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苹果矮化砧木1年生枝解剖结构
0 引言
苹果(Malus pumila Mill.)矮化砧在全球苹果生产中已被广泛应用,但致矮机理还不清楚.国内外众多学者分别从形态解剖结构、水势、物质运输、酶活性、激素调节等方面对苹果砧木致矮机理进行了研究[1-7].生物学原理告诉人们,结构决定功能,因此,从解剖结构研究苹果砧木致矮机理很有意义.生产上利用苹果矮化砧木栽培,一般选苹果矮化砧木的1 年生枝条作为嫁接砧段,所以弄清苹果矮化砧木1 年生枝的解剖结构是从解剖结构研究苹果矮化砧木致矮机理的基础.前人主要从材皮比、导管、筛管、髓部对苹果砧木1 年生枝的解剖结构与矮化性的关系进行了研究[1-7],研究结论大多一致,表明,苹果砧木枝条的材皮比,导管数量、导管密度、导管占木质部的比率和树体生长势呈正相关[1-5],筛管、髓部面积的大小与树体生长势没有显著相关性[1-2].
但除了导管、筛管外,管胞和伴胞也是物质运输的主要通道,在柑橘、梨上的研究表明,髓部、木栓形成层也可能是砧木致矮的因素[1,8-9],且植物茎的各组织在生长发育及物质运输代谢过程中密切相关.因此,为了更加深入精确地研究苹果矮化砧木1 年生枝解剖结构与矮化性的关系,对苹果砧木1 年生枝的解剖结构进行辨析很有必要.目前,有关苹果1 年生枝组织解剖结构详细深入的研究未见报道.本研究以Y-1 苹果矮化砧木为试材,运用常规石蜡切片法制片,通过显微镜观察辨析其1 年生枝条各组织的解剖结构,以期为更加深入精确地研究苹果矮化砧木1 年生枝解剖结构与矮化性的关系提供理论依据与参考.
1 试材与方法
1.1 试验时间、地点
采样于2015 年10 月下旬在山西省农科院果树研究所砧木课题组砧木资源圃进行,石蜡切片制作于同年11月初在山西省农科院果树研究所实验室进行.
1.2 试验材料
选择生长健壮、无病虫害的Y-1 苹果矮化砧木植株为试材.
1.3 试验方法
在供试植株营养生长停止,顶芽形成,组织成熟后,取树体北方位、中间部位、由剪口芽萌发的1 年生发育枝,在中部取1 cm 的枝段,然后以FAA固定液固定.枝样用常规石蜡切片法制片,分横切面和纵切面,用型号BX510 Olympus 显微镜配置的型号DP71 相机进行显微摄影.
2 结果与分析
2.1 大体结构
对石蜡切片显微观察发现,苹果矮化砧木Y-1 1 年生枝的大体结构（图1A）和大多双子叶植物茎结构一样,包括周皮（图1A a）、皮层（图1A b）、维管系统、髓（图1A f、图1B a）和髓射线（图1B e）,其中木质部和韧皮部有初生结构和次生结构,由外到内依次为：木栓层（图1C a、图1D a）、木栓形成层（图1C b、图1D b）、栓内层（图1C c、图1D c）、皮层（图1E a、图1F a）、初生韧皮部（图1G d、图1H d）、次生韧皮部（图1G b、图1Hb）、形成层（图1G a、图1H a）、次生木质部（图1B b）、初生木质部（图1B c）、髓部,韧皮射线（图1G i）、木射线（图1B d）、髓射线贯穿其中.木栓层、木栓形成层和栓内层共同组成周皮,次生韧皮部、初生韧皮部、形成层、次生木质部、初生木质部及其贯穿其中的射线共同组成维管系统[10-16].Y-1 1年生枝横断面各组织厚度依次为周皮0.0667 mm,皮层0.0426 mm,木质部1.4879 mm,韧皮部0.1879 mm,髓部半径0.2845 mm,枝条半径2.0696 mm.
2.2 详细结构
2.2.1 周皮（图1C、图1D） 周皮是一种次生保护组织,来源于初生结构的表皮,随着枝的加粗生长,周皮逐渐代替了表皮,起保护作用；周皮通常在茎生长的第1 年即出现,以后可继续加厚[17]；因此,苹果矮化砧木Y-1 1年生枝应该已形成周皮.构成周皮的木栓层和栓内层来源于木栓形成层,木栓形成层进行平周分裂,向外衍生的细胞分化成木栓层,向内形成栓内层.木栓层细胞为木栓化的死细胞,呈砖形,排列整齐,缺乏细胞间隙,苹果矮化砧木Y-1 1 年生枝的木栓层有2~3 层细胞,被番红染成深红色或棕色.木栓形成层（图1C b、图1D b）的细胞类似维管形成层,呈现高度液泡化,细胞间隙较小[17].栓内层细胞（图1C c、图1D c）为生活细胞,由常含叶绿体的薄壁细胞组成,细胞间隙比木栓形成层大[17-18].
