異源三倍體榆樹(shù)葉片形態(tài)及光合特性

閆曉麗 王書(shū)柔 丁新宇 劉興菊 梁海永

摘要：? 雜交與多倍化是物種進(jìn)化與多樣化的主要途徑。本研究以二倍體大果榆與四倍體白榆雜交獲得的榆樹(shù)異源三倍體后代及其親本為材料，比較榆樹(shù)異源三倍體在表型性狀與親本之間的差異，并對(duì)其光合特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，榆樹(shù)異源三倍體葉面積小于母本二倍體大果榆，與父本四倍體白榆不存在明顯差異，而其綜合葉片形態(tài)特征遺傳特性更為偏向于母本；榆樹(shù)異源三倍體氣孔大小顯著高于母本二倍體大果榆，與父本四倍體白榆無(wú)顯著差異；葉片厚度榆樹(shù)異源三倍體較父母本薄。葉綠素含量與葉綠素a/b比值與父本四倍體白榆無(wú)顯著差異，但顯著高于母本二倍體大果榆。葉片凈光合速率顯著高于母本二倍體大果榆，與父本四倍體白榆無(wú)顯著差異。

關(guān)鍵詞：? 榆樹(shù);? 異源三倍體;? 表型性狀

中圖分類(lèi)號(hào)：? ?S 722. 3 + 4? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?B? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：１００1 － 9499（２０23）04 － 0001 － 05

Leaf Morphology and Photosynthetic Characteristics of Allotriploid Elm

YAN Xiaoli1 WANG Shurou1 DING Xinyu1LIU Xingju1 LIANG Haiyong1 ， 2**

（1. College of Forestry， Hebei Agricultural University，? Hebei Baoding 071000; 2. Key Laboratory of Germplasm Resources and Forest Conservation， Hebei Province，? Hebei Baoding 071000）

Abstract Hybridization and polyploidization are the main ways of species evolution and diversity. In this study， the allotriploid progeny of elm and its parent obtained from the cross between Ulmus macrocarpa and tetraploid Ulmus pumila were used as materials to compare the differences between phenotypic traits and parents of the allotriploid elm， and analyse its photosynthetic properties. The results showed that the leaf area of allotriploid elm was smaller than that of diploid U. pumila， and there was no significant difference between allotriploid elm and tetraploid U. pumila， but the genetic characteristics of its comprehensive leaf morphological characteristics were more inclined to the female parent; The stomatal size of allotriploid of elm was significantly higher than that of diploid U. macrocarpa of female parent， but there was no significant difference between allotriploid and tetraploid U. pumila of male parent; The leaf thickness of elm allotriploid is thinner than that of its parent. Chlorophyll content and chlorophyll a/b ratio were not significantly different from those of the male parent? tetraploid U. pumila， but were significantly higher than those of the female parent U. pumila. The net photosynthetic rate of leaves was significantly higher than that of the female parent U. macrocarpa， and there was no significant difference between it and the male parent tetraploid U. pumila.

Key words elm; heterologous triploids; phenotypic traits

榆樹(shù)（Ulmus pumila）為榆科（Ulmaceae）榆屬（Ulmus）植物。廣泛分布于我國(guó)華北、西北、東北等地區(qū)，是重要的鄉(xiāng)土樹(shù)種之一，具有耐鹽堿、耐旱、耐瘠薄等特性，經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)價(jià)值較高，是難能可貴的優(yōu)質(zhì)木材。大果榆廣泛分布于我國(guó)山地海拔700～1 800 m地帶，具有耐干旱、抗嚴(yán)寒，能適應(yīng)堿性土壤的特性。目前，因其缺少遺傳性狀優(yōu)良的品種，榆樹(shù)除少量應(yīng)用于園林綠化上，在其他方面應(yīng)用較少，大多數(shù)地區(qū)基本處于自然的狀態(tài)，在林業(yè)上基本不用其營(yíng)造用材林[ 1 ]，因此，選育出適應(yīng)性強(qiáng)、抗性強(qiáng)以及遺傳品質(zhì)優(yōu)的良種成為榆樹(shù)育種工作中亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。

