17個葡萄砧木品種葉片解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性分析

由佳輝，高 林，馮琳驕，買迪妮阿依·買買提，周 龍，李樹德

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣中信國安葡萄酒業(yè)有限公司，新疆瑪納斯 832200）

0 引言

【研究意義】葡萄（Vitis vinifera L.）為葡萄科（Vitaceae L.）一種落葉藤本果樹[1]，我國葡萄產(chǎn)區(qū)分布廣泛，西北地區(qū)是重要產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)受干旱半干旱氣候影響，降水稀少，蒸發(fā)量大，大部分地區(qū)可利用降水量不足250 mm，甚至少數(shù)地區(qū)可利用降水量已低于10 mm[2]，水資源嚴重匱乏，極大地限制了該地區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。而利用抗旱砧木進行嫁接栽培，對抗旱性葡萄品種篩選有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】葉片作為植物適應(yīng)環(huán)境變化時最為敏感的器官之一，具有較強可塑性，其細胞組織結(jié)構(gòu)的特征與變化最能反應(yīng)逆境對植物的影響[3-5]，在抗旱研究中尤為重要，可以作為評價植物抗旱性的重要依據(jù)。樊衛(wèi)國[6]、郭素娟等[7]分別在梨砧木和板栗的抗旱性研究中得出，葉片解剖結(jié)構(gòu)特征與砧木抗旱性聯(lián)系緊密，可以用來鑒定品種之間抗旱能力。王金印等[8]在對3種葡萄葉片和根系研究中，也表明葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度值和柵海比越高、葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度值越低的品種，其抗旱性越強。厲廣輝等[9]通過研究得出，葉片厚度、柵海比值與品種抗旱性呈極顯著正相關(guān)，不論在正常澆水時還是干旱條件下均有較高表現(xiàn)。潘昕等[10]在研究青藏高原25種灌木的抗旱性時，氣孔密度、葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和角質(zhì)層厚度能夠較為敏銳的反映植物的抗旱能力。【本研究切入點】新疆葡萄種質(zhì)資源極為豐富，但鮮有針對該地區(qū)抗旱性葡萄砧木的評價報道。需研究葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與葡萄砧木抗旱性之間的關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析新疆地區(qū)的17個葡萄砧木品種的莖葉相對含水量、電導(dǎo)率以及葉片解剖結(jié)構(gòu)的特征與變化，并運用主成分分析法和聚類分析法對各個砧木品種的抗旱性進行評價，研究其與品種抗旱性的關(guān)系，為優(yōu)良抗旱砧木的篩選與推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在中信國安葡萄種質(zhì)資源基地進行，該基地位于天山北麓瑪納斯河流域，屬于典型的大陸性氣候，年均降水量110～200 mm，年蒸發(fā)量1500～2 000 mm[11]。試驗所用的葡萄砧木品種及其親本如下，皆為長勢一致且健康的7年生成年植株，每個砧木品種栽植兩行，植株樹齡為7 a，南北行向，株行距為0.5 m×2.0 m，樹勢中庸，栽培管理基本一致。表1

表1 葡萄砧木品種及其親本Table 1 Test Grape rootstock varieties and their parents

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

各品種各選取長勢中庸、生長狀態(tài)良好且無病蟲害的植株5株用于試驗。采用自然干旱法給予葡萄砧木干旱脅迫，于2019年7月11日將試驗田地澆透水，在7月12日（對照CK）和8月1日（處理Treatment）分別取樣，并采用烘干法測定其土壤含水量，CK 土壤絕對含水量為25.88%，Treatment土壤絕對含水量為7.64%。每次每株選取第3～4 節(jié)位的健康功能葉6 片和第3～4 節(jié)位的莖節(jié)間3 節(jié)，將采取的葉片與莖節(jié)間全部用蒸餾水洗凈后，用濾紙吸凈表面水分。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 相對含水量與相對電導(dǎo)率

取出1/2 的葉片和全部的莖節(jié)間，采用飽和稱重法[12]測定葉片相對含水量（relative water content of leaf，RWCL）和莖相對含水量（relative water content of stem，RWCS），采用電導(dǎo)儀法[12]測定葉片相對電導(dǎo)率（relative conductivity of leaf，RECL）和莖相對電導(dǎo)率（relative conductivity of stem，RECS）。

1.2.2.2 葉片組織結(jié)構(gòu)觀察

將剩余葉片避開葉片大葉脈，剪取若干0.6 cm×0.6 cm 的小葉塊，置于FAA 固定液中帶回實驗室，放于4 ℃冰箱中保存1周后，采用石蠟切片法制片，切片厚度為8μm，在番紅—固綠染色后封片，于Nikon顯微鏡下拍照，并用顯微鏡維尺對葉片厚度（thickness of leaf，TL）、上表皮細胞厚度（thickness of upper epidermis，TUE）、下表皮細胞厚度（thickness of lower epidermis，TLE）、柵欄組織厚度（thickness of palisade tissue，TP）和海綿組織厚度（thickness of spongy tissue，TS）測量，每片5個視野，重復(fù)10 次，每次每個砧木品種觀察視野總數(shù)為150，每個視野讀取3個觀察值，求其平均值。

