芋叶形态结构观察及光合特征分析

盛洁悦， 崔文雪， 张二金， 余徐润， 熊 飞

(扬州大学 江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点/粮食作物现代产业技术协同创新中心 扬州大学教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室， 扬州 225009)

芋(Colocasiaesculenta)，又称芋头、芋艿，为天南星科、芋属多年生球茎植物，主要分布于气候湿润地带，在中国珠江流域及台湾地区种植较多[1]。近年来人们对芋的研究大多集中于开发利用[2-4]、球茎淀粉体发育[5]、栽培管理[6]、营养成分提取和分析[7-8]等，而对地上部分的叶片及叶柄的结构和光合特性相关基础性的研究很少。随着人们对芋地上和地下部分的开发利用程度越来越高，探明芋叶器官解剖结构和光合特性对芋的产量形成机理及光合作用机理具有重要的理论价值和现实意义。

芋地上部分主要由叶片和叶柄两部分构成。对于大部分单子叶植物来说(尤其是禾本科植物)，叶肉没有栅栏组织和海绵组织的分化，然而叶元英等[9]对芋头叶片进行切片观察后发现，芋叶的腹面是由薄壁细胞组成的栅栏组织，背面则为海绵组织，叶脉中的维管束系统多而大，输导组织发达，适应干旱的环境，而叶片中发达的气腔和较多数量的气孔又与水生条件相适应。

光合效率的高低可直接影响植物生长发育，对作物的产量和品质也有直接联系[10-11]，其高低取决于植物光合作用产物的积累分配[12]。刘晓荣发现白鹤芋5个品种间净光合速率、蒸腾速率存在显著性差异[13]。衡量光合特性的指标有很多，这些指标能直接或间接反映光合作用强弱的变化，主要包括：气孔导度、胞间CO2浓度、净光合速率、蒸腾速率等[14-15]。

以槟榔芋和香荷芋两种芋为材料，采用树脂半薄和超薄切片对芋叶片的叶肉、叶缘、主脉及一级侧脉的结构进行比较观察，同时利用光合仪测定叶片的光合作用参数，比较两个品种光合能力的差异。探明不同品种芋叶片形态结构和光合特性的差异，以期能为芋器官解剖学特征及光合作用机理方面的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究选用的芋品种为‘荔浦槟榔芋’(以下简称槟榔芋)和‘泰兴香荷芋’(以下简称香荷芋)，种球分别由广西荔浦农副产品批发有限公司和靖江市农科所提供,两个品种球茎于2017年3月栽种在扬州大学江苏省作物遗传生理实验室试验田内。于9月中旬(十叶期)进行取样，每种芋取其倒2叶片，取芋叶中部左边部分的叶肉、叶缘、主脉及一级侧脉。

1.2 方法

1.2.1 树脂切片

采集两个芋头品种的叶片，取其叶肉、叶缘、主脉、一级侧脉，并迅速置于戊二醛中前固定，样品经磷酸缓冲液清洗后再用0.5%锇酸后固定，然后用乙醇进行梯度脱水，再用环氧丙烷置换。最后用Spurr树脂浸透与包埋，获得样品树脂包埋块。包埋好的样品先通过超薄树脂切片机(Ultracut R, Leica, Germany)切1 μm厚的半薄切片，然后烘干，染色，在光学显微镜(DMLS, Leica, Germany)下观察并拍照。在半薄切片的基础上对样品进行进一步修块，再用切片机切60 nm厚的超薄切片，用镀膜铜网捞片后染色后在透射电子显微镜(Tecnai 12, Philips, The Netherlands)下观察叶绿体形态并拍照。

1.2.2 叶绿素含量的测定

用石英砂、碳酸钙和浓度为96%的乙醇对样品进行研磨匀浆，然后定容，最后利用分光光度计测定叶绿素提取液在649 nm和665 nm处的最大吸收波长下的吸光值，每个样品重复3次，最后根据公式分别计算出叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量。

1.2.3 光合作用指标测定

在晴朗天气上午10：00—11：30利用光合仪(Li-6400，LI-COR，USA)测定两个品种芋头叶片的光合作用指标，测定的部位为芋的倒二叶，每个样重复测3次。指标包括：Pn、Gs、Ca、Tr及Ci等，而Ls和WUE可由公式间接计算出，即Ls= 1-Ci/Ca，WUE=Pn/Tr。

1.2.4 数据统计

上述各项试验数据利用函数绘图软件Origin(Version 9.1，OriginLab，USA)绘制成图表，并使用SPSS(Version 19.0)对数据进行显著性分析(P<0.05，LSD法)，试验图片用图像处理软件Photoshop进行图片的修饰标注及图版的制作。

