CN113607124A - 一种基于叶片角质层导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于植物耐旱性表征技术领域的一种基于叶片角质层导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法。该方法在作物遭受一定程度干旱后，叶片已经卷曲，在气孔最大程度关闭后，因为完全展开叶片和卷曲叶片之间边界层阻力的不同，造成的叶片角质层水气导度的差异，本发明通过叶片卷曲率＝1‑(卷曲叶片的角质层水气导度/展开叶片的角质层水气导度)计算。原有叶片卷曲率的测量多关注对叶片形态的变化，本方法重点关注叶片卷曲后对作物耗水的影响；为农作物的田间管理提供改进依据。

Description

一种基于叶片角质层导度比较的测量作物叶片卷曲程度的 方法

技术领域

本发明属于植物耐旱性表征技术领域，特别涉及一种基于叶片角质层导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法。

背景技术

叶片卷曲率是表征作物遭受环境胁迫程度的重要参数。如玉米、高粱、小麦和水稻等具有狭长叶片的作物，在遭受干旱、盐分等环境胁迫的时候通常会使上表皮的泡状细胞失水更多从而引起叶片向上卷曲形成筒状，以减少光照辐射和失水速度，所以叶片的卷曲程度也能够影响作物在极端干旱下的耐旱性。

叶片卷曲程度的定义最开始通过0-5分级来确定,0级是不卷曲的正常叶片，5级为卷成筒状。目前对叶片卷曲程度定量描述使用最广泛的方法是基于叶片宽度或投影面积的比较，卷曲率等于叶片卷曲时的投影面积(或宽度)除以完全展开叶片的面积(或宽度)。虽然这类评价方法简单易获取，但只能知道叶片卷曲后形态的变化，并不能回答人们关心的实际问题——卷曲对降低作物水分消耗到底有多大的影响，因为卷曲的叶片形态具有较大的边界层阻力，而边界层阻力的计算太过复杂难以计算。

植物叶片在气孔完全关闭后仍然可以通过叶片表皮的角质层稳定地耗散水分，叶片在完全平展时和卷曲后通过表皮角质层耗散水分的边界层阻力完全不一样，导致测得的耗散水分的速度不一致。依据叶片卷曲前后耗散水分导度的差异，我们发明了一种新的作物叶片卷曲的测量和计算方式。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于叶片表皮导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)至少挑选3株正遭受环境胁迫的作物，每株在相同部位整片切取1片成熟健康的卷曲叶片，带回实验室；

(2)给步骤(1)挑选的作物进行复水，待叶片重新完全展开后，每株上挑选步骤(1)叶片所相邻的叶片1片，同样整片叶片切取后带回实验室；

(3)分别测量卷曲叶片和展平叶片的角质层水气导度g_cuticle；

(1-1)式中slope(W；t)为叶片重量W随时间下降的斜率(g/s)；BP为当地大气压强(kPa)；a为叶片面积；

为水的摩尔质量(18g·mol^-1)；VPD为叶片气孔下腔与外界空气的水汽压差，计算时默认角质层下腔的空气相对湿度为100％、叶片温度与空气温度相等，具体计算公式如下：

其中Ta为气温，RH为空气相对湿度；

(4)将叶片卷曲后的角质层水气导度与叶片平展时的角质层水气导度进行比较，最后定义叶片卷曲率(RR)来反应叶片卷曲的程度。RR的计算方法如下：

(1-3)式中g_{cuticle_roll}为叶片卷曲时的角质层水气导度，g_{cuticle_expand}为叶片完全展开时的角质层水气导度。RR是处于0到1之间的数量值，该数量值越大，表明作物叶片卷曲程度越大，越小则表明卷曲程度越小。

所述步骤(3)的叶片表皮的角质层水气导度g_cuticle采用自然干燥法，通过分析天平进行测量。

所述通过分析天平进行测量叶片表皮的角质层水气导度，需要在叶片末端贴上透明胶带防止额外的水分蒸发；在对轻微卷曲或中度卷曲的叶片在表皮的角质层水气导度测量过程中，通过3D打印固定支架保持其形态不随时间变化。

