付曉雅，沈 震，朱玉寧，李中勇，劉文田，徐繼忠

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，河北 保定 071001；2. 河北省曲陽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 曲陽 073100）

矮化密植是世界蘋果栽培發(fā)展的總趨勢(shì),應(yīng)用矮化品種是實(shí)現(xiàn)密植栽培的重要途徑之一［1‐2］。短枝型蘋果以短枝結(jié)果為主,樹體矮小，樹形緊湊，短枝系數(shù)和萌芽率高,結(jié)果早，產(chǎn)量好［3‐4］，比普通型蘋果矮化20%或更多［5］。短枝型蘋果多數(shù)由芽變而來,少數(shù)是經(jīng)誘變、雜交選育等手段獲得［6］。這類資源與喬砧結(jié)合,采用密植栽培可克服喬砧密植單產(chǎn)低、果實(shí)品質(zhì)差、費(fèi)工、技術(shù)復(fù)雜、推廣難度大等問題；與矮化中間砧相結(jié)合,實(shí)行“雙矮”密植栽培可實(shí)現(xiàn)早果、豐產(chǎn)[7‐8]。多年來,國內(nèi)外在短枝型蘋果品種選育、特性特征、變異機(jī)制以及遺傳機(jī)制研究等方面都取得了較大進(jìn)展［9］。

導(dǎo)管分子是植物木質(zhì)部的重要組成細(xì)胞之一，其主要功能是輸導(dǎo)水分和礦質(zhì)元素，木質(zhì)部水分輸導(dǎo)功能主要受導(dǎo)管形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。因此，研究導(dǎo)管分子形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)揭示樹體致矮機(jī)制有重要意義。楊佩芳等［10‐11］對(duì)蘋果短枝型品種研究結(jié)果表明，短枝型品種較普通型品種導(dǎo)管分子顯著地窄而短,導(dǎo)管細(xì)胞密度、導(dǎo)管直徑明顯小于普通型品種。陳靜等［12］對(duì)不同品種蘋果枝條解剖發(fā)現(xiàn)，凡導(dǎo)管密度大、所占木質(zhì)部百分比高的品種，生長勢(shì)強(qiáng)于密度小、所占木質(zhì)部百分比低的品種。郭學(xué)民等［13］研究表明，矮生桃樹導(dǎo)管分子長度與直徑均比喬生桃樹小。王秀娟等［14］發(fā)現(xiàn),矮生型梨砧木導(dǎo)管分子長度與直徑顯著小于普通型梨砧木。但是，前人研究多集中于導(dǎo)管分子特征參數(shù)或管腔大小某一方面，內(nèi)容單一，不夠系統(tǒng)，關(guān)于短枝型富士與普通型富士導(dǎo)水率差異更是鮮見報(bào)道。鑒于此，選擇普通型富士和短枝型富士作為試材，對(duì)不同品種的樹體大小、枝類組成、導(dǎo)管特征參數(shù)及最大導(dǎo)水率進(jìn)行比較分析，從解剖方面研究其影響輸水效率的機(jī)制，探索短枝型品種矮生機(jī)制，從而為植物生長發(fā)育規(guī)律研究提供解剖學(xué)證據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在河北省保定市曲陽縣劉家馬村綠陽果園進(jìn)行。供試材料選用普通型品種富士冠軍、昌紅，短枝型品種禮泉短枝、天紅2號(hào)，嫁接在SH40中間砧上，樹齡為5 a，株行距為2 m×4 m，果園為常規(guī)管理，灌溉便利。選取樹勢(shì)健壯、長勢(shì)一致蘋果樹為試材，每個(gè)品種設(shè)3 次重復(fù)。選取樹體中上部外圍1 年生枝，每棵樹隨機(jī)選取3～5 個(gè)枝條，帶回實(shí)驗(yàn)室用于導(dǎo)管特征的觀察、導(dǎo)水率的測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樹體結(jié)構(gòu)參數(shù) 于2019—2020 年連續(xù)2 a 對(duì)富士系品種進(jìn)行樹相調(diào)查，具體方法為秋季落葉后用鋼卷尺測(cè)量樹高、枝展、外圍1 年生枝長。樹高：測(cè)量中間砧嫁接口到生長點(diǎn)之間的距離；枝展：分別測(cè)量東西、南北最外圍枝條之間距離；外圍1年生枝長度：隨機(jī)選取樹冠外圍1 年生枝條10 個(gè)，用卷尺進(jìn)行測(cè)量。干周：用卷尺測(cè)量中間砧嫁接口上部10 cm 處的粗度；枝類組成調(diào)查方法：落葉后分別統(tǒng)計(jì)單株樹體的短枝（<5.0 cm）、中枝（5.0～15.0 cm）、長枝（>15.0 cm）數(shù)量。