基因組加倍形成多倍體是植物進(jìn)化與多樣化的主要機(jī)制之一[ 17 ]，幾乎所有植物都經(jīng)歷過(guò)至少一次基因組加倍，在被子植物中約30%～35%的植物都經(jīng)歷過(guò)多倍化[ 2 ]。染色體作為植物基因的主要載體[ 3 ]，因而染色體倍數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致基因組加倍，植物便會(huì)產(chǎn)生較大的遺傳變異以及性狀的改變產(chǎn)生多倍體。由同一物種種內(nèi)染色體加倍產(chǎn)生同源多倍體，如二倍體染色體加倍可產(chǎn)生同源四倍體[ 18 ]。另一種，因不同物種種間雜交從而產(chǎn)生異源多倍體，其涉及到不同親本亞基因組重新配對(duì)雜合度增加，可產(chǎn)生雜種優(yōu)勢(shì)或過(guò)優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)象[ 19 ]。目前有研究表明，異源多倍體因具有較高的雜合性，存在雜種優(yōu)勢(shì)，與親本相比，在表型上存在差異，具體表現(xiàn)在葉片形態(tài)、氣孔大小以及葉片厚度的變異[ 4 ]。如楊樹(shù)異源三倍體與二倍體相比葉面積大，葉綠體老化速度慢以及葉綠素含量高等優(yōu)勢(shì)[ 20 ]；Kang Du等研究表明枇杷雜種三倍體后代與其親本之間的葉片厚度存在顯著差異[ 21 ]；通過(guò)對(duì)青楊異源三倍體不同部位葉片進(jìn)行研究，表明葉片中碳水化合物合成以及光合能力，明顯高于親本二倍體[ 5 ]。

本研究以二倍體大果榆與四倍體白榆雜交獲得的榆樹(shù)異源三倍體及親本為材料，比較榆樹(shù)異源三倍體在表型性狀與親本之間的差異，并對(duì)榆樹(shù)異源三倍體及親本的光合特性進(jìn)行分析，其目的是探究二倍體大果榆與四倍體白榆雜交后代的遺傳特性，為選育出適應(yīng)性強(qiáng)、抗性強(qiáng)以及遺傳品質(zhì)優(yōu)的榆樹(shù)新種質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

選取二倍體大果榆×四倍體白榆雜交獲得的榆樹(shù)異源三倍體嫁接苗為材料，以同期嫁接的父母本苗木為對(duì)照。所有試驗(yàn)材料均來(lái)自河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院苗圃，并且父本及后代倍性均經(jīng)過(guò)流式細(xì)胞儀鑒定。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 葉片形態(tài)觀測(cè)

于2022年7月份，從榆樹(shù)異源三倍體及親本枝條上，隨機(jī)選取生長(zhǎng)健壯枝條中上部相同節(jié)位的功能葉，采集20片葉作為重復(fù)，葉片采集后立即放入冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉片形態(tài)指標(biāo)觀察與測(cè)定，葉片通過(guò)掃描儀掃描獲得圖像，之后采用Lamina 1.0.2葉形分析軟件進(jìn)行分析，測(cè)得葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)、葉面積、葉片指數(shù)以及鋸齒數(shù)量等葉片形態(tài)指標(biāo)[ 6 ， 7 ]，葉片形態(tài)觀察則參照榆屬研究描述規(guī)范對(duì)葉片形態(tài)進(jìn)行目測(cè)描述[ 8 ， 9 ]。

1. 2. 2 氣孔大小觀測(cè)

從榆樹(shù)異源三倍體及親本枝條上選取從上到下相對(duì)同一部位第4～7片功能性葉片，帶回實(shí)驗(yàn)室，用蒸餾水清洗掉葉片表面塵土，擦凈水分，采用手撕切片的方法[ 10 ]，將透明膠帶粘在葉片背面，避開(kāi)主葉脈，反復(fù)粘貼葉片，直至撕下葉片下表皮，之后把粘有下表皮的膠帶剪成5 cm×5 cm的矩形方塊，并將其粘在滴有蒸餾水的載玻片上壓片鏡檢，在目鏡為10×、物鏡為40×的Olympus BX 53光學(xué)顯微鏡下隨機(jī)選取6個(gè)視野進(jìn)行拍照，圖像由uv-vis Analyst軟件進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)每視野中觀測(cè)到的單位面積氣孔個(gè)數(shù)，隨機(jī)選取6個(gè)氣孔，觀測(cè)保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度、寬度等數(shù)據(jù)，取其平均值進(jìn)行比較分析 [ 11 ， 12 ]。

1. 2. 3 葉片厚度測(cè)定

在榆樹(shù)異源三倍體及親本生長(zhǎng)健壯，且長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的枝條上摘取完全展開(kāi)的葉片，枝條上相對(duì)同一部位摘取6片葉為重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室用清水沖洗，采用徒手切片的方法[ 13 ]，將其制成臨時(shí)裝片，在Olympus BX 53光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照，每一切片觀察6個(gè)視野，之后采用uv-vis Analyst分析軟件對(duì)葉片上表皮、柵欄組織以及海綿組織等葉片厚度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

