水稻叶片气孔对CO2浓度变化的响应

卞景阳+张志刚+孙兴荣+刘洋+齐国超+李泽宇

摘要：气孔是植物与外界气体交换的通道，CO2浓度发生变化，气孔将第一时间作出响应。试验以开顶式气室（OTC）为研究手段，设定CO2浓度分别为380 μmol/mol（CK）、550 μmol/mol（處理），通过扫描电镜观察水稻第4张叶片的气孔，分析CO2浓度增高对叶片气孔分布和形态特征的影响。结果表明，处理较CK腹面、背面气孔带间距离增加24.27%、26.41%，气孔带上气孔间距离缩小20.28%、14.73%，CO2浓度增加使气孔带上气孔排列更加紧密；处理较CK叶片背面气孔器面积、周长、长度显著增加，叶片腹面宽度显著减少；叶片背面保卫细胞的面积、周长、长度显著增加，宽度显著减少；叶片腹面气孔乳突面积、周长显著减少，背面乳突数量显著减少；CO2浓度增加促进了叶片表面细胞分裂，增加了单位面积的细胞数量，促进细胞分裂，处理较CK腹面、背面气孔指数（SI）分别下降14.80%、14.18%，气孔密度（SD）变化差异不显著，说明SI比SD更适合表达CO2浓度变化对气孔的影响。

关键词：CO2浓度；气孔细胞；气孔器；气孔指数；形态特征

中图分类号： S511.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）23-0072-04

叶片气孔是植物与外界进行气体交换的通道，CO2是光合作用的底物，大气CO2浓度发生变化，气孔将第一时间作出响应。学者对叶片气孔对环境响应做了大量的研究，通过对气孔参数与古气候、古环境的研究，利用气孔密度（SD）、气孔指数（SI）与CO2浓度变化成反比这一特点，把气孔参数（SD、SI）作为成为推测地质历史时期大气CO2浓度变化的重要古生物指标之一[3-4]。大多数研究表明，气孔开度[5-6]、气孔指数[7-8]与CO2浓度成反比，气孔为了保持胞间CO2分压始终低于大气CO2分压，叶片气孔采取关闭气孔和减少单位细胞内的气孔数量（气孔指数）对高浓度CO2的响应。但也有人对于SD与CO2浓度关系的研究结果存在一定的争议。

东北粳稻具有独特的粳稻血缘，在东北特殊的寒地气候条件下，全球大气CO2浓度增加将会对东北粳稻产生多大的影响，气孔作为CO2与植物连接的通道，对CO2浓度增加如何响应，目前少见报道。本试验以东北粳稻为研究材料，以21世纪中叶可能达到的CO2浓度（550 μmol/mol）作为模拟环境，在CO2浓度增加条件下，气孔在叶片的分布（气孔形态、SI、SD）进行分析，阐明水稻叶片气孔到21世纪中叶叶片气孔可能产生的变化。并系统分析了气孔特征（长、宽、面积、周长）、气孔细胞（保卫细胞、乳突）特征、气孔参数在CO2浓度变化环境下的变化规律和趋势。

1材料与方法

1.1供试材料

粳稻品种为东农428。

1.2试验设计

试验于2012年在黑龙江省农业科学院农业示范园区（125°42′E、44°04′N）进行，土壤为东北黑土，搅拌均匀，未施用肥料，CO2浓度分别设置为380 μmol/mol（CK）和 550 μmol/mol（处理）2个处理，3次重复，采用开顶式气室（OTC）CO2富集系统。试验在OTC内进行，于4月17日播种，第4张叶完全展开时取样，并电镜观察。本试验使用的装置OTC是八角形状——OTC-1型，通气后OTC内CO2分布均匀，试验处理浓度的设定以工业革命时期CO2浓度为基准加倍。试验从播种开始进行CO2浓度处理直到水稻第4张叶完全展开结束。

1.3扫描电镜制样

在水稻叶片中部中脉附近，取宽度约1.5 mm切片，经戊二醛固定、缓冲液冲洗、乙醇系列脱水、叔丁醇置换、ES-2030型（HITACHI）冷冻干燥仪干燥，粘样、E-1010型（HITACHI）离子溅射镀膜仪镀金膜，置于S-3400N型（HITACHI）扫描电镜下观察。

1.4扫描电镜观察

利用OLYMPUS TEM Lmaging Platform软件观察，测定叶片表面气孔细胞的形态特征。每个处理制定3个临时装片，于300、1 000倍电镜下拍照观测叶片表面气孔，选择清晰的图片测定气孔细胞形态特征。气孔宽度为垂直于主叶脉的气孔最大值，气孔长度为平行于主叶脉的气孔最大值。测量数据通过使用OLYMPUS TEM Lmaging Platform软件自动生成，保证数据的准确性。

