竹葉花椒-飛龍掌血嫁接樹表型及生理性狀的抗旱響應(yīng)

王 飛,郝佳波,胡 青,郭永清,饒紹松,陸 斌,辛培堯

(1. 西南林業(yè)大學(xué),國家林業(yè)和草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650224;2.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院,云南 昆明 650201;3.魯?shù)榭h林業(yè)和草原局,云南 昭通 657199)

竹葉花椒(Zanthoxylumarmatum)又稱青花椒,隸屬蕓香科(Rutaceae)花椒屬(Zanthoxylum),是一種兼具食用和藥用價值的木本油料植物,廣泛分布于云南、四川、重慶等地[1]。早在《詩經(jīng)》中就有文字記載其可用作調(diào)味料及中藥材[2]。多年來,國內(nèi)外研究人員致力于花椒栽培管理[3-4]、遺傳育種[5-6]、主成分分析與利用[7-8]以及產(chǎn)品貯藏加工[9-10]等多方面的研究,且取得了顯著成效。竹葉花椒是云南省傳統(tǒng)主栽花椒種之一,主要分布在金沙江、牛欄江流域的干熱河谷區(qū)以及麗江、楚雄等部分地區(qū)[11]。隨著花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和良種推廣,花椒現(xiàn)已成為云南主要經(jīng)濟樹種之一[6]。但由于干熱河谷地區(qū)特殊的環(huán)境和立地條件,干旱少雨、土壤貧瘠等問題日益突出,這嚴重影響了花椒的推廣種植。因此,針對云南竹葉花椒種植區(qū)的生態(tài)條件,開展提高竹葉花椒相關(guān)抗旱性研究,對擴大花椒產(chǎn)區(qū)、促進花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

嫁接苗是經(jīng)濟林木栽培最常用的苗木類型,而優(yōu)良砧木的選育對后期嫁接苗木的長勢、抗逆性、果實的產(chǎn)量和品質(zhì)等至關(guān)重要[12]。應(yīng)用砧木良種嫁接可增強栽培品種的抗逆性,如抗旱[13-14]、抗寒[15]、抗鹽堿[16-17]以及抗病蟲害[18]等。目前,國內(nèi)外在蘋果(Maluspumila)[19]、柑橘(Citrusreticulata)[20-21]、葡萄(Vitisvinifera)[22-23]等果樹中有關(guān)砧木選育嫁接的研究報道較多,且大部分是通過研究植株各組織表型、解剖結(jié)構(gòu)以及各生理指標的變化來反映砧木嫁接對接穗的影響。但有關(guān)花椒砧木選育及利用砧木嫁接來提高花椒抗逆性等方面的研究鮮見報道。龔霞等[24]選用大紅袍作砧木,通過嫁接不同接穗品種,為四川南部花椒產(chǎn)區(qū)篩選出了少刺且具有一定抗病蟲害特性的砧穗組合。蔡麟閣等[25]通過觀測3種砧木材料嫁接無刺花椒后接口愈合情況、成活率、生長結(jié)果狀況及抗病性等指標,發(fā)現(xiàn)豆椒作為無刺花椒砧木效果最好。在花椒抗旱砧木選育研究中,龔霞等[26]設(shè)置了不同干旱脅迫梯度,測定了6種花椒砧木的膜透性、葉片含水量、生長量等,利用隸屬函數(shù)法對其抗旱性強弱進行了排序;而有關(guān)花椒的解剖結(jié)構(gòu)、內(nèi)在生理生化抗旱響應(yīng)機制等卻鮮見報道。

