植物叶片组织结构在抗逆研究中的应用进展

陈雪峰，景晨娟，赵习平，武晓红

（河北省农林科学院石家庄果树研究所，河北 石家庄 050061）

植物在长期进化过程中，为了适应异质环境，一般以遗传分化和表型可塑性2种不同的策略来应对环境的变化。其中，遗传分化是通过遗传物质的改变，进化出特定的适应性器官或组织；表型可塑性是植物特定器官为适应环境变化而产生的适应性改变。叶片是植物进行光合、蒸腾以及呼吸等生理代谢活动的重要器官[1]，在植物整个生命史中占据相当重要的地位。同时，叶片直接暴露于环境中，与各种环境因子接触最为广泛，是植物感应环境变化很敏感的器官之一，表现出较大的可塑性[2]。经过自然法则筛选的植物，其叶片的解剖结构和外部结构在一定程度上能够反映植物的生理适应性。因此，可以将植物叶片组织结构作为种质资源评价、育种和抗逆研究的重要依据[3，4]。

1 叶片组织结构与抗旱性

叶片直接暴露于空气中，是植物进行蒸腾作用最主要的器官，也是控制植物与环境水和气交换的阀门，植物体绝大部分水分的散失是通过叶片进行的。在长期干旱胁迫下，为了控制植物体内水分的涵养和散失，叶片的形态和组织结构会发生适应性改变，这在一定程度上可以反映植物的抗旱性。

1.1 叶片角质层

叶片表皮覆盖着发达的角质层，较厚的角质层是植物控制水分蒸发的天然物理屏障，同时还可以提高叶片能量的反射率，达到减少水分散失的目的，从而增强植物的抗旱性。

在干旱环境下或某些时间段，植物会将表皮的气孔闭合，使气孔导度降到最低，此时通过植物表皮角质发生的蒸腾成为植物散失水分的主要途径。很多学者认为角质层厚度是影响植物水分散失率的因素之一，较厚的角质层有利于减少水分的散失。刘红茹等[5]研究了延安地区3种灌木的抗旱性之后认为，叶片上表皮角质层厚度可以作为植物抗旱性评价的主要指标。叶片角质层成分也会控制水分的散失，Vogg等[6]在研究西红柿叶片的蜡质层成分时发现了一种散失水分速度较野生型快4倍的突变体，这种突变体表皮蜡质组分中脂肪类物质较野生型低50%，证明了角质膜成分（脂肪类物质）在植物表皮限制水分的散失中具有重要作用。

1.2 叶片内部结构

耐旱性较强的植物叶片一般栅栏组织发育程度较高，高度发育的栅栏组织可以使叶片的组织结构更为紧密，保水能力更强；而海绵组织发育程度低甚至不发育的叶片，保水能力较差。这是因为海绵组织细胞排列相对疏松、无规则，所以，其发育占比过高不利于植物抗旱。

高占比栅栏组织和低占比海绵组织使得耐旱性植物的叶片组织结构紧密度（CTR，栅栏组织厚度/叶片厚度）一般较高，叶片组织疏松度（SR，海绵组织厚度/叶片厚度）较低，栅海比（栅栏组织厚度/海绵组织厚度）较大。肖芳等[7]对野芙蓉的叶片组织结构进行研究后发现，叶片栅栏组织细胞较长、排列较为紧密，在干旱时能够控制水分蒸发的速度，表现出较强的耐旱能力。王金印等[8]对葡萄叶片的解剖结构进行研究后发现，葡萄品种的抗旱性与CTR呈正相关。王丹等[9]发现，紫花地丁叶片的主脉厚度及CTR高于盐芥和荠菜，而野生条件下紫花地丁较盐芥和荠菜更耐旱，该研究结果同样符合“CTR与抗旱性呈正比”的观点。

1.3 表皮毛

植物叶片表面覆盖表皮毛，较长、较密的表皮毛可以对叶片表面起到一定的遮挡作用，反射一部分阳光，避免因阳光直接照射而造成灼伤，同时减少植物水分的蒸发，因此，表皮毛也可作为植物抗旱性的评价之一[10]。侯艳伟等[11]对绵刺叶片的组织结构进行研究后发现，其上、下表皮都覆盖有浓密的表皮毛，很好地起到了阻尼阳光的作用，叶肉细胞紧密排列且高度栅栏化，表现出较强的抗逆能力。赵述文等[12]在大豆上研究发现，抗旱性弱的大豆品种叶片表皮毛细弱，抗旱性强的大豆品种叶片表皮毛较为粗壮，这可能也与表皮毛起到缓冲阳光照射的作用有关。

1.4 叶片比表面积

叶片的体积越大，其涵水量越大；叶片的面积越小，水分散失越少。因此，叶面积与体积的比值越小，其抗旱性越强。

张德巧等[13]在研究南方高丛蓝莓品种阳光蓝的叶片结构时发现其叶片小且厚，与其抗旱能力较强相吻合。单位面积的叶片干重可以反映叶片的贮水能力[14]，干物质越多时植物叶片能够储存的水分越多，表面积越小时植物蒸腾散失水分的速率越小，这种结构特点有利于适应干旱环境[15]。王国富等[16]认为，为了适应干旱胁迫，植物一般会增加单位叶片面积的质量密度、降低蒸腾表面积。

