瀕危水生植物莼菜莖葉的解剖與組織化學特征

胡露潔，楊再輝，周存宇，楊朝東，張 霞

（1.長江大學濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北荊州434025；2.湖北省利川市農(nóng)業(yè)局，湖北利川445400）

研究莼菜莖葉的解剖結構與組織化學特征，對理解其作為被子植物原始類群的結構特點，適應水生環(huán)境而對污染水體敏感的質外體屏障結構，以及分析其瀕危甚至面臨滅絕的原因有重要幫助，對今后發(fā)展莼菜生態(tài)農(nóng)業(yè)及其栽培管理具有指導意義。

1 材料與方法

2014年3月底至8月，收集湖北省利川市農(nóng)田栽培的處于旺盛生長期的莼菜樣本作為試驗材料，莼菜各生長發(fā)育時期的主莖、根莖、直立莖、花柄和葉均用福爾馬林－乙酸－乙醇混合液（Formalin－Aceto－Alcohol，簡稱FAA）固定。在立體解剖鏡下，用雙面刀片切片幼嫩主莖、老主莖、幼嫩根莖、老根莖、幼嫩直立莖、老直立莖、花柄中部、葉柄中部和葉片基部主脈。

用硫酸氫黃連素－苯胺藍對染切片確定細胞壁木質化和凱氏帶，在熒光顯微鏡（Olympus IX71）藍色激發(fā)光下觀察凱氏帶呈生動黃色，木質化細胞壁呈呆滯黃色［29－30］。蘇丹紅7B染色切片檢測栓質化細胞壁，在徠卡光學顯微鏡（Leica DME）下觀察呈現(xiàn)紅色［31］；鹽酸－間苯三酚染色的木質化細胞壁呈櫻桃紅色，甲苯胺藍染色的細胞壁呈藍色［32］。用數(shù)碼相機（RZ200C－21，China）拍照記錄圖片。圖片主要用

莼菜（Brasenia schreberi）屬莼菜科，適應寡營養(yǎng)水生環(huán)境，是瀕危的被子植物原始類群，也是珍稀蔬菜、觀賞和藥用植物［1－5］。莼菜營養(yǎng)體具有主莖、根莖和直立莖；主莖無節(jié)，蓮座狀密集著生根莖、直立莖和不定根束，頂端具不定芽［2，4，6］。莼菜根、黏液毛等部位的解剖結構已有報道［7－14］，根具有栓質化內(nèi)、外皮層［15－16］。然而現(xiàn)有研究者對莼菜的取材地點與時間，以及研究方法等差別很大，這些研究結果沒有全面地反映其適應水生環(huán)境而對污染水體敏感的結構特點。

水生和濕地植物的通氣組織與屏障結構是其適應水濕環(huán)境的重要解剖結構基礎［17－22］。通氣組織為植物在水濕環(huán)境缺氧部分輸導和儲藏氧氣［17－18，20－21］，屏障結構是控制植物內(nèi)部以及與環(huán)境的水、離子、氧氣擴散和交換的保護組織［19，22］。屏障結構主要指植物初生壁的凱氏帶，次生壁栓質化和木質化，體表角質層的組織化學特征。目前已經(jīng)明確耐長期淹沒Photoshop 7.0軟件處理，加標尺和標注，調整圖片亮度和對比度，并合成圖片。

