草地早熟禾叶表皮超微结构及其对干旱的适应特性

草地早熟禾叶表皮超微结构及其对干旱的适应特性

草地早熟草是水稻科的一种优良冷季草，分布在亚洲的温带和寒冷地区。我国东北、西北、西南等省区冷凉湿润生境均有分布,是典型的根茎-疏丛型草坪草,喜冷凉湿润环境,5℃开始生长,15～32℃充分生长,如果低于5℃,高于32℃,生长则受限。在黑龙江省的城市景观绿化建设中,95%草坪绿地应用草地早熟禾草,但我国现有的草地早熟禾栽培种均为引进种,对其生物学特性缺乏确切了解,加之北方多属干旱、半干旱地区,大部分地区缺乏灌溉条件,以致草坪草生长不良而降低观赏价值,为此本研究通过田间试验结合实验室研究,对4个草地早熟禾品种的叶表皮超显微结构及其适应干旱的特点进行研究,通过叶片的气孔和硅质乳突密度、分布及干旱胁迫后气孔的适应状态的观察分析,探讨品种间叶表结构适应干旱的特点,以期为草地早熟禾品种资源的改良和合理利用提供理论依据。1材料和方法1.1美国促进东南角城市品质的集团4个供试草地早熟禾(PoapratensisL.)品种均引自北京克劳沃草业集团,分别为:男爵(Baron,丹麦)、黑石(Blackstone,美国)、肯塔基(Kentucky,美国)、蓝月(Bluemoon,美国)。其形态生长指标见表1。1.2正常田间生长指标和形态测量试验于2001-2003年在东北农业大学园艺实验站进行,地处北纬44°12′,东经126°42′,试验区土壤为通气性和保水性能良好的沙质壤土,有机质含量为3.32g/kg,pH7.12。田间材料培养每品种的播种量为15g/m2,播种期为2001年6月,试验小区长5m,宽1.2m,随机区组排列,各重复4次。进行正常田间管理2年中,测定各项生长指标和形态指标,2002年6月进行田间干旱处理并设对照,干旱15d土层20cm含水量为8.6%时,取第2功能叶固定,用于电镜扫描。叶片超微结构的观察参照倪忠祥(1998)《生物电子显微镜》方法。将叶片剪下用蒸馏水冲洗后,切成长0.5cm小段,分别投入含戊二醛固定液瓶固定。制片前用0.1moL/L磷酸缓冲液漂洗1h,并更换漂洗液3～4次,然后在0～4℃下50%～70%～80%～90%酒精逐级脱水,每次静止15min,100%酒精2次,每次静止15min,脱水后把样品浸入乙酸异戊酯中,室温放置30min后,用临界点干燥器进行干燥,将干燥样品粘样喷金,在JSM-5610LV电镜下扫描观察叶片气孔和硅质乳突特点及变化情况。2结果与分析2.1气孔器的关闭率4个草地早熟禾气孔密度和干旱胁迫后气孔关闭情况见表2。品种间的气孔器密度存在差异,其中肯塔基的密度最大,蓝月最小,男爵和男爵的气孔密度接近;干旱胁迫后,气孔器的开闭状态变化也很大,肯塔基和蓝月对干旱敏感性较强,气孔器的关闭率达95%,黑石为18%,而男爵品种气孔器全部开放,单从气孔器的调节作用来讲,关闭率高的品种其叶片应该是对水分胁迫较为敏感型,较早的表现为逃避干旱,减少蒸腾,而男爵和黑石相对反应较为迟缓,其气孔开放或保持部分开放,能保证体内水分和生理代谢的正常进行。经方差检验表明,各项指标品种间的差异显著(F>F0.01),SSR多重比较结果见表2。图1～8为干旱胁迫下,扫描电镜拍摄的4个品种的气孔器形态和开闭状态。