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干旱胁迫对3种苹果属植物叶片解剖结构、微形态特征及叶绿体超微结构的影响



全 文 :第32卷第3期
2014年5月
干 旱 地 区 农 业 研 究
Agricultural Research in the Arid Areas
Vol.32No.3
May 2014
 
收稿日期:2013-11-09
基金项目:国家苹果产业技术体系(CARS-28);甘肃省科技厅农业科技成果转化资金计划(1105NCNE109);天水师范学院科研资助
项目(TSA1111)
作者简介:王顺才(1975—),男,甘肃陇西人,副教授,博士,主要从事果树抗性生理与生物技术研究。E-mail:wscai001@nwsuaf.edu.
cn。
   *通信作者:马锋旺(1964—),男,山东济宁人,教授,博士,主要从事果树逆境生物学研究。E-mail:fwm64@sina.com。
干旱胁迫对3种苹果属植物叶片解剖结构、
微形态特征及叶绿体超微结构的影响
王顺才1,邹养军2,马锋旺2*
(1.天水师范学院 生命科学与化学学院,甘肃 天水741000;2.西北农林科技大学 园艺学院,陕西 杨凌712100)
  摘 要:采用树脂包埋块半薄/超薄切片技术,通过光镜(LM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)方法,研究
了轻度、中度和严重干旱胁迫对楸子(Malus prunifolia)、新疆野苹果(M.sieversii)和平邑甜茶(M.hupehensis)叶
片组织解剖结构、表皮微形态特征(气孔密度、大小及角质层厚度)及叶绿体超微结构的影响。光镜观察结果表明,
与对照相比,干旱胁迫条件下3种苹果属植物叶片厚度、栅栏组织厚度及叶肉组织结构紧密度(CTR)都显著减小
(P<0.05),而海绵组织厚度与叶肉组织结构疏松度(SR)均显著增加(P<0.05)。扫描电镜观察结果显示,3种苹
果属植物幼叶气孔密度在干旱胁迫下显著增大(P<0.05),而气孔宽度、开张比及其开张度明显下降。透射电镜观
察结果表明,在干旱胁迫下,楸子和新疆野苹果上下角质层厚度逐渐增加,而平邑甜茶的随干旱胁迫程度增加呈先
增后减的变化;在轻度和中度水分胁迫下,叶绿体膨胀变形,淀粉粒变小消失,基粒片层排列松散减少,类囊体腔扩
大;在严重胁迫条件下,叶绿体膨胀近圆形,叶绿体膜破裂,类囊体严重泡化开始解体。与平邑甜茶相比,严重水分
胁迫下楸子和新疆野苹果叶绿体超微结构损伤较小,能较好地保持细胞结构的完整性。
关键词:苹果属;叶片解剖结构;角质层;气孔;叶绿体超微结构
中图分类号:S661.101;Q944.56  文献标志码:A  文章编号:1000-7601(2014)03-0015-09
Influence of drought stress on leaf anatomical structure and micro-morphology
traits and chloroplast ultrastructure of three Malus species
WANG Shun-cai 1,ZOU Yang-jun2,MA Feng-wang2*
(1.College of Life Science and Chemistry,Tianshui Normal University,Tianshui,741000,Gansu,China;
2.College of Horticulture,Northwest A&F University,Yangling,712100,Shaanxi,China)
  Abstract:The changes of leaf anatomical structure and several micro-morphology features(stomatal density and
size,and the upper and lower cuticle thickness)as wel as chloroplast ultrastructure were observed for three Malus
plants,drought-tolerant M.prunifolia and M.sieversi,and drought-sensitive M.hupehensis,grown under mild,
moderate and severe water deficit,using the semi-thin/ultrathin section,light microscope,scanning electron microsco-
py(SEM),and transmission electron microscopy(TEM)methods.For the three genotypes,compared with wel wa-
tered plants,the leaf mesophyl contents and palisade tissue thickness as wel as cel tightness rate(CTR)in drought-
stressed plants significantly decreased(P<0.05),while the sponge tissue thickness and scattered rate(SR)signifi-
cantly increased(P<0.05).SEM photos indicated that the stomatal density in young leaves of drought-stressed plants
increased(P<0.05),while the stomata width,stomatal opening rate,and the relative opening degree of stomata de-
creased.TEM analysis showed that the upper and lower cuticle thickness of M.prunifoliaand M.sieversi increased,
whereas those of M.hupehensisincreased first and then decreased with prolonged drought treatment,sweling chloro-
plast,decreased the number of larger starch granules,and loosing grana and thylakoid were the typical leaf ultrastruc-
ture for medium water stress.Under severe water deficit,the chloroplasts were round in a shape,with more damaged
structure of membranes,and an extensive vacuolization and disorganization of thylakoid.However,the degree of
drought-induced damage was smaler in M.prunifoliaand M.sieversi plants as compared to M.hupehensis plants,
duo to the ability to maintain cel integrity.
