不同谷子品种叶片表皮微形态学特征

王淑君，魏萌涵，解慧芳，邢 璐，刘海萍，王素英，刘金荣

（安阳市农业科学院，河南安阳455000）

谷子起源于我国，是古老的农作物之一，抗旱耐瘠，被称为环境友好型作物[1]。谷子脱壳后成为小米，营养价值丰富，是很好的营养保健品。随着人们生活水平提高，膳食结构调整，水资源短缺日趋严重，谷子在供给侧改革中发挥的作用日益显著。然而，谷子作为杂粮作物，对其研究起步较晚。目前，对谷子的研究多集中在品种选育[2-3]、栽培生理[4-6]、品质[7-9]和分子生物学[10-11]等方面，对其微形态结构的研究较少。本研究通过对3 个不同谷子品种叶片微形态特征进行分析，以期为揭示谷子叶片特性及其高产、抗逆机理等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为安阳市农业科学院选育的优质、高产、广适谷子品种豫谷18 及其亲本之一豫谷1 号，河北省农林科学院谷子所选育的品种冀谷19（曾多年为国家谷子区域试验对照品种）。

1.2 试验设计

试验于2017 年在河南省安阳市柏庄镇安阳市农业科学院试验基地（114°2′E、36°6′N）进行。土壤为壤土，水浇地，肥力均匀，前茬作物为小麦。试验采取随机区组排列，4 次重复，小区面积20 m2，6 行区，行距0.4 m；6 月23 日播种，留苗密度60 万株/hm2。田间管理同大田常规管理。

1.3 测定项目和方法

扫描电镜样品的制备：谷穗完全抽出旗叶后，选择生长一致、同时抽穗的植株挂牌标记。灌浆中期，用锋利刀片截取挂牌植株旗叶中部主脉一侧叶片2 mm2（1 mm×2 mm）大小，材料离体后立即投入装有预冷的2.5%戊二醛针管中抽气直至切块下沉，然后将样品转移至离心管，放入4 ℃冰箱冷藏固定。

扫描电镜样品的观察：将戊二醛固定的叶片样品用磷酸缓冲液（PBS）冲洗3 次，每次10 min；再将材料用1%锇酸4 ℃下固定2 h；PBS 缓冲液再冲洗3 次，每次10 min；乙醇系列梯度（30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液）脱水，每次10 min，其中100%乙醇脱水2 次；样品临界点干燥；Eiko 公司IB-3 型离子镀金仪喷金镀膜，JEOL 公司JSM-6390LV扫描电镜观察并拍照。

气孔特征的计算：每个品种随机选取4 个扫描电镜视野照片，用Image J 测量、计算视野内所有气孔的数目、长、宽、周长、面积，换算为单位面积内气孔总面积及气孔密度。

1.4 数据处理与分析

Excel 2010 和SPSS 22.0 进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 表皮结构

由图1 可以看出，谷子叶片表皮主要由表皮细胞、气孔器、乳突和表皮毛等结构组成。表皮细胞上覆有1 层蜡质，对表皮细胞起到了保护作用。叶片表皮细胞由长、短2 种细胞组成。长细胞细长，位于脉上和脉间，两侧具有不规则的锯齿状结构，与邻近细胞紧密嵌合，沿叶脉方向纵向排列。短细胞由栓细胞和硅细胞组成，2 种细胞相间排列，形成硅-栓带，位于叶脉之上。栓细胞位于硅细胞之间，呈灰黑色；硅细胞因含有较多硅质而呈灰白色，400 倍扫描电镜下观察为哑铃形，两端又分为2 个近圆瓣，形成四叶草状。

叶片上下表皮均有气孔分布，呈椭圆形或近圆形，位于硅- 栓带和乳突带之间，在叶脉2 侧的长细胞中分布有1～2 列，各列有序纵向交错排列，形成气孔带，与叶脉平行。气孔器中央为哑铃形保卫细胞，中部狭窄，两端膨大成球形，外侧被1 对副卫细胞包围。

图1 谷子叶片表皮结构

2.2 表皮毛

表皮毛是植物长期进化的结果[12]，它可有效减少阳光对植物表皮的直射、叶表面空气流动，起到反光、保温、防止水分散失的作用等[13-14]。3 个品种叶片下表皮表皮毛分布（图2-d、图2-e、图2-f）均较上表皮（图2-a、图2-b、图2-c）浓密。品种间比较，豫谷18 上、下表皮表皮毛分布最为密集（图2-b 和图2-e），明显比豫谷1 号和冀谷19 多，说明豫谷18 叶片可有效防止水分蒸发，有利于提高豫谷18的抗旱性。

