栽培羊棲菜(Sargassum fusiforme)成熟藻體不同器官的組織結構顯微觀察及其生理生態學功能剖析*

林立東 馬增嶺 陳斌斌 吳明江

栽培羊棲菜()成熟藻體不同器官的組織結構顯微觀察及其生理生態學功能剖析*

林立東1馬增嶺2陳斌斌3吳明江3①

(1. 溫州市洞頭區海洋與漁業發展研究中心博士后工作站 溫州 325700; 2. 溫州大學浙江省水生環境與海洋生物資源保護重點實驗室 溫州 325035; 3. 溫州大學生命與環境科學學院 溫州 325035)

為全面了解栽培羊棲菜()成熟藻體假根、莖、葉(氣囊)和生殖托(雌托和雄托)四類器官的組織形態特征, 運用石蠟切片法, 對栽培羊棲菜成熟藻體各器官進行了組織形態學觀察和討論分析。結果表明, 不同器官橫切組織的形態、結構和寬度差異顯著; 假根, 莖, 葉, 雌、雄生殖托的橫切面由外向內分別為表皮、近表皮、皮層和髓部組織, 而氣囊無髓部組織結構, 但具有內皮層。此外, 雌、雄生殖托還包括生殖窩、卵和精子結構。栽培羊棲菜各器官表皮細胞均呈柵欄狀排列, 寬度順序為: 雄生殖托 > 莖 > 雌生殖托 > 氣囊 > 葉 > 假根; 表皮和近表皮細胞含淀粉粒最多, 內含色素體; 皮層和髓部細胞的淀粉粒含量相對較少; 皮層組織的細胞腔最大, 具有典型植物細胞形態和發達的胞間隙; 髓部細胞致密, 細胞腔多數較小。有關文獻報道表明, 羊棲菜不同器官響應光照、水溫、干出與沉水及低鹽脅迫等環境信號表達的生理生態學特征差異顯著。研究結果可為深度解析栽培羊棲菜各器官之間的亞細胞結構差異, 不同器官生理代謝響應環境信號表達差異, 不同器官組織對微量元素或重金屬離子的吸收、轉運和儲藏機制分析等研究提供基礎數據和理論參考。

羊棲菜(); 器官; 組織形態; 生理生態學; 功能

羊棲菜()屬褐藻門(Phaeophyta)、馬尾藻科(Sargassaceae)植物, 雌雄異株, 具有性生殖和無性生殖兩種生殖方式, 為太平洋西北部近岸海域特有的多年生大型海藻(曾呈奎, 2000; 林立東等, 2020)。近年來, 有關羊棲菜的研究報道主要集中于羊棲菜褐藻硫酸多糖提取、分離與藥理活性分析(Wu, 2013; Sun, 2018); 羊棲菜藻體膳食纖維、微量元素、氨基酸、蛋白質等營養成分分析(趙艷芳等, 2013; Li, 2018); 羊棲菜藻體響應光照、溫度、CO2供給、干出和低滲等環境因子變化的生理學研究(Zou, 2004; Qian, 2016; Xie, 2016; Jiang, 2019; Li, 2019; Liu, 2020); 羊棲菜藻體響應重金屬鎳、汞、銅、鋅和鎘等脅迫的生態毒理學研究(Lee, 2012; Shin, 2014; Huang, 2015); 羊棲菜幼胚響應米氏凱倫藻()赤潮感染的光合生理研究(Ma, 2017; Shang, 2020); 重金屬砷含量研究(Ma, 2018)等六個方面, 此外, 也有少量關于溫州洞頭栽培羊棲菜樣品RAPD和ISSR分子標記研究(徐佳麗等, 2014; 南春容等, 2015; Yao, 2019)等報道。褐藻是藻類植物中進化較為高級的一個類群, 具表皮、皮層和髓組織分化特征(朱仲嘉等, 1992; 黃冰心等, 2015)。目前, 文獻《羊棲菜生物的初步研究》和《中國經濟海藻超微結構研究》分別描述了野生羊棲菜成熟藻體各器官顯微和超顯微結構特征, 而文獻《羊棲菜的生藥學研究》僅對栽培羊棲菜藻體莖和葉器官的組織顯微結構進行了觀察與分析(王素娟, 1991; 張華芳, 2005), 上述文獻在羊棲菜器官組織形態結構、細胞形態結構和學術名詞等方面進行了初步描述和定義, 為我們深度認知羊棲菜各器官間的組織形態特征提供了借鑒基礎, 但相距系統認知栽培羊棲菜成熟藻體各器官間組織形態差異、顯微結構差異和定量描述組織形態結構等方面尚有差距, 還需進一步補充和完善。

植物解剖學與生理學、生物化學、基因組學和代謝組學等相結合, 提供了大量的數據集, 為系統地揭示植物在脅迫環境下的生長、發育、防御和生產力鋪平了道路(Yadav, 2021)。結構與功能是生命科學研究的主題, 結構是物質系統內部的組織形式, 功能則是物質系統在與內外環境的相互作用中, 所表現出來的特性、行為、效能(Zhao, 2008; Dias, 2016; 程銘恩等, 2019)。羊棲菜不同器官的組織結構不同, 生物活性物質的含量也不盡相同(趙艷芳等, 2013)。羊棲菜器官組織形態是光合作用、無機離子選擇吸收和逆境生理生態學等基礎研究的認知基礎, 準確掌握栽培羊棲菜器官組織顯微形態特征, 利于研究者精準選定目標器官, “集成”研究栽培羊棲菜響應環境變化的組織形態變化、生化成分與動態分布、生理代謝活動等重要生命活動過程及其分子機制。

