西瓜品种叶部特征与抗旱性的关系

陈菁菁　孙小妹　纪海波　陈亮　刘斌　陈年来

摘 要： 为探讨西瓜叶片特征与抗旱性的关系，找寻能表征西瓜品种抗旱性的叶部特征，通过盆栽试验研究了9个已知抗旱性强弱的西瓜材料叶片结构、水分生理和气孔特性。结果表明：利用西瓜材料单叶面积、叶片解剖特征（栅栏组织/海绵组织、上表皮、下表皮和栅栏组织/叶片厚）和气孔特性（气孔的长/宽、气孔密度、气孔导度、气孔开口大小、单位叶面积气孔相对面积）隶属函数值判定的耐旱级别与大田直接鉴定所得的耐旱等级正相关。西瓜叶片的解剖特征和气孔特性可用于品种抗旱性鉴定，但单一指标不能准确判断西瓜品种的抗旱性。

关键词： 西瓜； 叶片特征； 抗旱性鉴定指标； 隶属函数法

Abstract： In order to discuss the relationship between drought resistance and leaf characteristics and explore possible indexes suitable for drought identification of watermelon cultivars，a potting experiment was conducted under normal irrigation conditions with nine watermelon collections of different drought resistance，through determination of leaf morphological，anatomical structure，water physiological properties as well as stomatal characters. The results indicated that the cultivar drought resistance levels determined via subordinate function of leaf area，anatomical indexes（palisade tissue/spongy tissue，the upper epidermis，lower epidermis and palisade tissue/leaf thickness） and stomatal parameters（stomatal length/width，stomatal density，stomatal conductance，stomatal size，relative stomatal area per leaf area） were positively correlated with those by yield drought index of watermelon collections. The results suggest that integrative index from leaf anatomical and stomatal parameters can be used for drought resistance identification of watermelon，but any single index should not be used alone to determine watermelon drought resistance.

Key words： Watermelon； Leaf characteristics； Drought identification index； Subordinate function

干旱是影响物种丰富度、分布和个体存活、生长和繁殖的重要环境因子[1]，气候资料显示，在过去几个世纪里干旱发生频率越来越高；模型预测结果也表明未来干旱的冲击力会更加强烈[2]。植物采取避旱、御旱或耐旱策略来应对干旱胁迫，通过进化或可塑性来实现对干旱的适应[3]。植物叶片是对环境较敏感且可塑性较大的器官[4]，较强的叶片可塑性常与植物对环境具有较高的适应潜力紧密联系[5]。因此，选用抗旱品种是减少旱灾损失的重要途径，而抗旱育种的效果和效率极大地依赖于对育种资源和育成品种（组合）抗旱性的准确、快速地鉴定[6]。

抗旱性是一个受多基因控制的复杂性状，单一指标常常难以全面准确地反映作物抗旱性强弱；而利用多指标隶属函数值进行综合评价，可以提高抗旱鉴定的准确性[7]。本研究通过对9个已知抗旱性强弱的西瓜材料叶片特征的观察，对比分析隶属函数法评判的抗旱级别与产量抗旱指数评判的抗旱级别间的一致性，筛选简单而准确的抗旱性鉴定指标，为西瓜抗旱育种提供技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 試验材料

依据文献资料[8]和2009年预备试验结果，采用9份抗旱性有差异的材料为研究对象。其中，‘金城5号（甘肃省兰州市种子管理站育成，旱砂田西瓜主栽品种）、‘PI 220779 Terboz ①（代号‘238，北京市蔬菜研究中心提供）、‘西农8号（西北农林科技大学选育）为抗旱材料，‘白2号（甘肃农业大学保存的籽瓜育种材料）、‘甜籽1号（甘肃农业大学育成的保健籽瓜新品系）、‘PI-500313①（代号‘618；北京市蔬菜研究中心提供）为耐旱材料，‘PI 470248 DB 14-1（代号‘483，北京市蔬菜研究中心提供）、‘京欣2号、‘Sweet Crimson为干旱敏感材料。