2 結果與分析

2.1 莼菜主莖的解剖結構和組織化學

莼菜近頂端幼嫩主莖結構有網(wǎng)狀中柱、蜂窩狀擴大型通氣組織、皮層、表皮、黏液毛及黏液，主莖與新分枝之間具細胞形態(tài)分化的離層（圖1－A）。分枝正在脫落和已脫落的老主莖與幼莖結構類似，而皮層具不定根束，離層完全形成（圖1－B、圖1－C）。網(wǎng)狀中柱的維管束在主莖不同橫截面上分離和交聯(lián)呈網(wǎng)狀（圖1－A、圖1－B、圖1－C），初生維管束中央為纖維束，周圍細胞沒有組織分化，與皮層細胞相似（圖1－D），僅在離層附近的初生維管束出現(xiàn)木質化的螺紋導管（圖1－E、圖1－F）。近頂端主莖與新分枝之間的離層細胞壁具凱氏帶，但未栓質化和木質化（圖1－G、圖1－H），而老主莖的離層細胞壁已栓質化且木質化（圖1－E、圖1－I）。皮層上著生的不定根基部及其周圍皮層細胞壁具凱氏帶，且栓質化和木質化，但與皮層內(nèi)部聯(lián)系部分為沒有組織化學分化的纖維束（圖1－J、圖1－K、圖1－L）。表皮細胞和黏液毛的結構關系在下文進行表述。

2.2 莼菜根莖、直立莖、花柄和葉的解剖結構和組織化學特點

莼菜根莖與直立莖具有相似的解剖結構和組織化學特點，中央為2個雙韌初生維管束，初生韌皮部和初生木質部之間具蜂窩狀擴大型通氣組織，初生木質部內(nèi)部細胞溶解為通氣組織，皮層具蜂窩狀擴大型通氣組織、皮層、表皮、黏液毛及黏液（圖2－A、圖2－B、圖2－C、圖2－D、圖2－E）。初生維管束周圍鞘細胞壁具有凱氏帶且木質化，但未栓質化（圖2－B、圖2－C、圖2－D）。初生木質部導管木質化（圖2－D、圖2－E）。花柄和葉柄的結構與根莖的類似，但葉柄中央僅有1個初生維管束，初生維管束鞘細胞壁無凱氏帶、栓質化和木質化（圖2－F、圖2－G）。葉片結構為表皮、黏液毛及黏液、柵欄組織、海綿組織，具有通氣組織和葉脈（圖2－H、圖2－I）。表皮細胞和黏液毛的結構關系在下面進行闡述。

2.3 莼菜莖葉皮層、表皮細胞和黏液毛的解剖結構和組織化學特點

莼菜黏液毛主要分布于主莖、根莖、直立莖的幼嫩部分，以及花柄、花被片、葉柄表面和葉片背面。黏液毛為表皮細胞突出角質層外的一部分，基部具微突起的角質層包圍（圖3－A、圖3－B、圖3－C、圖3－D、圖3－E），其中上部具有初生壁（圖3－A）；表皮外角質層表現(xiàn)為不連續(xù)，在黏液毛穿過處留下沒有角質層覆蓋的斑塊（圖3－B、圖3－D）。隨著表皮細胞的伸長老化，黏液毛也老化脫落失去分泌黏液功能，其外少有黏液，黏液毛基部微突起的角質層也相對較小，角質層仍沒有封閉表皮黏液毛穿過之處（圖3－F、圖3－G），而此時黏液毛下部皮層的部分細胞壁木質化（圖3－H），甚至直達氣腔（圖3－I），因此認為黏液毛是表皮細胞的一部分，類似根毛的構造。

此外，根莖、直立莖、花柄和葉柄的皮層細胞含未知的化學物質或為顆粒狀細胞器，能結合硫酸氫黃連素－苯氨蘭染料而發(fā)熒光（圖2－B、圖2－E、圖3－D、圖3－E、圖3－F），也能結合蘇丹紅7B染料而呈現(xiàn)不規(guī)則團狀物（圖1－H、圖1－I、圖1－K、圖2－C、圖2－F、圖2－G、圖2－H、圖3－B），該化學物質組成還需進一步研究。

3 結論與討論

在莼菜的各發(fā)育階段，不定根、主莖、根莖、直立莖、花柄和葉都為初生結構。不定根具有表皮，皮層為蜂窩狀擴大型通氣組織；內(nèi)皮層和外皮層具凱氏帶和栓質層［16，21］，維管柱具有螺紋和環(huán)紋導管［15］。不定根屏障結構與常見水生和兩棲植物的類似，兩棲植物如蘆葦（Phragmites australis）、狗牙根（Cynodon dactylon）、雙穗雀稗（Paspalum distichum）等的不定根具凱氏帶，內(nèi)、外皮層常栓質化和木質化，但外皮層有2至多層細胞［23－24，26－28，30，33］。

