四倍體白榆葉片形態(tài)特征和光合特性研究

張秀珍 宋文龍 梁海永* 王志彬

（1.河北省大海陀國家級自然保護區(qū)管理處，河北 張家口 075500；2.河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北省種質(zhì)資源與森林保護重點實驗室，河北 保定 071000；3.張家口市金沙灘林場，河北 懷安 076150）

白榆(Ulmus pumila)是我國分布最廣、最重要的榆屬樹種，具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)價值，在生態(tài)防護、園林綠化和用材等方面逐漸得到重視并被廣泛應用。然而，由于人們對白榆優(yōu)良性狀認識不足，近年來白榆在科研和生產(chǎn)等方面都未受到應有的重視。

林木多倍體在材積、抗性和品質(zhì)改良等方面具有顯著成效，同時多倍體育種是對種質(zhì)資源的創(chuàng)新與擴大，而種質(zhì)資源是進行品種選育的基礎，因此，大量地進行林木多倍體誘導既可選育出優(yōu)良新品種，又可以豐富林木種質(zhì)資源。研究發(fā)現(xiàn)植物染色體組加倍后，植物的形態(tài)和生理也會發(fā)生某些變化[3]。葉綠素熒光是光合作用的探針,通過對熒光參數(shù)的分析,可以得到有關光能利用途徑的信息[4]。葉綠素作為葉綠體的重要組成部分，對光的吸收能力極強，決定著葉片功能持續(xù)期的長短。一定范圍內(nèi)葉綠素含量的多少會直接影響葉片的光合能力，基于葉綠素含量與光合能力的關系研發(fā)的葉綠素熒光技術，作為一種新方法廣泛應用于植物光合生理特性的研究中[5-7]，但四倍體白榆的研究一直未見報導。四倍體白榆是河北農(nóng)業(yè)大學林學院通過秋水仙素加倍培育的同源四倍體材料，研究白榆染色體加倍后帶來形態(tài)及光合生理的變化為白榆多倍體育種提供參考資料，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用白榆四倍體葉片和二倍體親本葉片均采自河北農(nóng)業(yè)大學林學院實習基地，每個品種分別采取長枝中上部發(fā)育良好、無病蟲害的葉片20片。

1.2 試驗方法

1.2.1 光合色素含量的測定

用dd H2O清洗除去雜物,室溫晾干,避開主脈部分，剪取3個榆樹二倍體和同源四倍體葉片中的綠色區(qū)域,測定方法參考許元明等[8]采用的分光光度法。

1.2.2 葉綠素熒光參數(shù)的測定

測定時間在2019年6月，于上午9:00～11:00在室內(nèi)采用MINI-PAM-Ⅱ(WALZ,德國)超便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀不離體測定3個榆樹二倍體和同源四倍體的葉綠素熒光參數(shù)PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ實際光化學效率Y(Ⅱ)、光化學淬滅系數(shù)(qp)和非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)，其中Y(Ⅱ)、qp、NPQ值直接在室溫下進行測定,Fv/Fm值在葉片經(jīng)過至少20 min黑暗處理后于室溫下測定。各項測定均重復3次,操作方法參照儀器使用說明書。

1.2.3 光合參數(shù)的測定

于上午9～11點，在供試榆樹單株胸徑位置選擇葉片無明顯病蟲害和機械損傷的枝條用于測定光合速率。測定采用LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400XT型光合測定儀，將待測枝置入測定儀針葉葉室內(nèi)，經(jīng)過2000 lx飽和光適應20 min后，開始讀取測定值，測定時間5 min，每隔10 s讀取1次，環(huán)境CO2濃度為(380±20)μL/L，取凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)為分析指標。測定結束后將測定枝剪下，采用CI-202便攜式激光葉面積儀測定葉面積。每株單株測定3個枝條作為重復。