柵海比（Ratio of palisade tissue/spongy tissue，R/S）=柵欄組織厚度/海綿組織厚度；

細胞結(jié)構(gòu)緊密度（cell tense ratio，CTR）=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%；

細胞結(jié)構(gòu)疏松度（spongy ratio，SR）=海綿組織厚度/葉片厚度×100%。

參照Bouslama等[13]的方法計算得出葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的抗旱系數(shù)。

葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的抗旱系數(shù)=（Treatment各指標(biāo)值/CK各指標(biāo)值）×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和表格制作均采用Excel 2010 和SPSS 19.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 莖、葉相對含水量

研究表明，17個葡萄砧木品種的葉片相對含水量和莖相對含水量的CK分別保持在69%～80%和82%～95%，存在顯著性差異（P＜0.05），到干旱脅迫21d 后的Treatment 則都出現(xiàn)了極顯著性差異（P＜0.01）。葉片相對含水量的Treatment 較CK 均出現(xiàn)大幅度降低的現(xiàn)象，與CK 相對比，其中降幅較小的為1103P、河岸9 號和5BB，降幅較大的為河岸4號、Ganzia和Riparia Glorie。而莖相對含水量的Treatment 與CK 相比，則出現(xiàn)了上升和下降兩種情況，且變化幅度都較小。17個葡萄砧木品種中出現(xiàn)下降變化的為Ganzia、河岸7號、3309C 和河岸2 號，其中又以Ganzia 下降幅度最大，降低了7.62%，剩余13個品種都為上升趨勢，1613C上升幅度最大，升高了12.54%。表2

表2 17個葡萄砧木品種莖葉相對含水量Table 2 The relative water content of stem and leaf of 17 grape rootstock varieties

2.2 莖、葉相對電導(dǎo)率

研究表明，17個葡萄砧木品種僅葉片相對電導(dǎo)率的CK 存在顯著性差異（P＜0.05），且基本保持在20%～10%，而其葉片相對電導(dǎo)率的Treatment以及莖相對電導(dǎo)率的CK和Treatment則都存在極顯著性差異（P＜0.01）。各品種葉片相對電導(dǎo)率的增加幅度為20%～34%，其中，1103P 的增加幅度最小，僅增加了20.15%，Ganzia 的增幅最大，增加了33.44%。17個葡萄砧木品種的莖相對電導(dǎo)率則從8%～20%增加到了32%～49%。其中，5BB、1103P、河岸9號和3309C這4個品種莖段相對電導(dǎo)率的增幅都小于24%，分別為21.73%、22.62%、23.21%和23.31%，Ganzia、河岸4 號和101-14MG 這3個品種莖段相對電導(dǎo)率的增幅大于32%，分別為33.87%、33.71%和32.32%。表3

表3 17個葡萄砧木品種莖葉相對電導(dǎo)率Table 3 The relative electrical conductivity of stem and leaf of 17 grape rootstock varieties

2.3 葡萄砧木品種葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

研究表明，17個葡萄砧木品種成熟葉片的解剖結(jié)構(gòu)大致相同，依次包括上表皮、柵欄組織、海綿組織和下表皮，其中僅1613C 和貝達這2種砧木葉片的下表皮有較為明顯的絨毛。柵欄組織由單層柱狀細胞組成，排列較為緊密規(guī)則，緊靠上表皮且與其垂直。海綿組織則位于柵欄組織和下表皮之間，由大小、形狀均不規(guī)則的細胞組成，排列疏松，彼此存在大量間隙。Treatment 的柵欄組織之間的間隙和海綿組織之間的間隙較CK均有不同程度的擴大。圖1

在受到干旱脅迫后，大部分葉片解剖結(jié)構(gòu)抗旱相關(guān)指標(biāo)較CK 會有不同程度的升高，根據(jù)抗旱系數(shù)平均值的大小，將8 項指標(biāo)對干旱脅迫的敏感程度進行排序，柵海比＞細胞結(jié)構(gòu)緊實度＞細胞結(jié)構(gòu)疏松度＞上表皮細胞厚度＞葉片厚度＞下表皮細胞厚度＞柵欄組織厚度＞海綿組織厚度。柵海比和細胞結(jié)構(gòu)緊實度于干旱脅迫后均呈現(xiàn)增加的品種有1613C、3309C、1103P、貝達、Riparia Glorie、河岸10號、河岸9號和山河4號，而柵海比和細胞結(jié)構(gòu)緊實度均呈現(xiàn)減少的品種有101-14MG、Ganzia、河岸7 號、河岸4 號、河岸2 號和山河1號。由于同一品種不同指標(biāo)或同一指標(biāo)不同品種之間的抗旱系數(shù)都有較大差異，故應(yīng)將各項指標(biāo)進行綜合比較，提高對各品種抗旱性評價的可信度。圖1，表4

