馬 勝，齊恩芳，文國宏，李 掌，曲亞英，鄭永偉，白永杰，賈小霞*

（1.甘肅省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省馬鈴薯種質資源創(chuàng)新工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.國家種質資源渭源觀測實驗站，甘肅 渭源 748201）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）用途廣泛，不僅關系到糧食安全，而且是解決貧困的支柱產業(yè)。近年來，隨著國家馬鈴薯“主糧化”戰(zhàn)略的推進，其在中國農業(yè)經濟中的地位更加突出。西北半干旱區(qū)是中國馬鈴薯的主產區(qū)和優(yōu)勢產區(qū)，但干旱往往導致產量低而不穩(wěn)。因此，研究馬鈴薯的抗旱性并進行科學評價具有重要的科學和實踐意義。植物在生長過程中，由于受光照、氣溫、水分等自然環(huán)境因子的影響，根、莖、葉、花、果、實等形成了一套獨特的外部形態(tài)特征[1]。作為與環(huán)境直接接觸的主要器官，葉片是光合作用和呼吸作用的主要場所，其結構特征最易受到環(huán)境條件的影響，在不同的選擇壓力下形成了適應各種逆境的差異類型，其形態(tài)與解剖結構特征也充分顯示了對不同生長環(huán)境的適應性[2]。目前，有關葉片形態(tài)特征與抗旱性的關系已受到很多學者關注[3,4]，研究表明，葉片厚度、中脈厚度、柵欄組織厚度、氣孔密度[5,6]、葉片上下表皮厚度、海綿組織厚度、柵海比、柵欄組織結構緊密度、海綿組織結構疏松度[7,8]等葉片解剖結構特征參數可作為植物抗旱性評價的重要指標。目前對于馬鈴薯抗旱性的比較多集中在水分生理指標、滲透調節(jié)指標、光合作用指標、活性氧清除系統(tǒng)及膜脂過氧化指標、內源激素指標、產量指標[9,10]等方面。秦天元等[11]和盧福順[12]分別研究了干旱脅迫對馬鈴薯根尖和葉片超微結構的影響，但基于葉片解剖結構對馬鈴薯不同品種進行抗旱性分析的研究還未見相關文獻報道。因此，本研究選取甘肅省主栽的4個馬鈴薯品種，對其葉片解剖結構進行觀測分析，并通過隸屬函數法綜合評價其抗旱性，旨在提供一些關于馬鈴薯抗旱栽培和抗旱育種方面的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為馬鈴薯栽培種‘隴薯6 號’‘隴薯10號’‘隴薯14 號’和‘莊薯3號’原種（甘肅省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所早熟育種研究室提供），試驗在甘肅省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所榆中試驗站抗旱棚中開展，抗旱棚土壤為黃棉土，土壤肥力中上等，播前施羊糞40 m3/hm2、硫酸鉀（K2O 50%）280 kg/hm2、磷酸二銨（P2O546%；N 18%）200 kg/hm2、尿素（N 46%）160 kg/hm2作基肥，澆透水后，于2020 年4月25 日土壤濕度適宜播種時露地平播，每品種3次重復，每重復2行，每行10株，行距60 cm，株距33 cm，播后不再澆水，直至盛花期采集葉片。榆中試驗站位于N 35.85°，E 104.12°，海拔1 960 m，年均氣溫6.7℃，年均降水量350 mm，無霜期120 d左右，屬溫帶半干旱區(qū)。

1.2 葉片組織結構觀察

葉片組織結構采用石蠟切片法進行觀察[13]。于2020年7月18日（盛花期）采集葉片，分別選取4個品種倒數第四個完全展開葉片，每個樣品3 次重復，自來水沖洗干凈后，橫切葉片中部約2 cm×2 cm組織，先用FAA固定液固定，再用二甲苯和無水乙醇進行處理后，制作石蠟切片，番紅固綠雙重對染后進行封膠。使用PANNORAMIC 全景切片掃描儀將組織切片上所有的組織信息都掃描成像形成一個文件夾，使用CaseViewer2.2掃描瀏覽軟件選取組織的目的區(qū)域進行200倍成像，成像完成后，葉片、上下表皮、葉片中脈、角質層、柵欄組織和海綿組織等各指標的厚度通過Image-Pro Plus 6.0軟件進行測量分析，各指標均為10次測量值的平均值，然后求出柵海比、柵欄組織結構緊密度（RT）和海綿組織結構疏松度（RL）。

