劉婉秋，龐俊秀，曹艷楠，王輝，孫艷杰，孫亞菲，龍鴻

丹參三倍體與二倍體葉片特征及抗旱性分析

劉婉秋，龐俊秀，曹艷楠，王輝，孫艷杰，孫亞菲，龍鴻通信作者

（天津農(nóng)學院 園藝園林學院，天津 300392）

采用植物解剖學方法，對人工合成的丹參三倍體和丹參二倍體植株葉片解剖特征進行了觀察，并比較分析了其抗旱性。結(jié)果顯示，丹參三倍體植株成熟葉片表皮毛比丹參二倍體的長，葉片下表皮氣孔長度、保衛(wèi)細胞長度、保衛(wèi)細胞厚度均大于丹參二倍體，氣孔密度僅為二倍體的62.8%。此外，丹參三倍體葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度均明顯增厚且柵海比比值更大，柵欄組織厚度可達到丹參二倍體的1.369倍。本研究表明，丹參三倍體比二倍體具有更強的光合作用能力和防止水分蒸騰的能力，抗旱性更強。本研究可為多倍體的抗旱適應(yīng)性提供試驗依據(jù)，為丹參三倍體在生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考。

葉片解剖結(jié)構(gòu)；抗旱性；三倍體；丹參

丹參（Bunge.）為唇形科鼠尾草屬藥用植物，是久負盛名的中藥之一。中藥丹參不僅具有祛除瘀腫、靜心除躁、活血通絡(luò)、保護肝臟等功效[1]，還可有效治療心血管疾病，廣泛應(yīng)用于臨床冠心病、心肌梗塞和心絞痛等心血管疾病的預防和治療，具有很好的療效[2]。由于丹參大多以根或根莖入藥，隨著藥用市場需求量的逐年遞增，丹參已供不應(yīng)求，致使國內(nèi)外學者開始尋找新藥源以緩解丹參根的藥用市場壓力。通過對丹參葉片所含物質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)其具有多種與根相似的成分，且其藥理作用也與根基本相同[3]，包括葉片在內(nèi)的整株入藥也可以在保證療效的情況下滿足更多市場需求。

多倍體植物是經(jīng)過基因組染色體加倍形成的新物種，可人工合成或自然進化形成，就生物量而言，多倍體植株一般比二倍體植株高大、長勢旺盛、生物量大[4]。對于以營養(yǎng)器官為主要利用目的的中草藥，多倍體具有比二倍體更大的優(yōu)勢。除了器官巨大外，多倍體植物抗逆性往往較二倍體增強，例如小麥[5]、大豆[6]等植物的多倍體均具有比未加倍的物種有更強的抗逆性。丹參廣泛分布于山東、山西、河南、四川、安徽、陜西等地，四川的丹參產(chǎn)量居全國首位[7]。目前，丹參多倍體還沒有生產(chǎn)應(yīng)用。本文以人工合成的丹參三倍體[8]為材料，探討丹參三倍體葉片特征及其與抗旱性的可能關(guān)聯(lián)，為丹參三倍體的抗逆性提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

丹參三倍體和二倍體材料由南開大學生命科學學院陳力教授饋贈，三倍體植物材料為組培苗，2018年4月經(jīng)煉苗后移栽至天津農(nóng)學院試驗園，二倍體植物材料為正常實生苗，常規(guī)大田管理。待秋后10月移入實驗室內(nèi)，次年4月開花。選取開花前3月份相同生長期的丹參三倍體和二倍體材料，測量株高，在莖中段離地等高位置處，選取羽狀復葉中間小葉測量葉長、葉寬，進行葉片表皮細胞觀察與測定，經(jīng)固定后做解剖觀察。

1.2 試驗方法

1.2.1 丹參形態(tài)學觀察

經(jīng)苗期生長成熟后至開花前，觀察、測量、記錄丹參二倍體和三倍體的形態(tài)學特征，包括：植株的葉長、葉寬、株高；利用Leica S8體式顯微鏡觀察葉片表皮毛，分別測定30株植株。使用Microsoft Excel 2010版本對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，利用SPSS軟件（IBM SPSS Statistics 25）分析植株的葉長、葉寬、株高以及葉長/葉寬的測量數(shù)據(jù)。