表4 17個葡萄砧木品種葉片解剖結(jié)構(gòu)中抗旱性相關(guān)指標(biāo)的抗旱系數(shù)Table 4 The drought-resistance coefficient of the indexes related to drought-resistance in the anatomical structure of leaves of 17 grape rootstock varieties

圖1 17個葡萄砧木品種葉片解剖結(jié)構(gòu)Fig.1 Anatomical structure of leaves of 17 grape rootstock varieties

2.4 抗旱性相關(guān)指標(biāo)的主成分分析及綜合評價

研究表明，4個主成分的累計貢獻率達到87.739%，這4個主成分代表了原有信息的絕大部分，貢獻率最高的為主成分1，達到32.870%，其反映的信息量最大。主成分1的負向載荷中細胞結(jié)構(gòu)疏松度的權(quán)數(shù)最大，為-0.240，而正向載荷中海綿組織厚度權(quán)數(shù)的最大，為0.236，這兩個指標(biāo)對主成分1 的作用較大。主成分2 的貢獻率為24.922%，其中負向載荷的葉片相對含水量的權(quán)數(shù)最大，為-0.309，正向載荷中莖相對電導(dǎo)率和葉片相對電導(dǎo)率的權(quán)數(shù)較大，分別為0.308 和0.300。主成分3 的貢獻率為20.181%，其正向載荷中柵欄組織厚度和柵海比的權(quán)數(shù)最大，分別為0.348 和0.339，負向載荷中細胞結(jié)構(gòu)緊密度的權(quán)數(shù)最大，為-0.341。主成分4的貢獻率為9.766%，其中較大權(quán)數(shù)都集中在正向載荷，最大的是上表皮細胞厚度，為0.712，遠大于其他指標(biāo)，其次是莖相對含水量，為0.448，是主成分4 的主要貢獻指標(biāo)。表5

表5 17個葡萄砧木品種各項指標(biāo)的主成分載荷矩陣、特征值和貢獻率Table 5 Principal component loading matrix,characteristic value and contribution rate of 17 grape rootstock varieties of various indicators

根據(jù)綜合得分F越高的砧木品種，其抗旱能力越強，進行綜合排名。各表達式分別如下：

F1=- 0.072X1+ 0.098X2+ 0.069X3+ 0.079X4-0.007X5+ 0.163X6+ 0.191X7+ 0.126X8+ 0.236X9-0.137X10+0.130X11-0.240X12；

F2=- 0.309X1+ 0.300X2+ 0.124X3+ 0.308X4+0.080X5- 0.048X6- 0.099X7- 0.048X8- 0.092X9+0.030X10-0.046X11+0.082X12；

F3=- 0.009X1+ 0.013X2+ 0.070X3- 0.002X4-0.030X5- 0.115X6+ 0.193X7+ 0.348X8+ 0.054X9+0.339X10-0.341X11-0.039X12；

F4=0.163X1- 0.069X2+ 0.448X3- 0.134X4+0.712X5+ 0.287X6+ 0.001X7- 0.017X8- 0.047X9+0.085X10-0.021X11+0.066X12；

F=- 0.099X1+ 0.118X2+ 0.127X3+ 0.101X4+0.092X5+0.053X6+0.088X7+0.112X8+0.070X9+0.045X10-0.045X11-0.068X12。

上列各式中：X1表示葉片相對含水量；X2表示莖相對含水量；X3表示葉片相對電導(dǎo)率；X4表示莖相對電導(dǎo)率；X5表示上表皮細胞厚度；X6表示下表皮細胞厚度；X7表示葉片厚度；X8表示柵欄組織厚度；X9表示海綿組織厚度；X10表示柵海比；X11表示細胞結(jié)構(gòu)緊密度；X12細胞結(jié)構(gòu)疏松度。

17個葡萄砧木品種抗旱能力的強弱順序為：1103P＞5BB＞河岸9號＞3309C＞河岸2號＞河岸10號＞山河4 號＞1613C＞Dogrizdge＞貝達＞山河1號＞山河3 號＞河岸7 號＞Riparia Glorie＞101-14MG＞河岸4號＞Ganzia。其中，在17個葡萄砧木品種中，1103P的綜合得分最高，達到了31.061分，其抗旱能力最強；而Ganzia 的綜合得分最低，只有22.368分，其抗旱能力最差。表6