1.2.2 枝條解剖結(jié)構(gòu) 新鮮材料用FAA 液固定，用于解剖結(jié)構(gòu)觀察。徒手切片，然后利用顯微攝像系統(tǒng)照相，用圖像處理軟件進(jìn)行木質(zhì)部導(dǎo)管個(gè)數(shù)、木質(zhì)部導(dǎo)管管腔面積統(tǒng)計(jì)，每棵樹重復(fù)9次，導(dǎo)管密度為單位面積內(nèi)導(dǎo)管個(gè)數(shù)，管腔直徑為同面積圓的直徑，導(dǎo)管總面積占木質(zhì)部比例＝管腔面積×導(dǎo)管密度×100%。

1.2.3 導(dǎo)管分子形態(tài)特征觀察 供試材料為枝條中部莖段，去皮后，將木質(zhì)部切成長×寬×高為1.0 cm×0.3 cm×0.3 cm 的小段作為樣品。將樣品放入青霉素小瓶中，加入10%鉻酸和10%硝酸等量離析液，置于30 ℃培養(yǎng)箱中離析1～2 d，中間可多次更換離析液，材料軟化后，用清水反復(fù)漂洗至酸性去除，離析后的材料放于50%乙醇中保存?zhèn)溆?。觀察時(shí)材料從50%乙醇中取出，1%番紅染色，制作臨時(shí)裝片。用上海比目儀器有限公司產(chǎn)BM2030E 型生物顯微鏡觀察，并采用ToupCam 攝像裝置拍攝，顯微圖像測(cè)量分析軟件Toup-View 測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)測(cè)量90 個(gè)導(dǎo)管分子的長度、寬度、端壁尾長、端壁傾斜角，取平均值，并統(tǒng)計(jì)導(dǎo)管分子中單尾導(dǎo)管數(shù)、無尾導(dǎo)管數(shù)、雙尾導(dǎo)管數(shù)，計(jì)算每種導(dǎo)管分子占比。

1.2.4 導(dǎo)水率測(cè)定 參照靳欣［15］的方法測(cè)定導(dǎo)水率。選取長度大于50 cm的枝條，在水中剪取3 cm長的莖段，用0.45 μm 微孔過濾器抽濾的0.025 mol/L KCl 溶液作為測(cè)定溶液和沖洗液。先用0.175 MPa壓力差推動(dòng)KCl 溶液流過枝條，沖去莖段所有氣穴栓塞后，將壓力調(diào)為5 kPa，使KCl 溶液在低壓狀態(tài)下流過莖段，流出液接到一個(gè)收集瓶中，該瓶放置在與電腦連接天平上，將莖段的直徑和長度值輸入電腦LPFM 軟件，通過LPFM 測(cè)定軟件獲取天平讀數(shù)隨時(shí)間的變化值并計(jì)算枝條的導(dǎo)水率。測(cè)定時(shí)每5 s 記錄一個(gè)值，直至其相對(duì)穩(wěn)定，即為枝條的最大導(dǎo)水率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 富士蘋果樹體結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

