基于14種葡萄葉解剖結(jié)構(gòu)的弱光適應(yīng)性評(píng)價(jià)

劉 芳，張雅欣，李浩然，胡利琴，吳三林※

（1 樂(lè)山師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000 2 夾江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 樂(lè)山 614100）

0 引言

葡萄（Vitis vinifera L.）為多年生木質(zhì)藤本植物，是世界上最廣泛種植的果樹之一[1]。葡萄是喜光的多年生木質(zhì)藤本攀援植物，在光照充分時(shí)，葡萄枝條健壯、莖葉營(yíng)養(yǎng)狀況好、主干的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累增多、果實(shí)產(chǎn)量高和品質(zhì)佳；光照不足時(shí)，葡萄枝條變細(xì)、節(jié)間增長(zhǎng)、光合效率低、生殖生長(zhǎng)受損、果實(shí)品質(zhì)降低[2]。近年來(lái)，全國(guó)葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年全國(guó)葡萄種植面積72.63 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為1419.54 萬(wàn)t，占全國(guó)園林水果面積比重5.92%[3]，四川省種植面積為3.33萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為60 萬(wàn)t[4]。葡萄栽培若立地條件適宜，管理得當(dāng)，第2 年就可以結(jié)果，3-4 年進(jìn)入盛果期，其種植見效快，效益高，市場(chǎng)俏銷，成為效益農(nóng)業(yè)[5]。四川盆地雨水充足的氣候特點(diǎn)，使得避雨栽培成為種植優(yōu)質(zhì)葡萄的必須[6]，而因避雨設(shè)施遮擋，棚膜反光等影響使得到達(dá)葡萄葉面光照強(qiáng)度進(jìn)一步降低，四川盆地避雨栽培措施使得弱光的不利因素更加突出，有研究表明避雨栽培對(duì)光照抑制效率高達(dá)25%-50%[7]，尤其是在早春和秋冬季節(jié)，影響葡萄植株生長(zhǎng)和花芽分化[8-9]。弱光成為限制四川盆地葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一[10]。戰(zhàn)吉成[11]等人的研究表明葡萄幼苗的形態(tài)和生長(zhǎng)反應(yīng)對(duì)弱光環(huán)境具有生態(tài)適應(yīng)性，弱光環(huán)境下葡萄幼苗的比莖長(zhǎng)和株高增加有利于葡萄盡快到達(dá)有利的光環(huán)境，而葉面積率和比葉面積的增加有利于其充分利用弱光環(huán)境中有限的光照。盛寶龍[12]等人在研究大棚設(shè)施栽培華酥梨葉片時(shí)證明，在弱光條件下梨葉片變大變薄，葉色變淡，葉綠素及可溶性糖含量降低，含水量升高，造成梨葉片葉綠體類囊體松散，堆垛變薄，葉綠體中淀粉累積加劇，葉片光合能力降低，光合系統(tǒng)熱耗散比例加大。同時(shí)，葉片中線粒體數(shù)減少，細(xì)胞活性降低，正常代謝能力降低。葉是植物進(jìn)行光合作用、蒸騰作用和氣體交換的重要場(chǎng)所[13]，其形態(tài)結(jié)構(gòu)是生理功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，不同葡萄品種葉顯微結(jié)構(gòu)觀察及耐弱光性分析方面的研究報(bào)道尚少，為篩選適合四川盆地栽培的耐弱光葡萄品種，本試驗(yàn)擬通過(guò)分析14種葡萄葉解剖結(jié)構(gòu)，分析不同品種葡萄的弱光適應(yīng)性，為四川盆地及類似氣候類型區(qū)葡萄品種引進(jìn)、品種選育等奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2021 年5 月27-30 日葡萄盛花期時(shí)，在四川省成都市雙流區(qū)四友葡萄農(nóng)莊（103°58'39"，30°24'43"）進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)地氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年氣候溫和，年平均氣溫為16.1 ℃，年均降水量875.2 mm，年均日照時(shí)數(shù)1067 h，年均相對(duì)濕度84%[14]。

1.2 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選取5a生歐美雜交種戶太8號(hào)、金手指、巨峰、巨玫瑰、夏黑、香悅和陽(yáng)光玫瑰以及5a生歐亞種紅巴拉多、紅提、克倫生、玫瑰香、美人指、瑞都紅玉和蜀葡一號(hào)，共計(jì)14個(gè)品種。

