20个龙须草种质资源叶片解剖特征
[刘飞1, 2 
, 喻夜兰2 , 邹冬生1 , 朱育峰2 , 黄月飞2 ]
, 喻夜兰, 朱育峰引用本文
刘飞, 喻夜兰, 邹冬生, 朱育峰, 黄月飞. 20个龙须草种质资源叶片解剖特征. 草业科学, 2016,33(11):2259-2265
Liu Fei, Yu Ye-lan, Zou Dong-sheng, Zhu Yu-feng, Huang Yue-fei. The comparison of leaf anatomical characters of 20 Eulaliopsis binata germplasm resources . Pratacultural Science,2016,33(11): 2259-2265
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Liu Fei, Yu Ye-lan, Zou Dong-sheng, Zhu Yu-feng, Huang Yue-fei. The comparison of leaf anatomical characters of 20 Eulaliopsis binata germplasm resources . Pratacultural Science,2016,33(11): 2259-2265
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《草业科学》编辑部
20个龙须草种质资源叶片解剖特征
第一作者:刘飞(1979-),男,湖南麻阳人,讲师,博士,主要从事生态学研究。E-mail:[email protected]
摘要
主要采用扫描电子显微镜技术,对收集的20个龙须草( Eulaliopsis binata)种质资源叶片进行电镜扫描,结果表明,不同种质资源叶片形态中的叶长、叶宽、叶面积,以及叶解剖结构中的叶片表皮厚度、叶片厚度、叶片气孔密度、叶片气孔长、叶片气孔宽、叶片纤维细胞直径、胞壁厚度、腔径、腔壁比等均呈现出显著或极显著差异,以优选造纸材料中重要指标壁腔比进行聚类分析,可将供试龙须草种质资源造纸性能分为最优、较好、较差和最差4类。试验结果可为中国南方丘陵区龙须草种质资源良种选育和开发利用研究提供依据。
关键词:
龙须草; 地理种; 叶片解剖特征; 造纸材料; 壁腔比
中图分类号:S543+.902
文献标志码:A
文章编号:1001-0629(2016)11-2259-07
doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0025
The comparison of leaf anatomical characters of 20 Eulaliopsis binata germplasm resources
Abstract
Scanning electron microscopy was carried out to analyze the leaves of 20 Eulaliopsis binata germplasm resources. The results showed that there were significant differences in leaf length, leaf width, leaf area, leaf epidermis, leaf thickness, leaf stomatal density, leaf stomatal length, leaf stomatal width, leaf cell diameter, cell wall thickness, cavity diameter, and cavity wall ratio in leaf anatomical structure. Based on the cluster analysis of the cavity wall ratio as the important indicator of preferred paper material, the papermaking performance of tested E. binata germplasm resources will be categorized as the optimal, the good, the bad and the worst. The results can provide the basis for breeding and E. binata germplasm resources exploitation research in hilly area of southern China.