Keywords:Malus;leaf anatomical structure;cuticle;stomata;chloroplast ultrastructure
  苹果是我国第一大果品产业,也是世界栽培面积
最广的树种之一。苹果优势产区多为干旱和半干旱
地区,水分胁迫成为制约这些地区苹果生长发育和产
量的重要非生物因子。我国是苹果属植物起源中心
之一,拥有丰富的苹果抗性种质资源,进行苹果属植
物抗逆性研究对苹果生产及推广具有重大的意义。
苹果(Malus domestica Borkh.)主要靠嫁接繁殖,其砧
木是树体生长的基础,对于控制树体大小、增强果树
抗逆性及抗病能力都有重要的影响[1-2]。干旱对苹
果属植物的影响既有直观的形态解剖学变化,又有生
理生化反应,还有基因表达的差异[3-6]。目前,尽管
苹果属植物抗旱性研究已有较多报道,但多数集中在
生理生化方面的抗性比较[7-8],而干旱胁迫条件下苹
果属植物叶片显微及超微结构,特别是抗旱材料与不
抗旱材料间叶片微形态特征、解剖结构及超微结构差
异的研究依然缺乏[9]。楸子(M.prunifolia(Wild.)
Borkh.)、新疆野苹果(M.sieversi Ledeb.)和平邑甜
茶(M.hupehensis Rehd.)是苹果生产中应用较广的
砧木材料。平邑甜茶抗旱性较差,而楸子和新疆野苹
果抗旱性较强[4-5,8,10]。本研究以3种苹果属植物为
研究对象,应用树脂包埋块半薄/超薄切片技术,通过
光镜、扫描电镜及透射电镜方法,观察在轻度、中度和
重度干旱胁迫下植物叶片解剖结构、角质层厚度、气
孔特征及叶绿体超微结构的变化及其差异,探明3种
植物抗旱生物学结构基础,旨在揭示苹果属植物对干
旱胁迫的响应和适应性机制,并为抗旱苹果品种的选
育提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
楸子(陕西富平,34°75′N,109°15′E)、新疆野苹
果(新疆巩留,43°15′N,82°51′E)和平邑甜茶(山东
平邑,35°07′N,117°25′E)种子均从原产地采调,经
4℃层积处理发芽后,选生长整齐一致的幼苗进行盆
栽,移栽于塑料盆(30cm×26.5cm×22cm)中,每
盆1株,培养基质由田园土、细砂和腐熟羊粪按5∶
1∶1(体积比)配制。在西北农林科技大学园艺场日
光温室中进行常规管理1年。
1.2 试验处理
2009年6月底进行干旱处理。每树种分别选
取长势一致(株高约1m)的2年生盆栽苗各90盆
(株),分成两组,一组正常供水(对照,30株);另一
组控水处理(60株),直至植株叶片出现永久性凋
萎,共12d。试验期间,观察叶片变化及受害程度,
测定土壤容积含水量和叶片相对含水量,隔天分别
采样。为了防止自然雨水的影响,干旱处理在温室
内进行。
1.3 测试指标
1.3.1 土壤容积含水量和叶片相对含水量测定 
利用 HH2Moisture Meter便携式土壤水分测定仪
(Delta-T Devices,Cambridge,UK)分别测定3种
苹果植株幼苗的土壤容积含水量,每隔1d测定1
次,每次每种植物测6~8株(盆),每株重复3次。
同期植株叶片相对含水量参照Barrs和 Weatherley
的方法测定[11],每次每种植物选6~8株,于每株顶
端切取3片完全展开叶片,分别计算平均值。
1.3.2 透射电镜样品的制备与观察 取对照及干
旱处理植株新梢顶端完全展开的第4片幼叶(形态学
顶端自上而下),在叶片主叶脉两侧用刀片切取大小
为1mm×1mm的组织块,立即投入用0.1mol·
L-1磷酸缓冲液(PBS,pH 6.8,下同)配制的1%戊二
醛中抽气5min,组织块下沉后,用PBS配制的4%戊
二醛于4℃下固定3h,PBS冲洗4~6次,每次30
min;再用PBS配制的1%锇酸在4℃下后固定2h,用
PBS冲洗4~6次,每次30min;丙酮梯度脱水,依次
用30%、50%、70%、80%、90%和95%的丙酮浸泡,
每梯度脱水30min,再用100%丙酮脱水3次,每次
30min;脱水后进行渗透与包埋,100%丙酮∶包埋剂