飛龍掌血(Toddaliaasiatica)是蕓香科飛龍掌血屬(Toddalia)多年生木質(zhì)藤本植物,自然分布于云南、貴州等干熱河谷區(qū)的路旁、山坡疏林中,其主根深扎,側(cè)根及毛細根密集,對干旱、貧脊的土壤適應(yīng)性較強[27]。另外,在系統(tǒng)發(fā)育研究中,Li等[28]基于16個物種的葉綠體基因組構(gòu)建最大似然系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)飛龍掌血屬與花椒屬的親緣關(guān)系最為密切。根據(jù)前期嫁接和初步栽培觀測,發(fā)現(xiàn)以飛龍掌血作砧木嫁接竹葉花椒后其嫁接親和性較好,無“大小腳”現(xiàn)象,且嫁接苗在干旱條件下生長表現(xiàn)良好,是選育抗旱花椒砧木的優(yōu)良材料。目前有關(guān)飛龍掌血嫁接竹葉花椒后的主要性狀表現(xiàn)及抗旱響應(yīng)機制尚未清楚。因此,本研究在觀測竹葉花椒和飛龍掌血1年生實生苗根系特征的基礎(chǔ)上,對比分析了飛龍掌血做砧木嫁接竹葉花椒后葉片的解剖結(jié)構(gòu)、色素含量及主要生理指標的差異,并測算了果實產(chǎn)量,以期揭示飛龍掌血作為竹葉花椒抗旱砧木的特性和栽培價值,為竹葉花椒抗旱砧木的選育及該嫁接組合的應(yīng)用推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

材料采集在魯?shù)槊鞯禄ń非f園進行。明德花椒莊園位于云南省昭通市魯?shù)榭h小寨鎮(zhèn),屬低緯度山地季風(fēng)氣候;年平均氣溫14.7℃,年均無霜期289 d,年均降水量僅74.1 mm。從莊園育苗基地隨機各選5株竹葉花椒和飛龍掌血1年生實生苗作為根系觀測材料。同時,以2年生飛龍掌血實生樹為砧木,接穗在4年生竹葉花椒上采集,用枝接法嫁接。待嫁接樹接口愈合后,在園內(nèi)選取長勢基本一致的2年生飛龍掌血、4年生竹葉花椒及其嫁接樹各5株作為試驗樣木,在每株樣木樹冠外圍向陽面采集1年生枝條4～6葉位上完好的健康成熟功能葉,裝入采樣管,標記后置于液氮中帶回實驗室備用。所有材料于2022年4—5月采集,保證采樣前2個月無降雨及人工灌溉,且此時正值云南旱季末期,植株受干旱的影響較大,嫩葉略卷曲,采集的樣品更具代表性。

1.2 實生苗根系觀測

清水浸泡并沖洗干凈的完整苗木根系,利用萬深LA-S植物根系分析儀(杭州萬深檢測科技有限公司)測量并統(tǒng)計竹葉花椒和飛龍掌血1年生實生苗的根系總根長、體積、平均直徑、根尖數(shù)以及分叉數(shù)等指標。

1.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)觀察

參考李亞男等[29]提出的石蠟切片法,分別制作飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉子最寬處橫切面切片(厚度10～12μm),利用徠卡Leica顯微鏡觀察并拍照。根據(jù)圖像中標注的比例尺大小,用Image J軟件測量葉片組織厚度,取值為多視野下的平均值,并計算柵海比、葉肉組織緊密度及疏松度。

1.4 葉片光合色素含量測定

參考李萍[30]采用的光合色素含量測定方法,利用相關(guān)公式分別對應(yīng)計算飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素的含量。

1.5 葉片生理指標測定

分別測定飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量3種主要生理指標。超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性和丙二醛含量的測定方法分別為比色法、愈創(chuàng)木酚法和硫代巴比妥酸法[31]。

1.6 果實產(chǎn)量測算

選取冠幅基本一致的竹葉花椒和嫁接樹各5株,在果實成熟期測量各單株枝條數(shù)、枝條長度、枝條果穗數(shù)、鮮果產(chǎn)量及單位面積產(chǎn)量,并計算各指標平均值。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Excel 2003、SPSS 20.0等軟件進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹葉花椒和飛龍掌血的根系特征

結(jié)合根系掃描結(jié)果(圖1)和掃描數(shù)據(jù)方差分析(表1)可以看出,竹葉花椒和飛龍掌血1年生苗木根系之間的各項掃描參數(shù)均呈現(xiàn)顯著差異,其中飛龍掌血的總根長、根體積和平均直徑分別是竹葉花椒的1.3、1.8、1.2倍。從根系各指標的描述統(tǒng)計可以看出飛龍掌血苗木根系更為密集、發(fā)達,說明其對干旱的適應(yīng)能力更強。