Keyword:
Eulaliopsis binata; geographical provenance; leaf anatomical characteristics; paper material; the ratio of cavity wall
龙须草(Eulaliopsis binata), 是禾本科、黍亚科、甘蔗族、楔颖草亚族、拟金茅属的多年生宿根性草本植物, 是一种特色野生生物资源。因其纤维含量高、纤维品质好而成为优质造纸原料, 同时因其根系发达、草层盖度扩张快而成为优良的水土保持先锋植物, 是集生态效益和经济效益于一体的我国西部生态建设中重要的植物资源[1]。早在20世纪50年代, 我国不少地区就将龙须草作为优质造纸原料来开发利用, 并因需求量的增加而被人们大规模栽培种植, 尤其是近年来作为防治荒山坡地水土流失的重要植物资源被选择与利用, 而引起人们的广泛关注。关于龙须草的研究, 国内外已有不少报道, 但主要集中在龙须草的生育特性、生态效益和人工栽培技术等方面[1, 2, 3, 4, 5, 6]。而作为造纸原料, 或是作为水土保持植物, 对其种质资源进行研究, 开发出适应性、产量、纤维品质优异的龙须草品种或种质资源是十分必要的, 目前有关龙须草种质资源方面的研究报道不多, 缺乏龙须草种质资源调查与分析, 龙须草良种选育和基因工程研究基本处于空白。叶片是龙须草光合作用的重要器官和主要生物产量, 受水分、温度、光照、降水量、海拔等环境因子的综合影响。龙须草叶片的长短、叶片的大小厚度及解剖结构的差异, 是龙须草基因型与环境因子共同作用的结果, 因此, 探讨不同种质资源龙须草的叶片形态和解剖结构差异, 对了解龙须草遗传基础及差异有十分重要的意义。为此, 本研究从中国龙须草主要生长区收集了20个龙须草种质资源, 对20个龙须草种质资源叶片解剖特征进行比较, 以期为中国南方丘陵区龙须草种质资源良种选育和开发利用研究提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验样地
试验地位于湖南省长沙市芙蓉区湖南农业大学耘园基地, 属中亚热带季风性湿润气候。多年平均气温为16.8~17.2 ℃, 多年平均降水量1 400 mm, 土壤为第四纪红色粘土母质发育成的红壤, 土层厚度35 cm左右。
1.2 供试材料
从中国广东、广西、云南、贵州、重庆、湖南、湖北、河南、陕西 9 省收集到20个龙须草种质资源活体植株样本, 采取分蔸繁殖方式, 将收集到的20个种质资源置于同一大田栽培。试验于2010-2012年进行, 初次定植时间为2010年3月28日, 小区面积18 m2, 单行定植, 随机区组排列, 行株距为33.3 cm× 66.6 cm, 3 次重复, 田间按邹冬生和喻夜兰[1]研制的龙须草速生丰产栽培技术规程统一管理, 当年及以后各年于12月下旬统一收割。
1.3 指标测定
2012年11月底, 在田间测定不同种质资源龙须草的成熟新鲜叶片的倒三叶的叶长、叶宽后(测定20株, 取平均值, 叶宽统一测定叶中部), 取不同种质资源龙须草的成熟新鲜叶片的倒三叶, 用刷子将叶片上的杂质去除, 取2 mm× 2 mm左右的中部叶脉的样品(各取样部位保持一致)作为试验材料, 严格按照石蜡切片法[7]程序制成样品。将样品在SEM-6380LV型扫描电子显微镜下观察照相并用显微镜测微尺测定、统计上表皮厚度、叶片厚度, 并参考曾晓珊等[8]的方法计算叶面积, 统计气孔密度、气孔长宽及长宽比, 纤维细胞的直径(D)、胞壁厚度(T)、腔径(W)并计算腔壁比, 每项指标重复测定20次, 取平均值。
1.4 数据分析
试验数据为平均值± 标准差, 由Excel 2003整理; 采用DPS 7.05和SPSS统计分析软件对数据进行分析。
2 结果与分析
2.1 叶片外部形态特征差异
