4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片和果實(shí)的顯微結(jié)構(gòu)比較

張凱莉，孔維萍，魏兵強(qiáng)，程鴻, ，頡建明

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，甘肅 蘭州 730070)

甜瓜(CucumismeloL.)為葫蘆科甜瓜屬植物，是國內(nèi)外重要的經(jīng)濟(jì)作物[1]。甜瓜的葉片、嫩莖及幼果均能進(jìn)行光合作用，因此葉片的生長與發(fā)育狀況，直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成。安福全等[2]對(duì)甜瓜幼苗葉片進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)觀察。陳年來等[3]對(duì)甜瓜葉面積擴(kuò)展的生育期動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，對(duì)于葉片的顯微結(jié)構(gòu)也有一系列研究。齊紅巖等[4]對(duì)網(wǎng)紋甜瓜玻璃苗外觀形態(tài)、顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。姜建福等[5]對(duì)葡萄屬植物葉片顯微和超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。高文輝等[6]對(duì)7種枸杞屬植物葉片及剖面顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。葉片是植物進(jìn)化過程中對(duì)環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大的器官，環(huán)境變化常導(dǎo)致葉的厚度、表皮厚度、柵欄組織、海綿組織厚度等形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與適應(yīng)[34]。觀察植物葉片解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)研究植物抗性等有重要意義[23]。

有關(guān)細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)與果疏質(zhì)地關(guān)系的研究已在馬鈴薯[7]、洋蔥[8]和蘋果[9]等中有所報(bào)道。Hou等[10]對(duì)蘋果子代群體果肉組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，不同品種果肉組織結(jié)構(gòu)差異明顯，且果肉細(xì)胞大小具有較強(qiáng)的遺傳能力。王勇等[22]認(rèn)為葡萄果肉組織具有差異性，甚至F1代果實(shí)都繼承親本果肉脆質(zhì)的優(yōu)勢性狀。在甜瓜上，對(duì)果肉質(zhì)地的研究主要集中在細(xì)胞壁酶相關(guān)基因的表達(dá)、酶活性分析及細(xì)胞壁組分含量等方面[11-13]，目前很少見不同生理期甜瓜材料葉片結(jié)構(gòu)及果肉細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。為了進(jìn)一步探索不同甜瓜葉片結(jié)構(gòu)和果肉細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)差異，本研究分別以兩份厚皮甜瓜(白蘭瓜、肥白)和兩份薄皮甜瓜(日本甜寶、小脆瓜)為試材，通過測定4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片和果實(shí)細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)差異，探究不同甜瓜材料組織細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)，為甜瓜種質(zhì)資源篩選和品質(zhì)育種提供組織解剖學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取4個(gè)甜瓜品種白蘭瓜、肥白、日本甜寶及小脆瓜為試驗(yàn)材料，均由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所西甜瓜研究室提供。品種特性如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年8月～2020年11月在蘭州市皋蘭縣九合鎮(zhèn)甜瓜試驗(yàn)基地進(jìn)行。選取籽粒飽滿、大小一致的種子浸種催芽，用溫水浸種5～6 h，催芽溫度25 ℃，胚根露白后，降至20 ℃管理，1～2 d出齊芽后，播種于10 cm×10 cm的塑料營養(yǎng)缽中，長至4～5片真葉后定植到日光溫室大棚中。采用立架栽培，坐果及田間管理同常規(guī)甜瓜栽培。4個(gè)甜瓜品種選擇同期開花的兩性花授粉，授粉當(dāng)天進(jìn)行標(biāo)記，在生長發(fā)育的3個(gè)不同生理時(shí)期，即前期、中期、后期(文中前期、中期和后期分別代表植株開花授粉后10、25和40 d)分別進(jìn)行取樣制片和細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析，每個(gè)時(shí)期樣本取3次重復(fù)。

表1 甜瓜材料及其生物學(xué)特性

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 取樣方法

1.3.1.1 葉的取樣方法 葉片選擇遠(yuǎn)離主脈部分切成0.5 mm×0.5 mm的方塊，每時(shí)期12個(gè)樣，3個(gè)時(shí)期共計(jì)36個(gè)樣。

1.3.1.2 果的取樣方法 果實(shí)采收后切取果實(shí)赤道部位厚度約2 cm的果肉，每時(shí)期12個(gè)樣，3個(gè)時(shí)期共計(jì)36個(gè)樣。