1.5数据处理

试验数据利用Office软件进行数据整理，采用IBM SPSS Statistics 19软件对数据进行分析作图和差异性比较。气孔指数计算公式为I=S/（S+E），式中I为气孔指数，S为单位面积的气孔数目，E为单位面积的表皮细胞数目。

2结果与分析

2.1CO2浓度变化对水稻叶片气孔带形态结构的影响

电镜观察（图1）显示，气孔器由1对保卫细胞和外面包裹着近似菱形的副卫细胞组成，副卫细胞上分布着4～5个乳突。2个硅栓细胞带中间平行排列着2列气孔带。气孔带分布较均匀，一般呈直线形和S形排列。

CO2浓度变化，叶片表面（腹面、背面）气孔带中，气孔排列和气孔之间的距离发生相应变化。2个气孔间垂直距离比较可知，CK、处理分别是（65.81±1.11）、（46.32±0.84） μm，气孔之间的距离随CO2浓度增加呈缩小趋势，并达到显著水平。气孔带间距离随着CO2浓度增加有加大趋势，并在腹面、背面均达到极显著水平（图2）。

扫描电镜观察结果显示，叶片气孔的排列主要有直线和S型排列2种，高浓度与CK比较，气孔排列方式变化特征明显，由于高浓度CO2使得气孔间距离缩小，气孔带间距离加大，使得每列气孔排列更加紧密，并导致气孔带横向发展，最后导致S型排列气孔带数量增加。

2.2CO2浓度变化对水稻叶片表面气孔器特征参数的影响endprint

由表1可知，叶片腹面和背面的气孔对CO2浓度变化的响应存在一定的差异。对于叶片腹面，气孔宽度发生变化，呈现CO2浓度增加气孔宽度变小的趋势，并达到显著水平。CO2浓度增加使叶片背面气孔面积、周长、长度显著增加。

2.3CO2浓度变化对水稻气孔保卫细胞特征参数的影响

保卫细胞是气孔器上最重要的细胞，控制着气孔开合，保卫细胞也是对CO2浓度反应最灵敏的细胞。一般来说，CO2浓度增加，保卫细胞pH值降低，水势升高，水分排出，气孔开度变小。保卫细胞对CO2浓度变化的响应与整个气孔器的变化趋势基本一致，保卫细胞背面面积、周长增加，长宽比变大，腹面影响差异不显著（表2）。

2.4CO2浓度变化对水稻气孔乳突细胞特征参数的影响

气孔乳突也是反映气孔特征的重要细胞，特别是在不同类型的水稻上，气孔乳突差异很大，与水稻育种和起源有着密切的关系。由表3可知，CO2浓度变化对气孔乳突产生显著影响，处理对乳突面积、周长、数量有减少趋势，并达到显著水平；使乳突高度显著增加。

CO2浓度变化对叶片腹面和背面的SI产生显著影响，处理使叶片SI下降，并达到极显著水平（图3）。同一叶片气孔密度无明显差异，处理使得单位面积细胞数量显著增加，造成

SI显著下降。

3讨论

植物气孔形态受环境和遗传因素的综合影响，在同一遗传背景的情况下研究植物气孔形态性状对气候因素的响应。人们对CO2浓度对植物气孔的影响做了大量的研究，在探索气孔对CO2浓度变化的响应方面，利用气孔参数与CO2浓度之间关系把气孔参数设定为植物考古和气孔进化的重要指标之一。目前从学者对气孔参数与CO2关系的研究中显示，不同植物SD对CO2响应存在一定的差异[9-20]，主要结论有随着CO2浓度增加，SD显著下降或影响不显著或略有增加。Beerling等研究发现，常春藤、吊兰等植物的SD和SI与CO2浓度呈负相关关系[21]。Kouwenberg等研究了新西兰不同海拔段分布的黑假水青冈，发现其SD与CO2浓度呈负相关关系[22]。Franks等利用不同地质时代相同或近缘的植物化石，在更大尺度上研究植物叶形态特征对气候变化的响应，对不同地质时期同一类群植物的气孔大小、气孔密度与大气CO2浓度的相互关系进行研究，他们认为随着大气CO2浓度增加，植物叶片的气孔密度在逐步减少[23]。

