刘耀权,张晓洋,白 斌

(1.甘肃省农业科学院 小麦研究所,兰州 730070;2.湖南农业大学 苎麻研究所,长沙 410128)

叶片是植物进行光合作用及气体交换的重要器官,叶片上的气孔是调节植物与水、气交换的重要通道,气孔的大小、密度和分布既受到遗传的控制,也受到生长环境的影响,其主要通过调节孔径大小和数量多少来影响作物的光合作用和蒸腾作用[1]。大量研究表明,气孔特征参数与作物的抗逆性和生理特性密切相关[2-3]。水稻在水分胁迫下,剑叶的气孔密度增加,且抗旱性较好的品种气孔密度的增加幅度小于抗旱性较差的品种[4]。玉米在土壤水分减少的情况下,气孔密度也呈现增加的趋势[5],且气孔的密度降低与长度增加有利于玉米产量提高、叶斑病的发生减少[3]。此外,不同品种马铃薯的气孔密度不同,气孔密度的变化趋势和相对叶绿素含量一致[6]。大豆气孔特性与其抗旱性相关,水分胁迫会导致叶片气孔密度的增加[7]。另一方面,在干旱和CO2升高情况下,调节气孔密度有利于植物减少水分蒸发,提高水分利用效率。在小麦中,减少叶片气孔密度导致小麦产量降低,但适当减少气孔密度可提高小麦水分利用效率,且减产不明显[8]。可见,气孔是影响作物生产能力和抗逆性的重要因素。

解析： 这是一道典型的读图题。学生需从图中曲线看出，乙组和丙组的细胞数量比对照组(甲组)增长得快，可推断乙组和丙组的培养液中都加入了药物X，一段时间后丙组细胞数量少于乙组，推断添加了药物D。药物D对药物X有抑制作用，若药物X是蛋白质，则很有可能改变了其空间结构，从而使其功能发生改变，从而选出正确答案。

甘肃地理和气候条件极为复杂,小麦种植区域广。小麦生产区主要分为冬、春两大麦区,冬、春麦区又分川水地、山旱地[9]。小麦种植生态环境差异大,不同区域的小麦生产品种生态型不同,主要有旱地春小麦、水地春小麦、旱地冬小麦、水地冬小麦。育种工作者对不同生态类型品种的选育中主要依靠自然生态环境选择,难以在生理水平上进行有效选择。不同生态型小麦品种的气孔形态和数量的差异会导致叶片生理功能产生差异,掌握不同生态型小麦品种叶片的气孔生理特性对挖掘小麦品种遗传潜力和提高栽培管理水平具有重要意义。然而,目前关于小麦叶片气孔的研究主要集中在其基本的生理机制[10-11]、不同逆境条件下气孔的抗逆应答基础理论[12-14]以及相关调控基因的研究[15-16]等方面,对不同生态型小麦品种叶片气孔密度和形态差异及其与抗旱性关系的研究较少。因此,本研究以来自不同生态区域推广种植的34个小麦品种为试验材料,通过不同的视角分类对比,分析不同生态型小麦品种叶片气孔密度和形态差异,以期为小麦品种抗旱性的鉴别提供新的途径,同时,为不同生态条件下适播小麦品种的选择提供生理学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

34个甘肃不同生态区生产中推广的小麦品种(系)于2020年12月份种植于甘肃省农业科学院玻璃日光温室内(兰州市安宁区),冬小麦品种经春化处理(3～5 ℃,30 d)后播种,品种详细信息见表1。

表1 34个小麦品种(系)信息Table 1 Information of 34 wheat varieties(lines)

1.2 试验方法

1.2.1 取样 在开花期,从不同品种中分别选取3株长势相对一致的小麦,将每株的旗叶和倒二叶剪下,选择叶片中部平整部位,按照透明胶带法[17]取下叶片表层,利用显微摄影仪,在10×40倍显微镜下,每叶片观测3个视野并拍照。

对所有测定品种按不同叶位的气孔密度进行了比较,其中103株不同品种小麦旗叶的气孔密度范围为37.02～82.82个·mm-2,其平均值为51.29个·mm-2,98株不同品种小麦倒二叶的气孔密度范围为28.71～74.12个·mm-2,其平均值为49.47个·mm-2。总体上,小麦旗叶的气孔密度平均较倒二叶高出3.68%,但两者差异不显著(P>0.05)(表5)。