柵海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度

RT（%）=柵欄組織厚度/葉片厚度×100

RL（%）=海綿組織厚度/葉片厚度×100

用Image-Pro Plus 6.0軟件分別測量每張切片中6個氣孔的寬度，并測量對應的12個保衛(wèi)細胞的縱軸長與橫軸長、整個組織的長度；分別計數組織上氣孔數量與葉脈數量，計算出單位長度上氣孔密度（n/mm）、單位長度上葉脈數量。

氣孔密度（n/mm）=氣孔數量/整個組織的長度

葉脈密度（n/mm）=葉脈數量/整個組織的長度

1.3 數據處理及分析

用Microsoft Office Excel 2010進行數據的初步處理，DPS V 3.01 統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析；試驗結果的差異顯著性用Duncan's分析，所有數據均為平均值±標準差。用模糊數學隸屬函數法對不同品種進行抗旱性評價[14]，先求每個品種所有單一指標的隸屬函數值，再計算不同品種所有指標的平均隸屬函數值，平均隸屬函數值的大小，分別代表抗旱性的強弱。與抗旱性呈正相關指標的隸屬函數值用公式X（μ1）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）計算，與抗旱性呈負相關指標的隸屬函數值用公式X（μ2）=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）計算，式中X表示某一品種某一指標的測定值，Xmin表示4個品種中某一指標的最小值，Xmax表示4個品種中某一指標的最大值。

2 結果與分析

2.1 不同馬鈴薯品種葉片解剖結構共同特征

馬鈴薯葉片橫切面解剖結構的基本組成相同（圖1），即葉片為異面葉，由上表皮、柵欄組織、海綿組織和下表皮組成，上表皮厚度和上表皮細胞都較大，下表皮厚度和下表皮細胞均較小且不規(guī)則。柵欄組織在上表皮下面，均由1層排列較緊密的長柱型細胞構成；在柵欄組織與下表皮之間的海綿組織，由排列疏松且形狀不規(guī)則的細胞組成。

圖1 不同馬鈴薯品種葉片橫切面Figure 1 Cross-sections of different potato variety leaves

2.2 不同馬鈴薯品種葉片顯微結構對比

不同品種馬鈴薯葉片的解剖特征參數量化上存在一定的差別（表1）?！f薯3 號’葉片厚度最大（178.32 μm），顯著高于其他3個品種；‘隴薯10號’葉片厚度（170.62 μm）位居第二，顯著高于‘隴薯6號’和‘隴薯14號’；‘隴薯14號’和‘隴薯6號’的葉片厚度較小，分別為157.64 和153.62 μm，二者有差異，但未達到顯著水平?！f薯3號’的上表皮厚度最大（24.28 μm），顯著高于其他3個品種；其余3個品種的上表皮厚度依次為‘隴薯6 號’（21.86 μm）、‘隴薯10號’（20.97 μm）和‘隴薯14號’（20.85 μm），他們之間互相都未達到顯著水平?！f薯3號’的下表皮厚度最大（15.24 μm），顯著高于其他3 個品種；其余3個品種的下表皮厚度依次為‘隴薯14號’（14.90 μm）、‘隴薯6號’（14.53 μm）和‘隴薯10號’（12.58 μm），‘隴薯14號’和‘隴薯6號’有差異，但差異不顯著，但都顯著高于‘隴薯10 號’。角質層厚度依次為‘隴薯 6 號’（5.69 μm）、‘隴薯 10 號’（5.14 μm）、‘莊薯3 號’（5.09 μm）和‘隴薯14 號’（4.62 μm），其中‘隴薯14 號’顯著低于其他3 個品種。中脈厚度依次為‘隴薯14號’（1.21 mm）、‘隴薯6號’（1. 11 mm）、‘隴薯10號’（1.05 mm）和‘莊薯3號’（0.98 mm），其中‘莊薯3號’顯著低于其他2個品種?！f薯3號’的柵欄組織厚度（63.88 μm）和海綿組織厚度（74.55 μm）都最大，顯著厚于其他3個品種（‘隴薯10號’海綿組織厚度除外）；柵欄組織厚度和海綿組織厚度最小的品種分別為‘隴薯14 號’（55.06 μm）和‘隴薯6號’（67.77 μm），小于其他3個品種。各品種的柵海比、葉片RT和葉片RL雖然存在差異，但均未達到顯著水平。