2.1.1 不同類型樹體大小 短枝型品種較普通型品種樹體矮小，樹形緊湊。由表1 可知，在2019—2020 年連續(xù)2 a 時(shí)間里，普通型品種富士冠軍、昌紅的樹高顯著高于短枝型品種禮泉短枝、天紅2 號(hào)。2019年樹高從大到小依次為富士冠軍（336.33 cm）、昌紅（331.00 cm）、天紅2 號(hào)（267.00 cm）、禮泉短枝（263.00 cm），2020年樹高從大到小依次為富士冠軍（405.67 cm）、昌紅（381.33 cm）、禮泉短枝（278.00 cm）、天紅2 號(hào)（242.00 cm）。在連續(xù)2 a 中，普通型品種的干周也高于短枝型品種，2019 年，富士冠軍、昌紅的干周分別為20.96、21.98 cm，而禮泉短枝、天紅2 號(hào)的干周為18.23、17.09 cm。2020 年，富士冠軍、昌紅的干周分別為27.37、28.23 cm，禮泉短枝、天紅2號(hào)的干周分別為23.00、21.67 cm。在外圍新梢長度方面，普通型品種高于短枝型，2019 年富士冠軍長度最大，為44.60 cm，禮泉短枝長度最小，為14.30 cm。2020 年仍為富士冠軍長度最大，為48.63 cm，天紅2 號(hào)最小，長度為14.93 cm。2019—2020 年，普通品種的行內(nèi)、行間枝展顯著高于短枝型品種。

表1 普通型富士與短枝型富士樹體大小Tab.1 Comparison of tree size between spur-type Fuji and standard-type Fuji

2.1.2 不同類型枝類組成 蘋果以中短枝結(jié)果為主，短枝型品種與普通型品種相比有較多的短枝。由表2 可知，不同類型品種枝類組成有顯著差異。短枝型品種的短枝比顯著高于普通型品種，2019 年短枝比從大到小依次為天紅2 號(hào)（81.37%）、禮泉短枝（80.44%）、富士冠軍（53.74%）、昌紅（51.02%），2020 年短枝比從大到小依次為天紅2 號(hào)（81.10%）、禮泉短枝（79.23%）、昌紅（67.11%）、富士冠軍（57.89%）。普通型品種的長枝比顯著高于短枝型品種，2019 年，普通型品種富士冠軍的長枝比為31.26%，昌紅為33.99%，短枝型品種禮泉短枝為12.22%，天紅2 號(hào)為11.99%。2020 年，富士冠軍長枝比為26.93%，昌紅為18.70%，而禮泉短枝為10.64%，天紅2號(hào)為7.57%。

表2 普通型富士與短枝型富士枝類組成Tab.2 Comparison of branch composition between spur-type Fuji and standard-type Fuji

續(xù)表2 普通型富士與短枝型富士枝類組成Tab.2（Continued） Comparison of branch composition between spur-type Fuji and standard-type Fuji

2.2 富士蘋果導(dǎo)管分子形態(tài)特征參數(shù)比較

2.2.1 管腔大小 通過徒手切片觀察4個(gè)品種枝條橫截面顯微結(jié)構(gòu)，可見管孔形狀多為圓形或橢圓形，少數(shù)為多邊形，管孔均呈分散型分布在射線內(nèi)（圖1）。由表3 可知，普通型品種導(dǎo)管密度高于短枝型品種。天紅2 號(hào)密度最低，為365.25 個(gè)/mm2，昌紅最高，為424.97 個(gè)/mm2。普通型品種的管腔面積、管腔直徑高于短枝型品種，管腔面積依次為富士冠軍>昌紅>禮泉短枝>天紅2 號(hào)，即652.19 μm2>604.83 μm2>532.32 μm2>509.42 μm2，管腔直徑依次為富士冠軍>昌紅>禮泉短枝>天紅2 號(hào)，即28.78 μm>27.69 μm>25.94 μm>25.34 μm。普通型品種富士冠軍、昌紅管腔總面積占木質(zhì)部比例顯著高于短枝型品種禮泉短枝、天紅2 號(hào)，富士冠軍為25.83%，昌紅為25.56%，而禮泉短枝為20.05%，天紅2 號(hào)為18.55%。以上結(jié)果表明，短枝型富士的導(dǎo)管密度、管腔面積、管腔直徑、管腔總面積占木質(zhì)部比例都要低于普通型富士。2.2.2 導(dǎo)管類型 在光學(xué)顯微鏡下可觀察到，不同類型品種導(dǎo)管分子多為直徑均勻的管狀細(xì)胞，從導(dǎo)管分子側(cè)壁次生增厚和木質(zhì)化的方式看，普通型與短枝型品種導(dǎo)管分子均為孔紋導(dǎo)管。從穿孔板的式樣可以看出，末端多為單穿孔（圖2A—L、圖3A—K、圖3M）,偶見雙穿孔（圖2M、圖3L）。

