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文冠果Xanthoceras sorbifolium为无患子科Sapindaceae文冠果属Xanthoceras植物,是中国北方特有的木本油料树种,其种仁含油率高,且富含不饱和脂肪酸,具有很高的食用价值和营养价值[1]。文冠果具有较强的生理适应性,抗寒旱、耐瘠薄,是北方造林绿化和防风固沙的优良生态树种[2]。文冠果不同的种质资源适应干旱的能力有明显的差异,丰产和抗旱的种质资源较为匮乏[3-4]。在全球水资源短缺问题不断加重的情况下,开展文冠果抗旱性评价,筛选文冠果抗旱种质资源对推动文冠果进一步扩大种植和推广及改善生态环境具有重要意义[5]。叶片是植物进行光合和蒸腾的主要部位,当植物长期生长在干旱少雨的地方时,其形态结构会发生变化来响应干旱胁迫,因此叶片的形态指标可以反映植物对干旱环境的适应情况[6-7]。基于叶片形态特征,研究者们发现文冠果叶片可通过提高蜡质层厚度和栅海比以及增加上表皮厚度来响应干旱,叶片厚度、栅海比、气孔密度和气孔开口面积指数等都可作为评价文冠果抗旱性的主要指标[8-10]。目前,中国通过叶片解剖结构指标来综合评价不同文冠果种质资源的抗旱性研究较少,因此,本研究基于文冠果种质资源圃内前期筛选的200份丰产型文冠果种质资源,通过观测叶片解剖结构的特征,采用因子和聚类分析的方法评价文冠果不同种质资源的抗旱性,以期为文冠果丰产抗旱型新品种选育提供理论依据。
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由表1可见:叶片解剖结构13个指标的变异系数为18.78%~51.17%,说明200份文冠果种质资源的叶片解剖结构存在明显差异。其中,蜡质层厚度(LCT)为1.23~10.44 μm,在各材料中的变异系数最大,为51.17%。相比于其他性状,组织结构紧密度(CTR)的变异系数为18.78%,变异相对较小。各指标相关性分析(表2)发现:大多数性状之间显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)相关。其中叶片厚度(TL)与上表皮厚度(TU)、下表皮厚度(TL)、栅栏组织厚度(TP)、海绵组织厚度(TS)和蜡质层厚度(LCT)等性状呈极显著相关(P<0.01)。组织结构疏松度(SR)与栅海比(P/S)、导管直径(VD)、蜡质层厚度(LCT)等性状呈极显著负相关(P<0.01)。性状之间的相关性表明:用单个叶片解剖结构指标来评价文冠果种质资源的抗旱性具有片面性,不能全面准确地评价干旱情况下文冠果叶片特性。
指标 最小
值/μm最大
值/μm均值/
μm标准
偏差变异系
数/%叶片厚度(LT) 60.22 270.04 140.90 50.99 36.19 上表皮厚度(TU) 3.97 24.10 11.95 5.22 43.65 下表皮厚度(TL) 4.26 21.36 10.13 4.04 39.87 栅栏组织厚度(TP) 22.34 182.31 62.66 28.22 45.04 海绵组织厚度(TS) 20.30 104.51 51.90 17.08 32.92 蜡质层厚度(LCT) 1.23 10.44 3.86 1.97 51.17 导管直径(VD) 4.03 25.01 9.74 4.41 45.31 栅海比(P/S) 35.26 263.46 121.69 38.93 32.00 上表皮占比(PU) 4.27 17.96 8.40 1.73 20.59 下表皮占比(PL) 4.19 21.34 7.26 1.84 25.28 蜡质层占比(PLCT) 1.25 5.43 2.68 0.74 27.47 组织结构紧密度(CTR) 23.08 93.76 43.79 8.22 18.78 组织结构疏松度(SR) 22.81 90.89 37.93 7.72 20.35 说明:样本数为200 Table 1. Statistics of 13 characters of leaf anatomical structure in X. sorbifolium
指标 LT TU TL TP TS LCT VD P/S PU PL PLCT CTR SR LT 1 TU 0.890** 1 TL 0.823** 0.881** 1 TP 0.903** 0.827** 0.754** 1 TS 0.832** 0.726** 0.734** 0.653** 1 LCT 0.832** 0.772** 0.769** 0.783** 0.719** 1 VD 0.851** 0.86** 0.829** 0.785** 0.711** 0.741** 1 P/S 0.393** 0.405** 0.313** 0.678** −0.075 0.366** 0.362** 1 PU 0.139* 0.552** 0.452** 0.187** 0.115 0.195** 0.334** 0.152** 1 PL −0.110 0.146* 0.447** −0.061 0.016 0.056 0.117 −0.064 0.595** 1 PLCT 0.214** 0.263** 0.357** 0.252** 0.233** 0.691** 0.261** 0.157* 0.221** 0.309** 1 CTR 0.230** 0.276** 0.251** 0.602** −0.021 0.266** 0.248** 0.838** 0.227** 0.137 0.213** 1 SR −0.394** −0.354** −0.220** −0.493** 0.154* −0.281** −0.323** −0.792** 0.010 0.293** 0.018 −0.412** 1 说明:缩写指代的指标见表1。*表示显著相关 (P<0.05);**表示极显著相关 (P<0.01) Table 2. Correlation between 13 traits of leaf anatomical structure in 200 X. sorbifolium samples