1.2 试验设计

1.2.1 试验方法 试验于2010年4—5月盆栽进行，采用随机区组设计，3次重复，每次重复每品种5盆，每盆4株。每盆装4 kg培养基质[V蛭石∶V珍珠岩=3 ∶ 1]，称重法保持土壤含水量在最大持水量的80%～85%，每日下午4：00称重补水。塑料薄膜封盆口，减少水分散失，定期浇灌1/2 Holgland营养液，4叶1心期开始测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶面积、叶缺刻和比叶重 叶片缺刻通过缺刻类型和缺刻级数来描述，叶片缺刻类型指以主脉为对称轴观察羽状裂刻的对数，类型分级描述为：无、1对、2对、3对、4对。叶片缺刻级数指在基部羽状缺刻的基础上再次形成的缺刻，观察主要集中在基部2片缺刻上，分级描述为1级、2级、3级[9]。每份材料用数码相机拍摄10张照片，用Photoshop分析计算单叶面积[10]；每份材料用打孔器打取100个叶圆（避开叶脉），烘干称质量后计算比叶重，比叶重=叶片干质量/叶片面积。

1.3.2 气孔特性 剪取第5叶中部，粘取下表皮，用Motic数码显微镜在40×物镜下观察测量气孔数目与大小[11]并拍照，每份材料拍摄30张，用Motic Images Advanced系统测定气孔纵、横径。每个材料6次重复，每张照片计数10个视野中气孔器数目，取平均值换算出气孔密度；每个视野随机测定10个气孔器的长度和宽度。

单位叶面积气孔相对面积=气孔器大小×单位面积气孔数量。

气孔器大小=气孔长度×气孔宽度。

气孔导度：于晴天上午9：00—10：00用LI-6400XT型便携式光合仪测定植株上部完全展开叶片的气孔导度，每份材料5次重复。

1.3.3 叶片解剖结构 将功能叶避开主脉切成约1 cm2 小块，用FAA固定液（甲醛、冰醋酸、70%酒精体积比为5∶5∶90）固定，每个材料10次重复。常规石蜡切片[12]，用Motic数码显微镜在10×物镜下观察拍照，每份材料拍摄30张，用Motic Images Advanced图像分析处理系统测量叶片厚度、表皮厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度，计算栅栏/海绵比和叶片组织紧密度。

叶片组织紧密度/%=栅栏组织厚度/叶片厚度×100。

1.3.4 叶片含水率 随机摘取5株幼苗的功能叶称鲜质量，在室温条件下分别于蒸馏水和60%蔗糖溶液中浸泡6 h后称取饱和质量和蔗糖液浸泡后质量，再于80 ℃烘干后称质量。

鲜质量含水量/%=（鲜质量-干质量）/鲜质量×100。

自然饱和亏/%=（饱和质量-鲜质量）/（饱和质量-干质量）×100。

自由水含量/%=（叶片浸泡前质量-蔗糖液浸泡后质量）/浸泡前质量×100。

束缚水含量/%=鲜质量含水量/%-自由水含量/%。

1.3.5 离体叶片保水能力 每份材料取5片功能叶，分别称鲜质量后悬挂于室内自然脱水。期间每隔1～3 h称质量1次，36 h后烘干称干质量，计算各时段叶片失水率和失水速率。

叶片失水率/%=（各时段初始质量-结束质量）/（初始质量-叶片干质量）×100。

叶片失水速率/（g·h-1）=各时段失水量/时间。

1.4 参试品种的抗旱性判定

抗旱品种应同时具有旱地稳产性和高产性的双重标准。在西瓜的抗旱性鉴定中，产量抗旱指数能准确地判断材料的抗旱性，故本文以此作为界定材料抗旱等级的标准[13]。

1.5 数据分析

统计分析软件为SPSS 13.0，数据分析采用隶属函数法[7]：Fij=Xij-Xjmin/Xjmax-Xjmin。其中：Fij为i品种j性状的隶属函数值，Xij为i品种j性状的测定值，Xjmin和Xjmax分别为各品种j性状的最小值和最大值。

