PEG模拟干旱胁迫对耧斗菜叶片解剖结构的影响

王金耀，杨 阳，，向云荣，李 森，邢国明，亢秀萍

(1.山西农业大学园艺学院/山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西太谷 030801； 2.吕梁学院生命科学系，山西吕梁 033000)

耧斗菜八音鸟(Aquilegia‘Songbird’)为毛茛科耧斗菜属多年生宿根植物，株型多样，花色丰富，花期持久，可作花坛花卉，亦可作为草坪点缀花卉或者盆栽花卉，在园林中利用前景广阔[1-2]。其花药可供药用，根含糖类，可制饴糖或酿酒，种子含油，可供工业用[3]。

对植物造成影响的天然因素有很多，其中干旱影响了植物各个阶段的生长发育和植物各种生理代谢过程[4]。叶片是高等植物进行光合作用的核心，也是对坏境变动较敏感并且可塑性较大的器官[5]。目前关于植物干旱胁迫的研究越来越具体，国际上对于植物的抗旱性研究已经十分成熟，无论是植株、器官、细胞还是基因层次都有涉及。干旱影响植物叶片的正常生长，淡绿色和黄绿色叶比深绿色叶可以反射更多的光，以便维持叶面较低的温度而减少水分散失。在解剖结构方面，抗旱性较强的作物在叶片茸毛、蜡质、角质层厚度、气孔数和开度以及栅栏细胞的排列上都存在着差别，一般情况下，干旱胁迫会导致植物栅海比增加，海绵组织减小。关于耧斗菜，无论是其在园林美化中的应用还是其生长过程中的生理特征以及其药用价值等方面都有涉及并深入，取得了不少的研究成果[2]。李森等在对耧斗菜的耐旱性评价研究中发现，随着干旱胁迫时间的增加，野生华北耧斗菜叶片脯氨酸含量逐渐增加[6]，但干旱胁迫对耧斗菜叶片解剖结构的影响未见报道。

1 材料与方法

1.1 试验材料

耧斗菜于2016年10月定植在吕梁学院，2017年3月将返青植株从土壤中取出，移栽到营养钵中缓苗10 d，长出新叶待用。

1.2 试验设计

取12叶龄长势一致的耧斗菜苗150株，分成5组，每组30株。试验共设10%、20%、30%、40% 4个聚乙二醇(PEG)胁迫梯度，以等量蒸馏水为对照。每3 d浇1次相应浓度的PEG溶液，每个营养钵加50 mL。第1、3、6、9、12天取植物叶片进行测定，共取样5次，试验重复3次[7]。采用徒手切片法观察叶片的气孔，测量其大小、计算其密度并记录数据。采用石蜡切片法观察叶片的栅栏组织、海绵组织与维管组织，测量栅栏组织与海绵组织的厚度、维管束的直径，计算栅海比并记录数据。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 气孔指标的测定与计算 做耧斗菜基生叶下表皮的徒手切片，观察叶片气孔并测量有关数据。

气孔密度=视野中气孔的数量/视野的面积。

1.3.2 栅海比与维管束直径的测定与计算 在显微镜下观察耧斗菜叶片横切石蜡切片，在低倍镜下找到观察的视野拍照记录，再换高倍镜观察并拍照记录，用测微尺测量叶片横切栅栏组织、海绵组织厚度和维管束的直径，记录数据，求出每个PEG浓度梯度下3株耧斗菜的栅栏组织、海绵组织厚度和维管束直径的平均值作为试验最终数据，然后计算耧斗菜的栅海比[8-9]。栅海比=栅栏组织厚度/海绵组织的厚度。

1.4 数据统计及分析

采用Excel软件进行数据的录入、数据库的建立以及数据图表的制作，采用SPSS进行方差分析及显著检测[8，10]。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对耧斗菜叶片气孔的影响

2.1.1 干旱胁迫对耧斗菜叶片气孔密度的影响 从表1可以看出，干旱胁迫对耧斗菜的下表皮气孔密度没有显著影响。

2.1.2 干旱胁迫对耧斗菜叶片气孔大小的影响 由表2可知，与对照组相比，胁迫处理第9天，10%、20%、30% PEG处理的耧斗菜叶片气孔大小差异不显著，40% PEG胁迫处理耧斗菜叶片气孔大小显著增加，从对照的523.75 μm2增加到 753.92 μm2。40% PEG的胁迫处理与10%、20%、30% PEG处理的耧斗菜相比气孔大小显著增加。胁迫处理第12天，与对照组相比，30%、40% PEG胁迫处理的耧斗菜叶片气孔大小显著增加，从510.45 μm2分别增加到665.15、757.76 μm2。且40% PEG与30% PEG处理相比，耧斗菜叶片气孔大小显著增加。

表1 干旱胁迫对耧斗菜叶片下表皮气孔密度的影响

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下表同。

表2 干旱胁迫对耧斗菜叶片气孔大小的影响

2.1.3 干旱胁迫对耧斗菜叶片气孔开度的影响 从表3中可以看出，胁迫处理第3天，与对照组相比，20%、30%、40% PEG胁迫处理的耧斗菜平均气孔开度显著减小，并且随着PEG浓度增加平均气孔开度减小越明显，40% PEG与10%、20% PEG胁迫组相比耧斗菜叶片气孔开度显著减小。处理第6天，与对照组相比，胁迫处理的耧斗菜平均气孔开度显著减小，且平均气孔开度随着PEG浓度的增大先减小后增大。处理第9天，与对照组相比，胁迫处理的耧斗菜平均气孔开度显著减小，且平均气孔开度随着PEG浓度的增大先减小后增大。处理第12天，与对照组相比，10%、20% PEG胁迫处理的耧斗菜平均气孔开度显著减小，30%、40% PEG处理组无显著差异。30%、40% PEG处理组与10%、20% PEG处理组存在显著差异，前者较后者显著增大；10%、20% PEG处理组差异不显著，40%、30% PEG处理组无显著差异。

