5种草莓叶片解剖结构与抗旱性的关系

刘倩文 邱安然 谢 翔 刘 瑞 王唯先 武春霞

摘    要：為了筛选出抗旱性优良的草莓种质，以5种野生草莓（东方草莓，黄毛草莓，森林草莓，木犀草莓和五叶草莓）为试验材料，通过测量其叶片解剖结构（角质膜厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、气孔大小、气孔密度、叶片厚度、栅栏组织厚度、栅栏组织层数、海绵组织厚度、海绵组织层数等）指标，计算出栅海比、叶片组织结构紧密度（CTR）、叶片组织结构疏松度（SR）等，以隶属函数法综合分析5种草莓的抗旱性。结果表明：上、下表皮以五叶草莓最厚，分别为27.28 μm和18.80 μm，而森林草莓最薄（19.59 μm和7.29 μm）;角质膜以黄毛草莓最厚而木犀草莓最薄，分别为7.15 μm和3.78 μm;叶片和栅栏组织厚度以黄毛草莓最厚，分别为221.21 μm和95.86 μm，东方草莓最薄（137.12 μm和65.51 μm）;栅海比以五叶草莓最大而木犀草莓最小，分别为1.89%和1.13%;叶片组织结构紧密度（CTR）和疏松度（SR）以东方草莓最大，分别为47.78%和35.96%，五叶草莓最小（34.97%和18.52%）;气孔以五叶草莓最大，为45.84 μm2，黄毛草莓最小（30.18 μm2），气孔密度以木犀草莓最大（702.6 个·mm-2）而黄毛草莓最小（489.9 个·mm-2）。隶属函数综合评价5种草莓的抗旱性表现为：五叶草莓>黄毛草莓>东方草莓>森林草莓>木犀草莓。

关键词：草莓;解剖结构;抗旱性

中图分类号：S669.4         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.07.004

Abstract：In order to screen out the strawberry germplasm with excellent drought resistance， 5 strawberry varieties including  Fragaria orientalis Losinsk.， F. nilgerrensis Schltdl. ex J. Gay，  F. vesca L.， F. vesca var. semperflorens and F. pentaphylla Losinsk. were used as test materials to measure the anatomical structure of the leaves （keratin thickness， upper epidermis thickness， lower epidermis thickness， stomatal size， stomatal density， leaf thickness， fence tissue thickness， number of fence tissue layers， sponge tissue thickness， sponge tissue layer， etc.）， the ratio of fence tissue to sponge tissue， leaf tissue structure tightness （CTR）， leaf tissue structure looseness （SR） were calculated， and the drought resistance of 5 kinds of strawberries was analyzed synthetically by membership function method.The results showed that in the 5 strawberry varieties， F. pentaphylla had the thickest upper and lower epidermis （27.28 μm and 18.80 μm）， while the F. vesca was thinnest （19.59 μm and 7.29 μm）; the F. nilgerrensis had the thickest keratin thickness （7.15 μm） while F. vesca var. semperflorens was thinnest （3.78 μm）; the F. nilgerrensis had the largest thickness of leaf and fence tissue （221.21 μm and 95.86 μm） while the F. orientalis was thinnest（137.12 μm and 65.51 μm）; the F. pentaphylla had the largest ratio of fence tissue to sponge tissue （1.89%） while the F. vesca var. semperflorens was lowest （1.13%）; the F. orientalis had the highest leaf tissue structure tightness （CTR） and leaf tissue structure looseness （SR） （47.78% and 35.96%） while the F. pentaphylla was lowest （34.97% and 18.52%）; the F. pentaphylla had the largest stomatal （45.84 μm2） while the F. nilgerrensis was smallest （30.18 μm2）; the F. vesca var. semperflorens had the largest stomatal density （702.6·mm-2） while the  F. nilgerrensis was smallest （489.9·mm-2）. According to the analysis of membership function method， the drought resistance of 5 strawberry varieties was as follows： F. pentaphylla > F. nilgerrensis > F. orientalis> F. vesca> F. vesca var. semperflorens.

