不同品種茶花在干旱脅迫下葉片氣孔和蠟質的差異化表現

魏 鳴 祁雄輝 董芳維 何 偉 高榮敏 李清源 陳寶林 張冬林 許 林

(1．武漢市農業(yè)科學院 武漢 430065；2．華中農業(yè)大學園藝林學學院 武漢 430070； 3.美國喬治亞大學園藝系 雅典 30602)

茶花是山茶科山茶屬多種植物及園藝品種的通稱。它既是中國十大著名的花卉之一，也是盆栽及其它園林綠化的一個重要花卉品類。作為中國傳統(tǒng)花卉的茶花，原產于中國東部，尤以兩江流域(長江、珠江)、云貴川等地居多，亞洲各國也有普遍種植。以中國的大陸、臺灣分布居多，在日本和歐美等地區(qū)也有分布，尤以亞洲的品種數量最多[1]。

通過對國內外有關茶花干旱脅迫下植物性狀研究的相關文獻進行梳理，發(fā)現目前對茶花的研究主要集中在生理生化指標、分子水平響應等方面，對于葉片結構的研究并不多。近年來，茶屬植物耐旱性的相關研究引起越來越多學者的關注，對于茶花葉片表皮蠟質等結構在保水抗旱方面的作用及機制研究才剛剛開始，特別是將其直接用于茶花品種之間的耐旱性比較研究還沒有。本研究采用盆栽控水法進行干旱脅迫，利用掃描電子顯微鏡觀測葉片的表皮，通過對葉片氣孔和表皮蠟質抗逆響應的表現進行跟蹤分析，了解干旱脅迫下不同品種茶花的表現差異，為進一步探討和提高其抗旱性提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以前期試驗篩選出的抗旱性較強的‘十八學士’Camelliajaponica‘shibaxueshi’和較弱的‘情人節(jié)’C.japonica‘qingrenjie’2個品種為研究對象。

1.2 試驗方法

將2個品種的試驗對象放置到光照、溫度條件一致的溫室大棚中進行干旱處理。每3盆為一組，每個品種做3組重復，共18盆。分別在進行干旱脅迫處理前、第15 天、第30 天、第40 天下午14∶00～16∶00進行樣品采集，每個品種各階段取4個樣本在掃描電鏡下觀察，每個樣本收集17個視野的照片進行氣孔數統(tǒng)計，收集不同倍數下的蠟質形態(tài)照片，做對比討論。

1.3 樣本制備

取相同位置上成熟功能葉片，避開主脈，在中脈至葉緣1/2處取約5 mm×5 mm大小的葉片小塊，迅速投入到2.5%戊二醛固定液中，抽氣30 min，使葉片全部浸泡在固定液中，于室溫下放置2 h后，放置到4 ℃冰箱保存。每個品種每次取樣9個重復。樣品進行真空冷凍干燥、噴金后，用 JSM-6390LV 生物掃描電子顯微鏡進行觀察拍照。

1.4 數據處理

試驗所得數據用“平均值±標準偏差”表述，應用 Microsoft Office Excel 2007處理所有數據。

2 結果與分析

2.1 葉片氣孔形態(tài)

本試驗僅在茶花葉片下表皮觀察到了氣孔，無規(guī)則狀排列。同一個視野中‘十八學士’的氣孔較小，排列較密集(圖1-1)?！槿斯?jié)’的氣孔較大，排列較稀疏(圖1-2)。 在500 倍電鏡下觀測，‘十八學士’的氣孔數為11±3 個/視野，‘情人節(jié)’的氣孔數為 8±3 個/視野。通過放大至3 000倍觀察發(fā)現，兩個品種的氣孔在試驗的各個階段其形態(tài)會發(fā)生變化且存在差異。

圖1-1 干旱脅迫對‘十八學士’葉片氣孔形態(tài)的影響

圖1-2 干旱脅迫對‘情人節(jié)’葉片氣孔形態(tài)的影響

隨著干旱時間的延長，對植株表皮氣孔閉合產生的影響存在差異。在干旱初期，‘十八學士’氣孔大量閉合，蠟質堵塞氣孔為極少數，僅保留部分氣孔不關閉用于基本代謝；隨著干旱時間的延長，氣孔閉合率進一步增加，直至達到96.4%。 ‘情人節(jié)’則主要通過蠟質堆積堵塞氣孔，來降低蒸騰速率。在干旱中后期 ，才出現近半數的氣孔閉合；氣孔閉合機制緩慢加強，同時蠟質分解、轉移增加(表1)。

表1 兩個茶花品種干旱脅迫期葉片氣孔形態(tài)變化統(tǒng)計

2.2 葉片表面蠟質結構

兩個品種的葉片上下表皮均附著有蠟質，上表皮蠟質覆蓋較下表皮多?！藢W士’上下表皮蠟質含量比 ‘情人節(jié)’的均較多。通過掃描電鏡500、1 000、3 000倍對葉片上下表皮放大觀察，干旱初期，‘十八學士’葉片上表皮蠟質積累速度明顯快于下表皮，在15 d時達到高峰(表2)。脅迫中期上表皮的蠟質減少，下表皮增多，推測此時蠟質出現轉移。在脅迫后期，上表皮蠟質再次正向積累達到高峰。下表皮蠟質，從干旱初期開始一直呈增加趨勢，在30 d后開始減少(圖2-1)?！槿斯?jié)’葉片上下表皮蠟質雖有正向積累，但速度較慢。在干旱30 d時達到峰值，之后出現負增長。(圖2-2)。