表1 飛龍掌血和竹葉花椒苗木根系特征比較Table 1 Comparison of root characteristics of seedlings in T. asiatica and Z. armatum

圖1 竹葉花椒和飛龍掌血苗木根系掃描Fig.1 Root scanning of seedlings in Z. armatum and T. asiatica

2.2 砧木嫁接對竹葉花椒葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹的葉片解剖結(jié)構(gòu)和各微觀形態(tài)指標統(tǒng)計分析結(jié)果如圖2、表2所示。由圖2可以直觀地看出,飛龍掌血葉片的柵欄組織非常發(fā)達,厚度占到葉片總厚度的50%以上;經(jīng)計算,發(fā)現(xiàn)嫁接樹葉片的柵欄組織、海綿組織厚度與竹葉花椒相比分別顯著提高了46.57%和35.38%。但相比飛龍掌血,嫁接樹葉片的柵欄組織顯著降低了45.81%,而海綿組織卻顯著增加了50.61%。從葉片柵海比(PSR)來看,嫁接樹的柵海比與竹葉花椒相比雖提高了9.24%,但兩者差異不顯著。竹葉花椒和嫁接樹葉片的葉肉組織緊密度和疏密度在P<0.05水平上差異顯著。相比竹葉花椒,嫁接樹葉片的葉肉組織緊密度增加了21.82%(表2)。

表2 飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片解剖結(jié)構(gòu)特征比較Table 2 Comparison of anatomical features of T. asiatica, Z. armatum and their grafted tree

注:STT:海綿組織厚度;PTT:柵欄組織厚度。Note: STT: Spongy tissue thickness; PTT: Palisade tissue thickness.圖2 飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片解剖結(jié)構(gòu)橫切面Fig.2 Cross-section of leaf anatomy of T. asiatica, Z. armatum and their grafted tree

2.3 砧木嫁接對竹葉花椒葉片光合色素含量的影響

嫁接樹葉片的3種光合色素含量均介于飛龍掌血和竹葉花椒之間。嫁接樹葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量相比竹葉花椒對應(yīng)顯著增加了13.5%、87.3%、33.5 %;但與飛龍掌血相比,嫁接樹對應(yīng)的3種光合色素含量則顯著降低了13.4%、9.9%、29.2%(圖3)。嫁接組合的3個物種之間葉片各光合色素含量均達顯著差異水平,說明砧木嫁接顯著提高了竹葉花椒的光合色素含量,促進了光合作用。

注:圖中不同小寫字母表示不同材料間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant differences among materials (P <0.05).圖3 飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片光合色素含量比較Fig.3 Comparison of photosynthetic pigment content in leaves of T. asiatica, Z. armatum, and their grafted tree

2.4 砧木嫁接對竹葉花椒抗旱生理指標的影響

從飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片的SOD、POD活性和MDA含量的測定分析結(jié)果可以看出(表3),與竹葉花椒相比,嫁接樹葉片的SOD和POD活性分別提高了22.1%和6.4%,但MDA含量減少了4.6%;與飛龍掌血相比,嫁接樹葉片的SOD和POD活性分別減少了6.2%和15.7%,而MDA含量卻提高了84.1%。這3項生理指標在嫁接組合的3個物種間均達顯著差異水平。

表3 飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹主要生理指標分析Table 3 Analysis of main physiological indexes of T. asiatica,Z. armatum, and their grafted tree

2.5 葉片解剖結(jié)構(gòu)、光合色素含量和抗旱生理指標的相關(guān)關(guān)系

表4中3種光合色素含量之間呈極顯著正相關(guān),Chl.a與Chl.b、Caro.的相關(guān)系數(shù)r分別為0.89和0.97;柵海比與柵欄組織厚度(PTT)、3種光合色素含量、SOD和POD活性均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,但與海綿組織厚度(STT)和MDA含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,而丙二醛(MDA)含量除了與海綿組織厚度極顯著正相關(guān)之外,與其余各指標(PTT、PSR、Chl.a、Chl.b、Caro.、SOD和POD)均顯著或極顯著負相關(guān),其中與柵海比的相關(guān)系數(shù)最大(r=-0.98)。而值得注意的是,海綿組織厚度與3種光合色素含量之間均不相關(guān)。