1.3 試驗(yàn)處理及測(cè)定

1.3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地種植情況

實(shí)驗(yàn)地土壤沙質(zhì)，肥力條件一致，采用噴灌。供試葡萄采用避雨栽培，行距3.0 m，株距1.0-2.0 m，雙十字V 型架。

1.3.2 試驗(yàn)方法及項(xiàng)目測(cè)定

選取14種葡萄的結(jié)果枝第3-5 葉位健康功能葉，用便攜式葉面積測(cè)定儀（SYS-LAM-B）測(cè)定葉面積，并采摘裝入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室用天平（XF1204T）稱重，重復(fù)3 次，計(jì)算平均鮮重。

避開葉脈剪取0.5 m2大小的葉，迅速放入FAA 固定液中，抽氣固定，隨后進(jìn)行脫水，包埋，切片，使用番紅固綠染液染色、封片。隨機(jī)選取葉橫截面上的3 個(gè)部位，使用PANNORAMIC 全景切片掃描儀掃描拍照，Image-Pro Plus6.0 圖像處理軟件測(cè)量葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、角質(zhì)層厚度。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算以下指標(biāo)：

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 主成分分析

主成分分析法作為經(jīng)典的特征提取方法，是在不減少原始數(shù)據(jù)所包含的內(nèi)在信息前提下，將原始數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為由維數(shù)較少的“有效”特征成分來(lái)表示，使其在統(tǒng)計(jì)均方意義下達(dá)到方差最優(yōu)的目的[15]。使用SPSS22 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行主成分分析，首先結(jié)合公式（3）對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-Score 標(biāo)準(zhǔn)化，并結(jié)合公式（4）、（5）得出綜合主成分評(píng)價(jià)值。

（1）指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式：指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是為了消除量綱和取值范圍差異的影響，將數(shù)據(jù)處理為均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1 的數(shù)據(jù)集。計(jì)算公式為：

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010 軟件對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、計(jì)算等處理，用SPSS22（IBM SPSS Statistic 22）軟件對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)性、主成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 14種葡萄葉顯微結(jié)構(gòu)觀察

葡萄葉對(duì)生，上葉面綠色，下葉面淺綠色，無(wú)毛或被疏柔毛，為異面葉[16]。14種受試葡萄品種葉顯微結(jié)構(gòu)大致相似（見圖1），主要由單層近長(zhǎng)圓形橫向排列的上表皮、下表皮以及介于上下表皮之間的柵欄組織、海綿組織、小葉脈組成，在上、下表皮上分布有數(shù)量不等的氣孔。觀察14種受試葡萄葉顯微結(jié)構(gòu)可知，不同品種葡萄葉柵欄組織細(xì)胞均呈長(zhǎng)柱形，內(nèi)含有大量的葉綠體，其中美人指（圖1-l）、紅巴拉多（圖1-j）、紅提（圖1-k）、香悅（圖1-d）、巨峰（圖1-e）、蜀葡一號(hào)（圖1-m）、戶太8 號(hào)（圖1-f）、瑞都紅玉（圖1-n）、與夏黑（圖1-g）葡萄葉柵欄組織排列均勻，結(jié)構(gòu)緊密；巨玫瑰（圖1-a）、金手指（圖1-b）、玫瑰香（圖1-h）、陽(yáng)光玫瑰（圖1-c）、克倫生（圖1-i）葡萄的柵欄組織排列較疏松。不同葡萄品種的葉海綿組織由多層不規(guī)則細(xì)胞組成，有較多的胞間隙，均排列較為松散。

圖1 14種葡萄葉顯微結(jié)構(gòu)

