干旱胁迫下热带樱花叶片与气孔形态变化特征研究

王锋堂 杨福孙 卜贤盼 周鹏

摘 要 为研究热带樱花在海南岛园林绿化中的推广与应用，针对其抗逆适应性进行干旱胁迫试验。研究设4个水分干旱梯度试验，采用改良指甲油印迹法测定其叶片气孔的形态特征，观察叶片形态变化。结果表明：（1）随着干旱时间延长，降低了其叶面积与叶片含水量，干旱处理30 d变化最明显；（2）随干旱程度的加重，叶片气孔密度、气孔周长等呈减小趋势；（3）干旱下气孔密度与其开放度有显著相关性（R2=0.038 3，p<0.05，N=36）。干旱条件对海南岛种植热带樱花有很大影响。

关键词 热带樱花；印迹法；气孔；叶片

中图分类号 S685 文献标识码 A

Leaf Morphological Changes of Tropical Cherry

Blossom under Drought Stress

WANG Fengtang， YANG Fusun， BU Xianpan， ZHOU Peng*

College of Tropical Agriculture and Forestry， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract The purpose of this study is to do application and promotion of tropical cherry blossom in Hainan Island. The study set up 4 water drought gradient tests， using the improved method to determine the morphological characteristics of leaf stomata. The main test showed that：（1）Long time drought affected leaf area and leaf water content for the most obvious change of thirtieth days；（2）With the drought， stomatal density， stomatal perimeter decreased；（3）Under drought stress and stomatal density of openness has a significant correlation（R2=0.038 3， p<0.05， N=36）. The drought conditions had a great influence on the planting of tropical cherry blossoms in Hainan Island.

Key words Cassia nodosa； blotting； stoma； leaf

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.08.011

光合作用、呼吸作用等是植物生長的基础，而干旱胁迫是制约的重要环境因素。海南岛地处热带北缘，属热带季风气候，光温充足；具有明显的多雨与少雨季之分，且少雨季持续时间长，常发生干旱。因此生产中干旱成为海南岛植物生长的重要制约因素之一。很多研究表明气孔是植物叶片与大气进行水分、二氧化碳交换的主要通道[1]，直接影响到植株体内的水分平衡、光合效率以及作物的生产性能[2]，早有研究表明气孔的灵敏度是植物抗旱的特征之一[3]。有关研究表明小麦叶片水分条件对气孔长度、气孔宽度、气孔导度、光合速率、蒸腾速率等有显著影响[4]。熊慧等[5]研究蕨类植物的生境和植物类型对气孔响应行为表明与气孔均有显著的影响。王晶晶等[6]对葡萄叶片的研究发现气孔受干旱影响也很明显。通过研究草莓叶片与银杏叶片发现在干旱胁迫下气孔限制叶片净光合速率较为明显[7-8]。李真真等[9]研究玉米在水分胁迫下，通过一系列反应降低叶表面水势，能促进气孔关闭。气孔的开闭度是植物光合作用、蒸腾作用的重要影响因素。对于这些现象有不同的解释。有研究表明H2S在调控植物气孔运动中起到作用，气孔运动信号转导过程中H2S与H2O2有一定关系[10]。还有研究表明气孔关闭是ABA和Ca2+信号途径在其中发挥的作用[11]。还有研究发现ABA在干旱下是影响气孔关闭的重要原因[12-13]，由此可以得出气孔对于植物的重要性，且植物面对逆境胁迫条件时，可发生气孔密度和气孔长度的变化，叶片形态也会随之发生变化，从而达到对环境的最大适合度[14]。所以研究植物对所处环境的抗干旱能力有重要意义。

