趙尚文，王德賢，岳維云，王娜，劉鴻燕，王希恩，周喜旺，王孟孟，蒲建剛，陳荃

(1.天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水 741001；2.天水師范學(xué)院生物工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

小麥?zhǔn)歉拭C省最主要的口糧作物，目前種植面積已由多年的133萬(wàn)hm2降至100萬(wàn)hm2以下，“穩(wěn)面積提單產(chǎn)”已成為確保主糧安全的策略，選育新優(yōu)高抗品種，推廣先進(jìn)栽培技術(shù)勢(shì)在必行.全膜覆土栽培技術(shù)因其顯著的增產(chǎn)作用得到了大面積推廣[1-2].天水作為旱作典型地區(qū)，全膜覆土栽培被大量采用[3]，小麥采用全膜覆土栽培技術(shù)抗旱增產(chǎn)作用已被大量試驗(yàn)研究所證實(shí)[4]，但是關(guān)于小麥在逆境脅迫下葉片，尤其旗葉等上層葉片作為小麥植株光合作用最重要的功能葉片，其抽穗期后表皮顯微結(jié)構(gòu)的變化，是目前植物生理研究的一個(gè)嶄新方向.關(guān)于小麥葉片細(xì)胞及細(xì)胞器的研究也有不少報(bào)道[5]，但是多集中在對(duì)小麥葉片細(xì)胞的種類、結(jié)構(gòu)[6-10]和細(xì)胞器[11-13]分布等方面，泡狀細(xì)胞是以小麥為典型代表的禾本科植物葉表皮的重要特征，一般認(rèn)為它與葉片的卷曲和開張有關(guān)[14].近年來(lái)的研究表明，泡狀細(xì)胞與植物的抗旱性有密切的關(guān)系[15].肖德興等[16]、王暉等[17]分別對(duì)百喜草(Pasphannotatum)、狗牙根(Cynodondactylon)、假儉草(Eremochloaophiuroides)、結(jié)縷草(Zoysiajaponica)泡狀細(xì)胞與抗旱性的關(guān)系進(jìn)行了研究.本試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)率先比較了全膜覆土方式下抽穗期至灌漿期前后小麥功能葉片泡狀細(xì)胞的微觀形態(tài)差異，研究小麥功能葉片泡狀細(xì)胞的功能與細(xì)胞微觀形態(tài)數(shù)量特征的關(guān)系，利用顯微攝影對(duì)小麥葉片表皮泡狀細(xì)胞形態(tài)的數(shù)量特征進(jìn)行分析，挖掘“源”“庫(kù)”關(guān)系，探討泡狀細(xì)胞與葉片卷縮功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)系，為小麥抗旱機(jī)理的研究和抗旱育種提供細(xì)胞學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在天水市農(nóng)科所中梁試驗(yàn)站小麥試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地屬于西北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，是典型的干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，海拔1 650 m，二陰山地，年無(wú)霜期約109 d，年降水量531.8 mm，季節(jié)分布不均，多集中在7、8、9三個(gè)月.試驗(yàn)地土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為粘壤土，肥力中等.土壤有機(jī)質(zhì)含量14.5 g/kg、全氮1.35 g/kg、全磷0.56 g/kg、速效氮45.6 mg/kg、速效磷14.8 mg/kg、速效鉀140.2 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)于2017年9月至2018年6月進(jìn)行.試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：常規(guī)栽培露地穴播(CK)、全膜覆土穴播.以冬小麥‘中梁32號(hào)’為參試品種，播前施農(nóng)家肥11 250 kg/hm2、尿素210 kg/hm2、磷二銨210 kg/hm2，機(jī)耕翻入.試驗(yàn)地前茬為小麥，土質(zhì)黃綿土，肥力均勻.小區(qū)面積3 m×4 m =12 m2；地膜和露地小麥均采用小型穴播機(jī)點(diǎn)播，行距15 cm，穴距12 cm，每穴播8～12粒種子，覆膜小區(qū)先覆膜后播種，9月30日播種，6月30日收獲.試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，其他管理同當(dāng)?shù)卮筇?