2.2 14種葡萄葉面積、葉鮮重和比葉重分析

對(duì)14 個(gè)受試葡萄品種葉面積和葉鮮重進(jìn)行測(cè)定，由表1 可知，7種歐美雜交品種葡萄葉大小分布在0.023～0.091 m2之間，葉片大小變化較大，葉面積最大的為香悅，是葉面積最小葡萄品種戶太8 號(hào)的3.89 倍。葉鮮重介于18.61 g 和3.87 g 之間，其中最大的品種為香悅，最小的為金手指，香悅的鮮重為金手指的4.92 倍。葉鮮重大于10 g 的有夏黑、香悅和陽(yáng)光玫瑰，小于5 g 的有戶太8 號(hào)和金手指。比葉重香悅和巨峰的較大，分別為204.51 g·m-2和201.06 g·m-2，金手指的最小，為121.94 g·m-2；7種歐亞品種葡萄葉面積大小分布在0.022～0.043 m2之間，相對(duì)于7 個(gè)供試歐美雜交品種的葉面積大小更加集中，多集中在0.03 m2大小的范圍內(nèi)。7種歐亞品種葡萄品種葉鮮重均小于10 g，最高的為蜀葡一號(hào)，為9.21 g，最小的為紅巴拉多，為3.49 g。比葉重紅提和蜀葡一號(hào)的大，分別為272.86 g·m-2和214.19 g·m-2，美人指的最小，為106.15 g·m-2。

表1 14種葡萄葉面積、葉鮮重和比葉重

2.3 14種葡萄葉組織測(cè)量結(jié)果分析

由表2 可知，7種歐美雜交品種葡萄進(jìn)行比較，巨峰葡萄的葉片平均厚度、柵欄組組厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角質(zhì)層厚度均為最大，金手指的葉片平均厚度、柵欄組組厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度均為最??；7種歐亞品種比較，紅提葡萄的葉片平均厚度、柵欄組組厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角質(zhì)層厚度均為最大，玫瑰香葡萄的葉片平均厚度、柵欄組組厚度、海綿組織厚度、角質(zhì)層厚度等厚度為最小。歐美雜交品種的葡萄葉片平均厚度為0.153 9 mm，歐美亞品種的葡萄葉片平均厚度為0.147 2 mm，歐美雜交品種的葡萄葉片平均厚度高于歐美亞品種的4.41 %。葉片厚度最大的巨峰，約是金手指葉片厚度的2 倍，且差異顯著。歐美雜交品種巨峰葉柵欄組織厚度為0.091 7 mm，顯著的高于其他13個(gè)品種的，最小的為歐美雜交品種金手指，柵欄組織厚度為0.034 2 mm，顯著的小于除玫瑰香外的葡萄品種。

表2 14種葡萄葉組織解剖結(jié)構(gòu)厚度

2.4 主成分分析

為便于觀察，使用主成分分析法對(duì)平均葉面積、平均鮮重、葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、角質(zhì)層厚度8 個(gè)耐弱光性指標(biāo)進(jìn)行分析。根據(jù)主成分分析法對(duì)數(shù)據(jù)的要求，完成各指標(biāo)正向化和指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4.1 適宜度檢驗(yàn)

主成分分析要求各指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，首先使用Kaiser-Meyer-Olkin 檢驗(yàn)(簡(jiǎn)稱KMO 檢驗(yàn))和Bartlett 的球形檢驗(yàn),進(jìn)行先決性檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，KMO=0.523>0.50，Bartlett 的球形檢驗(yàn)顯著性=0.000<0.01，表明該數(shù)據(jù)適宜進(jìn)行主成分分析。

2.4.2 主成分提取

特征值的大小與主成分的解釋能力成正比，特征值越大，解釋能力越強(qiáng)。根據(jù)總方差解釋表（表3），選擇特征值>1、方差累積百分比>80%的3 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率可以解釋總變異的93.66%，可以較好的解釋指標(biāo)。

根據(jù)表3 得知，第1 個(gè)主成分的特征值為4.477，方差百分比為55.967%，主要解釋葉片厚度、柵欄組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度4個(gè)指標(biāo)；第2 個(gè)主成分的特征值為1.882，方差百分比為23.526%，主要解釋平均葉面積、平均鮮重2 個(gè)指標(biāo)；第3 個(gè)主成分的特征值為1.133，方差百分比為14.167%，主要解釋海綿組織厚度、角質(zhì)層厚度2 個(gè)指標(biāo)。

表3 14種葡萄葉組織解剖結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣a

根據(jù)表4、表5，構(gòu)建3 個(gè)主成分分值表達(dá)式，結(jié)果為：

表4 14種葡萄葉組織解剖結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)成分變換矩陣

表5 14種葡萄葉組織解剖結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)成分得分系數(shù)矩陣