作图软件为Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 叶面积、比叶重和叶片缺刻度

植物中的单叶面积越小或比叶重越大，抗旱性越强。很多植物通过增加叶片缺刻减少光能截获和蒸发表面，以适应干旱环境。9份供试西瓜材料叶片沿主叶脉的缺刻对数和叶片缺刻级数整体上随材料抗旱性增強而增加（表1）。虽然供试西瓜材料之间单叶面积和比叶重具有显著差异，但单叶面积和比叶重的隶属函数值与产量抗旱指数划分的抗旱等级之间相关性不显著（表1）。

2.2 叶片含水量

在一定范围内，植物组织代谢强度与其含水量正相关。供试材料叶片水分生理指标存在显著差异（表2），但与各品种产量抗旱性等级之间没有规律性联系。利用水分生理指标隶属函数值划分的品种抗旱等级（表3），也与产量抗旱指数划分的抗旱等级无显著相关性（r=0.135，P=0.503）。表明正常供水条件下，西瓜叶片的水分生理指标不能反应其抗旱性。

2.3 离体叶片保水能力

9份供试材料在离体后12 h失水速率较高，但随离体时间推移明显下降，此后失水速率低而平缓（图1）。各品种叶片失水率变异系数随着离体时间的延长而减小，在离体后5 h供试的9个品种失水率的变异系数最大。利用5 h内的失水速率划分材料的抗旱等级，但与产量抗旱指数等级的相关性不显著（r=-0.161，P=0.422）。

2.4 叶片解剖结构

品种‘238未做出理想的切片，故只有8个品种参试比较。8个西瓜品种上、下表皮厚度的品种间差异不显著（表4）。‘西农8号的栅栏/海绵比值显著大‘于483，‘甜籽1号和‘白2号的栅栏/叶片厚（CTR）显著大于‘483，表明‘483的组织结构紧密度小于其他品种。利用西瓜材料叶片解剖结构指标计算隶属函数均值（表5），划分8份材料的抗旱性级别，与产量抗旱指数划分的抗旱等级呈显著正相关性（r=0.818，P<0.005），说明西瓜叶片结构特征参数能够在一定程度上反映西瓜品种的抗旱性。

2.5 气孔特性

通常抗旱性强的作物气孔小而多下陷，参试品种气孔密度、长度、宽度和气孔器大小品种间差异显著（表6）。‘483的气孔密度最小（182个·mm-2），但气孔器大小和气孔相对面积显著大于其他品种。‘618的气孔密度最大，可达‘483的137%，但气孔器较小，仅为‘483的50%。‘Sweet Crimson的气孔长度、宽度和气孔器大小显著小于其他供试材料，仅约为‘483的40%。‘甜籽1号的气孔导度显著小于其他品种，‘238的气孔导度最大，为‘甜籽1号的282%。单位叶面积气孔相对面积与气孔导度正相关，但相关性不显著（r=0.408 7）。利用气孔密度、气孔器大小和气孔导度隶属函数值划分的材料抗旱等级（表7），与产量抗旱指数的抗旱级别极显著负相关（r=-0.597，P=0.001）。

3 讨论与结论

在植物的进化过程中，叶片对环境的变化反应较敏感且可塑性较大，因而植物对环境的反应也较多的表现在叶的形态和构造上[14]。许多研究认为，植物的一些叶片性状与植物的生长对策及植物利用资源的能力緊密联系[15]。光合、蒸腾是植物适应策略中最重要的生态生理特征，叶是植物进行同化和蒸腾作用的主要器官，其发育状况和叶面积大小对植物生长发育、抗逆性和产量形成有很大影响[16]。

叶缘缺刻深浅与生长环境条件有密切关系，具有大的单叶面积的抗旱植物，通过深的叶片缺刻来减少蒸腾面积，从而积累更多的光合产物。但本研究表明：在正常灌水条件下，各品种间叶片缺刻及缺刻级数无明显规律，因此不能作为反映植物抗旱性的指标。正常灌水下，植物体内自由水含量与自然饱和亏值越高，植物的抗旱性越差，反之植物的抗旱性越强。通过对供试品种水分生理的研究表明：在正常灌水下，叶片水分生理相关指标与抗旱性无明显相关性，因此不能准确判断材料的抗旱性。失水速率与叶片生长状况有直接关系，叶面积大、叶片生长旺盛时，失水速率明显加大。因此在抗旱性研究中失水速率应与叶片质量、叶面积大小相结合，结论可靠性更高。

