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自然干旱胁迫对米槁幼苗叶片显微结构及叶绿素含量的影响



全 文 :·园林花卉·植物 北方园艺2015(14):62~66
  
第一作者简介:文爱华(1989-),女,山东济南人,硕士研究生,研究
方向为野生动植物保护与利用。E-mail:wah0917@163.com.
责任作者:刘济明(1963-),男,重庆人,博士,教授,现主要从事植
物生态学等研究工作。E-mail:karst0623@163.com.
基金项目:贵州省林业厅重大资助项目(黔林科合[2010]重大04
号);黔南州社会发展科技计划资助项目。
收稿日期:2015-01-19
DOI:10.11937/bfyy.201514018
自然干旱胁迫对米槁幼苗叶片
显微结构及叶绿素含量的影响
文 爱 华,刘 济 明,高   攀,李 丽 霞,王 军 才,骆   畅
(贵州大学 林学院,贵州 贵阳550025)
  摘 要:以一年生米槁为试材,在为期22d的自然失水胁迫处理下,研究了米槁生长形态、叶
形态解剖结构以及光合色素在不同胁迫时间下的变化特点,以期探讨米槁幼苗对持续干旱胁迫
的适应能力及对策。结果表明:随着胁迫时间的增加,其生长指标受显著抑制;叶绿素a、b含量呈
先降低后升高再降低的趋势,但叶绿素a/b的趋势相反,类胡萝卜素含量先下降后上升;叶片厚
度、上表皮细胞厚度、叶脉周长和面积呈先下降后上升趋势;海绵组织厚度呈上升的趋势,栅栏组
织厚度和叶片组织结构紧密度(CTR)呈先下降后上升的趋势。表明米槁在干旱胁迫时可以通过
改变叶片内组织结构来提高其抗旱性。
关键词:米槁;干旱胁迫;叶形态结构;显微结构
中图分类号:S 567.239 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2015)14-0062-05
  干旱对植物体的影响主要是植物的生长发育[1-2],
而在植物生长发育过程中叶片是对环境变化比较敏感
和可塑性较大的器官[3],环境的改变势必会导致其形态
    
结构的变化。而叶片结构的稳定则直接影响着植物生
理生化功能发挥[4]。土壤有效水分的匮乏会对植物生
长状况、形态结构与生理生态过程产生显著影响[5-8],因
此,土壤水分状况与植物之间的关系一直是植物生理生
态学研究领域的热点问题之一。大多数植物在短期或
轻度土壤缺水下叶片水势下降,引起气孔关闭,限制了
CO2 摄取及光合作用速率;长期而严重的干旱胁迫可
限制植物生长,引起形态结构及生物量分配格局发生
变化,甚至会导致植物死亡[9-11]。因此,从生长、形态、
解剖结构及生理特征等多方面开展系统地研究,是把
  
germination rates between the treatment groups were significant(P<0.01),and a significant negative correlation
between the germination rates and the active nutrient concentrations was found.The germination rates showed a decrease
with the increasing nutrient concentrations.The high concentration of active nutrients inhibited the germination of
Paspalum notatumFlugge.The active nutrient had an influence on plant height,and the diference between the treatment
groups were significantly(P<0.01).The average height of group C6(150%)was 23.20cm which was the maximum,
the average height of group CK(0%)was 16.30cm which was the smalest at 300days.The average biomass of group
C6was maximum,the average biomass of group CK was the smalest at 300days.There were significant diferences
between the treatment group(P<0.01).The high concentrations of active nutrients had no significant efect on plant
biomass accumulation.The nutrient use eficiency trends of N,P and K were that the nutrient use eficiency had deceased
with the increasing active nutrient concentrations,there was a significant negative correlation between the nutrient use
eficiency and activity nutrient content.Al in al,the biomass of group C6was the maximum,and the nutrient use
eficiency was higher,which meet the requirements of ecological reconstruction.These results suggested that,group C6
was the best choice in the ecological engineering when Paspalum notatumFlugge was applied.