2 结果

2.1 叶绿素含量和光合特性

表1所示为槟榔芋和香荷芋叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间浓度、水分利用率和气孔限制值、叶绿素含量等光合特性指标。从表1中可以看出，香荷芋净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、叶绿素含量显著高于槟榔芋；而气孔导度、水分利用效率及气孔限制值与槟榔芋相比无显著差异。

2.2 叶缘结构

图1-A、B所示为分别槟榔芋和香荷芋叶缘显微结构图。从图1中可以看出，槟榔芋和香荷芋的叶缘都为圆弧形，尖端细胞较为质密，叶缘中间都分布有一大一小两个气腔，还有一些维管束。槟榔芋叶缘表皮细胞多为凸起的近圆形，叶肉细胞较疏松，但栅栏组织质密(图1-A)；香荷芋叶缘的表皮细胞则趋向于椭圆形，叶肉细胞排列紧密，栅栏组织较为发达(图1-B)。

表1 两种芋叶片光合特征参数

注：同列数值后不同小写字母表示数据间存在显著性差异(P<0.05)

Note: The values followed by different small letters in the same column mean significant difference at the 0.05 level

2.3 叶片结构

图1-C、D所示为槟榔芋和香荷芋叶片显微结构图，从图中可以看出，芋叶的叶片结构分为表皮、叶肉和叶脉3个部分。叶肉细胞中有很多大气腔，排列在整个叶肉组织中，叶脉中的维管束贯穿叶肉。靠近上表皮有较多细胞间隙，形成发达的通气组织。槟榔芋的表皮多为长细胞，而香荷芋的则较多短细胞，都为单层密集排布；槟榔芋气腔大而少，分布规律，香荷芋气腔小而多，分布凌乱。

两芋品种栅栏组织细胞都为长柱形，有2～3层细胞组成，细胞内含有大量的叶绿体。槟榔芋的栅栏组织细胞密集排列，细胞间隙较小，厚度为14.84 μm(图1-C)；香荷芋栅栏组织细胞排列较疏松，细胞间隙较大，厚度为22.32 μm，显著高于槟榔芋(图1-D、I)。

A：槟榔芋叶缘；B：香荷芋叶缘；C：槟榔芋叶肉；D：香荷芋叶肉；E：槟榔芋主脉；F：香荷芋主脉；G：槟榔芋一级侧脉；H：香荷芋一级侧脉；I：两品种芋叶肉上表皮、下表皮、栅栏组织、海绵组织厚度；图中不同小写字母表示两品种间差异显著(P<0.05)；AC：气腔；CT：海绵组织；Ct：厚角组织；PT：栅栏组织；VB：维管束

(A) leaf edge of ‘Binglang’; (B) leaf edge of ‘Xianghe’ ; (C) mesophyll of ‘Binglang’ ; (D) mesophyll of ‘Xianghe’ ; (E) main vein of ‘Binglang’ ; (F) main vein of ‘Xianghe’ ; (G) primary side vein of ‘Binglang’ ; (H) primary side vein of ‘Xianghe’; (I) the thinkness of upper epidermis, lower epidermis, palisade tissue and spongy tissue of two taro varities; the different lowercase letters in the
Figure indicate the significant differences between the two taro varieties ( P ＜ 0. 05); AC，air cavity; CT，cavernous tissue; Ct，collenchyma tissue; PT，palisade tissue; VB，vascular bundle

图1 槟榔芋和香荷芋叶片显微结构比较

Figure 1 Comparison of the microstructure of the leaves from ‘Binglang’ and ‘Xianghe’

两芋品种海绵组织细胞排列不规则，面积大，中间有大的气腔。槟榔芋海绵组织细胞多条状排列，较规整，单个气腔较大，均匀地分布在海绵组织中间，其海绵组织厚度为38.02 μm(图1-C)；香荷芋海绵组织细胞为条状或簇状，较凌乱，气腔密集地分布在海绵组织中间，海绵组织厚度为51.46 μm，显著高于槟榔芋(图1-D、I)。

2.4 主脉、一级侧脉结构

图1中E、F、G及H为槟榔芋和香荷芋主脉和一级侧脉显微结构图，从图1中可以看出，槟榔芋、香荷芋叶片的茎中存在许多维管束和气腔。其中香荷芋维管束较多，槟榔芋较少，同时还可以看出槟榔芋厚角组织比香荷芋发达。