=3∶1渗透3h,1∶1渗透5h,1∶3渗透12h,然后
换成纯包埋剂包埋48h,每24h更换1次;最后在
30℃下聚合12h,60℃聚合48h。包埋剂由10ml环
氧树脂Epon812+7ml软化剂 MNA+4ml硬化剂
DDSA+0.3ml催化剂DMP-30配制而成。
用Leica ultracut UCT超薄切片机(Leica Mi-
crosystems GmbH,Wetzlar,Germany)切出厚度约
为70nm的超薄切片,用醋酸双氧铀和柠檬酸铅双
重染色后,用JEM-1230型透射电镜(JEOLLtd.,
Tokyo,Japan)对叶片上下角质层及叶绿体等亚细
胞超微结构进行观测。超薄切片每种植物每个处理
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观察20个视野并照相,用ImageJ软件(http://rs-
bweb.nih.gov/ij/)进行测量。
1.3.3 扫描电镜样品的制备与观察 与透射电镜
相同取样,叶片切取大小为2mm×2mm,快速投入
用0.1mol·L-1 PBS配制的1%戊二醛中,抽气使
组织块下沉后,用PBS配制的4%戊二醛于4℃下
固定3h,用PBS冲洗残留的固定液4~6次、30
min·次-1。然后依次用30%、50%、70%、80%、
90%和95%丙酮梯度脱水,每一梯度脱水30min,
再用100%丙酮梯度脱水3次,每次30min,然后用
醋酸异戊酯置换2次,每次30min,再用 Hitachi
HCP-2型临界点干燥器进行CO2 临界点干燥,喷
金后用JSM-6360LV 型扫描电镜(JEOL Ltd.,
Tokyo,Japan)对叶片表面进行观测照相,每种植物
每个处理观察20个视野。用ImageJ软件对气孔数
目、大小(长度×宽度)及开张度(用气孔开口横径表
示)进行测量和计算。
1.3.4 显微结构样品的制备与观察 选取上述透
射电镜制样块,切出厚度约为1 100nm的半薄横切
切片,用1%甲苯胺蓝染色20~25s,用蒸馏水冲洗
后置于60℃烘干,在光学显微镜CX31-12C02(O-
lympus Co.,Ltd.)下观察叶片上下表皮厚度、栅栏
组织厚度、海绵组织厚度和叶片厚度并拍照,用Im-
ageJ软件进行测量。并计算:叶片组织结构紧密度
CTR(%)=栅栏组织厚度/叶片总厚度×100%,叶
片组织结构疏松度SR(%)=海绵组织厚度/叶片总
厚度×100%。
1.4 数据处理与统计分析
试验数据采用SPSS16.0软件进行单因素方差
分析(One-way ANOVA)及Tukey’s多重比较。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫下土壤容积含水量和叶片相对含水
量的变化
  本试验通过控水方式使盆栽苗逐渐处于缺水状
态,结合土壤湿度和叶片组织的水分状况反映植株
水分亏缺程度。正常供水条件下,平邑甜茶、楸子和
新疆野苹果盆栽苗的土壤容积含水量(SVWC)相差
不大,变化范围在33.4%±0.8%之间。干旱条件
下,随着控水时间的延长,其SVWC值逐渐下降;控
水4d、8d和12d时,与对照相比,SVWC值降幅种
间差异不显著,降幅平均值为6.9%、13.5%和
21.0%(数据未显示)。Hsiao将中生植物按水分饱
和以及亏缺10%以下、10%~15%和15%以上三个
标准划分出轻度、中度和严重三个水分胁迫级
别[12]。本试验认为,控水4d、8d和12d时,3种苹
果属植物分别处于轻度、中度和重度水分胁迫阶段。
这与我们前期试验结果相一致[4]。
控水4d、8d和12d时,与对照相比,平邑甜茶
叶片相对含水量(LRWC)下降了12.1%、27.4%和
34.5%,楸子 LRWC 值下降了5.3%、18.6%和
27.5%,而新疆野苹果 LRWC 值下降了7.2%、
19.9%和30.7%(数据未显示)。结果表明,平邑甜
茶叶片对土壤水分亏缺的反应要比楸子和新疆野苹
果的敏感。
2.2 干旱胁迫下叶片解剖结构的变化
与对照相比,在轻度、中度和重度干旱胁迫下,
楸子叶厚下降了2.6%、8.5%和10.9%(P<0.