草地早熟禾根系吸收的水分主要通过叶片气孔和角质层的蒸腾而散失,从电镜图片可看到,草地早熟禾在品种间叶表皮气孔器的形态差别较大,其中男爵和黑石的气孔器表面观呈椭圆形,气孔器下陷的较浅,黑石比男爵稍深一些,而气孔关闭早、关闭率高的品种肯塔基和蓝月的气孔器呈长圆形,气孔器下陷较深,肯塔基下陷最深;气孔器下陷的深浅一般认为与旱生植物的结构有关,但草地早熟禾是中生植物,与旱生植物适应干旱的气孔器生长特点和下陷程度是否一致尚无报导,关于草地早熟禾等中生植物气孔特点与抗旱性关系尚待深入研究。2.2不同品种间硅质突变分布的对比草地早熟禾品种间叶表面硅质乳突密度存在差异,其中男爵硅质乳突密度是其它品种的2倍以上。硅质乳突密度大小依次为男爵>黑石>肯塔基>蓝月(图9)。男爵品种硅质乳突密度大,可以降低叶面水分过多散失,有利于气孔器进行正常的生理活动。在相同水分胁迫下,其他品种的气孔已大部分关闭,而男爵的气孔仍然有能力保持开放状态。品种间硅质乳突的分布状态见图10～13。从图10～13可看出男爵的硅质乳突较大,乳突间的距离较其他3个品种小,在两排大乳突中间还生长着一些体积较小的小乳突,加大了硅质乳突的密度;黑石的硅质乳突相对也较大,但没有小硅质乳突生长;肯塔基和蓝月的硅质乳突较小。3讨论3.1气孔器的关闭率气孔是控制叶片内外水蒸气和二氧化碳扩散的门户,通常认为干旱来临时,通过气孔关闭是植物降低蒸腾和水分损失的一种有效避旱方式,但在干旱胁迫时,气孔仍然保持开放状态,表明草坪草生长状况良好,可以让蒸腾继续进行,有效降低叶面温度。干旱胁迫处理后,各品种气孔器的开闭状态变化很大,肯塔基和蓝月表现为对干旱较强的敏感性,气孔器的关闭率最大,黑石关闭率次之,而男爵品种气孔器则全部开放,单从气孔器的调节作用来讲,关闭率高的品种其叶片应该是对水分胁迫较为敏感型,较早的表现为逃避干旱,减少蒸腾,而男爵和黑石相对反应较为迟缓,其气孔开放或保持部分开放,能保证体内水分和生理代谢的正常进行。但是相关研究认为小而多的气孔可使蒸腾更有效,使气孔的开度调节更灵活,具有迅速蒸腾防过热灼伤的作用,因此肯塔基具有较高的气孔密度,能有助于干旱胁迫的灵活调节。研究结果认为,气孔器的开闭状态与干旱胁迫有关,与品种的气孔器密度无关,不同生长类型的草地早熟禾品种,其气孔器在干旱条件下反应不同。3.2硅质气调包装对抗旱性的影响草地早熟禾叶表面硅质乳突的存在及其形态、数量和分布的差异和抗旱性的关系值得进一步探索研究。硅质乳突是分布在一些禾本科植物叶表皮上的富含SiO2硅质细胞突出而形成,在作物上,对硅质乳突的研究很多,林鉴钊(1997)研究认为硅质乳突能降低叶表面水分的蒸发,降低叶面温度,增强叶片表皮细胞的硬度,硅质乳突的密度大,其品种的抗旱性强。作为衡量品种抗旱性能的指标,硅质乳突在品种间差别很大。男爵品种硅质乳突密度大,可以降低叶面水分过多散失,有利于气孔器进行正常的生理活动,在相同水分胁迫下,其他品种的气孔已大部分关闭,而男爵仍然有能力保持开放状态,品种肯塔基虽然硅质乳突密度大于品种蓝月,但在干旱胁迫后,气孔全部关闭,说明硅质乳突的密度大小与气孔的运动调节无直接关系,可能在非气孔失水上发挥的作用更大。4气孔器开放率与第二性的关系4.1品种之间的气孔器密度存在差异,其中肯塔基的密度最大,蓝月最小,男爵和黑石的气孔密度接近;干旱胁迫后,气孔器的开闭状态变化很大,