表2 兩個茶花品種干旱脅迫期葉片上下表面蠟質積累變化趨勢

圖2-1 干旱脅迫對‘十八學士’葉片蠟質形態(tài)的影響

圖2-2 干旱脅迫對 ‘情人節(jié)’葉片蠟質形態(tài)的影響

3 結論與討論

3.1 結論

試驗通過大量電鏡照片并結合以往的干旱生理試驗結論，展示并證明了茶花在抵御干旱時的防御機制特點，即通過控制葉片下表皮的氣孔開合，并結合葉片蠟質的合成、堆積、轉移、分解來降低蒸騰，減少灼傷保護植株。由此，在抵御干旱脅迫時，相較于生化調節(jié)因素，其蠟質層、氣孔調節(jié)和根系深度等是植物抗旱更為直接和主要的因素。本研究通過掃描電鏡觀察氣孔形態(tài)和蠟質結構，結合光合表現進一步說明了茶花有別于其他品種花卉在抗旱方面的優(yōu)勢和耐受性。綜上，茶花在感受干旱脅迫后，除了表型、生理生態(tài)以及光合特性等方面會出現差異外，葉片結構的差異對于品種間的抗旱能力影響更大，其在生理生態(tài)等方面有著不可忽視的作用。

3.2 討論

通過觀察發(fā)現，整個試驗周期不同品種茶花的氣孔密度和形態(tài)均會隨著干旱程度的增加而發(fā)生改變，這與葉片的萎蔫程度有關[2-3]。已有諸多研究表明，干旱會促使葉片角質層蠟質的覆蓋度變大，從而使角質蒸騰屏障變得更強[4-6]。本研究得出，伴隨干旱周期茶花品種間葉片表皮的蠟質積累、形態(tài)和結構均存在差異性。通過歸納蠟質積累規(guī)律并結合氣孔觀察結果，脅迫中期‘十八學士’表皮氣孔大量自主關閉，因此蠟質相對減少，可能是植株本身為了延續(xù)存活降低自身消耗。而此時‘情人節(jié)’葉片蠟質合成速度開始變快，下表皮蠟質明顯比上表皮集聚的多，結合氣孔閉合情況，說明該品種半數氣孔閉合依賴于蠟質堵塞。脅迫后期，‘十八學士’葉片上表皮蠟質比下表皮集聚量差異明顯，整體蠟質含量與30 d比較，上表皮出現正增長是為了降低灼傷性，下表皮出現負增長是為了減少合成帶來的消耗，推測‘情人節(jié)’繼續(xù)依靠蠟質堆積降低蒸騰率。

氣孔開合及蠟質積累隨著干旱時間延長出現規(guī)律性變化[7-8]。正常環(huán)境下，茶花以上表皮蠟質含量居多為宜。隨著旱害不斷加強，葉片表皮的氣孔大量閉合，凈光合速率、蒸騰速率快速下降[9]。葉片感受到干旱后，上、下表皮蠟質的積累規(guī)律出現顯著差異。其中‘情人節(jié)’的葉片下表皮蠟質最早出現堆積，氣孔也最早出現堵塞。整個脅迫周期中，對氣孔的開張控制機制表現不得當，主要通過利用蠟質的合成、堆積來堵塞氣孔，降低蒸騰作用，避免植株受害，屬于完全被動防御機制。比較抗旱性表現相對較強的‘十八學士’，氣孔的保衛(wèi)細胞在干旱早期就啟動閉合響應機制，葉片上表皮的蠟質堆積程度更強，更好地起到保護葉片免受光照和有害物質的傷害作用。下表皮主要通過控制氣孔開張阻止蒸騰作用，降低脅迫下的生物量損耗。

這些結果說明，在經歷逆境時，植物可能會做出一些更利己的選擇，比如對角質蒸騰屏障功能較差的葉片上表皮的蠟質層優(yōu)先進行修飾，這是植物在降低自身消耗，最大限度提高自身生存幾率的有效策略，這與張弋的結論一致[8]，Carr也證實了氣孔關閉是由水分虧缺引起[10]。因干旱引發(fā)茶花幼苗失水萎蔫后，植株體內游離脯氨酸含量很低，因此沒有充足的機制保護其不受傷害[11-12]。

本試驗通過對茶花2個品種的研究，推測葉片表皮的蠟質特性，在影響氣孔開張的同時，對植株干旱脅迫下的光合作用也存在影響，但本文未在蠟質代謝途徑，以及葉片的細胞器水平上再做深入研究及具體數據計量。在之后的研究中，應該結合蠟質的合成、代謝途徑及原理，葉片的葉肉細胞和細胞器變化，通過研究不同角質層蠟質層次的修飾策略，來分析該物質是如何具體參與到植物的光合活動中并發(fā)揮作用的。