2.2.2 皮层（图1E、图1F） 由图1E 和图1F 可看出,苹果矮化砧木Y-1 1 年生枝皮层（图1E a、图版1F a）位于周皮和维管束之间,主要由多层薄壁细胞构成,具有明显的细胞间隙,靠近周皮处有数层厚角组织（图1E b、图1F b）,内含叶绿体[17]；和栓内层相比,皮层细胞的形状与排列明显不同,细胞较大且排列疏松.2.2.3 维管柱（图1G、图1H、图1I、图1J） 皮层以内的部分称为维管柱,它包含维管束、髓和髓射线.维管组织呈束状,且各束在皮层的内侧呈环状排列.每个维管束由木质部、束内形成层（图1G a、图1H a）、韧皮部组成,次生木质部和次生韧皮部均来源于束内形成层,束内形成层进行切向分裂,向外产生次生韧皮部,向内产生次生木质部,同时还产生径向排列的次生韧皮射线（图1G i）和次生木射线（图1G h）.维管束与维管束之间的薄壁细胞是髓射线,来源于束间形成层,它内连髓部,外通皮层,在横断面上呈辐射状,有贮藏养料和横向运输的功能.
（1）韧皮部.茎韧皮部包含初生韧皮部和次生韧皮部,二者的组成成分基本相同,均由筛管、伴胞、韧皮薄壁细胞和韧皮纤维组成,不同的是,次生韧皮部中具有初生韧皮部中没有的薄壁细胞——韧皮射线.次生木质部的韧皮射线细胞（图1G i）成束排列,容易分辨,而初生韧皮部中的韧皮薄壁细胞在显微条件下较难分辨.筛管和伴胞是植物输导组织的组成分子,起运输同化产物的作用.筛管分子在横切面上为多角形,但衰老的筛管及一些韧皮薄壁细胞常被挤毁[1（8] 被挤毁的衰老的筛管见图1G j）,而产生新的筛管分子.伴胞是一种特殊类型的薄壁组织细胞,一个筛管分子常结合一个或几个伴胞[15],且可以发生在筛管分子各个方向[19]；在横切面上,伴胞比筛管分子小,多呈三角形、方形或梯形[17,19-20]；伴胞的原生质浓厚[13],和筛管相比染色较深（见图G f）.初生韧皮部中的韧皮纤维在靠近皮层处成束分布形成一圈,其细胞是一种厚壁组织细胞,横切面呈圆形、长圆形或多角形,细胞壁很厚[10].次生韧皮部和初生韧皮部之间的界线是不太明显的,一般说来,次生韧皮部排列整齐.在木本植物的次生韧皮部中,有功能的韧皮部通常限于当年产生的生长层[17],因此,研究砧木枝条筛管的解剖结构与致矮能力的关系需选用接近形成层次生木质部的筛管.
（2）木质部（图1I、图1J）.形成层以内、髓部以外为木质部.苹果1 年生枝的木质部包含初生木质部和次生木质部.次生木质部和初生木质部均由导管（图1I a、图1J a）、管胞、木纤维和木薄壁细胞组成.苹果矮化砧木Y-1 1 年生枝的维管柱和大多木本植物一样,木质部占大部分,其中的导管和管胞起向上运输水分和无机盐的作用.导管比较容易辨认,因为它孔径比其他细胞明显大.管胞呈纺锤形单细胞,细胞壁木质化,横切面呈三角形、方形或多角形,常集合分布在木质部[20].纤维在横切面上呈圆形、长圆形或多角形,成群或束状分布,且常比在同一木材中的管胞壁厚[21].在木质部中还存在一种管胞和纤维中间状态的细胞,即纤维管胞,纤维管胞、纤维、管胞这3 种细胞在显微结构下不易分辨[17,22],所以,和矮化关系密切的管胞在显微结构下不易辨别.木薄壁组织细胞含有不同的后含物,常见的有淀粉和脂肪,具有贮藏营养的功能[17].木射线（图1I b）由射线原始细胞衍生,细胞壁常木质化[17-18].（3）髓部（图1B）.苹果砧木Y-1 1 年生枝的苹果茎的髓射线（图1B e）很窄,只有1-2 列细胞.髓位于茎,由薄壁细胞组成,具有细胞间隙,常贮有丰富养料.