01),新疆野苹果叶厚下降了1.7%、4.4%和6.4%
(P<0.05),而平邑甜茶叶厚下降了0.5%、2.2%和
11.3%(P<0.01);楸子栅栏组织厚度的降幅为
11.0%、25.1%和28.1%(P<0.01),新疆野苹果的
降幅为5.5%、14.2%和21.5%(P<0.01),而平邑
甜茶的降幅为7.6%、22.8%和36.0%(P<0.01);
楸子海绵组织增加了1.0%、2.2%和9.8%,新疆野
苹果的增加了1.5%、3.5%和9.5%(P<0.05),而
平邑甜茶的增加了6.6%、10.4%(P<0.01)和
2.4%(表1)。
干旱胁迫下,楸子上下表皮厚度呈先增后减的
变化,在轻度和中度干旱胁迫下,楸子上下表皮厚度
变化与对照达极显著水平(P<0.01);新疆野苹果
上表皮厚度呈下降趋势,下表皮厚度略有增加,与对
照均未达显著水平;与对照相比,平邑甜茶上下表皮
厚度略有增加,仅在重度胁迫下其下表皮厚度变化
达显著水平(P<0.05)(表1)。
2.3 干旱胁迫下叶片角质层厚度的变化
正常条件下,3种苹果属植物叶片的上下角质
层厚度分别在502~529nm和305~403nm之间
(图1,表2)。在干旱胁迫下,楸子和新疆野苹果上
下角质层逐渐增厚,而平邑甜茶上下角质层厚度呈
先增后减的变化。在重度胁迫下,楸子和新疆野苹
果上角质层厚度比对照分别增加了47.2%和35.
9%(P<0.01),而下角质层厚度分别增加了57.8%
和55.6%(P<0.01);平邑甜茶下角质层厚度比对
照增加了13.4%(P<0.01),但上角质层厚度比对
照减少了20.4%(P<0.01)。
71
第3期 王顺才等:干旱胁迫对3种苹果属植物叶片解剖结构、微形态特征及叶绿体超微结构的影

图1 干旱胁迫下3种苹果属植物叶片角质层厚度的变化
Fig.1 Changes of the cuticle thickness of epidermal cel in leaves of three Malus plants under drought stress
注:(A)~(C)为楸子、平邑甜茶与新疆野苹果的上角质层;(D)~(F)为楸子、平邑甜茶与新疆野苹果在重度干旱胁迫下的上角质层。图
片中C-角质层,W-细胞壁,PM-质膜。标尺:(A)~(C):2μm,(D)~(F):1μm。
Note:(A)~(C)represent the upper cuticle thickness of M.prunifolia,M.hupenensis and M.sieversii under wel-watered condition,
and(D)~(F)represent their upper cuticle thickness under severe drought stress,respectively;C:cuticle;W:cel wal;PM:plasma mem-
brane.Bar:(A)~(C)2μm,(D)~(F)1μm.
表1 干旱胁迫下3种苹果属植物叶片解剖结构的变化
Table 1 Changes of the anatomical structure of mesophyl cels in three Malus plants under drought stress

Species
处理
Treatment
栅栏组织厚度
Thickness of
palisade/μm
海绵组织厚度
Thickness of
spongy/μm
上表皮
Upper
epidermis/μm
下表皮
Lower
epidermis/μm
叶片厚度
Thickness of
leaf/μm
栅栏/叶厚
Cel tightness
rate(CTR,%)
海绵/叶厚
Scattered
rate(SR,%)
楸子
M.prunifolia
新疆野苹果
M.sieversii
平邑甜茶
M.hupehensis
CK  93.4±3.5a  91.9±2.5b 14.8±1.0b 12.1±0.8b 212.2±6.1a 44.0%a  43.3%c
LD  83.1±8.4b* 92.8±6.3ab  16.9±1.5a** 13.6±1.3a** 206.7±4.2a 40.2%b** 44.9%c
MD  69.9±8.0c** 93.9±5.5ab  16.6±1.3a** 13.5±0.9a** 194.2±8.6b** 36.0%c** 48.4%b**
SD  67.1±6.3c** 101.0±9.4a 14.5±1.0b 11.2±1.4b 189.1±6.7b** 34.4%c** 52.3%a**
CK  110.1±4.6a 113.9±3.5b 18.3±3.1a 12.8±1.5a  255.5±5.7a 43.1%a  44.7%c
LD  104.1±5.4a 115.6±6.4b 18.0±2.7a 13.2±1.5a  251.0±10.8ab  41.5%ab  45.8%c
MD  94.5±3.2b** 117.8±3.2ab  15.2±1.3a 12.8±0.9a 244.3±8.6ab  39.3%b** 49.0%b**
SD  86.4±5.5c** 124.7±6.7a* 15.0±2.8a 12.8±1.7a 239.2±8.9b* 36.1%c** 52.3%a**
CK  98.4±7.1a 136.9±2.9b 15.7±0.9a 12.1±0.7b 263.0±6.9a 37.4%a  52.1%c
LD  90.9±4.3b 143.7±7.2ab  16.0±1.5a 12.3±0.8ab  261.8±5.9a 34.3%b** 55.3%b**
MD  76.0±3.7c** 151.1±4.1a** 16.4±1.9a 13.3±1.3ab  257.3±6.4a 29.5%c** 58.7%a**
SD  63.0±2.9d** 140.1±4.9b 16.3±1.2a 13.8±1.2a* 233.3±6.8b** 27.0%d** 60.1%a**
  注:CK、LD、MD和SD分别代表对照、轻度、中度和重度水分胁迫。数据以平均数±标准差(SD)表示,同列数据后不同的字母表示显著水
平P<0.05。*表示与对照相比,在P<0.05水平上显著,**表示在P<0.01水平上极显著,下同。
Note:CK,LD,MD,and SD represent control,light,moderate and severe drought stress,respectively.Data represent the means(±SD)of 5~8measure-
ments from three independent plant samples.Values folowed diferent letters within the same column indicate significant diference at P<0.05by Tukey’s test.