1.3.2 項(xiàng)目測定 在不同生理期分別取樣后，將新鮮采集的組織立即投入到FAA液中固定24～48 h備用。從固定液中取出組織部分，經(jīng)自來水沖洗，酒精系列脫水，二甲苯透明，石蠟包埋,縱切(切片厚度10～12 μm)，番紅-固綠對(duì)染之后，利用日本產(chǎn)PM30全自動(dòng)顯微照相系統(tǒng)每個(gè)時(shí)期每個(gè)處理取3個(gè)樣，每個(gè)部位取8張組織切片，進(jìn)行細(xì)胞大小的觀察。每組內(nèi)每張切片挑選40倍視野進(jìn)行拍照。以40倍標(biāo)尺為標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)視野內(nèi)樣本的細(xì)胞數(shù)量以及細(xì)胞面積(mm2)，求平均值后換算成單個(gè)細(xì)胞的平均面積(mm2)。

細(xì)胞圓度=周長×2/(4π×面積)

柵海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度

葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%

葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度(SR)=海綿組織厚度/葉片厚度×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，用SPSS 16.0進(jìn)行Duncan顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4個(gè)甜瓜品種在不同生理期葉片顯微結(jié)構(gòu)差異

對(duì)4個(gè)甜瓜品種不同生理期進(jìn)行葉片解剖，由圖1可以看出，甜瓜葉片屬于柵欄薄壁組織與海綿薄壁組織分化較明顯的異面葉類型。柵欄薄壁組織均為2層，呈長圓柱體，海綿薄壁組織細(xì)胞短小，且排列無規(guī)則(圖1)。在4個(gè)甜瓜品種之間，小脆瓜在生長前期葉片厚度最大，柵欄組織和海綿組織排列最緊密；到達(dá)生長中期，柵欄組織逐漸增大，海綿組織也逐漸減小；生長后期，海綿組織減小，柵海比值也趨于增大。與小脆瓜相比，日本甜寶在生長前期葉片厚度僅次于小脆瓜，柵欄組織和海綿組織排列緊密；到達(dá)生長中期，柵欄組織逐漸減小，海綿組織也逐漸增大；到達(dá)生長后期，海綿組織減小，柵海比值也趨于增大。與日本甜寶相比，白蘭瓜在生長前期葉片厚度接近日本甜寶，柵欄組織和海綿組織排列比較疏松；到達(dá)生長中期，柵欄組織逐漸增大，海綿組織也逐漸增大；到達(dá)生長后期，海綿組織減小，柵海比值也趨于變小。與其他3個(gè)品種相比，肥白在生長前期葉片厚度相對(duì)最小，柵欄組織和海綿組織排列疏松；到達(dá)生長中期，柵欄組織逐漸減小，海綿組織也逐漸增大；到達(dá)生長后期，海綿組織增大，柵海比值也趨于變小。由此可知，4個(gè)甜瓜品種在不同生理期葉片顯微結(jié)構(gòu)差異較大。

圖1 4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片解剖結(jié)構(gòu)特征Figure 1 Leaf anatomical structure characteristics of four melon varieties at different physiological periods

2.1.1 4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片厚度比較 由表2可知，4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片厚度存在明顯的差異，生長前期小脆瓜葉片厚度最大，厚度達(dá)858.8 μm，日本甜寶和白蘭瓜次之，分別是719.33 μm和706.12 μm，肥白葉片厚度最小，平均值為596.00 μm，到達(dá)生長中期，小脆瓜葉片厚度最大為913.11 μm，日本甜寶和肥白次之，葉片厚度為650～700 μm，白蘭瓜葉片厚度最小，到達(dá)生長后期，葉片厚度依次為小脆瓜>肥白>日本甜寶>白蘭瓜。

2.1.2 4個(gè)甜瓜品種在不同生理期上下表皮厚度比較 對(duì)4個(gè)甜瓜品種不同生理期進(jìn)行分析可知，生長前期白蘭瓜葉片上表皮厚度最大，達(dá)79.84 μm，日本甜寶和小脆瓜次之，上表皮厚度為60～67 μm，肥白上表皮厚度最小，為49.93 μm；到達(dá)生長中期，小脆瓜葉片上表皮厚度最大為77.46 μm，白蘭瓜上表皮厚度最??；到達(dá)生長后期，上表皮厚度由大到小依次為白蘭瓜>肥白>日本甜寶>小脆瓜。