有些植物对CO2浓度变化响应不明显。例如，CO2浓度增高，黑麦草[24]的SD对CO2浓度变化的反映不明显；杨松涛等对C3作物近轴面上SD研究发现有一定的下降趋势，其中水稻有上升趋势，但差异不明显[9]。齐淑艳等研究牛膝菊气孔形态表明，SD略有上升，但差异不明显[11]。Woodward等在研究高山植物时发现，随着海拔升高，CO2浓度增高，有6种植物SD减少，而欧亚械、夏栎、药鼠李3种植物叶片近轴面SD不受影响[17]。而有些植物与CO2浓度呈现正相关关系，例如百脉根近轴面和远轴面的SD增加[14]；Zhou等的研究则表明，黄背栎的气孔参数与大气CO2浓度呈正相关关系[25-26]。本试验结果显示，水稻的SD随CO2浓度变化差异不显著，结果与部分C3植物对CO2浓度变化的响应相似。

相关结果表明，不同物种的SD、SI对CO2浓度的变化响应存在较大的差异，具有高度的种间特异性。Royer总结了发表的176种C3植物的数据，综合分析发现，试验条件、辣叶标本、植物化石3种方式下，CO2浓度增加，SD下降的比例分别为40%、50%、88%，而所有植物中，SD增加比例不超过12%[27]。Haworth等对柏科6种植物的腊叶标本的SI与CO2浓度的关系进行研究，发现其中3种（Tetraclinis articulate、Callitris columnaris、Callitris rhomboidea）表现出显著负相关关系，另外3种（Athrotaxis cupressoides、C. preissii、C. oblonga）无相关性[28]。而且Callitris的4种植物反应并不一致，反映了SI与CO2浓度的关系的高度种间特异性。

植物气孔对不同气候条件有着不同的响应，CO2和光照条件主要影响气孔的发生，而温度、水分等其他因素主要影响叶片表皮细胞的大小。SD与温度、水分存在着相关性[29-30]，Luomala等发现，欧洲赤松气孔发生对CO2不敏感，而温度升高，气孔密度明显下降[31]。相比之下，SI更加稳定[8，18，32]，SI消除了部分非CO2因素带来的影响，更能反映气孔对CO2的响应。本试验结果也证明这一点，叶片腹面、背面的SD对CO2浓度的响应，差异不显著，SI充分反映出腹面与背面气孔对CO2响应，均显著下降。在SD差异不显著、而SI显著下降情况下，说明CO2浓度增加，促进了细胞分裂，增加了单位面积的细胞数量，促进细胞分裂，结论与杨松涛等的结果[9]一致。

CO2浓度增加，气孔面积增加，气孔的开闭主要由保卫细胞和副卫细胞完成，气孔面积的增加可能是气孔细胞对CO2浓度变化的一种适应性变化。有研究表明，在光照和黑暗条件下，气孔开度都随CO2浓度的升高而减少。抑制机理可能是保卫细胞pH值下降、水势上升、保卫细胞失水，促使气孔迅速关闭。

許多研究表明，气孔面积、周长、长度、宽度均随CO2浓度增加而增加[11，33]。本试验结果显示，水稻叶片气孔随CO2浓度增加，气孔面积、周长、长度均呈增加趋势，并达到显著水平；气孔宽度显著下降。

对于叶片腹面与背面形态结构对CO2的响应，许多研究表明背面比腹面更加稳定[7-8，34-36]，也有试验发现背面对CO2浓度具有一定的敏感性，林金星等对大豆叶片研究显示，CO2浓度增加使叶片背面覆盖有大量的星状表面角质蜡层，而腹面却没有变化[12]。本试验结果显示，腹面气孔参数（SD、SI）对CO2响应大于背面，腹面、背面SD影响不显著，腹面SI下降19.97%，背面下降16.52%。气孔面积、周长、长度变化，来自于背面，气孔宽度变化来自于腹面。endprint

CO2浓度增加，叶片气孔采取关闭气孔和减少单位细胞内的气孔数量（SI）对高浓度CO2的响应。但是结果中SI下降并不代表单位面积气孔数量的减少，很可能是由于表皮细胞数量的增加，同时相关研究表明，CO2浓度增加使单叶叶面积减少。说明长期CO2浓度增加，叶片不仅是减少单位细胞内的气孔数量，还在一定程度上减少单叶叶面积。

植物在自然条件下受多种因素的影响，同时在环境变化的情况下，不同植物自身的调节能力各不相同[37-38]。野生植物经过长期的自然环境选择，具有很强的适应性，相对于野生植物而言，栽培植物对环境变化更加敏感，叶片气孔在受多种气侯因素的影响时表现出的特征将会产生很大的变数。研究CO2浓度与气孔特征和参数，阐明气孔变化响应的机理，特别是存在争议的一些气孔特性，还须要今后在自然条件下的长期观察和更多模拟试验。

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