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干旱是影响植物生命活动和生长代谢的最主要的非生物胁迫因素之一[1],长期处于干旱生境下,植物会在根、茎、叶等外部形态上发生结构性的变化[2],作出一定的形态学适应。叶片是植物进行同化作用和蒸腾作用的主要器官,也是对环境变化比较敏感和可塑性较大的部位[3-4],叶片形态特征尤其是叶片解剖结构与植物的抗旱性密切相关。大量的研究结果表明,干旱胁迫对叶片结构的影响主要体现在叶片变薄、叶面积变小、栅栏组织厚度变小[4-7],角质层发达,气孔密度增大、面积变小,气孔开度减小,叶绿体膨胀变形,被膜皱褶,进而局部破裂,基质囊泡化等[5, 8],这些形态结构的变化均是对干旱的适应特征。因此,从叶片的显微结构等多方面开展系统的研究,是掌握植物对干旱胁迫响应和适应的重要切入点。
油茶(Camellia oleifera Abel.)是我国特有的木本油料树种,与油棕(Elaeis guineensis Jacq.)、油橄榄(Olea europaea L.)、椰子(Cocos nucifera L.)并称为世界四大木本食用油料植物,被誉为“东方橄榄油”,综合利用价值高[9],多分布于南方低山丘陵地区[10]。近几年来,我国在油茶良种选育、栽培、加工、生理等方面[11-15]的研究取得了显著的成果,油茶抗旱性研究也有不少报道,但多数集中在生理生化方面对干旱响应的比较[16-18],而关于干旱胁迫条件下油茶叶片结构差异的研究较缺乏。为此,本研究选取7年生‘长林4号’油茶(C. oleifera‘Changlin-4’)为试验材料,干旱胁迫条件下观测分析其叶片外部形态特征、叶片下表皮气孔特征、叶肉和叶脉显微结构等,探究油茶叶片结构特征在不同程度干旱胁迫下的变化及规律,进一步了解其干旱适应机理。
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油茶叶片形态结构为宽卵形,革质,先端渐尖,边缘有明显的锯齿,中脉突起,表面中脉有细毛,叶表面显光泽,与一般双子叶植物的叶相同,油茶叶片解剖结构可分为叶表皮、叶肉、叶脉。叶表皮外覆有角质层与蜡质,上表皮较厚,由长形细胞排成一层,细胞外壁具角化的角质层,下表皮较上表皮薄,细胞体积较小,气孔主要分布在叶的下表皮,是调节蒸腾与外界气体交换的通道,气孔近圆形,由两个保卫细胞组成(图 2A、B)。叶肉有栅栏组织和海绵组织2部分,栅栏组织紧靠上表皮,细胞呈圆柱形,排列2~3层,内含大量叶绿体,是光合作用的主要场所。海绵组织靠近下表皮,细胞较大,近圆形,排列疏松,胞间隙较大,便于气孔与叶肉之间的联系(图 2C)。叶脉横切面呈束状,主脉由薄壁组织、维管束、维管束鞘组成,薄壁组织发达,有晶体分布,晶体呈簇状,维管束鞘包括木质部与韧皮部,维管束包括木质部、韧皮部和形成层三部分,木质部含有大量导管(图 2D)。
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由表 1可看出:随着干旱程度的增加,油茶叶片厚度呈下降趋势,T3、CK处理的叶片厚度较T1、T2的大,分别为392.67、387.60 μm,T1处理的最小,仅为373.22 μm,与CK相比,T1、T2处理的叶片厚度差异显著;叶片长度、叶片宽度、叶面积随着干旱程度的增加呈降低趋势,且不同处理间差异性显著。从表 2可看出:油茶单叶鲜质量、单叶干质量和单叶饱和质量均随土壤水分的增加呈上升趋势,即T1<T2<T3<CK,且T1、T2、T3处理与CK差异显著。叶片相对含水量T1处理的最小,为75.25%;T2、T3与CK处理差异不显著,3个处理的叶片相对含水量分别为79.38%、78.86%、77.19%。
处理
Treatment叶片厚度
Leaf thickness /μm叶片长度
Leaf length /cm叶片宽度
Leaf width /cm叶面积
Leaf area /cm2T1 373.22±1.94c 5.19±0.05d 2.53±0.03c 9.86±0.13d T2 381.45±1.43b 5.46±0.04c 2.69±0.03b 10.53±0.14c T3 392.67±2.08a 5.87±0.05b 2.89±0.02a 12.28±0.13b CK 387.60±1.99a 6.14±0.05a 2.91±0.03a 12.83±0.21a 注:T1、T2、T3和CK分别代表重度干旱胁迫、中度干旱胁迫、轻度干旱胁迫和自然状况(对照);数据为平均值±标准误;同列数据后不同字母表示处理间显著差异(P<0.05),下同。
Note: T1, T2, T3 and CK stand for severe drought stress, moderate drought stress, mild drought stress and natural condition; Values are means ± s.e; The different lowercase letters in the same column indicate the significant difference (P < 0.05), the same below.Table 1. Leaf external morphological characters of Camellia oleifera under drought stress
处理
Treatment单叶鲜质量
Leaf fresh weight /g单叶干质量
Leaf dry weight /g单叶饱和质量
Leaf saturated weight /g相对含水量
Leaf water content /%T1 0.334 9±0.008 6c 0.133 3±0.002 8c 0.401 9±0.011 8c 75.25±0.94b T2 0.349 5±0.010 1c 0.137 0±0.003 9c 0.405 1±0.012 6c 79.38±0.74a T3 0.387 9±0.012 1b 0.156 4±0.005 3b 0.450 8±0.015 7b 78.86±0.83a CK 0.449 9±0.008 6a 0.180 5±0.003 4a 0.529 9±0.010 4a 77.19±1.09ab Table 2. Leaf moisture characteristics of C. oleifera under drought stress