热带樱花（Tropical cherry），学名粉花山扁豆（Cassia nodosa），又名节果决明、塔槐等，是一种热带半落叶乔木，隶属于苏木科（Caesalpiniaceae）决明属（Cassia）[15]。热带樱花的树体高大，树冠呈伞状，遮荫效果好，春季长出新芽，花季盛开粉红色花，颜色艳丽，宛如樱花，是一种优良的园林绿化树种，对其合理开发及应用有重要意义[16]。繁殖方式有种子的有性繁殖、嫁接与压条的无性繁殖等方法。种植范围比较广泛，在云南西双版纳地区、两广南部及海南等地均有栽培[17]。作为园林植物其抗性强弱，直接影响到其推广应用。海南省具有显著的旱季和雨季，而热带樱花苗期是最为关键与重要的时期之一，因此本试验以热带樱花苗期植株为研究对象，通过叶片形态及气孔变化，分析其抗旱能力，为其推广应用作好前期基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2016年7～10月在海南大学海甸校区实验基地进行。采用盆栽方式以种植2年生热带樱花植株为研究对象，在实验基地塑料大棚中每天控水调节完成干旱胁迫实验。

1.2 方法

1.2.1 干旱胁迫处理 试验设对照组CK[正常浇水（70±5）%]，轻度干旱组[（60±5）%含水量]，中度干旱组[（50±5）%含水量]和重度干旱组[（40±5）%含水量]，共4梯度处理，3次重复，每重复9株，每株1盆。

干旱处理方法：首先采用称重法结合土壤水分速测仪（型号TPY-6A）测定土壤的绝对含水量与相对含水量，然后研究分析2种方法与土壤相对含水量相对应的容积含水量，最后建立土壤相对含水量和容積含水量的关系式（图1）。

土壤水分控制方法：于7月12日开始控水，7月19日各干旱处理均达到设定的土壤相对含水量范围，以后每天17 ： 00～18 ： 00采用土壤水分速测仪逐盆测定土壤相对含水量并补充水分至设定的目标值。补充水分量的计算方法，实测土壤容积含水量，并将其换算为土壤相对含水量，然后计算设定含水量与实际含水量之间的水分重量差，以重量差作为补充水分量。

1.2.2 测定指标与方法 于晴天上午9 ： 00～10 ： 00，取热带樱花植株分枝顶部的倒数第一片叶进行形态的观测及记录。

干旱胁迫开始后，每10 d测量1次叶面积与叶片含水量，每次在不同干旱处理方式下的每个植株采3片叶片迅速带回实验室。利用千分位天平测算，共进行3次。用叶形纸称重法测量叶面积、烘干法测量叶片水分含量。

叶含水量=（叶鲜重-叶干重）/叶鲜重×100%

使用指甲油印迹法和透明胶带结合改良方法测定叶片气孔[18]。用透明胶带粘取代镊子撕取能获得较完整的指甲油薄膜。在胁迫干旱开始后15 d，选取健康的热带樱花功能叶片用脱脂棉拭去叶片表皮的灰尘，在叶片中间部位及两侧涂一层薄薄的指甲油。采摘涂抹指甲油的叶片带回实验室，待其自然风干后，取下并置于载玻片上，于光学显微镜下400倍并结合测微尺观测。测量计算出视野面积，按每平方毫米的气孔数计算气孔密度，每片叶上取5个部位，每个部位观测5个视野，求其平均值。气孔近似椭圆，利用椭圆周长公式计算其周长。

气孔密度=每个视野内的气孔数/视野面积。

1.3 数据处理与分析

采用Excle 2007进行叶面积及叶片含水量等数据处理，采用Spss 20.0软件对叶片气孔形态与密度进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同干旱处理下叶面积与相对含水量变化

在干旱胁迫下，热带樱花的植株叶片形态发生变化。随着干旱胁迫处理的加重，植株在试验期间叶片出现卷缩，叶片绒毛密集而凸显，新枝出现不同程度的萎蔫下垂现象；其中重度干旱下叶面积减小最明显，中度与轻度干旱在30 d时，叶平均面积明显减小（表1）。干旱胁迫处理下，植株出现生长滞缓现象，新叶生长缓慢，新的分枝减少。

分析得到叶片相对含水量随干旱胁迫时间增长，中度干旱变化相对平稳；轻度干旱在第20天时含水量明显减少，而重度干旱在第30天出现含水量明显下降（表1）。表明短时间内，热带樱花在重度干旱能较好生存，但长时间干旱对热带樱花小苗造成的危害严重。