1.2.4 形態(tài)指標測定

試驗結果表明：制種玉米采用膜下滴灌節(jié)水效果明顯，單方水產(chǎn)值和單方水效益明顯高于常規(guī)漫灌處理，高于張掖市各種作物灌溉水的平均產(chǎn)出效益[3]；制種玉米膜下滴灌節(jié)本增收效果顯著，較常規(guī)大水漫灌效益增加1 818～2 254.5元/hm2。膜下滴灌省工省時，便于規(guī)模化管理、節(jié)本增收等優(yōu)勢明顯，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代設施裝備農(nóng)業(yè)轉變的重要途徑，發(fā)展前景市場廣闊[4]。但是，膜下滴灌節(jié)水技術其前期資金投入較大，整個滴灌系統(tǒng)對管理與操作人員的素質(zhì)要求較高，建議在農(nóng)場、土地流轉大戶等農(nóng)田集約化程度較高的地塊應用，同時新開墾的、地力水平較為貧瘠，沙化嚴重的地塊也可推廣應用。

白榆二倍體及其同源四倍體無性系，采集10個葉片作為重復，放在掃描儀上進行圖像掃描，將掃描好的葉片圖像用Lamina 1.0.2軟件進行葉形分析，得到葉長、葉寬、葉面積、葉片周長、葉片圓度、葉片指數(shù)、葉鋸齒數(shù)量及鋸齒大小等能夠表現(xiàn)葉片形態(tài)的各項參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 三個同源四倍體榆樹形態(tài)指標的分析

植物多倍化后，由DNA劑量效應和互作效應，使其原二倍體有關多聚糖、氨基酸及蛋白質(zhì)合成與代謝的功能改變，從而使葉片表型發(fā)生了變化。由表1可知，四倍體S4與Y4植株在葉面積、葉長、葉寬、葉形指數(shù)、周長、圓度及鋸齒數(shù)量均與原二倍體對照均出現(xiàn)了差異，N4變化不顯著。四倍體Y4的葉面積、葉寬、葉形指數(shù)、鋸齒數(shù)量分別比二倍體Y2增加了58.40%、82.11%、119.88%、56.96%，但葉長減少20.00%，兩者之間的差異達到了顯著水平(P<0.05)；四倍體S4的葉面積、葉長、葉寬、周長及鋸齒數(shù)量分別比二倍體S2顯著增加了76.21%、30.57%、30.79%、26.27%、22.20%，但葉形指數(shù)及圓度未出現(xiàn)明顯變化(P<0.05)；四倍體N4葉片的各形態(tài)指標均未出現(xiàn)顯著水平變化(P<0.05)。2個榆樹四倍體在葉長、葉寬、葉面積及周長等形態(tài)學特征方面表現(xiàn)出了巨大性。

表1 3個同源四倍體榆樹及原二倍體的葉片形態(tài)指標

2.2 光合色素含量比較

大多數(shù)高等植物葉片的色素主要由葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素(Caro)(主要為葉黃素和類胡蘿卜素)三大類組成。多數(shù)研究表明，光合色素對植物光合作用的正常進行起著決定作用，其含量的高低反映植物光合能力的強弱。植物多倍化后，由DNA劑量效應和互作效應，使其原二倍體有關光合色素合成與代謝功能改變，進而使植物體內(nèi)的光合色素含量發(fā)生了變化，最后影響光合速率。

3個榆樹無性系同源四倍體與原二倍體葉片的3種色素含量出現(xiàn)差異（圖1），除類胡蘿卜素(Caro)呈現(xiàn)降低外，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和總葉綠素(Chla+b)均呈升高現(xiàn)象。在葉綠素a含量方面，S與N系列差異不明顯，Y4的含量為10.29 mg/g相比于比原二倍體Y2葉片3.24 mg/g升高217.59%；對葉綠素b含量，Y與S系列基本無差異，但N4比N2升高了61.27%；在類胡蘿卜素含量方面，除Y系列無差異外，S與N系列均呈現(xiàn)出顯著降低；總葉綠素含量方面，N4與Y4均呈顯著升高。

圖1 三個同源四倍體榆樹及原二倍體的光合色素含量

高等植物葉片中3類光合色素的含量和成分影響植物葉片總體呈色，葉綠素a與葉綠素b的含量比值顯著提高，通常易發(fā)生葉綠素b缺乏癥。類胡蘿卜素與總葉綠素的比值高于60%以上時，葉片呈綠色，而比值低于60%時，葉片色彩呈現(xiàn)黃色。

在不同倍性條件下（表2），Y系列的葉綠素a與葉綠素b比值、類胡蘿卜素與總葉綠素含量的比值均有顯著變化，Y4葉綠素a與葉綠素b含量(Chla/chlb)的比值為2.60，是二倍體葉片比值的1.9倍，同時類胡蘿卜素與總葉綠素含量(caro/Chl)的比值為0.15，僅為二倍體的一半。

