黃 絹 陳 存 張偉溪 丁昌俊 蘇曉華 黃秦軍

(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 北京100091)

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干旱脅迫對(duì)轉(zhuǎn)JERF36銀中楊苗木葉片解剖結(jié)構(gòu)及光合特性的影響*

黃 絹 陳 存 張偉溪 丁昌俊 蘇曉華 黃秦軍

(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 北京100091)

【目的】 以轉(zhuǎn)JERF36銀中楊(ABJ01)和非轉(zhuǎn)基因銀中楊(9#)為試驗(yàn)材料，開(kāi)展干旱脅迫對(duì)2個(gè)株系苗高生長(zhǎng)、葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)、光合特性的影響研究，以期為轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的抗旱性評(píng)價(jià)提供參考，并為轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā?于2015年6月底，苗高約45 cm時(shí)，選取生長(zhǎng)一致的苗木進(jìn)行土壤干旱脅迫試驗(yàn)。脅迫程度分為3個(gè)梯度： 正常供水、中度脅迫、重度脅迫，土壤含水量分別控制在田間持水量的60%～80%，40%～60%，20%～40%，脅迫時(shí)間為30天?！窘Y(jié)果】 干旱脅迫下，2個(gè)株系的苗高生長(zhǎng)均受到抑制，隨著脅迫程度的加劇，受抑制程度增大，但ABJ01受抑制程度較低，重度脅迫下其苗高顯著高于9#。葉片形態(tài)數(shù)據(jù)顯示，與正常供水相比，干旱脅迫處理后，2個(gè)株系的單葉面積顯著降低，說(shuō)明干旱脅迫抑制楊樹(shù)葉片生長(zhǎng)； 中度、重度脅迫下9#的單葉面積均顯著低于ABJ01，表明ABJ01葉片生長(zhǎng)受抑制程度低。葉片解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，ABJ01和9#的葉表皮細(xì)胞生長(zhǎng)和葉肉細(xì)胞生長(zhǎng)均受干旱脅迫的抑制，但ABJ01受抑制程度較低。中度脅迫下，ABJ01的葉片上、下表皮厚度分別比9#顯著高出5.55%和4.70%，柵欄組織厚度比9#顯著高出6.17%，海綿組織厚度和葉片組織疏松度(SR)則分別比9#顯著降低12.35%和12.38%； 重度脅迫下ABJ01的葉片上、下表皮厚度分別比9#顯著高出16.27%和10.58%，海綿組織厚度和SR則分別比9#顯著降低11.71%和11.58%。ABJ01具有更發(fā)達(dá)的柵欄組織和相對(duì)少的海綿組織，這有助于CO2向光合場(chǎng)所的傳導(dǎo)，維持葉片較高的凈光合速率(Pn)，以適應(yīng)干旱脅迫條件。光合生理數(shù)據(jù)顯示，干旱脅迫下，ABJ01的Pn顯著高于非轉(zhuǎn)基因株系9#(10.50%～18.97%)，說(shuō)明干旱脅迫下ABJ01具有更強(qiáng)的光合能力。正常供水下，2個(gè)株系的氣孔導(dǎo)度(Gs)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)差異不顯著，干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因株系A(chǔ)BJ01的Gs、Fv/Fm下降幅度比非轉(zhuǎn)基因株系9#小，說(shuō)明ABJ01受干旱脅迫影響程度較低； ABJ01的蒸騰速率(Tr)小于9#，表明ABJ01在干旱脅迫下具有更強(qiáng)的保水能力。ABJ01的葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量較9#高，F(xiàn)v/Fm值較9#高，說(shuō)明轉(zhuǎn)基因株系維持葉綠素含量穩(wěn)定的能力較強(qiáng)且光系統(tǒng)受損傷程度小?！窘Y(jié)論】 外源基因JERF36可能通過(guò)影響葉片結(jié)構(gòu)發(fā)育提高轉(zhuǎn)基因銀中楊在干旱脅迫下的氣體交換能力和保水能力，從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因銀中楊的抗旱能力。

干旱脅迫； 轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)； 葉片解剖結(jié)構(gòu)； 光合特性