在生長前期和中期日本甜寶下表皮厚度均最大，平均值分別為56.13 μm和53.68 μm，肥白和小脆瓜次之，白蘭瓜最小，平均厚度為38.88 μm；白蘭瓜在生長前期和中期下表皮厚度均最小；到達(dá)生長后期，葉片下表皮厚度由大到小依次為小脆瓜>日本甜寶>白蘭瓜>肥白。

2.1.3 4個(gè)甜瓜品種不同生理期柵欄組織厚度、海綿組織厚度 由表2可知，4個(gè)甜瓜品種在生長前期肥白柵欄組織最厚，平均厚度可達(dá)324.26 μm，日本甜寶次之，小脆瓜和白蘭瓜相差不大，為210～240 μm，到達(dá)生長中期小脆瓜柵欄組織厚度最大，平均值為374.27 μm，白蘭瓜最小，平均厚度為203.08 μm；到達(dá)生長后期柵欄組織厚度從大到小依次為小脆瓜>日本甜寶>肥白>白蘭瓜。

4個(gè)甜瓜品種生長前期小脆瓜海綿組織厚度最大，平均值可達(dá)515.77 μm，白蘭瓜和日本甜寶次之，為160～280 μm，肥白海綿組織厚度最小，平均為240.72 μm，到達(dá)生長中期小脆瓜的海綿組織厚度仍最大，平均為409.25 μm，日本甜寶、肥白和白蘭瓜次之，為220～300 μm，到達(dá)生長后期，海綿組織的厚度從大到小依次為小脆瓜>肥白>日本甜寶>白蘭瓜。

4個(gè)甜瓜品種生長前期肥白柵海比最大，平均值為1.34，小脆瓜的柵海比最小，平均值為0.42，到達(dá)生長中期，肥白柵海比最大，平均值為1.04，日本甜寶和白蘭瓜次之，平均值為0.9～1.1，小脆瓜的柵海比最小，平均值為0.91，到達(dá)生長后期柵海比從大到小依次為日本甜寶>白蘭瓜>小脆瓜>肥白。

2.1.4 4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片緊密度和疏松度 由表2可知，在生長前期肥白的緊密度最大，平均值為54.40%，日本甜寶和白蘭瓜次之，平均值為25%～45%，與肥白相比差異顯著，小脆瓜的緊密度最小，平均值為27.22%.到達(dá)生長中期日本甜寶緊密度最大，平均值為42.47%，白蘭瓜緊密度最小，平均值為37.08%.到達(dá)生長后期，緊密度從大到小依次為日本甜寶>小脆瓜>白蘭瓜>肥白，疏松度則相反。

2.2 4個(gè)甜瓜品種不同生理期具有不同果肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)

在甜瓜生長前期，甜瓜果肉細(xì)胞由小到大依次為：小脆瓜>日本甜寶>白蘭瓜>日本甜寶，但白蘭瓜和日本甜寶的果肉細(xì)胞很不規(guī)則(圖2)。在甜瓜成熟過程中，果肉細(xì)胞均不斷增大，但是不同類型甜瓜細(xì)胞的大小和排列具有一定的差異性。其中白蘭瓜和日本甜寶與肥白和小脆瓜相比差異明顯。白蘭瓜與日本甜寶前期果肉細(xì)胞較小，且排列緊密；到達(dá)生長中期，細(xì)胞明顯增大，排列較為疏松；到成熟后期果肉細(xì)胞較小，且排列緊密，但褶皺較多。肥白和小脆瓜，前期果肉細(xì)胞較大，排列疏松，到達(dá)中期細(xì)胞顯著增大，到達(dá)后期細(xì)胞排列散亂，間隙較大。綜上所述，4個(gè)甜瓜品種在不同生理期果肉細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)存在著明顯的差異。

表2 4個(gè)甜瓜品種在不同生理期葉片顯微結(jié)構(gòu)的差異

2.2.1 4個(gè)甜瓜品種不同生理期果肉細(xì)胞面積和周長變化差異 由圖3可以看出，在甜瓜果實(shí)生長中期，果肉細(xì)胞面積和周長在不同類型甜瓜材料間存在顯著差異，小脆瓜的細(xì)胞面積和周長平均值最大，分別為32 486.06 μm2和800.96 μm，肥白和日本甜寶次之分別為8 700～15 500 μm2和780～800 μm，白蘭瓜面積和周長最小分別7 929.92 μm2和644.27 μm。在果實(shí)生長中期及后期，果肉細(xì)胞大小參數(shù)呈增大趨勢，白蘭瓜從中期到后期細(xì)胞面積變化最大，由12 205.06 μm2增長到18 084.7 μm2，日本甜寶從中期到后期細(xì)胞周長變化最大，由750.53 μm增長到792.01 μm。