对45株参试冬小麦的旗叶和倒二叶分别观测了3个视野,结果表明:冬小麦叶片的气孔密度范围为38.28～78.98个·mm-2,其平均值为55.90个·mm-2。同样,通过对59株春小麦的旗叶和倒二叶分别观测3个视野发现,春小麦叶片的气孔密度范围为28.47～60.00 个·mm-2,其平均值为45.85个·mm-2。由表2可知,冬小麦叶片的气孔密度显著高于春小麦(P< 0.05),且平均较春小麦增加21.92%。

2.1 实验组前哨淋巴结检测结果 试验组有30例前哨淋巴结均在中央区找到，快速冰冻结果转移阳性，加做单侧颈淋巴结清扫(Ⅱ～Ⅳ区)。试验组均出现甲状腺均匀黑染，Ⅵ区淋巴结呈结节样黑染，未出现片状黑染，喉返神经未出现黑染，无纳米碳外溢影响术野现象发生，见图1A至图1C。

气孔大小的观察:以气孔大小的测定方法[18]为依据(用保卫细胞的外纵径×外横径表示,其中,外纵径表示气孔的长,外横径表示气孔的宽),通过观察气孔的照片,用保卫细胞的长度来表示气孔大小。

1.3 数据统计与分析

结合以上两种分类方式将小麦品种分为4类,其中,39株旱地冬小麦的旗叶和倒二叶的气孔密度范围为45.81～78.98个·mm-2,其平均值为56.25个·mm-2;6株水地冬小麦的旗叶和倒二叶的气孔密度范围为38.28～68.16 个·mm-2,其平均值为53.69个·mm-2;12株旱地春小麦的旗叶和倒二叶的气孔密度范围为40.47～51.53个·mm-2,其平均值为45.24 个·mm-2,47株水地春小麦的旗叶和倒二叶的气孔密度范围为36.24～60.00个·mm-2,其平均值为45.80个·mm-2。由表4可知,4类小麦叶片气孔密度的整体趋势表现为:旱地冬麦>水地冬麦>水地春麦>旱地春麦,其中,旱地冬麦与水地冬麦气孔密度差异不显著,旱地春麦与水地春麦的气孔密度差异也不显著(P>0.05),但旱地冬麦气孔密度较旱地春麦和水地春麦分别高出 24.34%和22.82%,水地冬麦气孔密度较旱地春麦和水地春麦分别高出18.68%和17.23%。

2 结果与分析

2.1 冬小麦与春小麦叶片气孔密度比较

气孔密度=每个视野内的气孔数/视野面积。

表2 冬小麦与春小麦叶片气孔密度差异比较Table 2 Difference of stomatal densities between winter wheat and spring wheat

2.2 旱地小麦与水地小麦叶片气孔密度关系比较

按旱地小麦和水地小麦来统计试验品种的气孔密度,对51株参试旱地小麦的旗叶和倒二叶分别观测了3个视野发现:旱地小麦叶片的气孔密度范围为38.29～78.98个·mm-2,其平均值为53.66个·mm-2。同样,通过对53株水地小麦的旗叶和倒二叶分别观测3个视野,结果表明:水地小麦叶片的气孔密度范围为28.47～68.16 个·mm-2,其平均值为46.68个·mm-2。如表3,旱地小麦叶片的气孔密度显著高于水地小麦 (P<0.05),平均较水地小麦增加了14.95%。

表3 旱地小麦与水地小麦叶片气孔密度关系比较Table 3 Difference of leaf stomatal densities between dryland wheat and irrigated wheat

2.3 旱地冬麦、水地冬麦、旱地春麦与水地春麦间叶片气孔密度关系比较

采用Excel 2016和SPSS软件对试验数据进行统计与方差分析。

综上我们可以看出，苏佩斯所构建的科学理论观点，不论是对理论的内在描述还是外在描述，都以一种标准形式化的方式来完成科学理论对物质世界的反映。

表4 旱地冬麦、水地冬麦、旱地春麦与水地春麦间叶片气孔密度关系比较Table 4 Difference of stomatal densities among dryland winter wheat,irrigated winter wheat,dryland spring wheat and irrigated spring wheat