One or two asterisks denote significantly diferent between the control and drought-stressed plants at P<0.05or P<0.01,respectively;The same as below.
81            干旱地区农业研究                第32卷
表2 干旱胁迫下3种苹果属植物叶片角质层厚度的变化
Table 2 Changes of the upper and lower cuticle thickness of epidermal cels in leaves of three Malusplants under drought stress
种Species 组织 Tissue/nm
处理 Treatment
CK  LD  MD  SD
楸子 M.prunifolia
新疆野苹果 M.sieversii
平邑甜茶 M.hupehensis
上角质层 UC  502±41c 533±31bc  584±25b** 739±34a**
下角质层LC  403±32c 465±18b* 501±33b** 636±55a**
上角质层 UC  512±20c 602±17b** 612±29b** 696±48a**
下角质层LC  340±10c 438±33b** 562±34a** 529±35a**
上角质层 UC  529±29a 582±23a 432±19b** 421±25b**
下角质层LC  305±34d 399±29b** 450±14a** 346±33c**
  注:UC和LC分别代表上、下角质层厚度。数据以平均数±标准差表示,同行数据后不同的字母表示显著水平P<0.05。
Note:UC and LC represent the upper and lower cuticle thickness,respectively.Data represent the means(±SD)of 4~8measurements from three in-
dependent plant samples.Values folowed diferent letters within the same row indicate significant diference at P<0.05by Tukey’s test.
2.4 干旱胁迫下叶片气孔形态特征的变化
扫描电镜观察发现,3种苹果属植物叶片气孔
仅分布于下表皮。正常条件下,楸子和新疆野苹果
下表皮蜡质纹饰较少(图2A、图2C),而平邑甜茶下
表皮表面平坦光滑,纹饰不明显(图2B);干旱胁迫
下,楸子和新疆野苹果气孔周围条索状纹饰明显增
多变粗,其中楸子尤为明显(图2D、图2F),而平邑
甜茶下表皮表面变得凹凸不平,气孔明显下陷闭合
(图2E)。中度干旱胁迫下,楸子和新疆野苹果上表
皮细胞呈不规则多边形,表面无纹饰(图2G、图2I),
而平邑甜茶上表皮布满条状纹饰(图2H)。
图2 干旱胁迫下3种苹果属植物气孔及叶表皮形态特征的变化
Fig.2 Changes of stomata and leaf surface characteristics of three Malus plants under drought stress
注:(A)~(C)为楸子、平邑甜茶与新疆野苹果的对照;(D)~(F)为楸子、平邑甜茶与新疆野苹果在重度干旱下的下表皮面;(G)~(I)为楸
子、平邑甜茶与新疆野苹果在中度干旱下的上表皮面。
Note:(A)~(C)represent stamata in leaves of M.prunifolia,M.hupenensisand M.sieversi under wel-watered condition,(D)~(F)represent their low-
er epidermis characteristics under severe drought stress,and(G)~(I)represent their upper epidermis characteristics under moderate drought stress,respectively.