Keywords:Paspalum notatumFlugge;active nutrient;soil and water conservation;nutrient use eficiency
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北方园艺2015(14):62~66 植物·园林花卉·
握植物对不同强度干旱胁迫响应与适应的重要切入点。
米槁(Cinnamomum migao H.W.Li)属樟科樟属高
大乔木常绿植物,又名大果木姜子。米槁是贵州苗族民
间常用药物,其名字来源于苗语,异名有米槁(贵州黔
南)、麻槁(云南富宁)、大果樟(广西天峨)等[12]。据《重
庆草药》[13]记载:“米槁有逐寒、镇痛、健脾、消饱胀、治
心胃冷气痛等功效”。常用于治疗腹胀、腹痛、晕车呕
吐及牛马腹胀等人畜疾病。目前对米槁的研究主要集
中于化学成分的分离与鉴定[14-17],而有关干旱胁迫对
米槁形态、显微结构的影响方面的研究尚鲜见文献报
道。为此,现以贵州罗甸县的米槁幼苗为研究对象,采
用盆栽控水的方法对米槁的耐旱潜力进行研究,以期
阐明不同强度干旱胁迫下幼苗生长、叶片解剖结构、光
合色素等的变化特点,探讨幼苗的干旱适应能力及适应
对策。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选用贵州罗甸米槁幼苗带回贵州大学林学院苗圃,
采用盆栽方式种植,盆口直径为29cm,深度40cm,盆栽
土壤一致。
1.2 试验方法
于2014年7月将长势一致、无病虫害的30盆幼苗
移入隔绝降水的透明大棚,浇透水后采用自然干旱的方
法进行干旱胁迫。从第1天开始,选择长势一致的幼苗
进行株高、基径的测量,每个处理3次重复,设置停水0、
7、12、17、22d胁迫处理和复水15d后进行叶绿素指标
的测定。
1.3 项目测定
每次试验前,取每株幼苗中上部成熟叶片,进行
石蜡切片的制作。将备用叶片用清水冲洗干净,滤纸
吸干后放入70%的FAA固定液内固定。将固定的
叶片材料选取叶片中部切取0.5cm长宽的小块,按
洗涤→脱水与硬化→脱酒精→埋蜡→切片与粘片→
脱蜡→染色→封片的流程进行处理备用。用生物显
微镜进行叶片形态观察,并采用JIF-EITECH 图像
软件进行拍照和叶片形态测量。测量指标包括叶脉
周长、叶脉面积、叶片厚度、上表皮细胞厚度、海绵组
织厚度和栅栏组织厚度等结构参数。计算细胞结构
紧密度(CTR)[18]。CTR=(栅栏组织厚度/叶片厚
度)×100%。取幼苗植株中上部完全展开的新鲜叶,
在低温、避光条件下带回实验室,进行叶绿素a、叶绿
素b、类胡萝卜素含量的测定[19]。
1.4 数据分析
试验数据采用SPSS 19.0软件进行显著性分析,图
表处理采用Excel 2003软件。
2 结果与分析
2.1 不同干旱胁迫时间米槁幼苗生长特点
从表1不同干旱胁迫时间米槁幼苗生长参数及其
变化特点可以看出,随着干旱胁迫时间的增加,土壤含
水量显著下降,但基径和株高增长缓慢,当胁迫第7~12
天时,基径无显著变化,可能是土壤水分限制了基径的
增加;随着时间增加,株高呈缓慢增长趋势,复水后,株
高与胁迫期间有显著差异。表明随着干旱胁迫强度的
增加,基径和株高开始会有极缓慢的增长,达到一定强
度后几乎无变化。
表1 不同干旱胁迫时间米槁
幼苗生长特点
  Table 1 Growth characteristics of Cinnamomum migao H.W.
