橡膠樹無性系光合特性及葉片解剖結(jié)構(gòu)比較

邱彥芬，亞華金，楊 湉，李小琴，張鳳良，李 玲，吳 裕

（云南省熱帶作物科學(xué)研究所，云南景洪 666100）

橡膠樹（Hevea brasiliensis）原產(chǎn)于巴西亞馬遜河流域，屬于典型的熱帶雨林樹種，也是目前種植規(guī)模最大的產(chǎn)膠植物［1］。光合作用作為植物同化物的代謝途徑，是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)和決定植物產(chǎn)量的重要生理過程，而葉片作為光合作用的主要器官，葉片的結(jié)構(gòu)特征能體現(xiàn)環(huán)境對(duì)植物的影響和本身對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，具體表現(xiàn)為解剖結(jié)構(gòu)、氣孔結(jié)構(gòu)的差異［2］。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，葉片結(jié)構(gòu)的改變必然會(huì)引起生理、生態(tài)功能的變化［3-4］。已有研究表明，種內(nèi)的光合速率差異是由測定方法和葉片解剖結(jié)構(gòu)的先決影響造成的［5］。柵欄組織的厚度在一定程度上決定葉片的光合速率，爵床科植物中的銀爵，柵欄組織最小，但是凈光合速率最大，表明柵欄組織厚度與凈光合速率具有一定相關(guān)性［6-7］。小麥旗的葉片厚度與其蒸騰速率、凈光合速率呈顯著的正相關(guān)［8］。綠化樹種光飽和點(diǎn)與葉表皮厚度顯著正相關(guān)。而胞間CO2濃度與上表皮的氣孔密度顯著負(fù)相關(guān)［9］。大豆的葉片厚度和單位面積柵欄組織細(xì)胞數(shù)決定了大豆葉片的光合速率［10］。目前，針對(duì)橡膠樹無性系間葉片結(jié)構(gòu)與光合特性關(guān)系的研究可查閱的文獻(xiàn)較少。鑒于此，本文選取7個(gè)橡膠樹優(yōu)良無性系測定其葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)和光合生理指標(biāo)，旨在比較分析不同無性系間葉片解剖結(jié)構(gòu)變化與其光合生理特征的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地自然概況

試驗(yàn)地設(shè)在云南省熱帶作物科學(xué)研究所管轄的“農(nóng)業(yè)部景洪橡膠樹種質(zhì)資源圃”內(nèi)，該資源圃位于西雙版納傣族自治州景洪市城區(qū)。東經(jīng)100°46’～100°48’，北緯21°59’～22°01’，海拔500～600 m；區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，中山、低山、丘陵組合，具有立體氣候特征，是云南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境最為特殊的地區(qū)之一。區(qū)域內(nèi)全年日照數(shù)達(dá)1 800～2 200 h，年降雨量為900～1 500 mm，年平均相對(duì)濕度71.3 %～85 %；6-10 月為雨季，占全年降雨量的80 %；11-2 月為冬季，低溫干燥；3-5 月為旱季，高溫干旱；干濕季節(jié)分明，年溫差小于晝夜溫差。

1.2 試驗(yàn)材料

選擇2017 年定植的7 個(gè)優(yōu)樹無性系（plustree clones）為研究對(duì)象（表1），每個(gè)無性系選擇3株，每株取3 片無病蟲害、生長一致的葉片，取樣部位均為植株中上部穩(wěn)定葉蓬。

表1 橡膠樹無性系基本信息

1.3 光合指標(biāo)的測定

選擇2020 年8 月生長旺季，在天氣晴朗的早上（9:00—11:30）進(jìn)行光合測定，使用Li-6400 便捷式光合測定儀（Li-COR 公司，美國）。活體測定不同無性系的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。為避免自然光強(qiáng)的不同和因環(huán)境因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差，人工控制將光合有效輻射設(shè)定為1 200 μmol·m-2·s-1，樣品室流速500 μmol/s，葉室風(fēng)扇為Fast 模式，控制混合器關(guān)閉。