本文在觀察和記錄栽培羊棲菜成熟孢子體假根、莖、葉(氣囊)和生殖托(雌托和雄托)四類器官組織形態特征基礎上, 結合現有羊棲菜生理生態學文獻報道, 系統闡述了羊棲菜葉綠體分布, 膳食纖維、微量元素和褐藻多糖(褐藻膠、褐藻淀粉和褐藻糖膠)等含量與分布特征, 以期為建立羊棲菜器官模擬生物細胞結構力學模型, 解析栽培羊棲菜生長發育, 揭示微量元素的吸收、轉運和儲藏, 藻體響應環境信號的分子機理等生命活動提供基礎數據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料選擇與處理

于溫州市洞頭區選取栽培羊棲菜()成熟孢子體雌雄植株, 去除雜質, 分別選取假根、葉片、氣囊、莖和生殖托器官, 新鮮過濾海水清洗后, 分別置事先注入固定液的棕色廣口試劑瓶中, 4 °C冷藏待用。

1.2 固定與石蠟切片制作

固定 將羊棲菜各部器官分別置FAA固定液(5 mL福爾馬林, 6 mL乙酸和89 mL 50%乙醇)中固定24 h;

脫水 取已固定器官材料置50%、60%、70%、80%、90%和100%乙醇中梯度脫水, 每梯度乙醇脫水1 h, 期間每梯度乙醇更換3次;

透明 將脫水后羊棲菜器官置1 : 1 (體積分數)的無水乙醇和二甲苯混合液中浸泡透明2 h, 再置100%二甲苯溶液中透明3 h, 期間每1 h更換二甲苯1次;

透蠟 在56 °C恒溫箱中置放50 mL燒杯6只且編號, 1號燒杯置放1 : 1二甲苯和石蠟混合液30 mL, 2號燒杯置放1 : 2二甲苯和石蠟混合液30 mL, 3號和4號燒杯分別置放軟蠟30 mL, 5號和6號燒杯各置放硬蠟30 mL, 羊棲菜器官材料依次浸蠟1 h;

包埋 將事先準備好的紙盒置溫度略高于石蠟熔點的溫臺上, 將浸蠟后的羊棲菜器官材料連同石蠟倒入紙盒內, 加熱后用解剖針擺正器官材料, 將紙盒平緩快速浸置冷水中50—60 min, 取出帶有紙盒的蠟塊, 去除紙盒, 用解剖刀規則修整蠟塊, 編號置4 °C冰箱冷藏待用。

切片 將包埋器官的蠟塊固定至kd-1508型旋轉切片機上, 切取厚度為8—10 μm的器官橫切片或縱切片;

貼片、展片與燙片 將事先準備好的膠黏劑(體積分數為1︰1的蛋白和甘油, 加入少量麝香草酚或石碳酸)均勻涂抹干凈載玻片中央; 后滴上適量蒸餾水, 將事先選好的器官石蠟切片浮于蒸餾水上, 亮而光的反面朝下; 將載玻片置酒精燈火焰上方平穩移動, 均勻展平切片, 靜置3—5 min, 清去水液, 吸干余水, 將載片置放置37 °C溫箱中, 至蠟片干透;

脫蠟 將染色后的蠟片置25 °C二甲苯溶劑中脫蠟, 連續置換3次二甲苯溶液, 每次二甲苯溶液脫蠟5 min, 徹底清除石蠟;

復水 將脫蠟后的蠟片分別置100%、90%、80%和70%梯度乙醇液中快速復水, 每梯度乙醇液復水2 min;

染色 將蠟片分別置事先配制好的番紅(Safranin)染色劑和固綠(Fast green)染色劑中染色, 使細胞核著紅色, 纖維素細胞組織著為灰色(70%乙醇配制液染色, 4 °C冷藏);

脫水 將染色后的蠟片分別置70%、80%、90%和100%乙醇中脫水, 每梯度液脫水3 min, 100%乙醇重復脫水3次;

透明 將脫水后的蠟片置1 : 1 (體積分數)無水乙醇和二甲苯混合液中, 后置二甲苯溶液中透明3次, 每次透明5 min;

封片 去除蠟片多余二甲苯溶液, 滴一滴樹膠, 傾斜置放載玻片, 排出空氣, 置35 °C烘干箱中干燥至牢固。

1.3 組織形態記錄與測定方法

使用倒置生物顯微鏡(NIKON 90i, 日本)觀察與記錄器官組織形態照片。根據各器官蠟片實際, 選擇4(物鏡)×10(目鏡)倍、10(物鏡)×10(目鏡)倍或40(物鏡)×10(目鏡)倍(下同)觀察和記錄器官組織形態。根據標尺長度/標尺距離=測量長度/測量距離公式, 計算測量距離, 相同部位重復測量5次, 計算均值和標準差(S.D)值。

2 結果與分析

2.1 羊棲菜假根橫切組織形態特征

羊棲菜假根呈柱狀, 橫切組織由外向內分別為表皮層、近表皮層、皮層和髓部組織區(圖1)。羊棲菜假根的組織形態主要特征為, 表皮層由單層細胞組成, 位于假根最外層, 寬度為(26.04 ± 5.21) μm, 具表皮外皮層和表皮內皮層結構。表皮細胞致密, 柵欄狀排列, 著色最深, 腔內均富含淀粉粒。表皮細胞側壁的寬度是外皮層或內皮層寬度的6—7倍, 部分表皮細胞側壁延伸至近表皮細胞層, 表皮細胞腔內色素體含量較多; 近表細胞層位于表皮內皮層內側, 由1—2層薄壁細胞構成, 寬度為(31.25±10.42) μm; 細胞壁著色較深, 與表皮外皮層、表皮內皮層顏色差異不顯著, 但顯著深于皮層細胞壁; 近表皮細胞間的胞間隙結構明顯。近表皮細胞與表皮細胞共壁1—2面, 細胞腔大小不均一, 腔內均富含淀粉粒; 皮層細胞位于近表皮細胞層內側, 由8—9層薄壁細胞構成, 寬度為(475.18±33.45) μm, 皮層組織區細胞形態呈四邊形、五邊形或六邊型等典型植物細胞形態特征, 細胞腔較大, 細胞壁較薄, 腔內含淀粉粒, 由表皮向髓部方向, 顏色逐漸變淺。髓部組織區位于形態學中心部位, 直徑為(727.2±37.56) μm。髓部細胞致密, 多數細胞腔小于皮層細胞腔, 少數細胞與皮層細胞腔相近, 細胞淀粉粒的含量多于皮層細胞, 少于表皮和近表皮細胞。

