不同生態(tài)型小麥品種葉片氣孔密度及形態(tài)差異分析

劉耀權(quán),張曉洋,白 斌

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所,蘭州 730070;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 苧麻研究所,長(zhǎng)沙 410128)

葉片是植物進(jìn)行光合作用及氣體交換的重要器官,葉片上的氣孔是調(diào)節(jié)植物與水、氣交換的重要通道,氣孔的大小、密度和分布既受到遺傳的控制,也受到生長(zhǎng)環(huán)境的影響,其主要通過調(diào)節(jié)孔徑大小和數(shù)量多少來影響作物的光合作用和蒸騰作用[1]。大量研究表明,氣孔特征參數(shù)與作物的抗逆性和生理特性密切相關(guān)[2-3]。水稻在水分脅迫下,劍葉的氣孔密度增加,且抗旱性較好的品種氣孔密度的增加幅度小于抗旱性較差的品種[4]。玉米在土壤水分減少的情況下,氣孔密度也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[5],且氣孔的密度降低與長(zhǎng)度增加有利于玉米產(chǎn)量提高、葉斑病的發(fā)生減少[3]。此外,不同品種馬鈴薯的氣孔密度不同,氣孔密度的變化趨勢(shì)和相對(duì)葉綠素含量一致[6]。大豆氣孔特性與其抗旱性相關(guān),水分脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔密度的增加[7]。另一方面,在干旱和CO2升高情況下,調(diào)節(jié)氣孔密度有利于植物減少水分蒸發(fā),提高水分利用效率。在小麥中,減少葉片氣孔密度導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低,但適當(dāng)減少氣孔密度可提高小麥水分利用效率,且減產(chǎn)不明顯[8]。可見,氣孔是影響作物生產(chǎn)能力和抗逆性的重要因素。

解析： 這是一道典型的讀圖題。學(xué)生需從圖中曲線看出，乙組和丙組的細(xì)胞數(shù)量比對(duì)照組(甲組)增長(zhǎng)得快，可推斷乙組和丙組的培養(yǎng)液中都加入了藥物X，一段時(shí)間后丙組細(xì)胞數(shù)量少于乙組，推斷添加了藥物D。藥物D對(duì)藥物X有抑制作用，若藥物X是蛋白質(zhì)，則很有可能改變了其空間結(jié)構(gòu)，從而使其功能發(fā)生改變，從而選出正確答案。

甘肅地理和氣候條件極為復(fù)雜,小麥種植區(qū)域廣。小麥生產(chǎn)區(qū)主要分為冬、春兩大麥區(qū),冬、春麥區(qū)又分川水地、山旱地[9]。小麥種植生態(tài)環(huán)境差異大,不同區(qū)域的小麥生產(chǎn)品種生態(tài)型不同,主要有旱地春小麥、水地春小麥、旱地冬小麥、水地冬小麥。育種工作者對(duì)不同生態(tài)類型品種的選育中主要依靠自然生態(tài)環(huán)境選擇,難以在生理水平上進(jìn)行有效選擇。不同生態(tài)型小麥品種的氣孔形態(tài)和數(shù)量的差異會(huì)導(dǎo)致葉片生理功能產(chǎn)生差異,掌握不同生態(tài)型小麥品種葉片的氣孔生理特性對(duì)挖掘小麥品種遺傳潛力和提高栽培管理水平具有重要意義。然而,目前關(guān)于小麥葉片氣孔的研究主要集中在其基本的生理機(jī)制[10-11]、不同逆境條件下氣孔的抗逆應(yīng)答基礎(chǔ)理論[12-14]以及相關(guān)調(diào)控基因的研究[15-16]等方面,對(duì)不同生態(tài)型小麥品種葉片氣孔密度和形態(tài)差異及其與抗旱性關(guān)系的研究較少。因此,本研究以來自不同生態(tài)區(qū)域推廣種植的34個(gè)小麥品種為試驗(yàn)材料,通過不同的視角分類對(duì)比,分析不同生態(tài)型小麥品種葉片氣孔密度和形態(tài)差異,以期為小麥品種抗旱性的鑒別提供新的途徑,同時(shí),為不同生態(tài)條件下適播小麥品種的選擇提供生理學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

34個(gè)甘肅不同生態(tài)區(qū)生產(chǎn)中推廣的小麥品種(系)于2020年12月份種植于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玻璃日光溫室內(nèi)(蘭州市安寧區(qū)),冬小麥品種經(jīng)春化處理(3～5 ℃,30 d)后播種,品種詳細(xì)信息見表1。