表1 不同馬鈴薯品種葉片解剖結構比較Table 1 Comparisons of anatomical structures of different potato variety leaves

2.3 不同馬鈴薯品種葉脈氣孔特征對比

4個馬鈴薯品種的葉脈氣孔特征見表2。保衛(wèi)細胞縱軸長依次為‘莊薯3號’（11.66 μm）＞‘隴薯6號’（11.16 μm）＞‘隴薯14號’（10.83 μm）＞‘隴薯10號’（10.47 μm），其中‘莊薯3 號’顯著高于‘隴薯10號’，與其他品種差異不顯著。保衛(wèi)細胞橫軸長依次為‘莊薯3號’（8.47 μm）＞‘隴薯6號’（8.25 μm）=‘隴薯10號’（8.25 μm）＞‘隴薯14號’（8.19 μm），各品種間有差異，但差異不顯著。氣孔寬度值最大的是‘隴薯 14 號’（2.02 μm），顯著高于其他 3 個品種，其余3 個品種的氣孔寬度依次為‘隴薯6 號’（1.98 μm）、‘莊薯3 號’（1.77 μm）和‘隴薯10 號’（1.59 μm），他們之間有差異，但互相都未達到顯著水平?！f薯3 號’氣孔密度值最大（3.49 n/mm），顯著高于其他品種，‘隴薯6 號’氣孔密度值最?。?.73 n/mm），顯著低于其他品種（‘隴薯14 號’除外）。葉脈密度依次為‘莊薯3號’（4.84 n/m）＞‘隴薯6號’（4.01 n/mm）＞‘隴薯10號’（3.75 n/mm）＞‘隴薯14號’（3.70 n/mm），其中‘隴薯10號’和‘隴薯14號’之間無顯著差異，其余品種間差異顯著。

表2 不同馬鈴薯品種葉片氣孔結構的比較Table 2 Comparisons of stomatal structures of different potato variety leaves

2.4 抗旱性比較

由不同馬鈴薯品種葉片特征參數可以看出，單一指標并不能準確反映不同品種抗旱性的強弱，運用隸屬函數法對葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵海比、柵欄組織結構緊密度、海綿組織結構疏松度、中脈厚度、氣孔寬度和氣孔密度等抗旱相關的葉片解剖結構特征參數的隸屬函數值進行累加求平均值，綜合評價參試品種的抗旱能力（表3），均值越大抗旱性越強，4個參試品種的抗旱性強弱依次為‘莊薯3號’＞‘隴薯10號’＞‘隴薯6號’＞‘隴薯14號’。

表3 馬鈴薯葉片9個指標隸屬函數值及抗旱性綜合評價Table 3 Membership function values of nine indexes of potato leaves and comprehensive evaluation of drought resistance

3 討 論

作為與環(huán)境直接接觸的植物器官，葉片是植物對環(huán)境變化最敏感的器官之一，其形態(tài)特征能夠反映植物對干旱環(huán)境的適應能力，因此眾多研究以葉片解剖結構作為評價植物抗旱性的重要指標[5-9]。研究表明，不同種類植物的葉片結構具有明顯的差異[15]，同種植物葉片的解剖結構也表現出明顯的差異[16,17]。在本研究中，4個馬鈴薯品種葉片均由角質層、上表皮、柵欄組織、海綿組織、下表皮和氣孔構成。在葉片顯微結構上均具有不同程度的防止水分散失的形態(tài)解剖特征，如上表皮細胞外附著有不透水的角質層，不但可以降低馬鈴薯的過度蒸騰作用以保持水分，而且通過其較強的折光性避免過強日照引起的損傷[18,19]；上下表皮氣孔的均勻分布可以很好地散熱，從而避免因熱害而使原生質及葉綠體變性[20,21]。

