全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 9期, 2010年 9月 917
收稿 2010-04-27 修定 　2010-07-27
资助 科技部基础性工作专项(2007FY110400-3)和黑龙江省
“十一五 ” 攻关项目(GA06B301-2)。
* 通讯作者(E-ma il : l ika i long@1 2 6.com; Tel : 0 4 51 -
8 21 90 60 7 -1 2)。
不同倍性大青杨的光合特性及叶片解剖结构比较
祁传磊, 靳春莲, 李开隆 *, 李志新, 赵慧
东北林业大学, 林木遗传育种与生物技术教育部重点实验室, 哈尔滨 150040
提要: 通过对二年生二倍体、三倍体和四倍体大青杨叶片结构和光合特性的研究, 探讨不同倍性大青杨生长性状差异的原
因。结果表明: 不同倍性大青杨的净光合速率(Pn)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)等光合指标差异显著。三倍体的最大
净光合速率(Pmax)高出二倍体 21%。叶片厚度、表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、栅栏组织与海绵组织厚度的比值, 都是三
倍体和四倍体大青杨比二倍体高, 且均呈现增加的趋势。其中, 四倍体大青杨表皮细胞最厚, 上下表皮分别高出二倍体64%
和17%。三倍体大青杨的栅栏组织厚度及栅栏组织与海绵组织厚度的比值最大, 比值高出二倍体50%。通过叶片光合特性
和解剖结构比较证明, 三倍体和四倍体大青杨对光的适应性和光合作用能力强于二倍体。
关键词: 大青杨; 多倍体; 叶结构; 光合速率
Comparison of Photosynthetic Characteristics and Leaf Anatomy Structure of
Different Ploidy Populus ussuriensis Kom.
QI Chuan-Lei, JIN Chun-Lian, LI Kai-Long*, LI Zhi-Xin, ZHAO Hui
Key Laboratory of Tree Genetic Improvement and Biotechnology, Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin
150040, China
Abstract: In order to investigate the reasons for differences among various ploidy Populus ussuriensis in
growth traits, the comparative study on leaf structure and photosynthetic characteristics of two-year-old diploid,
triploid and tetraploid P. ussuriensis was examined. The results showed that net photosynthetic rate (Pn), light
saturation point (LSP) and compensation point (LCP) among different ploidy P. ussuriensis were significantly
different. The value of the maximum photosynthetic rate (Pmax) from the triploid plant was 21% higher than that
from the diploid. Triploid and tetraploid P. ussuriensis were significantly increased in thickness of leaf, epidermis,
palisade tissue and the ratio of palisade tissue to spongy tissue than the diploid. The sizes of upper and lower
epidermal cells of the tetraploid plant were the largest, the values of which were 64% and 17% higher than those
of the diploid. The triploid plant had a maximum in the thickness of palisade tissue and the ratio of palisade tissue
to spongy tissue. The ratio of palisade tissue to spongy tissue of the triploid plant was 50% higher than that of
the diploid plant. With leaf photosynthetic characteristics and anatomical study performed, the results indicated
that triploid and tetraploid P. ussuriensis had a better accommodation to light and photosynthesis compared to
the diploid.