圖1 羊棲菜假根的橫切組織形態

注: a. 4×10倍, ①表皮, ②近表皮細胞, ③皮層細胞壁, ④皮層細胞腔, ⑤髓部組織區, ⑥淀粉粒; b. 40×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮細胞腔, ③色素體, ④表皮內皮層, ⑤皮層細胞, ⑥皮層細胞壁, ⑦胞間隙

2.2 羊棲菜莖橫切組織形態特征

羊棲菜莖橫切面呈橢圓形, 橫切組織由外向內分別為表皮、近表皮層、皮層和髓部組織區(圖2a, 2b, 2c)。羊棲菜莖組織形態主要特征為, 表皮層位于莖組織最外層, 由單層細胞組成, 寬度為(43.96±10.99) μm, 細胞壁著色最深; 表皮細胞致密, 柵欄狀排列, 腔內富含淀粉粒; 表皮細胞層具外皮層和內皮層結構, 界限清晰, 腔內含色素體。表皮細胞側壁增厚, 多數細胞側壁延伸至近表皮細胞層。近表皮細胞位于表皮內皮層內側, 由1—2層薄壁細胞構成, 寬度為(47.62±16.79) μm; 近表皮細胞與表皮細胞共壁1—2面, 細胞腔大小不均一, 細胞壁著色淺于表皮細胞壁, 腔內富含淀粉粒。皮層細胞位于近表皮細胞內側, 寬度為(787.55±74.80) μm—(1 146.52±177.99) μm; 皮層細胞腔最大, 具典型多邊形植物細胞形態特征, 腔內富含淀粉粒。髓部組織區位于形態學中心部位, 呈橢圓形, 長寬分別為(457.87±16.79) μm、(357.14±5.49) μm; 髓部多數細胞腔較小, 少數細胞腔較大, 細胞致密, 腔內富含淀粉粒。

圖2 羊棲菜莖的橫切組織形態

注: a. 10×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮細胞, ③表皮內皮層, ④近表皮細胞, ⑤皮層細胞, ⑥髓部組織; b. 40×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮細胞, ③表皮細胞壁, ④色素體, ⑤表皮內皮層, ⑥近表皮細胞, ⑦皮層細胞壁, ⑧胞間隙, ⑨皮層細胞腔; c. 40×10倍, ①皮層細胞, ②皮層細胞壁, ③髓部組織區, ④髓部細胞, ⑤髓部細胞壁, ⑥淀粉粒; d. 10×10倍, ①幼孢子體莖皮層組織圓形細胞, ②幼孢子體莖髓部組織區

羊棲菜幼孢子體莖(圖2d)與成熟孢子體莖的形態和橫切組織結構特征相似, 但皮層和髓部組織細胞形態均呈卵圓形或圓形特征。皮層組織細胞中, 多數胞腔相對較大, 細胞直徑長度為(223.86±8.70) μm; 少數胞腔較小, 且與髓部組織細胞中少數細胞腔較大的直徑相近, 細胞直徑長度為(170.45±5.87) μm。

2.3 羊棲菜葉橫切組織形態特征

羊棲菜葉橫切面呈梭形, 長度為(2 526.04±5.21) μm, 寬度為(973.96±5.20) μm, 橫切組織由外向內分別為表皮、近表皮、皮層和髓部組織區(圖3)。羊棲菜葉組織形態主要特征為, 表皮位于葉組織最外層, 寬度為(26.04±5.19) μm, 具表皮外皮層和表皮內皮層結構。表皮細胞壁著色最深, 細胞致密, 柵欄狀排列, 細胞側壁增厚, 并延伸至近表皮細胞組織區。近表皮細胞位于表皮內側, 寬度為(48.61±15.9) μm; 近表皮細胞與表皮細胞共壁1—3面(如: 圖3c, ⑦), 細胞腔較小, 腔內富含黑色、較大顆粒淀粉粒。皮層細胞位于近表皮細胞內側, 細胞壁清晰, 具典型植物細胞形態特征, 細胞腔較大, 淀粉粒含量明顯多于假根和莖皮層細胞淀粉粒, 皮層組織區長度半徑為(1 052.08±45.41) μm, 寬度半徑為(402.78±21.68) μm左右。髓部組織區位于形態學中心部位, 呈橢圓形, 長度為(388.89±43.37) μm, 寬度為(175.35±10.84) μm。髓部細胞壁著色深藍, 細胞致密, 多數細胞腔較小, 少數細胞腔較大, 具典型植物多邊形細胞形態特征, 腔內富含淀粉粒。

2.4 羊棲菜氣囊橫切組織形態特征

羊棲菜氣囊橫切面呈圓環狀, 囊壁寬度為(359.83±10.42) μm, 橫切組織由外向內分為表皮、近表皮、皮層和內皮層組織區(圖4)。羊棲菜氣囊組織形態主要特征為: 表皮位于氣囊組織最外層, 由單層細胞構成, 寬度為(26.04±5.21) μm, 具表皮外皮層和表皮內皮層結構; 表皮細胞壁著色最深, 呈暗紅色, 細胞致密, 柵欄狀排列, 細胞側壁增厚, 并延伸至近表皮細胞組織區, 腔內色素體清晰可見; 近表皮細胞位于表皮內皮層內側, 由1—2層細胞構成, 寬度為(29.51 ± 10.84) μm。近表皮細胞壁著色較深, 但略淺于細胞壁, 細胞腔大小不均, 多數細胞腔較小, 呈大小不規則間隔排列, 腔內富含淀粉粒; 皮層細胞位于近表皮細胞內側, 寬度為(298.61 ± 57.37) μm, 具典型植物多邊形細胞形態特征, 細胞腔普遍大于近表皮細胞腔, 腔內富含淀粉粒。內皮層細胞與皮層細胞大小和形態差異不顯著, 較大腔細胞與較小腔細胞間嵌合排列, 細胞壁相互連接構成氣囊空腔。