表1 34個(gè)小麥品種(系)信息Table 1 Information of 34 wheat varieties(lines)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣 在開花期,從不同品種中分別選取3株長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的小麥,將每株的旗葉和倒二葉剪下,選擇葉片中部平整部位,按照透明膠帶法[17]取下葉片表層,利用顯微攝影儀,在10×40倍顯微鏡下,每葉片觀測(cè)3個(gè)視野并拍照。

對(duì)所有測(cè)定品種按不同葉位的氣孔密度進(jìn)行了比較,其中103株不同品種小麥旗葉的氣孔密度范圍為37.02～82.82個(gè)·mm-2,其平均值為51.29個(gè)·mm-2,98株不同品種小麥倒二葉的氣孔密度范圍為28.71～74.12個(gè)·mm-2,其平均值為49.47個(gè)·mm-2?？傮w上,小麥旗葉的氣孔密度平均較倒二葉高出3.68%,但兩者差異不顯著(P>0.05)(表5)。

對(duì)45株參試冬小麥的旗葉和倒二葉分別觀測(cè)了3個(gè)視野,結(jié)果表明:冬小麥葉片的氣孔密度范圍為38.28～78.98個(gè)·mm-2,其平均值為55.90個(gè)·mm-2。同樣,通過對(duì)59株春小麥的旗葉和倒二葉分別觀測(cè)3個(gè)視野發(fā)現(xiàn),春小麥葉片的氣孔密度范圍為28.47～60.00 個(gè)·mm-2,其平均值為45.85個(gè)·mm-2。由表2可知,冬小麥葉片的氣孔密度顯著高于春小麥(P< 0.05),且平均較春小麥增加21.92%。

2.1 實(shí)驗(yàn)組前哨淋巴結(jié)檢測(cè)結(jié)果 試驗(yàn)組有30例前哨淋巴結(jié)均在中央?yún)^(qū)找到，快速冰凍結(jié)果轉(zhuǎn)移陽(yáng)性，加做單側(cè)頸淋巴結(jié)清掃(Ⅱ～Ⅳ區(qū))。試驗(yàn)組均出現(xiàn)甲狀腺均勻黑染，Ⅵ區(qū)淋巴結(jié)呈結(jié)節(jié)樣黑染，未出現(xiàn)片狀黑染，喉返神經(jīng)未出現(xiàn)黑染，無納米碳外溢影響術(shù)野現(xiàn)象發(fā)生，見圖1A至圖1C。

氣孔大小的觀察:以氣孔大小的測(cè)定方法[18]為依據(jù)(用保衛(wèi)細(xì)胞的外縱徑×外橫徑表示,其中,外縱徑表示氣孔的長(zhǎng),外橫徑表示氣孔的寬),通過觀察氣孔的照片,用保衛(wèi)細(xì)胞的長(zhǎng)度來表示氣孔大小。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

結(jié)合以上兩種分類方式將小麥品種分為4類,其中,39株旱地冬小麥的旗葉和倒二葉的氣孔密度范圍為45.81～78.98個(gè)·mm-2,其平均值為56.25個(gè)·mm-2;6株水地冬小麥的旗葉和倒二葉的氣孔密度范圍為38.28～68.16 個(gè)·mm-2,其平均值為53.69個(gè)·mm-2;12株旱地春小麥的旗葉和倒二葉的氣孔密度范圍為40.47～51.53個(gè)·mm-2,其平均值為45.24 個(gè)·mm-2,47株水地春小麥的旗葉和倒二葉的氣孔密度范圍為36.24～60.00個(gè)·mm-2,其平均值為45.80個(gè)·mm-2。由表4可知,4類小麥葉片氣孔密度的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為:旱地冬麥>水地冬麥>水地春麥>旱地春麥,其中,旱地冬麥與水地冬麥氣孔密度差異不顯著,旱地春麥與水地春麥的氣孔密度差異也不顯著(P>0.05),但旱地冬麥氣孔密度較旱地春麥和水地春麥分別高出 24.34%和22.82%,水地冬麥氣孔密度較旱地春麥和水地春麥分別高出18.68%和17.23%。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥與春小麥葉片氣孔密度比較