2.4 小麦旗叶与倒二叶气孔密度关系比较

1.2.2 观察与统计 根据拍摄照片中气孔的大小与分布,计算每个视野内的气孔数量与视野面积(mm2),计算气孔密度(个·mm-2),以每个部位叶片气孔密度的平均值作为统计数据。

表5 小麦旗叶与倒二叶气孔密度关系比较Table 5 Difference of stomatal density between flag leaf and second leaf from top of wheat

2.5 不同生态型小麦品种叶片气孔形态差异比较

气孔在植物的生长过程中起着十分重要的作用。研究表明,气孔特征参数与作物的栽培环境和品种的抗逆性密切相关[20]。通常情况下,在一定范围内,气孔密度越大越好。因为气孔数目增多,蒸腾速度加快,有利于水分和营养物质的运输。从光合作用角度来讲,气孔密度增大,能够促进CO2的同化量增大,加快光合速率,促进更多有机物合成,从而提高植物的抗旱能力[6]。然而,在草地早熟禾中,有研究表明,减小叶片的气孔密度,会增加蒸腾阻力,从而降低叶片水分散失,提高叶片含水量,增强草坪草的抗旱能力[21]。在大豆的研究中,有结果表明[7],经过水分胁迫的叶片气孔密度增加,品种的抗旱性越强,气孔开张的调节能力越大,气孔密度的变化幅度越小。但是,也有研究表明,气孔数量较少的水稻更加耐旱,在用水方面更加保守[22]。在小麦中,随着干旱程度的加剧气孔密度呈明显的上升趋势[23]。干旱胁迫对作物叶片气孔密度的影响不仅与作物种类有关,也与干旱胁迫的程度有关[24],这可能是前人研究结果差异的主要原因。本研究结果显示,旱地小麦叶片气孔密度的平均值高于水地小麦,冬小麦叶片气孔密度的平均值高于春小麦。可见,不同生态型小麦品种叶片的气孔密度确实存在差异,气孔密度与小麦的抗旱性和冬春性均密切相关。其原因可能是逆境胁迫抑制了细胞的伸长,单位面积内细胞数目的增加导致了气孔数目的增加,从而使得气孔密度变大[25]。这是小麦通过气孔调节来提高抗寒、抗旱能力,以适应环境的反应。有研究[26]表明,春播小麦的气孔密度大于秋播小麦,这与本研究结果不一致,但并不矛盾,因为前人的研究是基于同一品种,对比不同播期对气孔密度的影响,而本研究参试的小麦品种不同,这更加凸显了品种(遗传因素)对气孔密度的重要性。在多年生植物上,有研究表明,气孔密度会受土壤温度和CO2浓度的影响,但植物体内碳水化合物的储备状态是决定气孔密度的重要内在因素[27]。有研究表明,气孔密度的增加有助于灌木在冬季生长季节对CO2的摄入和养分的吸收[28],而本研究中冬小麦的气孔密度高于春小麦的原理及其效应尚不清楚,有待进一步研究。本研究还发现,旱地冬小麦的气孔密度大于水地冬小麦,而旱地春小麦的气孔密度小于水地春小麦,这表明小麦的冬春性不同,干旱对气孔密度影响的机理也不同。可见,气孔性状由遗传因素和多种环境因素共同决定的,它既是植物应答外界环境的具体表现,也是反映植物体内代谢情况的重要生理指标,因此,在试验条件相同的前提下,将气孔密度作为小麦抗旱品种选育或冬春性选择的一种工具是值得参考的。

二是加强先进技术引进，促进科技成果推广应用。依托水利部“948”计划、科技推广计划和国家农业科技成果转化资金计划，引进“复频超声波除藻技术”等60余项先进技术和设备，推广转化高效节水灌溉技术等百余项先进实用科技成果。编辑发布《水利科技成果公报》和《水利先进实用技术重点推广指导目录》。