各種各樣惡劣的環(huán)境條件影響著植物的生長(zhǎng)、代謝、生產(chǎn)力等，其中，干旱是限制植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要因素之一(Arausetal., 2002; Reddyetal., 2004)，它對(duì)農(nóng)作物和林木造成的損失僅次于病蟲(chóng)害類生物脅迫，在所有的非生物限制因子中占首要地位(馬耀光等, 2003)。葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，也是植物對(duì)干旱脅迫最敏感的部位之一(李歡等, 2013; 燕玲等，2002)，在干旱環(huán)境中生長(zhǎng)的植物，往往會(huì)形成多種抗旱性的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其中葉片結(jié)構(gòu)最能反映植物對(duì)干旱生境的適應(yīng)性(Zhaoetal., 1981; 李芳蘭等， 2005)。此外，植物葉片抗旱性生理可塑性強(qiáng)，因此葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理變化可用來(lái)反映植物對(duì)干旱的適應(yīng)性強(qiáng)弱(Rubio de Casasetal., 2007)。

銀中楊(Populusalba×P.berolinensis)是以銀白楊(Populusalba)為母本、中東楊(Populusberolinensis)為父本，經(jīng)人工雜交選育而成，具有速生、樹(shù)形優(yōu)美等特點(diǎn)，但耐鹽能力較差，影響了其推廣應(yīng)用。隸屬于ERF類的轉(zhuǎn)錄因子JERFs來(lái)源于番茄(Lycopersiconesculentum)，它能專一結(jié)合GCC-box，激活植物下游抗逆相關(guān)基因的表達(dá)，提高植物耐鹽、抗旱、抗寒性(李文正等, 2006; Zhangetal., 2010; Wuetal., 2008)，在煙草(Nicotianatabacum)中表達(dá)的JERF3還能激活光合碳同化相關(guān)基因(Wuetal., 2008)。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所于2000年通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將JERF36基因?qū)脬y中楊(蘇曉華等, 2009)。經(jīng)分子生物學(xué)檢測(cè)、溫室鹽脅迫和大田鹽堿地試驗(yàn)，證明目的基因成功導(dǎo)入并穩(wěn)定表達(dá)，轉(zhuǎn)JERF36銀中楊的耐鹽性得到顯著提高(李義良, 2008; Lietal., 2009)，然而，前期研究并未對(duì)轉(zhuǎn)基因銀中楊的抗旱性進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)。本研究以轉(zhuǎn)JERF36銀中楊(ABJ01)和非轉(zhuǎn)基因銀中楊(9#)為試驗(yàn)材料，從葉片形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)和光合生理特性角度探索轉(zhuǎn)JERF36基因銀中楊對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，研究JERF36基因的導(dǎo)入對(duì)銀中楊抗旱性的影響，以期為轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的抗旱性評(píng)價(jià)提供參考，并為轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所2000年通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法成功轉(zhuǎn)化獲得的轉(zhuǎn)JERF36基因銀中楊(ABJ01)和非轉(zhuǎn)基因銀中楊(9#)。2015年4月10日將ABJ01和9#的1年生植株，截成15 cm左右的硬枝插穗，扦插于塑料小盆中(10 cm × 10 cm)，基質(zhì)為草炭土和珍珠巖，每盆1株，在溫室正常供水條件下培養(yǎng)。2015年5月20日將生長(zhǎng)良好且一致的植株移栽至高度21 cm、直徑19 cm的塑料大盆中，基質(zhì)由黃土、沙土和草炭土按10∶2∶1的比例混合配制而成，每盆基質(zhì)質(zhì)量5.5 kg，正常供水條件下培養(yǎng)。