參試馬鈴薯葉片雖然具有以上共同特征，但不同品種葉片的解剖結構特征參數值之間均顯示出不同程度的差異，表現出各品種在生長過程中對環(huán)境適應的結果。關于葉片解剖結構特征與抗旱性關系的研究結果表明，葉片越厚、柵欄組織厚度越大、柵欄組織結構緊實度越大、柵海比值越高，植物的抗旱性越強，反之則抗旱性越差[3,4,22]。本研究中，不同品種葉片厚度在153.62～178.32 μm，其中‘莊薯3號’最大，‘隴薯6號’最小，表明從葉片厚度來看，‘莊薯3號’的抗旱性最強，‘隴薯6號’抗旱性最差?！f薯3 號’的柵欄組織厚度和柵海比都最大，‘隴薯14號’最小，表明從柵欄組織厚度和柵海比來看，‘莊薯3號’的抗旱性最強，‘隴薯14號’最差。海綿組織厚度越大，海綿組織疏松度越大，葉片抗旱性越差[22,23]。不同品種馬鈴薯葉片的海綿組織厚度和海綿組織疏松度分別為67.77～74.55 μm和41.79%～44.35%，海綿組織最厚的是‘莊薯3 號’，最薄的是‘隴薯6號’，而海綿組織疏松度最大的是‘隴薯6號’，最小的是‘莊薯3號’，如果從海綿組織厚度和海綿組織疏松度分別評價，二者體現的抗旱性強弱剛好相反。葉片中脈不僅起支持作用，還主要負責水分和養(yǎng)分的輸送與貯存，中脈厚度越大，抵御干旱的能力越強[24]。不同品種的平均中脈厚度為1 084.67 μm，最厚為‘隴薯14號’，最薄為‘莊薯3號’，說明‘隴薯14號’抗旱性最強，‘莊薯3號’抗旱性最差；氣孔作為植物與外界進行氣體和水分交換的主要通道，是影響植物光合和蒸騰作用的重要因素，氣孔越密越有利于植物進行光合作用；葉脈密度是影響水分運輸的重要因素，葉脈越發(fā)達，葉片運輸水分的能力越強，抗旱性強的品種都具有葉脈密度和氣孔密度高的特征[25,26]。通過對4個品種葉片的氣孔和葉脈進行觀測，發(fā)現氣孔密度最大為‘莊薯3號’，最小為‘隴薯6號’，分別顯著高于和低于其他品種；葉脈密度最大為‘莊薯3號’，最小為‘隴薯14號’，分別顯著高于和低于其他品種；如果從氣孔密度和葉脈密度分別評價，二者體現的抗旱性最強的品種一致，均為‘莊薯3號’，但抗旱性最弱的品種并不一致。

以上分析表明，馬鈴薯葉片各解剖結構參數與抗旱性之間并無絕對的相關性，抗旱性的強弱不能完全由單一指標體現。隸屬函數分析方法提供了一種在多指標測定基礎上對某種特性綜合評價的途徑[27]，馬鈴薯葉片解剖結構參數蘊含眾多的內容，為了防止單一指標的局限性，利用隸屬函數分析方法進行綜合評價。因此，本研究采用隸屬函數法對參試品種的抗旱性進行評價，其中葉片厚度、柵欄組織厚度、柵欄組織結構緊實度、柵海比和氣孔密度與抗旱性呈正相關，用公式X（μ1）=（X-Xmin）（/Xmax-Xmin）計算；海綿組織厚度和海綿組織疏松度與抗旱性呈負相關，用公式X（μ2）= 1-（X-Xmin）（/Xmax-Xmin）計算。綜合評價結果顯示，參試品種的抗旱性強弱依次為‘莊薯3 號’＞‘隴薯10 號’＞‘隴薯6號’＞‘隴薯14號’，其中‘隴薯10號‘’隴薯6號’和‘隴薯14號’的抗旱性強弱順序與賈小霞等[28]以PEG脅迫下馬鈴薯幼苗抗逆生理指標為評價依據的研究結果一致。