A.旱地春小麦:陇春35号;B.旱地冬小麦:兰天132;C.水地春小麦:酒春12;D.水地冬小麦:兰航选121

3 讨 论

3.1 不同生态型小麦品种叶片气孔密度差异比较

气孔是由一对半月形的保卫细胞围成的空腔。有研究[19]表明,气孔周长与气孔面积呈显著正相关关系,因此,在实际研究中,通常以保卫细胞的长度和宽度来表示气孔的大小。本研究对旱地春麦、旱地冬麦、水地春麦和水地冬麦叶片气孔观察发现:同一生态型的小麦叶片气孔形态分布趋于一致,因此,从4个生态型中分别选取一个典型品种对其气孔分布及形态进行比较。如图1所示,旱地春小麦(图1-A)的气孔密度小于旱地冬小麦(图1-B),但其保卫细胞较长,且气孔间距离普遍大于旱地冬小麦;同样,水地春小麦(图1-C)的气孔密度小于水地冬小麦(图1-D),但其保卫细胞较长,且气孔间距离普遍大于水地冬小麦。旱地春小麦的气孔密度与水地春小麦的气孔密度相近,其保卫细胞的大小和气孔排列的紧密程度也与水地春小麦相似;旱地冬小麦的气孔密度大于水地冬小麦,但其保卫细胞较小,且气孔间距离普遍小于水地冬小麦。即具备较强抗旱能力或能够越冬的小麦品种其叶片的气孔密度相对较大,但气孔形态较小。不同生态区的小麦品种气孔形态具有显著差异。

3.2 不同生态型小麦品种叶片气孔形状差异比较

前人研究表明,气孔是限制光合作用的重要因子之一,叶片表皮气孔大小和密度对气孔导度有一定影响[29],提高气孔导度可以改善作物的光合作用[30-32],因此,研究小麦叶片的气孔结构对提高其气孔导度,从而改善光合速率,促进增产具有重要意义。有研究表明,不同类型的水稻和小叶蚊母的气孔密度与气孔长度间呈负相关关系[33-34]。本研究对旱地春麦、旱地冬麦、水地春麦和水地冬麦的气孔分布及形态进行比较,结果表明,旱地小麦品种的气孔长度普遍小于水地小麦品种,冬性小麦品种的气孔长度普遍小于春性小麦,且表现出气孔长度越小,气孔的排列也越紧密的趋势,即气孔长度和气孔间距共同变小是气孔密度增大的原因。这与李茂松等[19]在小麦进化研究中的结果相似。结合实际生产情况可知,小麦品种‘晋麦47’抗寒抗旱能力强,是我国西北区域有名的广适性旱地冬小麦,本研究发现其叶片的气孔长度小且排列紧密,气孔密度大于所有旱地春小麦、水地冬小麦和水地春小麦品种;此外,小麦品种‘兰天26号’和‘兰天19号’为近10年来甘肃省山旱地冬小麦推广面积最大的品种,种植面积多年居全省第一、第二,其抗逆性和适应性较好,研究发现这两个品种的气孔长度相对较小,气孔排列也较为紧密,且两个品种的气孔密度均大于所有旱地春小麦品种,也大于多数水地春小麦和水地冬小麦品种。可见,相对于大气孔、低密度而言,气孔小、密度高的叶片既能更好地阻止叶片水分的过度散失,又保证了光合作用的正常进行,从而能够更好地适应干旱环境。因此,将气孔的形态及分布作为小麦抗旱品种及冬春性选择的工具也是值得参考的。然而,有研究指出,气孔密度的增加可能与干旱等逆境条件使叶面积变小从而提高了单位叶面积上的气孔个数有一定的联系[35]。因此,在今后的研究中,应将小麦气孔密度和叶片总面积相结合,以了解两者的关系,从而促进小麦抗旱品种的选育和生产工作。此外,关于不同生态因子对小麦不同品种叶片气孔特性的影响,也有待进一步的研究和试验证明。根据本研究结果,在实际应用中建议将气孔密度和气孔形态相结合,作为小麦抗旱品种选择或冬春性判断的依据。

②对小波系数进行幅度拉伸预处理。根据小波变换分解后高频系数的标准差,判断是否需要对小波系数进行幅度拉伸预处理,预处理后的小波系数Dj,k。

4 结 论

通过研究发现,旱地小麦品种叶片的气孔密度显著高于水地小麦,冬小麦品种叶片的气孔密度显著高与春小麦,旱地冬麦和水地冬麦叶片的气孔密度均显著高于旱地春麦和水地春麦。各品种小麦旗叶的气孔密度平均值高于倒二叶,但两者差异不显著。不同生态型的小麦品种,气孔形态小、密度大的品种具有更强的抗旱能力。因此,可将气孔密度及其形态作为抗旱性选择的一项参考指标,为小麦的生产、管理和育种者选育抗旱品种提供理论依据。