表2 三個同源四倍體榆樹及原二倍體的光合色素比值

2.3 光合效應及葉綠素熒光參數(shù)比較

2.3.1 同源四倍體葉片及原二倍體葉片的光合效應比較

高等植物的光合作用是重要代謝過程之一，其強弱對于植物的生長、發(fā)育和抗逆性均有重要影響。由表3可知，N4相比于N2在凈光合作用速率、氣孔導度及蒸騰速率均出現(xiàn)了明顯升高，分別升高了34.25%、55.02%和51.08%；S4僅在胞間CO2濃度方面與S2出現(xiàn)了不同，顯著降低了8.14%；與Y2相比，Y4的氣孔導度顯著升高了32.08%，而蒸騰速率與胞間CO2濃度卻顯著下降了11.64%和11.37%。

表3 3個同源四倍體榆樹及原二倍體的葉片光合參數(shù)

2.3.2 同源四倍體葉片及原二倍體葉片的葉綠素熒光參數(shù)比較

在光合作用中，植物的葉綠素熒光參數(shù)多指組織或葉片的葉綠體膜上的PSⅠ和PSⅡ兩套系統(tǒng)的光電子傳遞過程。由表4可知，N4與N2相比，在所有參數(shù)均未出現(xiàn)顯著差異，而S4僅在光化學淬滅系數(shù)(qP)和非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)方面有較小差異，Y4在所有參數(shù)方面均出現(xiàn)了顯著差異。

表4 3個同源四倍體榆樹及原二倍體葉綠素熒光參數(shù)

經(jīng)過暗處理后，Y4的最小熒光產(chǎn)量(Fo)比Y2高出21.00%；而Y4的最大熒光產(chǎn)量(Fm)比Y2降低了19.39%；Y4的PSⅡ潛在光化學活性(Fv/Fo)為Y2的62.09%；Y4的性能指數(shù)（PI）遠低于Y2，降低了近一半，表明在四倍體葉片中，光能利用率低，光合性能差。Y4葉片F(xiàn)v/Fm為0.72，比Y2低了12.15%。

三個系列的同源四倍體葉片光化學淬滅系數(shù)（qP）均高于二倍體葉片，其中S與Y系列分別升高了16.71%、21.34%，但N4與N2相比差異不明顯，僅升高5.58%，說明同源四倍體葉片在正常光照下，利用光能效率高于原二倍體；對于非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）值來說，其越高表示葉片的熱耗散能力越強，即植物對于強光脅迫下光合機構的保護能力越強，反之越差，N系列無明顯升降，S與Y系列明顯下降。

3 討論與結論

與二倍體相比，酸棗[13]、青檀[14]四倍體植物在快速生長時期均呈現(xiàn)出節(jié)間、葉柄縮短，葉脈數(shù)量減少，枝條開張角度增大等特點，榆樹四倍體也出現(xiàn)了相似情況。3個榆樹無性系同源四倍體與原二倍體葉片的3種色素含量出現(xiàn)差異，除類胡蘿卜素呈現(xiàn)降低外，葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素均呈現(xiàn)出或多或少的升高現(xiàn)象。四倍體青檀的葉片色素研究中也出現(xiàn)顯著高于普通二倍體青檀和變異小葉青檀[14]。

高等植物的光合作用是重要代謝過程之一，其強弱對于植物的生長、發(fā)育和抗逆性均有重要影響。四倍體N4相比于N2在凈光合作用速率、氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率均出現(xiàn)了明顯升高，這與草莓多倍體研究結果基本一致。葉綠素熒光參數(shù)的測定表明在四倍體葉片中，光能利用率低，光合性能差，同源四倍體葉片在正常光照下，利用光能效率高于原二倍體。

三個榆樹四倍體在葉長、葉寬、葉面積及周長等形態(tài)學特征方面表現(xiàn)出了巨大性。光合色素對植物光合作用的正常進行起著決定作用，四倍體白榆的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素均呈現(xiàn)升高現(xiàn)象，四倍體榆樹無性系的葉片顏色更深。同源四倍體葉片在正常光照下，光能利用效率高于原二倍體；同源四倍體葉片的凈光合速率高于原二倍體。