圖3 羊棲菜葉的橫切組織形態

注: a. 4×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮內皮層, ③色素體, ④近表皮細胞, ⑤皮層細胞壁, ⑥淀粉粒, ⑦髓部組織區; b. 10×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮內皮層, ③近表皮細胞, ④淀粉粒, ⑤皮層細胞, ⑥皮層細胞壁, ⑦淀粉粒; c. 10×10倍, ①皮層細胞, ②皮層細胞壁, ③胞間隙, ④髓部細胞, ⑤髓部組織區, ⑥淀粉粒, ⑦近表皮細胞, ⑧表皮內皮層, ⑨表皮外皮層

圖4 羊棲菜氣囊的橫切組織形態

注: a. 10×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮細胞, ③皮層內皮層, ④近表皮細胞, ⑤淀粉粒, ⑥皮層細胞壁, ⑦皮層細胞腔, ⑧內皮層, ⑨氣囊囊腔; b. 40×10倍, ①表皮外皮層, ②表皮細胞, ③表皮細胞壁, ④色素體, ⑤表皮內皮層, ⑥近皮層細胞, ⑦淀粉粒, ⑧皮層細胞壁, ⑨胞間隙

2.5 羊棲菜雌生殖托橫切組織形態特征

羊棲菜雌生殖托橫切面整體呈柱狀, 橫切組織由外向內分為表皮、生殖窩孔、生殖窩、卵和皮層組織區(圖5)。羊棲菜雌生殖托組織形態主要特征為: 表皮位于生殖托最外層, 寬度為(64.14±11.23) μm, 具表皮外皮層和表皮內皮層結構; 表皮細胞壁著色最深, 柵欄狀排列。生殖窩孔嵌合于表皮組織當中, 直徑為(125.01±9.30) μm; 生殖窩位于表皮內側, 呈球狀分布與表皮內的皮層組織中, 直徑為(635.41±120.77) μm, 窩與窩間隔排列, 中間著生皮層組織; 窩內著生橢圓形卵, 卵的長度為(184.21±26.32) μm、寬度為(100.88±7.59) μm, 卵通過隔絲生長于生殖窩內壁, 且卵與卵之間由隔絲間隔。近皮層細胞位于表皮內皮層內側, 細胞壁著色淺于細胞壁, 細胞腔大小不均一, 多數細胞腔較小, 大小腔細胞間呈不規則排列, 腔內富含淀粉粒。皮層細胞具典型植物多邊形細胞形態特征, 腔內富含淀粉粒。髓部組織區形態特征不明顯。

圖5 羊棲菜雌生殖托的橫切組織形態

注: a. 10×10倍, ①雌生殖窩孔, ②表皮外皮層, ③表皮內皮層, ④近表皮細胞, ⑤皮層細胞, ⑥生殖窩, ⑦卵; b. 40×10倍, ①表皮外皮層; ②表皮內皮層; ③表皮細胞; ④生殖窩; ⑤卵; ⑥隔絲

2.6 羊棲菜雄生殖托橫切組織形態特征

羊棲菜雄生殖托橫切面整體呈柱狀, 橫切組織由外向內分為表皮、生殖窩孔、生殖窩、精子、皮層組織和髓部組織區(圖6)。羊棲菜雄生殖托組織形態主要特征為: 表皮組織位于雄生殖托最外層, 由單層細胞構成, 寬度為(192.71±19.95) μm, 具表皮外皮層和表皮內皮層; 表皮細胞壁著色最深, 呈柵欄狀排列。生殖窩孔嵌合于表皮當中; 生殖窩呈球狀分布于表皮內的皮層當中, 大小為(868.06±156.71) μm, 窩與窩間隔排列, 中間著生皮層組織; 精子個體較小, 蝌蚪狀, 數量較多, 全長約(200.09±33.23) μm, 尾部著生于生殖窩側壁。皮層細胞具典型植物多邊形細胞形態特征, 腔內富含淀粉粒。髓部細胞位于形態學中心部位, 直徑為(538.46±40.70) μm, 細胞致密, 細胞腔小于皮層細胞腔, 腔內富含淀粉粒。

圖6 羊棲菜雄生殖托的組織形態

注: a. 10×10倍, ①雄生殖窩孔, ②生殖窩, ③精子, ④表皮外皮層, ⑤表皮細胞, ⑥表皮內皮層, ⑦皮層細胞, ⑧髓部組織區; b. 40×10, ①表皮外皮層, ②表皮細胞, ③表皮細胞壁, ④表皮內皮層, ⑤近表皮細胞, ⑥淀粉粒, ⑦生殖窩, ⑧精子

3 討論

3.1 羊棲菜各器官組織結構的差異特征

羊棲菜各器官橫切形態、組織結構和組織寬度均有差異。羊棲菜各器官相同組織的形態相同或相近, 特征表現為: 表皮組織結構相同或相近, 均由單層致密的柵欄狀細胞構成, 細胞壁著色最深, 側壁增厚延伸至近表皮組織, 表皮厚度順序為: 雄生殖托(200—214.3 μm) > 莖(110—180 μm) > 雌生殖托(42.85—114.3 μm) > 氣囊(42.9—57.1 μm) > 葉(37.5—50.0 μm) > 假根(30.3—45.5 μm)。羊棲菜器官表皮呈單層、致密的細胞結構特征, 與王素娟(1991)、沈頌東等(2001)等觀察的結果相同。羊棲菜表皮結構特征與羊棲菜適應潮間帶生活、栽培浮水生活相符。自然環境下, 通過表皮脂雙層作用, 有效調控蒸騰速率或復水速率, 保護皮層細胞過度蒸騰或吸脹吸水傷害。羊棲菜莖和葉極具水生植物組織結構特征, 其胞間隙極發達, 可貯存大量空氣, 并在體內相互溝通, 供給藻體生活所需CO2和O2等。