表6 主成分綜合評價結(jié)果Table 6 Results of principal component comprehensive evaluation

2.5 抗旱性的聚類

研究表明，當(dāng)歐式距離閥值為4時，根據(jù)4個主成分的得分將17個葡萄砧木品種區(qū)分為5 大類。第1類包括1103P、5BB和河岸9號，這3個砧木品種的抗旱性最強；第2 類包括3309C、河岸2號、河岸10 號和山河4 號，綜合得分位于第4～7位，這4個砧木品種的抗旱性較強；第3 類包括1613C、Dogridge、貝達和山河1 號，這4個砧木品種的綜合得分位于第8～11 位，抗旱性中等；第4類包括山河3 號、河岸7 號、Riparia Glorie、101-14MG和河岸4號，綜合得分為第12～16位，這5個砧木品種的抗旱性較弱；第5類僅包括Ganzia，其綜合排名為第17位，Ganzia的抗旱性最弱。聚類分析的結(jié)果與主成分分析的結(jié)果具有一致性，均可用于評價葡萄砧木品種的抗旱性強弱。圖2

圖2 17個葡萄砧木品種抗旱性的聚類Fig.2 Cluster analysis results of drought resistance of 17 Grape Rootstock Varieties

3 討論

3.1 莖、葉相對含水量與抗旱性的關(guān)系

所有砧木品種葉片上、下表皮均為單層長方形細胞，柵欄組織和海綿組織分化明顯，屬于典型的異面葉[14]。相對含水量是植物體內(nèi)的各種供水機制與保水機制綜合作用的結(jié)果，干旱條件下具有較高相對含水量的植物，可以更好的維持體內(nèi)的水分平衡，通常被認為與植物的抗旱性呈正相關(guān)[15-17]。研究發(fā)現(xiàn)在受到干旱脅迫后，17個葡萄砧木品種的葉片相對含水量較CK 均有所減少，而莖相對含水量則出現(xiàn)減少和增加兩種變化趨勢。WARING 等[18]認為植物在受到干旱脅迫時，會主動閉合葉片上的氣孔，減少葉片水分損失，但同時會引起蒸騰拉力減弱，進而使較多的水分貯藏在植物莖中。孫琪等[19]在研究干旱脅迫下云南松苗木時發(fā)現(xiàn)莖的相對含水量隨干旱脅迫程度增加呈下降趨勢，與研究結(jié)果存在一定的差異。云南松屬于針葉樹種，葉面積和葉片氣孔數(shù)量明顯小于葡萄砧木葉片，且葡萄的節(jié)間與莖之間存在橫膈膜這一特殊結(jié)構(gòu)，在一定程度上阻礙了水分向葉片的運輸，造成這種差異的出現(xiàn)。

3.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性的關(guān)系

植物在生長發(fā)育過程中，各個器官的生理形態(tài)特征不僅受遺傳的控制，還會隨環(huán)境因素的變化而發(fā)生各種適應(yīng)性變化[20]。葉片作為植物暴露在空氣環(huán)境中的面積最大的器官，同時也是植物適應(yīng)環(huán)境變化時最為敏感的器官之一，其結(jié)構(gòu)特征是評價植物適應(yīng)環(huán)境能力大小的重要依據(jù)[10]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，17個葡萄砧木品種之間的葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)中以柵海比對干旱脅迫的敏感程度最高，且柵海比與品種抗旱性呈正相關(guān)。樊衛(wèi)國等[6]在研究梨砧木的葉片組織結(jié)構(gòu)與抗旱性關(guān)系時也得出，柵海比越大，梨砧木的抗旱性越強，與研究結(jié)果一致。通常認為柵欄組織內(nèi)含有大量的葉綠體，較厚的柵欄組織有利于植物光合作用的增強，提高強光利用效率，以減少光照對植物的傷害[21-23]，而海綿組織由于排列疏松，間隙較大，會加快植物的氣體交換和蒸騰速率[24]，柵海比越大越有利于植物在干旱環(huán)境中生存。

4 結(jié)論

觀測的8項葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與植物抗旱性的敏感程度不一致，對干旱脅迫敏感程度的順序為柵海比＞細胞結(jié)構(gòu)緊實度＞細胞結(jié)構(gòu)疏松度＞上表皮細胞厚度＞葉片厚度＞下表皮細胞厚度＞柵欄組織厚度＞海綿組織厚度。1103P、5BB 和河岸9號的抗旱性極強，3309C、河岸2 號、河岸10 號和山河4 號的抗旱性較強，1613C、Dogridge、貝達和山河1 號的抗旱性中等，山河3 號、河岸7 號、Riparia Glorie、101-14MG 和河岸4 號的抗旱性較弱，Ganzia的抗旱性最弱。