1.2.1 覆膜方案 全膜覆土穴播(F)：種植方式為全地面、全生育期地膜覆蓋，鋪膜時(shí)膜面要求平整，使地膜緊貼地面，同時(shí)在膜上覆一層薄土，覆土厚度以1～2 cm左右為宜，鋪膜覆土1 d后采用穴播機(jī)播種，播種深度為3～5 cm，采用厚度0.008 mm、寬度120 cm的地膜覆蓋，行距為15 cm，穴距為12 cm，播種密度為45萬(wàn)穴/hm2，每穴8～12粒，播種量225 kg/hm2左右.

露地穴播(L)：種植方式為將地平整后，采用穴播機(jī)播種，播種量同上.

1.2.2 取樣方案 于抽穗期后每隔15 d取樣1次(分別為2018年5月10日、5月25日、6月10日)，每小區(qū)(露地點(diǎn)播L和全膜穴播覆土F)取生長(zhǎng)發(fā)育良好，長(zhǎng)勢(shì)一致的植株3株，剪掉旗葉(F1/L1)，剪掉倒1葉(F2/L2)和剪掉倒2葉(F3/L3)，裝入液氮罐，及時(shí)帶回天水師范學(xué)院生物技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室固定觀察.

1.2.3 制片方案 樣品取葉片中上部，經(jīng)固定、脫水、透明后，用常規(guī)石蠟切片法包埋，切片、染色、封片后，制成小麥葉片上表皮橫切裝片[18]，取效果較好切片用奧林巴斯顯微鏡，放大10倍和40倍觀察及拍照，觀察橫切面上泡狀細(xì)胞的數(shù)量和形態(tài)特征.

2 結(jié)果與分析

2.1 同一生育期不同葉位泡狀細(xì)胞的差異

在葉片衰老過程中，光合作用是變化最大最明顯的生理過程，葉片泡狀細(xì)胞和葉綠素的降解作為葉片衰老的標(biāo)志，往往導(dǎo)致光合作用能力的降低，而葉片的光合作用的能力是由凈光合速率來(lái)體現(xiàn)的.由圖1可見，比較抽穗前期5月10日所取材料顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1處理下葉肉組織發(fā)達(dá)，葉肉細(xì)胞排列更緊密，但L1的泡狀細(xì)胞有比F1更大的趨勢(shì)；F2與L2相比葉肉細(xì)胞情況與F1、L1相同，其大小相似的葉脈中L1的木質(zhì)化成分更多，說明露地處理下在抽穗前期植株已經(jīng)表現(xiàn)出衰老跡象；葉序之間相比，F(xiàn)3、L3葉肉細(xì)胞排列緊密程度均高于F1、L1，說明在抽穗前期，旗葉尚未發(fā)揮主要光合作用，旗葉蒸騰效率之間的差異尚不明顯.

2018年5月10日；F：全膜覆土穴播；L：露地穴播；1、2、3分別表示旗葉、倒1葉、倒2葉. May 10,2018；F:Film mulched soil；L：Open field burrow seeding；1：flag leaf；2： the 2nd leaf；3： the 3rd leaf.圖1 不同處理下冬小麥抽穗前期功能葉片表皮泡狀細(xì)胞組(10×)Figure 1 Influence of film mulching on the bulliform cell group in wheat at early heading on leaf cross section(10×)

通過5月25日所取切片觀察發(fā)現(xiàn)，各處理葉肉細(xì)胞均有不同程度增多，且更加緊密，不同處理之間旗葉的泡狀細(xì)胞明顯增加，但F處理下增加更加明顯(圖2).

