李富恒，朱會杰，Поляков А.В，徐清華，楊洪升，李楠丁，劉增兵

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.俄羅斯農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，莫斯科州拉明斯克區(qū) 140153）

幼苗期玉米葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的研究

李富恒1，朱會杰1，Поляков А.В2，徐清華1，楊洪升1，李楠丁1，劉增兵1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.俄羅斯農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，莫斯科州拉明斯克區(qū) 140153）

以九單48和松玉656兩個玉米品種為材料，對幼苗期不同時期各葉片表皮細(xì)胞和氣孔的量化指標(biāo)進(jìn)行較系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，各葉片上下表皮細(xì)胞和氣孔的長與寬均表現(xiàn)為隨著葉片的生長而逐漸增大；各葉片在初次取樣時其上下表皮細(xì)胞和氣孔長與寬的數(shù)值是相近的；上表皮細(xì)胞短而寬，下表皮細(xì)胞長而窄；上表皮氣孔長小于下表皮的氣孔長、上表皮氣孔寬大于下表皮的氣孔寬；各葉片上下表皮細(xì)胞和氣孔的面積均表現(xiàn)為隨葉面積增加而逐漸增大；上表皮細(xì)胞面積小于下表皮細(xì)胞面積，而上表皮氣孔面積大于下表皮氣孔面積；上下表皮細(xì)胞和氣孔的密度均隨葉面積增加而逐漸減小。

玉米；葉片；表皮細(xì)胞；氣孔；量化指標(biāo)

玉米（Zea mays L.）為禾本科單子葉草本植物，是我國北方地區(qū)栽培面積最大的糧食作物。玉米具有很高的營養(yǎng)價值，除作為糧食作物食用外，還是配制畜牧業(yè)優(yōu)質(zhì)飼料的重要成分，也可作為工業(yè)原料進(jìn)行深加工。有關(guān)干旱[1-2]、漬澇[3]、低溫[4]、缺素[5]和水分脅迫[6]等因素對玉米植株生理生化指標(biāo)與形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)影響方面的研究較多，而對于玉米葉片形態(tài)解剖學(xué)量化指標(biāo)方面的研究卻鮮有報道。

葉片是重要的光合器官。過去對植物葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的研究多是定性的[7]，而定量的研究較少，而且主要針對的是雙子葉植物[8-9]，對單子葉植物葉片進(jìn)行的研究較少[10]。定量研究中一般取樣次數(shù)較少，多是某一時期的靜態(tài)指標(biāo)比較，對葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)動態(tài)變化的系統(tǒng)性研究更少[11-12]。本試驗以九單48和松玉656兩個玉米品種為材料，定期對各節(jié)位葉片取樣，對其表皮細(xì)胞和氣孔的量化指標(biāo)進(jìn)行測量與計算，以系統(tǒng)研究這些指標(biāo)的動態(tài)變化規(guī)律，為揭示玉米葉片的發(fā)育機(jī)理、提高葉面積指數(shù)和產(chǎn)量提供理論依據(jù)。九單48屬中熟品種，而松玉656是早熟品種，二者在成熟期、需要的活動積溫、植株形態(tài)及產(chǎn)量等方面均存在明顯差異，以這兩個品種為試驗材料，得出的玉米葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的變化規(guī)律具有較強(qiáng)的代表性和說服力。

1 材料與方法

1.1 材料

九單48和松玉656兩個玉米品種，種子由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生理教研室提供。

1.2 方法

1.2.1 玉米幼苗培養(yǎng)方法

選取籽粒飽滿、大小一致的種子，75%酒精消毒10 s后用蒸餾水沖洗干凈，浸種15 h。在恒溫培養(yǎng)箱中催芽，每天用水沖洗種子2～3次，直到種子發(fā)芽為止。

將發(fā)芽的種子播種在直徑為20 cm的花盆中，放在白天/黑天為10 h/14 h、溫度為25℃/20℃的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，適時澆水。

1.2.2 取樣時期

在第1、2、3和4片葉分別完全展開2～3 d后依次對植株的第1，第1和2，第1、2和3，第1、2和3片葉取樣，測量表皮細(xì)胞和氣孔的相應(yīng)指標(biāo)。

1.2.3 裝片制作

根據(jù)封濤等方法并稍作改良[13]，省去對樣品用鉻酸溶液離析12 h的步驟，制作的裝片在光學(xué)顯微鏡下觀測并進(jìn)行顯微攝影。

1.2.4 測量指標(biāo)及計算公式

用直線式測微尺測量上下表皮細(xì)胞和氣孔長與寬，用網(wǎng)格式測微尺測量10×10個網(wǎng)格內(nèi)的細(xì)胞數(shù)與氣孔數(shù)、測量單個氣孔所占方格數(shù)。每個品種每次取3株玉米苗，每個裝片在顯微鏡下隨機(jī)取3個視野進(jìn)行測量。用鏡臺測微尺對所得數(shù)據(jù)校正后計算單位面積（1 mm2）的表皮細(xì)胞數(shù)和氣孔數(shù)。