圖1 普通型富士與短枝型富士1年生枝橫截面Fig.1 Cross section of annual branches of spur-type Fuji and standard-type Fuji

表3 普通型富士與短枝型富士枝條導(dǎo)管分子結(jié)構(gòu)差異Tab.3 Difference of vessel element structure between spur-type Fuji and standard-type Fuji

根據(jù)具尾情況分為兩端具尾（圖2A、圖2C—E、圖2I、圖2K—M、圖3B—E、圖3H—I、圖3M）、一端具尾（一端無尾）（圖2F—H、圖3A、圖3F、圖3J—L）及兩端無尾（圖2B、圖2J、圖3G）3 種類型。由表4可知，普通型與短枝型品種導(dǎo)管分子具尾情況無明顯差異，都以兩端具尾類型為主，其次為一端具尾，兩端無尾類型最少。在兩端具尾導(dǎo)管類型中，普通型品種富士冠軍、昌紅所占比例分別為81.78%和82.89%，短枝型品種禮泉短枝和天紅2 號(hào)比例分別為73.76%和86.04%；在一端具尾類型中，富士冠軍與昌紅所占比例分別為17.41%和16.23%，禮泉短枝和天紅2號(hào)分別為22.05%和13.96%；在兩端無尾類型中，普通型品種富士冠軍、昌紅所占比例分別為0.81%和0.88%，短枝型品種禮泉短枝和天紅2號(hào)所占比例分別為4.19%和0。從導(dǎo)管分子尾的長短來看，2種類型品種尾長無明顯差異。

表4 短枝型富士與普通型富士導(dǎo)管分子具尾分布比例Tab.4 Proportion of end wall with tail of vessel element between spur-type Fuji and standard-type Fuji%

根據(jù)導(dǎo)管分子兩端端壁斜度，可以分為兩端傾斜（圖2A、圖2C—F、圖2H—K、圖2M、圖3A、圖3C—J、圖3L—M）、一端傾斜（圖2G、圖2L、圖3K）、兩端水平（圖2B、圖3B）3 種類型（斜度小于15°視為水平）。由表5可知，普通型與短枝型品種導(dǎo)管都以兩端傾斜類型為主，其次為一端傾斜，兩端水平類型最少。在兩端傾斜分布比例中，普通型品種富士冠軍、昌紅分別為94.28%和96.43%，短枝型品種禮泉短枝和天紅2號(hào)分別為92.07%和94.83%；在一端傾斜類型中，富士冠軍和昌紅分別為4.29%和3.57%，禮泉短枝和天紅2 號(hào)分別為6.10% 和4.02%；在兩端水平分布比例中，普通型品種富士冠軍、昌紅分別為1.43%和0，短枝型品種禮泉短枝和天紅2號(hào)分別為1.83%和0.71%。

表5 短枝型富士與普通型富士導(dǎo)管分子端壁傾斜角分布比例Tab.5 Proportion of end wall inclination angle of vessel element between spur-type Fuji and standard-type Fuji%

圖2 普通型富士1年生枝導(dǎo)管分子形態(tài)Fig.2 Characteristic of vessel element in annual stem of standard-type Fuji

圖3 短枝型富士1年生枝導(dǎo)管分子形態(tài)Fig.3 Characteristic of vessel element in annual stem of spur-type Fuji

