張志芬，付曉峰，劉俊青，楊海順，何江峰，王力偉

（內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

燕麥（Avena sativa L.）是禾本科燕麥屬草本植物，抗逆性強，燕麥根系發(fā)達，吸水能力較強，且根冠比較大，調(diào)節(jié)水分能力較強，成為治理土地荒漠化的先鋒作物[1-2]。燕麥是我國北方干旱和半干旱地區(qū)的重要作物，葉綠體和線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)在一定程度上作為表征植物對逆境條件耐受性的依據(jù)[3-4]。正常水分條件下，葉綠體數(shù)目多，被膜清晰，結(jié)構(gòu)完整，基粒和基質(zhì)類囊體膜結(jié)構(gòu)清晰排列整齊[5]。輕度短時間干旱脅迫葉綠體的形狀由橢圓形變?yōu)楣位驁A形，脫離細胞壁，向細胞中央靠攏，如果干旱脅迫持續(xù)，葉綠體膜受到破壞，基粒片層排列紊亂，類囊體松散、解體淀粉粒增多，且這些變化會隨時間的延長而加重[6-7]。重度干旱脅迫下，細胞核中染色質(zhì)凝聚，線粒體嵴膜幾乎被破壞殆盡，線粒體空化[8-10]。目前關(guān)于干旱脅迫對燕麥超微結(jié)構(gòu)的影響研究較少，張志芬等[11]僅研究了拔節(jié)期干旱脅迫對燕麥葉片超微結(jié)構(gòu)的影響，而生產(chǎn)中燕麥常常處于全生育期干旱，因此，本試驗從拔節(jié)期進行控水到灌漿期，以灌漿期燕麥葉片為研究對象，比較不同干旱脅迫下燕麥葉片表皮細胞和葉肉細胞超微結(jié)構(gòu)，旨在進一步揭示燕麥在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的耐旱特性，從而為耐旱燕麥品種的選育提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 水分脅迫處理

盆栽試驗于2019年8—10月在溫室內(nèi)進行，設(shè)置3 個水分處理，分別為正常水分、中度干旱和重度干旱（土壤含水量分別為田間最大持水量的75%、45%、30%），從拔節(jié)期開始控水，利用稱重法進行水分控制，重復3 次，每次重復種植10 盆。試驗選用直徑為23 cm、高18 cm 的塑料盆進行，每盆均勻播種燕麥30 株，三葉期定植為20 株。每天6：30—21：30用補光燈進行補光。

1.2 取樣

供試燕麥品種為蒙燕1 號。9月26日燕麥處于灌漿期，10：30 進行取樣，選擇完好無損健康植株，從上而下取第2 葉片，用夾子夾住葉基部分，放在緩沖液中沖洗干凈，在離開葉基部0.5 cm 處截取長1.0 cm 葉片，放入裝滿2.5%戊二醛的離心管中，冷藏備用。

1.3 掃描電鏡觀察

取出樣品，用磷酸緩沖液漂洗，然后取5 mm2葉片，1%鋨酸固定2 h，經(jīng)乙醇系列梯度脫水，臨界點干燥，黏合噴金后在S-530 型掃描電鏡下觀察和拍照。

1.4 測定產(chǎn)量

成熟時，每個處理取10 株進行考種，測定穗長、小穗數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、穗粒重、粒重和產(chǎn)量。每個處理10 盆，其中，5 盆用于測定產(chǎn)量、5 盆用于測定干物質(zhì)量。

1.5 干物質(zhì)量的測定

分別在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期取20 株測定葉片、莖稈和穗的干重，重復3 次。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0 進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

由表1 可知，中度和重度干旱脅迫處理主穗長、單株粒數(shù)均顯著（P＜0.01）低于正常水分，但中度和重度干旱脅迫處理之間差異不顯著（P＞0.01）；中度干旱脅迫處理百粒重顯著（P＜0.01）高于重度干旱脅迫和正常水分處理，說明一定程度的干旱脅迫使得結(jié)實率下降，但有利于結(jié)實籽粒的灌漿，籽粒更飽滿。中度干旱脅迫比正常水分條件減產(chǎn)26.3%，重度干旱脅迫較正常水分條件減產(chǎn)35.3%。

表1 干旱脅迫對燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

2.2 干旱脅迫對燕麥地上部分干物質(zhì)量的影響

干旱脅迫對燕麥拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期莖稈、葉片和穗的干物質(zhì)量影響處理之間差異顯著性見表2。干旱脅迫對干物質(zhì)量的影響隨著干旱脅迫時間的延長而增加，對葉片干物質(zhì)量的影響大于對莖稈和穗的影響，其中，抽穗期和灌漿期葉片干物質(zhì)量處理之間達到顯著水平（P＜0.05），拔節(jié)期葉片干物質(zhì)量處理之間不顯著（P＞0.05），而莖稈和穗干物質(zhì)量不同生育時期處理之間差異均不顯著（P＞0.05）。