計算公式如下：

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003和DPSv7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表皮細(xì)胞量化指標(biāo)的變化規(guī)律

2.1.1 不同時期各葉片表皮細(xì)胞長和寬的動態(tài)變化

由圖1～4可以看出，兩個玉米品種各葉片上下表皮細(xì)胞長和寬的動態(tài)變化趨勢一致，都表現(xiàn)為隨著葉片的生長而逐漸增大；各葉片在初次取樣時其上下表皮細(xì)胞長和寬的數(shù)值是相近的,如九單48第一片葉初次取樣時上表皮細(xì)胞長為9.22×10-2mm、第二片葉為9.19×10-2mm、第三片葉為9.45×10-2mm，三者之間差異不顯著；同一葉片在各次取樣時均表現(xiàn)為上表皮的細(xì)胞長小于下表皮的細(xì)胞長、上表皮的細(xì)胞寬大于下表皮的細(xì)胞寬（如松玉656第一片葉在第一次取樣時上、下表皮細(xì)胞長分別為11.24×10-2和13.20×10-2mm；上、下表皮細(xì)胞寬分別為3.06×10-2和2.72×10-2mm），說明上表皮的細(xì)胞短而寬，下表皮的細(xì)胞長而窄。

圖1 九單48不同時期各葉片表皮細(xì)胞長的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of each leaf epidermal cell length of Jiudan48 in different periods

圖2 松玉656不同時期各葉片表皮細(xì)胞長的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of each leaf epidermal cell length of Songyu656 in different periods

圖3 九單48不同時期各葉片表皮細(xì)胞長的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of each leaf epidermal cell length of Jiudan48 in different periods

圖4 松玉656不同時期各葉片表皮細(xì)胞寬的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of each leaf epidermal cell width of Songyu656 in different periods

2.1.2 不同時期各葉片表皮細(xì)胞面積的動態(tài)變化

從圖5、6可知，兩個玉米品種各葉片上下表皮細(xì)胞面積的動態(tài)變化趨勢一致，都表現(xiàn)為隨著葉面積的增加而逐漸增大；上表皮的細(xì)胞面積小于下表皮的細(xì)胞面積，兩品種之間表皮細(xì)胞面積數(shù)值存在一定差異。

2.1.3 不同時期各葉片表皮細(xì)胞密度的動態(tài)變化

由表1可見，兩個品種葉片上下表皮細(xì)胞密度均隨著葉面積的增加而逐漸減小；上表皮細(xì)胞密度大于下表皮細(xì)胞密度，兩品種之間的表皮細(xì)胞密度存在一定差異。差異顯著性測驗結(jié)果表明，各葉片不同取樣時期上表皮和下表皮細(xì)胞密度間的差異顯著性沒有一定規(guī)律可循，有的葉片幾次取樣間的數(shù)值均表現(xiàn)為極顯著差異（如第一片葉上表皮四次取樣間的表皮細(xì)胞密度值）；有的葉片幾次取樣間的數(shù)值多數(shù)表現(xiàn)為差異不顯著（如第一片葉下表皮四次取樣間的表皮細(xì)胞密度值）。

圖5 九單48不同時期各葉片表皮細(xì)胞面積的動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of each leaf epidermal cell area of Jiudan48 in different periods

2.2 氣孔量化指標(biāo)的變化規(guī)律

2.2.1 不同時期各葉片氣孔長和寬的動態(tài)變化

由圖7、8可知，兩個玉米品種各葉片上下表皮氣孔長和寬的動態(tài)變化趨勢一致，都表現(xiàn)為隨著葉片的生長而逐漸增大；各葉片在初次取樣時其上下表皮氣孔長和寬的數(shù)值是相近的，如九單48第一片葉在初次取樣時上表皮氣孔寬為2.69×10-2mm，第二片葉為2.48×10-2mm，第三片葉為2.54×10-2mm，三者之間無顯著差異；同一葉片在各次取樣時均表現(xiàn)為上表皮的氣孔長小于下表皮的氣孔長、上表皮的氣孔寬大于下表皮的氣孔寬；氣孔寬與表皮細(xì)胞寬的大小基本一致，如松玉656第一片葉初次取樣時下表皮細(xì)胞寬為2.72×10-2mm（見圖4），而下表皮氣孔寬為2.60×10-2mm（見圖8）。

圖6 松玉656不同時期各葉片表皮細(xì)胞面積的動態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of each leaf epidermal cell area of Songyu656 in different periods

表1 不同時期各葉片表皮細(xì)胞密度的動態(tài)變化Table 1 Dynamic changes of each leaf epidermal cell density at different periods

