不同百脉根品系茎解剖结构特征分析与抗旱性评价

李鸿雁，李悦煊，扈 顺，敦惠霞

百脉根（Lotus corniculatus）是多年生豆科植物，广泛用于放牧、青贮、观赏、制干草等，是优良的蛋白质饲草[1]，其株型多呈匍匐或半匍匐型，分枝众多，覆盖度好，根系发达，枝叶柔软，营养丰富，适口性好，且其茎叶富含缩合单宁，能有效地降低牲畜臌胀病的发病率，是优质的饲草料[2-3]；百脉根能在高纬度及寒冷干旱地区生长且适应性良好，是边坡防护、水土保持的首选草种[4-5]。同时，百脉根种植管理简单，种子自繁能力强，生长年限较长，是用于人工栽培草地和改良放牧草地首选的优良牧草资源[6]。

干旱是影响植物生长发育的非生物胁迫。植物受到干旱胁迫，会影响植物正常生长和发育，主要体现在田间形态学、细胞代谢、生理生化代谢等方面的变化，严重时会导致植物死亡。在干旱、半干旱区培育抗旱性较强的牧草品种，既能适应当地的自然条件，又能获得较高的生态和经济价值[7-8]。茎是植物输送水分和营养的主要器官，在干旱的情况下，其输导组织、木质化程度、表皮附属结构等为了适应环境会发生变化。长期处于干旱环境中的植物会产生一定的特化而发展出具有独特特征的轴器官，如发达的输导组织、能贮存更多水分的髓、出现较多的束内导管、维管束排列紧密、直径变大等具有典型旱生特征的结构[9-10]。本试验通过对4 个百脉根品系茎解剖结构特征的研究，探讨百脉根茎结构与抗旱性的关系，以期为选育抗性强的百脉根品种及其他豆科牧草的抗旱性鉴定提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

4 个百脉根品系由中国农业科学院草原研究所农业农村部沙尔沁牧草资源重点野外科学观测试验站和国家多年生牧草圃课题组经过多年筛选获得，分别用B1、B2、B3、B4 表示。前期经过干旱胁迫试验，测定其抗旱性有明显差异。

1.2 方法

4 个百脉根品系各取试验当年在盛花期萌发的枝条，在根颈向上0.5 cm 处采集0.5 cm 茎段，取30 个样品。采用李正理[11]石蜡切片法，用清水冲洗后，分别进行FAA 固定—排气与软化—脱水—透明—浸蜡—包埋—切片—展片—烘干—脱蜡与番红染色—透明与固绿染色—封片等，用Nikon 显微镜观察并照相，Toupview 软件测量。观测指标为表皮细胞厚度、皮层细胞厚度、木质部厚度、韧皮部厚度、髓直径、茎面积、导管直径和木质部与韧皮部面积。

1.3 数据统计分析

Microsoft Excel 2003 软件处理数据，分别取8 个茎解剖形态结构指标的30 个数据，取平均值，然后采用SAS 9.2 和SPSS 19.0 软件进行方差分析、主成分分析和相关分析，隶属函数法综合评价其抗旱性。

隶属函数值按下列公式

式中，U（Xi）为隶属函数值；Xmax和Xmin为所有参试材料处理中某指标的最大值和最小值；Xi为各处理某指标测定值，计算平均值。

2 结果与分析

2.1 百脉根的茎结构特征

由图1 可知，4 个百脉根品系茎的解剖结构基本无明显差异，其横切面结构均由表皮、皮层和维管柱组成。表皮由一层细胞构成，无细胞间隙，外壁角质化茎在初生生长时，表皮在最外面，茎表皮厚度直接受环境影响。皮层由多层的薄壁细胞和厚壁细胞组成，大部分为薄壁细胞，在棱角处表皮下具有较发达的厚角组织；维管柱位于皮层之内，包括维管束、髓和髓射线，维管束由韧皮部、木质部和形成层组成，维管束间有髓射线，由薄壁细胞构成；髓位于茎的中心部位，由大的薄壁细胞组成，有细胞间隙，具有贮藏功能。维管束分布于基本组织中，大小有差异，呈环状分布排列，其中木质部中的导管呈放射状分布，木质部和韧皮部有明显的形成层带，每一个维管束的外围都有一层维管束鞘。

2.2 茎解剖性状的方差分析

由表1 可知，茎解剖性状变异系数最大的是木质部与韧皮部面积，为99.26%，变异范围804.25～57 255.53 μm2，其次为茎面积、导管直径和木质部厚度，变异系数分别为96.51%、77.45%和71.99%，变异范围分别是31 415.93～1 197 908.88 μm2、2.56～6.23 μm和14.14～177.08 μm，变异系数最小的为韧皮部厚度，为53.51%，变异范围0.02～0.23 μm；就茎解剖性状而言，变异系数由大到小的排序为木质部与韧皮部面积＞茎面积＞导管直径＞木质部厚度＞表皮细胞厚度＞皮层细胞厚度＞髓直径＞韧皮部厚度。通过F值比较，发现8 个茎解剖性状指标差异程度依次为髓直径、木质部与韧皮部面积、木质部厚度、茎面积、导管直径、表皮细胞厚度、皮层细胞厚度、韧皮部厚度。