干旱条件下，叶片越厚，储水能力相对越强[4]。叶片在解剖结构上能否减少水分丧失以减缓干旱的危害，是作物抗旱的标志之一。叶肉组织解剖特征是研究植物叶片对不同环境的结构与功能适应性的重要方法[17-18]。旱生植物的叶肉向着提高光合效能方面发展，而高度发达的栅栏组织不仅能避免强光对叶肉细胞的灼伤，又可有效利用衍射光进行光合作用[19]；发达的海绵组织则适应叶片水分供给充足的环境 [20]。栅栏组织较海绵组织发达，可保证光合作用过程中CO2的供给，并阻止水分散失，即具有大的栅栏/海绵组织值的植株，对干旱的适应能力更强[20]。陈豫梅等的研究表明：香蕉的抗旱能力与栅栏组织/叶片厚度的比值正相关[21]。本研究结果表明：叶片解剖结构相关指标的隶属函数值划分的抗旱等级与产量性状划分的等级显著相关，因此，在正常灌水下，综合利用气孔的长/宽、气孔密度、气孔导度、气孔开口大小、单位叶面积气孔相对面积能判断材料的抗旱性。

气孔是植物叶片进行气体交换的窗口，气孔的形态特征和行为动态是植物水分生理研究的一个重要方面[22]。本研究表明：利用气孔相关指标的隶属函数值划分的抗旱等级与产量性状划分的等级显著相关，因此，综合利用气孔各特征指标能够作为判断材料抗旱性的标准。

研究表明：气孔密度越大，抗旱性越弱，因为高的气孔密度通过提高蒸腾速率而加快水分的运转，但这也使植株加速失水[23]；有人认为这可能与水分胁迫使叶面积增加减小，导致单位叶面积上的气孔个数的增加，从而表现出抗旱性越强，气孔密度越大的趋势[24]。因此单纯利用气孔密度作为抗旱性鉴定指标颇有争议。气孔结构是相对保守的，关键在于气孔开度或气孔导度。气孔导度反映了单位面积的蒸腾失水情况和气孔对干旱的敏感性，水分亏缺下植株通过调节气孔导度来减缓干旱胁迫的伤害[25]。高彦萍等认为抗旱品种气孔开张能力大于中抗品种和弱抗品种，能够保持相对稳定的气孔导度和光合效率，即使在严重水分胁迫下，仍能保持一定大小的气孔开度，尽可能地维持生理代谢平衡[24]，这与本研究结论相似。大的气孔导度能增加叶片CO 2的吸收量，但是气孔导度的增大不是无节制，当增大到一定程度后（叶片CO 2吸收量达到最大），叶片H2O蒸腾量则会随着气孔导度的增大而增加，导致无效蒸腾，所以气孔导度大的品种不一定就是抗旱品种[26]。

参考文献

[1] Gurevitch J，Scheiner S M，Fox G A. The ecology of plants[M]. 2nd ed Sunderland M A USA： Sinauer Associates Inc，2006.

[2] Portmann R W，Solomon S，Hegerl G C. Spatial and seasonal patterns in climate change，temperatures，and precipitation across the United States[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2009，106（18）： 7324-7329.

[3] Franks S J. Plasticity and evolution in drought avoidance and escape in the annual plant Brassica rapa[J]. New Phytologist，2011，190（1）： 249-257.

[4] 李 翠，程 明，唐宇丹，等. 青藏高原2种柳属植物叶片解剖结构和光合特征的比较[J].西北植物学报，2009，29（2）： 275- 282.

[5] Valladares F，Wright S J，Lasso E，et al. Plastic phenotypic response to light of 16 congeneric shrubs from a Panamanian rainforest[J]. Ecology，2000，81（7）： 1925-1936.