2.2 不同干旱处理下对叶片气孔的密度及形态的变化及相关性

随着干旱程度加剧，气孔的密度逐渐减小，且在中度干旱与轻度干旱时气孔的横径相差较小，中度与重度干旱时纵径相差最小（图2）。统计分析表明干旱与气孔密度呈负相关（y=84.362-6.322x， R2=0.374，F=20.332，Sig=0）。且干旱与气孔的开放度也呈负相关关系（图3）。数据分析表明气孔张开度在重度干旱条件下最小，仅为0.024 2 μm；对照处理叶片气孔的张开度最大，达0.032 0 μm。

在不同干旱处理下，叶片气孔密度与气孔大小形态也存在相关性。经过相关性分析，气孔的密度与气孔的大小呈显著正相关（R2=0.038 3， p<0.05， N=36）。表明热带樱花的气孔密度在干旱胁迫下会减小，其中气孔的纵径与横径也呈缩小的趋势。

2.3 不同干旱处理下叶片气孔的周长变化

气孔的纵径横径随着干旱胁迫程度的加重呈减小趋势（图3）；气孔周长也随着干旱处理程度的加重而显著减小，其中度干旱与重度干旱处理下单个气孔周长差异不明显（图4），轻度干旱与中度干旱处理下单叶气孔总周长差异显著（图5）。但中度干旱与重度干旱处理对热带樱花气孔周长影响最大，与对照相比差异达显著水平。

2.4 不同干旱处理对叶片气孔相对面积的变化

随着胁迫干旱处理程度的增加，叶片中单位面积的气孔相对面积在逐步减小（图6）。经过相关性分析表明不同干旱处理方式下叶气孔数与叶单位面积上的气孔面积呈极显著相关（R2=0.75，p<0.01， N=36）。干旱使气孔的面积缩小，其中中度干旱与重度干旱气孔变化差异较小，但与对照相比差异显著。

3 讨论

植物的生长过程中受到很多因素影响，其中干旱是限制植物生长最重要最普遍的环境因素之一，干旱胁迫下植物能够通过调控气孔开度来防止植物体内水分的散失，叶片的形态变化会反映出植株健康状态[19-20]。有相关研究表明，在干旱胁迫下植物叶片气孔密度分布位置紊乱，没有规律的排布[21]。同时植物气孔开放度会变小，以此来减少水分散失确保生存[22]。本试验在海南岛气温较高、光照较强的月份进行，受到的光照强度大，日照时间长。当热带樱花小苗植株在水分缺少时，通过减小气孔开放度，同时降低气孔的密度，加快老叶脱落，叶片生长面积缩小，叶片绒毛密集，以此减少水分散失，维持植株的代谢生长。所以本试验中在叶背面观察到大量开放的气孔。试验得出叶片背面气孔密度减少，气孔开放度减小，气孔周长减小且轻度干旱与中度干旱处理下差异最大，单位面积气孔的相对面积在减小。气孔密度与气孔大小即与气孔纵径、横径有显著相关性，这与刘世鹏等[23]相关枣树研究结果一致。通过本试验观察，热带樱花小苗植株在随着干旱胁迫程度的增加和时间的增长，生长速度明显减缓，说明干旱对气孔的影响导致光合、呼吸等生理反应产生的净光合产物在减少。在重度干旱处理下时，小苗植株很快会出现萎蔫现象。随着干旱胁迫时间的延续，重度干旱下叶面积和叶片含水量的变化差距小，观察得到叶片会出现严重的卷曲下垂，老叶枯黄与脱落速度也会加快很多，说明植株通过形态的改变来应对与适应干旱逆境。长时间干旱胁迫对热带樱花小苗会造成严重的伤害，因此在种植生产过程中小苗的栽培要确保水分充足供应，不能长时间缺水。

植物在逆境中会产生适应性变化，本研究表明干旱逆境下，植物通过气孔形态，密度的改变适应环境；同时能改变叶片的形态与含水量来应对逆境。热带樱花小苗植株通过一系列的变化表明其不适应在重度与中度干旱下生长，长时间干旱胁迫促使其叶片大量下垂、萎蔫及老叶干枯脱落加速。但其能适应轻度干旱，在旱季少雨时期，可适当进行水分补充，即可适应干旱环境，鉴于本试验初步研究结果，热带樱花适合在海南岛推广应用。

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