羊棲菜器官近表皮細胞淀粉粒含量最多, 皮層淀粉粒含量最少, 該特征與張華芳(2005)對羊棲菜莖組織觀察結果相同。皮層組織細胞腔最大, 具有四邊形、五邊形或六邊形等典型植物細胞形態特征, 但幼孢子體莖皮層和髓部細胞形態呈卵圓形或圓形, 不具有成熟孢子體莖皮層細胞的多邊形形態特征。髓部多數細胞腔較小、少數細胞腔較大, 嵌合于致密的髓部細胞組織當中。羊棲菜各器官之間的組織形態差異特征表現為: 假根、莖、葉、氣囊、雌生殖托和雄生殖托器官橫切組織形狀分別為圓形、近圓形、錐形、圓環形、近橢圓形和近圓形; 假根、莖、葉、雌生殖托和雄生殖托器官橫切組織由外向內分別為表皮、近表皮、皮層和髓部組織區, 其中, 雌、雄生殖托還包括生殖窩、卵及精子結構; 氣囊的組織形態結構與其它器官不同, 由外向內分別為表皮、近表皮、皮層和內表皮組織區結構, 無髓部組織, 但具有內皮層結構。

3.2 基于羊棲菜假根組織形態特征的生理生態學功能

羊棲菜假根在起到固著作用的同時, 還具有分化再生幼孢子體的生殖功能(林立東等, 2020)。有關羊棲菜組織培養研究表明, 羊棲菜的葉、假根和莖器官部分組織誘導后能夠形成塊狀愈傷組織, 可繼代培養, 含色素的愈傷組織可再生幼孢子體, 而分化再生幼孢子體的細胞來源于表皮細胞、近表皮細胞和皮層色素含量較高的細胞(沈頌東等, 2001; 殷明焱, 2005)。羊棲菜假根表皮組織結構與莖、葉和生殖托相同, 具表皮外皮層和表皮內皮層結構, 表皮細胞呈柵欄狀排列結構, 這種結構可能與羊棲菜干出狀態減緩水分過度流失及干出后復水緩慢吸水, 避免近表皮細胞、皮層細胞和髓部細胞損傷有關。髓部細胞腔普遍較小, 但細胞腔淀粉含量較多, 這種組織結構特征可能與假根的居尖生長特征相符, 即: 通過髓細胞的伸長生長、分裂和增殖, 實現假根的增粗和伸長。羊棲菜假根無性生殖幼孢子體有兩種方式, 一種方式為根尖分生組織周緣區部位的表皮細胞向外增生為葉原基, 再發育成葉, 使得假根直接分化為幼孢子體, 另一種方式為根尖分生組織周緣區部位的表皮細胞、近表皮細胞或近表皮皮層細胞向外增生, 發育為幼孢子體。假根的無性生殖特征, 充分體現了假根細胞較強的植物細胞全能性(朱仲嘉等, 1992; 殷明焱, 2005)。

3.3 基于羊棲菜莖組織形態特征的生理生態學功能

羊棲菜莖亞細胞結構的淀粉、微量元素與重金屬元素、植物激素及響應低鹽脅迫代謝物質變化的部位不同。羊棲菜僅有單一主莖, 其次為一級、二級、三級和四級測生莖, 均呈現居尖生長特征(林立東等, 2020)。羊棲菜莖表皮、近表皮和皮層色素含量較多細胞的全能性較強。沈頌東等(2001)關于羊棲菜莖部愈傷組織再生苗的解剖學研究結果表明, 羊棲菜莖近表皮細胞層首先可以生成愈傷組織, 后逐漸形成愈傷組織皮層和髓部組織, 再分化生成幼孢子體。

張華芳(2005)對羊棲菜莖橫切觀察表明, 莖表皮細胞和近表皮細胞富含大小不一、形態各異, 有的多個聚集成團, 外包裹淺黃色物質的“載色體”。目前, 尚無有關“載色體”成分的研究報道, 本文根據“載色體”的形態和細胞內分布特征初判為帶有顯色物質的淀粉粒。趙艷芳等(2013)關于羊棲菜中微量元素的亞細胞分區分布研究表明, Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Ca、Al、Cd、Pb等微量元素和重金屬元素主要分布在莖和葉的細胞壁中, 其中Mg、Ca、Mn、Cu、Pb的分布特征相同, 為細胞壁 > 液泡 > 細胞器, Fe和Al的分布特征相同, 為細胞壁> 細胞器 > 液泡, Cd和Zn在細胞器和液泡中均有分布(趙艷芳等, 2013)。李艷等(2014)關于羊棲菜主分枝、側分枝、初生葉、次生葉和莖等5部位10種植物激素的研究表明, 吲哚乙酸(IAA)在羊棲菜莖中含量最高, 為4 041.431 ng/g, 脫落酸(ABA)主要分布于主分枝中, 含量達1 469.515 ng/g, 獨角金內脂(SL)在主分枝中含量最高, 為534.833 ng/g (李艷等, 2014)。

3.4 基于羊棲菜葉組織形態特征的生理生態學功能

羊棲菜葉器官主要呈現于幼孢子體生長發育期, 具平緣葉、齒緣葉和棒形葉三種形態(林立東等, 2020)。羊棲菜葉中微量元素的亞細胞分區分布特征與莖相同(趙艷芳等, 2013)。羊棲菜次生葉中茉莉酸和水楊酸的含量較高, 分別為259.983 ng/g和314.855 ng/g, 赤霉素在次生葉和莖中的含量較高, 分別為24.023 ng/g和18.242 ng/g (程銘恩等, 2019)。