[6] 徐 蕊，王启柏，王 滨，等.高产抗旱玉米品种选择评价方法研究[J].干旱地区农业研究，2009，27（2）： 60-67.

[7] 杨守萍，陈加敏，刘 莹，等.大豆苗期耐旱性与根系性状的鉴定和分析[J].大豆科学，2005，24（3）： 176-182.

[8] 杨安平，王 鸣，安贺选. 非洲西瓜种质资源苗期抗旱性研究[J].中国西瓜甜瓜，1996，（1）： 6-9.

[9] 尚建立，王吉明，马双武. 西瓜种质资源若干性状描述与数据采集[J].中国瓜菜，2010，23（6）： 39-41.

[10] 苑克俊，刘庆忠，李圣龙，等. 利用数码相机测定果树叶面积的新方法[J].园艺学报，2006，33（4）： 829-832.

[11] 陈佰鸿，李新生，曹孜义，等. 一种用透明胶带粘取叶片表皮观察气孔的方法[J].植物生理学通讯，2004，40（2）： 215-218.

[12] 贾晓红，姜罡丞. 海拔梯度对嵩草叶超微结构的影响[J]. 河南大学学报：自然科学版，2002，32（1）： 74-77.

[13] 孙小妹. 西瓜抗旱性鉴定指标与方法研究[D].兰州：甘肃农业大学，2011.

[14] Carroll A B，Pallardy S G，Galen C. Drought stress，plant water status and floral trait expression in fireweed，Epilobium angustifoliun（Onagraceae）[J]. American Journal of Botany，2001，88（3）： 438-446.

[15] Pontes L D，Soussana J F，Louault F，et al. Leaf traits affect the above-ground productivity and quality of pasture grasses[J]. Functional Ecology，2007，21（5）： 844-853.

[16] Carmo-Silva A，Francisco A ，Powers S J，et al. Grasses of different C4 subtypes reveal leaf traits related to drought tolerance in their natural habitats：changes in structure，water potential，and amino acid content[J]. American Journal of Botany，2009，96（7）： 1222-1235.

[17] 王 荣，郭志华.不同光环境下枫香幼苗的叶片解剖结构[J].生态学杂志，2007，26（11）： 1719-1724.

[18] Chaves M M，Maroco J P，Pereira J S. Understanding plant responses to drought-from genes to the whole plant[J]. Functional Plant Biology，2003，30（3）： 239-264 .

[19] Castro-Diez P，Puyravaud J P，Cornelissen J H C. Leaf structure and anatomy as related to leaf mass per area variation in seedlings of wide range of woody plant species and types[J]. Oecologia，2000，124（4）： 476- 486.

[20] 賀金生，陈伟烈，王勋陵. 高山栎叶的形态结构及其与生态环境的关系[J].植物生态学，1994，18（3）： 219.

[21] 陈豫梅，陈厚彬，陈国菊.香蕉叶片形态结构与抗旱性关系的研究[J].热带农业科学，2001（4）： 14-16.

[22] Downton W J S，Loveye B R，Grant W J R. Non-uniform stomatal closure induced by water stress causes putative non-stomatal inhi- bition of photosynthesis[J]. New Phytologist，1988，110（4）： 503-509.

[23] 胡又厘，余 甘. 根和叶的形态解剖特征与耐旱性的关系[J]. 福建农学院学报，1992，21（4）： 413-417.

[24] 高彦萍，冯 莹，马志军，等.水分胁迫下不同抗旱类型大豆叶片气孔特性变化研究[J].干旱地区农业研究，2007，25（2）： 77-79.

[25] Funk J L，Jones C G，Lerdau M T. Leaf and shoot level plasticity in response to different nutrient and water availabilities[J]. Tree Physiology，2007，27（12）： 1731-1739.

[26] 朱元骏，黄占斌，辛小桂，等. 分根区施保水剂对玉米气孔导度和单叶WUE 的影响[J].西北植物学报，2004，24（4）： 627-631.