白茅解剖結構和屏障結構特征研究

楊朝東，李守峰，鄧仕明，姚 蘭，袁龍義，張 霞*

（1．長江大學園藝園林學院，湖北荊州434025；2．湖北省保康縣林業局，湖北保康441600；3．湖北民族學院林學園藝學院，湖北恩施445000）

白茅解剖結構和屏障結構特征研究

楊朝東1，李守峰2，鄧仕明3，姚 蘭3，袁龍義1，張 霞1*

（1．長江大學園藝園林學院，湖北荊州434025；2．湖北省保康縣林業局，湖北保康441600；3．湖北民族學院林學園藝學院，湖北恩施445000）

利用光學顯微鏡和熒光顯微鏡對白茅進行了解剖學和組織化學研究，結果表明：1）白茅不定根解剖結構為表皮、外皮層、厚壁機械組織層、皮層、內皮層和中柱；根莖結構為角質層、表皮、周緣厚壁機械組織層、皮層、厚壁機械組織層和髓。2）不定根具內側內皮層及其鄰近皮層細胞、外側表皮和皮下層組成的屏障結構；根莖具內側厚壁機械組織層、外側角質層和周緣厚壁機械組織層組成的屏障結構，屏障結構胞壁具凱氏帶、木栓質和木質素沉積的組織化學特點。3）白茅通氣組織包括根中通氣組織，莖皮層通氣組織和維管束中的氣腔。4）白茅的屏障結構和解剖結構是其適應濕地環境的重要特征，但是根莖周緣厚壁機械組織層沒有栓質化，髓部沒有髓腔，推測其在濕地環境中分布有一定的局限性。

白茅；解剖結構；質外體屏障結構；組織化學；通氣組織

白茅（l mperata cylindrica）為禾本科白茅屬植物，廣泛分布于我國，包括干旱和濕地區域，具有極強的營養繁殖和種子繁殖能力；地下根莖發達，固土作用強；根莖入藥稱白茅根。文獻中僅報道了能適應干旱和濕地環境的蘆葦（Phragmites australis）和狗牙根（Cynodon dactylon）等少數植物種類的解剖和屏障結構［1-3］，白茅的解剖結構和屏障結構尚未報道。

經典植物形態解剖學主要強調組織器官等的構造，在植物分類學和系統學等研究中仍具重要地位［4-6］，但很少研究細胞組織的發育過程和組織化學定位等。根據近年來根尖細胞發育生物學及其分子生物學研究進展［7-11］，支持2001年Hose等［12］建議根的外皮層結構必須具備凱氏帶，凱氏帶部位細胞膜先有凱氏帶膜蛋白家族出現，隨后才有木質素和木栓質沉積［8-11］，因此凱氏帶化學組成包含蛋白質、木質素和木栓質。根中內皮層具凱氏帶已被廣泛接受，作者建議內皮層和外皮層應視作植物體內特殊結構，而且不等同于傳統意義上認為分別是皮層結構的一部分。皮下層指表皮下細胞層有形態學和胞壁的組織化學分化，以水稻（Oryza sativa）、蘆葦根尖為例，是單層或多層細胞外皮層和其下厚壁機械組織層分化前和分化后的統稱［1-2，7，13］。皮層的細胞壁沒有組織化學的分化，僅為具初生壁的薄壁細胞［14］。例如，水稻根尖結構依次應稱為：中柱、內皮層、皮層、皮下層（厚壁機械組織層和外皮層）和表皮。如果皮下層無厚壁機械組織層，凱氏帶出現前仍稱皮下層，具凱氏帶之后即稱為外皮層。同時也建議植物莖、葉和花柄具凱氏帶分化的部位也應視作特殊結構。

