四倍体白榆叶片形态特征和光合特性研究

张秀珍 宋文龙 梁海永* 王志彬

（1.河北省大海陀国家级自然保护区管理处，河北 张家口 075500；2.河北农业大学林学院，河北省种质资源与森林保护重点实验室，河北 保定 071000；3.张家口市金沙滩林场，河北 怀安 076150）

白榆(Ulmus pumila)是我国分布最广、最重要的榆属树种，具有重要的经济和生态价值，在生态防护、园林绿化和用材等方面逐渐得到重视并被广泛应用。然而，由于人们对白榆优良性状认识不足，近年来白榆在科研和生产等方面都未受到应有的重视。

林木多倍体在材积、抗性和品质改良等方面具有显著成效，同时多倍体育种是对种质资源的创新与扩大，而种质资源是进行品种选育的基础，因此，大量地进行林木多倍体诱导既可选育出优良新品种，又可以丰富林木种质资源。研究发现植物染色体组加倍后，植物的形态和生理也会发生某些变化[3]。叶绿素荧光是光合作用的探针,通过对荧光参数的分析,可以得到有关光能利用途径的信息[4]。叶绿素作为叶绿体的重要组成部分，对光的吸收能力极强，决定着叶片功能持续期的长短。一定范围内叶绿素含量的多少会直接影响叶片的光合能力，基于叶绿素含量与光合能力的关系研发的叶绿素荧光技术，作为一种新方法广泛应用于植物光合生理特性的研究中[5-7]，但四倍体白榆的研究一直未见报导。四倍体白榆是河北农业大学林学院通过秋水仙素加倍培育的同源四倍体材料，研究白榆染色体加倍后带来形态及光合生理的变化为白榆多倍体育种提供参考资料，具有一定的现实意义。

试验用白榆四倍体叶片和二倍体亲本叶片均采自河北农业大学林学院实习基地，每个品种分别采取长枝中上部发育良好、无病虫害的叶片20片。

1.2.1 光合色素含量的测定

用dd H2O清洗除去杂物,室温晾干,避开主脉部分，剪取3个榆树二倍体和同源四倍体叶片中的绿色区域,测定方法参考许元明等[8]采用的分光光度法。

1.2.2 叶绿素荧光参数的测定

测定时间在2019年6月，于上午9:00～11:00在室内采用MINI-PAM-Ⅱ(WALZ,德国)超便携式调制叶绿素荧光仪不离体测定3个榆树二倍体和同源四倍体的叶绿素荧光参数PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率Y(Ⅱ)、光化学淬灭系数(qp)和非光化学淬灭系数(NPQ)，其中Y(Ⅱ)、qp、NPQ值直接在室温下进行测定,Fv/Fm值在叶片经过至少20 min黑暗处理后于室温下测定。各项测定均重复3次,操作方法参照仪器使用说明书。

1.2.3 光合参数的测定

于上午9～11点，在供试榆树单株胸径位置选择叶片无明显病虫害和机械损伤的枝条用于测定光合速率。测定采用LI-COR公司生产的Li-6400XT型光合测定仪，将待测枝置入测定仪针叶叶室内，经过2000 lx饱和光适应20 min后，开始读取测定值，测定时间5 min，每隔10 s读取1次，环境CO2浓度为(380±20)μL/L，取净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)为分析指标。测定结束后将测定枝剪下，采用CI-202便携式激光叶面积仪测定叶面积。每株单株测定3个枝条作为重复。

1.2.4 形态指标测定

试验结果表明：制种玉米采用膜下滴灌节水效果明显，单方水产值和单方水效益明显高于常规漫灌处理，高于张掖市各种作物灌溉水的平均产出效益[3]；制种玉米膜下滴灌节本增收效果显著，较常规大水漫灌效益增加1 818～2 254.5元/hm2。膜下滴灌省工省时，便于规模化管理、节本增收等优势明显，是传统农业向现代设施装备农业转变的重要途径，发展前景市场广阔[4]。但是，膜下滴灌节水技术其前期资金投入较大，整个滴灌系统对管理与操作人员的素质要求较高，建议在农场、土地流转大户等农田集约化程度较高的地块应用，同时新开垦的、地力水平较为贫瘠，沙化严重的地块也可推广应用。

白榆二倍体及其同源四倍体无性系，采集10个叶片作为重复，放在扫描仪上进行图像扫描，将扫描好的叶片图像用Lamina 1.0.2软件进行叶形分析，得到叶长、叶宽、叶面积、叶片周长、叶片圆度、叶片指数、叶锯齿数量及锯齿大小等能够表现叶片形态的各项参数。

植物多倍化后，由DNA剂量效应和互作效应，使其原二倍体有关多聚糖、氨基酸及蛋白质合成与代谢的功能改变，从而使叶片表型发生了变化。由表1可知，四倍体S4与Y4植株在叶面积、叶长、叶宽、叶形指数、周长、圆度及锯齿数量均与原二倍体对照均出现了差异，N4变化不显著。四倍体Y4的叶面积、叶宽、叶形指数、锯齿数量分别比二倍体Y2增加了58.40%、82.11%、119.88%、56.96%，但叶长减少20.00%，两者之间的差异达到了显著水平(P<0.05)；四倍体S4的叶面积、叶长、叶宽、周长及锯齿数量分别比二倍体S2显著增加了76.21%、30.57%、30.79%、26.27%、22.20%，但叶形指数及圆度未出现明显变化(P<0.05)；四倍体N4叶片的各形态指标均未出现显著水平变化(P<0.05)。2个榆树四倍体在叶长、叶宽、叶面积及周长等形态学特征方面表现出了巨大性。