2.3 气孔

2.3.1 气孔长和宽。由表1 可以看出，叶片上、下表皮气孔长度均为豫谷18 最短，且与冀谷19 差异显著；豫谷1 号下表皮气孔长度显著较冀谷19 短，而上表皮气孔长度与冀谷19 差异并不明显。3 个品种气孔宽度比较，上、下表皮均为豫谷1 号气孔最窄，其次是豫谷18，冀谷19 最宽。从气孔长/宽来看，上表皮气孔长宽比表现为冀谷19≤豫谷18＜豫谷1 号；下表皮气孔长宽比排序为豫谷18＜冀谷19＜豫谷1 号，三者差异显著（P＜0.05）。这说明豫谷18和冀谷19 气孔较豫谷1 号偏圆形，增加了气孔的开张度。

2.3.2 气孔周长和气孔面积。由表1 可知，豫谷1号、豫谷18 和冀谷19 下表皮气孔周长分别比上表皮长9.77%、20.51%和24.36%，单个气孔面积分别是上表皮的1.22、1.58 和1.34 倍，说明谷子叶片下表皮气孔较大。品种间比较，3 个品种上表皮气孔周长从小到大排序为豫谷18≤豫谷1 号＜冀谷19，气孔面积从小到大排序为豫谷18＜豫谷1 号＜冀谷19；叶片下表皮依然是冀谷19 的气孔周长和面积最大，豫谷1 号和豫谷18 的气孔周长分别比冀谷19 小16.85%、11.13%，气孔面积分别比冀谷19小24.81%、13.23%，3 个品种间差异显著（P＜0.05）。

图2 表皮毛的分布

2.3.3 气孔密度。由表1 可知，豫谷1 号、豫谷18和冀谷19 下表皮气孔密度分别比上表皮增加4.79%、37.60%和4.56%，说明谷子叶片上下表皮均有气孔分布，但下表皮气孔较多，品种豫谷18 尤为明显。3 个品种间叶片上下表皮气孔密度为豫谷18最大（分别是冀谷19 的1.33 和1.75 倍），其次是豫谷1 号，二者与冀谷19 气孔密度呈显著性差异。

2.3.4 单位面积内气孔总面积。由表1 可知，豫谷1号、豫谷18 和冀谷19 下表皮单位面积内气孔总面积分别是上表皮的1.31、2.23 和1.52 倍，说明谷子叶片下表皮单位面积内气孔总面积较大。品种间比较，豫谷1 号上表皮单位面积内气孔总面积最大，其次是冀谷19，豫谷18 最小，但品种间差异不显著；豫谷18 叶片下表皮单位面积内气孔总面积为最大，与豫谷1 号和冀谷19 2 个品种差异显著；豫谷1 号和冀谷19 叶片下表皮单位面积内气孔总面积差异并不明显。总体来看，豫谷18 叶片上下表皮单位面积内气孔总面积最大（和为174 162.13 μm2/mm2），分别是豫谷1 号（和为142 814.23 μm2/mm2）和冀谷19（和为141 644.82 μm2/mm2）的1.22 和1.23 倍。

3 讨论与结论

谷子叶片是重要的光合器官，为植株的生长和籽粒灌浆提供营养。叶片表皮中乳突、表皮毛和蜡质的存在可增加叶片表面积，减少植株体内水分和热量的流失与损耗，抵抗外界伤害[15-16]。气孔是植株与外界环境进行气体交换的门户，其形态、大小、分布和数量均影响植物光合和蒸腾等生理活动[17-18]。苗芳等认为，气孔小，数量增多，有利于提高蒸腾速率，促进植株体内物质循环，且有利于CO2进入叶片中，提高光合速率[19]。赵秀琴等对水稻高光效后代材料的光合速率和气孔密度研究发现，光合速率和气孔密度呈正显著相关[20]。增加气孔密度能提高光合速率，有利于生物产量的积累[21]。郭素娟等研究认为，气孔小而多者，抗旱性强[22]。3 个谷子品种叶片表皮扫描电镜观察发现，谷子叶片表皮主要由表皮细胞、气孔带、乳突和表皮毛等结构组成。叶片下表皮表皮毛分布较上表皮浓密，这与糜子叶片表皮毛分布一致[23]。马丽亚等研究认为，随着干旱胁迫的加剧，费尔干猪毛菜叶片上下表皮表皮毛密度与长度均显著增加，且下表皮明显大于上表皮，说明谷子叶片表皮毛的分布特征提高了谷子的抗旱性[15]。谷子叶片上下表皮均分布着大量气孔，依然遵照刘婧等提出的“一个细胞间距”原则[24]，且下表皮气孔分布多于上表皮，这种分布模式既可促进植物与外界环境进行气体交换，又能保持水分[25]，增加谷子的抗逆性，这与范光宇等研究结果[26]一致。

3 个品种比较，豫谷18 的表皮毛、气孔等分布最为密集，气孔较小，单位面积内气孔总面积最大，说明豫谷18 叶片可以有效减少水分蒸发，提高光合速率，揭示了豫谷18 高产、抗逆性好的部分原因。由此可见，品种间叶片表皮微形态结构的差异性可为揭示品种高产及抗性机理提供了形态学依据。