濕地植物的通氣組織和質外體屏障結構是其適應濕地環境的重要結構［15-20］。通氣組織為植物在濕地缺氧環境下輸導和儲藏氧氣［15-18］；屏障結構的組織化學特征為植物初生壁的凱氏帶，次生壁栓質化和木質化，體表角質層組成，屏障結構是植物控制植物內部以及與環境的水、離子和氧氣擴散和交換的保護組織［19-20］。例如，水稻在靜止溶液培養條件下，促進了根內、外皮層細胞壁栓質和木質素沉積的提早和增加，更有效的阻礙離子透過［13］。狗牙根和蘆葦等的解剖結構和屏障結構的組織化學存在一定的差異［2-3，21-23］。這說明物種不同和同一物種生長的環境不同會影響屏障結構的組織化學和發育過程。研究白茅的解剖結構和屏障結構的組織化學特征，為了解濕地植物形態結構建成提供線索。

1 材料與方法

于2012年8月，自湖北荊州長江大學西校區附近濕地環境中采白茅野生植株，用自來水洗凈，剪取長約18 cm的不定根，用福爾馬林—醋酸—酒精固定液固定待用。白茅的莖以地下根莖為主，在頂端長出地上葉時才彎曲向上生長僅到達地面。本文采取白茅根莖未長出地上葉之前、每節具鱗葉的根莖。根莖長約50 cm，具有11～15個節，采用新鮮材料。實驗重復5次。

在立體解剖鏡下，用雙面刀片分別距根尖10，30，50，70 mm和根基部以及根莖第1節間和第8節間切片。采用硫氫酸黃連素—苯氨蘭對染切片檢測細胞壁木質化和凱氏帶［24］（凱氏帶呈現生動黃色，木質化細胞壁呈現呆滯黃色）。0．1%（w／v）硫酸氫黃連素溶液的配制：稱取0．1 g硫酸氫黃連素溶于100 m L蒸餾水，震蕩混勻待用。0．5%（w／v）苯胺蘭溶液的配制：稱取0．5 g硫酸氫黃連素溶于100 m L蒸餾水，震蕩混勻待用。FeCl3—甘油緩沖液的配制：0．1%（w／v）FeCl3的配制，稱取0．05 g硫酸氫黃連素溶于50 m L蒸餾水，攪拌混勻過濾，后與甘油等體積混合，室溫保存待用。

染色過程：切片浸沒于0．1%（w／v）硫酸氫黃連素溶液1 h后，用蒸餾水洗凈，滴加0．5%（w／v）苯胺蘭溶液0．5 h后，用蒸餾水洗凈，后滴加一滴蒸餾水，蓋上蓋玻片。若等待長時間后才能觀察，則滴加一滴FeCl3—甘油緩沖液。切片在熒光顯微鏡（Olympus IX71）藍色激發光下觀察，用數碼相機（RZ200C-21，China）拍照記錄圖片。

0．1 %（w／v）蘇丹紅7B溶液染色切片確定細胞壁栓質化的組織化學定位［25］（呈現紅色）。0．1%（w／v）蘇丹紅7B溶液配制：稱取50 mg蘇丹紅7B溶于25 m L PEG-300，后90℃水浴1 h并冷卻，加入等體積90%甘油，室溫保存待用。

染色過程：切片組織如有后含物用蒸餾水洗切片，用吸水紙吸凈，后浸沒于0．1%（w／v）蘇丹紅7B溶液1 h或過夜。切片用蒸餾水洗幾次，用吸水紙吸凈，后滴加一滴蒸餾水，蓋上蓋玻片，切片在萊卡光學顯微鏡（LeicaDME）下觀察，用數碼相機（Nikon E5400，Japan）拍照記錄圖片。圖片主要用Photoshop 7．0軟件處理，加標尺，調整圖片亮度和對比度，以及合成圖片等［3］。

2 結果與分析

2．1 不定根的解剖結構和組織化學

距白茅根尖10 mm，大部分內皮層細胞壁出現凱氏帶，僅少數細胞為通道細胞。表皮細胞具擴散狀栓質層，或部分已經脫落。表皮下為皮下層，由含凱氏帶的單層細胞外皮層和輕微木質化數層細胞的厚壁機械組織層組成，或部分厚壁機械組織層細胞壁已強烈木質化（圖1A）。同時，內、外皮層栓質化，皮層開始出現通氣組織（圖1B）。