91
第3期 王顺才等:干旱胁迫对3种苹果属植物叶片解剖结构、微形态特征及叶绿体超微结构的影

  正常条件下,3种苹果属植物气孔密度在313.6
~344.9个·mm-2之间,气孔大小(长度×宽度)依
次为新疆野苹果(26.2μm×18.2μm)>楸子(19.5
×16.4)>平邑甜茶(18.9×15.6)(表3)。在轻度、
中度和重度水分胁迫下,楸子气孔密度的增幅为
54.1%、94.2%和98.0%,新疆野苹果的增幅为
29.6%、44.5%和61.8%,而平邑甜茶的增幅为
5.9%、12.5%和33.8%。与对照相比,在中度和重
度干旱胁迫下,楸子和新疆野苹果气孔长度略有增
加但变化不显著,而气孔宽度显著(P<0.05)或极
显著降低(P<0.01);干旱胁迫条件下平邑甜茶气
孔长度和宽度呈下降变化趋势,在重度胁迫下达到
极显著水平(P<0.01)。在重度胁迫下,气孔宽度
降幅依次为楸子(16.3%)>平邑甜茶(12.3%)>新
疆野苹果(7.18%)。
在中度和重度干旱胁迫下,楸子和平邑甜茶的气
孔开张比和开张度显著降低(P<0.05),而新疆野苹
果的降幅变化不显著。重度胁迫下,楸子和平邑甜茶
气孔大多数几乎完全关闭(图2D、图2E),而新疆野苹
果尚有部分气孔处于半闭合或半开张状态(图2F)。
表3 干旱胁迫对3种苹果属植物叶片气孔特征、叶绿体及淀粉粒大小的影响
Table 3 Effects of drought on stomata characteristics,chloroplast and starch grain sizes of mesophyl cels in three Malus plants

Species
处理
Treatment
气孔密度
Density of
stomata
/(No.·mm-2)
气孔开张比
Stomatal
opening
rate/%
气孔长
Stomata
length
/μm
气孔宽
Stomata
width
/μm
气孔开张度
Stomatal
aperture
/μm
叶绿体大小
Chloroplast size
长/μm
Length
宽/μm
Width
淀粉粒大小
Starch grain size
长/μm
Length
宽/μm
Width
楸子
M.prunifolia
新疆野苹果
M.sieversii
平邑甜茶
M.hupehensis
CK  313.6±30.3c  93.9±4.6a 19.5±1.6a 16.4±0.7a 2.6±0.2a 5.0a 1.6c 2.5  0.8
LD  483.4±22.4b** 92.8±5.3a 19.7±1.3a 15.1±1.0ab  2.2±0.3b* 4.9a 1.7c 1.2** 0.3**
MD  610.9±38.2a** 66.2±5.2b** 19.5±0.2a 14.7±1.0b* 1.9±0.2b** 4.7a 1.9b** ND  ND
SD  622.8±25.6a** 26.2±2.4c** 20.4±1.0a 13.7±1.3b** 0.9±0.1c** 3.5b* 2.3a** ND  ND
CK  319.9±29.5c 96.2±2.8a 26.2±0.8b 18.2±0.3a  3.1±0.4a 5.4a 1.9c 2.6  0.8
LD  414.7±37.0b** 95.6±2.7ab  26.7±0.9ab  17.7±0.8ab  2.7±0.2b* 5.2a 2.1b* 1.9** 0.4**
MD  462.1±52.3b** 90.0±3.0bc  27.0±1.0ab  17.1±0.7b* 2.3±0.2bc** 4.2b** 2.4a** ND  ND
SD  517.7±41.8a** 85.2±3.3c** 27.6±0.7a 16.9±0.8b* 2.2±0.2c** 3.4c** 1.4d** ND  ND
CK  344.9±13.5c 94.7±2.8a 18.9±0.9a 15.6±0.8a  2.2±0.2a 5.9a 1.5b 2.0  0.6
LD  365.2±14.4bc  90.6±2.1a 18.2±0.7a 14.6±0.6b* 2.1±0.3a 5.6a 1.5b 1.1** 0.3**
MD  388.1±33.1b* 81.2±3.8b** 18.1±0.8a 13.9±0.8bc** 1.8±0.1b** 4.3b** 1.7a** ND  ND
SD  461.4±49.7a** 22.9±1.9c** 16.2±1.0b**13.6±0.6c** 1.1±0.2c** 2.2c** 1.0c** ND  ND
  注:数据用平均数±标准差表示,同列数据后不同的字母表示显著水平P<0.05。ND表示无数据。
Note:Data represent the means(±SD)of 4~11measurements from the fuly expanded fourth leaf of three independent plant samples.Values folowed differ-
ent letters within the same column indicate significant difference at P<0.05by Tukey’s test.ND=no data.