Li seedlings of diferent drought stress time
胁迫时间
Treatment time
/d
土壤含水量
Soil water content
/%
基径
Basal diameter
/cm
株高
Plant height
/cm
0  38.42±3.801d 0.79±0.024a 60.40±2.862a
7  20.57±2.220c 0.84±0.039ab  61.84±1.837ab
12  9.89±0.874b 0.87±0.063ab  64.47±1.193bc
17  6.92±0.502ab  0.93±0.061bc  65.29±0.858cd
22  4.58±0.114a 1.03±0.106c 67.40±0.889d
复水15  38.50±2.530d 1.15±0.138d 70.33±0.379e
  注:同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。
Note:Diferent lowercase letters in the same column show significant diference at
0.05level.The same below.
2.2 米槁幼苗
米槁叶为异面叶,叶肉明显分化为近上表面的栅栏
组织(P)与近下表皮面的海绵组织(S)2部分,其中栅栏
组织细胞1层,细胞呈长柱状排列紧密;而海绵组织细
胞2~3层,形状不规则,细胞间隙较大,内有维管束分
布,呈不规则半圆形,厚壁组织较发达。上下表皮各有
一层细胞,排列紧密、间隙较小(图1)。
2.3 不同干旱胁迫时间米槁幼苗叶片显微结构
试验观察,米槁幼苗叶脉内只有一个维管束,维管
束主要是运输植物体内养分和水分,一般而言,维管束
越大,数目越多,养分供应越好,有利于叶片的生长和光
合速率的提高[20-22]。由表2可知,叶脉周长和叶脉面积
随着胁迫时间的延长呈现先下降后上升的趋势,当胁迫
7d时达到了最小值;复水后,数值有所下降但较高于未
胁迫前。
植物叶片的栅栏组织厚度和结构紧密度是植物抗
性的指标之一[23-24],研究表明,叶片细胞结构紧密度越
大,植物耐旱性越强[25]。从表2还可以看出,栅栏组织
厚度和结构紧密度(CTR)呈先下降后上升趋势,胁迫
12d时出现最小值。叶片CTR值大,叶片细胞变小可减
少因干旱导致细胞收缩产生的机械损伤[26];而海绵组
织厚度随胁迫时间呈上升趋势,在胁迫12~17d时无
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·园林花卉·植物 北方园艺2015(14):62~66
  
图1 自然干旱胁迫对米槁幼苗叶片显微结构的影响
Fig.1 The influence of natural stress on microstructure of Cinnamomum migao H.W.Li seedling
  表2 自然干旱胁迫对米槁幼苗叶片解剖参数的影响
  Table 2 The influence of natural drought stress on anatomical parameters of Cinnamomum migao H.W.Li seedling
胁迫时间
Treatment time
/d
上表皮细胞厚度
Epidermis thickness
/μm
栅栏组织厚度
Fence organization thickness
/μm
海绵组织厚度
Spongy tissue thickness
/μm
细胞结构紧密度
Cel structure
tightness
叶脉周长
Vein circumference
/μm
叶脉面积
Vein area
/μm2
叶片厚度
Leaf thickness
/μm
0  22.48±0.585b 41.25±1.046b 58.75±1.650ab  0.27±0.008c 304.90±2.821b 6 507.40±184.671b 153.59±0.521d
7  19.14±0.631a 36.88±0.660a 74.32±1.673b 0.25±0.005b 256.28±3.723a 4 698.01±326.380a 145.12±0.607b
12  23.29±1.342bc  35.36±0.802a 79.43±1.807c 0.24±0.003a 365.56±6.393c 8 606.03±179.492c 148.34±1.304c
17  25.11±0.981c 39.60±0.234b 79.08±2.830c 0.27±0.005c 410.44±2.431d 8 920.44±84.411c 147.00±0.522c
