全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(3): 496−505 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 江苏省自然科学基金项目(BK2001061)
作者简介: 曾斌(1979−), 男, 湖南邵东人, 硕士研究生, 研究方向: 陆地棉杂种优势机理研究。
*
通讯作者(Corresponding author): 唐灿明。E-mail: tang20@jlonline.com
Received(收稿日期): 2007-05-16; Accepted(接受日期): 2007-09-16.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00496
三个转 Bt基因抗虫杂交棉杂种优势的解剖学分析
曾 斌 1 王庆亚 2 唐灿明 1,*
(1南京农业大学农学院; 2南京农业大学生命科学学院, 江苏南京 210095)
摘 要: 选取湘杂棉 3号、南抗 3号和鲁棉研 15等 3个大面积推广的强优势转 Bt基因抗虫杂交棉及其亲本为材料, 剖
析盛花期主茎功能叶(倒 4 叶)的叶片结构、叶表皮气孔特征以及主茎功能叶的叶脉、叶柄、铃柄和对应的果枝叶叶
柄等器官的维管束组织结构。结果表明, 3个 F1及亲本共 9个材料的主茎功能叶(倒 4叶)主叶脉中的维管束形态有三
分支型、两分支型和无分支型 3种, 杂种及亲本之一的维管束都为三分支型, 说明三分支型的维管束是显性遗传。F1
功能叶主叶脉、功能叶叶柄、果枝叶叶柄、铃柄的维管束性状(导管总数、单个导管面积、维管束总面积、维管束组
织比)和叶片厚度、叶片栅栏细胞大小的优势表现因组合而异。主叶脉、功能叶叶柄、果枝叶叶柄、铃柄的维管束以
及叶片厚度、叶片栅栏细胞大小的优势与杂种的产量优势可能没有关系或相关性较小。3 个 F1的下表皮单位叶面积
气孔总面积均表现超亲优势。果枝叶可能比主茎功能叶对铃的发育影响更大。
关键词: 转 Bt基因; 陆地棉; 维管束; 杂种优势; 气孔
Anatomic Analysis on Heterosis in Three Transgenic Bt Pest-Resistant
Hybrid Cotton (G. hirsutum L.)
ZENG Bin1, WANG Qing-Ya2, and TANG Can-Ming1,*
(1 Agronomy College, Nanjing Agricultural University; 2 College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China)
Abstract: The anatomical characterization is the basis of physiological function of plants, so it is necessary to analyze heterosis
performance and to reveal anatomical mechanism of heterosis. Anatomical characterization of the functional leaf in stem and
vascular bundles of sympodial leaf stalk and boll stalk during flowering stage was investigated using three transgenic Bt
pest-resistant cotton hybrids Nankang 3, Lumianyan 15, Xiangzamian 3, and their parents. The result showed that there were sig-
nificant differences between hybrid and its parents in distribution of vascular bundles in the leaf nervures of the functional leaf
(the fourth from top) in main stem. Three types of vascular bundles, three-offshoot, two-offshoot and no-offshoot were observed
in leaf nervures of all tested materials. These were three-offshoot type in 3 hybrids and one of their parents, implying that the
three-offshoot type was inherited dominantly. There were differences in the number of vessels, area of a vessel, area of all vascu-
lar bundles, area ratio of vascular to transection, leaf thickness, palisade tissue length, and palisade tissue width with different
parents and hybrids. The total area of vascular bundles of functional leaf nervures in three hybrids were 0.72–0.77. The ratio of
palisade tissue to spongy tissue of all hybrids was 1.12–1.15, suggesting that there existed transgressive or mid-parent heterosis in
all hybrids. The total area of stomata per unit leaf area was a useful index for characteristic of stoma. There were transgressive
heterosis in total area of stomata per unit leaf area on down leaf surface for three hybrids, but no heterosis on upper surface. There
were negative correlation between two sides of leaf in the total area of stomata per unit leaf area (mm2 cm-2) of three hybrids, and
significant negative correlation between stoma frequency and stama length (R2=0.5087), and positive correlation between stoma
frequency and total area of stomata per unit leaf area (R2=0.5943) for upper surface of leaf but not significant for down surface of
leaf. Moreover, there was significant positive correlation between leaf stalk of fruit branch and boll stalk in the number of vessel
and area of a vessel, it demonstrated that the leaves on fruit branch have more contribution to the boll development than functional
leaves in stem (R12=0.4791*, R22=0.4702*).
Keywords: Transgenic Bt; G. hirsutum L.; Vascular bundle; Heterosis; Stoma
第 3期 曾 斌等: 三个转 Bt基因抗虫杂交棉杂种优势的解剖学分析 497


