“三华系列”油茶叶片解剖结构与光合特性比较分析
2023-07-06蔡东升裴欣睲闵筱筱杜长梅陈情情龚守富
蔡东升 裴欣睲 闵筱筱 杜长梅 陈情情 龚守富
摘要 本研究以“三华系列”油茶为试材，通过“显微观察—石蜡切片法”观察叶片解剖结构，测定油茶叶片光合特性，并进行比较分析。结果表明，‘华硕的栅栏组织/海绵组织比值（TRPS）、栅栏组织/叶片厚度比值（DCTR）显著大于‘华鑫‘华金，‘华金的叶片厚度、栅栏组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度显著大于‘华硕‘华鑫；‘华硕的气孔密度显著高于其他2个品种；‘华硕的净光合速率、胞间CO2浓度均显著高于‘华鑫‘华金；叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量均存在显著性差异，表现为‘华硕>‘华鑫>‘華金；净光合速率与TRPS、DCTR呈显著正相关关系；气孔导度、胞间CO2浓度与TRPS、DCTR呈极显著正相关。在“三华系列”油茶中，‘华硕的光合特性表现最好，推荐其作为信阳地区的主栽油茶品种。
关键词 “三华系列”油茶；叶片解剖结构；光合特性；相关性分析
中图分类号 S794 文献标识码 A
文章编号 1007-7731（2023）07-0052-06
Comparative Analysis of Anatomical Structure and Photosynthetic Characteristics of
Camellia oleifera Leaves in "Sanhua Series"
CAI Dongsheng PEI Xinxing MIN Xiaoxiao DU Changmei CHEN Qingqing GONG Shoufu*
（Xinyang Agriculture and Forestry University， College of Horticulture， Xinyang Henan 464000）
Abstract Take "Sanhua Series" Camellia oleifera as the test material， observation leaf anatomical structure by "microscopic observation" paraffin section method， determining photosynthetic characteristics of Camellia oleifera， and make a comparative analysis. The test results show that the palisade tissue/sponge tissue ratio （TRPS） and palisade tissue/leaf thickness ratio （DCTR） of 'Huashuo' were significantly higher than those of 'Huaxin' and 'Huajin'; the leaf thickness， palisade tissue thickness， upper epidermis thickness and lower epidermis thickness of 'Huajin' were significantly greater than those of 'Huashuo'; the leaf thickness， palisade tissue thickness， upper epidermis thickness and lower epidermis thickness of 'Huajin' were significantly higher than that of 'Huashuo' and 'Huaxin'; the stomatal density of 'Huashuo' is significantly higher than the other two varieties; the net photosynthetic rate and intercellular CO2 concentration of 'Huashuo' were higher than those of 'Huaxin' and 'Huajin'， and the difference was significant; there were significant differences in chlorophyll a， chlorophyll b， and total chlorophyll， as shown in the order of 'Huashuo' > 'Huaxin' > 'Huajin'; the net photosynthetic rate was significantly positively correlated with TRPS and DCTR; Stomatal conductance and intercellular CO2 concentration were positively correlated with TRPS and DCTR. In summary， in the "Sanhua Series" Camellia， 'Huaxin' had the best photosynthetic characteristics. It can be recommended as the main variety of Camellia oleifera in Xinyang area.