Key words: Populus ussuriensis; ploidy; leaf structure; photosynthetic rate
多倍体育种是有效的育种方法之一, 在作物、
园艺、林木育种中广泛应用(王学文和崔克明
2000; 李云等 2001; 谷晓峰和罗正荣 2003; 范国强
等 2007; 唐晓义等 2008)。染色体多倍化后由于基
因剂量效应, 细胞的体积增大, 细胞内某些物质含
量较高等, 有时会造成某些器官的巨型化, 叶大、
花大、茎粗、色深, 并且有适应不利自然条件的
能力, 在生物进化与育种上有重要意义(徐冠仁
1996)。如九年生三倍体毛白杨(Populus tomentosa)
的材积比相同立地环境条件下的二倍体高 2~3倍
(朱之梯等 1995)。三倍体或四倍体日本黑松比二
倍体具有较高含量的超氧化物歧化酶, 能显著阻止
脂类过氧化物的形成, 防止氧化伤害(邢新婷等
2004)。
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大青杨是我国东北林区特有的乡土树种, 具有
耐寒性强、生长快、易繁殖的特点, 是林区山地
营造速生丰产林的主要树种之一(苏晓华等1996)。
近年来对大青杨的研究主要集中在群体选择(张绮
纹等 1993)、遗传多样性(苏晓华等 1996)、远源
杂交(严言等 1999)、航天诱变(宋兴舜等 2009)、
化学诱变(李开隆等2006)等方面, 关于大青杨多倍
体的研究报道较少。我们对不同倍性的大青杨光
合特性和叶片解剖结构进行了比较研究, 初步探索
多倍体大青杨生长性状与叶的解剖结构和光合能力
的关系, 为研究大青杨多倍体育种提供参考, 进而
选育出适合东北山地林区生长的杨树新品种。
材料与方法
1 材料
2008年3月, 采用秋水仙碱处理授粉后的大青
杨(Populus ussuriensis Kom.)雌花序, 获得大青杨种
子。对未用秋水仙碱处理的花序所结种子, 再用不
同浓度的秋水仙碱溶液处理。处理完毕后把所有
的种子一同播种、育苗。经流式细胞仪检测和大
青杨染色体个数统计, 共获得三倍体大青杨 12株
(秋水仙碱处理授粉花序) (另文报道), 四倍体大青
杨 24株(秋水仙碱处理种子)。
2 方法
2.1 光合指标的测量 2009年 7月中旬 9:00~11:00,
选择生长势相同的 3种倍性材料各 3株, 使用便携
式光合仪(LI-6400, LI-COR, Inc, Lincoln, NE, USA)
测量第6片功能叶。测定光合作用光强响应曲线, 光
量子通量密度(PPFD)设定在 2 000、1 800、1 500、
1 200、1 000、800、600、400、300、200、
100、50、40、20、0 μmol·m2·s-1, 在参比室的
CO2浓度 380 μmol·mol-1和叶室温度 30 ℃条件下,
测定不同光强下叶片相应的净光合速率(Pn)。同
时测定气孔导度(Gs)和胞间 CO2浓度(Ci)。采用非
直线双曲线模型拟合 PPFD-Pn响应曲线。非直线
双曲线模型理论公式如下(Farquhar等 1980):
max max max max
n day
( ) ( ) 4
2
light Q P light Q P light Q P light Q P
P R
K
∗ + − ∗ + ∗ ∗ + − ∗ ∗= −
其中, Q为表观量子效率, Rday为暗呼吸速率,
K为光响应曲线曲角, Pmax为最大净光合速率。统
计分析采用 SPSS 11.5软件, 并用Origin 7.5绘图,
求得不同倍性大青杨的 Pmax和 Rday。
当 PPFD<200 μmol·m2·s-1, 使用采集数据, 对
PPFD-Pn进行直线回归, 与非直线双曲线模型计算
出的 Pmax和 x轴这两条平行直线相交, 得出交点。
与x轴的交点数值为光补偿点(LCP), 与Pmax的交点
在 x 轴的数值为光饱和点(LSP) (许大全 1999;
Richardson和 Berlyn 2002; 刘宇锋等 2005)。
2.2 叶片解剖构造显微观察 2009年 7月中旬, 选
择生长势相同的 3种倍性材料各 3株, 分别取第 6
片(从上往下)功能叶作为试验材料。将叶片切割
成 1 cm×1 cm的小块, 立刻用福尔马啉 -醋酸 -酒
精溶夜(FAA固定液)固定, 24 h后, 采用常规石蜡
切片制作, 切片厚度 8 μm。番红 -固绿对染法染
色。用光学摄像显微镜(Docuval , Car l Zeiss,
Germany)观测并拍照, 在10×40倍下对上下表皮厚
度、栅栏组织的长度、海绵组织的长度、中央
大导管直径等指标进行统计测量。所得的数据为
不同制片上 10个视野的平均值。
实验结果