本发明的有益效果是本方法重点关注叶片卷曲后对作物耗水的影响；为农作物的田间管理提供改进依据。

附图说明

图1为测量作物叶片卷曲程度的流程示意图。

图2为环境胁迫处理影响玉米叶片角质层导度和卷曲率的实验结果图。其中(a)、(b)、(c)分别为不同处理对玉米完全展开叶片角质层导度g_{cuticle_expand}、最大程度卷曲叶片的角质层导度g_{cuticle_roll}和卷曲率(RR)影响的实验结果。图中数据展示为平均值±标准误；基于单因素方差分析，每个图中的柱子上若标注不同字母则表示在P＜0.05水平下差异显著，若字母相同或未标注字母则表示在P＜0.05水平下无显著差异。

具体实施方式

本发明提出一种基于叶片表皮导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法，下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。

图1所示为测量作物叶片卷曲程度的流程示意图。具体步骤为在作物遭受一定程度干旱后，叶片已经卷曲，至少挑选3株作物，每株挑选一片成熟健康的卷曲叶片，将整片叶片切取带回实验室，用于测量卷曲叶的角质层水气导度(g_{cuticle_roll}，mmol·m^-2·s^-1)。然后给作物灌溉使其复水，待叶片完全展开后，每株挑选与之前叶片相邻的成熟健康叶片，将整片叶片切取带回实验室，用于测量完全展开叶的角质层水气导度(g_{cuticle_expand}，mmol·m^-2·s^-1)。

对于g_{cuticle_expand}测量的叶片，需要在叶片末端贴上透明胶带防止额外的水分蒸发。对于g_{cuticle_roll}测量的叶片，除了在叶片末端贴上透明胶带防止额外的水分蒸发外，如果是轻微卷曲或中度卷曲，则需要使用3D打印技术围绕叶片的横切方向缠绕打印进行固定，将卷曲的叶片在测量期间因为失水发生进一步卷曲变形的影响降到最小；如果是已经发生发生最大程度卷曲的叶片，则不用作固定处理，在叶片角质层水气导度的测量期间，叶片形态仅有极微小的变化，对角质层水气导度结果的影响可忽略不计。

测量过程中，需始终保持室内黑暗、温度和湿度恒定。将叶片直立在自制的夹持台上使之与离体前的形态尽量保持一致。考虑到在重量下降的初期由于气孔逐渐关闭导致角质层水气导度不稳定，在正式测量开始前，叶片先在黑暗环境中静置若干小时，保证气孔已最大程度关闭，然后开始正式实验。每间隔1小时用分析天平记录一次叶片重量(W，g)，持续观测至少7小时直到得到一段几乎线性的重量-时间关系。如果重量-时间的关系不为线性，说明气孔未完全关闭，存在扰动，需增加测量时间，直到得到几乎线性的重量-时间关系。最后测量叶面积a(m²)。通过下列公式来计算g_cuticle：

(1-1)式中slope(W；t)为叶片重量W随时间下降的斜率(g/s)；BP为当地大气压强(kPa)；a为叶片面积；

为水的摩尔质量(18g·mol^-1)；VPD为叶片气孔下腔与外界空气的水汽压差，计算时默认角质层下腔的空气相对湿度为100％、叶片温度与空气温度相等，具体计算公式如下：

其中Ta为气温，RH为空气相对湿度。

最后定义叶片卷曲率(RR)来反应叶片卷曲的程度：

(1-3)式中g_{cuticle_roll}为叶片卷曲时的角质层水气导度，g_{cuticle_expand}为叶片完全展开时的角质层水气导度。RR是处于0到1之间的无量纲值，越大表明作物叶片卷曲程度越大，越小则表明卷曲程度越小。

实施例

以盆栽玉米(品种：强盛51)为例，测量土壤干旱和盐分胁迫处理对玉米叶片最大卷曲程度的影响。图2中(a)、(b)、(c)所示分别为不同处理对玉米完全展开叶片角质层水气导度g_{cuticle_expand}、最大程度卷曲叶片的角质层水气导度g_{cuticle_roll}和卷曲率(RR)影响的实验结果。