Keywords "Sanhua Series" Camellia oleifera; leaf anatomical structure; photosynthesis characteristics; correlation analysis
油茶（Camellia oleifera Abel.）是山茶科山茶属的一种常绿灌木或小乔木，因其种子可以提取茶油作为食物，故名油茶，是中国4种特有的木本油料树种之一[1]。近些年来，油茶的经济效益和生态效益越来越高，种植面积越来越大，已占据油料树种种植面积的80%以上，成为振兴森林、富国安民的重要产业[2-3]。目前，我国已经种植了面积约367 万hm2的油茶，年生产茶籽约7.0×105 t，折油1.5×105 t，主要分布在淮河以南、长江以南的14个省的642个县（市、区）[4-5]。
信阳市位于大别山腹地，113°45′～115°55′E、31°23′～32°37′N，是我國北亚热带向暖温带过渡的生态类型区，气候温润，雨量和光照充足，年平均温度15.3～15.8 ℃，年平均降雨量993～1 294 mm，适宜油茶树的生长，是我国油茶的北缘分布区[6]。近年来，信阳地区高度重视油茶产业的发展，目前全市油茶栽植面积5 万hm2，其中商城1.53 万hm2、新县1.8 万hm2、光山1.2 万hm2、其他县区0.47 万hm2[7]。
植物的光合作用是物质能量循环的关键，是唯一能将太阳能转换为化学能并以有机物的形态贮藏的过程，是决定植物生产率和发育根本的重要过程[8]。植物进行水分交换、光合作用和呼吸作用最重要的器官是叶片，其对温度、水分、光照等具有明显的反应，具体体现在叶片解剖结构的差异[9]。机能的基础体现在结构上，植物叶片结构的转变必定会导致生理和生态机能的变化[10]。当前，有关光合特性与叶片解剖结构相关关系的研究已有报道。李艳丽等[11]研究发现，杨树的气体交换能力与其叶肉组织厚度密切相关；刘金炽等[12]在对短梗大参（Macropanax rosthornii）进行研究发现，在光照较低的情况下，提高叶绿素含量对植物更有效地吸收更多光有所帮助；祁传磊等[13]研究发现，大青（Clerodendrum cyrtophyllum Turcz.）的栅栏组织厚度、叶面积、TRPS与其光合能力存在相关关系。
“三华油茶”是国家良种油茶，包括‘华鑫‘华金‘华硕，具有鲜果大、出油多、产量高、出产早、易识别、适用广的特点。当前，信阳地区“三华系列”油茶品种的推广仍较少。为此，笔者特从湖南地区引进栽培“三华系列”油茶，进行了叶片解剖结构与光合特性的比较分析，探究“三华系列”油茶叶片解剖结构与光合能力的关系，为信阳地区油茶的种植发展提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
2021年3月份，从湖南引进一批三年生的“三华系列”油茶，栽培于信阳农林学院智慧园艺教学实习基地。
1.2 方法
选取长势一致、生长健壮、无病虫害、土壤与光照条件基本一致的叶片，于2021年9月5日至12月8日进行相关数据的测定。
1.2.1 叶片解剖结构特征值的测定。采用石蜡切片法[14]，乙醇梯度脱水，浸蜡、包埋，使用切片机，切片厚度为10 μm，切片时用烘片机烘干水分，之后用“番红-固绿”进行染色，中性树脂封片。在显微镜下观察、拍照，并使用Image J 1.52软件测量叶片厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度、上下表皮厚度数据，并计算出栅海比（TRPS）=栅栏组织/海绵组织的比值、组织结构紧密度（DCTR）=栅栏组织/叶片厚度的比值[15]。每1处理观察10张切片，每个制片选3个视野进行测量，所有数据为30个视野的平均值。
使用透明的指甲油印迹法制片法测定气孔密度[16]，在叶片背部主脉两侧选取无病斑处，擦拭干净，涂抹大约1 cm2指甲油，干燥后用镊子轻轻撕下指甲油，在盖玻片上滴1～2滴蒸馏水，然后放在载玻片上，盖上盖玻片，吸收剩余水分。在显微镜下观察并用Image J 1.52软件拍照保存，测得气孔长度、宽度、内横茎与内纵茎的值，计算气孔的密度与开度。每个材料观测6个典型视野中气孔，并求其平均值。