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本研究中13个指标的KMO值为0.715,巴特利特(Bartlett)球形检验近似卡方值为4 891.701,显著性P=0.00(<0.05),说明本研究适合使用因子分析法来统计分析。在13个因子中,共提取出4个公因子F1、F2、F3、F4。4个公因子经旋转后的方差贡献率分别为42.154%、22.300%、14.885%、10.650%,累计贡献率达89.988%,能够较好地反映13个评价指标的信息。各因子的特征值、贡献率以及累计贡献率见表3。表4为旋转后的公因子载荷矩阵及得分系数矩阵,其中F1公因子在叶片厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度、导管直径、下表皮厚度、栅栏组织厚度和蜡质层厚度上载荷较大,且这些变量均与叶片厚度呈显著正相关,因此F1公因子定义为厚度因子;F2公因子在栅海比、组织结构紧密度和组织结构疏松度上载荷较大,可定义为组织结构因子,其中组织结构疏松度对组织结构因子的影响是负向的;F3公因子的主要载荷量在上表皮占比和下表皮占比上,可定义为表皮占比因子;F4公因子中蜡质层占比最大,成为蜡质层占比因子。
指标 初始特征值 旋转后主因子 特征根 贡献
率/%累积贡
献率/%特征根 贡献
率/%累积贡
献率/%LT 6.554 50.418 50.418 5.480 42.154 42.154 TU 2.303 17.714 68.132 2.899 22.300 64.454 TL 1.799 13.837 81.969 1.935 14.885 79.339 TP 1.043 8.019 89.988 1.384 10.650 89.988 TS 0.608 4.677 94.665 LCT 0.409 3.145 97.811 VD 0.179 1.377 99.188 P/S 0.037 0.288 99.476 PU 0.023 0.176 99.652 PL 0.018 0.137 99.789 PLCT 0.014 0.109 99.898 CTR 0.009 0.066 99.964 SR 0.005 0.036 100 说明:缩写指代的指标见表1 Table 3. Total variance contribution
指标 变量 因子载荷 因子得分 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 F4 LT X1 0.961 0.225 −0.105 0.051 0.211 −0.017 −0.115 −0.081 TU X2 0.900 0.250 0.282 0.003 0.179 0.006 0.116 −0.172 TL X3 0.848 0.137 0.397 0.157 0.151 −0.035 0.160 −0.044 TP X4 0.800 0.537 −0.025 0.122 0.123 0.126 −0.068 −0.012 TS X5 0.913 −0.263 −0.035 0.139 0.236 −0.209 −0.092 0.001 LCT X6 0.788 0.194 −0.021 0.558 0.095 −0.018 −0.133 0.379 VD X7 0.880 0.207 0.155 0.045 0.180 −0.011 0.038 −0.113 P/S X8 0.179 0.970 0.025 0.074 −0.074 0.370 0.006 0.020 PU X9 0.225 0.115 0.868 −0.039 0.003 0.034 0.490 −0.197 PL X10 −0.018 −0.115 0.890 0.229 −0.072 −0.037 0.473 0.075 PLCT X11 0.182 0.063 0.168 0.942 −0.106 −0.008 −0.052 0.779 CTR X12 0.062 0.827 0.208 0.202 −0.115 0.326 0.096 0.125 SR X13 −0.196 −0.821 0.207 0.148 0.009 −0.309 0.096 0.142 说明:缩写指代的指标见表1 Table 4. Factor loadings and factor scores coefficient after rotated
由表4可以得到各指标在4个公因子上的得分。将各项指标变量定义为X1,X2
$, \cdots , $ X13,其在4个公因子上的得分表示为F1、F2、F3、F4,综合得分表示为F。根据4个公因子的权重,求得综合得分(F)的表达式为F=(λ1F1+λ2F2+λ3F3+λ4F4)/(λ1+λ2+λ3+λ4),其中λi (i=1, 2
$, \cdots , $ 4)分别为4个公因子的特征根。即:F=0.066X1+0.084X2+0.083X3+0.076X4+0.044X5+0.063X6+0.075X7+0.060X8+0.068X9+0.044X10+0.032X11+0.058X12−0.040X13。