近十几年来, 棉花杂种优势利用在中国棉花生
产上发展迅速, 特别是转 Bt 基因抗虫杂交棉的推广
已取得明显的经济和社会效益。杂交种在产量性状
方面有明显的杂种优势, 但是, 对杂交棉产量杂种
优势形成的机理研究还没有取得明显进展。“源-库”
理论认为“源”强、“流”畅、“库”大是作物高产
的必要条件。棉铃、棉叶是棉株光合产物“库”和
“源”的主体, 维管束则在“源、流、库”系统中
行使“流”的重要功能, 是水分、矿物质及代谢产
物的运输通道。大量研究结果显示杂交棉在叶片的
光合强度方面具有明显的杂种优势, 并认为杂交棉
产量杂种优势来源于强的光合生产力、同化物质的
高效运转和同化物的合理分配[1-7]。植物的形态、结
构与生理功能是统一的, 光合作用速率的差异也必
然与叶片的解剖学特征紧密相关[8], 在大豆、小麦、
胡杨等植物的研究中发现叶片气孔密度大、叶片厚、
栅栏组织细胞层数多、栅栏组织厚度大、叶绿体中
基粒片层数目多等均是高光合速率叶片的解剖特
征[9-11]。在水稻、小麦、玉米中也发现维管束性状的
发达程度对作物的产量有重要作用[12-14]。在杂交棉
气孔性状方面报道, 认为杂交棉在气孔频度上有超
亲优势[15]。棉铃积累的同化产物与“源”的相对位
置的距离呈负相关, 即棉铃积累的光合产物有 80%
以上来自同节位的果枝叶、该果枝叶着生的主茎叶
以及主茎上部与该果枝同一方位的叶片[16], 这说明
果枝叶与对位铃在同化物运输上有密切关系。基于
以上研究, 笔者对杂交棉叶片结构和维管束的优势
表现及其与产量间的关系和叶片与棉铃解剖结构上
的联系作了剖析。为棉花杂种优势机理研究积累了
解剖学方面的资料。
1 材料与方法
1.1 试验设计
选用湘杂棉 3号、南抗 3号和鲁棉研 15及相应
亲本, 于 2006年在天津市水稻作物研究所宝坻育种
基地进行试验, 试验地为沙壤土, 中等肥力。4月 23
日地膜覆盖直播, 4月 30日出苗, 常规栽培管理。
1.2 取样及测量方法
棉花盛花期每个材料选取 5株典型一致的植株,
取主茎功能叶(倒 4 叶)的叶柄、主叶脉、叶片(下文
中主叶脉、叶片均指主茎功能叶), 及主茎功能叶对
应果枝第一果枝叶的叶柄和铃柄进行固定, 取叶柄
和铃柄基部 1 cm处 5 mm长的小段, 及叶主脉蜜腺
处 5 mm小段, 两侧各留 1 mm宽叶片, 随即用 FAA
液固定 48 h以上。按照南京农业大学资源植物实验
室石蜡切片流程[17], 横切片厚度为 8 μm, 经番红固
绿 PAS 法复染, 制成永久切片。采用印迹法观察气
孔, 盛花期上午 8:30—10:00 每材料各选取 7 片健
康、完整的棉花主茎功能叶(倒 4叶), 先用脱脂棉蘸
水轻轻擦拭叶片上、下表皮去掉灰尘, 30 min 后, 在
上、下表皮中部靠近主脉的两侧 2 cm处快速涂上一层
薄薄的透明指甲油,待风干结成膜后, 用贴有两面黏性
透明胶带的载玻片压在叶片上,然后轻轻剥下叶片,使
指甲油印膜粘在透明胶带上,用中性树胶封片, 制成临
时片, 用 OLYMPUS-DP70显微摄影系统拍照。
1.3 统计分析
采用 Motic Images Plus 2.0软件进行维管束面
积、导管面积、气孔大小和气孔频度等性状的测量
和统计, 每个切片取三列导管中所有导管的面积平
均值为单个导管面积, 重复 5 次。同时每切片取 5
个视野统计气孔频度, 视野面积为 0.1535 mm2, 每
个视野测量 5 个气孔的长度、宽度、气孔面积。用
SAS 9.0软件和 Excel XP分析所有数据。中亲优势
(MH)=(杂种值－双亲本平均值 MP)/双亲本平均值
×100%, 超亲优势(OH)=(杂种值－高亲本值)/高亲
本值×100%。维管束组织比=横切面维管束组织总面
积/总横切面积。
2 结果与分析
2.1 功能叶脉维管束组织特征
3 个杂交组合的亲本及 F1共 9 个材料的主茎功
能叶(倒 4叶)的主叶脉横切面上维管束主要有 3种不
同的类型。(1)整个横切面有 4 组维管束, 远轴面有
一个较大的维管束, 弧形排列, 在该维管束的上方
还有 3 个较小的分支维管束。大维管束的木质部在
近轴面, 韧皮部在远轴面, 中间有明显的维管形成
层。3 个较小的维管束组织的排列恰好与大维管束
组织的排列相反, 木质部在远轴面, 韧皮部在近轴
面(图 1-1, 箭头所指为小维管束), 简称这种类型为
三分支型, 南抗 3 号母本、湘杂棉 3 号母本、鲁棉
研 15父本和 3个杂交组合的 F1均属于三分支型; (2)
横切面中有 3 组维管束, 大维管束在下方, 大维管
束弧形尖端上方各有一组小分支维管束排列, 简称
这种类型为二分支型(图 2-1), 鲁棉研 15母本和湘杂
棉 3 号父本均为二分支型; (3)横切面中只有一组大
维管束 , 呈弧形排列 , 没有小分支维管束 , 或小分
支维管束很不发达 , 简称这种类型为无分支型(图
1-2), 只有南抗 3号父本属于无分支型。
498 作 物 学 报 第 34卷