1.2.2 叶绿素含量测定。采用丙酮∶无水乙醇=2∶1（v/v1）的混合液萃取叶绿素的含量[17]，置于暗处浸提24 h，用分光光度计测定浸提液在470、645、663 nm
3个波长下吸收值，并计算叶绿素含量：
Ca=12.71A663-2.59A645（1）
Cb=22.88A645-4.67A663（2）
Ca+b=20.29A645-8.04A663（3）
1.2.3 光合特性测定。2021年10月15日11：00—13：00，天气晴朗无风、阳光充足、温度适宜，利用CL-340便携式光合速率测定仪测定光合指标，选择油茶植株新梢第2轮叶片，测得净光合速率（Pn）、气孔导度（Cs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）等数据。随机抽取每个品种的10株苗，每株苗重复测量3次，取平均值。
1.2.4 数据分析。采用Excel 2019进行数据处理，SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差、差异显著性（p<0.05）及相关性分析。
2 结果与分析
2.1 3种油茶叶片解刨结构特征比较
表皮是植物的保护组织，是植物抵御外界不良环境的屏障，叶表皮包括上表皮和下表皮2个部分。由图1可知，3种油茶叶片表皮均为单层细胞，呈长方形或者不规则扁长方形，上表皮细胞比下表皮细胞大，外覆角质层，无毛，表皮细胞垂周壁略呈波浪状；‘华金叶片上表皮细胞排列最紧密，‘华鑫次之，‘华硕最为疏松。3种油茶叶片的叶肉组织均有明显的栅栏组织和海绵组织的分化，栅栏组织是由紧密的柱状细胞排列形成，海绵组织主要由排列疏松的椭球和球型细胞形成。对叶肉组织观察（图1与表1），发现3种油茶叶片的叶肉组织解剖结构存在极显著差异，栅栏组织厚度的变化范围为228.22～282.96 μm，其中‘华金最厚（282.96 μm），‘华硕与‘华鑫无显著性差异。叶片海绵组织厚度明显大于栅栏组织，且排列较为疏松，其中‘华鑫的海绵组织厚度最大为364.44 μm，‘华硕最小为231.07 μm。
植物叶片各组织结构中，栅栏组织和海绵组织中的叶绿素含量多于其他组织，尤其是栅栏组织；栅栏组织的发达程度可以用栅栏组织与叶片厚度的比值（DCTR）来表示。由表1可知，叶肉组织结构紧密度（DCTR）以‘华硕最大为0.45，‘华鑫最小为0.42，且二者间差异性显著；栅海比（TRPS）表现为‘华硕>‘华鑫>‘华金，且呈现显著性差异；‘华金叶片厚度（665.67 μm）、栅栏组织厚度（282.96 μm）、上表皮厚度（31.14 μm）、下表皮厚度（15.34 μm）均显著高于‘华硕‘华鑫的。
2.2 3种油茶气孔特征的比较
气孔是植物与外界进行气体交换的孔道和控制蒸腾的结构。油茶叶片的气孔主要分布在下表皮，3个油茶品种气孔特征见图2，油茶的气孔主要为椭圆形。一般认为，植物叶片气孔小且密度大的植物在炎热条件下可降低水分损耗。如表2可知，3种油茶叶片的气孔密度存在显著性差异，表现为‘华硕气孔密度最大，为1 250 mm2/个，‘华金气孔密度最小，为933 mm2/个；‘华硕气孔的长度大于‘华鑫‘华金，且差异性显著；而气孔的宽度与开度无显著性差异。
2.3 3种油茶叶片叶绿素含量比较
从表3可以看出，‘华硕叶片的叶绿素a含量为1.45 mg·g-1，显著高于‘华鑫‘华金的；‘华硕叶片的叶绿素b、叶绿素总量均显著高于‘华鑫‘华金的；‘华鑫叶片的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均显著高于‘华金的。
2.4 3种油茶光合特性比较
由表4可知，‘华硕净光合速率最大，为8.23 μmol·m-2·s-1，与‘华鑫‘华金存在显著性差异，‘华金净光合速率最小，为7.50 μmol·m-2·s-1，与‘华鑫无显著性差异；‘华硕的蒸腾速率高于‘华鑫‘华金，且存在显著性差异，‘华鑫‘华金无显著性差异。‘华硕的气孔导度、胞间CO2浓度均比‘华鑫‘华金的高，且差异性显著，分别为：气孔导度0.09 μmol·m-2·s-1，胞间CO2浓度128.67 μmol·mol-1，而‘华鑫‘华金无显著性差异。
2.5 3种油茶叶片解剖结构与光合特性的相关性分析