2 叶片组织结构与抗病虫害性

植物长期进化过程中形成了抵御病虫害的能力，这种抵抗机制主要包括结构抗性和生物化学抗性。其中，结构抗性是利用植物自身的某些物理结构阻挡病原物入侵和在体内扩散；生物化学抗性是植物在细胞或组织水平上产生对病原物有毒害作用的物质来抑制病原物活动的生理生化反应[17]。目前植物抗病机制的研究主要集中在生物化学抗性方面，结构抗性研究尚未被充分重视，这主要是由于技术的限制以及植病工作者在主观上的偏见造成的。对于植物而言，表面是植物与病原菌最初接触的地方，也是形成起始防御的场所，在植物的抗病生理中占有非常重要的地位。很多植物在进化过程中都形成了天然的防御结构[18]，包括较厚的角质层[19]、较小的气孔密度等，这些均有利于阻挡病原菌侵入植物体内[20]，达到抗病的目的。

2.1 蜡质层

病原菌想要侵入寄主，首先必须能粘附在寄主表面且萌发产生菌丝，这通常要求寄主表面比较湿润。植物叶片表面的蜡质层具有天然的防水作用，能够阻碍病原菌的附着，减少入侵，因此，表现出较强的抗病性[21]。

Martin和Juniper[22]认为，蜡质层和叶毛是控制表面湿润度的关键因素。1931年外国学者发现某些可以抵抗黑星病的苹果品种其叶片和果实上覆有蜡粉层，认为此蜡粉层可以迅速排除水分而避免黑星病菌粘附在其表面。叶片有蜡质层的植物普遍较没有蜡质层的植物发病轻，这主要是因为含有病原菌的液滴较难粘附在寄主表面。刘艳涛等[23]对1株抗黑星病芽变鸭梨的叶片组织结构和生理生化特性进行研究后发现，抗黑星病的鸭梨叶片蜡质含量较高。陈志宜[21]在对水稻纹枯病的抗性研究中发现，抗病品种叶片中的蜡质含量明显多于感病品种。田丽波等[24]在苦瓜抗白粉病的研究中也得出了类似结论。

2.2 气孔

气孔是植物进行水和气交换的主要器官，对植物的生长发育具有重要作用，同时也是病原菌入侵植物的通道。柴晨博[25]在梨抗黑星病的研究中发现，抗病品种的叶片气孔密度小，而感病品种的叶片气孔密度较大，较大的叶片气孔密度可能增加了病原菌入侵的概率。李聪[26]在研究猕猴桃叶片气孔结构与溃疡病抗性的相关关系时发现，感病品种的叶片气孔长度和气孔密度均大于抗病品种。李海英[27]的研究结果表明，大豆对灰斑病的抗性与叶片气孔密度呈反比。党志国等[28]在苹果抗褐斑病的研究中发现，不同品种苹果叶片的气孔密度存在很大差异，抗性品种的叶片气孔密度明显小于感病品种，且叶片气孔密度与发病程度呈正相关。赵军等[29]研究发现，在叶片发育过程中，易感黑星病梨品种的叶片气孔密度和开放气孔密度显著高于抗病品种。

3 叶片组织结构与抗寒性

叶片作为植物与环境因子互作最多的器官，长期处于低温环境下时会通过进化改变其外部形态与内部结构，表现出较为敏感的生态适应性，并稳定地遗传给后代。因此，叶片结构特点可以作为抗寒性鉴定的指标之一[30]。

栅栏组织的高度发育可以提高叶片的紧实程度，在低温环境下为叶片提供更好的“围墙效应”[31]。尹立荣等[32]在研究葡萄的抗寒性时发现，抗寒性强的品种，叶片栅栏组织发育程度较高且排列紧密；抗寒性弱的品种，其海绵组织发育较好且排列疏松。Li和Palta[33]在马铃薯上的研究发现，抗寒性较强的马铃薯叶片具有2层栅栏组织细胞，抗寒性较弱的马铃薯叶片只有1层栅栏组织细胞，其认为可以将栅栏组织细胞层数作为抗寒性评价指标。但彭伟秀等[34]对杏的抗寒性研究结果显示，叶片栅栏组织细胞层数与品种的抗寒性强弱相关性不明显。简令成等[35]对柑桔叶片与抗寒性的相关关系进行研究时发现，单一的叶片组织（栅栏组织或海绵组织）厚度可能会随样品所处生境的不同而发生变化，但叶片的栅栏组织和海绵组织厚度在遗传上存在着相互制约关系，其比值能够保持相对的稳定。因此，以CTR和SR作抗寒性鉴定指标具有更高的可靠性与可重复性。靳哲[36]通过对甘蓝叶片横切结构的研究发现，可以将栅海比、CTR和SR作为评价其耐寒能力的指标。石美娟等[37]在研究柿子叶片组织结构与抗寒性的相关关系时发现，CTR和栅海比与抗寒性呈正相关，SR与抗寒性呈负相关。此外，在杏、柑桔、紫花苜蓿[38]、越橘[39]、香蕉[40]和核桃[41]上的研究也均得到了相似的结论。

4 结论

植物在长期适应某种生态环境的漫长过程中，经历了自然选择和人工选择的筛选，每个器官都经历了恶劣环境的考验，表现出较强的可塑性。所以，植物器官的组织结构特点能反映环境因子的变化及其影响，也是植物生态适应性鉴定的重要指标。很多生态学家认为，植物器官的可塑性是植物积极应对环境变化的策略，有利于植物在异质环境下生存下来[42]。不同的植物在不同的生境中形成了各具特色的适应机制，这是长期进化的结果。尤其是在应对干旱、病虫害、低温、高温等恶劣环境时，植物通常会使用多种应对策略，包括形态结构变化和生理生化变化。因此，植物的形态解剖特征在一定程度上可以反映植物抗逆性的强弱[43]。