1.2.2 丹參葉片表皮細胞觀察與測定

用剪刀分別剪取丹參二倍體及三倍體完整健康的葉片，清水洗凈后，采用直接撕取葉表皮的方法，先用刀片在葉表面輕劃出一小方塊，再用鑷子分別撕取葉片的上、下表皮，將撕取的表皮放在滴有蒸餾水的載玻片上并使表皮展平，無重疊，加蓋玻片后置于Leica DM 4000B顯微鏡觀察，Leica DFC450 顯微相機拍照。記錄視野范圍內(nèi)氣孔個數(shù)，隨機選取10個氣孔，Leica LAS軟件測量植株的氣孔長度、保衛(wèi)細胞的長度及厚度，并對所測得的數(shù)據(jù)進行分析，計算氣孔密度。

1.2.3 丹參葉片解剖結(jié)構(gòu)的觀察與測定

常規(guī)石蠟切片法制片，丹參二倍體及三倍體葉片采用FAA固定，梯度乙醇脫水，石蠟包埋后，Leica RM2235切片機切片，厚度8～10 μm，番紅固綠復染，Leica DM 4000B顯微鏡觀察，Leica DFC450 顯微相機拍照。Leica LAS軟件測量丹參的葉片厚度及葉片各組織層厚，進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 丹參二倍體和三倍體植株形態(tài)

與二倍體植株相比，丹參三倍體在葉寬、葉長/葉寬和株高3個指標與二倍體差異顯著，葉長差異不顯著。三倍體植株更高，正常生長的三倍體植株株高最高可達45.26 cm，平均為37.04 cm，而二倍體植株株高最高僅為35.68 cm，平均為25.82 cm（表1）。與二倍體相比，三倍體葉片更為肥大，葉片較寬，葉長/葉寬值更小，即二倍體的葉片相比三倍體丹參更為細長（表1）。

表1 二、三倍體丹參植物形態(tài)學指標比較

注：葉長、葉寬、葉長/葉寬采用獨立樣本Mann- Whitney U檢驗，株高采用獨立樣本T-檢驗。單因素方差分析，同列數(shù)據(jù)后標注不同大寫字母代表差異極顯著（＜0.01），不同小寫字母代表差異顯著（＜0.05）。下同

2.2 丹參二倍體和三倍體葉片表皮細胞微形態(tài)

2.2.1表皮毛

丹參二倍體和三倍體植株成熟葉片上下表皮均覆蓋濃密的表皮毛，觀察結(jié)果顯示，三倍體植株的葉片表皮毛長度為430.5 μm，二倍體植株的葉片表皮毛長度為250.6 μm，丹參三倍體葉片表皮毛比丹參二倍體的長（圖1，表2），且表皮毛密度高（表2），表明丹參三倍體比二倍體防止水分蒸騰的能力更強，抗旱性也更強。

注：A. 丹參三倍體，B. 丹參二倍體。標尺＝200 μm

表2 丹參二倍體及三倍體表皮毛長度和密度比較

2.2.2 氣孔分布及數(shù)目

顯微觀察顯示，丹參二倍體葉片上表皮可見少量氣孔，而丹參三倍體葉片上表皮則未見明顯氣孔結(jié)構(gòu)。丹參二倍體和三倍體葉片下表皮則可見氣孔均勻分布于波浪狀表皮細胞間，且兩種倍性丹參葉片氣孔保衛(wèi)細胞形狀無顯著差異（圖2）。

注：A. 丹參三倍體，B. 丹參二倍體。標尺＝50 μm

相同視野范圍內(nèi)，丹參三倍體葉片下表皮氣孔個數(shù)小于二倍體，且三倍體葉片的氣孔密度較二倍體?。ū?），僅為二倍體的62.8%。

表3 丹參二倍體及三倍體下表皮氣孔密度比較

2.2.3 氣孔長度及保衛(wèi)細胞大小

丹參三倍體的氣孔平均長度為14.949 μm，為二倍體的1.60倍；保衛(wèi)細胞平均長度為26.982 μm，為二倍體的1.30倍；三倍體保衛(wèi)細胞平均厚度為7.897 μm，為二倍體的1.18倍。三倍體葉片下表皮保衛(wèi)細胞更大，其氣孔長度、保衛(wèi)細胞長度、保衛(wèi)細胞厚度均大于丹參二倍體（表4）。