图 1 南抗 3号 F1及其亲本主叶脉维管束组织、叶片组织和下表皮气孔特征比较
Fig. 1 Comparison of vascular bundles in leaf nervures and traits of leaf tissue and stama on down leaf surface between Nankang 3
F1 and its parents
1: 南抗 3号母本功能叶主叶脉横切片(10×10); 2: 南抗 3号父本功能叶主叶脉横切片(10×10); 3: 南抗 3号 F1功能叶主叶脉横切片(10×10);
4: 南抗 3号母本功能叶片组织横切片(10×40): 5: 南抗 3号父本功能叶片组织横切片(10×40); 6: 南抗 3号 F1功能叶片组织横切片(10×40);
7: 南抗 3号母本功能叶下表皮气孔(10×100); 8: 南抗 3号父本功能叶下表皮气孔(10×100); 9: 南抗 3号 F1功能叶下表皮气孔(10×100)。
1: Leaf nervures transection of Nankang 3 female(10×10); 2: Leaf nervures transection of Nankang 3 male(10×10); 3: Leaf nervures tran-
section of Nankang 3 F1(10×10); 4: Leaf tissue transection of Nangkang 3 female(10×40); 5: Leaf tissue transection of Nangkang 3 male(10
×40); 6: Leaf tissue transection of Nangkang 3 F1(10×40); 7: Stama on down leaf surface of Nangkang 3 female(10×100); 8: Stama on
down leaf surface of Nangkang 3 male(10×100); 9: Stama on down leaf surface of Nangkang 3 F1(10×100).

3个杂交种表现共同规律, 2个亲本中有一个为
三分支型, 即南抗 3 号的母本、湘杂棉 3 号的母本
和鲁棉研 15 的父本, 另一亲本为无分支型(南抗 3
号父本)或两分支型(鲁棉研 15母本和湘杂棉 3号父
本), 杂种 F1的维管束排列均为三分支型(图 1-3, 图
2-3, 图 3-3)。说明棉花不同品种间叶片主叶脉维管
束存在多态性。3 个供试杂交种在主叶脉维管束形
态上有明显优势, 且三分支型呈显性遗传。三种类
型的维管束组织中, 三分支型的维管束组织最发达,
更有利于同化产物、水分和营养物质的运输。3 个
杂种 F1及其中一个亲本的主茎功能叶维管束均为三
分支型, 推测这种三分支型维管束结构是棉花高产
品种和杂交种产量优势形成的重要基础之一。
主茎功能叶片主叶脉维管束的发育状况反映叶
片物质的运输能力。南抗 3 号父、母本和杂种之间
的主叶脉横切面导管数目有显著差异, 母本大于父
本, F1处于父、母本值之间, 但低于中亲值, 在总导
管数目上没有表现明显的杂种优势。鲁棉研 15父本
的主叶脉导管数目显著大于母本, 杂种的总导管数
目显著大于父本, 表现有 21.58%的超亲优势。湘杂
棉 3 号的主叶脉导管数目表现为母本>F1>父本, F1
的导管数目没有杂种优势。南抗 3号和鲁棉研 15在
父、母本和 F1之间的单个导管面积没有显著差异。
湘杂棉 3 号的单个导管面积在父本与母本间差异显
著, F1处在 2亲本值之间, 但与父、母本差异不显著,
不表现杂种优势。在主叶脉横切面积的维管束总面
积上, 南抗 3号和鲁棉研 15的 F1均有中亲优势, 湘
杂棉 3号的 F1低于亲本平均值。维管束组织比反映
的是输导组织的相对发达程度, 南抗 3 号和鲁棉研
15的 F1均有超亲优势, 但 F1与亲本的差异不显著。
湘杂棉 3 号 F1的维管束组织比与父本差异不显著,
但显著低于母本, 表现负向优势。
第 3期 曾 斌等: 三个转 Bt基因抗虫杂交棉杂种优势的解剖学分析 499



图 2 鲁棉研 15 F1及其亲本主叶脉维管束组织、叶片组织和下表皮气孔特征比较
Fig. 2 Comparison of vascular bundles in leaf nervures and traits of leaf tissue and stama on down leaf surface
between Lumianyan 15 F1 and its parents
1: 鲁棉研 15母本功能叶主叶脉横切片(10×10); 2: 鲁棉研 15父本功能叶主叶脉横切片(10×10); 3: 鲁棉研 15杂交种功能叶主叶脉横
切片(10×10); 4: 鲁棉研 15号母本功能叶片组织横切片(10×40); 5: 鲁棉研 15父本功能叶片组织横切片(10×40); 6: 鲁棉研 15杂交
种功能叶片组织横切片(10×40); 7: 鲁棉研 15母本功能叶下表皮气孔(10×100); 8: 鲁棉研 15父本功能叶下表皮气孔(10×100); 9: 鲁
棉研 15杂交种功能叶下表皮气孔(10×100)。
1: Leaf nervures transection of Lumianyan 15 female(10×10); 2: Leaf nervures transection of Lumianyan 15 male(10×10); 3: Leaf nervures
transection of Lumianyan 15 F1(10×10); 4: Leaf tissue transection of Lumianyan 15 female(10×40); 5: Leaf tissue transection of Lumianyan
15 male(10×40); 6: Leaf tissue transection of Lumianyan15 F1(10×40); 7: Stama on down leaf surface of Lumianyan 15 female(10×100); 8:
Stama on down leaf surface of Lumianyan 15 male(10×100); 9: Stama on down leaf surface of Lumianyan 15 F1(10×100).