表4 葉片解剖結(jié)構(gòu)、光合色素含量及抗旱生理指標間的相關(guān)性分析Table 4 Analysis of leaf anatomy, photosynthetic pigment content and correlation between main physiological indicators

2.6 竹葉花椒和嫁接樹產(chǎn)量比較分析

竹葉花椒和嫁接樹的樹體特征及果實產(chǎn)量統(tǒng)計結(jié)果見表5。方差分析顯示,竹葉花椒和嫁接樹的平均枝條長度、枝條果穗及單位面積產(chǎn)量呈顯著差異。其中,相比竹葉花椒,嫁接樹的平均枝條果穗和單位投影面積產(chǎn)量分別顯著提高了57.1%和34.1%,而平均枝條長度顯著降低了31.6%。

表5 竹葉花椒和嫁接樹果實產(chǎn)量分析Table 5 Analysis of fruit yield of Z. armatum and its grafted tree

3 討 論

抗逆性是植物在長期抵抗和適應(yīng)極端環(huán)境的過程中,經(jīng)自然選擇形成的穩(wěn)定的、可遺傳的特性,這種特性可在植物體內(nèi)部各組織結(jié)構(gòu)及生理生化反應(yīng)等方面得以體現(xiàn)[32]。竹葉花椒受干熱河谷地區(qū)特殊氣候的影響,干旱成為限制其生長、分布的主要因素[33]。因此,通過優(yōu)良砧木的選擇來提高竹葉花椒抗旱性在生產(chǎn)上有著重要的實踐意義。相關(guān)研究表明,通過優(yōu)良砧木嫁接可在一定程度上改變植物內(nèi)部原有的組織結(jié)構(gòu)及生理生化過程,增強樹體抗旱、抗寒等能力,以達到經(jīng)濟林果提質(zhì)增產(chǎn)的目的[34]。

植物根系是評判植物抗旱性強弱的重要指標,扎根越深、根系越發(fā)達就越能適應(yīng)干旱和貧瘠的環(huán)境[35]。通過對竹葉花椒和飛龍掌血1年生實生苗根系掃描數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)兩者根系的各項掃描指標間均呈顯著差異,其中飛龍掌血的總根長、體積和平均直徑分別是竹葉花椒的1.3、1.8倍和1.2倍;從數(shù)據(jù)描述統(tǒng)計結(jié)果可以看出飛龍掌血苗木根系更為密集、發(fā)達,說明其對干旱的適應(yīng)能力更強。

葉子是絕大多數(shù)植物進行光合作用的器官,對外界環(huán)境變化敏感,其葉形和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)均能反映植物對周邊環(huán)境的適應(yīng)性[36]。如植物比葉面積小,具角質(zhì)層或蠟質(zhì)層,柵欄組織發(fā)達,上表皮細胞排列緊密等特征都是對干旱生境的響應(yīng)[37-38]。李鴻雁等[39]對6種牧草葉片的9項與抗旱相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了測定,并利用葉片各項抗旱相關(guān)參數(shù)對抗旱能力進行了綜合評價,發(fā)現(xiàn)不同牧草的葉片厚度、柵欄組織和海綿組織的厚度之間差異顯著,且指出柵欄組織越緊密其抗旱能力越強。而本研究通過對飛龍掌血、竹葉花椒及其嫁接樹葉片解剖結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),利用抗旱砧木飛龍掌血嫁接,可顯著增加竹葉花椒柵欄組織、海綿組織及葉片總厚度,提高柵海比和葉肉緊密度,這與上述研究結(jié)論相符,說明砧木嫁接在一定程度上增強了竹葉花椒的干旱適應(yīng)性。