氣孔密度=每個(gè)視野內(nèi)的氣孔數(shù)/視野面積。

表2 冬小麥與春小麥葉片氣孔密度差異比較Table 2 Difference of stomatal densities between winter wheat and spring wheat

2.2 旱地小麥與水地小麥葉片氣孔密度關(guān)系比較

按旱地小麥和水地小麥來統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)品種的氣孔密度,對(duì)51株參試旱地小麥的旗葉和倒二葉分別觀測(cè)了3個(gè)視野發(fā)現(xiàn):旱地小麥葉片的氣孔密度范圍為38.29～78.98個(gè)·mm-2,其平均值為53.66個(gè)·mm-2。同樣,通過對(duì)53株水地小麥的旗葉和倒二葉分別觀測(cè)3個(gè)視野,結(jié)果表明:水地小麥葉片的氣孔密度范圍為28.47～68.16 個(gè)·mm-2,其平均值為46.68個(gè)·mm-2。如表3,旱地小麥葉片的氣孔密度顯著高于水地小麥 (P<0.05),平均較水地小麥增加了14.95%。

表3 旱地小麥與水地小麥葉片氣孔密度關(guān)系比較Table 3 Difference of leaf stomatal densities between dryland wheat and irrigated wheat

2.3 旱地冬麥、水地冬麥、旱地春麥與水地春麥間葉片氣孔密度關(guān)系比較

采用Excel 2016和SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與方差分析。

綜上我們可以看出，蘇佩斯所構(gòu)建的科學(xué)理論觀點(diǎn)，不論是對(duì)理論的內(nèi)在描述還是外在描述，都以一種標(biāo)準(zhǔn)形式化的方式來完成科學(xué)理論對(duì)物質(zhì)世界的反映。

表4 旱地冬麥、水地冬麥、旱地春麥與水地春麥間葉片氣孔密度關(guān)系比較Table 4 Difference of stomatal densities among dryland winter wheat,irrigated winter wheat,dryland spring wheat and irrigated spring wheat

2.4 小麥旗葉與倒二葉氣孔密度關(guān)系比較

1.2.2 觀察與統(tǒng)計(jì) 根據(jù)拍攝照片中氣孔的大小與分布,計(jì)算每個(gè)視野內(nèi)的氣孔數(shù)量與視野面積(mm2),計(jì)算氣孔密度(個(gè)·mm-2),以每個(gè)部位葉片氣孔密度的平均值作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表5 小麥旗葉與倒二葉氣孔密度關(guān)系比較Table 5 Difference of stomatal density between flag leaf and second leaf from top of wheat