从表5可以看出，叶片的净光合速率与海绵组织厚度、上表皮厚度均存在顯著负相关关系，净光合速率与栅栏组织厚度、TRPS、DCTR呈显著正相关关系；气孔导度与叶片厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度均为显著负相关，相关系数为-0.72、-0.87、-0.72，而与TRPS、DCTR、净光合速率、蒸腾速率呈极显著正相关，相关系数分别为0.93、0.77、0.80、0.77；胞间CO2浓度与叶片厚度呈显著正相关，与TRPS、DCTR、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度呈极显著正相关，相关系数为0.94、0.85、0.82、0.71、0.96。
3 讨论与结论
叶绿素吸取光能并通过转化为植株的叶片提供能量以促进光合作用，其比例和含量可作为植物顺应环境的重要指标，对植物的光合效率有很大的影响，在植物进行光合作用的过程中起至关重要的作用[18-20]。本研究中，‘华硕的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量高于‘华鑫‘华金，且差异性显著。植物进行呼吸作用、光合作用与蒸腾作用等活动主要在叶片中进行，叶片也是植物对光合特性反应最敏感的部位[21]。在叶片的组织结构中，海绵组织和栅栏组织中的叶绿素含量比其他组织高，尤其是栅栏组织。可用DCTR来表示栅栏组织的发达程度，TRPS与DCTR比值越大，叶绿素含量越多，积累光合产物的能力越大[22]。栅栏组织发达能在强光下保护叶肉不被灼伤，并能有效利用辐射进行光合作用。本研究发现，‘华硕的TRPS、DCTR最大且叶绿素含量显著高于‘华鑫‘华金的，这表明‘华硕积累光合产物的能力最大。叶片进行蒸腾作用和光合作用时，CO2进入植物体内的重要通道是气孔，其面积大小与密度直接决定了植物进行蒸腾和光合作用时的效率[23]。气孔越小，密度越大，植物进行蒸腾作用时损失的水分越少，从而有助于散热和提高光合作用[24]。本研究表明，3个油茶品种的气孔密度呈现显著性差异，表现为‘华硕>‘华鑫>‘华金；‘华硕的叶片气孔密度最大，进行蒸腾作用时散失的水分最少，光合能力最强。
植物生长发育进程中的一项重要生理指标就是光合特性，植物生长和物质积累与光合作用密不可分。净光合速率直接决定着植物光合能力的强弱和生长速率，气孔导度反映了叶片CO2和水汽交换能力的强弱，油茶光合特性的差别有着不一样的差异，植物种类光合特性的差别体现在胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率的差异上[25]。本试验中，‘华硕的净光合速率显著高于‘华鑫‘华金的，其气孔导度也高于‘华鑫‘华金的，表明同样的环境下进入‘华硕叶片的CO2量比进入‘华鑫‘华金叶片中的多，而细胞间隙CO2的含量就越少，所以气孔导度较大的‘华硕叶片光合作用更强；同样，‘华硕的蒸腾速率、胞间CO2浓度也高于‘华鑫‘华金的，表明“三华系列”油茶中‘华硕的光合特性表现最好。
对3个油茶品种的叶片解剖与光合特性进行相关性分析，结果表明，净光合速率与TRPS、DCTR呈现显著正相关，这与廖文婷的研究结果类似[4]。气孔导度、胞间CO2浓度与TRPS、DCTR呈现极显著正相关，表明净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度与TRPS、DCTR关系密切。由此可以推论，TRPS、DCTR可以作为鉴定油茶光合能力的指标之一，TRPS、DCTR越大，净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度越强。
综上所述，在“三华系列”油茶中，‘华硕光合特性综合表现最佳，可推荐其作为信阳地区的主栽油茶品种。
4 参考文献
[1] 王楠，张余华，吴玲利，等.不同外源物质处理对油茶叶片抗寒性的影响[J].江西农业大学学报，2022，44（1）：97-107.
[2] 卜付军，邱林，张玉虎，等.豫南山地油茶低产林改造综合技术研究[J].信阳师范学院学报（自然科学版），2019，32（4）：654-658.