距根尖30和50 mm，內皮層胞壁都具有凱氏帶，皮下層胞壁進一步栓質化和木質化，表皮細胞幾乎脫落（圖1C，D）。距根尖70 mm，內皮層開始“U”形木質化增厚，內皮層鄰近的幾層皮層細胞栓質化；皮下層具較強烈的栓質化和木質化，皮層細胞幾乎完全溶解形成通氣組織（圖1E，F）。根基部距根尖150 mm，內皮層完全“U”形木質化增厚，栓質層在“U”形木質層外側。內皮層鄰近1～2層皮層細胞木質化加厚；皮下層完全木質化增厚（圖1G，H）。

白茅不定根的中柱，在中柱鞘內分別具有15～18束相間散生排列的原生木質部和原生韌皮部，5～7束后生木質部。距根尖10 mm髓部細胞開始木質化，隨后直到根基部都完全強烈木質化（圖1A，C，E，G）。

白茅不定根解剖結構由外而內依次為表皮、外皮層、厚壁機械組織層、皮層或溶解為通氣組織、內皮層和中柱。其質外體屏障結構包括兩部分，一是內側具有凱氏帶、栓質化和木質化的內皮層，及其鄰近1～2層栓質化和木質化的皮層細胞；二是外側的表皮和皮下層，表皮具栓質層，具有凱氏帶、栓質化和木質化外皮層，具有栓質化和木質化厚壁機械組織層。

2．2 根莖的解剖結構和組織化學

白茅根莖幼莖的解剖結構自外向內依次由表皮外角質層，表皮，皮層，皮層具維管束，具維管束的厚壁機械組織層，靠近厚壁機械組織層的內側有散生維管束，最內部為髓構成，厚壁機械組織層上及其內部的維管束有氣腔（圖2A）。老根莖表皮下出現周緣厚壁機械組織層，并木質化。皮層部分細胞溶解形成通氣組織。木質化厚壁機械組織層外側的一層細胞栓質化，并呈“U”形木質化加厚。皮層維管束沒有氣腔，而厚壁機械組織層上及其內部的維管束氣腔增大，周圍機械組織強烈木質化（圖2B，C，D）。

白茅根莖解剖結構由外向內依次為：角質層、表皮、周緣厚壁機械組織層、皮層、厚壁機械組織層和髓。通氣組織包括皮層通氣組織和維管束中氣腔。根莖的質外體屏障結構為，一是外側角質層和表皮下木質化周緣厚壁機械組織層；二是木質化的厚壁機械組織層及其外側栓質化的一層細胞。

3 討論

3．1 白茅的解剖結構和屏障結構

白茅不定根解剖結構由外而內依次為表皮、外皮層、厚壁機械組織層、皮層、內皮層和中柱。白茅中柱由散生原生木質部和原生韌皮部、后生木質部和髓部組成，與禾本科常見玉米（Zea mays）、小麥（Triticum aestivum）等類似。單細胞層的內皮層和外皮層與水稻和水甜茅（Glyceria maxima）相同，它們的組織化學形成有類似的發育歷程［2，13］；但狗牙根和蘆葦等的外皮層為多層細胞［3，13］。白茅不定根與菰（Zizania latifolia）、狗牙根和雙穗雀稗（Paspalum distichum）等都有內皮層鄰近1～2層栓質化和木質化的皮層細胞［3，21］。與水稻、菰、蘆葦等都有類似的厚壁機械組織層［2-3，13，21］，與水稻、菰、雙穗雀稗和牛鞭草（Hemarthria altissima）的表皮細胞都有栓質層［3，13，21］。這些說明白茅不定根內側的內皮層及其鄰近皮層細胞的質外體屏障，外側的表皮和皮下層質外體屏障所組成的屏障結構與其他適應濕地和干旱環境的植物具相似屏障結構。