羊棲菜的捕光色素復合體主要分布于器官表皮細胞, 通過捕光色素復合體捕捉光能, 進行光合作用, 為體細胞生長、發育和繁殖提供物質基礎。羊棲菜對不同光強和光源的生理響應不同。Zou等(2015)關于重金屬銅脅迫羊棲菜蛋白質組的變化研究表明, 色素體大部分存在于葉表皮, 并隨表皮至皮層厚度加深, 葉綠素(chlorophyll)含量逐漸降低。Sugawara等(2006)有關褐藻巖藻黃素的研究報道表明, 褐藻巖藻黃素和葉綠素共同組成高效捕光復合物, 利于褐藻適應水環境中弱光條件的光合作用。Xie等(2016)對低鹽和高鹽海水短期浸泡對羊棲菜光合作用和葉黃素循環的影響研究表明, 110 μE/(m2s)光照(低光)條件下, 90鹽度海水處理對羊棲菜PSII有效量子產率影響顯著, 淡水中處理1 h 后, PSII有效量子產率也不降低。在800 μE/(m2s)光照(高光)條件下, 光保護機制在淡水浸泡的葉片中有效發揮作用, PSII的量子產量在修復期得到恢復。相反, 90鹽度海水處理的葉片不能承受高光照, 并積累很少的花青素和玉米黃質, 正常鹽度海水修復期, 葉片的PSII量子產量受到嚴重抑制(Xie, 2016)。李科(2017)運用單色LED光源(白光、紅光、綠光、藍光和傳統熒光)對羊棲菜比生長速率、葉綠素(chl)、類胡蘿卜素(Car)和可溶性蛋白的研究表明, 羊棲菜置于白光培養條件的比生長速率最高, 置于藍光培養條件下的chl含量最高, 置于白光、紅光、綠光和藍光培養條件下的Car差異不顯著, 但顯著高于傳統熒光, 置于藍光培養條件下的可溶性蛋白含量最高, 且與傳統熒光可溶性蛋白含量存在顯著差異。

水溫是羊棲菜光合作用、繁殖發育和生理代謝的主要影響因子。適宜羊棲菜生長的水溫為4—25 °C (曾呈奎, 2000)。15—25 °C范圍內, 羊棲菜藻體chl的含量隨溫度升高而升高, 20 °C達到峰值, 超過25 °C時chl的含量會迅速下降, 至30 °C時, chl將逐漸分解(孟慶俊等, 2010)。Zou等(2005)對羊棲菜葉和生殖托的光合作用特征研究表明, 10—30 °C溫度范圍內, 低光輻射條件下, 羊棲菜葉和生殖托能夠保持相對穩定的光合效率, 而40 °C溫度條件下, 羊棲菜葉和生殖托對高光強的利用越來越有效(Zou, 2005)。Liu等(2020)關于高溫脅迫對羊棲菜葉代謝組影響的研究表明, 27 °C和32 °C高溫脅迫處理7 d, 抑制了葉片的葉綠素含量, 增加了電解質滲漏(Liu, 2020)。

3.5 基于羊棲菜氣囊組織形態特征的生理生態學功能

羊棲菜的氣囊由葉片特化生成, 由皮層細胞加厚, 中央髓部細胞逐漸分離形成囊腔, 囊腔內貯存空氣或CO2、O2等(馮德培等, 1982)。目前, 有關氣囊的生理生態學方面的研究暫無相關文獻報道。本文根據氣囊的組織形態結構特征推測, 氣囊在參與光合作用和呼吸作用的同時, 也參與增加藻體浮力, 使得藻體適應浮水生活。羊棲菜氣囊腔內含空氣或CO2、O2的特征, 使得羊棲菜即使處于避光、低溫及密閉隔離空氣條件, 也可以通過內皮層細胞選擇吸收腔內的CO2和O2, 短期內保持藻體生命力。

3.6 基于羊棲菜生殖托組織形態特征的生理生態學功能

羊棲菜雌雄異株, 生殖器官為生殖托, 包括雌生殖托和雄生殖托, 雌生殖托產生卵細胞, 雄生殖托產生精子(林立東等, 2020)。關于羊棲菜生殖托離體培養的初步研究表明, 22 °C、2 300 lx光強、8 h︰16 h光周期條件下, 離體培養的雌生殖托可完成性成熟, 完成全部排卵的生殖托在培養至第20 d時開始腐爛。鄒定輝等(2010)關于羊棲菜離體生殖托低溫超低溫的保存研究表明, 離體生殖托超低溫和冰凍條件下保存不理想, 而干出狀態(避免失水)的生殖托在5 °C條件下可以保存30 d, 其代謝活性、細胞相對活力及配子釋放能力均較好。王龍樂等(2017)關于羊棲菜葉狀體與生殖托干出脫水及沉水條件下的熒光特性研究表明, 雌生殖托的干出脫水的耐受力高于雄生殖托, 半脫水狀態下不影響生殖托的PSII活性, 而大幅度脫水將嚴重降低生殖托的PSII活性, 且損傷不可逆。上述研究表明, 離體生殖托可通過表皮、近表皮和皮層細胞進行光合作用及營養物質選擇吸收, 維持自身生長發育所需的養分和養料。上述研究表明, 羊棲菜生殖托可離體培養, 過度失水將導致表皮、近表皮和皮層組織細胞損傷, 致使主要光合作用場所——表皮中的PSII活性不可逆損傷。