1 光合生理参数的变化
1.1 光响应参数 不同倍性大青杨光响应曲线如图
1。在弱光(PPFD<200 μmol·m2·s-1)下, Pn随着光照
强度的增加呈线性增加, 但是差异不大; 随着光照
强度的增加, Pn的上升幅度逐渐变小, 此阶段不同
倍性的大青杨 Pn差异明显, 三倍体最大, 二倍体最
小, 四倍体居中。不同倍性之间的 LCP、Q、Pmax
和 Rday差异显著(P<0.05) (表 1)。其中三倍体 LCP
最低, 四倍体最高。Q反映植物对光能的利用效
率, Q越大, 对光的利用效率越高。三倍体大青杨
的Q最大, 说明三倍体大青杨具有较高的光能利用
效率。P m a x最高的三倍体比最低的二倍体高出
2 1 %。
1.2 光合特性 从图2可以看出, 不同倍性大青杨的
Gs差异显著(P<0.05), 三倍体>四倍体>二倍体; 三
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表 1 不同倍性大青杨的光响应参数
Table 1 Photosynthetic parameters from Pn-PPFD of different ploidy P. ussuriensis
种类 LSP/μmol·m-2·s-1 LCP/μmol·m-2·s-1 Q/μmol·μmol-1 Rday/μmol·m-2·s-1 Pmax/μmol·m-2·s-1
二倍体 400.3±12.14b 31.9±0.43b 0.0407±0.0004c 1.74±0.020a 12.2±0.31c
三倍体 433.1±0.82a 29.5±0.22c 0.0653±0.0030a 1.19±0.001c 14.8±0.03a
四倍体 398.7±1.34b 33.5±0.27a 0.0445±0.0004b 1.44±0.010b 13.6±0.06b
　　数据采用平均值 ±标准差, 同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。
图 1 不同倍性大青杨叶片 Pn随光照强度的变化
Fig.1 Responses of Pn to different light intensities of different ploidy P. ussuriensis
倍体和四倍体与二倍体的 C i差异达到显著水平
(P<0.05)。
2 解剖结构特征
2.1 表皮细胞 比较3种倍性大青杨的表皮细胞(表
2和图3-A~C)后发现, 三倍体和四倍体的大青杨上
表皮细胞排列比较紧密, 形状比较规则, 具有角质
层; 二倍体细胞排列不够紧密, 形状不规则。3种
大青杨下表皮细胞形状和大小都不规则, 且没有角
质层。不同倍性的大青杨上下表皮细胞厚度差异
显著(P<0.05), 四倍体上下表皮细胞都比二倍体
厚。三倍体大青杨表皮细胞厚度居中。可以看出,
不同倍性的大青杨表皮细胞厚度随基因组剂量的
变大而变大。
2.2 叶肉细胞 不同倍性的大青杨叶片均为背腹型
叶, 叶肉分化为栅栏组织和海绵组织。栅栏组织 2
列, 呈长柱型排列, 排列整齐; 海绵组织排列较为疏
图 2 不同倍性大青杨Gs和Ci的差异
Fig.2 The differences in Gs and Ci of different ploidy P. ussuriensis
数据采用平均值 ±标准差, 同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。
植物生理学通讯 第 46卷 第 9期, 2010年 9月920
表 2 不同倍性大青杨叶片的结构特征
Table 2 Structure characteristics of leaf in different ploidy P. ussuriensis
种类 上表皮 下表皮 栅栏组 栅栏组织 海绵组织 栅栏组织厚度 / 中央大导管
厚度 /μm 厚度 /μm 织层数 厚度 /μm 厚度 /μm 海绵组织厚度 直径 /μm
二倍体 10.49±2.09c 10.36±2.34b 2 71.42±4.48b 221.27±17.69a 0.33±0.039c 18.33±5.26c
三倍体 13.71±2.24b 11.06±4.46ab 2 85.91±6.11a 177.15±35.97b 0.51±0.130a 23.96±5.50a
四倍体 17.21±4.60a 12.18±5.29a 2 72.40±9.30b 157.00±40.96b 0.44±0.067b 20.35±4.74b
　　数据采用平均值 ±标准差, 同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。
松, 形状不规则(图 3-A~C)。不同倍性大青杨的栅
