小黑麦和黑麦主茎基部第2节间解剖结构特征比较

2018-07-17刘汉成田新会杜文华

草原与草坪 2018年3期

刘汉成，田新会，杜文华

(1.甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070；2.甘肃民族师范学院化学与生命科学系，甘肃合作 747000)

茎秆是植物主要的营养器官之一，在维持植物形态、输导营养物质和贮藏营养方面具有重要的作用[1]。禾本科植物的茎秆常呈圆柱形或棱柱形，有明显的节和节间，节间有空心(如稻、小麦等)和实心(如高粱、玉米等)之分[2]。小黑麦和黑麦同属于禾本科小麦族，茎秆空心，分节，茎秆的横切面与小麦茎秆结构相同[3]，从外向内依次是表皮组织、机械组织、基本组织和髓腔，在机械组织和基本组织分别分布有面积不同的小维管束和大维管束[4]。

研究茎秆的结构特征，有助于理解茎秆的生理功能及对生产性能的影响，如茎秆的支持能力(即抗倒伏性)强弱会直接影响作物产量[5]，有研究者运用农业生物力学的原理与方法，揭示了小麦和水稻茎秆的组织结构与倒伏的机理，认为茎秆横切面中维管束数目越多，抗倒伏能力越强，随着茎秆强度的增强，其抗倒伏性较强，产量随之增加[6-9]。姚金保等[10]报道，小麦的株高、基部节间长度与抗倒伏能力呈负相关，基部节间粗度、秆壁厚和节间干重与抗倒伏能力呈正相关，茎秆机械组织的细胞层数和厚度、维管束数目、面积以及髓腔大小与抗倒伏能力密切相关，茎秆的纤维素、木质素以及碳水化合物含量和抗倒伏能力呈正相关。

茎秆的机械组织、基本组织和维管束组织等除了支持植株外，还具有制造、输导和贮存营养的功能[11]。范平等[12]研究报道，不同小麦品种的茎秆机械组织厚度和维管束数目与收获指数间存在显著相关性，并认为在小麦选种、育种时，应选取机械组织和输导组织发达的亲本。基本组织主要由薄壁细胞构成，其细胞壁薄而体积较大，其中可储存大量的营养物质和水分[13]。维管束系统则主要由位于木质部的导管和韧皮部的筛管与伴胞等构成的输导组织组成，这些结构在机体内不断输导水分和有机营养，滋养着植物体不断生长发育，但在不同节间，维管束数目不同，对植株的产量也有不同影响，如秦月秋[14]研究发现，小麦茎秆中第2、3节间大维管束数目最多，第3、4节间小维管束数目最多，且第2节间维管束数目与小穗数呈显著正相关，而第3节间维管束数目与穗粒数显著正相关。这一报道与周方竹[15]，裘昭峰等[16]研究结果一致，即小麦穗粒数、粒重与茎秆节间维管束数目和大小呈显著正相关。

小黑麦和黑麦同属禾本科小麦族，因二者具有较强抗逆性而逐渐在高寒牧区推广种植。小黑麦是黑麦和小麦经人工杂交产生的新品种，其性状源自双亲而胜于双亲，较小麦具有较强的抗寒性，而较黑麦具有明显的产量优势(鲜草产量和籽粒产量)。黑麦较小麦和小黑麦都有更高的株高，且茎秆纤细，很难抵抗强风暴雨而倒伏，其鲜草产量和籽粒产量都会受到影响。长期以来，农业工作者多注重研究二者的生产性能[17-19]，而对二者的茎秆的形态结构和显微结构特征尚无详细报告。因此，研究二者茎秆结构特征，可揭示小黑麦和黑麦不同的生理机能和抗倒伏性能差异，也能够为小黑麦和黑麦品种选育及种植资源创新提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

参试材料为小黑麦(×TriticosecaleWittmack)品系C35和C2，黑麦(Secalecereal)品系C13和C33。

1.2 试验地概况

试验地选择在兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站。该试验站位于甘南藏族自治州合作市，N 34°57′136″，E 102°53′54″，海拔2 954 m，年平均气温3.2℃，无霜期113 d，年降水量671.7 mm。高寒草甸土，土壤有机质7.56 g/kg，速效氮382.25 mg/kg，速效磷98.84 mg/kg，速效钾45.33 mg/kg，pH为7.55[17]。新开垦的荒地，无灌溉条件。播种日期为2016年5月12日。