4 結論

羊棲菜假根、莖、葉和生殖托(雌托和雄托)器官組織結構相同, 均包括表皮、近表皮、皮層和髓部組織區。氣囊的組織形態結構與其它器官不同, 由外向內分別為表皮、近表皮、皮層和內表皮組織區結構, 無髓部組織, 但具有內皮層結構。羊棲菜各器官表皮細胞呈柵欄狀排列結構, 淀粉粒含量豐富, 近表皮、皮層和髓部細胞淀粉粒含量相對較少。羊棲菜幼孢子體莖皮層和髓部組織細胞呈卵圓形或圓形形態特征, 不具有成熟孢子體莖皮層和髓部細胞的多形植物細胞形態結構特征。

羊棲菜假根、莖和葉的表皮、近表皮和皮層色素含量較多細胞的植物細胞全能性較強, 可分生愈傷組織, 誘導生成幼孢子體。羊棲菜各器官表皮為光合作用主要場所, 富含光合色素復合體、chl和巖藻黃素, 其次為近表皮和皮層組織, chl的含量受溫度、光照及干出與復水等環境因子的變化而變化。葉的光合活性與形態有關, 其生長、光合色素含量及可溶性蛋白的含量對白光、紅光、綠光、藍光等單色光源的響應與傳統熒光不同。羊棲菜不同器官的植物激素含量不同, 次生葉中茉莉酸和水楊酸的含量較高, 莖和次生葉中赤霉素的含量較高。Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Ca、Al、Cd、Pb等微量元素和重金屬元素主要分布于羊棲菜莖和葉細胞壁中, 其次為液泡和細胞器。

王龍樂, 張 鑫, 鄒定輝等, 2017. 干出脫水對羊棲菜葉狀體與生殖托熒光特性的影響及其在沉水狀態下的恢復. 生態學報, 37(22): 7710—7717

王素娟, 1991. 中國經濟海藻超微結構研究. 杭州: 浙江科學技術出版社

馮德培, 談家楨, 王鳴岐, 1982. 簡明生物學詞典. 上海: 上海辭書出版社, 175—176

朱仲嘉, 譚立佐, 翟世寬, 1992. 羊棲菜馬尾藻組織培養芽生苗. 水產學報, 16(3): 275—277

李 科, 2017. 單色LED光源對大型海藻生理生化特性的影響研究. 杭州: 浙江大學碩士學位論文

李 艷, 徐繼林, 鄭立洋等, 2014. 高效液相色譜—三重四極桿質譜法同時測定羊棲菜5個部位中10種植物激素含量. 色譜, 32(8): 861—866

鄒定輝, 阮祚禧, 陳偉洲, 2004. 干出狀態下羊棲菜的光合作用特性. 海洋通報, 23(5): 33—39

鄒定輝, 高坤山, 2010. 羊棲菜離體生殖托低溫超低溫的保存. 水產學報, 34(6): 761—775

沈頌東, 崔競進, 劉 濤等, 2001. 羊棲菜莖部愈傷組織再生苗的解剖學研究. 青島海洋大學學報, 31(1): 85—88

張華芳, 2005. 羊棲菜的生藥學研究. 時珍國醫國藥, 16(2): 128

林立東, 尚天歌, 張甜甜等, 2020. 褐藻羊棲菜繁殖生物學特征和生活史流程的補充研究. 水產學報, 44(4): 581—595

孟慶俊, 王華芝, 陳 暖等, 2010. 環境因子對羊棲菜氮磷吸收速率、生長速率和葉綠素含量的影響. 海洋環境科學, 29(5): 723—727

趙艷芳, 尚德榮, 寧勁松等, 2013. 羊棲菜中微量金屬元素的亞細胞分區分布. 漁業科學進展, 34(6): 118—123

南春容, 張 鵬, 林少珍等, 2015. 溫州羊棲菜()野生與選育種群ISSR遺傳研究. 浙江農業學報, 27(2): 234—239

徐佳麗, 駱其君, 嚴小軍, 2014. 浙江洞頭不同品系羊棲菜的栽培性狀及ISSR分析. 海洋學研究, 32(2): 74—79

殷明焱, 2005. 組織培養保存大型海藻種質的研究. 青島: 中國科學院研究生院(海洋研究所)博士學位論文

黃冰心, 丁蘭平, 欒日孝等, 2015. 中國海洋褐藻門新分類系統. 廣西科學, 22(2): 189—200

程銘恩, 彭華勝, 2019. 建立“形態-結構-功能”聯系觀提升藥用植物顯微形態教學. 藥學教育, 35(4): 52—55

曾呈奎, 2000. 中國海藻志-第三卷-第二冊-褐藻門, 墨角藻目. 北京: 科學出版社

Dias M I, Sousa M J, Alves R C, 2016. Exploring plant tissue culture to improve the production of phenolic compounds: A review. Industrial Crops and Products, 82: 9—22

Huang S M, Lin G, 2015. Biosorption of Hg(II) and Cu(II) by biomass of driedin aquatic solution. Journal of Environmental Health Science & Engineering, 13: 21

Jiang H, Zou D H, Lou W Y, 2019. Effects of CO2supply on growth and photosynthetic ability of young sporophytes of the economic seaweed(Sargassaceae, Phaeophyta). Journal of Applied Phycology, 31: 615—624

Lee S H, Park C H, 2012. Biosorption of heavy metal ions by brown seaweeds from southern coast of Korea. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 17: 853—861

Li J Y, Liu Y C, Liu Y, 2019. Effects of temperature and salinity on the growth and biochemical composition of the brown alga(Fucales, Phaeophyceae). Journal of Applied Phycology, 31: 3061—3068

Li Y J, Fu X T, Duan D L, 2018. Comparison study of bioactive substances and nutritional components of brown algaestrains with different vesicle shapes. Journal of Applied Phycology, 30: 3271—3283

Liu L J, Lin L D, 2020. Effect of heat stress onleaf metabolome. Journal of Plant Biology, 63: 229—241