圖7 九單48和松玉656不同時期各葉片氣孔長的動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of each leaf stomata length of Jiudan48 and Songyu656 in different periods

圖8 九單48和松玉656不同時期各葉片氣孔寬的動態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of each leaf stomata width of Jiudan48 and Songyu656 in different periods

2.2.2 不同時期各葉片氣孔面積的動態(tài)變化

由圖9可知，兩個玉米品種各葉片上下表皮氣孔面積的動態(tài)變化趨勢一致，都表現(xiàn)為隨著葉面積的增加而逐漸增大，如松玉656第一片葉上表皮氣孔面積在第1次取樣時為8.99×10-4mm2，第2次取樣時為9.86×10-4mm2，第3次取樣時為10.54× 10-4mm2，第4次取樣時為10.83×10-4mm2；上表皮氣孔面積大于下表皮氣孔面積，兩品種之間氣孔面積存在一定差異。差異顯著性測驗結(jié)果表明，每次取樣時上下表皮的氣孔面積有時表現(xiàn)為差異顯著，有時表現(xiàn)為差異不顯著，但總體看二者相差絕對值并不大。

圖9 九單48和松玉656不同時期各葉片氣孔面積的動態(tài)變化Fig.9 Dynamic changes of each leaf stomata area of Jiudan48 and Songyu656 in different periods

2.2.3 不同時期各葉片氣孔密度的動態(tài)變化

由表2可見，兩個品種葉片上下表皮氣孔密度均隨葉面積增加而逐漸減小；上表皮氣孔密度小于下表皮氣孔密度，兩品種之間氣孔密度存在一定差異。

表2 不同時期各葉片氣孔密度的動態(tài)變化Table 2 Dynamic changes of each leaf stoma density at different periods

3 討論

玉米是禾本科單子葉作物，其葉片具有平行狀葉脈，顯著區(qū)別于雙子葉植物的網(wǎng)狀葉脈。通過對幼苗期玉米葉片表皮特征進(jìn)行觀測表明，玉米葉片表皮細(xì)胞與氣孔相間成排排列，一般每隔三排表皮細(xì)胞分布著一排氣孔；表皮細(xì)胞近長方形；氣孔器由兩個啞鈴型保衛(wèi)細(xì)胞和兩個半月形副衛(wèi)細(xì)胞組成，近圓形。大多數(shù)雙子葉植物氣孔發(fā)育遵照“一個細(xì)胞間距”原則相一致，即兩個氣孔之間至少相隔一個非氣孔表皮細(xì)胞，這種細(xì)胞間隔有利于氣體交換[14]。這一原則對單子葉植物同樣適用，只不過表現(xiàn)形式不同而已。

單子葉植物葉脈為平行脈，平行葉脈之間由橫向脈連接，圍成一個個封閉的小空間，這些封閉的小空間被稱之為“脈島”或“脈間區(qū)”[15]，脈島形狀與表皮細(xì)胞形狀均近似長方形?？梢哉J(rèn)為葉片是由若干個脈島組成，或者說可以把脈島看成是構(gòu)成葉面積的基本單位。通過對玉米葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的動態(tài)研究，有利于揭示單子葉植物葉片發(fā)育機(jī)理。

葉片是重要的光合器官。過去對單子葉植物葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的定量研究較少，對葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)動態(tài)變化的系統(tǒng)性研究更少。本試驗以九單48和松玉656兩個玉米品種為材料，定期對各節(jié)位葉片取樣，對其表皮細(xì)胞和氣孔的量化指標(biāo)進(jìn)行測量與計算，研究結(jié)果表明兩個玉米品種葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的變化規(guī)律一致。九單48是中熟品種，成熟期為126 d，需要活動積溫2 600℃；松玉656是早熟品種，成熟期為115 d，需要活動積溫約2 300℃；二者在植株形態(tài)及產(chǎn)量等方面也存在明顯差異。以這兩個品種為試驗材料，得出玉米葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的變化規(guī)律具有一定普遍意義，為研究玉米葉片發(fā)育機(jī)理提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

a.各葉片上下表皮細(xì)胞和氣孔的長與寬均表現(xiàn)為隨著葉片的生長而逐漸增大。

b.各葉片在初次取樣時其上下表皮細(xì)胞和氣孔長與寬的數(shù)值是相近的。

c.上表皮的細(xì)胞短而寬，下表皮的細(xì)胞長而窄。

d.上表皮的氣孔長小于下表皮的氣孔長、上表皮的氣孔寬大于下表皮的氣孔寬。

e.各葉片上下表皮細(xì)胞和氣孔面積均表現(xiàn)為隨葉面積的增加而逐漸增大。

f.上表皮的細(xì)胞面積小于下表皮的細(xì)胞面積，而上表皮的氣孔面積大于下表皮的氣孔面積。

g.上下表皮細(xì)胞和氣孔密度均隨葉面積的增加而逐漸減小。

h.兩個玉米品種葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的變化規(guī)律一致。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]王澤立,張恒悅,閻先喜,等.玉米抗旱品種的形態(tài)解剖學(xué)研究[J].西北植物學(xué)報,1998,18(4)∶581-583.

