r=0.670，P<0.05)，因此，本研究支持第2種假設(shè)，即木質(zhì)部單導(dǎo)管數(shù)量越多，栓塞在導(dǎo)管間不易擴(kuò)散，其木質(zhì)部抗栓塞能力也越強(qiáng)。美國引進(jìn)扁桃品種當(dāng)年生枝木質(zhì)部具有木材密度高、導(dǎo)管直徑小、導(dǎo)管密度低、單獨分布的導(dǎo)管數(shù)量多而導(dǎo)管徑級分布比例較均勻等高抗栓塞植物具有的結(jié)構(gòu)特征，而新疆地方扁桃(除S3以外)表現(xiàn)為木材密度較低、導(dǎo)管直徑偏大、導(dǎo)管密度高和單導(dǎo)管指數(shù)偏低等抗栓塞能力較弱植物的木質(zhì)部結(jié)構(gòu)特征。

新疆地方品種和美國引進(jìn)品種木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)及栓塞抗性差異的主要原因之一可能是兩地氣候特征的差異性導(dǎo)致的。我國扁桃主產(chǎn)區(qū)喀什地區(qū)是典型的夏季炎熱、冬季嚴(yán)寒(極端低溫為-24.1℃)、降雨少的暖溫帶大陸性干旱氣候，而美國加州扁桃主產(chǎn)區(qū)是夏季炎熱干燥、冬季溫和多雨(冬季氣溫很少低于0℃)，屬于地中海氣候類型[5]。因此可以推測美國品種抗栓塞能力較強(qiáng)，干旱條件下不容易發(fā)生栓塞。而新疆地方品種(除S3以外)木質(zhì)部在干旱脅迫條件下較容易發(fā)生栓塞，但其木質(zhì)部可能具備一定的栓塞修復(fù)能力。

有關(guān)研究顯示，適當(dāng)?shù)哪举|(zhì)部栓塞可能對植物在干旱脅迫下生長是有利，是植物在干旱環(huán)境下節(jié)約水分的一種耐旱策略[38]。前人研究報道，植物對干旱脅迫環(huán)境的適應(yīng)性不僅僅是通過形成高抗栓塞能力的木質(zhì)部，而且具備栓塞修復(fù)能力強(qiáng)的組織結(jié)構(gòu)特征[18-19]。木材密度較低的植物，其木質(zhì)部具備較高的儲水能力，有利于栓塞木質(zhì)部導(dǎo)管的修復(fù)[18-19]。栓塞修復(fù)還跟木質(zhì)部導(dǎo)管直徑的大小有關(guān)，導(dǎo)管越大，其產(chǎn)生的氣泡就越易被溶解，栓塞導(dǎo)管也越易修復(fù)[39]。黨維等[18]對6個耐旱樹種木質(zhì)部水力特征與栓塞修復(fù)能力之間的關(guān)系進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)部栓塞脆弱性(P50) 和導(dǎo)管直徑與栓塞修復(fù)能力之間有較好的正相關(guān)關(guān)系，木質(zhì)部抗栓塞能力較低的樹種，其栓塞修復(fù)能力也越強(qiáng)。對本研究而言，新疆地方扁桃品種(除S3以外)的抗栓塞能力低于美國品種，但它具備栓塞修復(fù)有利的解剖結(jié)構(gòu)特征。前期研究表明新疆地方品種扁桃抗旱能力大于美國引進(jìn)品種[6]，推測原因是其栓塞的修復(fù)能力強(qiáng)于美國引進(jìn)品種。