基于当年生枝木质部解剖结构的扁桃品种栓塞抗性分析

木巴热克·阿尤普，杨 波，艾沙江·买买提，龚 鹏，郭春苗

(新疆农业科学院 园艺作物研究所，新疆 乌鲁木齐 830011)

木质部栓塞是木本植物在干旱环境下遭受水分胁迫时产生的木质部导管输水功能的障碍[1]。众多研究表明，植物的抗旱性与其木质部栓塞特性有关，树体的抗旱性在一定程度上可以由其栓塞抗性或栓塞修复能力所决定[1-2]，因此认为木质部抗栓塞能力和栓塞修复能力可以作为植物抗旱性鉴定指标之一。植物木质部栓塞形成是与木质部水柱张力的大小和木材理化性质有关的非生物过程[3-4]。对木本被子植物而言，抗栓塞能力强的植物木质部一般具有导管直径偏小、木材密度高、导管壁厚等解剖结构特征。

扁桃(Amygdaluscommunis)，又名巴旦姆，属于蔷薇科李亚科桃属扁桃亚属植物，是世界著名坚果和珍贵的经济林树种，同时具有良好的生态经济价值[5-6]。我国栽培种植面积95%以上集中分布在南疆喀什地区(莎车县为中心)。根据美国农业部国家农业统计局公布数据，截至2019年，我国扁桃种植总面积6.3万hm2，总产量(带壳)约4.3万t，占世界扁桃总产量的3.3%[7]。扁桃原产于干旱的中亚山地，其众多栽培品种按近代分布起源可分为地中海类群和中亚类群等2个生态类群，而这2种生态类群均具有夏季干燥炎热的夏干特征，因此而形成扁桃抗旱、耐热等抗性特点[5]。

树体抗性强、矮化是扁桃品种选育的目标之一[5]。目前，国内外扁桃抗旱性研究主要集中在蒙古扁桃(Amygdalusmongolica)、野生扁桃(A.ledebouriana)和长柄扁桃(A.pedunculata)等种类的耐旱生理及分子机理[8-9]，或者几种扁桃品种或砧木[10-12]在干旱胁迫下形态和生理指标的变化方面，在扁桃木质部结构及栓塞特性方面的研究报告较少。H.Cochardetal[2]对蔷薇科李亚科10种不同果树的茎木质部抗栓塞能力和抗旱性之间关系的研究表明，扁桃、杏子(Armeniacavulgaris)等树种的抗栓塞能力比其他果树要高(P50值<-6 MPa)，抗旱性也较强。关于我国扁桃栽培品种资源(新疆地方品种和美国引进品种)当年生枝木质部解剖结构特征上的差异性，以及从当年生枝木质部结构特征角度探究其品种的栓塞抗性方面研究目前尚未见报道。

本研究以9个扁桃栽培品种为试材，解析当年生枝木质部解剖结构特征，并对不同品种的栓塞抗性进行初步评估，为了解扁桃木质部适应干旱胁迫的对策，以及为今后核果类果树分子设计育种提供抗旱材料有一定的理论意义和应用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料分别采自新疆喀什地区莎车县英吾斯塘乡扁桃示范园和阿热斯兰巴格乡美国扁桃品种保存圃。该试验区属暖温带大陆性干旱气候，四季分明，气候干燥，日照时间长，占全年日照数的67%，年均气温12.3℃，年均降水量56.6 mm，年均蒸发量2 259 mm[13]。供试材料的树龄约20 a，均以毛桃为砧，生长良好。于2017年6月29日-31日分别采集5个新疆地方栽培品种(纸皮(S1)、大巴旦(S3)、双软(S9)、双果(S12)、叶尔羌(S14))和4个美国引种品种Nonpareil(M1)、Sonora(M2)、Thompson(M7)、Ne Pulusultera(M8)的当年生枝。采样时，首先对每一个品种选取长势、树龄相近的3株，在每株树冠中部向阳方向剪取当年生枝(直径2.2～2.8 mm)10枝，在其从基部往上数第4～5间节部分取1个节间(1.5～2 cm)。样品再从节间两边剪去0.5 cm，用自来水冲洗后放入FAA固定液(70%酒精∶冰醋酸∶甲醛=90∶5∶5，v/v)中保存。每品种随机选取4～5个样品制作石蜡切片。

1.2 测量指标与方法

1.2.1 木质部解剖结构指标及测量方法 对扁桃当年生枝样品进行石蜡切片(切片厚度8～10 μm)，用番红(1%)-固绿对染(1%)，每个品种重复4～5个样品。采用光学显微镜(Olympus,BX51,Japan)进行观察拍照(Olympus DP 70,Japan)。用Image-J 图像处理软件对其进行测量分析。