1.3 试验设计与田间管理

随机区组设计，条播行距20 cm，播种深3～5 cm，播量按照750万基本苗/hm2计算而得，3次重复，小区面积为2 m×4 m。试验地周围1 m种植保护行，播种前和植株拔节期分别施氮肥320 kg/hm2。试验期间及时清除杂草，未进行灌溉。

1.4 测定项目及方法

分别于小黑麦和黑麦开花期[20]，从种植品系C2、C35、C33、C13的小区内随机取10个植株，剪取基部第2节间，用常规石蜡切片法[21-23]制作横切面切片后在显微镜下观察其显微结构，并分别在低倍物镜(4×～10×)、中倍物镜(40×)和高倍物镜下(100×)测定大维管束数目统计分布在横切面基本组织中的大维管束总数目；小维管束数目统计分布在横切面机械组织中的小维管束总数目；大维管束大小用目镜测微尺分别测量大维管束的长度和宽度(包括维管束鞘细胞)；小维管束大小用目镜测微尺分别测量小维管束的长度和宽度(包括维管束鞘细胞)；大维管束鞘细胞数统计组成大维管束鞘的细胞数目；导管大小用目镜测微尺分别测量大维管束中环纹导管和孔纹导管横切面的长度与宽度，小维管束中孔纹导管的直径；筛管和伴胞大小用目镜测微尺分别测量大维管束中筛管和伴胞的长度与宽度；表皮细胞大小用目镜测微尺测量位于小维管束外中部、小维管束两侧和两个小维管束中间表皮细胞的长度和宽度；机械组织细胞层数统计两个小维管束之间构成机械组织的细胞层数；机械组织厚度用目镜测微尺分别测量小维管束处(包括小维管束)和小维管束之间机械组织的厚度；基本组织厚度用目镜测微尺分别测量小维管束处和小维管束之间基本组织的厚度。

1.5 电镜扫描观察

开花期分别从小黑麦和黑麦品系中随机选取10个单株，将除去叶鞘的基部第2节间中部切成0.3～0.5 cm的横切环，经固定、脱水、喷金后，使用S-3400型扫描电镜在高真空和3.0 kV电压下扫描小黑麦和黑麦茎秆基部第2节间横切面[24]，并测定茎秆横切面表皮细胞大小、机械组织厚度及细胞层数、基本组织厚度、小维管(SVB)及大维管束(MB)数目及大小，并拍照。

1.6 数据处理

所有测定数据用Excel 2010和SPSS 19.0软件分析处理。分析数据时，小黑麦品系C35和C2各个测定指标的平均值作为小黑麦该项指标的特征值，黑麦品系C33和C13各个测定指标的平均值作为黑麦该项指标的特征值。

2 结果与分析

经常规石蜡切片和电镜扫描后，可观察到小黑麦和黑麦茎秆横切面结构基本相同(图1，2)，即由外向内分别是表皮、由厚壁细胞构成的机械组织和由薄壁细胞组成的基本组织3部分，秆壁内侧为髓腔。构成表皮的细胞在小维管束外侧、小维管束两侧和两个小维管束之间大小和形态各有差异；机械组织细胞多呈长方形、正方形甚至多边形，排列紧密，细胞层数较少；基本组织细胞呈多边形，细胞大而层数多。维管束组织根据孔径大小，分为大维管束和小维管束两类，小维管束分布在机械组织，而大维管束分布在基本组织之中。

图1 小黑麦和黑麦不同品系第2节间横切面结构Fig.1 Transverse section structure of the second internode in different triticale and rye lines

图2 小黑麦和黑麦不同品系第2节间横切面亚显微结构Fig.2 Ultrastructure of the second internode in different triticale and rye lines

2.1 表皮细胞大小和组织厚度

小黑麦和黑麦的表皮细胞排列紧密，在小维管束正外侧处多呈正方形，而在小维管束两侧和两个小维管束之间呈长方形，位于小维管束两侧的细胞大于两个小维管束之间的表皮细胞(表1)；比较二者表皮细胞大小可知，小维管束外侧细胞大小和两个小维管束之间表皮细胞宽度无明显差异，而其他比较项目之间均差异明显(P<0.05)。总体分析，小黑麦秆壁厚度大于黑麦秆壁厚度，但小黑麦机械组织细胞层数小于黑麦，其厚度也明显小于黑麦的机械组织厚度，而基本组织厚度大于黑麦(P<0.05)。