1.2 干旱處理方法

待苗高達(dá)到45 cm左右時(shí)(6月底)，每個(gè)株系選擇大小一致、生長(zhǎng)健壯的苗木18株(盆)，進(jìn)行干旱脅迫處理。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共3個(gè)水分處理： 正常供水、中度脅迫、重度脅迫，土壤含水量分別控制在田間持水量的60～80%，40～60%，20～40%，每個(gè)處理重復(fù)3次。每天17： 00時(shí)稱取各盆質(zhì)量，補(bǔ)充水分，使各盆土壤含水量保持在試驗(yàn)控制范圍之內(nèi)。干旱脅迫處理30天后(7月底)測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院溫室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，溫室內(nèi)6—9月平均溫度控制在25～30 ℃，平均相對(duì)濕度為55%； 溫室透光性良好，晴天9:00—11:00室內(nèi)光合有效輻射PAR約為800 μmol·m-2s-1，室內(nèi)CO2濃度約為380 μmol·mol-1。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 苗高及葉片數(shù)量測(cè)定 苗高指從苗木土痕處到苗木最高點(diǎn)； 葉片數(shù)量是指從頂端第1片完全展開(kāi)葉到苗木下端最后1片存在生理活性的葉片總數(shù)。

1.3.2 葉面積測(cè)量 采用CI-203激光葉面積儀活體測(cè)量植株葉面積，測(cè)量葉片均為植株頂端向下第5，6，7片功能葉，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)觀察 在苗木中部偏上選取干旱脅迫后新形成的、大小基本一致的葉片，靠近其中脈位置處切取0.3 cm × 0.3 cm的小片，立即放入FAA溶液中固定24 h以上。采用半薄切片技術(shù)，經(jīng)脫水和透明，置換和浸透，Spurr樹(shù)脂包埋和聚合，制成包埋樣品； 使用半薄切片機(jī)(Leica EMUC7切片機(jī), Germany)進(jìn)行切片，薄切片厚度為3 μm，制片后采用0.5%的甲苯胺藍(lán)(toluidine blue O，TBO)染色，隨后在顯微鏡下觀察照相(Zeiss Axioskop2 plus； AxioVisionRel.4.4)，并用軟件(AxioVisionRel.4.4)測(cè)量各指標(biāo)值： 葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片組織緊密度(CTR)、葉片組織疏松度(SR)。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)株系8～10個(gè)切片，每個(gè)切片每個(gè)指標(biāo)記錄3個(gè)數(shù)據(jù)。CTR和SR的計(jì)算公式如下(潘存娥, 2011)：

CTR(%)=柵欄組織厚度/葉片厚度 × 100,

SR(%)=海綿組織厚度/葉片厚度 × 100。

1.3.4 氣體交換參數(shù)測(cè)定 采用美國(guó)Li-COR公司生產(chǎn)的LI-6400XT便攜式光合測(cè)定儀，于9:00—11:00進(jìn)行Pn、Gs、Ci、Tr等氣體交換參數(shù)測(cè)定。LI-6400XT的光合有效輻射(PAR)設(shè)定為800 μmol·m-2s-1，CO2濃度控制為400 μmol·mol-1。測(cè)量葉片均為植株頂端向下第5，6，7片功能葉，每片葉重復(fù)測(cè)量3次，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.5 PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)測(cè)定 采用德國(guó)WALZ公司的Mini-PAM超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x，于23:00—24:00時(shí)測(cè)定暗適應(yīng)后的各株系中部葉片最大熒光產(chǎn)量(Fm)和可變熒光(Fv)，計(jì)算Fv/Fm。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)株系記錄5片葉數(shù)據(jù)。

1.3.6 葉綠素含量測(cè)定 葉綠素含量測(cè)定參考《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》(高俊鳳, 2006)。稱取植物新鮮葉片0.1 g于25 mL容量瓶中，加入0.5 mL純丙酮和15 mL 80%丙酮，蓋上瓶蓋室溫下暗處浸提過(guò)夜(期間搖動(dòng)3～4次)，直至樣品全部變白為止，用80%丙酮定容浸提液至25 mL。5 000 r·min-1下離心5 min，以80%丙酮為空白對(duì)照，用分光光度計(jì)在645,663 nm波長(zhǎng)下測(cè)定浸提液的吸光度，計(jì)算組織中葉綠素含量。測(cè)定的葉片為從植株頂端向下第5,6,7片功能葉，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多重比較(采用Duncan新復(fù)極差法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下植株生長(zhǎng)、葉片形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)變化