白茅根莖解剖結構由外向內依次為角質層、表皮、周緣厚壁機械組織層、皮層、厚壁機械組織層和髓。玉米等常見禾本科植物莖內維管束散生于皮層薄壁細胞中，而白茅根莖與狗牙根等莖的表皮下的周緣厚壁機械組織層、皮層、具維管束的厚壁機械組織層和最內部的髓。不同點在于白茅和假儉草（Eremochloa ophiuroides）莖的周緣厚壁機械組織層僅木質化，而其他植物莖的則栓質化和木質化，而且雙穗雀稗莖具有內、外皮層。此外，菰莖的厚壁機械組織層僅栓質化，白茅和狗牙根的厚壁機械組織層外側有層細胞栓質化［3，21-22］。白茅和假儉草莖外側僅有角質層和木質化周緣厚壁機械組織層，推測它們可能適應濕地環境能力要差些。

狗牙根和雙穗雀稗等植物根、莖皮層和髓部中都有發達的通氣組織，白茅的根有通氣組織，莖皮層中的通氣組織不太發達，莖的維管束具氣腔，而髓沒有溶解形成髓腔，因此白茅體內具有一定的通氣組織，但體內氣腔總容積相對有限［3，21］。

3．2 白茅的濕地環境適應性

根據白茅的屏障結構和解剖結構特點，白茅不定根內側和外側具完備的屏障結構，根莖外側具角質層和木質化周緣厚壁機械組織層，不定根和莖皮層有通氣組織是其適應濕地環境的重要結構特征。但是白茅根莖周緣厚壁機械組織層沒有栓質化，髓部沒有形成髓腔而氣腔容積相對有限，推測其在濕地環境中生長和分布有一定的局限性。

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Study of the anatomy and apoplastic barrier characteristics of Imperata cylindrica

YANG Chaodong1，LI Shoufeng2，DENG Shiming3，YAO Lan3，YUAN Longyi1，ZHANG Xia1*
1．The College of Gardening and Horticulture，Yangtze University，Jingzhou 434025，China；2．Baokang Country Forestry Bureau，Baokang 441600，China；3．The College of Forestry and Horticulture，Hubei Minzu University，Enshi 445000，China

The anatomical structure and apoplastic barriers of congo grass（l m perata cylindrica）were studied using an epifluorescence microscope．The results showed that the anatomical structure of adventitious roots consisted of epidermis，exodermis，sclerenchyma ring，cortex，endodermis and stele．The anatomical structure of the rhizome consisted of cuticle，epidermis，peripheral mechanical ring，cortex，sclerenchyma ring and pith．The apoplastic barriers in the adventitious roots of congo grass have inner layers consisting of endodermis and neighbor cortex and outer layers consisting of epidermis and hypodermis．Apoplastic barriers in the rhizome have inner layers consisting of sclerenchyma ring and outer layers consisting of cuticle and peripheral mechanical ring．The cell walls of apoplastic barriers deposited as Casparian bands with suberin and lignin．The aerenchyma of congo grass consisted of aerenchyma in adventitious roots，and cortex aerenchyma and air chambers in vascular bundles in the rhizome．The apoplastic barriers and anatomical structures of congo grass are important characteristics for adapting to wetlands．However，the characteristics of a peripheral mechanical ring without suberin and pith without cavities may limit congo grass growth in wetlands．

l mperata cylindrica；anatomy；apoplastic barriers；histochemistry；aerenchyma

10.11686／cyxb20150322 http：／／cyxb.lzu.edu.cn

楊朝東，李守峰，鄧仕明，姚蘭，袁龍義，張霞．白茅解剖結構和屏障結構特征研究．草業學報，2015，24（3）：213-218．

Yang C D，Li S F，Deng S M，Yao L，Yuan L Y，Zhang X．Study of the anatomy and apoplastic barrier characteristics of l mperata cylindrica．Acta Prataculturae Sinica，2015，24（3）：213-218．

2014-06-03；改回日期：2014-06-30

湖北省教育廳（Q2014310）資助。

楊朝東（1971-），男，湖北巴東人，副教授，博士。E-mail：chaodongyang＠aliyun．com *通訊作者Corresponding author．E-mail：zhang．yang07＠aliyun．com