玉米气孔突变体生理特性的初步研究

摘 要：玉米气孔突变体植株生长缓慢，植株矮小，叶气孔的开闭关系到植株同外界气体的交换，它是植物进行光合、呼吸、水分代谢的门户。

关键词：玉米；气孔；突变体；纯系；单倍体

中图分类号：Q945.19 文献标识码：A 文章编号：1003-6997（2012）23-0023-03

Comphlll发现正常玉米气孔复体（下简称气孔）已过一百多年，其后玉米气孔结构和功能也有一些报道，进而对玉米气孔突变体的结构和功能也进行了初步研究，但对玉米气孔突变体生理特性报道较少。玉米花粉单倍体植株的有些气孔发生了变异。玉米花药培养已获得纯系并用于育种实践，也建立了能继代再生的单倍体细胞系，但是这些单倍体植株存在不易移栽的困难。玉米气孔突变体植株生长缓慢，植株矮小，叶气孔的开闭关系到植株同外界气体的交换，它是植物进行光合、呼吸、水分代谢的门户[1]。因此研究玉米气孔突变体的生理特性具有重要意义。

1 材料和方法

试验材料用正常植株和突变体植株。突变体植株雌秋叶片中部的各类异常气孔（这里不是指所有的异常气孔，只是指无卫型、单付型及无付型气孔）占总观察气孔的百分数为无卫：15 %～35 %，单付：30 %～36 %，无付：4 %～14 %。观察气孔用印迹法，方法是用胶液（3 g的胶放入50 mL水中加热溶解）涂于玉米植株雌秋叶片的中部，干后撕下印有气孔的明胶薄膜，于高倍镜下观察，并用测微尺测量气孔口开度。

用称重法测定玉米突变体的蒸腾强度，测定用试验材料雌秋叶上部一叶片的中段，测定面积为一个载薄片大小，剪下样品（五株玉米，每株玉米取两个样品，共10个样品）用扭力天平立即称重，再放回原处，间隔2 min后，再称重，准确记录时间和所称重量。

蒸腾强度=

用半页法测定玉米突变体的光合强度，测定用试验材料雌秋叶上部一叶片的中段（用五株玉米突变体，每株玉米取两个样品，共10个样品）先在它的一侧叶片上切下一个载玻片大小面积放在潮湿黑暗的环境中，然后用110～130 ℃石蜡烫玉米叶鞘处以阻止叶片中光合产物的外运，一定时间后，在取后半片叶，在烘箱中烘干（先调烘箱100 ℃，而后调为80 ℃左右）再称重。

光合强度=

2 结果和分析

2.1 异常气孔运动的特点

正常型气孔是由两个保卫细胞和两个付卫细胞组成，付卫细胞小于保卫细胞。

无卫型：气孔中没有保卫细胞，仅有两个付卫细胞。

单付型：气孔中仅有一个付卫细胞和两个保卫细胞。

无付型：仅有两个保卫细胞，无付卫细胞。

在早上，中午，下午，夜间四个时间各类气孔的状态。每种类型观察三个片子，每个片子正常型和无付型观察30个气孔，单付型50个气孔，表1中的气孔口开度指平均值。

由表1可以看出，正常气孔从早到晚气孔口开度逐渐减小，气孔由开到关；单付型气孔，从早到晚气孔口开度逐渐减小，与正常气孔的开闭同步，但关闭，张开的速度正常气孔慢，无付型气孔与正常气孔相反，从早到晚气孔口开度逐渐增大，变化速度较正常气孔和单付型气孔慢。

夜间正常气孔关闭时，异常气孔的开闭情况见表2。

由表2可以看出：夜间正常气孔关闭时，单付型气孔也关闭，而无付型气孔张开，关闭和张开的程度和时间不同。

气孔的开闭运动与叶肉细胞，特别是保卫细胞的压力势变化有直接关系，引起压力势变化的原因较多，光是气孔开闭的主要调节者，在光下保卫细胞的叶绿体进行光合作用消耗细胞中的二氧化碳，细胞中酸度降低，磷酸化酶在酸度低的情况下促进淀粉水解，淀粉变为小分子的葡萄糖，再加上光合作用制造的糖分，保卫细胞的渗透浓度增加，渗透势引起水势下降，付卫细胞的水分进入保卫细胞，光合微弱或停止，呼吸增加使二氧化碳含量升高，酸度较高，淀粉磷酸化酶趋向合成，可溶性糖变为淀粉，渗透势上升引起水势的升高，水分从保卫细胞排列到付卫细胞，气孔度关闭。温度的高低也影响气孔的开闭，在一定温度范围内，随气温增高，气孔口开度增大，当气温过高时，蒸腾过大，气孔失去正常的控制能力，这时植物就自身调节，为了减少蒸腾不致引起植物缺水，气孔就关闭。水分也影响气孔的关闭，当叶片中的水分达到饱和，组织吸水细胞就膨胀，互相挤压，就迫使气孔关闭，蒸腾失水，叶表皮细胞的体积缩小，不再挤压保卫细胞，气孔就张开。付卫细胞也影响气孔的开闭，因此正常气孔从早到晚口开度逐渐减小。白天张开，夜间关闭。单付型和无付型气孔变化与正常型不同。