龙须草叶长在75.00~107.83 mm, 平均长度89.51 mm, 最长的为湖北丹江种质, 最短的为云南元谋种质; 叶宽在0.230~0.471 mm, 平均宽度0.364 mm, 最宽的为广西大化种质, 最窄的为云南元谋种质; 叶面积在11.52~28.36 mm2, 平均面积21.90 mm2, 最大的为湖北郧西种质, 最小的为云南元谋种质(表1)。方差分析表明, 不同龙须草种质资源之间叶宽差异不显著(P> 0.05), 叶长、叶面积均存在显著差异(P< 0.05)。龙须草种质资源外形上最明显的区别为叶片, 差异主要源于叶片的长度。在野外或田间观察可以看到, 龙须草叶片比较狭长, 叶长区别明显, 叶宽区别不明显, 事实上叶面积也主要与叶长有关。多重比较结果显示, 广西柳城、河南西峡、湖南慈利、广东连州、云南元谋、贵州安龙、广西大化、云南金平、湖北郧县、河南淅川、广西田东、重庆巫山、陕西洋县、贵州兴义、贵州麻江、湖南衡阳16个种质之间叶长差异不显著(P> 0.05), 但这16个种均显著低于湖北丹江、湖北郧西两个种质(P< 0.05), 湖北丹江种质与湖北郧西种质差异不显著, 二者与贵州黄平、广西河池种质也无显著差异。
 | 表1 龙须草不同种质材料叶片外部形态比较 Table 1 The external morphological comparison of leaves among the germplasm resources of Eulaliopsis binata |
2.2 叶片表皮解剖结构特征差异
龙须草叶片上表皮厚度在9.10~31.30 μ m, 平均为18.1 μ m, 最厚的为广东连州种质和湖北丹江种质, 最薄的为湖南慈利种质(表2); 叶片厚度在191.10~385.90 μ m, 平均厚度293.77 μ m, 叶片最厚的为湖南衡阳种质, 最薄的为云南元谋种质; 叶片气孔密度除贵州安龙种质外, 其它的种在41.10~186.61个· mm2, 而贵州安龙种质显著高于其它种质(P< 0.05), 气孔密度达到802.10个· mm2; 叶片气孔长在16.42~62.76 μ m, 平均长43.63 μ m, 最长的为云南元谋种质, 最短的为贵州安龙种质; 叶片气孔宽在2.98~38.97 μ m, 平均宽23.62 μ m, 最宽的为河南西峡种质, 最窄的为重庆巫山种质。方差分析表明, 龙须草种质资源之间的叶片上表皮厚度、叶片厚度、叶片气孔密度、叶片气孔长、叶片气孔宽均存在显著差异(P< 0.05)。这一结果显示了龙须草在不同生境下的适应性差异。
| 表2 龙须草不同种质材料叶片表皮解剖结构比较 Table 2 The anatomy comparison of leaf skin among the germplasm resources of Eulaliopsis binata |
2.3 叶片纤维细胞特征差异
供试龙须草种质资源的纤维细胞直径在4.80~13.60 μ m, 平均9.24 μ m, 最长的是湖南慈利种质, 最短的是广西柳城种质; 胞壁厚度在1.80~4.80 μ m, 平均3.14 μ m, 最厚的是湖南慈利种质, 最薄的是云南元谋种质; 腔径在0.80~12.10 μ m, 平均3.10 μ m, 最长的是广西柳城种质, 最短的是贵州兴义种质; 腔壁比在0.30~5.64, 平均2.95, 比值最大的是贵州黄平种质, 最小的是广西柳城种质(表3)。方差分析表明, 龙须草种质资源之间的叶片纤维细胞直径、胞壁厚度、腔径、腔壁比均存在显著差异(P< 0.05)。
| 表3 龙须草不同种质材料叶片纤维细胞横截面形态结构比较 Table 3 Comparison of morphology structures in the leaf fiber cell cross-section among the germplasm resources of Eulaliopsis binata |
2.4 叶片纤维细胞壁腔比聚类分析