2.1.1 干旱脅迫下植株生長(zhǎng)及葉片形態(tài)變化 正常供水條件下，ABJ01和9#的苗高、葉片數(shù)量及單葉面積差異均不顯著。干旱脅迫下，ABJ01和9#的苗高生長(zhǎng)均受到一定程度的抑制，隨著脅迫程度的加劇，受抑制程度增大，但ABJ01受抑制程度較低，在中度和重度干旱脅迫下苗高比9#分別高5.39%和9.38%，重度干旱脅迫下二者差異達(dá)到顯著水平。與正常供水相比，2個(gè)株系的葉片數(shù)量在干旱脅迫下均顯著減少，但ABJ01葉片數(shù)量略高于9#。干旱脅迫下，2個(gè)株系的葉面積生長(zhǎng)均受到顯著抑制，ABJ01和9#分別比正常供水低3.50%～27.39%和15.19%～32.86%。中度和重度干旱脅迫下，9#的葉面積比ABJ01分別顯著低10.82%和13.79%，說(shuō)明ABJ01葉片生長(zhǎng)優(yōu)于9#。以上結(jié)果說(shuō)明，轉(zhuǎn)基因銀中楊在干旱脅迫下具有更強(qiáng)的生長(zhǎng)能力，其抗旱能力可能得到增強(qiáng)。

表1 干旱脅迫下苗木生長(zhǎng)及葉片形態(tài)差異Tab.1 Differences of seedling growth and leaf phenotype under drought stress①

小寫字母表示相同系號(hào)不同干旱處理間差異顯著，大寫字母表示相同干旱處理?xiàng)l件下不同株系間差異顯著，顯著性水平為0.05。下同。Lowercase letters represent significant differences of the same poplar lines at different treatment, capital letters represent significant difference test of different poplar lines at the same treatment. Significant difference test level is at 0.05. The same below.

2.1.2 干旱脅迫下植株葉片解剖結(jié)構(gòu)組成和變化 研究表明，干旱脅迫下，2個(gè)株系的葉片厚度、上表皮厚度、海綿組織厚度、下表皮厚度與正常供水條件相比顯著降低。9#柵欄組織厚度干旱脅迫時(shí)比正常供水顯著低5.96%～8.32%，而ABJ01則干旱脅迫時(shí)比正常供水顯著高7.36%～9.55%。中度脅迫下，ABJ01的葉片上、下表皮厚度比9#分別顯著高5.55%和4.70%，柵欄組織厚度比9#顯著高6.17%，表明ABJ01具有更發(fā)達(dá)的柵欄組織，但海綿組織厚度和SR則分別比9#顯著低12.35%和12.38%； 重度脅迫下， ABJ01的葉片上、下表皮厚度分別比9#顯著高16.27%和10.05%，海綿組織厚度和SR則分別比9#顯著低11.71%和11.58%。以上結(jié)果說(shuō)明，ABJ01葉片結(jié)構(gòu)可能更有利于提高其在干旱脅迫時(shí)的適應(yīng)能力。

圖1 葉片解剖結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Leaf anatomical structures圖中大寫字母A、B、C分別表示9#在正常供水、中度脅迫、重度脅迫下的葉片結(jié)構(gòu)組成； D、E、F分別表示ABJ01在正常供水、中度脅迫、重度脅迫下的葉片結(jié)構(gòu)組成。Capital letters A, B, C respectively represent leaf anatomical structures of 9# at control, moderate drought stress and severe drought stress; D, E, F respectively represent leaf anatomical structures of ABJ01 at control, moderate drought stress and severe drought stress.

2.2 干旱脅迫下植株光合特性變化

2.2.1 干旱脅迫下植株氣體交換參數(shù)變化 正常供水下，ABJ01與9#的凈光合速率(Pn)差異不顯著，隨著干旱脅迫程度的加劇，2個(gè)株系的Pn均逐漸降低。中度和重度脅迫下，ABJ01的Pn分別比9#降低10.50%和18.97%，重度脅迫時(shí)二者達(dá)顯著水平(圖2A)。結(jié)果說(shuō)明ABJ01在干旱脅迫下具有更強(qiáng)的光合能力，這可能與ABJ01具有發(fā)達(dá)的柵欄組織有關(guān)(表2)。

