不同玉米材料的叶片表观结构特征_蔡青.pdf

农技服务2023，40（6）：1014投稿网址http：/不同玉米材料的叶片表观结构特征蔡青1,张云霄1,吴双智1,范弘伟2*,郭新梅1（1.青岛农业大学农学院，山东 青岛 266109；2.金苑（北京）农业技术研究院有限公司，北京 100097）摘要为玉米产量和品质的研究提供基础理论依据，对不同直链淀粉含量的玉米材料在播种后60 d的叶片表皮细胞面积及密度、气孔面积及密度、维管束面积及数目的形态结构差异进行分析，以确定不同类型玉米的叶片表观结构特征。结果表明：不同玉米材料的叶片形态存在差异。1）表皮细胞，昌7-2的上表皮细胞面积最大，为582.72 m2；NS39的下表皮细胞面积最大，为491.35 m2；表皮细胞密度的大小与面积呈反比；2）气孔，NS39的上表皮细胞气孔面积最大，为 243.82 m2；郑 58的上表皮细胞气孔密度最大，为9.04个/mm2；P138的下表皮细胞气孔面积最大，为 423.27 m2；B19-1的下表皮细胞气孔密度最大，为11.30 个/mm2；3）维管束，极早白的维管束面积最大，为 6 066.07 m2；黑 478 的维管束数目最多，为11.9个；不同自交系间的维管束面积和数目差异较小。关键词玉米；叶片；表观结构；特征玉米被认为是除小麦和水稻外最重要的粮食作物和经济作物1。作为我国第一大作物，在保障国家粮食安全中占有重要地位2，且玉米在食用、牲畜饲料、工业生产原料、药用等方面也具有重要作用。因此，提高玉米产量、改良玉米品质刻不容缓。叶片是植物的功能器官，是植物进行光合作用和呼吸作用的重要场所，是玉米光合产物形成的主要“源”，对玉米产量和质量的贡献巨大，故了解玉米叶片微观结构特征有着重要意义3。叶片结构的不同可能会引起植物生理活动进行的程度不同，从而使植物体内各种物质含量有所差异。叶片结构特征主要包括表皮细胞、气孔、维管束等。研究者就外部环境条件，如水分胁迫、光照条件、种植密度等方面对玉米叶片内部结构的影响进行研究发现，随着透光率的增加，上、下表皮厚度和叶片厚度显著增加4。玉米叶片气孔的显微结构在水分胁迫下发生规律性变化，植物通过叶片蒸腾剧烈失水，导致叶片水势产生变化，主要表现为气孔开度逐渐变小直至关闭，叶片蒸腾速率下降，且不同基因型玉米表现不同5-7。玉米胚乳中的淀粉，由不同比例的直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）组成。直链淀粉与支链淀粉的比例一定程度上决定淀粉的物理化学特性，从而决定玉米的最终应用范围。试验根据直链淀粉含量的不同选取9个玉米材料，一是普通玉米，包括郑58、昌7-2、P138；二是高直链淀粉玉米，包括B19-1、B26-5、NS39；三是支链淀粉玉米，即糯玉米，包括仁白、极早白、黑478。从叶片表皮细胞、气孔、维管束3个方面对9个玉米材料播种后60 d的叶片结构进行观察和分析，以确定不同类型玉米的叶片表观结构间的关联，以期为玉米产量和品质的研究提供参考。1 1材料与方法1 1.1 1试验材料当地种植普通玉米材料郑 58、昌 7-2、P138，直链淀粉含量分别为27.5%、24.6%、28.5%；高直链淀粉玉米材料NS39、B26-5、B19-1，直 链 淀 粉 含 量 分 别 为 51.8%、62.7%、60.7%；支链淀粉玉米（糯玉米）材料黑478、极早白、仁白直链淀粉含量均为0%4%，采集播种后第 60 d 的叶片，制成永久切片。收稿日期 2022-10-24基金项目 山东省农业良种工程（2022LZGC006）作者简介 蔡青（1998），女，在读硕士，研究方向：玉米分子育种。E-mail：*通讯作者：范弘伟（1972），男，副研究员，从事玉米育种工作。