圖2 4個(gè)甜瓜品種在不同生理期果肉細(xì)胞解剖結(jié)構(gòu)特征Figure 2 Anatomical structure characteristics of flesh cells of four melon varieties at different physiological periods

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different lower case letters showed sigificant difference between treatments(P<0.05).圖3 4個(gè)甜瓜品種不同生理期果肉細(xì)胞面積和周長變化差異Figure 3 Changes of pulp cell area and perimeter of four melon varieties at different physiological periods

2.2.2 4個(gè)甜瓜品種不同生理期果肉細(xì)胞長、寬變化差異 由圖4可知，在甜瓜不同生理時(shí)期，白蘭瓜生長中期細(xì)胞長度最大，平均值為258.08 μm，與肥白相比差異顯著，日本甜寶和小脆瓜次之，分別為242.26 μm和241.13 μm，肥白的細(xì)胞長度最小，平均值為105.23 μm。到達(dá)生長后期4個(gè)甜瓜品種不同生理期果肉細(xì)胞長度間差異不顯著，從大到小依次為：肥白>白蘭瓜>日本甜寶>小脆瓜。生長中期4個(gè)甜瓜品種的細(xì)胞寬度比較，白蘭瓜細(xì)胞寬度最小，平均值為106.12 μm，與其他3個(gè)材料相比差異顯著。生長后期，4個(gè)甜瓜品種果肉細(xì)胞長度間差異顯著，從大到小依次為：小脆瓜>日本甜寶>小脆瓜>白蘭瓜。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different lower case letters showed sigificant difference between treatments(P<0.05).圖4 4個(gè)甜瓜品種不同生理期果肉細(xì)胞長、寬變化差異Figure 4 Variation of flesh cell length and width among four melon varieties at different physiological periods

2.2.3 4個(gè)甜瓜品種不同生理期果實(shí)縱橫比和圓度變化差異 由圖5可知，在生長中期肥白細(xì)胞圓度和縱橫比均為最小，分別為1.06和1.42，與其他3個(gè)品種差異顯著，白蘭瓜與日本甜寶相比縱橫比和圓度差異均不顯著。生長后期，白蘭瓜細(xì)胞縱橫比和圓度值最大，平均值分別為1.82和1.87，小脆瓜的細(xì)胞縱橫比和圓度最小，平均值為1.57和1.37，且差異顯著。說明白蘭瓜和肥白的縱橫比在不同生理期呈增大趨勢，日本甜寶和小脆瓜在不同生理期細(xì)胞縱橫比呈增大再減小的趨勢。白蘭瓜和日本甜寶不同生理期細(xì)胞圓度顯著大于肥白和小脆瓜。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different lower case letters showed sigificant difference between treatments(P<0.05).圖5 4個(gè)甜瓜品種不同生理期果肉細(xì)胞縱橫比和圓度的變化差異Figure 5 Changes of aspect ratio and roundness of flesh cells of four melon varieties at different physiological periods

3 討論與結(jié)論

3.1 4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片顯微結(jié)構(gòu)差異

植物葉片是進(jìn)行光合作用的主要器官，也是糖分積累的源端。王麗芳[14]在對(duì)不同生境下蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch.exLedeb)解剖結(jié)構(gòu)比較研究后發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟的基本結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，但是由于受到不同的生活環(huán)境的影響進(jìn)而引起蒙古櫟的葉片厚度、葉表皮厚度、葉肉細(xì)胞厚度、柵海比等有明顯不同。蔡永立等[15]通過相關(guān)的研究認(rèn)為，葉片下表皮厚度、柵欄組織細(xì)胞厚度、海綿組織細(xì)胞厚度等結(jié)構(gòu)特征更能體現(xiàn)出植物對(duì)強(qiáng)光生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性。葉片結(jié)構(gòu)敏感，對(duì)于外界環(huán)境的改變能最先預(yù)知，并且做出適應(yīng)性的改變。