1. 2. 4 葉綠素含量測(cè)定

葉綠素含量測(cè)定采用95%乙醇浸提法，選取健壯正常生長(zhǎng)的葉片，擦凈組織表面污物，剪碎（粗大的葉脈去除）后放入干凈的培養(yǎng)皿中，稱取0.05 g，共重復(fù)3次，分別置于25 ml的刻度試管中，隨后加入95%乙醇10 ml，于黑暗中24 h浸提，定時(shí)搖勻，至葉片組織完全變白，取上清液。將所得到的葉綠素提取液取4 ml加入光徑1 cm的比色杯內(nèi)，以95%乙醇為空白對(duì)照組，在分光光度計(jì)波長(zhǎng)為665、649 nm以及470 nm下測(cè)定吸光度值（OD）。分別計(jì)算葉綠素a、b、類(lèi)胡蘿卜素以及葉綠素總濃度（ml/L），公試參照李合生法[ 14 ]。

關(guān)系式：Ca=13.95A665-6.88A649

Cb=24.96A649-7.32A665

Cx.C=

CT=Ca+Cb

1. 2. 5 光合參數(shù)測(cè)定

于6月中旬，在榆樹(shù)異源三倍體及親本植株中，分別選擇3株長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良的植株，于晴天上午10～11點(diǎn)，采用LI-6800便攜式光合儀，測(cè)定每株植株從頂部往下第5～6片成熟且完全展開(kāi)的葉片，每株選取3片葉作為重復(fù)，測(cè)量指標(biāo)包括凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間 CO2 濃度以及蒸騰速率等指標(biāo)[ 15 ]。

2 結(jié)果與分析

2. 1 葉片形態(tài)特征

葉片的形態(tài)特征是最能直觀的顯示父母本與后代之間最大差異的特征。由圖1可知，表觀上榆樹(shù)異源三倍體葉呈寬卵形，葉尖漸尖，葉基圓鈍，葉片邊緣圓鋸齒，而其母本二倍體大果榆葉呈倒卵形，葉尖短尾尖，葉基寬楔形，葉片邊緣重鋸齒。父本四倍體白榆葉則呈卵狀披針形，葉尖長(zhǎng)漸尖，葉基偏斜形，葉片邊緣單鋸齒或重鋸齒。異源三倍體葉片在葉片形狀、葉片質(zhì)地更傾向于其母本二倍體大果榆；但葉邊緣鋸齒、葉片基部形狀以及次生葉脈與主葉脈之間角度較大，介于兩親本中間。

由表1可知，榆樹(shù)異源三倍體葉長(zhǎng)為（90.30±2.65）mm，小于其親本長(zhǎng)度，而其葉寬大于父本四倍體白榆，小于母本二倍體大果榆，寬度為（54.21±0.04）mm，并且在葉長(zhǎng)、葉寬、葉片周長(zhǎng)以及鋸齒數(shù)量上與親本相比均存在顯著差異。但其葉片長(zhǎng)寬比與母本相似，不存在顯著差異；但與父本存在顯著差異；而葉片面積則小于母本二倍體大果榆，但與父本差異不顯著。

由表2可知，二倍體大果榆與四倍體白榆雜交后代榆樹(shù)異源三倍體9個(gè)葉片形態(tài)性狀的中親優(yōu)勢(shì)率的范圍為-32.86%～15.79％，其中葉圓度、葉鋸齒平均寬以及葉鋸齒平均深度表現(xiàn)為正向中親優(yōu)勢(shì)，且遺傳力大于100%，最大中親優(yōu)勢(shì)為葉片圓度，而葉長(zhǎng)、葉寬以及葉片面積等6個(gè)性狀表現(xiàn)均為負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)。9個(gè)葉片形態(tài)性狀的變異系數(shù)為2.10%～7.21%，平均變異系數(shù)為7.18，其中葉寬的變異系數(shù)最小，為2.10%，而葉面積的變異系數(shù)最大，為7.21%。

2. 2 氣孔大小特征

氣孔是進(jìn)行染色體倍性鑒定的重要器官，由表3可以看出，榆樹(shù)異源三倍體在氣孔密度、大小與母本二倍體大果榆相比均存在顯著差異。其中，其氣孔密度顯著小于母本，而大于父本；氣孔長(zhǎng)度為（21.74±0.30）μm，大于母本的氣孔長(zhǎng)度。但在氣孔長(zhǎng)度以及保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)等方面，榆樹(shù)異源三倍體均小于父本四倍體白榆，存在顯著差異；而可見(jiàn)，由于倍性增加，榆樹(shù)異源三倍體氣孔大小比母本二倍體大果榆顯著增大，但與父本四倍體白榆相差不大。