其中V1-V8 為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

2.4.3 綜合評(píng)價(jià)

將各組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后代入各主成分表達(dá)式和綜合主成分計(jì)算模型中計(jì)算，得到各葡萄品種耐弱光性綜合評(píng)分，所得結(jié)果見表6。得到各葡萄品種耐弱光性評(píng)價(jià)為：巨峰>夏黑>香悅>蜀葡一號(hào)>戶太8 號(hào)>紅提>玫瑰香>瑞都紅玉>克倫生>紅巴拉多>美人指>巨玫瑰>陽(yáng)光玫瑰>金手指。

表6 14種葡萄葉組織解剖結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)主成分、綜合主成分分值

續(xù)表5

3 討論

植物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能是統(tǒng)一的，葉片作為植物的主要光合器官，其形態(tài)的建成與解剖學(xué)特性直接關(guān)系到植株的光合速率[17]。姚允聰在研究桃葉片結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，弱光條件下，柵欄組織在弱光條件下相對(duì)變厚，有利于葉綠體的向陽(yáng)排列；海綿組織厚度相對(duì)增加，使得葉片能更充分的利用光能，有利于提高光合效率[18]。安福全[19]在研究低溫弱光對(duì)西葫蘆葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)表明：弱光下西葫蘆葉片表皮細(xì)胞變薄，柵欄組織厚度減小，葉片厚度減小，海綿組織變得較為疏松。14 個(gè)葡萄品種間所表現(xiàn)出的葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異性反應(yīng)了不同品種對(duì)弱光的適應(yīng)能力的不同，謝計(jì)蒙[20]認(rèn)為可通過(guò)分析弱光下植物比葉重、葉片厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度等形態(tài)指標(biāo)，來(lái)確定品種適應(yīng)弱光的能力。本試驗(yàn)中，歐美雜交品種香悅和巨峰，歐亞品種紅提和蜀葡一號(hào)的比葉重較大，均超過(guò)200 g·m-2；巨峰葡萄的葉片平均厚度、柵欄組組厚度、上表皮厚度、下表皮厚度均顯著的大于其他13 個(gè)葡萄品種。香悅葡萄的葉片組織緊密度值最低，表現(xiàn)在葉顯微結(jié)構(gòu)上為柵欄組織和海綿組織排列疏松。將本試驗(yàn)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后代入各主成分表達(dá)式和綜合主成分計(jì)算模型中計(jì)算，得到各葡萄品種耐弱光性綜合評(píng)分。各葡萄品種耐弱光性評(píng)價(jià)為：巨峰>夏黑>香悅>蜀葡一號(hào)>戶太8 號(hào)>紅提>玫瑰香>瑞都紅玉>克倫生>紅巴拉多>美人指>巨玫瑰>陽(yáng)光玫瑰>金手指。本研究中歐美雜交種巨峰表現(xiàn)出最佳的耐弱光性，其次為夏黑和香悅；歐亞種蜀葡一號(hào)和紅提的耐弱光性較佳，認(rèn)為一般而言歐美雜交種葡萄較歐亞種葡萄耐弱光，與吳月燕[21]在兩類不同種葡萄上得到的結(jié)果一致。歐美雜交種葡萄比較適應(yīng)高溫多濕寡日照氣候，且抗病性強(qiáng)，巨峰、夏黑因其適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)量高，品質(zhì)優(yōu)，深受消費(fèi)者喜愛，已在我國(guó)各地不同氣候類型的種植區(qū)域廣泛種植，巨峰是四川盆地的主栽鮮食葡萄品種。而歐亞種葡萄在多雨、高溫、高濕環(huán)境抗病性弱，但其脆甜的口感，高產(chǎn)和耐儲(chǔ)運(yùn)等品質(zhì)受種植戶和消費(fèi)者的喜歡，隨著葡萄避雨栽培的使用，使得歐亞種的種植越來(lái)越廣泛。在四川盆地，弱光因素影響突出的情況下，通過(guò)對(duì)葉解剖結(jié)構(gòu)的弱光適應(yīng)性評(píng)價(jià)，結(jié)合葡萄早晚熟性，可種植巨峰、夏黑、香悅，蜀葡一號(hào)和紅提等品種葡萄。