草地早熟禾葉表皮超微結(jié)構(gòu)及其對干旱的適應(yīng)特性

草地早熟草是水稻科的一種優(yōu)良冷季草，分布在亞洲的溫帶和寒冷地區(qū)。我國東北、西北、西南等省區(qū)冷涼濕潤生境均有分布,是典型的根莖-疏叢型草坪草,喜冷涼濕潤環(huán)境,5℃開始生長,15～32℃充分生長,如果低于5℃,高于32℃,生長則受限。在黑龍江省的城市景觀綠化建設(shè)中,95%草坪綠地應(yīng)用草地早熟禾草,但我國現(xiàn)有的草地早熟禾栽培種均為引進(jìn)種,對其生物學(xué)特性缺乏確切了解,加之北方多屬干旱、半干旱地區(qū),大部分地區(qū)缺乏灌溉條件,以致草坪草生長不良而降低觀賞價值,為此本研究通過田間試驗(yàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究,對4個草地早熟禾品種的葉表皮超顯微結(jié)構(gòu)及其適應(yīng)干旱的特點(diǎn)進(jìn)行研究,通過葉片的氣孔和硅質(zhì)乳突密度、分布及干旱脅迫后氣孔的適應(yīng)狀態(tài)的觀察分析,探討品種間葉表結(jié)構(gòu)適應(yīng)干旱的特點(diǎn),以期為草地早熟禾品種資源的改良和合理利用提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1美國促進(jìn)東南角城市品質(zhì)的集團(tuán)4個供試草地早熟禾(PoapratensisL.)品種均引自北京克勞沃草業(yè)集團(tuán),分別為:男爵(Baron,丹麥)、黑石(Blackstone,美國)、肯塔基(Kentucky,美國)、藍(lán)月(Bluemoon,美國)。其形態(tài)生長指標(biāo)見表1。1.2正常田間生長指標(biāo)和形態(tài)測量試驗(yàn)于2001-2003年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行,地處北緯44°12′,東經(jīng)126°42′,試驗(yàn)區(qū)土壤為通氣性和保水性能良好的沙質(zhì)壤土,有機(jī)質(zhì)含量為3.32g/kg,pH7.12。田間材料培養(yǎng)每品種的播種量為15g/m2,播種期為2001年6月,試驗(yàn)小區(qū)長5m,寬1.2m,隨機(jī)區(qū)組排列,各重復(fù)4次。進(jìn)行正常田間管理2年中,測定各項(xiàng)生長指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo),2002年6月進(jìn)行田間干旱處理并設(shè)對照,干旱15d土層20cm含水量為8.6%時,取第2功能葉固定,用于電鏡掃描。葉片超微結(jié)構(gòu)的觀察參照倪忠祥(1998)《生物電子顯微鏡》方法。將葉片剪下用蒸餾水沖洗后,切成長0.5cm小段,分別投入含戊二醛固定液瓶固定。制片前用0.1moL/L磷酸緩沖液漂洗1h,并更換漂洗液3～4次,然后在0～4℃下50%～70%～80%～90%酒精逐級脫水,每次靜止15min,100%酒精2次,每次靜止15min,脫水后把樣品浸入乙酸異戊酯中,室溫放置30min后,用臨界點(diǎn)干燥器進(jìn)行干燥,將干燥樣品粘樣噴金,在JSM-5610LV電鏡下掃描觀察葉片氣孔和硅質(zhì)乳突特點(diǎn)及變化情況。2結(jié)果與分析2.1氣孔器的關(guān)閉率4個草地早熟禾氣孔密度和干旱脅迫后氣孔關(guān)閉情況見表2。品種間的氣孔器密度存在差異,其中肯塔基的密度最大,藍(lán)月最小,男爵和男爵的氣孔密度接近;干旱脅迫后,氣孔器的開閉狀態(tài)變化也很大,肯塔基和藍(lán)月對干旱敏感性較強(qiáng),氣孔器的關(guān)閉率達(dá)95%,黑石為18%,而男爵品種氣孔器全部開放,單從氣孔器的調(diào)節(jié)作用來講,關(guān)閉率高的品種其葉片應(yīng)該是對水分脅迫較為敏感型,較早的表現(xiàn)為逃避干旱,減少蒸騰,而男爵和黑石相對反應(yīng)較為遲緩,其氣孔開放或保持部分開放,能保證體內(nèi)水分和生理代謝的正常進(jìn)行。經(jīng)方差檢驗(yàn)表明,各項(xiàng)指標(biāo)品種間的差異顯著(F>F0.01),SSR多重比較結(jié)果見表2。圖1～8為干旱脅迫下,掃描電鏡拍攝的4個品種的氣孔器形態(tài)和開閉狀態(tài)。