2.3 茎解剖性状的主成分分析

由表2 可知，前3 个主成分的特征值为5.089、1.219、1.032，累积贡献率达到了91.743%，已经超过85%，第一主成分、第二主成分和第三主成分的贡献率分别为63.609%、15.235%、12.899%，说明4 个百脉根品系的前3 个主成分因子能概括8 个茎解剖性状的主要信息。第一主成分中特征向量较大的性状依次为木质部厚度＞茎面积＞木质部与韧皮部面积＞髓直径，主要反映茎储存水分和输送水分能力的结构。第二主成分中特征向量较大的性状依次为导管直径＞表皮细胞厚度，主要体现的是茎表皮和导管的特征结构。第三主成分中特征向量较大的性状分别为韧皮部厚度、皮层细胞厚度，这两个特征主要与提高贮水能力有关。

2.4 茎解剖性状间相关分析

由表3 可知，表皮细胞厚度与皮层细胞厚度、木质部厚度、韧皮部厚度、髓直径、茎面积、导管直径呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.477、0.578、0.181、0.494、0.479、0.332；皮层细胞厚度与木质部厚度、韧皮部厚度、髓直径、茎面积、导管直径呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.970、0.096、0.921、0.983、0.477；木质部厚度与韧皮部厚度、髓直径、茎面积、导管直径呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.121、0.929、0.964、0.578；韧皮部厚度与髓直径、茎面积、导管直径呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.069、0.071、0.474；髓直径与茎面积、导管直径呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.958、0.494；茎面积与导管直径呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.479；导管直径和木质部与韧皮部面积呈显著正相关（P＜0.05），相关系数为0.181；其余解剖结构参数间均未达到显著水平。

表2 4 个百脉根品系茎解剖性状主成分分析

表3 4 个百脉根品系茎解剖性状间相关分析

2.5 抗旱隶属函数

由表4 可知，隶属函数分析能够提高抗旱性鉴定的准确性。在8 个茎解剖性状的指标中，4 个百脉根品系抗旱性的综合分析表明，B1 表现出较强的抗旱性，抗旱性排序为B1＞B3＞B4＞B2。

表4 4 个百脉根品系茎解剖性状抗旱隶属函数值

3 讨论与结论

茎对植物体地上部分起着支撑作用，也是植物运输水分、养分的通道，对植物的贮水、保水、输水能力具有重要作用[12]。外界环境影响植物生长的内、外部形态，逐渐形成植物典型的旱生特征。这些旱生特征能使植物抵御环境水分胁迫，维持正常的生理生态机能[13]。百脉根是一种抗旱性较强的豆科植物，它的茎结构在长期适应环境过程中，形成了最佳的结构。百脉根横切面结构由表皮、皮层和维管柱组成，表皮细胞间隙、外壁角质化、皮层由多层的薄壁细胞（贮藏功能）和厚壁细胞（纤维、导管、管胞等）组成；研究表明植物表皮越厚，隔热、保水、防损伤能力越强，抗旱能力越强。研究表明，茎的皮层较厚，能使植物的蒸腾作用降低，皮层中含有贮水细胞且排列紧密，这些特征都能提高植物的抗旱性，皮层厚度是反映植物抗旱能力的重要指标[14]。茎表面皮层蒸腾的自由水遇到阻力越大，保水能力越好[15]，抗旱性较强的植物中大多富含贮水细胞，且具有防失水结构[16-17]，这些特征能提高植物在干旱环境下的保水能力[18-19]，由此可知，皮层厚度可以作为判断植物抗旱能力的指标之一。从8 个茎解剖性状抗旱隶属函数综合分析可知，4 个百脉根品系的抗旱性排序为B1＞B3＞B4＞B2，说明B1 的抗旱性较强。通过方差及主成分等分析，进一步说明B1 品系有较强适应干旱环境的茎结构，但是从单个指标评价其抗旱性，耐旱程度不一致，利用隶属函数通过多指标进行综合评价，可以提高百脉根抗旱鉴定的准确性。因此，选表皮细胞厚度、皮层细胞厚度、木质部厚度、韧皮部厚度、髓直径、茎面积、导管直径和木质部与韧皮部面积8 个典型性状，应用隶属函数法综合评价4 个百脉根品系抗旱能力，与通过叶片解剖结构特征评价其抗旱性一致[20]。

百脉根茎的横切面结构均由表皮、皮层和维管柱组成。从表皮细胞厚度、皮层细胞厚度、木质部厚度等8 个茎解剖性状综合分析可知，4 个百脉根的抗旱性的排序为B1＞B3＞B4＞B2；4 个百脉根的前3 个主成分因子能概括8 个茎解剖性状变量的主要信息；各个性状之间呈极显著、显著和未显著相关（P＜0.01、P＜0.05、P＞0.05）。