E-mail：6期蔡青等不同玉米材料的叶片表观结构特征1 1.2 2指标测定及计算1.2.1表皮细胞长度和宽度将玻片置于1010倍光学显微镜下，利用显微镜物镜测微尺（物尺）标定目镜测微尺（目尺）的方法测定顺次选取的 10 个观测点细胞的长度和宽度，物尺的每一个小格代表5 m，每个材料重复测定4次。1.2.2表皮细胞密度将玻片置于1010倍光学显微镜下观测，每个玉米材料的每一观察玻片随机顺次选取10个观测点，计数一个固定视野内上下表皮细胞的个数K，再用K值除以固定视野的面积 S1，即为叶片表皮细胞的密度P，即PK/S1。1.2.3表皮细胞面积表皮细胞面积（S2）表皮细胞的长度（a）表皮细胞的宽度（b）1.2.4气孔密度将玻片置于1010倍光学显微镜下观测，计数一个固定视野内上下表皮细胞的气孔数N，再用气孔数N除以固定视野的面积 S3，即为叶片表皮细胞的气孔密度p，即pN/S3。1.2.5气孔长度和宽度将玻片置于 1010倍光学显微镜下，利用显微镜物镜测微尺（物尺）标定目镜测微尺（目尺）的方法测定所看到气孔的长度（开度）和宽度（图1），每个材料重复4次。气孔在正常情况下，有开放和关闭2种生理状态，在测量过程中，有些气孔处于关闭状态，无法测量其面积，试验仅对开放的气孔进行测量。图1 1气孔开放生理状态下结构图1.2.6气孔面积玉米的气孔通常情况下会呈现开放和关闭两种生理状态。试验均以开放气孔计数其间隙的长和宽，气孔面积气孔长度气孔宽度。1.2.7维管束直径玉米的维管束根据大小和结构可分为2类：一类是小维管束，多处于组织边缘，面积较小，结构不完整，大多数只有木质部；另一类是大维管束，其面积相对较大且处于组织中央，结构完整，木质部与韧皮部发育良好，易于进行观察，且在维管束系统中起主要的功能作用8，因此，试验均以大维管束计算其直径和面积。通过观察，目测到含有最大直径维管束的视野，再用测微尺准确测定其直径 d。根据周宇飞等8的计算公式，维管束的面积以近圆d2/16计算，维管束数目即为上述的固定视野内的个数。1.2.8显微镜视野直径和面积计算（10，物尺）物尺放在视野直径线计算直径，视野面积S=（d/2）21 1.3 3数据处理应用DPS 17.5对9个玉米材料上、下表皮细胞的面积及细胞的密度，上、下表皮细胞气孔密度、气孔的面积及叶片维管束的面积数目进行差异显著性分析（P0.05）。2 2结果与分析2 2.1 1不同玉米材料的叶片表皮细胞面积及密度由表1可知，不同玉米材料的表皮细胞面积不同。昌 7-2 的上表皮细胞面积最大，为582.72 m2，与郑 58、极早白、B26-5、NS39间无显著差异；P138的上表皮细胞面积最小，为337.07 m2，与黑478、B19-1、仁白间无显著差异。NS39的下表皮细胞的面积最大，为491.35 m2，与极早白（475.05 m2）、昌7-2间无显著差异。仁白的下表皮细胞面积最小，为244.32 m2，与P138、黑478、B26-5间无显著差异，与其他材料间差异显著。9个玉米材料的上、下表皮细胞密度最大的分别为仁白（123.36 个/mm2）和 B26-5（100.65 个/mm2）；最小的均为昌 7-2，分别为 100.41 个/mm2和 81.16 个/mm2。一般而言，单个表皮细胞面积减少，表皮细胞密度会增加，进而使单位叶面积的细胞数目增多，细胞的总表面积变大，光合膜面积增大，有利于提高叶片整体的光合效率4。