Key words： strawberry; anatomic structure; drought resistance

草莓属于蔷薇科（Rosaceae）草莓属（Fragaria）多年生草本植物，现代生产应用的大果型栽培草莓基本都是凤梨草莓（Fragaria × ananassa （Weston） Duchesne）为主。雷家军等[1]报道，我国作为世界野生草莓起源中心，自然分布有11个种，约占世界草莓属植物20个种的一半以上，广泛分布于我国东北、西北、西南地区;11个种包括8个二倍体种：五叶草莓（Fragaria pentaphylla Losinsk.）、东北草莓（Fragaria mandshurica Staudt）、森林草莓（Fragaria vesca L.）、裂萼草莓（Fragaria daltoniana J. Gay）、黄毛草莓（Fragaria nilgerrensis Schltdl. ex J. Gay）、纤细草莓（Fragaria gracilis Losinsk.）、西藏草莓[Fragaria nubicola （Lindl. ex Hook. f.）  Lacaita]和绿色草莓（Fragaria viridis Duchesne），3个四倍体种：东方草莓（Fragaria orientalis Losinsk.）、西南草莓[Fragaria moupinensis （Franch.） Cardot]和伞房草莓（Fragaria corymbosa Losinsk.）等。作为一个18世纪欧洲发现的野生森林草莓变种，高山草莓系列多拥有抗寒、高产、花期绵长、果实的风味和香气极佳等优秀表现[2]。对野生种质资源与高山草莓种质资源的开发在草莓育种方面有着极大的应用潜力。

在适应外界环境过程中，不同植物其叶片形态表现不同，叶片结构在解剖层面上也发生了部分变化，如表皮上角质层增厚、输导组织发达、气孔变小[3]，因此，植物抗旱性与叶片形态和解剖结构具有一定关系[4]。早在1956年，H.T.瓦西里也娃和董任瑞[5]对叶片自由水与结合水比例、原生质体黏度（即质壁分离与恢复时间与选择透过性的差异）进行比较，并对叶片与抗旱性关系进行宏观分析，结果表明，自由水和结合水的比例是衡量植物生理活性的一个指标，且植物仅有结合水不能存活;1983年，邱庆树等[6]通过对花生叶片气孔突变体和原品种上下表皮的气孔数量进行分析，总结出气孔数量越少抗旱性越强这一规律;1991年，夏明忠[7]首次引入隶属函数分析对不同品种蚕豆的生理抗旱性研究，隶属函数值越大，植物抗旱性越好;1996年，杨静慧和杨焕婷[8]通过对几种苹果属植物叶片的角质层厚度与抗旱性进行分析，得出抗旱性较强的植物叶片角质层较厚这一结论;1997年，李军等[9]对9种核桃叶片的解剖结构进行分析，首次引入了栅栏组织与叶肉组织比这一概念，为后期解剖学上栅栏组织与海绵组织比的出现奠定了基础。

本试验通过对5种草莓成熟叶片在光学显微镜下的解剖结构进行观察，探讨解剖学上草莓叶片结构与植株抗旱性的关系，为研究草莓的抗旱性栽培及抗旱性育种提供形态解剖学依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

东方草莓、黄毛草莓、森林草莓、木犀草莓和五叶草莓均取自天津农学院西校区设施温室——园林系草莓种质资源圃。

1.2 试验方法

试验于2019年2月开展，5种草莓各选取 10 株，每株选取中下部的 3 个叶片，徒手切片法制作叶片横切面的临时装片。采用Motic-BA410E光学显微镜观察，拍摄，并运用Motic显微分析软件对叶片各个指标进行测量，记录相应数据，按如下公式计算相应的指标。