1.4 葉片解剖結(jié)構(gòu)的測定

光合指標(biāo)測定完成之后，采集葉片帶回實(shí)驗(yàn)室，剪取葉片中部，避開主脈及邊緣，大小為5 mm×5 mm，然后立即放入50% FAA 固定液中于4℃冰箱固定72 h 以上，采用石蠟切片法［11］做成永久裝片，在LEICA DM6 B 顯微鏡下拍照觀察、測量數(shù)據(jù)。測量指標(biāo)為上角質(zhì)層厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS 20.0 對(duì)無性系間解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與生理指標(biāo)作單因素方差分析，對(duì)方差分析差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的指標(biāo)再進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 無性系葉片顯微結(jié)構(gòu)觀察

橡膠樹葉片的橫切面結(jié)構(gòu)由表皮、葉肉和葉脈3 部分組成，上表皮下有占比較大的柵欄組織，柵欄組織下面為細(xì)胞分散疏散的海綿組織，為典型的異面葉。葉片的表皮由一層細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞較大，呈橢圓形或矩形，排列比較整齊（圖1）；表皮細(xì)胞外覆蓋著厚度不同的角質(zhì)層（圖A-G）。

圖1 橡膠樹無性系的葉片解剖結(jié)構(gòu)（標(biāo)尺=100μm）

橡膠樹葉片的柵欄組織緊貼上表皮，具有整齊清晰的層次，排列緊密而有序，在葉片的橫切面中，柵欄組織占據(jù)了較大比例，由2～3 層細(xì)胞組成，葉綠體主要分布在柵欄組織中；海綿組織細(xì)胞排列疏松，且細(xì)胞形狀不規(guī)則、大小不一，細(xì)胞之間有較大間隙；下表皮細(xì)胞橫切面形狀不規(guī)則，厚度差異較大。

2.2 無性系葉片解剖結(jié)構(gòu)差異

比較7 個(gè)無性系的葉片解剖數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)（表2），無性系角質(zhì)層厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉厚差異顯著（P<0.05，下同）。7個(gè)無性系葉片的角質(zhì)層厚度變異系數(shù)為28.35%，無性系584 角質(zhì)層最厚，為4.67 μm，277、281 最薄，分別為2.11、2.23 μm。 上表皮厚度變異系數(shù)為13.28%，無性系277 最厚，為11.39 μm，無性系281 最薄，為9.00 μm。柵欄組織厚度變異系數(shù)為20.96%，無性系584最厚，為87.23 μm，無性系281 最薄，為48.66 μm。海綿組織厚度的變異系數(shù)為20.19%，無性系584 最厚，為67.89 μm，無性系281 最薄，為41.78 μm。下表皮厚度變異系數(shù)為17.16%，無性系584 最厚，為10.02 μm，無性系190 最薄，為8.14 μm。葉片厚度的變異系數(shù)為16.94%，無性系584 最厚，為176.41 μm，無性系281 最薄，為107.93 μm，無性系584、281 與其它無性系差異顯著。

2.3 無性系光合生理參數(shù)的差異

從表3 可以看出，7 個(gè)無性系間葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率差異顯著（P<0.05，下同）。7 個(gè)無性系的凈光合速率變異系數(shù)為23.17%，無性系620 凈光合速率最大，為14.22 μmol·m-2·s-1，與其它無性系差異顯著，無性系281 凈光合速率最小，為8.50 μmol·m-2·s-1，與190差異不顯著，與其它無性系差異顯著。氣孔導(dǎo)度變異系數(shù)為39.18%，無性系620、277 氣孔導(dǎo)度最大，分別為0.25 、0.22 mol·m-2·s-1，與其它無性系差異顯著，584 最小，為0.09 mol·m-2·s-1。胞間CO2濃度變異系數(shù)為18.09%，無性系277、281 胞間CO2濃度最大，分別為290.57 、283.38 μmol·mol-1，與無性系584、620、190 差異顯著，無性系584 胞間CO2濃度最小，為177.86 μmol·mol-1，與其它無性系差異顯著。蒸騰速率變異系數(shù)為38.98%，無性系620 最大，為3.24 mmol·m-2·s-1，無性系600 最小，為1.31 mmol·m-2·s-1，620、600 與其它無性系差異顯著。水分利用效率變異系數(shù)為32.00%，無性系600 最大，為7.82 μmol·mmol-1，與其它無性系差異顯著，無性系620、281 最小，分別為4.19、4.79 μmol·mmol-1。