栏组织厚度、海绵组织厚度、栅栏组织与海绵组
织厚度的比值差异显著(P<0.05) (表 2)。三倍体栅
栏组织排列紧密, 栅栏组织厚度最厚, 是二倍体的
1.2倍, 与四倍体和二倍体差异显著(P<0.05); 四倍
体和二倍体的栅栏组织厚度差异不显著(P>0.05)
(图 3-A~C)。二倍体海绵组织的厚度最厚, 是三倍
体的 1.2倍; 三倍体和四倍体差异不显著(P>0.05)。
三倍体栅栏组织与海绵组织厚度的比值最大(0.51),
约为二倍体的 1.5倍; 二倍体最小, 比值为 0.33; 四
倍体居中。植物栅栏组织与海绵组织厚度的比值
是栅栏组织发育程度的一个指标, 比值越大, 说明
栅栏组织越发达(沈宁东等 2007)。
2.3 叶脉特征 3种倍性大青杨的维管束均属于外
韧型, 机械组织较发达。中央大导管直径比较大,
数量也比较多。三倍体和四倍体大青杨叶脉导管
数目明显比二倍体多(图 3-D~F)。不同倍性大青
杨的中央大导管直径长度差异显著(P<0.05), 最大
的是三倍体(23.96 μm), 最小的是二倍体(18.33 μm),
四倍体居中。
讨　　论
LSP和 LCP分别代表光合作用与光照强度的
上限和下限的临界指标。三倍体大青杨LSP最高,
LCP最低, 说明其不论对强光环境还是弱光环境都
有较强的适应能力, 光合能力也最强。傅亚萍等
(1999)对不同染色体倍性水稻植株剑叶光合作用研
究得出, Pn随着染色体的倍性增加而提高。本文
结果显示, 三倍体和四倍体的大青杨Pn明显高于二
倍体, 但是四倍体 Pn明显小于三倍体。这可能受
到转录水平的影响(傅亚萍等1999), 也可能是受到
DNA甲基化、核仁显性或其他作用的影响所致
(Osborn等 2003)。一般来说, 植物光合能力与 Rday
呈正相关性, LSP越高, Rday越大(杨兴洪等2005; 李
季春 2010)。而本文中, 三倍体大青杨的 Rday最小,
可能与糖酵解 -三羧酸循环的过程有关。这些过
程极易受外界环境的温度、水分、O2和 CO2的影
响。Rday较低, 说明在相同的生长环境下, 三倍体
大青杨维持正常的生长代谢消耗较低的光合积累产
物, 这可能对多倍体大青杨生长迅速有一定影响。
在叶肉组织中, 气孔对CO2的固定效率有重要
的影响, 气孔开启程度直接影响进入到叶片内部参
与光合作用的CO2, 从而影响光合作用速率。本文
中, Pn和Gs呈正相关, 在光合诱导过程中, 由于Gs
的降低即气孔阻力升高, 致使光合作用所需底物
CO2的供应受到限制, 所以导致 Pn降低。Pn与 Ci
呈负相关, 即 Pn越大, 消耗的 CO2越多, 则 Ci就越
小。三倍体大青杨较高的Pn伴随着Gs的升高和Ci
的降低, 说明不同倍性的大青杨在Pn的差异上受到
气孔限制的影响。
多倍体大青杨在叶片厚度(采样时观察)、表
皮细胞、栅栏组织、栅栏组织与海绵组织厚度的
比值较正常的二倍体都有增大的趋势。高度发达
的栅栏组织既可避免强光对叶肉组织的灼烧, 又可
有效利用衍射光进行光合作用。栅栏组织与海绵
组织厚度的比值则是评价净光合作用的阳性树种的
形态学特征, 栅栏组织与海绵组织厚度的比值增大,
能够增加光的吸收量, 提高光合作用。所以多倍体
大青杨能够更好地通过调节叶片面积、表皮细
胞、栅栏组织的厚度来适应光环境。叶脉中央大
导管直径和数目与水分的运送效率有关, 一般来讲,
导管直径越大, 数目越多, 体内的水分运送效率也
越高(祁娟等 2009), 更重要的是, 它能使 CO2分子
由气孔反向进入植物体, 从而提高光合作用。这表
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图 3 不同倍性大青杨的叶片解剖结构
Fig.3 The leaf anatomy structure of different ploidy P. ussuriensis
A、B、C 分别为四倍体、三倍体和二倍体叶的横切面 ; D、E、F 分别为四倍体、二倍体和三倍体叶主脉的横切面。U E :
表皮; LE: 表皮; PT: 栅栏组织; ST: 海绵组织; X: 木质部; P: 韧皮部。标尺 =100 μm。
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明不同倍性大青杨叶片解剖结构与 Pn和光能利用
能力有密切的关系。
本文通过对不同倍性大青杨的光合特性、叶
片解剖结构、气孔导度等参数的综合分析, 认为大
青杨的光合能力与其机构变化(叶面积大小、栅栏
组织厚度、栅栏组织与海绵组织厚度的比值)密切
相关, 其中三倍体大青杨光合能力和光的适应性最
强, 四倍体次之, 二倍体最弱。
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