通過6月10日灌漿后期所取材料處理F與L葉肉細(xì)胞的數(shù)量和形態(tài)變化特征表現(xiàn)為，但F細(xì)胞形態(tài)明顯發(fā)生變化，類似于雙子葉植物的柵欄組織的細(xì)胞形態(tài)，這種細(xì)胞為長(zhǎng)柱型，細(xì)胞排列緊密，細(xì)胞中葉綠體含量較多，光合能力較強(qiáng)，但L葉肉細(xì)胞的形態(tài)沒有這樣明顯的變化，而且L處理下葉肉細(xì)胞中小空泡明顯增多，細(xì)胞中小空泡數(shù)量由開始的漸增到細(xì)胞死亡前的劇增，且下層葉片小空泡出現(xiàn)數(shù)量更多，這也說明水分脅迫越強(qiáng)，變化越大(圖3).

2.2 不同生育期相同葉位泡狀細(xì)胞變化規(guī)律

觀察不同時(shí)期葉片顯微結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，隨著籽粒灌漿的進(jìn)行，旗葉葉肉細(xì)胞的緊密程度和數(shù)量均有先增后減趨勢(shì)，但F處理下增加較快，減少較慢，L處理旗葉細(xì)胞破碎明顯，說明F處理下旗葉葉片衰老緩慢，可以為籽粒充分灌漿提供有利條件(圖4).

不同時(shí)期倒一葉和倒二葉均有相同表現(xiàn)(圖5～6)，但衰老速率表現(xiàn)為L(zhǎng)3>L2>L1，F(xiàn)3>F2>F1，相比F處理，L處理衰老速率明顯更高，細(xì)胞空泡明顯增多，葉肉細(xì)胞體積變小，開始大量解體，由此影響到整個(gè)植株的光合效能和灌漿效果，這說明全膜穴播覆土(F)種植方式與露地點(diǎn)播(L)相比水分的保持更好，小麥能獲得到的水分更充足，葉肉細(xì)胞更多，葉綠體數(shù)量多，葉片卷曲防止水分散失的需求減少，光合時(shí)間增長(zhǎng)，光合效能也會(huì)更大.

2018年5月25日；F：全膜覆土穴播；L：露地穴播；1、2、3分別為旗葉、倒1葉、倒2葉.May 25,2018；F：Film mulched soil；L：Open field burrow seeding；1：flag leaf；2： The 2nd leaf；3： The 3rd leaf.圖2 不同處理下冬小麥灌漿前期功能葉片表皮泡狀細(xì)胞組(10×)Figure 2 Influence of film mulching on the bulliform cell group in wheat at early filling on leaf cross section(10×)

2018年6月10日；F：全膜覆土穴播；L：露地穴播；1、2、3分別為旗葉、倒1葉、倒2葉.June 10,2018；F：Film mulched soil；L：Open field burrow seeding；1：flag leaf；2： The 2nd leaf；3： The 3rd leaf.圖3 不同處理下冬小麥灌漿后期功能葉片表皮泡狀細(xì)胞組(10×)Figure 3 Influence of film mulching on the bulliform cell group in wheat at late filling on leaf cross section(10×)

3 討論

在小麥產(chǎn)量形成過程中，一般將生長(zhǎng)和提供同化物的器官稱為“源”，把消耗這些產(chǎn)物進(jìn)行生長(zhǎng)或儲(chǔ)存養(yǎng)料的器官稱作“庫(kù)”.從生理的觀點(diǎn)來(lái)看，產(chǎn)量是“源”、“庫(kù)”相互作用的結(jié)果[19].光合產(chǎn)物的源主要是葉片，而旗葉的光合能力對(duì)產(chǎn)量的影響較大[20]，同時(shí)灌漿結(jié)實(shí)期是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期[21].本研究表明，在灌漿結(jié)實(shí)期，各葉片均具有較高的泡狀細(xì)胞表現(xiàn)，泡狀細(xì)胞的形態(tài)和數(shù)量和抗旱性有正相關(guān)關(guān)系，而且泡狀細(xì)胞可以讓葉片適時(shí)內(nèi)卷和折疊，減少蒸騰，但增加光合效能的具體機(jī)理還需通過超顯微結(jié)構(gòu)觀察各細(xì)胞器的變化進(jìn)一步研究，對(duì)泡狀細(xì)胞形態(tài)數(shù)量特征與功能實(shí)現(xiàn)之間精確的數(shù)量關(guān)系本文并未論述，這方面的定量研究還需深入.