表2 不同生育時期莖稈、葉片和穗干物質(zhì)量的差異顯著性

2.3 干旱脅迫對葉片表皮細胞的影響

干旱脅迫對燕麥葉片上表皮和下表皮的影響如圖1 所示，正常水分條件下，葉片上下表皮氣孔較多，氣孔結(jié)構(gòu)明顯，氣孔由兩個保衛(wèi)細胞組成；表皮細胞由長細胞和短細胞組成，表皮細胞飽滿，長、短細胞順著主葉脈整齊排列，表皮細胞較長，短細胞較少；上表皮的表皮毛密集，順著主葉脈整齊排列，形成表皮毛帶，下表皮的表皮毛較少。

中度干旱脅迫處理，上表皮分泌物較多，氣孔數(shù)量減??；上、下表皮均短細胞增多，下表皮細胞干癟，出現(xiàn)皺褶，較正常水分條件下氣孔器不明顯。

重度干旱脅迫處理，上表皮的表皮毛較少，表皮細胞干癟、皺褶，下表皮氣孔器分化不明顯，在放大150 倍的情況下很難辨認氣孔和表皮細胞，除嵴為長細胞以外，大部分表皮為短細胞，而且皺褶嚴重。因此認為燕麥下表皮的結(jié)構(gòu)對干旱脅迫更為敏感，長時間的重度干旱脅迫導致燕麥氣孔器退化、保衛(wèi)細胞較小。

2.4 干旱脅迫對葉肉細胞超微結(jié)構(gòu)的影響

在正常水分條件下（圖2A、圖2B），燕麥灌漿期葉肉細胞較大，細胞膜完整，核染色質(zhì)均勻分布，葉綠體較大，外被膜葉綠體內(nèi)類囊體基粒較大、數(shù)目較多、排列整齊。但在灌漿期部分葉肉細胞葉綠體邊緣化。

中度干旱脅迫處理（圖2C、圖2D），細胞膜斷裂，核染色質(zhì)凝聚，淀粉粒增多，線粒體數(shù)目較少、體積變小，葉綠體外被膜完整，內(nèi)部類囊體基粒數(shù)目較正常水分條件下少，部分類囊體基粒結(jié)構(gòu)模糊，線粒體較正常水分條件下開始膨大。

重度干旱脅迫處理（圖2E、圖2F），葉肉細胞較小，大部分細胞膜斷裂，核染色質(zhì)較中度干旱脅迫處理下更為凝聚，葉綠體出現(xiàn)團聚現(xiàn)象、形態(tài)各異、數(shù)目較少、葉綠體內(nèi)有較少完整的類囊體基粒和基質(zhì)結(jié)構(gòu)，線粒體較中度干旱脅迫處理下體積更大。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫是影響燕麥產(chǎn)量的主要因素，本研究結(jié)果表明，隨著土壤含水量的下降，燕麥產(chǎn)量顯著降低，對葉片干物質(zhì)量的影響大于對莖稈和穗的影響，但一定程度的干旱脅迫有利于燕麥籽粒的灌漿，籽粒更飽滿，這可能是干旱地區(qū)燕麥籽粒性狀更好的原因。氣孔關(guān)閉是植物對干旱脅迫的一個普遍反應[12]。已有研究表明，大麥葉片表皮層的氣孔器下凹，氣孔常常處于關(guān)閉狀態(tài)或開得很小，表現(xiàn)出大麥是一種較耐旱的作物[13]。本研究表明，燕麥表皮層結(jié)構(gòu)與大麥相似，在灌漿期非干旱脅迫下氣孔器下凹，常常處于關(guān)閉狀態(tài)或者開的很小，而從拔節(jié)期到灌漿期一直處于干旱脅迫下，同樣表現(xiàn)為閉合狀態(tài)，且閉合較緊，但與非脅迫相比氣孔器分化不明顯。陳溫福等[14]研究表明，水稻氣孔密度與凈光合速率呈明顯的正相關(guān)。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致，隨著干旱脅迫程度增加，氣孔密度降低。已有研究表明，燕麥拔節(jié)期干旱脅迫7 d，隨著干旱脅迫程度的增加，葉片葉綠體首先出現(xiàn)形狀改變，然后逐漸內(nèi)部結(jié)構(gòu)降解，出現(xiàn)較大的空隙；線粒體首先出現(xiàn)膨脹，然后內(nèi)部結(jié)構(gòu)降解，最終外被膜斷裂，內(nèi)含物外流；重度干旱脅迫下出現(xiàn)細胞器周緣化[15]。本研究表明，在灌漿期即使在非水分脅迫下，細胞器也同樣略有周緣化。細胞壁排列的周緣化及形態(tài)結(jié)構(gòu)的球狀化是其類囊體片層膜結(jié)構(gòu)退化與降解過程啟動的“前奏”，對葉片的光合作用也有一定程度的影響。因此認為在灌漿期燕麥倒數(shù)第二葉葉片剛剛開始老化，葉綠體的光合作用功能開始降低。另外本研究表明，從拔節(jié)期開始控制水分到灌漿期，重度干旱脅迫導致葉綠體形態(tài)各異，說明長時間的重度干旱脅迫因葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu)受損嚴重導致光合作用的下降，但同時葉綠體出現(xiàn)團聚和融合現(xiàn)象，這有助于加強細胞的支撐力，是燕麥對干旱脅迫的適應性的表現(xiàn)，因此認為燕麥對干旱脅迫適應能力較強。