3 个组合 F1的维管束优势程度是鲁棉研 15>南
抗 3号>湘杂棉 3号。主叶脉的导管总数目、单个导
管面积、维管束总面积和维管束组织比的优势程度
不同, F1的优势没有共同规律(表 1)。3个杂种 F1的
维管束总面积比较接近, 在 0.72~0.77之间。说明这些
性状优势可能与产量优势没有关系或相关性较小。
2.2 功能叶叶片结构的杂种优势
叶片结构与叶片光合作用紧密相关, 所有材料
的功能叶均依次由上表皮、单层栅栏细胞、海绵组
织和下表皮组成。由表 2可见, 鲁棉研 15父本、母
本的叶片厚度均较大, F1 的叶片厚度优势最强, 表
现超亲优势。南抗 3号父、母本的叶片厚度均较小,
F1表现中亲优势。湘杂棉 3 号母本在研究的 9 个材
料中叶片厚度最大, 父本叶片厚度较小, 父、母本的
叶片厚度差异也最大, F1 的叶片厚度与父本差异不
显著, 低于中亲值, 表现负向优势。栅栏细胞长度优
势与叶片厚度表现一致, 鲁棉研 15 F1 有超亲优势,
南抗 3号 F1有中亲优势, 湘杂棉 3号 F1为负向中亲
优势。南抗 3号父、母本和 F1间的栅栏细胞宽度有
显著差异, 父本最大, 母本最小, 杂种 F1 表现负向
中亲优势。湘杂棉 3 号的栅栏细胞宽度与南抗 3 号
一致, 父本大, 母本小, 杂种 F1为负中亲优势。鲁棉
研 15母本的栅栏细胞宽度大于父本, F1有超亲优势。
栅栏组织与海绵组织比例能影响叶片的光合特性 ,
南抗 3号和鲁棉研 15 F1的栅栏组织与海绵组织比例
均表现出超亲优势, 湘杂棉 3号 F1有中亲优势, 3个杂
种 F1的栅栏组织与海绵组织比例均在 1.12~1.15之间。
3 个组合的叶片厚度、栅栏细胞长度和栅栏细
胞宽度的优势程度不一致, 说明这 3 个性状与产量
的优势表现可能不一致。3 个杂种 F1的栅栏组织与
海绵组织比例比较一致, 这个性状可能与优势表现
有关。3 个杂种的叶片厚度均表现与父本的叶片厚
500 作 物 学 报 第 34卷


图 3 湘杂棉 3号 F1及其亲本主叶脉维管束组织、叶片组织和下表皮气孔特征比较
Fig. 3 Comparison of vascular bundles in leaf nervures and traits of leaf tissue and stama on down leaf surface
between Xiangzamian3 F1 and its parents
1: 湘杂棉 3号母本功能叶主叶脉横切片(10×10); 2: 湘杂棉 3号父本功能叶主叶脉横切片(10×10); 3: 湘杂棉 3号杂交种功能叶主叶脉横切
片(10×10); 4: 湘杂棉 3号母本功能叶片组织横切片(10×40); 5: 湘杂棉 3号父本功能叶片组织横切片(10×40); 6: 湘杂棉 3号杂交种功能叶
片组织横切片.(10×40); 7: 湘杂棉 3号母本功能叶下表皮气孔(10×100); 8: 湘杂棉 3号父本功能叶下表皮气孔(10×100); 9: 湘杂棉 3号杂交
种功能叶下表皮气孔(10×100)。
1: Leaf nervures transection of Xiangzamian 3 female(10×10); 2: Leaf nervures transection of Xiangzamian 3 male(10×10); 3: Leaf nervures tran-
section of Xiangzamian 3 F1(10×10); 4: Leaf tissue transection of Xiangzamian 3 female(10×40); 5: Leaf tissue transection of Xiangzamian 3
male(10×40); 6: Leaf tissue transection of Xiangzamian 3 F1(10×40); 7: Stama on down leaf surface of Xiangzamian 3 female(10×100); 8: Stama
on down leaf surface of Xiangzamian 3 male(10×100); 9: Stama on down leaf surface of Xiangzamian 3 F1(10×100).

表 1 主茎功能叶的主叶脉维管束性状杂种优势
Table 1 Heterosis of vascular bundles in leaf nervures between parents and their hybrids(±SE)
杂交种
Hybrid
导管总数
Number of vessels
单个导管面积
Area of a vessel
(×100 μm2)
维管束总面积
Area of vascular bundles
(mm2)
维管束组织比
Area ratio of vascular to
transection
P1 185±4 a 11.44±0.39 a 0.76±0.03 a 0.31±0.01 a
P2 129±3 c 10.97±0.42 a 0.65±0.04 b 0.30±0.01 a
F1 155±5 b 10.93±0.42 a 0.72±0.03 a 0.31±0.01 a
MP 157.00 11.21 0.71 0.31
MH (%) −1.27 −2.50 2.13 4.92
南抗 3号
Nankang 3
OH (%) −16.22 −4.46 −5.26 3.23


P1 162±1 c 10.78±0.48 a 0.70±0.03 b 0.28±0.01 a
P2 190±2 b 10.93±0.05 a 0.78±0.02 a 0.30±0.01 a
F1 231±3 a 11.66±0.54 a 0.77±0.02 a 0.32±0.01 a
MP 176.00 10.86 0.74 0.29
MH (%) 31.25 7.37 4.05 10.34
鲁棉研 15
Lumianyan 15
OH (%) 21.58 6.68 −1.28 6.67