2.5 干旱胁迫下3种苹果属植物叶绿体超微结构
的变化
  正常条件下,3种苹果属植物叶肉细胞内,叶绿
体紧贴细胞壁分布,每个叶绿体上有1~2个淀粉粒
清晰可见(图3A、图3E和图3I);干旱胁迫下,叶绿
体超微结构的变化表现出许多类似的共同特征:在
轻度胁迫下,叶绿体轻微膨胀,淀粉粒大小明显变
小、数量减少(表3),基质片层变稀薄模糊(图3B、
图3F和图3J);在中度胁迫下,叶绿体基质片层排
列松散,形成弯曲状,淀粉粒消失,基粒类囊体腔扩
大,基质片层出现囊泡,平邑甜茶叶肉细胞出现明显
的质壁分离现象(图3G),而楸子和新疆野苹果的不
明显(图3C、图3K);在重度胁迫下,叶绿体膨胀成
近圆形,相互聚集且排列混乱,叶绿体基质片层严重
囊泡化,基粒类囊体解体呈现空泡化,垛叠片层数量
减少甚至消失(图3D、图3L),其中平邑甜茶基质片
层泡化较严重,叶绿体膜部分破裂(图3H)。
3 讨 论
3.1 干旱胁迫对3种苹果属植物叶片解剖结构的
影响
  水分胁迫下,植物细胞结构及代谢活动都会受
到不同程度的损害,如果这种细胞伤害是不可逆的,
就会导致植物死亡。光镜观察结果发现,正常条件
下,楸子和新疆野苹果栅栏组织排列紧凑较整齐,而
平邑甜茶的排列疏松。干旱胁迫下,3种苹果属植
物叶片栅栏组织排列趋紧变短,海绵组织变薄、排列
疏松;栅栏组织和海绵组织细胞明显变小,细胞紧密
程度减小。总体表现为,叶片及栅栏组织厚度逐渐
减小,海绵组织厚度逐渐增加(重度胁迫下平邑甜茶
除外),CTR值逐渐减小,而SR值逐渐增加。这与
前人对桃和苹果品种的研究结果相一致[13-14]。
02            干旱地区农业研究                第32卷
图3 干旱胁迫对3种苹果属植物叶绿体超微结构的影响
Plate 3Effects of drought on chloroplast ultrastructure of three three Malus plants
注:(A)~(D)为楸子的对照、轻度、中度和重度干旱胁迫;(E)~(H)和(I)~(L)分别代表平邑甜茶和新疆野苹果的对照、轻度、中度和重
度干旱胁迫。CP-叶绿体,SG-淀粉粒,VS-基质片层囊泡化,N-细胞核,V-液泡,W-细胞壁,PM-质膜。
Note:(A)~(D)represent control,mild,moderate,and severe drought stress treatments of M.prunifolia,(E)~(H)and(I)~(L)represent
those of M.hupenensis and M.sieversii,respectively.CP:Chloroplasts,SG:starch grain,VS:vesiculation of matrix slice layer,N:nucleus,V:vacu-
ole,W:cel wal,PM:plasma membrane.
   研究表明,发达的栅栏组织在水分适宜时增加
植物的蒸腾效率,在干旱时可阻止组织水分蒸发;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[14]。本试验结果表明,与对
照相比,中度和重度干旱胁迫下,3种苹果属植物叶
片栅栏组织厚度的降幅极显著(P<0.01),是造成
其叶片厚度显著降低的主要原因(P<0.05);与楸
子和新疆野苹果不同的是,在重度水分胁迫下,平邑
甜茶海绵组织厚度由增变减,进而导致其叶厚极显
著下降(P<0.01)。与平邑甜茶相比,新疆野苹果
和楸子具有栅栏组织较发达、叶肉组织结构较紧密
以及CTR值高而SR值低的特点,更具抗旱的细胞
结构特征,故在干旱环境胁迫中显示出较强的适应
性和抗旱能力。这与Bacelar等在不同油橄榄品种
(Olea europaea L.)上的研究结果相一致[15]。
3.2 干旱胁迫对3种苹果属植物叶表皮微形态特
征的影响
3.2.1 干旱胁迫对3种苹果属植物叶片上下角质
层厚度的影响 植物角质层(也称角质膜)是在植物
表面覆盖的、由脂肪酸及其衍生物构成的疏水性物
质。植物角质层主要由蜡质和角质组成。角质层蜡
质嵌入或沉积在角质基质中,具有限制植物表面水
分非气孔性散失,保护植物内部组织免受紫外辐射
及病菌侵染[16]。干旱环境条件下,植物叶片的气孔
导度降低,植物通过气孔散失的水分减少,进而通过
表皮角质层调节水分散失[17]。透射电镜观察结果
表明,3种苹果属植物叶片上下表皮细胞均被有角
质层(图1),且上角质层厚度明显大于下角质层厚
度。这可能与上表皮层一直对内部组织提供保护作