11农技服务表1 1不同玉米材料叶片表皮细胞面积及密度类别普通玉米支链淀粉玉米高直链淀粉玉米材料郑58昌7-2P138仁白极早白黑478B19-1B26-5NS39上表皮细胞面积/m2509.75 a582.72 a337.07 c398.17 bc478.62 ab340.01 c338.06 c501.56 a545.80 a下表皮细胞面积/m2391.71 bc422.24 ab312.65 cde244.32 e475.05 a295.60 de323.37 cd314.51 cde491.35 a上表皮细胞密度/(个/mm2)121.36 ab100.41 d105.16 bcd123.36 a107.34 cd113.19 abc104.46 bcd121.63 a103.35 bcd下表皮细胞密度/(个/mm2)86.56 ab81.16 c90.87 abc99.44 a91.98 abc94.24 a87.72 ab100.65 a83.10 bc注：数据为测定的平均值；同列不同小写字母表示差异显著（P0.05），下同。2 2.2 2不同玉米材料的叶片气孔面积及密度植物叶片的气孔是植物与外界环境进行气体交换的场所，对于助力玉米生长，增加玉米产量具有重要意义9。气孔的运动受光照、二氧化碳浓度、温度、湿度及叶片含水量等因素影响，在负责植物与外界进行气体交换的同时，防止水分散失，保证植物光合和呼吸作用能正常进行10。研究表明，植物可通过对气孔开闭的调节，对一些非生物胁迫进行响应，如受高温胁迫且胁迫温度在耐受范围内时，植物通过增大其叶片气孔开度加快水分散失，降低叶片温度，从而适应高温环境，另外，高温胁迫也能改变叶片气孔的分布11。由图2和图3可知，不同玉米材料的气孔结构特征不同。上表皮细胞中气孔面积以NS39 最大，为 243.82 m2；B19-1 最小，为101.84 m2。下表皮细胞气孔面积以 P138最 大，为 423.27 m2；B19-1 最 小，为31.34 m2。上表皮细胞气孔密度以郑58最大，为 9.04 个/mm2，P138 最小，为 3.76 个/mm2。下表皮细胞密度以 B19-1 最大，为11.30 个/mm2，昌 7-2 最 小，为 5.27 个/mm2。综上，上表皮气孔面积大于下表皮气孔面积，密度与之相反。图2 2不同玉米材料叶片表皮气孔面积 126期蔡青等不同玉米材料的叶片表观结构特征图3 3不同玉米材料叶片表皮气孔密度2 2.3 3不同玉米材料叶片的维管束数目及面积维管束是叶片结构中十分重要的部分，主要作用是为植物体运输水分、无机盐和有机养料等，也有支持植物体的作用，其形态特征对叶片结构有一定影响12。从表2可知，各玉米材料的维管束面积不同。其中，极早白的维管束面积最大，为6 066.07 m2，显著大于 P138、郑 58，与其余材料间无显著差异；郑 58 的维管束面积最小，为 3 925.50 m2。黑478的维管束数目最大，为11.90个，显著高于其他品种玉米材料；极早白的维管束数目最小，为7.92个，显著低于其他玉米材料。其余玉米材料间无显著差异。表2 2不同玉米材料叶片的维管束数目和面积类别普通玉米支链淀粉玉米高直链淀粉玉米材料郑58昌7-2P138仁白极早白黑478B19-1B26-5NS39维管束面积/m23 925.50 b4 463.99 ab4 037.87 b5 454.51 ab6 066.07 a5 639.63 ab4 311.25 ab5 765.01 ab4 562.35 ab维管束数目/个10.24 b10.07 b10.16 b9.70 b7.92 c11.90 a10.33 b10.56 b10.29 b3 3讨论与结论研究者通过遗传和改良选育出许多新的玉米材料类型，大大提高玉米的品质和产量。高直链淀粉玉米是指玉米淀粉中直链淀粉含量在5585的特用型玉米，其含有的直链淀粉的物理和化学性质与其他玉米类型不同，被应用于食品、医疗、电子芯片等众多领域。直链淀粉可用于生产一种半透明纸，该纸不透氧气和氮气，较少透二氧化碳和脂肪，且可食用，多用于面包酶的包装，在食品工业中的用途广泛13。鲜食糯玉米含有大量的支链淀粉、维生素和植物油，具有较高的营养价值和经济价值，深受人们的喜爱和重视14。