[3] 卜付军，张建设，张玉虎，等.北部边缘区油茶品种引种栽培与应用研究[J].信阳师范学院院报（自然科学版），2021，34（2）：287-291.
[4] 廖文婷.5个油茶无性系光合及叶解剖特性研究[D].长沙：中南林业科技大学，2015.
[5] 鲁刚，赵进军，王建平.油茶的种植方法[J].江西农业，2020（6）：7-11.
[6] 熊广成，刘明洁.点“绿”成金生态富民——河南省信阳市油茶产品价值实现机制的探索与实践[J].资源导刊，2021（2）：21.
[7] 李彬青，吕立哲，金开美，等.信阳市油茶产业发展现状及建议[J].天津农业科学，2014，20（11）：58-61.
[8] 陈萍，王笃雄，罗健，等.海南油茶叶片解剖结构与耐热性比较[J].热带林业，2020，48（3）：4-10.
[9] 毛行简，郑风英，任可，等.花叶假连翘3种叶色表型叶片的光合特性[J].森林与环境学报，2021，41（3）：225-233.
[10] 邱彦芬，亚华金，杨湉，等.橡胶树无性系光合特性及叶片解剖结构比较[J].热带农业科技，2021，44（4）：1-5.
[11] 李艳丽，熊欢，彭小博，等.锥栗嫁接苗与实生苗叶片解剖特征及光合特性比较[J].西南农业学报，2019，32（4）：792-797.
[12] 刘金炽，招礼军，朱栗琼，等.遮光對红鳞蒲桃幼苗光合特性的影响[J].广西科学，2020，27（6）：646-654.
[13] 祁传磊，靳春莲，李开隆，等.不同倍性大青杨的光合特性及叶片解剖结构比较[J].植物生理学通讯，2010，46（9）：917-922.
[14] 聂小英，朱春晓，郑东升，等.遮光处理对草珊瑚光合特性及叶片解剖结构的影响[J].西北植物学报，2021，41（6）：995-1002.
[15] RUEDEN C T，HINER M C，ELICEIRI K W. Image J：mage analysis interoperability for the next generation of biological image data[J].Microscopy and Microanalysis，2022，22：2066-2067.
[16] 江慧欣，王嘉琪，黄春岩，等.8种绿化树种光合特性及叶片解剖结构比较[J].植物研究，2019，39（1）：10-16.
[17] 程贵文，龚洪恩，颜送宝，等.油茶叶绿素提取方法比较研究[J].湖北林业科技，2017，46（6）：55-58.
[18] 乔一娜，李云鸽，刘聘，等.10种观赏竹的光合特性及叶绿素荧光特性研究[J].热带作物学报，2020，41（7）：1373-1379.
[19] 薛磊，凡莉莉，赖金莉，等.不同施肥模式对沿海沙地鼓节竹发笋期生长和生理特性的影响[J].江苏农业科学，2019，47（1）：97-100.
[20] SINGHSK，REDDYVR，FLEISHERDH，et al.Relationship between photosynthetic pigments and chlorophyll fluorescence in soybean under varying phosphorus nutrition at ambient and elevate CO2[J].Photosynthetica，2017，55（3）：421-433.
[21] VALLADRES F，WRIGTH S J，LASSO E，et al.Plastic phenontyic response to light of 16 congeric shruba from a Panamanian rainforest[J].Ecology，2000（81）：1925-1936.
[22] 李冬林，王火，江浩，等.遮光对香果树幼苗光合特性及叶片解剖结构的影响[J].生态学报，2019，39（24）：9089-9100.
[23] 薛黎.遮阴对5种珍贵树种幼苗光合及叶片解剖特性的影响[D].长沙：中南林业科技大学，2020.
[24] HETHERINGTON A M，WOODWARD F I.The role of stomata in sensing and driving environmental change[J].Nature，2003（424）：901-908.
[25] 宋碧玉.修剪对蜡梅光合作用和叶片解剖结构的影响[D].雅安：四川农业大学，2017.
（责编：张宏民）