[2]魏良明,賈了然,胡學(xué)安,等.玉米抗旱性生理生化研究進(jìn)展[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,1997,15(4)∶66-71.

[3]葛均筑,展茗,趙明,等.漬澇脅迫對玉米生理生化的影響研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2012,28(21)∶7-11.

[4]馬延華,王慶祥,陳紹江.玉米耐寒性生理生化機(jī)理與分子遺傳研究進(jìn)展[J].玉米科學(xué),2013,21(3)∶76-81,86.

[5]梁秀蘭,林英春,年海,等.低磷脅迫對不同基因型玉米主要生理生化特性的影響[J].作物學(xué)報,2005,31(5)∶667-669.

[6]于海秋,武志海,沈秀瑛,等.水分脅迫下玉米葉片氣孔密度、大小及顯微結(jié)構(gòu)的變化[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,25(3)∶239-242.

[7] 向剛,傅體華,賈明娟,等.3種黃連葉片表皮特征研究[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,24(3)∶337-343.

[8]劉云,張萍,肖宜安,等.蠶用桑不同品種葉表皮形態(tài)和結(jié)構(gòu)的比較研究I[J].廣西植物,2006,26(2)∶125-131.

[9]薩仁,蘇德畢力格,陳家瑞.黃華屬植物葉表皮特征及其生物學(xué)意義[J].草地學(xué)報,2000,8(1)∶65-76.

[10]周存宇,聶敏,楊朝東.4種百合科植物葉表皮結(jié)構(gòu)的比較[J].長江大學(xué)學(xué)報∶自然科學(xué)版,2012,9(3)∶38-41.

[11]陳存武,李耀享,周守標(biāo).大別山5種黃精屬植物葉表皮的初步比較研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,33(1)∶108-112.

[12]于龍鳳,安福全,李富恒.茄果類蔬菜作物葉片表皮細(xì)胞數(shù)量性狀的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,41(1)∶73-76.

[13]封濤,胡東.單子葉植物葉片氣孔觀察方法改良的研究[J].植物研究,2008,28(1)∶82-84.

[14]劉婧,王寶山,謝先芝.植物氣孔發(fā)育及其調(diào)控研究[J].遺傳, 2011,33(2)∶131-137.

[15]К.Эсау.Анатомия растений[М].Моска∶Мир,1969∶370-373.

Research of the quantitative indicators of epidermal cells and stomata in the leaves of maize seedlings

LI Fuheng1,ZHU Huijie1,Поляков А.В2,XU Qinghua1, YANG Hongsheng1,LI Nanding1,LIU Zengbing1(1.School of Life Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.All Russian Research Institute of Vegetable Crops,RussianAcademy ofAgricultural Sciences,Ramensky District,Moscow Region 140153,Russia)

The quantitative indicators of epidermal cells and stomata for different periods of each seedling leaves were systematically studied using two maize cultivars Jiudan48 and Songyu656 as materials.The results showed that,in this study,the length and width of epidermal cells and stomata on each leaf upper and lower epidermal were increased gradually with the leaf growth.The values for the initial sampling of the length and width of upper and lower epidermal cells and stomata of each blade were similar.The upper epidermal cells were short and wide,the lower epidermal cells were long and narrow;the stomata on the upper epidermis were shorter than the lower epidermal stomata,but the stomata on the upper epidermis were wider than the lower epidermal stomata;the areas of upper and lower epidermal cells and stomata for each leaf were increased gradually with the increase of the leaf area;the areas of upper epidermal cells were less than that of lower epidermal cells,but the areas ofthe stomata on upper epidermis was larger than that of lower epidermis;the cell density and stoma density of the upper and lower epidermis were decreased gradually with the increase of leaf area.

Zea maysL.;leaves;epidermis cell;stoma;quantitative indicators

S336

A

1005-9369（2014）12-0042-07

時間2014-12-29 9∶00∶54 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141229.0900.005.html

李富恒,朱會杰,Поляков А.В,等.幼苗期玉米葉片表皮細(xì)胞和氣孔量化指標(biāo)的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(12): 42-48.

Li Fuheng,Zhu Huijie,Поляков А.В,et al.Research of the quantitative indicators of epidermal cells and stomata in the leaves of maize seedlings[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(12):42-48.(in Chinese with English abstract)

2014-09-06

國家外國專家局2013年度引進(jìn)國外技術(shù)、管理人才項目（20132300046）

李富恒（1962-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為植物發(fā)育生理。E-mail∶lifuheng1963@126.com