P1 232±2 a 11.58±0.51 a 0.99±0.05 a 0.32±0.01 a
P2 186±2 c 10.32±0.29 b 0.69±0.02 b 0.26±0.004 b
F1 192±1 b 11.29±0.09 ab 0.72±0.02 b 0.28±0.01 b
MP 209.00 10.95 0.84 0.29
MH (%) −8.13 3.11 −14.29 −3.45
湘杂棉 3号
Xingzamian 3
OH (%) −17.24 −2.50 −27.27 −12.50
标以相同字母的值差异不显著(Fisher’s LSD P=0.05)。P1: 母本; P2: 父本。
Values followed by the same letter was not significantly different (Fisher’s LSD P=0.05). P1: female parent of hybrid; P2: male parent of hybrid.
第 3期 曾 斌等: 三个转 Bt基因抗虫杂交棉杂种优势的解剖学分析 501


表 2 功能叶叶片结构性状的优势
Table 2 Heterosis of components of functional leaf (±SE)
杂交种
Hybrid
叶片厚度
Leaf thickness
(μm)
栅栏细胞长度
Palisade tissue
length(μm)
栅栏细胞宽度
Palisade tissue
width(μm)
栅栏组织/海绵组织
Palisade tissue/ Spongy
tissue
P1 216.62±2.38 b 88.15±1.48 a 12.50±0.07 a 1.10±0.02 a
P2 226.77±2.06 a 84.53±0.97 a 11.27±0.09 c 0.93±0.01 b
F1 224.64±2.28 a 87.85±2.30 a 11.64±0.08 b 1.12±0.02 a
MP 221.70 86.34 11.89 1.02
MH (%) 1.33 1.75 −2.06 10.34
南抗 3号
Nankang 3
OH (%) −0.94 −0.34 −6.88 1.82


P1 239.18±1.89 b 92.54±0.89 c 11.50±0.04 c 0.89±0.01 b
P2 265.68±2.41 a 100.41±1.12 b 11.87±0.07 b 0.89±0.01 b
F1 271.07±3.91 a 113.95±1.80 a 12.45±0.10 a 1.12±0.02 a
MP 252.43 96.48 11.69 0.89
MH (%) 7.38 18.11 6.55 25.84
鲁棉研 15
Lumianyan 15
OH (%) 2.03 13.48 4.89 25.84


P1 269.56±5.58 a 120.53±2.16 a 13. 8±0.17 a 1.21±0.02 a
P2 223.85±2.48 b 83.63±1.96 c 11.24±0.04 c 0.86±0.01 c
F1 233.99±1.64 b 98.65±1.06 b 11.68±0.03 b 1.15±0.02 b
MP 246.71 102.08 12.52 1.04
MH (%) −5.15 −3.36 −6.71 11.11
湘杂棉 3号
Xingzamian 3
OH (%) −13.20 −18.15 −15.36 −4.96
标以相同字母的值差异不显著(Fisher’s LSD P=0.05)。P1: 母本; P2: 父本。
Values followed by the same letter was not significantly different (Fisher’s LSD P=0.05). P1: female parent of hybrid; P2: male parent of hybrid.

度差异不显著而与母本有显著差异, 说明 F1的叶片
厚度性状杂种优势可能与父本有密切关系。
2.3 叶片上、下表皮气孔特征
2.3.1 不同杂交种气孔特征比较 气孔是植物叶
片吸收 CO2、进行光合作用和蒸腾作用的主要通道,
气孔频度和气孔导度与净光合速率和水分利用效率
密切相关。棉花叶片属于背腹叶, 叶片上、下表皮
气孔特征有显著的差异。9 个供试材料功能叶的下
表皮气孔频度均明显大于上表皮, 是其 1~2 倍, 但
上、下表皮单个气孔面积差异不明显。对于气孔频
度性状杂种优势, 南抗 3 号父本的上表皮气孔频度
大于母本, 杂种 F1 与父本差异不显著, 表现中亲优
势。鲁棉研 15父本的上表皮气孔频度显著大于母本,
F1 的气孔频度比母本低, 表现负向优势。湘杂棉 3
号父本的上表皮气孔频度显著大于母本, F1 与母本
没有显著差异。
气孔面积能影响气体交换速度 , 单个气孔面
积是气孔特征的重要指标之一。南抗 3号和鲁棉研
15F1 的上表皮单个气孔面积分别比各自高值父本
高 4.23%和 8.44%, 表现超亲优势。湘杂棉 3 号母
本的上表皮单个气孔面积大于父本, F1与母本无显
著差异, 表现中亲优势。单位叶面积的气孔总面积
是气孔频度和气孔面积的乘积 , 能综合反映叶片
表皮的气体交换能力。3个杂种 F1的上表皮单位叶
面积气孔总面积优势表现与气孔频度一致, 南抗 3
号 F1有中亲优势, 鲁棉研 15和湘杂棉 3号 F1的单
位叶面积气孔总面积分别比低值亲本低 11.32%和
29.22%, 为负向优势。南抗 3号父本的下表皮气孔
频度大于母本, F1显著大于父本, 有超亲优势。鲁棉研
15 F1 的下表皮气孔频度显著大于母本, 且大于父本,
表现 1.24%的超亲优势, 但与父本差异不显著。南
抗 3号 F1的单个气孔面积小于中亲值, 没有优势。
鲁棉研 15和湘杂棉 3号 F1的气孔面积有中亲优势。
南抗 3号、鲁棉研 15和湘杂棉 3号的杂种 F1的下
表皮单位叶面积气孔总面积一致表现超亲优势
(表 3)。
3 个杂种的上、下表皮在气孔频度、单个气孔
面积和单位叶面积的气孔总面积等性状上的优势表
现趋势不一致, 下表皮的优势明显大于上表皮, 且
为正向优势, 上表皮一般为负向优势。3 个组合 F1
的气孔面积和气孔频度优势也没有明显规律, 说明
这两个性状可能与产量优势的关系不紧密。然而 ,
下表皮单位叶面积的气孔总面积可能与 F1的产量优
势有关, 是其产量优势形成的基础之一。
502 作 物 学 报 第 34卷