正常供水下，ABJ01與9#的氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)差異均不顯著，隨著干旱脅迫程度的加劇，2個(gè)株系的Gs、Ci和Tr均逐漸降低(圖2B，C，D)，變化趨勢(shì)與Pn一致。與正常供水相比，重度脅迫下2個(gè)株系的Gs顯著降低，且在重度脅迫時(shí)ABJ01的Gs比9#高17.80%(圖2B)，說(shuō)明ABJ01可能具有更強(qiáng)的氣體交換能力。中度干旱脅迫下，ABJ01的Ci比9#顯著低1.67%(圖2C)，這與其具有較高的Pn有關(guān)。 重度脅迫時(shí)ABJ01的Tr比9#顯著低8.29%(圖2D)，說(shuō)明干旱脅迫下，ABJ01的保水能力較強(qiáng)。

表2 干旱脅迫下各株系葉片解剖結(jié)構(gòu)變化Tab.2 Changes of leaf anatomical structure in different poplar lines under drought stress

圖2 干旱脅迫下楊樹(shù)氣體交換參數(shù)變化Fig.2 Changes of gas exchange parameters in poplar under drought stresses小寫字母表示相同株系不同干旱處理間差異顯著,*表示相同處理下不同系號(hào)間差異顯著，顯著性水平均為0.05。Lowercase letters represent significant differences result of same poplar lines at different treatments; * represent significant difference test result of different poplar lines at same treatment;Significant level is at 0.05.

2.2.2 干旱脅迫下植株Fv/Fm變化 干旱脅迫下，2個(gè)株系的PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)變化如圖3。正常供水下，2個(gè)株系的Fv/Fm差異不顯著。干旱脅迫下2個(gè)株系的Fv/Fm顯著降低，中度脅迫下，9#和ABJ01分別比正常供水降低2.82%和1.35%，重度脅迫下，則達(dá)到5.70%和5.20%。另外，在干旱脅迫時(shí)ABJ01的Fv/Fm高于9#，說(shuō)明干旱脅迫處理后，ABJ01的光系統(tǒng)受損程度較9#小，這與其具有較高的Pn有關(guān)(圖2A)，ABJ01的抗旱能力可能得到增強(qiáng)。

圖3 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因銀中楊Fv/Fm變化Fig.3 Changes of Fv/Fm in transgenic poplar under drought stress

2.2.3 干旱脅迫下植株葉片葉綠素含量變化 干旱脅迫下，2個(gè)株系的葉綠素含量變化如圖4。正常供水下，ABJ01與9#的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量差異均不顯著。干旱脅迫下，2個(gè)株系的葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素的含量較正常供水均呈降低趨勢(shì)(ABJ01在重度脅迫下葉綠素b含量例外)，但ABJ01的降低幅度較9#小。重度干旱脅迫下，ABJ01的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別比9#顯著高18.50%，29.13%和21.28%。說(shuō)明干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因株系維持葉綠素含量穩(wěn)定的能力較非轉(zhuǎn)基因株系強(qiáng)。

圖4 干旱脅迫下楊樹(shù)葉片葉綠素含量差異比較Fig.4 Differences of leaf chlorophyll content in poplar under drought stress

3 討論

植物生長(zhǎng)量的降低是對(duì)干旱脅迫的一種響應(yīng)(Boughallebetal., 2011)，樹(shù)木一般通過(guò)減小葉面積、降低蒸騰來(lái)適應(yīng)干旱脅迫(葉龍華等, 2014)。本研究表明，干旱脅迫下，2個(gè)株系的苗高生長(zhǎng)均受到一定程度的抑制，但ABJ01苗高比9#分別高5.39%和9.38%，其中重度脅迫下二者差異達(dá)到顯著水平； 2個(gè)株系的單葉面積均顯著降低，但9#的單葉面積顯著低于ABJ01，表明ABJ01的苗高和單葉面積生長(zhǎng)受干旱脅迫程度較9#小(表1)。干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因株系具有更強(qiáng)的生長(zhǎng)能力，其抗旱能力可能得到提高。