注:放大倍数：所有当年生枝木质部横切面图的为4X，比例尺：50 μm；木质部导管壁厚(Tvw)图为100X,比例尺：10 μm；V:vessel,导管。图1 扁桃不同品种当年生枝木质部横切面光学显微镜图Fig.1 Cross sectional light microscopy images of the current-year shoot anatomical structure of almond different cultivars

1.2.2 木材密度(wood density,WD)的测量方法 参考U.G.Hackeetal[15]和李荣等[16]的方法，即每个当年生枝从基部往上数第5～6间节(第4～5间节用作石蜡切片)(1.5～2 cm)，测定枝段干质量和鲜体积，则木材密度(WD) = 干质量/鲜体积，每个品种8～10个当年生枝的木材密度平均值即为每品种的平均木材密度。

1.3 当年生枝木质部抗栓塞能力评价结构指标的选取

相关研究结果显示，木本植物茎的木材密度(WD)[15-21]、导管直径(D、Dh)和导管密度(VD)[16,18,21-23]、导管的空间分布(VG,VS)[24-29]及导管壁厚度特征(Tvw、Tvw/D连接导管)2[2,27,30-32]均与其木质部的抗栓塞能力(P50值)相关。木质部高抗栓塞植物的木材密度高、相互连接的导管壁厚、导管壁理论机械强度值和单导管指数高。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0统计软件对所有数据进行处理和作图。各项指标在不同品种或不同生态类群间的差异性和各项指标间的关系分别采用SPSS 19.0的ANOVA过程、LSD多种比较和Pearson相关分析来完成；运用SPSS 19.0 Fuzzy数学中的隶属函数法[33]对9个扁桃栽培品种当年生枝的栓塞抗性能力进行评价。根据公式[34]，计算各项解剖结构指标的平均隶属函数值，用平均隶属函数值的大小初步评价扁桃不同品种当年生枝的栓塞抗性，隶属函数值越大，抗栓塞能力越强。

2 结果与分析

2.1 不同扁桃品种当年生枝木质部解剖结构差异性

方差分析结果表明，不同品种扁桃当年生枝木质部解剖结构指标间存在不同程度的差异性(P<0.05)(表1)。品种S3、M7和M8的木材密度最高(WD，0.49～0.50 g·cm-3)，而S9、S12和S14的为最低(0.4～0.42 g·cm-3)；导管直径(D)的变化范围为12.9～20.4 μm，其中以S12最大，其次是S1、S3、S14、M8，最小是S9；品种S9的导管密度值为最高(1 596±281 N·mm-2)，S3的最低(464±34.3 N·mm-2)，其他品种均为570～728 N·mm-2；单导管指数(VS)的变化范围为0.54～0.75，其中4个美国引进品种(M1、M2、M7、M8)的VS值均比较高，都在0.71～0.75，其次是S1、S3、S14，最低是S9和S12；相邻导管壁厚度(Tvw)在4.4～5.3 μm，差异较小，且S1的最高，其次是M8，其他品种为4.4～4.7 μm；导管壁理论机械强度值(Tvw/D连接导管)2在品种之间的差异最小，除了品种S3(0.034±0.003)之外，其他品种均在0.021～0.027，差异不显著(P>0.05)。

新疆地方品种和美国引进品种当年生枝木质部解剖结构指标之间有显著性差异(P<0.05)(表1)，即地中海类群扁桃品种的WD比中亚类群扁桃的高(美国0.46±0.01 g·cm-3、新疆地方0.43±0.01 g·cm-3)、D值小(15±0.1、17±0.3 μm)、VD值低(632±20、803±48 N·mm-2)、单导管指数高(VS,0.73±0.01、0.63±0.01)，但在相邻连接导管壁厚度(Tvw)和(Tvw/D连接导管)2指标之间没有呈显著性差异(P>0.05)(表1，图1)。从木质部导管径级的分布来看，新疆地方品种的直径为5～25 μm的导管数量占总导管数量的比例为70%～96%，而美国引进品种的占比为83%～89%，说明当年生枝木质部导管径级的分布比例在地方品种间的变异程度较大，而其在美国品种的较小，导管径级分布比率较均匀(图2)。

图2 扁桃不同品种当年生枝木质部导管直径分布比例Fig.2 Current-year shoot xylem vessel diameter distribution ratio of Almond different cultivars

表1 扁桃不同品种当年生枝木质部解剖结构之间的差异性Table 1 Differences in the xylem anatomical structures of current year shoot of different almond Cultivars

2.2 基于隶属函数的扁桃主栽品种栓塞抗性能力的初步评价

共获取8项与木质部栓塞抗性相关的解剖结构指标，各指标在品种间的差异性均达到极显著水平(P<0.01)，变异系数为5.58%～44.66%，说明这8项指标对9个扁桃品种均具有较高灵敏度和代表性。应用隶属函数法对9个品种的当年生枝木质部抗栓塞能力进行了综合评价(表2)。平均隶属函数值越大表明抗栓塞能力越强，9个品种当年生枝的抗栓塞能力由大到小排序为S3>M7>M2>M1>M8>S14>S1>S9>S12(表2)。