本研究表明，4個(gè)甜瓜品種不同生理期葉片厚度、葉片下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織細(xì)胞厚度、海綿組織細(xì)胞厚度等細(xì)胞結(jié)構(gòu)也存在明顯的差異。生長前期小脆瓜葉片厚度最大，肥白葉片厚度最?。坏竭_(dá)生長中期，小脆瓜葉片厚度最大，白蘭瓜最小；到達(dá)生長后期，葉片厚度由大到小依次為小脆瓜>肥白>日本甜寶>白蘭瓜。表明4個(gè)甜瓜品種在不同生理期葉片的組織厚度可能會(huì)隨生長時(shí)期的不同發(fā)生變化。植物的葉表皮是控制植物葉片吸收光量子的重要因素，表皮的性狀對(duì)植物的光合、蒸騰作用等起著關(guān)鍵的作用[16-18]。本試驗(yàn)中4個(gè)甜瓜不同生理期上表皮細(xì)胞厚度幾乎都大于下表皮細(xì)胞厚度，下表皮密被絨毛且葉表皮細(xì)胞垂周壁上均具有波浪狀增厚，增加了細(xì)胞的韌性,這一結(jié)論與李小燕等[19]的研究結(jié)果一致。柵欄組織越厚，細(xì)胞越小，排列越緊密，則植物利用光能的效率越高[20]。本研究中不同甜瓜葉肉組織致密發(fā)達(dá)、分化程度明顯，柵欄薄壁組織均為一層，海綿細(xì)胞層次多且無規(guī)則排列。白蘭瓜、日本甜寶和小脆瓜均表現(xiàn)為后期柵欄組織厚度最大，肥白前期柵欄組織厚度最大。CTR值和SR值體現(xiàn)了葉片厚度、柵欄組織和海綿組織厚度之間存在相互制約關(guān)系，使其比值能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。4個(gè)甜瓜品種不同生理期CTR值和SR值均不同。生長前期肥白的緊密度最大，日本甜寶和白蘭瓜次之，小脆瓜的緊密度最??；到達(dá)生長中期，日本甜寶緊密度最大，白蘭瓜緊密度最?。坏竭_(dá)生長后期，緊密度從大到小依次為日本甜寶>小脆瓜>白蘭瓜>肥白，疏松度則相反。柵海比是植物柵欄薄壁組織、海綿薄壁組織發(fā)育程度的衡量參數(shù)[21]。4個(gè)甜瓜品種在生長前期與中期柵海比從大到小均為：肥白>日本甜寶>白蘭瓜>小脆瓜，生長后期柵海比從大到小依次為日本甜寶>白蘭瓜>小脆瓜>肥白。由于材料的不同，因此4個(gè)甜瓜品種在不同生理期，柵欄組織或者海綿組織的厚度在不同時(shí)期存在較大差異，但是柵海比的值能夠保持相對(duì)一致性，與彭偉秀等[22]關(guān)于不同抗寒性的杏品種葉片組織結(jié)構(gòu)比較的研究結(jié)果相似。同時(shí)柵海比也能反映植物適應(yīng)干旱環(huán)境的能力，比值愈大，植物抗寒、抗旱能力愈強(qiáng)[23]。

3.2 4種甜度差異型甜瓜果實(shí)不同時(shí)期顯微結(jié)構(gòu)差異

本研究對(duì)4個(gè)甜瓜品種不同生理期果實(shí)進(jìn)行了細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)的觀察，結(jié)果表明：4種甜瓜細(xì)胞結(jié)構(gòu)存在顯著差異。4種甜瓜成熟過程中，不同時(shí)期細(xì)胞周長、面積、長度等均呈增高趨勢，與李三陪等[24]的研究結(jié)果一致。白蘭瓜和肥白縱橫比在不同時(shí)期呈增大趨勢，日本甜寶和小脆瓜在不同生理期細(xì)胞縱橫比呈先上升然后下降的趨勢。白蘭瓜和肥白不同生理期細(xì)胞圓度差異不顯著，日本甜寶和小脆瓜細(xì)胞圓度呈先減小再增大的趨勢。與前人對(duì)于蘋果的研究結(jié)論不同，需要進(jìn)一步深入研究。Glvezlópez等[7-8]研究表明蘋果果肉細(xì)胞大小具有較強(qiáng)的遺傳能力；王勇等[25]也認(rèn)為葡萄能將脆質(zhì)地性狀以很強(qiáng)優(yōu)勢傳遞給F1代，但在甜瓜中尚未見相關(guān)報(bào)道，以后在甜瓜果肉質(zhì)地的遺傳性方面需深入研究，為甜瓜品質(zhì)的遺傳育種提供理論依據(jù)。