其中:Xi (i=1, 2
$, \;\cdots , $ 13)为各样本经过标准化后各性状指标对应的数值。由上述表达式指标前的系数值(即权重)可以看出:13项指标中上表皮厚度(0.084)、下表皮厚度(0.083)、栅栏组织厚度(0.076)和导管直径(0.075)指标最能反映文冠果种质资源的抗旱能力,而组织结构疏松度(−0.040)与综合得分呈负相关关系,即叶片组织结构越疏松,综合得分越低,抗旱性越差。
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基于因子分析得到的4个公因子的得分及综合得分,以Euclidean距离为度量标准,利用Ward法对200份种质资源进行系统聚类分析,将200份种质资源分成了A、B共2组,其中A组包括90份种质资源,B组包括110份种质资源。根据公式得到A组文冠果种质资源的综合得分为0.610,远高于B组得分−0.449(表5)。由图1可以看出:A组的叶片栅栏组织排列紧密且占比较大,紧密的栅栏组织可以有效地减少叶片的蒸腾作用,提高叶片的保水能力,从而提高植株适应干旱的能力。而B组的叶片栅栏组织和海绵组织则呈疏松状排列,细胞间隙较大,在植物受到干旱胁迫时,叶片不能维持稳定的含水量,从而影响植株的生长。
类型 隶属函数值 综合评价值 综合得分F LT TU TL TP TS LCT VD P/S PU PL PLCT CTR SR A组 0.610 0.638 0.563 0.411 0.471 0.476 0.467 0.461 0.346 0.195 0.433 0.338 0.820 0.479 0.610 B组 0.205 0.203 0.168 0.125 0.254 0.131 0.118 0.310 0.265 0.164 0.274 0.256 0.257 0.210 −0.449 说明:缩写指代的指标见表1 Table 5. Subordinative function of 2 types of X. sorbifolium leaf anatomical structure
对2组种质资源指标数据进行隶属函数分析(表5):A组的隶属函数值为0.479,高于B组(0.210),这与因子分析的综合得分结果一致,表明因子分析法对于评价文冠果种质资源抗旱性的适用性。方差分析结果(表6)表明:A组和B组种质资源的各项指标中除下表皮占比不存在显著差异外,其余指标均存在极显著差异。A组的叶片厚度、上/下表皮厚度、栅栏组织厚度和蜡质层厚度等都显著高于B组,而B组的组织结构疏松度较高,为40.321%。这表明在同一干旱环境条件下,A组种质资源叶片的保水能力要强于B组,即A组的抗旱性要强于B组,A组的文冠果种质资源更适宜在干旱地区种植。
类型 LT/μm TU/μm TL/μm TP/μm TS/μm LCT/μm VD/μm P/S/% PU/% PL/% PLCT/% CTR/% SR/% A组 188.117 16.820 13.879 88.037 64.863 5.618 13.818 140.499 9.011 7.540 3.060 46.987 35.053 B组 103.134 8.062 7.123 42.304 41.716 2.439 6.499 106.100 7.889 7.001 2.393 41.157 40.321 P 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.910 0.000 0.000 0.000 说明:缩写指代的指标见表1 Table 6. Variance of 2 types of X. sorbifolium leaf anatomical structure
Leaf anatomical structure and evaluation of drought resistance of different germplasm resources of Xanthoceras sorbifolium
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220202
- Received Date: 2022-03-08
- Accepted Date: 2022-09-26
- Rev Recd Date: 2022-09-20
- Publish Date: 2023-04-20
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Key words:
- Xanthoceras sorbifolium /
- leaf anatomical structure /
- factor analysis /
- drought resistance
Abstract:
Citation: | XU Huihui, LIU Xiaojuan, WANG Mengke, BI Quanxin, WANG Libing, YU Haiyan. Leaf anatomical structure and evaluation of drought resistance of different germplasm resources of Xanthoceras sorbifolium[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2023, 40(2): 348-355. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220202 |