玉米在花盆中播种后，苗期期间一直保持充足水分，未遭受任何胁迫。播种后第六周玉米开始拔节(第六片叶完全展开)，开始土壤干旱或盐分的处理。设置空白无胁迫对照(CK，95-65％田持，土壤含盐量0％)、水分亏缺处理(WS，65-45％田持，土壤含盐量0％)和土壤加盐处理(SS，95-65％田持，土壤含盐量0.15％(NaCl重量/土壤干重))。SS的处理是通过在10天内3次将7.5gNaCl随水0.8L灌溉达到目标土壤含盐量。玉米播种后的第10周(营养生长期)，经过了4周的水分或盐分胁迫处理，开始测量叶片最大卷曲程度。每个处理随机选取4株玉米经历4个晴天不灌溉处理，此时所有盆栽土壤极度干燥，玉米叶片已最大程度地卷曲(切下叶片长时间后不会更卷，表1)，每株玉米选取雌穗附近的2片叶(已完全展开的成熟叶片)，4株玉米共8片叶，测量卷曲叶的叶片最小导度(g_{cuticle_roll}，mmol·m^-2·s^-1)。之后给所有玉米盆栽复水，待叶片完全展开后，每株玉米选取雌穗附近的1片叶，4株玉米共4片叶，测量完全展开叶的叶片最小导度(g_{cuticle_expand}，mmol·m^-2·s^-1)。

采用自然脱水称重法测量g_cuticle，并采用公式(1-3)计算叶片卷曲率。得到的结果如图2所示，较对照无胁迫处理(CK)，土壤干旱(WS)和盐分(SS)胁迫处理显著(p<0.05)减小了玉米叶片完全展开叶的叶片角质层导度g_{cuticle_expand}，从2.10±0.08mmol·m^-2·s^-1降低至1.70±0.05mmol·m^-2·s^-1和1.75±0.07mmol·m^-2·s^-1。但是因为叶片最大卷曲程度RR由CK处理的47.0±2.8％显著降低到WS和SS处理下的23.1±6.9％和21.1±6.3％，所以使得在最大程度卷曲下叶片的角质层导度g_{cuticle_roll}在各处理间没有显著差异。

因为用于测量g_{cuticle_roll}的叶片均已最大程度卷曲，故不需要做固定处理。表1得到的结果也表明，叶片在测量期间，其形态变化的影响确实很小。表1所用叶片为CK处理玉米上之前采样相邻部位的最大程度卷曲的叶片，非上述用于测量角质层导度采样的叶片。叶片平放在地面，在正上方固定相机进行拍照，测量初始0时刻照片中的叶片投影面积。之后分别在1.5小时和5.5小时后在保持相机和叶片位置均不变的情况下再次拍照。表中将初始0时刻的叶片投影面积设置为1，之后的投影面积除以初始投影面积得到相对变化比例。我们的结果发现玉米的投影面积确实在不断缩小，但是差异并不显著而且相对变化非常小。所以在g_{cuticle_roll}测量过程中，叶片持续进一步卷曲造成的影响可以忽略不计。

表1采摘后叶片投影面积随时间的变化

Claims (3)

1.一种基于叶片表皮导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)至少挑选3株正遭受环境胁迫的作物，每株在相同部位整片切取1片成熟健康的卷曲叶片，带回实验室；

(2)给步骤(1)挑选的作物进行复水，待叶片重新完全展开后，在每株上挑选步骤(1)叶片所相邻的叶片1片，同样整片叶片切取后带回实验室；

(3)分别测量卷曲叶片和展平叶片的角质层水气导度g_cuticle；

(1-1)式中slope(W；t)为叶片重量W随时间下降的斜率(g/s)；BP为当地大气压强(kPa)；a为叶片面积；

为水的摩尔质量(18g·mol^-1)；VPD为叶片气孔下腔与外界空气的水汽压差，计算时默认角质层下腔的空气相对湿度为100％、叶片温度与空气温度相等，具体计算公式如下：

其中Ta为气温，RH为空气相对湿度；

(4)将叶片卷曲后的角质层水气导度与叶片平展时的角质层水气导度进行比较，最后定义叶片卷曲率(RR)来反应叶片卷曲的程度。RR的计算方法如下：

(1-3)式中g_{cuticle_roll}为叶片卷曲时的角质层水气导度，g_{cuticle_expand}为叶片完全展开时的角质层水气导度。RR是处于0到1之间的数量值，该数量值越大表明作物叶片卷曲程度越大，越小则表明卷曲程度越小。

2.根据权利要求1所述基于叶片表皮导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法，其特征在于，所述步骤(3)的叶片表皮的角质层水气导度g_cuticle采用自然干燥法，通过分析天平进行测量。

3.根据权利要求2所述基于叶片表皮导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法，其特征在于，所述通过分析天平进行测量叶片表皮的角质层水气导度，需要在叶片末端贴上透明胶带防止额外的水分蒸发；在对轻微卷曲或中度卷曲的叶片在表皮的角质层水气导度测量过程中，通过3D打印固定支架保持其形态不随时间发生显著变化。

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