紫薇突變體gl1和野生型葉片解剖結(jié)構(gòu)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

宋振興, 王淑安, 王 鵬, 李素梅, 楊如同, 李 亞

〔江蘇省中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園), 江蘇 南京 210014〕

葉色突變體又稱葉綠素突變體,一般由突變基因直接或間接引起的葉綠素含量或比例變化產(chǎn)生[1]。葉色黃化是葉色突變體的一種常見類型。研究發(fā)現(xiàn),多種園林植物存在葉色黃化突變體[2-4],這些突變體豐富了園林景觀色彩,具有很高的觀賞價值和特殊的園林用途。

紫薇(LagerstroemiaindicaLinn.)為千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(LagerstroemiaLinn.)多年生木本植物,具有較高的觀賞價值。gl1為江蘇省中國科學(xué)院植物研究所研究人員利用紫薇品種‘粉晶’(‘Fenjing’)自然變異產(chǎn)生的黃葉枝條扦插繁殖出的突變體,品種名為‘金幌’(‘Jinhuang’)[5],并且已經(jīng)以突變體gl1為核心親本培育出一系列彩葉紫薇新品種,如‘紫金’(‘Zijin’)、‘金玫’(‘Jinmei’)、‘粉金’(‘Fenjin’)和‘紫銅’(‘Zitong’),因此,該突變體可作為紫薇彩葉化育種的優(yōu)良種質(zhì)資源。

研究發(fā)現(xiàn),黃綠葉突變體的光能利用率較低、環(huán)境適應(yīng)性較弱,但也存在少數(shù)黃綠葉突變體的光能利用率相對較高、環(huán)境適應(yīng)性相對較強的情況[6]。前期研究發(fā)現(xiàn),在自然光照下,紫薇突變體gl1葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量均顯著低于野生型[7-8],然而,該突變體對光能的吸收利用特性尚不清楚。為了探明這一問題,筆者以‘粉晶’為野生型對照,對紫薇突變體gl1葉片的橫切面解剖結(jié)構(gòu)特征和葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化進行了研究。

1 材料和方法

1.1 材料

供試的紫薇突變體gl1和野生型對照‘粉晶’均種植于南京中山植物園紫薇苗圃內(nèi)。樣株均為硬枝扦插獲得的3年生無性系苗,水肥管理條件一致。定植用塑料缽上口徑28 cm、下口徑16 cm、高20 cm,每缽1株,栽培基質(zhì)為V(草炭)∶V(珍珠巖)∶V(椰糠)∶V(有機肥)=9∶5∶5∶1的混合基質(zhì)。于2022年3月初在新芽未萌動前修剪主莖,留茬高度5 cm;同年5月中旬(最高光照強度1 600 μmol·m-2·s-1)選取長勢基本一致的樣株進行實驗。

1.2 方法

1.2.1 葉橫切面解剖結(jié)構(gòu)觀測 選取突變體和野生型植株各4株,采集每株向陽面枝條上部的第4枚成熟葉,切取主脈兩側(cè)面積約0.5 cm×0.5 cm的小塊,放入FAA溶液〔V(無水乙醇)∶V(甲醛)∶V(冰醋酸)=90∶5∶5〕中固定,然后制成石蠟切片[9],切片厚度8 μm,經(jīng)番紅和固綠染色后置于Eclipse Ni-U光學(xué)顯微鏡(日本Nikon公司)下觀察并拍照,每個重復(fù)隨機抽取5個視野,使用明美顯微數(shù)碼測量分析系統(tǒng)測量葉片、上表皮、柵欄組織、海綿組織和下表皮的厚度,并計算柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值(柵海比)。

1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定 于晴朗日10:00左右選取突變體gl1和野生型植株各4株,選擇每株向陽面枝條上部的第4枚成熟葉,每株選取3枚葉片。將葉片暗適應(yīng)30 min后,采用OS1p便攜式調(diào)制熒光儀(美國Opti-Sciences公司)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù),包括光適應(yīng)下的初始熒光、最大熒光和最大光化學(xué)效率以及電子傳遞速率、實際光量子產(chǎn)額、調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額和非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和單因素方差分析(one-way ANOVA)。