草地早熟禾根系吸收的水分主要通過葉片氣孔和角質(zhì)層的蒸騰而散失,從電鏡圖片可看到,草地早熟禾在品種間葉表皮氣孔器的形態(tài)差別較大,其中男爵和黑石的氣孔器表面觀呈橢圓形,氣孔器下陷的較淺,黑石比男爵稍深一些,而氣孔關(guān)閉早、關(guān)閉率高的品種肯塔基和藍(lán)月的氣孔器呈長圓形,氣孔器下陷較深,肯塔基下陷最深;氣孔器下陷的深淺一般認(rèn)為與旱生植物的結(jié)構(gòu)有關(guān),但草地早熟禾是中生植物,與旱生植物適應(yīng)干旱的氣孔器生長特點(diǎn)和下陷程度是否一致尚無報導(dǎo),關(guān)于草地早熟禾等中生植物氣孔特點(diǎn)與抗旱性關(guān)系尚待深入研究。2.2不同品種間硅質(zhì)突變分布的對比草地早熟禾品種間葉表面硅質(zhì)乳突密度存在差異,其中男爵硅質(zhì)乳突密度是其它品種的2倍以上。硅質(zhì)乳突密度大小依次為男爵>黑石>肯塔基>藍(lán)月(圖9)。男爵品種硅質(zhì)乳突密度大,可以降低葉面水分過多散失,有利于氣孔器進(jìn)行正常的生理活動。在相同水分脅迫下,其他品種的氣孔已大部分關(guān)閉,而男爵的氣孔仍然有能力保持開放狀態(tài)。品種間硅質(zhì)乳突的分布狀態(tài)見圖10～13。從圖10～13可看出男爵的硅質(zhì)乳突較大,乳突間的距離較其他3個品種小,在兩排大乳突中間還生長著一些體積較小的小乳突,加大了硅質(zhì)乳突的密度;黑石的硅質(zhì)乳突相對也較大,但沒有小硅質(zhì)乳突生長;肯塔基和藍(lán)月的硅質(zhì)乳突較小。3討論3.1氣孔器的關(guān)閉率氣孔是控制葉片內(nèi)外水蒸氣和二氧化碳擴(kuò)散的門戶,通常認(rèn)為干旱來臨時,通過氣孔關(guān)閉是植物降低蒸騰和水分損失的一種有效避旱方式,但在干旱脅迫時,氣孔仍然保持開放狀態(tài),表明草坪草生長狀況良好,可以讓蒸騰繼續(xù)進(jìn)行,有效降低葉面溫度。干旱脅迫處理后,各品種氣孔器的開閉狀態(tài)變化很大,肯塔基和藍(lán)月表現(xiàn)為對干旱較強(qiáng)的敏感性,氣孔器的關(guān)閉率最大,黑石關(guān)閉率次之,而男爵品種氣孔器則全部開放,單從氣孔器的調(diào)節(jié)作用來講,關(guān)閉率高的品種其葉片應(yīng)該是對水分脅迫較為敏感型,較早的表現(xiàn)為逃避干旱,減少蒸騰,而男爵和黑石相對反應(yīng)較為遲緩,其氣孔開放或保持部分開放,能保證體內(nèi)水分和生理代謝的正常進(jìn)行。但是相關(guān)研究認(rèn)為小而多的氣孔可使蒸騰更有效,使氣孔的開度調(diào)節(jié)更靈活,具有迅速蒸騰防過熱灼傷的作用,因此肯塔基具有較高的氣孔密度,能有助于干旱脅迫的靈活調(diào)節(jié)。研究結(jié)果認(rèn)為,氣孔器的開閉狀態(tài)與干旱脅迫有關(guān),與品種的氣孔器密度無關(guān),不同生長類型的草地早熟禾品種,其氣孔器在干旱條件下反應(yīng)不同。3.2硅質(zhì)氣調(diào)包裝對抗旱性的影響草地早熟禾葉表面硅質(zhì)乳突的存在及其形態(tài)、數(shù)量和分布的差異和抗旱性的關(guān)系值得進(jìn)一步探索研究。硅質(zhì)乳突是分布在一些禾本科植物葉表皮上的富含SiO2硅質(zhì)細(xì)胞突出而形成,在作物上,對硅質(zhì)乳突的研究很多,林鑒釗(1997)研究認(rèn)為硅質(zhì)乳突能降低葉表面水分的蒸發(fā),降低葉面溫度,增強(qiáng)葉片表皮細(xì)胞的硬度,硅質(zhì)乳突的密度大,其品種的抗旱性強(qiáng)。作為衡量品種抗旱性能的指標(biāo),硅質(zhì)乳突在品種間差別很大。男爵品種硅質(zhì)乳突密度大,可以降低葉面水分過多散失,有利于氣孔器進(jìn)行正常的生理活動,在相同水分脅迫下,其他品種的氣孔已大部分關(guān)閉,而男爵仍然有能力保持開放狀態(tài),品種肯塔基雖然硅質(zhì)乳突密度大于品種藍(lán)月,但在干旱脅迫后,氣孔全部關(guān)閉,說明硅質(zhì)乳突的密度大小與氣孔的運(yùn)動調(diào)節(jié)無直接關(guān)系,可能在非氣孔失水上發(fā)揮的作用更大。4氣孔器開放率與第二性的關(guān)系4.1品種之間的氣孔器密度存在差異,其中肯塔基的密度最大,藍(lán)月最小,男爵和黑石的氣孔密度接近;干旱脅迫后,氣孔器的開閉狀態(tài)變化很大,