用有关[15]。干旱条件下,楸子和新疆野苹果上下角
质层随着胁迫强度的增加而逐渐加厚,而平邑甜茶
上、下角质厚度分别在中度和重度干旱胁迫下开始
降低(表2)。这表明,不同苹果属植物角质层对水
分亏缺的反应能力与干旱胁迫程度有关,而且种间
差异明显。由此我们推测,角质层发育程度的差异
12
第3期 王顺才等:干旱胁迫对3种苹果属植物叶片解剖结构、微形态特征及叶绿体超微结构的影

可能是构成苹果属植物抗旱能力强弱的原因之
一。有研究表明,角质层的组分及其渗透性在很
大程度上可决定植物自我保护抵御外界胁迫的
能力,而植物角质层蜡质的化学组分及生理特性
因物种、组织和器官发育阶段不同而存在差异[18],
且受内部调节机制及外部环境因素(如ABA、干旱、
光照和湿度)的影响[19]。研究报道,在水分胁迫条
件下,植物过量表达蜡质相关转录因子或诱导表达
蜡质合成相关基因,蜡质含量增加,增强了植株的抗
旱性[20-21]。目前,一些角质和蜡质合成、调控及转
运途径相关的基因在拟南芥、水稻等模式植物中被
不断地克隆和鉴定[22-24],有关角质层蜡质生物合成
及转运途径的部分具体环节已被阐明[25-26],但是有
关植物角质层生物合成与调控的具体作用机理尚不
清楚[16,27]。
3.2.2 干旱胁迫对3种苹果属植物气孔形态特
征的影响 气孔是叶片和外界环境进行气体和
水分交换的重要通道,气孔开度与气孔密度对植
物的光合作用和蒸腾作用具有重要的影响[28]。
通过气孔调节而提高水分利用效率是植物在干
旱胁迫下忍耐饥饿能力的一种适应方式。气孔
开口变小、密度变大是植物对干旱气候环境响应
的典型特征[29],而植物气孔数量对干旱胁迫的响
应不仅与物种有关,而且与遭受的干旱胁迫程度
有关[30]。对于许多植物而言,既可短期调节气孔
开度又可长期控制气孔密度的发育和形态来适
应环境变化[31]。扫描电镜观察发现,在干旱胁迫
下,3种苹果属植物叶片气孔器整体下陷,气孔数
量明显增加,气孔开度及开张比降低。这表明,
干旱胁迫下,苹果属植物气孔密度和气孔开度
(或大小)呈负相关变化。这与人们对杨树[32]和
拟南芥[33]的研究结果相一致。
研究表明,光照和CO2 浓度在控制气孔发育
中起着重要的作用[34],植物气孔开度与气孔密度
的负相关性主要与叶片的CO2 导度有关,具有较
多小气孔的植物叶片更能适应 CO2 受到限制的
环境[35]。然而,长时间气孔关闭导致 CO2 吸收
速率降低,进而影响光合同化速率和植物的发
育[36]。本试验研究发现,新疆野苹果的气孔较
大,因水分亏缺而引起的气孔关闭反应不如楸子
与平邑甜茶的敏感。这在一定程度上反映了苹
果属植物适应气候生态环境的差异,即来自潮湿
或较湿生境的平邑甜茶与楸子植物,其气孔调节
能力高于来自干燥气候环境的新疆野苹果植物。
新疆野苹果和楸子气孔对干旱环境变化的反应
与抗旱性并不完全一致,这可能与它们水分利用
效率的差异有关[37]。
3.3 干旱胁迫对3种苹果属植物叶绿体超微结构
的影响
  透射电镜观察发现,正常水分条件下,3种苹果
属植物叶绿体紧贴细胞壁分布,这种排列方式有利
于CO2 从大气中向叶绿体中扩散,提高光合作
用[38]。水分胁迫下,细胞液泡收缩,核染色质凝聚,
细胞发生质壁分离;随着水分亏缺程度加强,淀粉粒
消失,叶绿体弯曲膨胀呈无规则排列,基粒类囊体空
泡化,叶绿体膜结构遭到破坏。与平邑甜茶相比,楸
子和新疆野苹果叶绿体超微结构受损程度相对较低
(图3)。研究表明,叶绿体的结构和功能对干旱反
应较敏感,由于活性氧(ROS)大量积累而导致氧化
胁迫。叶绿体PSI通过酶促或非酶促的O·2 歧化反
应形成 H2O2,叶绿素分子也可通过能态转变释放
能量产生1 O2[39]。叶绿体类囊体膜不饱和脂肪酸
(PUFA)含量较高,易与1 O2 发生质膜过氧化反应,
导致叶绿体膜结构的破坏;高浓度 O·2 导致基粒类
囊体的松散或崩裂[40]。
综上所述,干旱胁迫对3种苹果属植物叶片细
胞结构的影响都有一个从适应到伤害的过程。在轻
度和中度水分胁迫下,3种苹果属植物通过改变自
身的细胞结构来适应干旱环境,叶片显微及超微结
构都发生了适应性变化;在重度胁迫下,抗旱性较强
的楸子和新疆野苹果叶细胞结构受损程度较轻,而
抗旱性较弱的平邑甜茶遭受不可逆损伤的程度较
重。不同苹果属植物叶片结构对干旱胁迫的响应与
适应性变化不仅与所遭受的水分胁迫程度相关,而
且与其抗旱内在生理机制有关。这需要进一步深入
探讨。
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