干旱脅迫通常會(huì)引起植物形態(tài)、葉片水勢(shì)、光合碳同化等生理生化進(jìn)程發(fā)生改變(Wangetal., 2003)，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物葉片形態(tài)解剖學(xué)特征和光合生理特征等指標(biāo)比較容易觀察和測(cè)量，可用來(lái)反映植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性(Boughallebetal., 2011; Ennajehetal., 2010; 陳昕等, 2012; 潘存娥等, 2011; 李歡等, 2013)。本研究表明，干旱脅迫下，2個(gè)株系的葉片表皮細(xì)胞厚度和海綿組織厚度顯著降低，ABJ01的柵欄組織厚度呈增加趨勢(shì)，9#的柵欄組織厚度呈減少趨勢(shì)(表2)，這與Chartzoulakis等 (2002)研究干旱脅迫對(duì)鱷梨(Perseaamericana)葉片解剖結(jié)構(gòu)影響的研究結(jié)果類似。與9#相比，在干旱脅迫下，ABJ01的葉片表皮厚度較大，具有發(fā)達(dá)的柵欄組織，而海綿組織厚度和葉片組織疏松度則較小(表2)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的干旱適應(yīng)能力。較厚的表皮細(xì)胞和發(fā)達(dá)的柵欄組織有利于植物保持水分以及更好地保護(hù)內(nèi)部組織，從而提高植物的存活率并有助于植物生長(zhǎng)(Bacelaretal., 2004)。此外，葉肉柵欄組織發(fā)達(dá)、海綿組織厚度相對(duì)減少及葉片組織緊密度增大等特征，有助于CO2從孔下室傳導(dǎo)至光合作用場(chǎng)所，在氣孔導(dǎo)度較低的情況下維持植物較高的光合速率，提高植物的保水能力和抗旱能力(Chartzoulakisetal., 2002; Evansetal., 2000)。本研究顯示，中度和重度干旱脅迫下，ABJ01的Pn分別比9#高10.50%和18.97%，重度干旱脅迫下達(dá)顯著水平(圖2A)，在重度脅迫時(shí)ABJ01的Tr比9#顯著低8.29%(圖2D)； 重度干旱脅迫下，ABJ01的Gs較9#高17.80%(圖2B)，說(shuō)明干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因銀中楊的葉片保水能力和CO2交換能力更強(qiáng)，能在較低的Gs下維持較高的Pn。研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致植物葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量顯著降低(王林龍等, 2015; 井大煒等, 2014)，本研究結(jié)果與之相似，這可能是由于葉綠體膜受到破壞，造成葉肉細(xì)胞水分缺失所致(Anjumetal., 2011)。干旱脅迫導(dǎo)致Fv/Fm顯著降低，表明植物光系統(tǒng)受損嚴(yán)重(井大煒等, 2013)，本研究結(jié)果與之相似。與9#相比，重度干旱脅迫時(shí)ABJ01的葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量(圖4)及Fv/Fm較9#高(圖3)，表明轉(zhuǎn)基因銀中楊葉肉細(xì)胞維持葉綠素含量穩(wěn)定的能力較強(qiáng)，保水能力更強(qiáng)，且光系統(tǒng)受損程度更小，其抗旱能力得到提高。另外，有研究表明轉(zhuǎn)錄因子JERFs的導(dǎo)入可激活轉(zhuǎn)基因煙草中與光合碳同化相關(guān)基因(Wuetal., 2008)，維持植物在干旱脅迫時(shí)較高的光合速率。下一步可通過(guò)研究干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因銀中楊中JERF36的表達(dá)與光合碳同化相關(guān)基因的關(guān)系，闡明轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)在干旱脅迫下維持較高的Pn的機(jī)制，為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)基因銀中楊的抗旱性機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

屬于ERF類的轉(zhuǎn)錄因子JERF36可能通過(guò)影響轉(zhuǎn)基因銀中楊葉片結(jié)構(gòu)發(fā)育提高轉(zhuǎn)基因銀中楊在干旱脅迫下的氣體交換能力和保水能力，增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因銀中楊的抗旱能力。

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(責(zé)任編輯 王艷娜 郭廣榮)