2.5 叶片表面气孔

植物蒸腾过程中的水蒸气主要通过气孔从体内排到体外，气孔对植物的蒸腾、光合、呼吸等过程具有关键作用。图2所示为槟榔芋和香荷芋叶片下表皮表面扫描电子显微镜图片。从图2中可以观察出槟榔芋叶片表面纹饰粗糙、气孔较小(图2-A)，而香荷芋表面纹饰光滑、气孔较大(图2-B)。

A：槟榔芋；B：香荷芋；图中白色箭头示气孔

(A) Binglang; (B) Xianghe; the white arrows in the Figures indicate the stoma

图2 槟榔芋和香荷芋叶片扫描电镜图片

Figure 2 Scanning electron microscope images of the leaves from ‘Binglang’ and ‘Xinghe’

2.6 叶绿体超微结构

图3所示为透射电子显微镜下拍摄的两芋品种叶片叶绿体超微结构图片。从图3中可以看出，芋头叶片中叶绿体具有完整的片层结构，紧贴细胞壁分布，叶绿体中类囊体膜堆叠，遍布整个叶绿体。槟榔芋叶片细胞中叶绿体较小，数目多(图3-A、C、E)，而香荷芋叶绿体体积大，数目少。槟榔芋叶绿体呈橄榄球或卵圆球形，其中基本不积累淀粉粒，电子密度较浅，类囊体堆叠程度较高，排列密集，同时还有部分基质片层囊泡化，囊泡大小不一(图3-A、C、E)；香荷芋叶绿体呈橄榄球或卵圆球形，其中积累纺锤形或卵圆形的淀粉粒，不规则的分布在叶绿体中，类囊体堆叠松散，淀粉粒周围则排列更为松散(图3-B、D、F)。

3 讨论与结论

本文对槟榔芋和香荷芋的叶片在形态结构和光合特征上进行了细致的观察对比。在形态结构方面，香荷芋的栅栏组织和海绵组织较厚，叶片气孔较多，发达的栅栏组织和海绵组织有利于植物的气体交换和蒸腾作用，使它们在水旱环境下都有较强的适应性[9]。

槟榔芋和香荷芋在叶绿体结构方面差异也较大，在透射电镜下，香荷芋有较多淀粉粒，而且比较大，颜色深，有较多淀粉粒积累，说明其光合作用碳循环效率较高[16]。槟榔芋类囊体膜堆叠程度高，而香荷芋类囊体膜堆叠较松散，虽然这一特征说明槟榔芋光合能力强，但是根据本文的结果可以看出，槟榔芋的光合能力要低于香荷芋，这说明影响光合能力强弱的不仅与类囊体堆叠形态有关，也与叶绿体数目、大小有关。香荷芋叶绿体体积大，这可能是导致其光合能力高的原因之一。

A、C、E：槟榔芋；B、D、F：香荷芋；Ch：叶绿体；SG：淀粉粒；Th：类囊体；TV：类囊体空泡

(A，C，E) ‘Binglang’; (B，D，F) ‘Xianghe’; Ch, chloroplast; SG, starch graule; Th, thylakoid; TV, thylakoid vacuoles

图3 槟榔芋和香荷芋叶肉细胞叶绿体透射电子显微镜图片

Figure 3 Transmission electron microscope images of the chloroplast of mesophyll cell of ‘Binglang’ and ‘Xinghe’

从实验对比中可以看出，香荷芋的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度和气孔限制值都比槟榔芋高，表明了香荷芋的光合作用较强。当气孔小而密时，植株能有效控制叶片水分的散失，提高植株抗旱性[17]。槟榔芋叶片表面气孔较小，有助于减少水分蒸发，而香荷芋气孔较大，水分蒸腾快。曹阳等对不同品种的板栗进行研究得出光合速率与叶绿素含量呈显著相关性[18]，但是在李爱民等对墨兰叶片的研究中[16]，又得出叶绿素含量与光合速率之间没有正相关性。在本研究中，槟榔芋和香荷芋叶绿素含量无显著差异，这说明叶绿素含量的差异可能不是造成光合速率差异的主要原因。

综上所述，槟榔芋和香荷芋叶片的形态结构和光合特性方面有较大差异。栅栏组织和海绵组织厚度大，细胞排列紧密度、气孔大的芋(香荷芋)品种光合能力强；而叶绿体类囊体堆叠程度高、维管束发达的芋品种(槟榔芋)光合能力反而弱。因此我们可以得出：芋光合能力的高低是各类因素的综合表现的结果，在不同品种间表现不一。