注：SVB 指小维管束，MB 指大维管束；同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下表同

2.2 维管束结构特征

维管束组织在小黑麦和黑麦茎秆中都呈双层排布，即位于机械组织的小维管束和位于基本组织的大维管束，维管束多呈椭圆形。从二者茎秆中维管束的数目分析，分布于机械组织中的小维管束数目无明显差异(P>0.05)，但小黑麦茎秆中的大维管束数目明显多于黑麦茎秆(P<0.05)；维管束长轴(长度)和短轴(宽度)的度量特征表明，二者大维管束长度无明显差异，而大维管束宽度、小维管束长度和宽度均表现出小黑麦大于黑麦的趋势，且差异显著(P<0.05)；组成维管束鞘的细胞数目也是小黑麦多于黑麦(表2)。

表2 小黑麦与黑麦茎秆第2节间维管束数目和大小比较Table 2 Differences of number and size of vascular bundle in the second internode between triticale and rye

2.3 输导组织结构特征

植物的输导组织包括位于木质部的导管和韧皮部的筛管、伴胞等，其主要作用是输导水分和营养物质，其孔径大小影响着植物体内水分和营养物质的输导效率。导管作为木质部的重要组成部分，对茎秆具有支持作用，而筛管和伴胞则为整个植株的生长发育提供营养。比较小黑麦和黑麦茎秆第2节间输导组织孔径大小，可见，小黑麦茎秆中输导组织孔径均大于黑麦中输导组织的孔径(表3)。

3 讨论

3.1 小黑麦与黑麦茎秆基部第2节间结构差异性

对于禾本科植物而言，株高是影响其倒伏性的主要因素[25]，茎秆较矮的植株，其重心高度降低，可提高植株的抗倒伏性[26]。但Tripathi等[27]研究报道，茎秆高度与倒伏性相关不显著，即说明作物的抗倒伏性不仅与株高有关，而且也与茎秆本身的结构特征有关系。

表3 小黑麦和黑麦第2节间输导组织特征比较Table 3 Comparison of structural features of conducting tissues in the second internode between triticale and rye

茎秆粗度是茎秆结构的另一特征，胡昊等[26]研究报道小麦基部节间越粗，其抗倒性能越强。试验对小黑麦和黑麦茎秆基部第2节间解剖结构特征方面的研究表明，小黑麦茎秆节间较黑麦茎秆节间更粗壮，说明小黑麦较黑麦具有更强的抗倒伏能力。

机械组织的厚度、细胞层数和维管束数目与茎秆的抗倒伏能力关系密切[28-30]。此次试验小黑麦的茎秆第2节间机械组织细胞层数和厚度并没有比黑麦体现出数量优势，但在生产实践中却能表现出比黑麦更强的抗倒伏能力；而黑麦茎秆第2节间机械组织厚度和细胞层数都显著大于小黑麦是由于黑麦本身茎秆纤细，其茎秆中机械组织的增加是为了增强抗倒伏的适应机制。从维管束数量和大小分析，小黑麦茎秆基部第2节间明显占优势，这也验证了小黑麦的抗倒伏能力[31]较强。

3.2 小黑麦比黑麦生产潜能更高

试验表明，小黑麦比黑麦抗倒伏能力更强，与赵国庆，潘丹英等[32-33]研究结果一致，抗倒伏能力强的品种能够在作物生长到一定高度时仍然保持直立姿态，可有效保证植株正常的光合作用和营养物质的输导作用，从而使籽粒正常灌浆至完熟，而黑麦抗倒伏能力较弱，对强风暴雨的抵御能力弱，易倒伏，故其生产潜能比小黑麦更低。

从茎秆的解剖特征分析，小黑麦茎秆中基本组织所占比例高于黑麦，小黑麦茎秆中维管束组织也多于黑麦茎秆，且小黑麦维管束中导管、筛管及伴胞等的孔径均大于黑麦维管束中输导结构的孔径。魏爱丽等[34]研究报道，茎秆的基本组织中贮藏的碳水化合物可在逆境条件下降解以提供给籽粒灌浆生长需要，而茎秆中贮藏碳水化合物的主要部位是基本组织。作物茎秆中维管束数目与籽粒产量、籽粒中蛋白质的含量成正相关[35]，茎秆的机械组织厚度与收获指数、小维管束数目与千粒质量、大维管束数目与穗粒数、穗长及结实的小穗数等关系显著[12]，远彤等[36]报道维管束数目、面积与籽粒的灌浆强度、粒长、粒重呈显著正相关。罗夫来等[37]报道，茎秆木质部导管孔径越大，输导能力也越强。因此，从小黑麦的茎秆结构特征来看，高比例的基本组织、较多的维管束数目和较大的输导结构的孔径等指标，均显示出其生产潜能高于黑麦。