22  25.13±0.747c 50.93±1.621d 92.04±1.368d 0.28±0.001b 448.42±5.595e 14 078.73±164.464d 180.86±1.344e
复水15  23.76±2.170bc  45.05±0.826c 49.79±2.593a 0.32±0.011d 413.78±5.248d 9 255.57±748.343c 141.23±0.542a
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北方园艺2015(14):62~66 植物·园林花卉·
显著变化。胁迫期间,叶片和上表皮的厚度呈现相似
趋势,即先下降后上升,但胁迫17d时,叶片厚度出现
了下降,但在12~17d时无显著差异。胁迫7d时二
者达到了最小值,胁迫17~22d时,上表皮厚度无显
著差异。复水后的叶片厚度和上表皮厚度均比未胁迫
显著提高。
2.4 不同干旱胁迫时间米槁幼苗叶片光合色素含量
变化
从表3可以看出,光合色素参与光合作用过程中
光能的吸收、传递和转化,其含量直接影响植株的光合
能力[27]。米槁幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素
a+b的含量在干旱胁迫时间上表现出相似的变化特点,
均随着干旱胁迫加强呈先下降后上升再下降的趋势,复
水后叶绿素含量均显著高于胁迫前;而类胡萝卜素含量
的变化趋势为先下降后上升,复水后含量低于未胁迫
前。叶绿素a含量和叶绿素b含量都在胁迫7d时达到
最小值,胁迫17d时达到了最大值,显著高于未胁迫前;
类胡萝卜素含量峰值则出现在胁迫22d时,低于未胁迫
前。叶绿素a+b含量在胁迫17d达到最高值,变化趋
势与叶绿素a、b含量一致,可见胁迫17d的土壤含水量
是米槁叶片叶绿素含量的阈值,即开始下降的拐点。叶
绿素a/b的比值反映植物对光能利用得多少,由表3
可知,随着胁迫时间的延长,叶绿素a/b呈现先上升后
下降再上升的趋势,复水后叶绿素a/b显著低于未胁
迫前;胁迫12d时达到最小值,但与胁迫17d无显著
差异。
  表3 自然干旱胁迫对米槁幼苗叶片光合色素含量的影响
  Table 3 The influence of natural drought stress on Cinnamomum migao H.W.Li seedling photosynthetic pigment content
胁迫时间
Treatment
time/d
叶绿素a含量
Chlorophyl a
content/(mg·g-1)
叶绿素b含量
Chlorophyl b
content/(mg·g-1)
叶绿素a/b
Chlorophyl a/b
叶绿素a+b含量
Chlorophyl(a+b)
content/(mg·g-1)
类胡萝卜素含量
Carotenoid
content/(mg·g-1)
0  0.59±0.018c 0.17±0.028b 3.53±0.651c 0.76±0.030c 0.26±0.016e
7  0.32±0.015a 0.08±0.010a 3.91±0.394c 0.41±0.022a 0.17±0.004c
12  0.64±0.004d 0.36±0.001d 1.80±0.013ab  1.00±0.004d 0.11±0.002a
17  0.78±0.007e 0.40±0.006e 1.93±0.043ab  1.18±0.005e 0.17±0.003c
22  0.47±0.005b 0.24±0.017c 1.98±0.167b 0.71±0.011b 0.23±0.009d
复水15  0.97±0.016f 0.71±0.013f 1.36±0.046a 1.68±0.004f 0.14±0.004b
3 结论与讨论
干旱对植物的影响是多方面、多层次的,除外部形
态外,也会影响其内部结构,干旱胁迫发生时,植物叶片
内部结构发生一系列变化来适应不利的环境。该研究
表明,随着胁迫时间的延长,基径和株高有显著差异,在
胁迫7~12d时,基径无显著差异,说明此时的土壤水分
已影响到了植株的正常细胞生长与分裂,使茎不能增
粗;复水后,显著高于胁迫前。
叶肉是叶片进行光合作用的主要场所,叶肉组织厚
度的变化对植物生长及水分利用有较大的影响,并且干
旱胁迫下叶肉细胞大小改变是叶肉厚度发生变化的主
要原因。前人研究认为高度发达的栅栏组织可以避免
干旱地区强烈光照对叶肉细胞的灼伤,又可以有效的利
用衍射光进行光合作用,即栅栏组织越厚、栅栏组织与
叶厚的比值越大,栅栏组织细胞越小且排列越紧密,则
植物利用光能的效率越高,抗旱性越强[25,28]。该研究
中,栅栏组织厚度、CTR随着胁迫时间延长而呈先下降
后上升趋势,叶片栅栏细胞长度不同程度纵向伸长,排
列趋于紧密,这可能有利于减少水分蒸腾,提高光合效
率;胁迫22d时达到了最高值说明米槁幼苗叶片结构能