F：全膜覆土穴播；L：露地穴播；1：旗葉.F：Film mulched soil；L：Open field burrow seeding；1：flag leaf.圖4 不同生育時(shí)期旗葉表皮泡狀細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化(40×)Figure 4 Dynamic changes of bulliform cell in flag leaf at different growth stages(40×)

F：全膜覆土穴播；L：露地穴播；2：倒1葉.F：Film mulched soil；L：Open field burrow seeding；2： The 2nd leaf.圖5 不同生育時(shí)期倒1葉表皮泡狀細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化(40×)Figure 5 Dynamic changes of bulliform cell in the 2nd leaf ( from upper to lower) at different growth stages(40×)

水分脅迫越強(qiáng)，泡狀細(xì)胞形態(tài)變化越大[22].隨著細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，細(xì)胞中小空泡數(shù)量由開始的漸增到細(xì)胞死亡前的劇增，這有可能是細(xì)胞組織對(duì)逆境的一種反應(yīng)[15]，對(duì)于小泡的形成機(jī)理有待于今后進(jìn)一步研究.

F：全膜覆土穴播；L：露地穴播；3：倒2葉.F：Film mulched soil；L：Open field burrow seeding；3：The 3rd leaf.圖6 不同生育時(shí)期倒2葉表皮泡狀細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化(40×)Figure 6 Dynamic changes of bulliform cell in the 3rd leaf ( from upper to lower) at different growth stages(40×)

葉片結(jié)構(gòu)的變化與其生理功能的變化是相統(tǒng)一的[23].本研究發(fā)現(xiàn)從抽穗前期至灌漿初期，葉片結(jié)構(gòu)變化不明顯，葉肉細(xì)胞排列緊密有序，細(xì)胞間隙少，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其光合速率較高的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).隨著籽粒灌漿進(jìn)行，各處理的小麥功能葉片迅速衰老，葉肉細(xì)胞和葉綠體開始解體，體積變小，排列紊亂，葉肉細(xì)胞數(shù)量呈下降趨勢(shì)，這些結(jié)構(gòu)特征變化是導(dǎo)致葉片光合速率迅速降低，但全膜覆土栽培模式下冬小麥旗葉表現(xiàn)出較強(qiáng)的葉肉細(xì)胞同化能力，使得葉片衰老變慢，這可能與旗葉延緩衰老的生化機(jī)制有關(guān).

4 結(jié)論

在生產(chǎn)實(shí)踐上，通過延緩葉片衰老來(lái)延長(zhǎng)光合時(shí)間以提高冬小麥產(chǎn)量是可行的，相比露地栽培，全膜覆土處理下泡狀細(xì)胞數(shù)量減少緩慢，功能葉片能保持更多水分，細(xì)胞衰老速率緩慢，尤其旗葉功能期較長(zhǎng)，延長(zhǎng)了葉片光合時(shí)間，小麥葉的此性狀的確有助于更多的同化物積累，有效的增加籽粒質(zhì)量，這為小麥籽粒的充分灌漿提供了較有利的條件，是全膜覆土栽培模式高產(chǎn)的細(xì)胞學(xué)依據(jù)之一.因此，通過選育“旗葉持綠型”品種是實(shí)現(xiàn)小麥高光效育種的有效途徑，并結(jié)合全膜覆土栽培模式改良品種“庫(kù)”容，提高西北旱區(qū)冬小麥的高產(chǎn)潛力.