2.5 不同生態(tài)型小麥品種葉片氣孔形態(tài)差異比較

氣孔在植物的生長(zhǎng)過程中起著十分重要的作用。研究表明,氣孔特征參數(shù)與作物的栽培環(huán)境和品種的抗逆性密切相關(guān)[20]。通常情況下,在一定范圍內(nèi),氣孔密度越大越好。因?yàn)闅饪讛?shù)目增多,蒸騰速度加快,有利于水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。從光合作用角度來講,氣孔密度增大,能夠促進(jìn)CO2的同化量增大,加快光合速率,促進(jìn)更多有機(jī)物合成,從而提高植物的抗旱能力[6]。然而,在草地早熟禾中,有研究表明,減小葉片的氣孔密度,會(huì)增加蒸騰阻力,從而降低葉片水分散失,提高葉片含水量,增強(qiáng)草坪草的抗旱能力[21]。在大豆的研究中,有結(jié)果表明[7],經(jīng)過水分脅迫的葉片氣孔密度增加,品種的抗旱性越強(qiáng),氣孔開張的調(diào)節(jié)能力越大,氣孔密度的變化幅度越小。但是,也有研究表明,氣孔數(shù)量較少的水稻更加耐旱,在用水方面更加保守[22]。在小麥中,隨著干旱程度的加劇氣孔密度呈明顯的上升趨勢(shì)[23]。干旱脅迫對(duì)作物葉片氣孔密度的影響不僅與作物種類有關(guān),也與干旱脅迫的程度有關(guān)[24],這可能是前人研究結(jié)果差異的主要原因。本研究結(jié)果顯示,旱地小麥葉片氣孔密度的平均值高于水地小麥,冬小麥葉片氣孔密度的平均值高于春小麥?？梢?不同生態(tài)型小麥品種葉片的氣孔密度確實(shí)存在差異,氣孔密度與小麥的抗旱性和冬春性均密切相關(guān)。其原因可能是逆境脅迫抑制了細(xì)胞的伸長(zhǎng),單位面積內(nèi)細(xì)胞數(shù)目的增加導(dǎo)致了氣孔數(shù)目的增加,從而使得氣孔密度變大[25]。這是小麥通過氣孔調(diào)節(jié)來提高抗寒、抗旱能力,以適應(yīng)環(huán)境的反應(yīng)。有研究[26]表明,春播小麥的氣孔密度大于秋播小麥,這與本研究結(jié)果不一致,但并不矛盾,因?yàn)榍叭说难芯渴腔谕黄贩N,對(duì)比不同播期對(duì)氣孔密度的影響,而本研究參試的小麥品種不同,這更加凸顯了品種(遺傳因素)對(duì)氣孔密度的重要性。在多年生植物上,有研究表明,氣孔密度會(huì)受土壤溫度和CO2濃度的影響,但植物體內(nèi)碳水化合物的儲(chǔ)備狀態(tài)是決定氣孔密度的重要內(nèi)在因素[27]。有研究表明,氣孔密度的增加有助于灌木在冬季生長(zhǎng)季節(jié)對(duì)CO2的攝入和養(yǎng)分的吸收[28],而本研究中冬小麥的氣孔密度高于春小麥的原理及其效應(yīng)尚不清楚,有待進(jìn)一步研究。本研究還發(fā)現(xiàn),旱地冬小麥的氣孔密度大于水地冬小麥,而旱地春小麥的氣孔密度小于水地春小麥,這表明小麥的冬春性不同,干旱對(duì)氣孔密度影響的機(jī)理也不同?？梢?氣孔性狀由遺傳因素和多種環(huán)境因素共同決定的,它既是植物應(yīng)答外界環(huán)境的具體表現(xiàn),也是反映植物體內(nèi)代謝情況的重要生理指標(biāo),因此,在試驗(yàn)條件相同的前提下,將氣孔密度作為小麥抗旱品種選育或冬春性選擇的一種工具是值得參考的。

二是加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)，促進(jìn)科技成果推廣應(yīng)用。依托水利部“948”計(jì)劃、科技推廣計(jì)劃和國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金計(jì)劃，引進(jìn)“復(fù)頻超聲波除藻技術(shù)”等60余項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，推廣轉(zhuǎn)化高效節(jié)水灌溉技術(shù)等百余項(xiàng)先進(jìn)實(shí)用科技成果。編輯發(fā)布《水利科技成果公報(bào)》和《水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。

A.旱地春小麥:隴春35號(hào);B.旱地冬小麥:蘭天132;C.水地春小麥:酒春12;D.水地冬小麥:蘭航選121

3 討 論

3.1 不同生態(tài)型小麥品種葉片氣孔密度差異比較

氣孔是由一對(duì)半月形的保衛(wèi)細(xì)胞圍成的空腔。有研究[19]表明,氣孔周長(zhǎng)與氣孔面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系,因此,在實(shí)際研究中,通常以保衛(wèi)細(xì)胞的長(zhǎng)度和寬度來表示氣孔的大小。本研究對(duì)旱地春麥、旱地冬麥、水地春麥和水地冬麥葉片氣孔觀察發(fā)現(xiàn):同一生態(tài)型的小麥葉片氣孔形態(tài)分布趨于一致,因此,從4個(gè)生態(tài)型中分別選取一個(gè)典型品種對(duì)其氣孔分布及形態(tài)進(jìn)行比較。如圖1所示,旱地春小麥(圖1-A)的氣孔密度小于旱地冬小麥(圖1-B),但其保衛(wèi)細(xì)胞較長(zhǎng),且氣孔間距離普遍大于旱地冬小麥;同樣,水地春小麥(圖1-C)的氣孔密度小于水地冬小麥(圖1-D),但其保衛(wèi)細(xì)胞較長(zhǎng),且氣孔間距離普遍大于水地冬小麥。旱地春小麥的氣孔密度與水地春小麥的氣孔密度相近,其保衛(wèi)細(xì)胞的大小和氣孔排列的緊密程度也與水地春小麥相似;旱地冬小麥的氣孔密度大于水地冬小麥,但其保衛(wèi)細(xì)胞較小,且氣孔間距離普遍小于水地冬小麥。即具備較強(qiáng)抗旱能力或能夠越冬的小麥品種其葉片的氣孔密度相對(duì)較大,但氣孔形態(tài)較小。不同生態(tài)區(qū)的小麥品種氣孔形態(tài)具有顯著差異。