2 結(jié)果和分析

2.1 葉片橫切面解剖結(jié)構(gòu)比較

從葉片橫切面解剖結(jié)構(gòu)(圖1)看,突變體gl1和野生型葉片的上、下表皮均由1層排列緊密的長方形或橢圓形細胞組成,且無明顯的細胞間隙;葉脈分布于葉肉間;柵欄組織緊鄰上表皮,并規(guī)整排列于上表皮的垂直面上,由2～3層長柱形薄壁細胞組成;海綿組織緊鄰下表皮,細胞大小不一、形狀不規(guī)則、分布較分散且間隙較大。比較而言,野生型葉片的柵欄組織排列緊湊,葉綠體較多,而突變體gl1葉片的柵欄組織排列較為疏松,葉綠體較少。

Cp: 葉綠體Chloroplast; Ue: 上表皮Upper epidermis; Le: 下表皮Lower epidermis; Pt: 柵欄組織Palisade tissue; St: 海綿組織Spongy tissue; Vb: 維管束Vascular bundle.圖1 紫薇突變體gl1(A)和野生型(B)葉片橫切面的解剖結(jié)構(gòu)Fig.. 1 Leaf transverse anatomical structures of leaves of mutant gl1 (A) and wild type (B) of Lagerstroemia indica Linn.

葉片橫切面解剖結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(表1)顯示:與野生型相比,突變體gl1葉片的葉片厚度顯著(P<0.05)升高;上表皮厚度、下表皮厚度和海綿組織厚度極顯著(P<0.01)升高,增幅分別為21.98%、28.07%和40.66%;柵欄組織厚度和柵海比極顯著降低,降幅分別為20.03%和43.16%。

表1 紫薇突變體gl1和野生型葉片橫切面解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)比較Table 1 Comparison on parameters of transverse anatomical structures of leaves of mutant gl1 and wild type of Lagerstroemia indica Linn.

2.2 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

從葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)(表2)看,與野生型相比,突變體gl1的光適應(yīng)下初始熒光和調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額顯著(P<0.05)升高,增幅分別為13.68%和25.92%;非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額極顯著升高,增幅為105.51%;光適應(yīng)下的最大熒光和最大光化學(xué)效率、電子傳遞速率和實際光量子產(chǎn)額極顯著(P<0.01)下降,降幅分別為48.61%、79.10%、77.64%和84.62%。

表2 紫薇突變體gl1和野生型葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較Table 2 Comparison on chlorophyll fluorescence parameters of leaves of mutant gl1 and wild type of Lagerstroemia indica Linn.

3 討論和結(jié)論

植物葉片解剖結(jié)構(gòu)特征與光合作用密切相關(guān)[10-12]。比較發(fā)現(xiàn),紫薇突變體gl1葉片的上、下表皮厚度極顯著(P<0.01)高于野生型,可能會造成紫薇突變體gl1的蒸騰作用和葉片氣體交換水平下降。另外,突變體gl1葉片的柵欄組織厚度和柵海比極顯著低于野生型,且葉綠體較少,說明突變體gl1葉片中缺少用于光合作用的光合結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其光合能力大幅下降,筆者的前期研究結(jié)果[13]已經(jīng)證實了這一推論。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反映植物吸收和利用光能的效率,與葉綠體發(fā)育密切相關(guān)[14-15]。紫薇突變體gl1葉片的光適應(yīng)下最大光化學(xué)效率、實際光量子產(chǎn)額和電子傳遞速率均極顯著低于野生型,說明該突變體光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的光能捕獲效率和利用效率均較低,這與突變體gl1的葉綠體稀少密切相關(guān)。突變體gl1葉片的調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額極顯著高于野生型,由此推斷該突變體葉片的熱耗散效率較高,這可能與突變體gl1的類胡蘿卜素含量與葉綠素含量的比值極顯著升高有關(guān)[16]。而且,突變體gl1的非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額極顯著高于野生型,說明該突變體的熱耗散不能及時消耗全部過量光能,在高光照條件下過量光能的累積會導(dǎo)致光抑制和光損傷,使葉片出現(xiàn)漂白、焦枯甚至脫落等現(xiàn)象[13]。

綜上所述,紫薇突變體gl1對光能的吸收和利用效率均較低,在高光照條件下易出現(xiàn)光抑制和光損傷癥狀。因此,該突變體在園林應(yīng)用中應(yīng)避免長時間的陽光直射。