表1 3个同源四倍体榆树及原二倍体的叶片形态指标

大多数高等植物叶片的色素主要由叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和类胡萝卜素(Caro)(主要为叶黄素和类胡萝卜素)三大类组成。多数研究表明，光合色素对植物光合作用的正常进行起着决定作用，其含量的高低反映植物光合能力的强弱。植物多倍化后，由DNA剂量效应和互作效应，使其原二倍体有关光合色素合成与代谢功能改变，进而使植物体内的光合色素含量发生了变化，最后影响光合速率。

3个榆树无性系同源四倍体与原二倍体叶片的3种色素含量出现差异（图1），除类胡萝卜素(Caro)呈现降低外，叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和总叶绿素(Chla+b)均呈升高现象。在叶绿素a含量方面，S与N系列差异不明显，Y4的含量为10.29 mg/g相比于比原二倍体Y2叶片3.24 mg/g升高217.59%；对叶绿素b含量，Y与S系列基本无差异，但N4比N2升高了61.27%；在类胡萝卜素含量方面，除Y系列无差异外，S与N系列均呈现出显著降低；总叶绿素含量方面，N4与Y4均呈显著升高。

图1 三个同源四倍体榆树及原二倍体的光合色素含量

高等植物叶片中3类光合色素的含量和成分影响植物叶片总体呈色，叶绿素a与叶绿素b的含量比值显著提高，通常易发生叶绿素b缺乏症。类胡萝卜素与总叶绿素的比值高于60%以上时，叶片呈绿色，而比值低于60%时，叶片色彩呈现黄色。

在不同倍性条件下（表2），Y系列的叶绿素a与叶绿素b比值、类胡萝卜素与总叶绿素含量的比值均有显著变化，Y4叶绿素a与叶绿素b含量(Chla/chlb)的比值为2.60，是二倍体叶片比值的1.9倍，同时类胡萝卜素与总叶绿素含量(caro/Chl)的比值为0.15，仅为二倍体的一半。

表2 三个同源四倍体榆树及原二倍体的光合色素比值

2.3.1 同源四倍体叶片及原二倍体叶片的光合效应比较

高等植物的光合作用是重要代谢过程之一，其强弱对于植物的生长、发育和抗逆性均有重要影响。由表3可知，N4相比于N2在净光合作用速率、气孔导度及蒸腾速率均出现了明显升高，分别升高了34.25%、55.02%和51.08%；S4仅在胞间CO2浓度方面与S2出现了不同，显著降低了8.14%；与Y2相比，Y4的气孔导度显著升高了32.08%，而蒸腾速率与胞间CO2浓度却显著下降了11.64%和11.37%。

表3 3个同源四倍体榆树及原二倍体的叶片光合参数

2.3.2 同源四倍体叶片及原二倍体叶片的叶绿素荧光参数比较

在光合作用中，植物的叶绿素荧光参数多指组织或叶片的叶绿体膜上的PSⅠ和PSⅡ两套系统的光电子传递过程。由表4可知，N4与N2相比，在所有参数均未出现显著差异，而S4仅在光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(NPQ)方面有较小差异，Y4在所有参数方面均出现了显著差异。

表4 3个同源四倍体榆树及原二倍体叶绿素荧光参数

经过暗处理后，Y4的最小荧光产量(Fo)比Y2高出21.00%；而Y4的最大荧光产量(Fm)比Y2降低了19.39%；Y4的PSⅡ潜在光化学活性(Fv/Fo)为Y2的62.09%；Y4的性能指数（PI）远低于Y2，降低了近一半，表明在四倍体叶片中，光能利用率低，光合性能差。Y4叶片Fv/Fm为0.72，比Y2低了12.15%。

三个系列的同源四倍体叶片光化学淬灭系数（qP）均高于二倍体叶片，其中S与Y系列分别升高了16.71%、21.34%，但N4与N2相比差异不明显，仅升高5.58%，说明同源四倍体叶片在正常光照下，利用光能效率高于原二倍体；对于非光化学淬灭系数（NPQ）值来说，其越高表示叶片的热耗散能力越强，即植物对于强光胁迫下光合机构的保护能力越强，反之越差，N系列无明显升降，S与Y系列明显下降。

与二倍体相比，酸枣[13]、青檀[14]四倍体植物在快速生长时期均呈现出节间、叶柄缩短，叶脉数量减少，枝条开张角度增大等特点，榆树四倍体也出现了相似情况。3个榆树无性系同源四倍体与原二倍体叶片的3种色素含量出现差异，除类胡萝卜素呈现降低外，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素均呈现出或多或少的升高现象。四倍体青檀的叶片色素研究中也出现显著高于普通二倍体青檀和变异小叶青檀[14]。

高等植物的光合作用是重要代谢过程之一，其强弱对于植物的生长、发育和抗逆性均有重要影响。四倍体N4相比于N2在净光合作用速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率均出现了明显升高，这与草莓多倍体研究结果基本一致。叶绿素荧光参数的测定表明在四倍体叶片中，光能利用率低，光合性能差，同源四倍体叶片在正常光照下，利用光能效率高于原二倍体。

三个榆树四倍体在叶长、叶宽、叶面积及周长等形态学特征方面表现出了巨大性。光合色素对植物光合作用的正常进行起着决定作用，四倍体白榆的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素均呈现升高现象，四倍体榆树无性系的叶片颜色更深。同源四倍体叶片在正常光照下，光能利用效率高于原二倍体；同源四倍体叶片的净光合速率高于原二倍体。