表4 丹參二倍體及三倍體下表皮氣孔及保衛(wèi)細胞比較 μm

2.3 丹參二倍體和三倍體葉肉的解剖結(jié)構(gòu)

石蠟切片顯示，丹參二倍體和三倍體葉片的解剖結(jié)構(gòu)未見明顯差異。其葉片橫切面均由上表皮、柵欄組織、海綿組織、葉脈、下表皮組成（圖3）。

注：A. 丹參三倍體，B. 丹參二倍體。標尺＝100 μm

對丹參二倍體和三倍體葉片解剖組織進行測量，并計算各自柵海比，結(jié)果表明，丹參三倍體葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度及柵海比均大于二倍體，而下表皮厚度則小于二倍體，但表皮細胞厚度二者差異不顯著。柵欄組織厚度所占葉片厚度的比例均為最高。三倍體的葉片厚度是二倍體的1.129倍，柵欄組織厚度是二倍體的1.369倍，海綿組織厚度是二倍體的1.239倍，上表皮厚度達到二倍體的1.128倍，而下表皮厚度則為二倍體的77.9%（表5）。丹參三倍體主葉脈直徑、主脈導管直徑、肋狀突起高度均顯著高于二倍體（表6，圖4）。

表5 丹參二倍體及三倍體葉片各組織層厚度比較

表6 丹參二倍體及三倍體葉脈比較 μm

注：A. 丹參三倍體，B. 丹參二倍體。標尺＝100 μm

3 討論與結(jié)論

植物在進化過程中，經(jīng)歷了漫長的自然選擇，產(chǎn)生了廣泛的適應(yīng)性，其中多倍化就是一種適應(yīng)性選擇方式[9]。大多數(shù)多倍體具有更強的抗逆性。丹參多倍化后的適應(yīng)性尤其是抗逆性研究具有品種推廣的重要意義。

植物的抗旱性與植物體的生長狀態(tài)有關(guān)。一般葉片小而厚，葉表面具有蠟質(zhì)、葉片上下表面及莖上密被茸毛或鱗片都是植物的抗旱特征，是植物為了減少水分散失、提高水分利用效率的選擇性適應(yīng)[10]。研究表明，蒙農(nóng)雜種冰草上、下表皮的表皮毛密度高、長度長，可以有效降低冰草在強光下的蒸騰作用，減少水分的蒸發(fā)[11]。葉片厚度是植物的抗旱特征之一，植物葉片越厚，保水能力越強，植株則越抗旱[12]。本研究中，丹參三倍體植株比二倍體植株高且葉片寬大，說明其生長能力較強；葉片表皮毛長度較長，說明防止蒸發(fā)、保水能力較強。丹參三倍體葉片下表皮的氣孔長度、保衛(wèi)細胞長度、保衛(wèi)細胞厚度皆比丹參二倍體大，也說明其調(diào)節(jié)能力和保水能力更強。

從葉片解剖結(jié)構(gòu)來看，葉片保水力與葉片的結(jié)構(gòu)特點緊密相關(guān)[13-14]。徐揚等研究表明，川西高原地區(qū)4種蘋果屬植物葉片比較結(jié)果顯示，4種植物葉片柵欄組織均由2～3層排列緊密的柵欄細胞組成，海綿組織細胞排列疏松，細胞間隙大，其中山荊子的柵欄組織厚度、柵海比和葉片結(jié)構(gòu)緊密度最大，柵欄組織越發(fā)達，植株的抗旱性越強[15]，抗旱性強的植物一般柵欄組織發(fā)達（2～3層），且柵欄組織/葉肉組織的比值大。賈梯研究證明，蘋果葉片柵欄組織厚度的增加，對其葉片的光合速率以及其產(chǎn)量的提高具有重要作用[16]。此外，平歐雜種榛葉片的柵欄組織可有效減少葉片的水分蒸騰，提高植物的光合效能[17]。葉片的柵欄組織越厚，其表現(xiàn)出的抗旱保水的能力越強，而海綿組織越發(fā)達的植物，則表現(xiàn)出較差的抗旱性。柵海比也是評價葉片抗旱性的指標之一，柵海比越大，抗旱能力越強。本研究表明，相比丹參二倍體，丹參三倍體葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度均明顯增厚，且柵海比比值更大，柵欄組織厚度可達到二倍體丹參的1.369倍。可見，丹參三倍體的光合作用能力更強且抗旱性優(yōu)于丹參二倍體。