2.2.3 導(dǎo)管分子長度與直徑

2.2.3.1 導(dǎo)管分子長度與直徑大小 由表6 可知，短枝型品種的導(dǎo)管分子長度與直徑較普通型品種更為短小、狹窄。普通型富士導(dǎo)管分子長度為148.55～525.89 μm，短枝型富士為 105.34～523.69 μm。普通型富士冠軍導(dǎo)管分子長度平均為333.20 μm，昌紅為335.00 μm，短枝型富士禮泉短枝導(dǎo)管分子長度平均為319.38 μm，天紅2 號(hào)為316.75 μm，短枝型富士導(dǎo)管分子長度顯著小于普通型富士。普通型富士導(dǎo)管分子直徑為22.68～54.07 μm，短枝型富士為21.87～50.03 μm，富士冠軍導(dǎo)管分子平均直徑為37.85 μm，昌紅為37.89 μm，禮泉短枝為33.18 μm，天紅2號(hào)為34.21 μm，短枝型富士導(dǎo)管分子平均直徑顯著小于普通型富士。

表6 短枝型富士與普通型富士導(dǎo)管分子長度和直徑Tab.6 Comparison of length and width of vessel element between spur-type Fuji and standard-type Fuji

2.2.3.2 導(dǎo)管分子長度與直徑分布頻率 由表7 可知，各品種導(dǎo)管分子長度主要分布于301～450 μm，在0～150 μm 范圍所占比例最小。導(dǎo)管分子直徑主要分布于30.1～45.0 μm，在大于45.0 μm 范圍所占比例最小。其中富士冠軍與昌紅導(dǎo)管分子長度在301～450 μm 所占比例分別為55.69%和60.99%，禮泉短枝與天紅2 號(hào)分別為55.17%和60.22%。在大于450 μm 范圍中富士冠軍與昌紅分別為8.13%和7.17%，禮泉短枝與天紅2 號(hào)分別為3.45% 和3.79%，短枝型品種比普通型品種低3.38～4.68 個(gè)百分點(diǎn)；富士冠軍與昌紅30.1～45.0 μm 導(dǎo)管直徑分別為69.51%和81.61%，禮泉短枝與天紅2 號(hào)分別為72.03%和69.08%。在大于45.0 μm 范圍中富士冠軍為12.20%，昌紅為9.42%，禮泉短枝和天紅2 號(hào)分別為1.92%和6.87%，短枝型品種比普通型品種低2.55～10.28個(gè)百分點(diǎn)。

表7 短枝型富士與普通型富士導(dǎo)管分子長度和直徑分布比例Tab.7 Distribution of length and width of vessel element between spur-type Fuji and standard-type Fuji%

2.2.4 導(dǎo)管分子端尾長度 如圖4 所示，普通型富士冠軍導(dǎo)管分子端尾長度顯著高于短枝型禮泉短枝、天紅2 號(hào)，為57.13 μm；而昌紅導(dǎo)管分子端尾長度低于短枝型富士，為42.81 μm。統(tǒng)計(jì)分析表明，2種類型富士導(dǎo)管分子端尾長度變化無規(guī)律。

圖4 不同類型富士導(dǎo)管分子端尾長度比較Fig.4 The end wall length of vessel element in different types of Fuji

2.2.5 導(dǎo)管分子端壁傾斜角 如圖5 所示，短枝型品種的端壁傾斜角大于普通型品種，短枝型品種天紅2 號(hào)的端壁傾斜角為48.78°，禮泉短枝為46.78°，普通型品種富士冠軍的端壁傾斜角度為44.81°，昌紅為44.51°。統(tǒng)計(jì)分析表明，短枝型品種導(dǎo)管分子端壁傾斜角較普通型品種更為傾斜。

圖5 不同類型富士導(dǎo)管分子端壁傾斜角比較Fig.5 The end wall inclination angle of vessel element in different types of Fuji