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图 3是不同干旱处理下油茶叶片下表皮气孔分布(图 3A,100倍镜下观察)与气孔特征(图 3B,400倍镜下观察)。图 4表明:随着干旱程度的加剧,油茶叶片气孔密度呈先降低后上升的变化,其中,重度干旱胁迫T1与CK的气孔密度均较大,分别为227.91、220.38个·mm-2,中度干旱胁迫T2的气孔密度最小,为191.62个·mm-2;与CK相比,T1处理对气孔密度的影响差异不显著,T2、T3处理对气孔密度的影响差异显著。气孔面积随着土壤含水率的减少呈下降趋势,T1、T2、T3分别比CK降低了23.09%、9.58%、7.80%,且T1、T2、T3与CK相比差异显著。气孔周长、气孔器大小、气孔开度均与气孔面积变化趋势相同,即随着干旱程度的增强,气孔周长、气孔器长与气孔器宽、气孔开度长与气孔开度宽均有不同程度的下降,且差异显著。
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不同干旱程度胁迫下,油茶叶片内部结构差异较大(图 5A,表 3),随着干旱程度的增强,叶片上表皮厚度、下表皮厚度呈下降的趋势,且上表皮厚度大于下表皮厚度,T1处理的叶片上表皮厚度、下表皮厚度均最小,分别为18.69、16.19 μm,CK处理的叶片上表皮厚度最大,为23.38 μm,T3处理的下表皮厚度最大,为18.12 μm,且与CK处理相比,T1处理的叶片上表皮厚度、下表皮厚度均差异显著。因此,当油茶受到重度干旱胁迫时,叶片上表皮、下表皮均显著变薄。
处理
Treatment上表皮厚度
Upper epidermis thickness/μm下表皮厚度
Lower epidermis thickness /μm上角质层厚度
The upper cuticle thickness /μm下角质层厚度
The lower cuticle thickness /μm栅栏组织厚度
Palisade tissue thickness /μm海绵组织厚度
Spongy tissue thickness/μm栅海比
Ratio of palisade tissue and spongy tissueT1 18.69±0.29c 16.19±0.29b 5.73±0.12a 3.62±0.11a 128.05±1.16b 197.76±2.17a 0.65±0.01b T2 22.24±0.49ab 18.11±0.29a 5.12±0.12b 3.55±0.09a 132.91±0.93b 195.18±1.58a 0.68±0.01ab T3 21.94±0.43b 18.12±0.42a 5.15±0.15b 3.36±0.12ab 138.99±2.56a 194.33±2.16a 0.72±0.02a CK 23.38±0.44a 17.14±0.32a 5.15±0.22b 3.19±0.11b 141.89±2.02a 196.10±1.00a 0.72±0.02a Table 3. Leaf epidermis and mesophyll structure parameters of C. oleifera under drought stress
随着干旱程度的加剧,叶片上角质层厚度、下角质层厚度在整体上表现为增加,且上角质层厚度大于下角质层厚度,尤其是遭受重度干旱胁迫时,叶片上角质层厚度、下角质层厚度显著增大,分别为5.73、3.62 μm,与CK相比,T1处理的上角质层厚度、下角质层厚度均差异显著,T3处理的差异均不显著。
从CK至T1处理,随着干旱胁迫的加强,叶片栅栏组织厚度和栅海比均逐渐减小,海绵组织厚度变化不显著,栅栏组织厚度和栅海比CK处理的均最大,分别为141.89、0.72,T1处理的均最小,分别为128.05、0.65,T1、T2处理的栅栏组织厚度显著低于CK。由此可见,油茶叶片结构变化同干旱胁迫程度密切相关,轻度干旱胁迫下影响较小,中度干旱胁迫、重度干旱胁迫对叶片影响较大。
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根据干旱胁迫下油茶叶片主脉结构特征(图 5B),对各组织结构进行测量并对各参数进行多重比较分析(表 4)可见:不同程度干旱胁迫对叶片主脉解剖结构影响显著。随着干旱程度的增强,主脉厚度逐渐增加,T1处理的主脉厚度达到682.39 μm,T1、T2、T3处理的主脉厚度分别比CK增加了17.6%、7.8%、2.4%,T1、T2处理与CK相比差异显著,T3处理与CK相比差异不显著,原因可能是T3、CK处理的土壤含水率较接近;T2处理的木质部厚度显著低于T1、T3、CK;T1、T2处理的维管束短径显著低于T3和CK;韧皮部厚度在不同干旱处理间差异不显著,厚度均在72~75 μm之间;随干旱胁迫的加剧,T1、T2、T3处理的主脉突起度显著高于CK,重度干旱胁迫下主脉突起度最大(1.71),CK处理的最小(1.54),且T1、T2、T3处理与CK相比,均差异显著。
处理
Treatment主脉厚度
Main vein thickness/μm木质部厚度
Xylem thickness/μm韧皮部厚度
Phloem thickness/μm主脉突起度
Midrib protuberant degree维管束短径
Short diameter of vascular bundle /μmT1 682.39±5.36a 180.35±2.76b 72.05±0.99a 1.71±0.01a 252.91±3.17c T2 625.43±7.92b 168.40±1.89c 73.38±1.29a 1.61±0.02b 245.87±1.74c T3 594.38±4.26c 218.58±5.55a 74.65±1.49a 1.62±0.02b 297.38±5.23a CK 580.20±9.99c 190.24±3.17b 72.04±2.44a 1.54±0.02c 263.76±3.61b Table 4. Vein anatomical structure parameters of C. oleifera under drought stress