表 3 杂交棉功能叶片气孔特征
Table 3 Stoma traits of functional leaf in hybrids and their parents(±SE)
气孔面积
Area of a stoma(μm2 stoma−1)
气孔频度
Stoma frequency(stoma mm−2)
单位叶面积气孔面积
Stomata area per unit leaf area(mm2 cm−2)杂交种
Hybrid 上表皮
Upper surface
下表皮
Down surface
上表皮
Upper surface
下表皮
Down surface
上表皮
Upper surface
下表皮
Down surface
P1 351±10 b 371±7 b 102±4 b 298±4 c 3.6±0.1 b 11.1±0.3 b
P2 402±10 a 419±8 a 133±3 a 330±3 b 5.3±0.2 a 13.8±0.2 a
F1 419±7 a 383±14 b 122±4 a 373±2 a 5.1±0.2 a 14.3±0.5 a
MP 376.50 395.50 117.50 314.00 4.45 12.45
MH (%) 11.29 −3.16 4.68 18.79 14.61 14.86
南抗 3号
Nankang 3
OH (%) 4.23 −8.60 −7.52 13.03 −3.77 3.62


P1 310±8 b 340±8 a 146±3 b 365±5 b 4.5±0.2 b 12.4±0.2 b
P2 320±5 a 314±12 b 165±4 a 403±7 a 5.3±0.07 a 12.6±0.3 ab
F1 347±14 a 335±10 a 136±5 b 408±6 a 4.7±0.09 b 13.6±0.4 a
MP 315.00 327.00 156.00 384.00 4.90 12.50
MH (%) 10.16 2.45 −12.82 6.25 −4.08 9.60
鲁棉研 15
Lumianyan 15
OH (%) 8.44 −1.47 −18.07 1.24 −11.32 8.73


P1 351±7 a 379±14 a 106±2 b 287±5 c 3.7±0.1 b 10.8±0.3 b
P2 297±7 b 326±8 b 169±7 a 353±7 a 5.0±0.1 a 11.5±0.3 a
F1 338±7 a 376±13 a 106±7 b 314±5 b 3.6±0.2 b 11.8±0.3 a
MP 324.00 352.50 137.50 320.00 4.37 11.20
MH (%) 4.32 6.67 −22.91 −1.88 −18.44 5.31
湘杂棉 3号
Xingzamian 3
OH (%) −3.70 −0.79 −37.28 −11.05 −29.22 2.34
标以相同字母的值差异不显著(Fisher’s LSD P=0.05)。P1: 母本; P2: 父本。
Values followed by the same letter was not significantly different (Fisher’s LSD P=0.05). P1: female parent of hybrid; P2: male parent of hybrid.

2.3.2 气孔性状之间的相关分析 用 3 个杂种所
有材料的 9 个平均值分别对叶片上、下表皮的气孔
长度、气孔宽度、气孔频度和单位叶面积气孔总面
积等性状分别进行 Pearson相关系数分析和检验, 结
果表明, 上表皮的气孔长度与气孔频度呈显著负相
关(r 上=－0.7132, P=0.031<0.05), 但下表皮这二性状
的相关性不显著(r 下 = －0.6408, P 下 = 0.0629>0.05);
上表皮的气孔频度与单位叶面积气孔总面积显著正
相关(r 上= 0.7709, P 上= 0.0150<0.05), 下表皮这二性
状的正相关性不显著(r 下 = 0.6560, P 下 = 0.0550>0.05),
其余气孔性状间的相关性均不显著。说明与气孔大
小相比, 气孔频度可能是决定单位叶面积气孔总面
积的主要因素。
2.4 叶柄和铃柄维管束优势表现
2.4.1 功能叶柄、果枝叶柄和铃柄导管结构特征比
较 铃柄、功能叶叶柄、果枝叶叶柄物质输导功
能的差异在结构上有所反映。功能叶叶柄和果枝叶
叶柄均为圆形, 但前者横切面一般大于后者, 铃柄
呈六边菱形。功能叶的导管总数最多, 单个导管面
积最大, 其次是果枝叶叶柄和铃柄。在导管数目上,
南抗 3 号 F1的功能叶叶柄有微弱的中亲优势, 果枝
叶叶柄和铃柄均有超亲优势; 鲁棉研 15 F1的功能叶
叶柄有超亲优势, 果枝叶叶柄和铃柄均小于中亲值,
没有优势表现; 湘杂棉 3 号的功能叶叶柄小于中亲
值, 果枝叶叶柄有中亲优势, 铃柄有较大的超亲优
势。在单个导管面积方面, 南抗 3 号 F1的功能叶柄
和铃柄有超亲优势, 但 F1 与亲本间的差异不显著,
果枝叶叶柄小于中亲值, 没有优势表现; 鲁棉研 15 F1
的功能叶叶柄存在超亲优势, 果枝叶叶柄和铃柄均
小于中亲值; 湘杂棉 3 号 F1的功能叶叶柄、果枝叶
叶柄和铃柄均表现超亲优势, 但只有 F1与亲本间铃
柄的导管面积差异达到显著水平(表 4)。
同一杂种 3 个部位的导管数目和单个导管面积
的优势表现不同, 3个杂种同一部位这二性状的优势
也没有明显规律。说明其优势表现与杂种优势的形
成不完全一致, 可能与 F1产量优势的形成没有必然
联系。
2.4.2 功能叶柄、果枝叶柄和铃柄导管性状相关性
分析 果枝叶叶柄与铃柄的导管数目优势表现趋
势一致。对 3 个杂种及父母本功能叶叶柄、果枝叶
叶柄和铃柄的导管数和导管面积的 9 个平均值做
Pearson相关系数分析和检验, 结果表明, 果枝叶柄
第 3期 曾 斌等: 三个转 Bt基因抗虫杂交棉杂种优势的解剖学分析 503