葉脈是植物葉片中的輸導組織，具有水分和養(yǎng)分運輸?shù)墓δ?，葉脈在植物葉片中的發(fā)達程度也與抗旱性相關(guān)。任媛媛等[18]、劉紅茹等[19]研究表明，主脈中發(fā)達的維管束和強化的機械組織可使植株更加抗旱。蒙農(nóng)雜種冰草主葉脈直徑、主脈導管直徑、肋狀突起高度均顯著高于中間冰草，分別為中間冰草的1.20、1.19、1.24倍，冰草葉片主葉脈直徑、主脈導管直徑、肋狀突起高度等結(jié)構(gòu)指標均與冰草的抗旱性存在密切關(guān)系。本研究中丹參三倍體主葉脈直徑、主脈導管直徑、肋狀突起高度均顯著高于丹參二倍體，說明丹參三倍體比二倍體具有更強的抗旱性。筆者認為，這些解剖結(jié)構(gòu)上的變化可能與多倍體加倍后產(chǎn)生的器官巨大性相關(guān)，是多倍化之后適應(yīng)環(huán)境能力增強的一種表現(xiàn)。

本研究初步得出以下結(jié)論：丹參三倍體植株成熟葉片表皮毛比丹參二倍體的長，葉片下表皮氣孔長度、保衛(wèi)細胞長度、保衛(wèi)細胞厚度均大于丹參二倍體，氣孔密度僅為二倍體的62.8%。丹參三倍體葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度均明顯增厚且柵海比比值更大，柵欄組織厚度可達到丹參二倍體的1.369倍。丹參三倍體比二倍體具有更強的光合作用能力和防止水分蒸騰的能力，抗旱性更強，對環(huán)境的適應(yīng)性更強。

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Leaf characteristics and drought resistance of triploid and diploid

Liu Wanqiu, Pang Junxiu, Cao Yannan, Wang Hui, Sun Yanjie, Sun Yafei, Long HongCorresponding Author

（College of Horticulture and Landscape, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

The plant anatomy method was used to observe the anatomical characteristicsof the leaves of artificialtriploid anddiploid plants, and their drought resistance was compared and analyzed. The results showed that the trichomes of mature leaves of triploid plants ofwas longer than that of diploid plants, and the stomatal length, guard cell length, and guard cell thickness of the abaxialtrichomes of the leaves were larger than those of the diploid ofwhile stomatal density was lower, 62.8% of the diploid. Moreover, the leaf thickness, the thickness of palisade tissue and spongy tissue, and the thickness of adaxial epidermis were significantly increased in triploid of, and the ratio of palisade tissue to spongy tissue was higher than that of diploid plants. The thickness of palisade tissue couldreach 1.369 times of that in diploid plants. These results indicate that triploid ofhas stronger photosynthesis ability and ability to prevent water transpiration than diploid, and has higher drought resistance. This study can provide an experimental basis for drought resistance adaptability of polyploids, and provide a reference for the application oftriploid in production.

leaf anatomical structure; drought resistance; triploid;

S567.53

A

1008-5394（2021）01-0001-05

10.19640/j.cnki.jtau.2021.01.001

2020-04-02

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201810061004）

劉婉秋（1997—），女，本科在讀，林學專業(yè)。E-mail：1664883756@qq.com。

龍鴻（1964—），男，教授，博士，主要從事果樹資源、果樹生物技術(shù)研究。E-mail：longhong@tjau.edu.cn。

責任編輯：楊霞