够较好的适应干旱环境。复水后,栅栏组织有所增加。
海绵组织厚度随胁迫时间呈上升趋势,胁迫22d时达到
最大值,这与王顺才等[29]的研究结果相似。
叶片厚度主要有栅栏组织和海绵组织构成,因此,由
于叶肉厚度先下降后上升,所以导致其叶厚有相似趋势。
表皮是保护叶片免受外界破坏的基本结构,上表皮随着胁
迫时间呈先下降后上升,在胁迫7d时有最小值,表明细
胞开始受水分影响,随后增加可能是为降低蒸腾作用,减
少水分散失,以此来抵御干旱胁迫对细胞组织的伤害。
叶绿素主要包括叶绿素a和叶绿素b,是光合作用
中最重要和最有效的色素,其含量在一定程度上能够反
映植物同化物质的能力,从而影响植物的生长[27]。该研
究中,叶绿素含量随着胁迫时间的增加表现为先下降后
上升再下降的趋势,造成胁迫下叶绿素含量下降的原因
可能与质膜透性、膜质过氧化物 MDA、叶绿素分解加快
有关[30]。胁迫12~17d时,含量上升的原因可能是由于
土壤干旱,造成叶片失水,叶绿素的浓度相应增加导致。
随后下降的原因可能是叶绿素分解量大于叶绿素浓度
的相应增加量。这与李叶峰等[31]的研究相似。复水后,
叶绿素含量高于胁迫前,这说明随着干早胁迫时间的延
长,米槁通过提高叶绿素含量保证对光能的充分利用,
提高转化率以保证碳同化,从而增强了幼苗的净光合速
率,这种生理反应,是植物抗早能力的表现。
植物为了适应一定的水分胁迫,通常叶片的形态特
征会发生改变,如适当减少叶面积来降低植物叶片的蒸
腾速率,叶肉细胞结构中栅栏细胞长度纵向伸长、排列
趋向紧密以增加叶片对光能的捕获机会,从而来适应胁
迫环境。然而,植物的抗旱性还受诸多因素的影响,如
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·园林花卉·植物 北方园艺2015(14):62~66
树龄、土壤中盐的成分和气候因子等,自然条件下米槁
幼苗的抗旱性还需进一步验证与研究。
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WEN Aihua,LIU Jiming,GAO Pan,LI Lixia,WANG Juncai,LUO Chang
(Colege of Forestry,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025)
Abstract:Taking the annual Cinnamomum migao H.W.Li as material,in a period of 22days natural drought stress
treatment,the efect of diferent stress time on growth,leaf anatomical characteristics and photosynthetic pigment
contents of Cinnamomum migao H.W.Li were studied,in order to assess the ability and countermeasure of tolerating
drought in the species.The results showed that with increasing stress time,their growth targets was significantly inhibited;
Chl a and Chl b increased after the first decreased and then decreased,Chl a/b opposited and Car first declined then increased;
leaf thickness,the thickness of the skin,veins perimeter and area decresed at first and then increased;spongy tissue upward,
and palisade tissue and CTR decresed at first and then increased.The study showed that Cinnamomum migao H.W.Li during
drought stress could improve its drought resistance by changing the organizational structure of the blade.
Keywords:Cinnamomum migao H.W.Li;drought stress;morph-anatomical traits;micro-structure
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