Ma Z L, Lin L D, Wu M J, 2018. Total and inorganic arsenic contents in seaweeds: Absorption, accumulation, transformation and toxicity. Aquaculture, 497: 49—55

Ma Z L, Wu M J, Lin L D, 2017. Allelopathic interactions between the macroalga(Harvey) and the harmful blooms-forming dinoflagellate. Harmful Algae, 65: 19—26

Qian W G, Li N, Lin L D, 2016. Parallel analysis of proteins in brown seaweedresponding to hyposalinity stress. Aquaculture, 465: 189—197

Shang T G, Lin L D, Chen B B, 2020. Cell density-dependent suppression on the development and photosynthetic activities ofembryos by dinoflagellate. Harmful Algae, 96: 101842

Shin W S, Kim Y K, 2014. Biosorption characteristics of heavy metals (Ni2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+) from aqueous solution by. Environmental Earth Sciences, 71: 4107—4114

Sugawara T, Matsubara K, Akagi E, 2006. Antiangiogenic activity of brown algae fucoxanthin and its deacetylated product, fucoxanthinol. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54(26): 9805—9810

Sun Y H, Chen X L, Liu S, 2018. Preparation of low molecular weightpolysaccharide and its anticoagulant activity. Journal of Oceanology and Limnology, 36(3): 882—891

Wu M J, Wu Y, Qu M, 2013. Evaluation of antioxidant activities of water-soluble polysaccharides from brown alga. International Journal of Biological Macromolecules, 56: 28—33

Wu X D, Jiang W, Lu J J, 2014. Analysis of the monosaccharide composition of water-soluble polysaccharides fromby high performance liquid chromatography/electrospray ionisation mass spectrometry. Food Chemistry, 145: 976—983

Xie X J, Wang X L, Lin L D, 2016. Effects of hypo- and hypersalinity on photosynthetic performance of(Fucales, Heterokontophyta). Photosynthetica, 54(2): 210—218

Yadav V, Arif N, Ková? J, 2021. Structural modifications of plant organs and tissues by metals and metalloids in the environment: A review. Plant Physiology and Biochemistry, 159: 100—112

Yao J T, Shuai L, Li S Y, 2019. Genetic analysis of selected(Harvey) Setchell (Sargassaceae, Phaeophyta) strains with RAPD and ISSR markers. Journal of Oceanology and Limnology, 37(3): 783—789

Zhao C X, Shao H B, Chu L Y, 2008. Aquaporin structure-function relationships: Water flow through plant living cells. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 62(2): 163—172

Zou D H, Gao K S, 2004. Comparative mechanisms of photosynthetic carbon acquisitioninunder submersed and emersed conditions. Acta Botanica Sinica, 46(10): 1178—1185

Zou D H, Gao K S, 2005. Photosynthetic characteristics of the economic brown seaweed(Sargassaceae, Phaeophyta), with special reference to its “leaf” and receptacle. Journal of Applied Phycology, 17: 255—259

Zou H X, Pang Q Y, Zhang A Q, 2015. Excess copper induced proteomic changes in the marine brown algae. Ecotoxicology and Environmental Safety, 111: 271—280

ANALYSIS OF PHYSIOLOGICAL AND ECOLOGICAL FUNCTIONS TO MATURE SPOROPHYTE OF CULTIVATIONBASED ON ITS ORGAN MORPHOLOGICAL STRUCTURE

LIN Li-Dong1, MA Zeng-Ling2, CHEN Bin-Bin3, WU Ming-Jiang3

(1. Post-Doctor Workstation of Wenzhou Dongtou District Marine and Fishery Development Research Center, Dongtou, Wenzhou 325700, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory for Water Environment and Marine Biological Resources Protection, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China; 3. College of Life and Environmental Science, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China)

To understand in-depth the histomorphological characteristics of mature sporophytic rhizoids, stems, leaves (air-bladder), and reproductive receptacles (female receptacles and male receptacles) of cultivated, the histological morphology of the mature sporophytic organs was observed and analyzed using paraffin section method. The histomorphological observation of cultivationorgans showed that there were significant differences in the morphological, structure and width of the transected tissues of different organs. The transverse tissues of the rhizoids, stems, leaves, female and male reproductive organs of cultivationmature sporophytic were epidermis, near epidermis, cortex and pith, respectively from outside to the inside. However, the air-bladder is unmyelinated, but has an endothelium. Furthermore, the male and female reproductive pads include the reproductive nest, egg, and sperm structure. The epidermal cells of all organs of cultivationwere arranged in palisade, and the order of width was: male reproductive receptacle > stem > female reproductive receptacle > air-bladder > leaf > rhizoid. The most starch granules and chloroplast were found in epidermis and near epidermis cells, while the relatively low starch granules were found in cortex and pith cells. The cortical cells had the largest lumen, with typical plant cell morphology and well-developed intercellular space, while the medullary cells were dense and most of the lumen were small and a few were large. The signal expressions of physiological and biochemical characteristics of different organs of cultivatedagainst environmental stresses such as light, water temperature, dryness, submersion, and hyposalinity were significantly different. This study provided basic data and theory reference for the analyses on subcellular structural differences among the organs of cultivated, the mechanisms of absorption, transport, and storage of micronutrient or heavy metal ions, and the response of physiological metabolic pathways to environmental signals.

; organ; morphological structure; physiology and ecology; functions

* 國家重點研發計劃“藍色糧倉科技創新”重點專項項目, 2018YFD0901500號; 國家自然科學基金項目, 41876124號, 41706147號; 溫州市洞頭區重大漁農業科技計劃項目, N2018Y03A號; 溫州市農業豐收計劃項目, FSJH2019013號。林立東, 博士, 高級工程師, E-mail: rsclinlidong@126.com

吳明江, E-mail: wmj@wzu.edu.cn

2021-01-10,

2021-03-30

Q946; S968.4

10.11693/hyhz20210100008