3.2 不同生態(tài)型小麥品種葉片氣孔形狀差異比較

前人研究表明,氣孔是限制光合作用的重要因子之一,葉片表皮氣孔大小和密度對(duì)氣孔導(dǎo)度有一定影響[29],提高氣孔導(dǎo)度可以改善作物的光合作用[30-32],因此,研究小麥葉片的氣孔結(jié)構(gòu)對(duì)提高其氣孔導(dǎo)度,從而改善光合速率,促進(jìn)增產(chǎn)具有重要意義。有研究表明,不同類型的水稻和小葉蚊母的氣孔密度與氣孔長(zhǎng)度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[33-34]。本研究對(duì)旱地春麥、旱地冬麥、水地春麥和水地冬麥的氣孔分布及形態(tài)進(jìn)行比較,結(jié)果表明,旱地小麥品種的氣孔長(zhǎng)度普遍小于水地小麥品種,冬性小麥品種的氣孔長(zhǎng)度普遍小于春性小麥,且表現(xiàn)出氣孔長(zhǎng)度越小,氣孔的排列也越緊密的趨勢(shì),即氣孔長(zhǎng)度和氣孔間距共同變小是氣孔密度增大的原因。這與李茂松等[19]在小麥進(jìn)化研究中的結(jié)果相似。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況可知,小麥品種‘晉麥47’抗寒抗旱能力強(qiáng),是我國(guó)西北區(qū)域有名的廣適性旱地冬小麥,本研究發(fā)現(xiàn)其葉片的氣孔長(zhǎng)度小且排列緊密,氣孔密度大于所有旱地春小麥、水地冬小麥和水地春小麥品種;此外,小麥品種‘蘭天26號(hào)’和‘蘭天19號(hào)’為近10年來甘肅省山旱地冬小麥推廣面積最大的品種,種植面積多年居全省第一、第二,其抗逆性和適應(yīng)性較好,研究發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)品種的氣孔長(zhǎng)度相對(duì)較小,氣孔排列也較為緊密,且兩個(gè)品種的氣孔密度均大于所有旱地春小麥品種,也大于多數(shù)水地春小麥和水地冬小麥品種?？梢?相對(duì)于大氣孔、低密度而言,氣孔小、密度高的葉片既能更好地阻止葉片水分的過度散失,又保證了光合作用的正常進(jìn)行,從而能夠更好地適應(yīng)干旱環(huán)境。因此,將氣孔的形態(tài)及分布作為小麥抗旱品種及冬春性選擇的工具也是值得參考的。然而,有研究指出,氣孔密度的增加可能與干旱等逆境條件使葉面積變小從而提高了單位葉面積上的氣孔個(gè)數(shù)有一定的聯(lián)系[35]。因此,在今后的研究中,應(yīng)將小麥氣孔密度和葉片總面積相結(jié)合,以了解兩者的關(guān)系,從而促進(jìn)小麥抗旱品種的選育和生產(chǎn)工作。此外,關(guān)于不同生態(tài)因子對(duì)小麥不同品種葉片氣孔特性的影響,也有待進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)證明。根據(jù)本研究結(jié)果,在實(shí)際應(yīng)用中建議將氣孔密度和氣孔形態(tài)相結(jié)合,作為小麥抗旱品種選擇或冬春性判斷的依據(jù)。

②對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行幅度拉伸預(yù)處理。根據(jù)小波變換分解后高頻系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,判斷是否需要對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行幅度拉伸預(yù)處理,預(yù)處理后的小波系數(shù)Dj,k。

4 結(jié) 論

通過研究發(fā)現(xiàn),旱地小麥品種葉片的氣孔密度顯著高于水地小麥,冬小麥品種葉片的氣孔密度顯著高與春小麥,旱地冬麥和水地冬麥葉片的氣孔密度均顯著高于旱地春麥和水地春麥。各品種小麥旗葉的氣孔密度平均值高于倒二葉,但兩者差異不顯著。不同生態(tài)型的小麥品種,氣孔形態(tài)小、密度大的品種具有更強(qiáng)的抗旱能力。因此,可將氣孔密度及其形態(tài)作為抗旱性選擇的一項(xiàng)參考指標(biāo),為小麥的生產(chǎn)、管理和育種者選育抗旱品種提供理論依據(jù)。