从最优造纸材料育种需求而言, 龙须草叶片纤维细胞壁腔比是最重要的评价指标之一。将不同种质资源龙须草叶片纤维细胞壁腔比进行聚类分析, 并根据聚类图以阈值为8, 将20种龙须草分为4类(图1)。第1类:广西柳城龙须草, 壁腔比最小, 造纸性能最优; 第2类:广西大化、河南淅川、贵州麻江、广西田东、陕西洋县、湖北郧县、重庆巫山7种龙须草, 壁腔比较小, 造纸性能较好; 第3类:云南元谋、湖北郧西、湖南衡阳、广西河池、河南西峡、贵州安龙、广东连州、贵州兴义、湖南慈利、云南金平、湖北丹江11份龙须草种质, 壁腔比较大, 造纸性能较差; 第4类:贵州黄平龙须草, 壁腔比最大, 造纸性能最差。
 | 图1 龙须草叶片纤维细胞壁腔比聚类分析Fig.1 Cluster analysis of the ratio of cavity wall in leaf fiber cells for the germplasm resources of Eulaliopsis binata |
3 讨论与结论
当前有关龙须草种质资源差异性研究只有为数不多的几篇报道。研究表明, 不同龙须草生产性能、形态特征、生物学习性和经济性状存在差异性[6, 9, 10, 11, 12, 13]。叶片是龙须草的主要生物产量, 占龙须草总产量的90%以上[1], 也是龙须草用于造纸的主要原料。叶片在生长过程中对环境因子的刺激反应敏感, 有很大的可塑性, 对环境表现为一定的适应性, 不但体现在外部形态上, 也体现在叶表皮、气孔、纤维细胞等解剖结构的差异[14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], 叶片的特征差异是龙须草种质资源差异的重要体现, 是龙须草种质资源研究的重要对象。
本研究对20个龙须草种质资源进行叶片解剖特征比较, 结果发现, 在叶的解剖学结构方面没有明显的差异。龙须草叶片解剖结构由上表皮、栅栏组织、海绵组织、同化细胞和下表皮五部分组成, 这与前人的相关研究结果相似[6, 21]。但是不同龙须草种质资源在叶片解剖特征大小上有明显的差异。其中龙须草种质资源叶片的外形上, 叶宽没有显著差异, 而叶长、叶面积呈现极显著差异, 这正是龙须草叶片形状特征的反映。龙须草的主要产量为叶片, 叶片越长并不代表龙须草种质资源的产量越高, 但叶长是影响龙须草生物产量的重要因素之一。试验结果显示, 20个种质资源中, 湖北丹江、湖北郧西、贵州黄平、广西河池4个种质资源叶长较长, 其他16个种质资源呈现显著差异, 这可为龙须草产量选种育种提供一定的参考。但还需测定产量等相关试验进一步研究。本研究结果显示, 龙须草种质资源间叶片表皮解剖结构特征(叶片表皮厚度、叶片厚度、叶片气孔密度、叶片气孔长、叶片气孔宽)和叶片纤维细胞特征(叶片纤维细胞直径、胞壁厚度、腔径、腔壁比)均呈现显著差异。植物叶片表皮可防止植物体内水分的过度蒸发, 维持水的相对平衡, 有着保护和控制外界气体进出植物体内的功能, 在一定程度上体现了植物的适应性, 其叶片表皮显微构造在一定程度上能反映出植物种群间的关系, 可为植物种间分类提供支撑数据。而纤维细胞的特征间接反映植物纤维自身的理化特征, 能够为优化和选育优质龙须草纤维的形态结构特征提供依据。
龙须草是优良的造纸原料, 叶片纤维结构是十分重要的衡量指标。通常壁薄腔大的纤维更柔软, 彼此结合率好, 所抄成的纸张比较好, 所以壁腔比等纤维细胞指标经常作为选育优质龙须草的指标之一。因此, 本研究重点以龙须草叶片纤维细胞壁腔比进行聚类分析, 根据本研究的聚类分析结果, 20种龙须草种质资源分为最优、较好、较差、最差4类, 因此广西柳成、广西大化、河南淅川、贵州麻江、广西田东、陕西洋县、湖北郧县、重庆巫山8种龙须草种质资源可作为优质造纸龙须草育种的参考对象, 为龙须草运用于造纸的实际生产、良种选育提供了重要参考。但通过聚类分析对龙须草种质资源进行分类, 将龙须草解剖特征整个结合起来分析, 或是能够把龙须草形态学、解剖学、分子标记等几方面结合起来, 再对其进行分类可能更为全面。若进行龙须草良种选育, 还要兼顾龙须草形态特征和经济性状的优良性。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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