2.3 富士蘋果最大導(dǎo)水率比較

如圖6 所示，富士冠軍的最大導(dǎo)水率最高，為5.65×10-5kg/（m·s·MPa），其次為昌紅，最大導(dǎo)水率為5.31×10-5kg/（m·s·MPa）。禮泉短枝、天紅2 號(hào)最大導(dǎo)水率分別為3.80×10-5、3.43×10-5kg/（m·s·MPa）。說明普通型品種最大導(dǎo)水率高于短枝型品種，結(jié)合2 種類型品種導(dǎo)管形態(tài)特征，表明水分長距離運(yùn)輸?shù)男屎桶踩耘c樹木木質(zhì)部導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。

圖6 不同類型富士最大導(dǎo)水率比較Fig.6 Maximum hydraulic conductivity in different types of Fuji

3 結(jié)論與討論

導(dǎo)管是植物木質(zhì)部輸導(dǎo)水分和無機(jī)鹽的管狀結(jié)構(gòu)，其輸導(dǎo)作用和它的結(jié)構(gòu)特征是緊密聯(lián)系的，導(dǎo)管分子的長短直接決定運(yùn)輸阻力的大小以及轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)的多少。導(dǎo)管分子直徑越大，運(yùn)送營養(yǎng)物質(zhì)的量越大，速度越快[16]。本研究中，短枝型富士的導(dǎo)管分子長度與直徑顯著小于普通型品種，這與楊佩芳等[10]發(fā)現(xiàn)短枝型品種較普通型品種短而狹窄相一致。短枝型品種具有小導(dǎo)管性，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上限制了水分和無機(jī)鹽類的上運(yùn)，使短枝型品種樹體矮小，生長勢(shì)弱[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，短枝型富士導(dǎo)管端壁傾斜角大于普通型品種，而端壁傾斜角的大小影響了管腔端壁的接觸面積，端壁傾斜角度大，導(dǎo)管之間接觸的面積大，降低了植物運(yùn)輸水分的效率[18‐19]。王浩等[20]研究結(jié)果表明，抗寒葡萄導(dǎo)管分子兩端斜度小于非抗寒品種，這種導(dǎo)管特性可以提高輸水效率，在冬季和早春保證植株對(duì)水分的需要。

本試驗(yàn)通過對(duì)1 年生枝解剖結(jié)構(gòu)研究可知，短枝型品種的導(dǎo)管密度、管腔直徑、管腔面積、管腔總面積占木質(zhì)部比例明顯小于普通型品種。王輝[21]在比較蘋果喬化砧木與矮化砧木時(shí)，得出喬化砧木八棱海棠枝條導(dǎo)管分子管腔直徑、管腔面積、導(dǎo)管總面積占木質(zhì)部比例較矮化砧木高的結(jié)果，與本研究結(jié)果一致。管腔大小和導(dǎo)管密度在樹體地上部水分輸導(dǎo)中起著重要作用，管腔總面積占木質(zhì)部比例高，說明木質(zhì)部輸導(dǎo)能力強(qiáng)，有助于單位時(shí)間內(nèi)輸送更多的水分[22]。

同時(shí)本研究中最大導(dǎo)水率的結(jié)果顯示，普通型品種最大導(dǎo)水率大于短枝型品種，最大導(dǎo)水率是導(dǎo)管分子除去栓塞后導(dǎo)管分子的導(dǎo)水率，根據(jù)流體力學(xué)中Hagen-Poiseuille 方程，導(dǎo)水率與導(dǎo)管半徑的4次方呈正相關(guān)[23]，管腔直徑越大，水分運(yùn)輸速率越高，所以寬的導(dǎo)管可以有效提高水分運(yùn)輸速率。王林等[24]通過對(duì)刺槐根、莖研究結(jié)果表明，刺槐根部導(dǎo)管分子直徑大于莖部，從而使得根部的導(dǎo)水能力遠(yuǎn)大于莖部。

綜上所述，正是由于短枝型品種擁有短而窄的導(dǎo)管、較低的導(dǎo)管密度與管腔面積，使得短枝型品種輸水效率與運(yùn)輸養(yǎng)分的能力都要弱于普通型品種，地上部生長受到了抑制，造成短枝型富士在連續(xù)2 a 內(nèi)的樹高、干周、外圍新梢長度、枝展都要小于普通型品種。