叶片组织结构紧密度CTR=栅栏组织厚度/叶片厚度×100%

叶片组织结构疏松度SR=海绵组织厚度/叶片厚度×100%

栅海比P/S = 栅栏组织厚度/海绵组织厚度

气孔密度=固定面积内气孔个数/固定面积

1.3 数据处理与分析

抗旱性综合评价采用隶属函数分析法[4]。

隶属函数值计算公式：

U（xi）=（xi-xmin）/ （xmax-xmin）

式中，U（xi）为隶属函数值，xi为指标测定值，xmax、xmin为所有参试材料某一指标的最大值和最小值。

如果某一指标与抗旱性为负相关，则利用反隶属函数进行转换。计算公式：

U（ xi）=1-（ xi -xmin） /（ xmax -xmin）

文中数据采用Microsoft Excel2010进行计算，并采用SPSS 22软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 5种草莓叶片的表皮结构与抗旱性的比较

叶片结构中耐旱性强的植物角质膜厚度会较厚，由于蒸腾作用受到角质层限制，即降低蒸腾作用，减少水分散失，在干旱胁迫下提高植物体自身抗旱性[3]。由表1和图1可以看出，草莓叶片的角质膜厚度表现为黄毛草莓>东方草莓>森林草莓>木犀草莓>五葉草莓，其中，木犀草莓与五叶草莓间差异不显著（P>0.05），其他品种间差异均显著（P<0.05）。

表皮是叶片结构的基础，植物解剖结构中表皮越厚，其抗旱、隔热、持水能力一般均较强[11]。由表1可知，草莓上表皮和下表皮的厚度均表现为五叶草莓>黄毛草莓>木犀草莓>东方草莓>森林草莓，后3者上表皮厚度差异不显著（P>0.05），但下表皮厚度在东方草莓和木犀草莓差异不显著（P>0.05），二者显著高于森林草莓（P<0.05），其他种间上表皮和下表皮厚度差异均显著（P<0.05）;下表皮表现为五叶草莓>黄毛草莓>木犀草莓>东方草莓>森林草莓。

植物叶片表皮微结构中表观气孔大小与植物解剖上的抗旱性相关，植物表皮气孔愈小则气孔张闭能力越强，对于干旱逆境的抵抗力越强[10-11]。由表1可知，草莓气孔大小表现为五叶草莓>东方草莓>森林草莓>木犀草莓>黄毛草莓，前2者与后3者差异显著（P<0.05）。

邱庆树等[6]通过对花生叶片气孔突变体的研究，表明单位面积气孔密度越大抗旱性越差，越小则抗旱性越强。由表1可知，草莓气孔密度表现为木犀草莓>东方草莓>五叶草莓>森林草莓>黄毛草莓，东方草莓与五叶草莓、森林草莓与黄毛草莓差异不显著（P>0.05），其他种间差异均显著（P<0.05）。

2.2 5种草莓叶肉特征与抗旱性的比较

草莓叶片的叶肉分化为栅栏组织和海绵组织，栅栏组织呈紧密竖状排列状，有规则地垂直于上表皮，不同种类栅栏组织层数有差异，本试验测得草莓品种在2～4层（表2），海绵组织均为3层（表2），散乱排列，形状不规则，紧邻于下表皮。

栅栏组织厚度与抗旱性呈正相关[12];栅海比是表示栅栏组织发育程度的一个重要指标，其值越大，说明栅栏组织越发达。叶片的海绵组织厚度和叶片组织结构疏松度越大，抗旱性越弱[13]。由表2可知，叶片厚度和栅栏组织厚度均表现为黄毛草莓>五叶草莓>木犀草莓>森林草莓>东方草莓，其中黄毛草莓和东方草莓及二者与其他种间差异均显著（P<0.05）;海绵组织厚度表现为黄毛草莓>五叶草莓>木犀草莓>森林草莓>东方草莓，种间差异均显著（P<0.05）;栅海比表现为五叶草莓>黄毛草莓>东方草莓>森林草莓>木犀草莓，其中五叶草莓和木犀草莓及二者与其他种间差异均显著（P<0.05）;叶片组织结构紧密度和疏松度均表现为东方草莓>黄毛草莓>森林草莓>木犀草莓>五叶草莓，其中紧密度除木犀草莓与五叶草莓差异不显著（P>0.05）外，其他中间差异均显著（P<0.05），而疏松度在东方草莓和五叶草莓及二者与其他种间差异均显著（P<0.05）。