从不同生态类群来看，地中海类群品种的平均隶属函数值为0.613，高于中亚类群(0.574)，说明美国引进扁桃品种当年生枝木质部栓塞抗性比新疆地方品种强(表2)。

表2 基于隶属函数的扁桃9个品种当年生枝木质部栓塞抗性综合评分值及排序Table 2 Subordinate function values of 9 Almond varieties and comprehensive appraisal on xylem cavitation resistance

3 结论与讨论

不同生态类群扁桃品种在当年生枝木质部解剖结构上存在显著差异。地中海类群扁桃木质部木材密度和单导管指数均比中亚类群高，而导管直径和导管密度比其低。从当年生枝木质部解剖结构角度来看，地中海类群-美国扁桃品种的栓塞抗性能力较高，而中亚类群-新疆地方品种的栓塞抗性较低(除S3以外)；新疆地方品种S3、美国品种M7、M2、M1、M8的栓塞抗性较强(平均隶属函数值均在0.60～0.65)，而新疆地方品种S14、S1、S12和S9的抗栓塞能力最低(0.49～0.58)。

栓塞的形成是与木质部水柱张力的大小和木材理化性质有关的非生物过程[3-4]，本研究发现，扁桃当年生枝木质部解剖结构特征在地方品种之间变异较大，而其在美国品种之间的差异较小。前期的研究中发现，新疆地方品种和美国品种扁桃在叶片的组织结构上也有相似的变化[6]。

目前，在植物木质部栓塞特性研究中，被公认的抗栓塞能力相关指标包括木质部导管大小、相邻连接导管壁厚度及理论机械强度、木材密度等。但导管空间分布特征与栓塞抗性的关系方面的研究较少，结论也不一致。部分学者认为，相对于单导管，栓塞在导管团(grouped vessels)内更容易被消除[31,33,35-36]；也有学者认为，随着导管间接触面积的增大，栓塞在导管团内的扩展速度会加快，从而降低其木质部的抗栓塞能力[24-29]。A.Scholzetal[37]的研究表明，蔷薇科李亚科10种不同果树中栓塞抗性高树种的单导管数量比例也高。木本植物茎的木材密度越高木质部抗栓塞能力越强[15-16]。本研究发现，扁桃当年生枝木材密度与单导管指数呈显著正相关(r=0.670，P<0.05)，因此，本研究支持第2种假设，即木质部单导管数量越多，栓塞在导管间不易扩散，其木质部抗栓塞能力也越强。美国引进扁桃品种当年生枝木质部具有木材密度高、导管直径小、导管密度低、单独分布的导管数量多而导管径级分布比例较均匀等高抗栓塞植物具有的结构特征，而新疆地方扁桃(除S3以外)表现为木材密度较低、导管直径偏大、导管密度高和单导管指数偏低等抗栓塞能力较弱植物的木质部结构特征。

新疆地方品种和美国引进品种木质部解剖结构及栓塞抗性差异的主要原因之一可能是两地气候特征的差异性导致的。我国扁桃主产区喀什地区是典型的夏季炎热、冬季严寒(极端低温为-24.1℃)、降雨少的暖温带大陆性干旱气候，而美国加州扁桃主产区是夏季炎热干燥、冬季温和多雨(冬季气温很少低于0℃)，属于地中海气候类型[5]。因此可以推测美国品种抗栓塞能力较强，干旱条件下不容易发生栓塞。而新疆地方品种(除S3以外)木质部在干旱胁迫条件下较容易发生栓塞，但其木质部可能具备一定的栓塞修复能力。

有关研究显示，适当的木质部栓塞可能对植物在干旱胁迫下生长是有利，是植物在干旱环境下节约水分的一种耐旱策略[38]。前人研究报道，植物对干旱胁迫环境的适应性不仅仅是通过形成高抗栓塞能力的木质部，而且具备栓塞修复能力强的组织结构特征[18-19]。木材密度较低的植物，其木质部具备较高的储水能力，有利于栓塞木质部导管的修复[18-19]。栓塞修复还跟木质部导管直径的大小有关，导管越大，其产生的气泡就越易被溶解，栓塞导管也越易修复[39]。党维等[18]对6个耐旱树种木质部水力特征与栓塞修复能力之间的关系进行研究时发现，木质部栓塞脆弱性(P50) 和导管直径与栓塞修复能力之间有较好的正相关关系，木质部抗栓塞能力较低的树种，其栓塞修复能力也越强。对本研究而言，新疆地方扁桃品种(除S3以外)的抗栓塞能力低于美国品种，但它具备栓塞修复有利的解剖结构特征。前期研究表明新疆地方品种扁桃抗旱能力大于美国引进品种[6]，推测原因是其栓塞的修复能力强于美国引进品种。