Leaf structure and photosynthetic characteristics of two species of Hesperis

doi:10.11686/cyxb2021425

Abstract

Abstract:

This research studied the functional leaf morphology， anatomical structure， pigment content， chlorophyll fluorescence and photosynthetic parameters of Hesperis matronalis and wild-type Hesperis sibirica from two localities （Wuling Mountain and Saihanba） in Hebei Province. The relationships between leaf structure and photosynthetic physiology of the two species of Hesperis were explored using correlation and redundancy analysis methods. It was found that： 1） There were intraspecific differences in leaf structure and photosynthetic physiology of the two wild-type H.sibirica collections. The H. sibirica from Wuling Mountain had comparatively greater leaf thickness （LT）， larger leaf area （LA）， thicker palisade parenchyma thickness （PPT）， richer pigment content， and higher net photosynthetic rate （P_n）. The H. sibirica from Saihanba had comparatively high leaf stomatal density （SD）， greater sponge parenchyma thickness （SPT）， increased diameters of vessel and sieve tubes （VD and STD）， high activity parameters for the PSⅡ reaction center， and strong transpiration rate （T_r）. H. matronalis leaves had high epidermal trichome density （ETD）， a high ratio of palisade parenchyma thickness to sponge parenchyma thickness （PPT∶SPT）， rich pigment content， and high P_n and water use efficiency （WUE）， when compared with values for H. sibirica. 2） There was a strong correlation between the leaf structure and the photosynthetic physiological parameters of the two species of Hesperis. Important links between leaf structure and photosynthetic physiological differences and were identified by redundancy analysis， involving the parameters PPT∶SPT， SPT， ETD， spongy ratio， LA， VD， PPT and VBD. Among these， the effect of PPT∶SPT （P<0.05） was mathematically largest and provided the strongest single-trait association with differences in the ecological adaptability and resource acquisition of the two Hesperis species. Overall， the two species of Hesperis performed well at the sites where they were introduced and showed promise for development and utilization as garden plants. The PPT∶SPT could be used as a reference indicator trait for screening high-light-efficiency germplasm lines of Hesperis.

Key words: Hesperis sibirica, Hesperis matronalis, leaf, anatomical structure, photosynthetic characteristics

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Figures/Tables 11

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指标 Indices	雾灵香花芥（雾） H. sibirica （Wu）	雾灵香花芥（塞） H. sibirica （Sai）	欧亚香花芥 H. matronalis
叶片厚度Leaf thickness （LT，μm）	375.50±6.92a	373.83±10.71a	304.92±8.19b
上表皮厚度Upper epidermal thickness （UET，μm）	45.70±4.00a	41.39±3.33a	35.73±2.17a
下表皮厚度Lower epidermal thickness （LET，μm）	30.61±2.11a	29.20±2.45a	26.32±3.11a
栅栏组织厚度Palisade parenchyma thickness （PPT，μm）	104.00±2.90a	87.29±3.65b	98.37±4.40ab
海绵组织厚度Spongy parenchyma thickness （SPT，μm）	190.08±1.72b	208.17±4.33a	132.99±6.34c
组织结构紧密度Cell tense ratio （CTR，%）	27.73±0.94b	23.37±0.89c	32.30±1.41a
组织结构疏松度Spongy ratio （SR，%）	50.68±1.07b	55.73±0.67a	43.56±1.23c
栅海比PPT/SPT	0.55±0.01b	0.42±0.02c	0.75±0.05a
维管束直径Vascular bundles diameter （VBD，μm）	426.51±15.03a	355.67±16.90b	390.42±5.45ab
导管直径Vessel diameter （VD，μm）	12.20±1.21b	15.90±0.78a	8.23±0.41c
筛管直径Sieve tube diameter （STD，μm）	6.98±0.32b	8.74±0.17a	6.33±0.31b