根据源库学说，“源”通过光合作用制造的有机物必须通过输导组织运送给“库”，才能形成籽粒产量，因此，输导系统是否畅通对产量形成起着十分重要的作用15。叶片是植物进行光合作用的重要场所，而气孔又是光合作用的原料（二氧化碳和产物氧气）交换的通道，气孔数目越多，可增加二氧化碳的吸收量，为光合作用提供更多原料，放出更多氧气，有利于植物进行光合作用16；维管束发育与外界环境条件、玉米类型有密切关系17，作为植物有机物输送的通道，起着“流”的重要作用18；叶片表皮细胞起保护作用，表皮细胞上的泡状细胞又能控制叶片的平展与卷曲，还与植物的抗旱性和抗盐性有关19。叶片结 13农技服务构在植物防御生物和非生物胁迫方面起着重要作用，可通过合成、储存和分泌次生代谢产物提高植物抗性20，对玉米的生理活动和产量有重要影响，故不同类型玉米的叶片结构不同，玉米的生长发育及产量间存在差异。试验中3个支链淀粉玉米的维管束面积较大，且极早白、仁白的维管束数目较小，而黑478的维管束数目最大，维管束较大有利于物质的流通和输送，对玉米产量的影响较大；普通玉米类型的3个玉米品种的维管束面积较小，维管束数目与高直链淀粉玉米相差不大；高直链淀粉玉米B26-5的维管束面积及数目均较大，但 NS39、B19-1的维管束面积较小，维管束数目较大。各材料间的叶片气孔面积间差异不同，普通玉米P138的叶片气孔面积最大，高直链淀粉玉米B19-1的叶片气孔面积最小。研究结果表明，不同玉米材料的叶片形态存在差异，在表皮细胞面积方面，昌7-2的上表皮细胞面积最大，为582.72 m2；NS39的下表皮细胞面积最大，为491.35 m2；表皮细胞密度的大小与面积呈反比；气孔方面，NS39 的 上 表 皮 细 胞 气 孔 面 积 最 大，为243.82 m2；郑58的上表皮细胞气孔密度最大，为9.04个/mm2；P138的下表皮细胞气孔面积最大，为423.27 m2；B19-1的下表皮细胞气孔密度最大，为11.30个/mm2；维管束方面，极 早 白 的 维 管 束 面 积 最 大，为6 066.07 m2；黑478的维管束数目最大，为11.9个；不同自交系间的维管束面积和数目差异较小。参考文献 1 张桓语.密度与施肥量对玉米沈农T100农艺性状及产量的影响 D.沈阳：沈阳农业大学，2021.2 王富贵，于晓芳，高聚林，等.不同类型玉米品种冠层结构及其光合特性对深松增密的响应 J.西北农林科技大学学报（自然科学版），2019，47（2）：33-44.3 张学鹏，李腾，王彪，等.玉米叶片“源”的高温胁迫阈值研究 J.作物杂志，2021（2）：62-70.4 赵立华，胡中会，李成云，等.不同遮光程度对玉米叶片结构的影响J.中国农学通报，2012，28（6）：43-46.5 于海秋，武志海，沈秀瑛，等.水分胁迫下玉米叶片气孔密度、大小及显微结构的变化 J.吉林农业大学学报，2003（3）：239-242.6 张玉顺，路振广，张明智，等.冬小麦叶片气体交换参数对水分胁迫的响应J.灌溉排水学报，2020，39（12）：32-40.7 刘文娟，常丽娟，岳丽杰，等.两个玉米品种维管束鞘叶绿体的非光化学淬灭对干旱胁迫的响应 J.中国农业科学，2020，53（8）：1532-1544.8 周宇飞，史振声，吕德贵，等.种植密度对不同耐密性春玉米基部茎节维管束及根系伤流的影响 J.西北植物学报，2013，33（3）：518-526.9 张曦文，陈发兴.光质对苗期玉米叶片气孔和光合作用及叶绿素荧光的影响 J.东南园艺，2018（6）：13-18.10成雪峰.植物气孔及其运动机理概述 J.生物学教学，2013，38（12）：7-9.11白万鹏，李虎军，刘林波，等.植物气孔与角质层蜡质响应非生物胁迫的研究进展 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