2. 3 葉片厚度特征

葉片解剖結(jié)構(gòu)特征可以較好的反應(yīng)植物對(duì)不良環(huán)境的抵抗能力，而染色體加倍后會(huì)引起植物葉片厚度的變化。如圖2觀察到榆樹(shù)異源三倍體葉片厚度明顯不同于親本。由表4可知榆樹(shù)異源三倍體與其親本葉片解剖結(jié)構(gòu)存在顯著差異。榆樹(shù)異源三倍體葉片厚度（147.28±1.74）μm，而親本二倍體大果榆與四倍體白榆葉片厚度分別為（225.82± 4.66）μm、（233.30±3.89）μm，其葉片厚度小于親本；且柵欄組織以及海綿組織均小于親本，分別為（69.80±1.37）μm、（46.46±2.38）μm。可見(jiàn)榆樹(shù)異源三倍體葉片厚度與親本相比明顯變薄。

2. 4 葉綠素含量測(cè)定

葉綠素是植物光合作用中必不可少的活性物質(zhì)，其含量測(cè)定被認(rèn)為是衡量植物生長(zhǎng)狀況以及對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)能力的重要指標(biāo)。榆樹(shù)異源三倍體與其親本葉綠素含量存在差異較小。榆樹(shù)異源三倍體葉綠素a含量、葉綠素b含量以及葉綠素總量分別為（2.06±0.02）mg/g、（0.60±0.03）mg/g以及（2.66± 0.05）mg/g。與親本相比，均大于母本二倍體大果榆，存在顯著差異，但與其父本四倍體白榆不存在顯著差異，且葉綠素a/b、類(lèi)胡蘿卜素/葉綠素總量也不存在差異?？梢?jiàn)，榆樹(shù)異源三倍體雜交倍性增加，葉綠素含量較母本二倍體大果榆有所增加，但與父本四倍體白榆相差較小。

2. 5 葉片光合特性

光合作用是植物進(jìn)行物質(zhì)能量積累以及生理代謝的基本途徑，葉片光合特性可有效揭示植物對(duì)外界生存環(huán)境的適應(yīng)能力。由表6可知，榆樹(shù)異源三倍體葉片光合特性與其親本間存在顯著差異，其中異源三倍體的凈光合速率為（25.27±1.10）μmol/m2·s，明顯高于母本二倍體大果榆，存在顯著差異，而與父本四倍體白榆不存在顯著差異；但在蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度以及氣孔導(dǎo)度等均大于其父本四倍體白榆，存在顯著差異，而與母本二倍體相比差異不明顯。說(shuō)明由于倍性增加，榆樹(shù)異源三倍體光合速率明顯高于母本二倍體大果榆，但在光合其他特性上大于父本四倍體白榆，可能與樹(shù)種本身特性有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

雜交與多倍化促使物種進(jìn)化以及多樣化，其是異源多倍體的起源[ 22 ， 23 ]，因異源多倍體植物受基因組加倍產(chǎn)生多倍體以及不同親本雜交基因型重組存在雜合性的雙重影響，與二倍體相比存在明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)且表現(xiàn)出新的表型性狀[ 24 ， 25 ]。鄭赟等[ 16 ]通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交與人工誘導(dǎo)染色體加倍獲得陸地棉異源四倍體和異源六倍體，對(duì)其形態(tài)性狀及生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)陸地棉異源四倍體表型性狀繼承了親本性狀，也出現(xiàn)了與親本不同的新的性狀，同時(shí)異源六倍體葉面積、葉綠素含量以及氣孔大小顯著高于其親本；王溢等[ 5 ]研究表明青楊異源三倍體的葉片面積、凈光合速率以及葉綠素含量均高于二倍體，以上研究除葉面積外與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)榆樹(shù)異源三倍體葉面積明顯小于母本二倍體大果榆，但與父本四倍體白榆相差不大；且葉片厚度較親本二倍體大果榆與四倍體白榆明顯薄。

本研究通過(guò)對(duì)榆樹(shù)異源三倍體及父母本葉片表型性狀以及光合特性進(jìn)行測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)二倍體大果榆與四倍體白榆雜交產(chǎn)生榆樹(shù)異源三倍體表型性狀以及光合能力方面與親本存在顯著差異。榆樹(shù)異源三倍體葉面積小于母本二倍體大果榆，與父本四倍體白榆無(wú)顯著差異；葉片形態(tài)特征遺傳特性更為偏向于母本；榆樹(shù)異源三倍體氣孔大小明顯大于母本二倍體大果榆，且葉綠素含量、凈光合速率也顯著高于母本；但葉片厚度榆樹(shù)異源三倍體較父母本薄。

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