指标 Indices	雾灵香花芥（雾） H. sibirica （Wu）	雾灵香花芥（塞） H. sibirica （Sai）	欧亚香花芥 H. matronalis
叶片厚度Leaf thickness （LT，μm）	375.50±6.92a	373.83±10.71a	304.92±8.19b
上表皮厚度Upper epidermal thickness （UET，μm）	45.70±4.00a	41.39±3.33a	35.73±2.17a
下表皮厚度Lower epidermal thickness （LET，μm）	30.61±2.11a	29.20±2.45a	26.32±3.11a
栅栏组织厚度Palisade parenchyma thickness （PPT，μm）	104.00±2.90a	87.29±3.65b	98.37±4.40ab
海绵组织厚度Spongy parenchyma thickness （SPT，μm）	190.08±1.72b	208.17±4.33a	132.99±6.34c
组织结构紧密度Cell tense ratio （CTR，%）	27.73±0.94b	23.37±0.89c	32.30±1.41a
组织结构疏松度Spongy ratio （SR，%）	50.68±1.07b	55.73±0.67a	43.56±1.23c
栅海比PPT/SPT	0.55±0.01b	0.42±0.02c	0.75±0.05a
维管束直径Vascular bundles diameter （VBD，μm）	426.51±15.03a	355.67±16.90b	390.42±5.45ab
导管直径Vessel diameter （VD，μm）	12.20±1.21b	15.90±0.78a	8.23±0.41c
筛管直径Sieve tube diameter （STD，μm）	6.98±0.32b	8.74±0.17a	6.33±0.31b

指标 Indices	雾灵香花芥（雾） H. sibirica （Wu）	雾灵香花芥（塞） H. sibirica （Sai）	欧亚香花芥 H. matronalis
叶绿素a Chlorophyll a （Chl a， mg·g^-1）	0.81±0.02a	0.70±0.01b	0.88±0.04a
叶绿素b Chlorophyll b （Chl b， mg·g^-1）	0.32±0.03a	0.24±0.01b	0.32±0.02a
类胡萝卜素Carotenoid （Car， mg·g^-1）	0.30±0.00a	0.27±0.01a	0.29±0.01a
叶绿素总量Chl a+b （mg·g^-1）	1.12±0.03a	0.94±0.02b	1.19±0.05a
叶绿素a/b Chl a/b	2.62±0.25a	2.92±0.12a	2.76±0.05a
花青苷Anthocyanin （Ant， mg·g^-1）	0.27±0.02a	0.17±0.01b	0.23±0.01a

指标 Indices	雾灵香花芥（雾） H. sibirica （Wu）	雾灵香花芥（塞） H. sibirica （Sai）	欧亚香花芥 H. matronalis
叶绿素a Chlorophyll a （Chl a， mg·g^-1）	0.81±0.02a	0.70±0.01b	0.88±0.04a
叶绿素b Chlorophyll b （Chl b， mg·g^-1）	0.32±0.03a	0.24±0.01b	0.32±0.02a
类胡萝卜素Carotenoid （Car， mg·g^-1）	0.30±0.00a	0.27±0.01a	0.29±0.01a
叶绿素总量Chl a+b （mg·g^-1）	1.12±0.03a	0.94±0.02b	1.19±0.05a
叶绿素a/b Chl a/b	2.62±0.25a	2.92±0.12a	2.76±0.05a
花青苷Anthocyanin （Ant， mg·g^-1）	0.27±0.02a	0.17±0.01b	0.23±0.01a

指标 Indices	雾灵香花芥（雾） H. sibirica （Wu）	雾灵香花芥（塞） H. sibirica （Sai）	欧亚香花芥 H. matronalis
初始荧光F_o	252.25±13.49b	261.25±2.29b	325.75±15.14a
最大荧光 F_m	1268.50±45.87b	1325.00±25.47b	1782.00±82.60a
可变荧光 F_v	1016.50±37.75b	1063.25±27.57b	1456.25±67.93a
PSⅡ反应中心最大光化学效率 F_v/F_m	0.80±0.01a	0.80±0.00a	0.82±0.00a
PSⅡ量子效率 F_v/F_o	4.05±0.19a	4.07±0.14a	4.47±0.06a
PSⅡ电子传递情况 F_m/F_o	5.05±0.19a	5.07±0.14a	5.47±0.06a
PSⅡ单位反应中心吸收的光能 ABS/RC	1.57±0.09b	1.84±0.07a	1.48±0.07b
PSⅡ单位反应中心捕获的用于还原初级醌受体的能量 TR_o/RC	1.26±0.06b	1.48±0.07a	1.21±0.05b
PSⅡ单位反应中心捕获的用于电子传递的能量 ET_o/RC	0.88±0.00b	0.98±0.04a	0.77±0.02c
PSⅡ单位反应中心热耗散的能量 DI_o/RC	0.31±0.03ab	0.36±0.01a	0.27±0.01b