2.3 抗旱性综合评价

根据单一指标很难判断5种草莓的抗旱性强弱，故本文引入隶属函数综合评价法[14]，选取角质膜厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、气孔大小、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、CTR和SR等指标，对5种草莓的综合隶属函数进行计算（表3）。由表3可知，根据解剖结构指标所得5种草莓的抗旱性表现为五叶草莓>黄毛草莓>东方草莓>森林草莓>木犀草莓。

3 结论与讨论

干旱胁迫是现今农业领域的重要难题之一，随着抗旱性育种日益受到重视，对于亲本抗旱能力差异性辨析成为目前重要工作之一[15]。杨静慧和杨焕婷[8]在对苹果属植物叶片角质层厚度与抗旱性的关系研究中表明，叶片角质层越厚，其抗旱性越强。本试验中，5种草莓叶片角质膜厚度以黄毛草莓最大，其次是东方草莓，二者在综合评价结果中分别列居第2、3位次。表皮的厚度一定程度反映了植物叶片的贮水能力，在干旱胁迫下，植物叶片贮水对植物生理代谢活动有重大的影响。H.T.瓦西里也娃和董任瑞[5]在论植物叶片中自由水和束缚水的比例与植物抗旱性的关系中指出，较抗旱的植物能保持住自由水与束缚水的适当比列几乎一直到生长的末期;而抗旱性较弱的植物的这个比例，是朝着自由水减少的方向急剧变动，自由水的减少就会使植物生命活动降低。本试验中，5种草莓叶片上下表皮厚度均以五叶草莓最大，其次是黄毛草莓，二者在综合评价结果中分别列居第1、2位次。蒸腾作用作为植物体自身水分散失最主要途径，气孔的闭合控制能力与气孔的数量，同样也对植物体自身的抗旱性有着重要的作用。邱庆树等[6]在花生叶片气孔突变及其与抗旱性的关系研究中指出，气孔越少，抗旱性越强，反之，抗旱性越弱。本试验中，5种草莓中气孔以黄毛草莓气孔最小且气孔密度最低。叶肉结构中对抗旱性影响的主要因素包括栅栏组织与海绵组织比、叶片组织结构紧密度（CTR）和疏松度（SR），其中柵栏组织越厚则预期植物抗旱性会越强，海绵组织越厚则对植物抗旱性有所降低，即栅海比越高则反映植物抗旱性越强[16]。史晓霞等[12]在马蔺叶片解剖结构特征与其抗旱性关系研究中指出，抗旱种质材料的栅栏组织和海绵组织较发达，栅海比比较高。本试验中，5种草莓栅栏组织和海绵组织均以黄毛草莓最厚，而五叶草莓栅栏组织厚度虽排第2位但其海绵组织最薄，这应该是影响综合隶属函数对5种草莓抗旱性排名时五叶草莓优于黄毛草莓的主要因素之一。植物叶片组织结构紧密度（CTR）越高，植物体抗旱性越强，叶片组织结构疏松度（SR）越高，植物体抗性越差[16]。本试验中，5种草莓中叶片结构紧密度（CTR）和疏松度（SR）均以东方草莓最高，主要原因是东方草莓叶片厚度最低（表2）导致，其次是黄毛草莓，主要原因如前所述，即黄毛草莓栅栏组织和海绵组织均最厚，且叶片厚度也最厚。郭素娟和武燕奇[13]采用基于多项指标的隶属函数法对板栗叶片解剖结构特征及其与抗旱性的关系进行研究具有一定的可行性，同时，根据主要成分分析确定各指标的权重，可提高抗旱性评价的准确性。本试验通过隶属函数法综合评价5种草莓抗旱性，表现为五叶草莓>黄毛草莓>东方草莓>森林草莓>木犀草莓。

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