表 4 功能叶叶柄、果枝叶叶柄和铃柄维管束的杂种优势
Table 4 Heterosis of vascular bundles of functional leafstalk and leafstalk on fruit branch and boll stalk
导管总数 Number of vessels 单个导管面积 Area of a vessel (×100 μm2)
杂交种
Hybrid
功能叶柄
Functional
leafstalk
果节叶柄
Leafstalk on
fruit branch
铃柄
Boll stalk
功能叶柄
Functional
leafstalk
果节叶柄
Leafstalk on fruit
branch
铃柄
Boll stalk
P1 270.0±0.97 c 186.6±1.29 b 158.0±1.14 c 12.75±0.64 a 10.26±0.59 a 2.17±0.12 a
P2 287.8±1.24 a 179.6±1.12 c 164.4±0.81 b 11.69±0.34 a 8.66±0.22 b 2.12±0.12 a
F1 279.4±0.40 b 196.8±1.59 a 168.4±0.93 a 13.21±0.50 a 9.31±0.24 ab 2.32±0.08 a
MP 278.90 183.10 161.20 12.22 9.46 2.15
MH (%) 0.18 7.48 4.47 8.10 –1.60 7.91
南抗 3号
Nankang3
OH (%) –2.92 5.47 2.43 3.61 –9.26 6.91


P1 313.8±0.66 b 186.2±0.97 b 206.0±0.89 a 13.00±0.54 ab 10.96±0.38 a 2.12±0.11 a
P2 309.8±0.92 b 217.4±0.90 a 175.0±0.71 b 12.20±0.18 b 11.34±0.31 a 2.02±0.04 a
F1 340.4±0.81 a 185.4±1.08 b 157.8±0.68 c 14.01±0.54 a 10.47±0.31 a 2.06±0.07 a
MP 311.80 201.80 190.50 12.60 11.15 2.07
MH (%) 9.17 –8.13 –17.20 11.19 –6.10 –0.05
鲁棉研 15
Lumianyan15
OH (%) 8.48 –14.70 –23.40 7.77 –7.67 –2.83


P1 280.6±0.51 c 205.2±0.66 b 234.4±1.50 b 13.15±0.28 a 12.70±0.97 a 1.93±0.11 b
P2 319.6±0.51 a 231.0±1.00 a 214.4±0.68 c 13.14±0.51 a 11.52±0.28 a 1.94±0.06 b
F1 298.2±0.66 b 230.2±1.16 a 258.8±0.86 a 13.51±0.29 a 13.00±0.56 a 2.32±0.09 a
MP 300.10 218.10 224.40 13.15 12.11 1.94
MH (%) －0.63 5.55 15.33 2.74 7.35 19.59
湘杂棉 3号
Xingzamian3
OH (%) －6.70 －0.35 10.41 2.74 2.36 19.59
标以相同字母的值差异不显著(Fisher’s LSD P=0.05)。P1: 母本; P2: 父本。
Values followed by the same letter was not significantly different (Fisher’s LSD P=0.05). P1: female parent of hybrid; P2: male parent of
hybrid.

和铃柄之间的导管数目和导管面积的相关性均达到
显著水平(r = 0.6922, P = 0.0388<0.05; r = 0.6857, P
= 0.0415<0.05), 功能叶叶柄与铃柄之间相关性不显
著。说明果枝叶与铃在维管束性状的发育上具有一
致性, 这个特点对于果枝叶生产的同化物就近分配
到对应铃有重要作用, 果枝叶较功能叶与铃的发育
关系更为密切。
3 讨论
杂交棉产量优势是通过生物产量的增加和经济
系数的增大或两者的互作来实现的。生物产量与光
合作用速率密切相关, 光合速率高低取决于叶肉组
织和栅栏组织的厚度[18-19]。本试验发现 3 个杂交种
中有 2 个的叶片厚度和栅栏细胞大小有中亲优势或
超亲优势, 这种叶片结构优势可能是提高杂交种光
合速率的一个因素。湘杂棉 3 号在叶片厚度和栅栏
细胞厚度的中亲优势不明显, 可能与亲本叶片厚度
差异较大有关。从不同组织的影响来看, 栅栏组织
对叶片光合速率起着主要的作用[18], 栅栏组织与海
绵组织厚度的比例在一定程度上反映叶片在光合作
用中的光能吸收与碳同化的关系, 3个杂交种的栅栏
组织海绵组织比例均有中亲优势或超亲优势, 但组
织比例均分布在 1.12~1.15之间, 这是否是叶片光合
作用最适的组织比例尚需进一步的研究。
气孔对于控制光合速率和水分利用率有重要作
用[20-23]。曹五七等[15]以 3 个杂交棉及相应亲本为材
料, 对功能叶下表皮气孔进行电镜扫描观察, 发现
在气孔大小和保卫细胞大小上无明显差异, 但杂交
棉的气孔频度较亲本有明显的优势, 并认为气孔频
度对光合作用起主要作用。本实验发现 2 个杂交种
的下表皮气孔频度有超亲优势, 湘杂棉 3 号杂交种
也接近中亲值, 这与曹五七等的观察结果基本一致,
同时证明上、下表皮的单个气孔面积也有不同程度
的超亲优势和中亲优势。气孔导度与叶片生理状态
有关, 气孔密度则是叶片表皮形态结构特征。本研
究发现下表皮气孔频度优势大于上表皮, 特别是单
504 作 物 学 报 第 34卷