植物光合色素含量與其光合生產(chǎn)力緊密正相關(guān),尤其是葉綠素。長期的干旱環(huán)境會阻礙植物光合色素的積累,使光合生產(chǎn)力下降[40]。而通過砧木嫁接顯著增加了竹葉花椒葉片中3種光合色素的含量,提高了其在干旱環(huán)境下的光合生產(chǎn)力,這為植株有機物的積累和正常生長奠定了基礎(chǔ)。植物體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與其生理生化過程密切相關(guān)[41],如葉片柵欄組織的厚度、緊密度與光合作用相關(guān);氣孔的密度、大小與呼吸作用相關(guān)。本研究通過對葉片解剖結(jié)構(gòu)、光合色素含量及主要生理指標的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)3種光合色素含量與葉片柵欄組織厚度顯著相關(guān),但與海綿組織厚度卻不相關(guān),這是因為葉綠體主要存在于葉片柵欄組織中,而光合作用的主要場所就是葉綠體。孫旺旺等[42]在研究連翹葉片解剖結(jié)構(gòu)和色素含量時指出,葉綠體中含有葉綠素、類胡蘿卜素等多種光合色素,而葉綠體則主要位于葉片柵欄組織的細胞內(nèi)。

植物為了適應(yīng)干旱環(huán)境,其抗氧化能力、滲透調(diào)節(jié)作用以及膜脂過氧化程度等均會隨之改變。相關(guān)研究表明,在干旱脅迫過程中,各蛋白酶(POD、SOD、CAT等)活性、滲透調(diào)節(jié)物的含量如脯氨酸(Pro)以及膜脂過氧化反應(yīng)產(chǎn)物(MDA)含量等均會變化以響應(yīng)干旱脅迫[43],這對判斷植物抗旱性強弱有著重要的指示作用。其中,抗氧化酶POD、SOD等主要參與清除細胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基(ROS),進而幫助植物體抵御和忍耐干旱、高溫等非生物逆境造成的傷害[44]。石曉英等[19]研究了干旱脅迫下3種中間砧對蘋果苗生理特征的影響,發(fā)現(xiàn)從脅迫開始到結(jié)束,POD和SOD活性呈先升后降的趨勢,且各砧穗組合的變化幅度存在差異,指出干旱脅迫初期植物體會通過提高抗氧化酶活性來適應(yīng)干旱環(huán)境,這與本研究結(jié)果基本一致。通過砧木嫁接,發(fā)現(xiàn)嫁接樹的POD、SOD活性相比竹葉花椒有了顯著的提高,這說明在干旱條件下嫁接樹能更多地同時利用POD、SOD清除細胞內(nèi)的ROS,避免細胞膜損傷以應(yīng)對干旱環(huán)境。另外,干旱脅迫下會加快膜脂過氧化反應(yīng),致使MDA過多積累。有研究表明MDA含量和植物抗旱性呈負相關(guān)[45]。本研究經(jīng)測定發(fā)現(xiàn),干旱環(huán)境下竹葉花椒的MDA含量最高,而抗旱性較強的飛龍掌血則最低,嫁接樹介于飛龍掌血和竹葉花椒之間,在一定程度上表明花椒抗旱性與MDA含量呈反比關(guān)系,這與前人研究結(jié)果相一致。經(jīng)相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)除了海綿組織厚度之外,MDA含量與其他各指標均呈顯著負相關(guān)關(guān)系,而現(xiàn)有的研究已表明植物抗旱性與海綿組織呈反比關(guān)系,與柵海比、光合色素含量及抗氧化物活性呈一定的正相關(guān)關(guān)系[46],這進一步說明竹葉花椒MDA含量與其抗旱性為負相關(guān)。相比竹葉花椒,嫁接樹的MDA含量顯著降低,這間接反映出嫁接樹在干旱環(huán)境下細胞膜脂損傷程度較低,說明其干旱適應(yīng)性更強。

4 結(jié) 論

飛龍掌血作砧木嫁接竹葉花椒后,可顯著增加竹葉花椒葉片的柵欄組織厚度和葉肉緊密度,促進葉片中光合色素含量的積累,增強光合作用能力,調(diào)節(jié)主要生理指標的含量,進而提高竹葉花椒的抗旱性。研究結(jié)果可為竹葉花椒抗旱砧木選育和該嫁接組合的應(yīng)用推廣奠定理論基礎(chǔ)。