主莖具有網(wǎng)狀中柱，初生維管束中央為纖維束，周圍細胞沒有組織分化。根莖、直立莖和花柄中柱具有2個初生維管束，葉柄具有1個初生維管束；根莖和直立莖初生維管束鞘細胞壁具有凱氏帶且木質化，花柄和葉柄鞘細胞壁沒有組織化學分化。主莖初生維管束僅在離層附近出現(xiàn)木質化的螺紋導管，而根莖、直立莖、花柄和葉柄初生木質部具有螺紋導管［15］。

主莖、根莖、直立莖、花柄和葉柄皮層以及它們的初生維管束的初生韌皮部和初生木質部之間都為蜂窩狀擴大型通氣組織，初生木質部內(nèi)部細胞溶解為通氣組織，初生木質部導管呈環(huán)狀排列。這種蜂窩狀擴大型通氣組織也常見于被子植物原始類群睡蓮目 （Nymphaeales）、菖蒲目 （Acorales）植物中［16］。

本研究結果顯示，莼菜黏液毛為表皮細胞突出角質層外的一部分，基部具微突起的角質層包圍，因黏液毛穿過處留下沒有角質層覆蓋的斑塊，表皮外角質層表現(xiàn)為不連續(xù)性。也有研究認為黏液毛起源于表皮，由1個基細胞、2～3個柄細胞和單細胞的頂端部分3個部分組成，頂細胞在發(fā)育過程中受到機械阻礙而形成直生、橫生、二分叉等形態(tài)類型［9，12，14］，這可能由于試驗材料來源不同，或者研究方法不同而使結果不一致。

莼菜屏障結構表現(xiàn)如下：主莖離層和不定根基部及其周圍皮層細胞壁具凱氏帶、栓質化和木質化；其他部位為表皮外具黏液和不連續(xù)角質層及其下的木質化皮層。根莖和直立莖為表皮外黏液和不連續(xù)角質層及其下的木質化皮層，初生維管束鞘細胞壁具有凱氏帶且木質化。花柄和葉僅具有表皮外不連續(xù)角質層和黏液。以往報道初生維管束鞘細胞壁具有凱氏帶［9－10］。常見水生和耐淹植物，如狗牙根、雙穗雀稗等莖的屏障結構為角質層、表皮細胞具凱氏帶，表皮下幾層細胞壁栓質 化 和 木 質 化［23－25，27－28，34］或 維 管 束 鞘 細 胞 壁 具 凱 氏帶［24，35］。莼菜莖葉屏障結構主要為表皮外黏液和不連續(xù)角質層及其下木質化皮層，維管束鞘細胞壁具木質化凱氏帶。

莼菜主莖的網(wǎng)狀中柱與其根莖和直立莖的雙韌初生維管束不同，而且細胞分化程度不同，初生維管束鞘細胞的組織化學各異，今后主莖網(wǎng)狀中柱還需要從發(fā)育分化過程角度作細致研究，以便確定該網(wǎng)狀中柱與蕨類植物等的差別及其系統(tǒng)發(fā)育的地位。莼菜發(fā)達的蜂窩狀擴大型通氣組織也常見于被子植物原始類群植物。這些結構特點是其作為被子植物原始類群的重要結構特征之一。表皮外角質層和黏液及其下木質化皮層，是其適應水生環(huán)境的解剖和屏障結構特征。莼菜幼嫩部位僅具黏液和不連續(xù)角質層的脆弱屏障結構，推測其黏液毛及其下皮層細胞不能忍耐含高離子強度和有機物的污染水體，表皮黏液毛和其下皮層細胞易遭受高離子強度脅迫和破壞，植物體不能正常生長發(fā)育而導致其瀕危。因此，莼菜也可以作為水體環(huán)境污染監(jiān)測的指示植物，本研究也為其他珍稀瀕危植物的保護提供新思路。

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