2.2 气孔突变体的蒸腾强度

测定时的天气是：单付型及其对照1，早上8：45～11：15进行，气温19.5 ℃，相对湿度37 %；无付型及对照2，早上8：30～20：50进行，气温21 ℃，相对湿度35 %；无卫型及对照3，早上9：30～11：30进行，气温22.5 ℃，相对湿度34 %。

由表3可以看出，各类异常气孔的蒸腾强度大小是无卫型>单付>无付，无付型的大于其对照，单付和无卫型的都小于其对照，且差异较明显，单付和无卫型的与无付型的差异也较明显。标准差较大，误差较大，是由于测定条件的限制，测定进行时间较长，前后气温差异也大。

水分使保卫细胞涨缩，保卫细胞的涨缩可以改变气孔的大小，反过来，蒸腾强度的大小与气孔的开闭有密切的关系。气孔口开度越大，水分散失越多，蒸腾强度越大。中午，温度高，蒸腾强度大，但这时气孔关闭，这是由于蒸腾失水太多，会引起植物细胞缺失，为了减少蒸腾，植物以关闭气孔来自身调节。因此，蒸腾作用的速度是通过气孔这一闸门而受植物所控制，气孔口开度与气孔的结构又有密切关系。

2.3 气孔突变体的光合强度

测定与测蒸腾强度同时进行，因此，测定时的天气情况与测蒸腾强度的相同，测定时间为7 h。

由表4可以看出：各种类型气孔突变体的光合强度不同，顺序是单付型>无付型>无卫型。无付型的明显比对照大，单付型和无卫型的明显比对照小，单付型与无卫型的差异不太大。标准差较小。说明测定误差小，比较准确。

在光下，保卫细胞的叶绿体进行光合作用，因此无卫型气孔突变体的光合强度比对照小。陆生植物光合作用所需的碳源，主要是空气中的CO2，CO2主要通过叶片气孔进入叶子，叶气孔的开闭与植物同外界气体的交换有密切关系，气孔的开闭与气孔的结构又有密切的关系，因此光合强度与气孔的结构有关，各类型气孔植物的光合强度不同。

2.4 气孔突变体生长特性

表5说明，正常植株与异常植株的叶数基本相同，而正常植株的叶长、株高、株粗明显的大于气孔突变体植株的，突变体植株之间的差异不显著。据观察，突变体植株生长矮小，叶片出现白绿相间的条纹。

无卫型气孔由于没有保卫细胞，气孔自然不能开放；单付型气孔白天张开，但气孔口开度比正常的小，光合强度、蒸腾强度都小于正常的，因此，生长较正常的弱，植株矮小。虽然无付型气孔突变体植株的蒸腾强度和光合强度较正常植株大，但由于它的气孔口开闭规律与正常的相反，白天关闭，夜间张开，这样虽然白天积累的干物质多，但夜间消耗的干物质也多。因此它的生长也比正常的差，突变体植株的生长较正常的差，可以根据气孔是否正常来判断植株的生长特性。

3 讨论

植株气孔是植株进行水分和气体代谢的门户。在植物生命活动中起着重要作用。在植物体上已观察到异常气孔可以自然发生，也可以人工诱发。引起气孔运动的机理很复杂，前人的工作表明：激素亦参与气孔开闭的调节，如脱落酸（ABA）促进气孔的关闭，而激动素（KT）则促进气孔的开启。报道用秋水仙碱处理引起豇豆气孔异常，Geoige报道了秋海棠有二种异常气孔。在这些报道中也提到植物受紫外线病虫害、植物激素等影响也会出现异常气孔。从试验结果看，玉米气孔突变体中，异常气孔的开闭规律与正常气孔不同，突变体植株的蒸腾强度、光合强度与正常植株的也不同，突变体植株的生长特性也与正常植株的不同，植株矮小、生长弱。突变体气孔的开闭虽然有规律，但它什么时间全关，什么时间全开，最大口开度比正常的大还是小，以及张开和关闭的速度大小，气孔的结构与蒸腾强度、光合强度的关系如何，保卫细胞和付卫细胞与蒸腾强度和光合强度有何关系，值得进一步研究。研究玉米植株气孔突变体生理特性对于观察和研究单子叶植物气孔发生、运动、各组成部分相互关系，气孔结构基因定位以及光合、呼吸、水分代谢等有重要意义。

参考文献：

[1]曹孜义，李唯.玉米无卫型气孔突变体细胞系植株的再生和遗传[J].甘肃农业大学学报，1994，29（2）.