位叶面积的气孔总面积, 3个杂交种的下表皮均有超
亲优势, 上表皮除了南抗 3 号杂交种有中亲优势外,
另 2 个杂交种均低于中亲值。这可能更适于杂交棉
花叶片的抗旱和高光合速率的保持, 在高温环境中,
上表皮气孔面积的增大势必加大水分的散失而引起
气孔的关闭, 而下表皮气孔比上表皮气孔的水分利
用效率高, 下表皮气孔面积的增大有利于二氧化碳
的交换, 从而提高光合速率。此外, 3个杂种下表皮
单位叶面积气孔总面积一致表现超亲优势, 说明单
位叶面积上的气孔总面积是反映叶片气孔特征的有
用指标。上表皮的气孔频度与气孔长度呈显著负相
关, 这与王秀玲[24]在玉米气孔特征方面的研究结果
一致。上表皮气孔频度与单位叶面积气孔总面积显
著正相关, 但下表皮气孔的这种相关性不显著, 这
可能与下表皮气孔大小变异较大, 大气孔与小气孔
混合分布, 而上表皮气孔大小较均匀有关。
叶脉中的导管数目、导管面积以及分布形式与
叶片的水分供应密切相关, 从而也能影响叶片的光
合作用。张乃群[25]指出棉花叶片主叶脉和大侧脉的
维管组织不同, 主叶脉横切面有 4 个维管束, 侧脉
为单维管束。本研究的解剖比较发现, 主叶脉维管
束的分布主要有 3 种类型, 并认为张乃群所指的小
维管束是 3 个维管束的说法值得商榷, 小维管束应
该为大维管束的三个分支, 而非三个独立者, 因为
在叶柄的维管束形态上并未发现差异。本文暂分别
称为三分支型、两分支型和无分支型。利容千、曾
子申[26]在杂交水稻与其三系的茎、叶解剖比较研究
中发现, 杂交水稻的旗叶主脉的结构和维管束性状
都比其三系发达, 且这优势与杂交水稻的产量优势
紧密相关。本研究发现 3个杂交组合 F1功能叶主叶
脉维管束中的导管数目、导管面积和维管束总面积
优势表现有差异, 但一致表现为较发达的三分支型,
与利容千和曾子申[26]的结果相似。这种三分支型维
管束的叶片可能与适应高温条件下的光合作用有关,
小分支维管束均靠近叶片的上表皮, 有利于叶片上
表皮的水分供应, 降低叶温, 保证叶片光合作用高
速持续进行。同时维管束的分散分布有利于同化物
和矿质营养的快速运输。这说明维管束分布形态可
能比导管数目和导管面积对叶片光合作用的意义
更大。
4 结论
功能叶主叶脉维管束主要有无分支型、二分支
型和三分支型等三种, 三分支型最发达, 有利于营
养物质的运输。三个组合均为, 一个亲本的主茎功
能叶维管束属于二分支型或无分支型, 另一个亲本
的主茎功能叶维管束为三分支型, 其杂交种均为三
分支型, 表现出显性遗传的特征。说明三分支型维
管束结构可能是棉花高产品种和杂交种产量优势形
成的基础之一。杂种在功能叶叶柄、果枝叶叶柄和
铃柄的维管束性状上的优势表现因组合而异, 三个
杂种的主叶脉维管束总面积均在 0.72~0.77 mm2 之
间。其叶片厚度、栅栏细胞长度、栅栏细胞宽度等
性状的优势表现程度不一, 叶片厚度与父本有密切
关系。栅栏组织与海绵组织比例优势表现比较一致,
均在 1.12~1.15之间, 这个性状与产量优势有关。三
个杂交种的下表皮气孔频度、单个气孔面积和单位
叶面积气孔总面积等性状一般为正向优势, 上表皮
的这些性状一般表现负向优势。下表皮单位叶面积
气孔总面积均表现超亲优势, 这可能是光合作用优
势形成的基础之一。上表皮的气孔长度与气孔频度
呈显著负相关, 气孔频度与单位叶面积的气孔总面
积显著正相关, 但下表皮的这种相关性不显著。果
枝叶柄与铃柄的导管数目和单个导管面积间显著正
相关, 说明果枝叶比功能叶与铃的发育更密切。

致谢: 感谢天津市农科院作物研究所刘学军研究员
课题组给予的支持, 江苏省农科院经作所所长戚存
扣研究员及研究生顾慧在拍照中给予支持, 王苗苗
和任燕同学参加本实验部分切片染色工作以及湖南
棉花研究所周世象研究员、山东棉花研究中心李汝
忠研究员提供研究材料。
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