Effects of Drought Stress on Anatomical Structure and Photosynthetic Characteristics of TransgenicJERF36Populusalba×P.berolinensisSeedling Leaves

Huang Juan Chen Cun Zhang Weixi Ding Changjun Su Xiaohua Huang Qinjun

(State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry Beijing 100091 )

【Objective】 In this study, transgenicPopulusalba×P.berolinensisline (ABJ01) and non-transgenic line (9#) were used to test effects of drought stress. To provide a new reference for drought assessment and scientific basis for promotion and application of transgenic poplars, seedling height, morphological and anatomical structure of leaves, and photosynthetic characteristics of transgenic poplar and non-transgenic poplar under drought stress were measured. 【Method】 At the end of June 2015, a soil drought stress experiment was conducted with seedlings of transgenic poplar and non-transgenic poplar at the average height around 45 cm. The seedlings were subjected to three regimes of water (control, moderate stress, and severe stress), and the soil moisture was controlled at 60%-80%, 40%-60%, 20%-40% of the field water capacity, respectively for 30 days. 【Result】 Seedling height growth of the two lines was inhibited to a certain degree by drought stress, and the inhibition was increasing severe with the stress level increased. The seedling height of transgenic line ABJ01 was 9.38% higher than non-transgenic line 9# under severe drought stress. Single leaf area of the two lines was significantly reduced under drought stress, indicating that drought stress suppressed growth of poplar leaves. Single leaf area of 9# was significantly lower than ABJ01, accounting for 10.82% and 13.79% of the control, respectively, indicating limitation of leaf growth in ABJ01 was lower under drought stress. Anatomical structure of leaves showed that growth of leaf epidermal cells and mesophyll cells in ABJ01 and 9# were inhibited by drought stress, however the inhibited degree of ABJ01 was lower. Under moderate drought stress, leaf upper epidermal thickness and lower epidermal thickness of ABJ01 were 5.55% and 4.70% significantly greater than that of 9#, respectively. Thickness of palisade tissue of ABJ01 was 6.17% significant greater than 9#. In contrast, sponge tissue thickness and SR were 12.35% and 12.38% significantly lower than those of 9#, respectively. Under severe drought stress condition, leaf upper epidermal thickness and lower epidermal thickness of ABJ01 were 16.27% and 10.05% significantly higher than 9#, respectively, but sponge tissue thickness and SR were 11.71% and 11.58% significant lower than those of 9#, respectively. The more developed palisade tissue and relatively reduced spongy tissue may facilitate the conduction of CO2, and maintain the higherPnin leaf of ABJ01, which would contribute to adaptation to drought stress. Photosynthetic physiological data suggested thatPnof 9# was 2.8 times lower than that of ABJ01, and ABJ01Pnwas significantly higher than non-transgenic lines 9# (10.50%-18.97%), indicating ABJ01 had a greater photosynthetic capacity. Under control treatment, there were no significant differences inGs,Fv/Fmbetween the two lines. However under drought stress, the decreased trend in transgenic line was relatively smaller compared with non-transgenic line under drought stress, indicating that ABJ01 indexes was less affected by drought stress. In addition, ABJ01Trwas less than 9#, suggesting that ABJ01 had stronger capacity in water holding under drought conditions. The chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll content in ABJ01 were higher than those of 9#. ABJ01Fv/Fmwas higher than 9#, indicating that the ability of maintaining the stability of chlorophyll content was stronger and the damage of PSⅡ was less in transgenic line. 【Conclusion】 The study suggests that exogenous geneJERF36 may improve the gas exchange capacity and water-holding capacity of transgenicPopulusalba×P.berolinensisunder drought stress by impacting the leaf structural of transgenic poplar, finally enhance drought tolerance of transgenicPopulusalba×P.berolinensis.

drought stress; transgenic poplar; leaf anatomical structure; photosynthetic characteristics

10.11707/j.1001-7488.20170502

2016-03-01；

2016-06-13。

國(guó)家“863”計(jì)劃課題(2013AA102703)。

S718.5

A

1001-7488(2017)05-0008-08

*黃秦軍為通訊作者。