2.4 葉片解剖結(jié)構(gòu)與光合生理參數(shù)的相關(guān)性分析

通過表4 可以看出，7 個(gè)無性系的角質(zhì)層厚度與胞間CO2濃度（Ci）呈極顯著（P<0.01，下同）負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.913。葉片厚度與胞間CO2濃度（Ci）呈顯著（P<0.05，下同）負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.755。胞間CO2濃度（Ci）與上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、下表皮厚度相關(guān)性均沒有達(dá)到顯著水平（P>0.05，下同）。凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率，與角質(zhì)層厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉厚相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

表4 無性系葉片解剖結(jié)構(gòu)與光合生理參數(shù)的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

橡膠樹雖然是熱帶雨林中的成員，但是也具有一定程度的旱生結(jié)構(gòu)特征：不同無性系間葉片解剖結(jié)構(gòu)存在相似性，具有較為發(fā)達(dá)的角質(zhì)層，葉片上下表皮的形態(tài)基本一致（呈近長方形或橢圓形），上下表皮細(xì)胞排列緊密、整齊清晰，且有占比較大的柵欄組織。

7 個(gè)橡膠樹無性系間葉片的解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)（角質(zhì)層厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、下表皮厚度、葉片厚度）、光合生理指標(biāo)（凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率）均存在顯著差異。對(duì)7 個(gè)無性系間葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與光合參數(shù)相關(guān)性分析顯示，無性系的角質(zhì)層厚度與胞間CO2濃度（Ci）呈極顯著負(fù)相關(guān)。已有研究表明，較厚的角質(zhì)層可以保住植物水分，減少水分向大氣蒸發(fā)，能適應(yīng)和抵御外界環(huán)境的脅迫，維持植物正常的生理機(jī)能［12］。因此，較厚的角質(zhì)層增強(qiáng)了對(duì)太陽的反射，間接減少了對(duì)太陽能的吸收利用，細(xì)胞間的CO2濃度量減少，可能降低了胞間的CO2濃度。趙雪［13］、龐杰［14］研究表明，葉片厚度與氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)。本研究中，葉片厚度與胞間CO2濃度（Ci）呈顯著負(fù)相關(guān)，與趙雪、龐杰等研究結(jié)果不一致，可能是樹種之間存在一定的差異，還需要進(jìn)一步研究論斷。

本研究中，光合生理指標(biāo)與柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上下表皮厚度均無相關(guān)關(guān)系。但有研究表明，文冠果凈光合速率與上表皮厚度及海綿組織厚度呈極顯著正相關(guān)［13］；油橄欖柵欄組織厚度、柵海比與凈光合速率極顯著正相關(guān)。這些指標(biāo)在一定時(shí)期和范圍內(nèi)可判斷植物光合能力［15］。光合特性存在基因型及種的差異，但空氣中CO2、濕度，葉片類型、葉齡也對(duì)其有影響［16］。

本研究結(jié)果表明，在無性系之間，葉片的解剖結(jié)構(gòu)影響其生理活動(dòng)，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的研究可以更好地理解光合速率、呼吸速率和蒸騰速率的變化。值得注意的是，本研究選擇的是處于穩(wěn)定期的橡膠樹無性系葉片，對(duì)于其各個(gè)發(fā)育時(shí)期的葉片結(jié)構(gòu)、生理指標(biāo)會(huì)如何變化，差異會(huì)大還是小則還不清楚，還需進(jìn)一步做研究。