3 结论与讨论
3.1 大体结构
本研究表明,苹果矮化砧木Y-1 1 年生枝的大体结构包括周皮、皮层、维管系统、髓和髓射线,其中木质部和韧皮部有初生结构和次生结构,由外到内依次为：木栓层、木栓形成层、栓内层、皮层、初生韧皮部、次生韧皮部、形成层、次生木质部、初生木质部、髓部,韧皮射线、木射线、髓射线贯穿其中.初生韧皮部和次生韧皮部组织界线不明显.
3.2 导管、管胞、筛管
苹果1 年生枝次生维管组织处在初生韧皮部和初生木质部之间,其向内向外的扩张使茎的内部产生相当大的压力,这种压力使得原生木质部和衰老的筛管及一些韧皮薄壁细胞常渐渐被挤毁,而这些初生木质部导管通常失去了输导作用,衰老的筛管也被新生筛管分子所更新,且筛管的输导作用常只能维持1~2年.所以,要研究具有输导作用的茎组织器官应以接近形成层、当年产生的生长层为宜.另外,导管由于周围的薄壁细胞从纹孔处挤入其腔内,形成侵填体而被堵塞,失去输导功能[18]；筛管原生质中往往含有P-蛋白,这种P-蛋白可以迅速而可逆地从凝缩状态转变为分散状态,在此过程中它们堵塞筛管,从而控制筛管的输导能力[17].所以,结合本研究可以认为,在显微结构下,与矮化关系密切的导管容易辨别,管胞难以辨别,筛管、伴胞可以辨别,但对具有输导能力的导管、筛管需用更精细和先进的技术方法进行分辨研究.
3.3 枝条组织解剖结构与致矮
在苹果接穗品种和砧木本身枝条上的研究表明,枝条材皮比越大,树体生长势越强[3,23]；苹果砧木1 年生枝材皮比在2~3 为矮化,＞3 为乔化,比值越大,树体越乔化[1].枝条导管的密度、总面积、孔径越小,数量越少,占木质部比例越小,树体生长势就越弱[2].在梨上的研究则认为,砧木致矮是由于砧段的木栓形成层细胞层数多,使皮部的筛管分子在增粗的过程中承受更大的压力,从而被挤压变形、萎缩、破坏或消失,阻碍了碳水化合物向基部的运输,导致树体矮化[9].另外,在苹果上的研究认为,髓部及筛管的面积与砧木植株的体积无相关性[1],而在柑橘上的研究与之相反,得出柑橘树体从矮化到乔化,髓部的面积呈增大趋势[8].
笔者分别对M系与Y系苹果矮化砧木解剖结构进行了研究,表明：苹果砧木1 年生枝木质部从近皮部到近髓部,导管密度大多呈增大趋势,导管面积大多呈减小趋势；M系苹果砧木1 年生枝的周皮厚度、皮层厚度、髓部半径、枝条半径,周皮、皮层、髓部、枝条的面积,筛管面积均显著小于乔化砧木,而木质部占横断面积的百分比、近皮部导管密度、导管平均密度、近皮部导管面积/筛管面积、导管平均面积/筛管面积均显著大于乔化砧木.得出,M系苹果矮化砧木致矮的关键部位可能是韧皮部（主要是筛管）.Y系苹果矮化砧木1 年生枝髓部半径及面积、近皮部导管面积、导管平均面积、木质部厚度/韧皮部厚度、材皮比均显著小于乔化砧木,而近皮部导管密度、韧皮部厚度/枝条半径、韧皮部占横断面积的百分比均显著大于乔化砧木；Y系苹果矮化砧木嫁接品种1 年生枝髓部半径、近皮部导管面积/筛管面积、中部导管面积/筛管面积、近髓部导管面积/筛管面积、导管平均面积/筛管面积显著小于乔化砧木.得出：Y系苹果矮化砧可使接穗品种髓部变大,导管面积/筛管面积变小,Y系苹果矮化砧木致矮关键部位可能是木质部（主要是导管）.从M系和Y系的研究结论可以看出,矮化砧限制了髓部的生长；砧木不同,可能致矮机理也不同.
今后应运用更先进的技术对苹果矮化砧木1 年生枝的各组织解剖结构与乔化砧木进行更准确精细的比较,以找出更多与矮化有关的组织特征,从枝条组织解剖结构对苹果矮砧致矮机理进行更深入的探讨.
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