2.2 干旱胁迫对耧斗菜叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅海比的影响

2.2.1 干旱胁迫对耧斗菜叶片栅栏组织厚度的影响 从表4中可以看出，干旱胁迫对耧斗菜叶片栅栏组织厚度有显著影响。处理第3、6、9天，与对照组相比，胁迫处理的耧斗菜的栅栏组织厚度没有显著差异。胁迫处理第12天，与对照组相比，10%、20%、30% PEG处理的耧斗菜栅栏组织厚度差异不显著，40% PEG处理的耧斗菜叶片栅栏组织厚度显著增加，从8.10 μm增加到11.21 μm，此外4个处理组间无显著差异。不同处理的叶片切面中的栅栏组织见图1。

2.2.2 干旱胁迫对耧斗菜叶片海绵组织的影响 从表5中可以看出，干旱胁迫对耧斗菜叶片海绵组织有显著影响。处理第3、6、9天，与对照组相比，胁迫处理对耧斗菜的海绵组织厚度没有显著差异。胁迫处理第12天，与对照组相比，10%、20%、30% PEG处理的耧斗菜海绵组织厚度无显著差异，40% PEG处理的耧斗菜叶片海绵组织厚度显著减小，从11.20 μm减小到7.86 μm，此外4个处理组间无显著差异。不同处理的叶片切面中的海绵组织见图1。

表3 干旱胁迫对耧斗菜叶片气孔开度的影响

表4 干旱胁迫对耧斗菜叶片栅栏组织的影响

表5 干旱胁迫对耧斗菜叶片海绵组织的影响

2.2.3 干旱胁迫对耧斗菜叶片栅海比的影响 从表6中可以看出，干旱胁迫对耧斗菜叶片栅海比有显著影响。胁迫处理第3天，与对照组相比，10%、20%、30% PEG处理的耧斗菜栅海比差异不显著，40% PEG处理的耧斗菜栅海比显著增加，从0.62增加到1.00，且4个处理组间差异不显著。胁迫处理第6天，与对照组相比，30%、40% PEG处理的耧斗菜栅海比显著增加，从0.62分别增加到0.92、1.08，且4个处理组间差异不显著。胁迫处理第9天，与对照组相比，30%、40% PEG处理的耧斗菜气孔开度显著增加，从0.69分别增加到1.04、 1.11。胁迫处理第12天，与对照组相比，30%、40% PEG处理的耧斗菜栅海比显著增加，30% PEG处理的植株栅海比增加0.37，40% PEG处理的植株栅海比增加0.58。10%、20% PEG处理的耧斗菜栅海比差异不显著，40%、30%与10%、20% PEG处理组相比栅海比显著增加，40%与30% PEG处理组相比栅海比显著增加。

2.3 干旱胁迫对耧斗菜叶片主脉维管束直径的影响

从表7可以看出，PEG模拟干旱胁迫对耧斗菜叶片主脉维管束直径无显著影响。

表6 干旱胁迫对耧斗菜叶片栅海比的影响

表7 干旱胁迫对耧斗菜叶片主脉维管束直径的影响

3 结论与讨论

干旱胁迫对耧斗菜叶片解剖结构的影响主要表现在气孔大小、气孔开度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅海比5个方面，对气孔密度、维管束直径无显著影响。随着干旱胁迫的增强，叶下表皮的气孔大小整体上先减小后增大，叶下表皮的气孔开度先减小后增大，栅栏组织厚度从8.20 μm增加到11.21 μm(第12天)，海绵组织厚度从12.60 μm减少到 7.86 μm(第12天)，栅海比从0.65增加到1.34(第12天)。本研究所用的耧斗菜植株，在干旱胁迫下，其气孔大小、栅海比增加这些变化充分反映了耧斗菜对干旱环境的适应性，也符合大多数耐旱植物在干旱下叶片解剖结构的变化趋势[11]。

气孔密度、气孔大小、气孔开度是植物调节自身蒸腾作用的反应[12]。轻度干旱胁迫导致植物气孔密度增加，叶片能从周围环境中吸收更多的水分用于光合作用，重度干旱胁迫导致植物气孔密度减小，减小蒸腾作用[11]。本试验中耧斗菜上表皮几乎没有气孔，是耐旱植物的一种表现；下表皮气孔密度先增加后减小，但没有显著变化。胁迫处理第3天气孔开度出现了显著下降，说明干旱胁迫对植株造成了一定的影响，所以植株气孔开度减小，减少自身的蒸腾作用，胁迫处理第6天及以后，气孔开度随着干旱胁迫程度的增加先减小后增加，说明40% PEG浓度模拟的干旱对植株造成了较大的影响，植株从土壤中获取的水分不足以支持自身的生命活动，所以增大气孔开度从外界吸收CO2进行光合作用生产H2O。

随着干旱胁迫的增加，栅栏组织增厚、海绵组织减小、栅海比增大是典型的耐旱植物特征，栅海比越大其抗旱能力越强[13]。本试验中，胁迫处理第12天耧斗菜栅栏组织厚度显著增大，海绵组织厚度显著减小，栅海比增大，符合这一特征。

叶片主脉维管束直径变大，有利于将足量的水分运输至叶片维持生命活动[12]。本试验中叶片维管束直径虽然在增大但没有显著变化，可能是因为叶片取材为老叶且取材植株间存在差异，导致本试验中所得到的数据显示，耧斗菜叶片维管束直径没有显著变化。