不同生境下陌上菜的形態(tài)解剖學(xué)比較

張欣欣，劉玫*，程薪宇，史傳奇，茹劍，孫閻

(1.哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黑龍江省分子細(xì)胞遺傳與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150025；2.黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

廣義玄參科(Scrophulariaceae)是個(gè)大科，世界約有300屬4900種。中國(guó)約有62屬730～760種[1]。近年來，最新的形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)研究表明廣義玄參科不是單系的，其中一些屬被移出廣義玄參科，如婆婆納屬(Veronica)放入車前科(Plantaginaceae)，而其余的則分為7個(gè)類群: 玄參科(Scrophulariaceae), 婆婆納科(Veronicaceae), 列當(dāng)科(Orobanchaceae), 蒲包花科(Calceolariaceae), 束梗孢科(Stilbaceae), 透骨草科(Phrymaceae)和母草科(Linderniaceae)[2-6]。母草屬(Lindernia)位于母草科(Linderniaceae)，為一年生草本植物，主要分布于亞洲的熱帶和亞熱帶, 少數(shù)種類分布在美洲和歐洲[7]，我國(guó)約有26種[8]。陌上菜(Linderniaprocumbens)是母草屬的模式種，分布廣，生長(zhǎng)在我國(guó)的云南至黑龍江連線以東，受東南季風(fēng)影響的濕潤(rùn)地區(qū)。常見于水邊以及潮濕地，如稻田梗上。陌上菜的莖四棱形，基部多分枝?；ü诜奂t色或紫色。蒴果，中軸胎座。種子多數(shù)，有格紋[8]。陌上菜是我國(guó)的傳統(tǒng)中藥，具有抗腫瘤的功效[9-11]，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種惡性田間雜草[12-13]。Jongduk等[14]指出陌上菜的莖具有小的蜂窩狀通氣道和大的車輪狀通氣道?；ǚ鄢嗟烂嬗^為橢圓形，極面觀為三裂圓形，三溝具溝膜，表面紋飾為細(xì)網(wǎng)狀[15]。其他相關(guān)的形態(tài)學(xué)研究未見報(bào)道。

研究植物在不同環(huán)境條件下的形態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)認(rèn)識(shí)植物性狀的分類學(xué)價(jià)值具有重要意義，也將為植物生態(tài)演化研究提供一些基礎(chǔ)資料[16-25]。我們觀察到陌上菜的生長(zhǎng)環(huán)境不是單一的，它可全株浸水，濕生(植株根部及部分地上部分浸水)或陸生(地表無水)完成生長(zhǎng)發(fā)育過程。為了了解這一物種在不同生態(tài)環(huán)境下的形態(tài)結(jié)構(gòu)，我們?cè)敿?xì)研究了它的形態(tài)及結(jié)構(gòu)，目的在于完善這一物種的形態(tài)學(xué)，揭示不同生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討結(jié)構(gòu)與環(huán)境的關(guān)系，為分類及系統(tǒng)學(xué)提供形態(tài)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

陌上菜植株(包括種子)于2012年8月采自黑龍江尚志縣帽兒山稻田田埂上，經(jīng)哈爾濱師范大學(xué)劉鳴遠(yuǎn)教授鑒定，并將植株移栽于哈爾濱師范大學(xué)溫室中。將種子萌發(fā)的幼苗移栽到土壤中，模擬野外的生境，使植株完全浸水生長(zhǎng)(簡(jiǎn)稱水生)，植物根及莖的基部浸水生長(zhǎng)(簡(jiǎn)稱濕生)，及完全陸生(簡(jiǎn)稱陸生)。待植株發(fā)育成熟時(shí)，分別取不同生境下營(yíng)養(yǎng)器官及生殖器官作為研究材料。

1.2 方法

將成熟種子均勻地移到培養(yǎng)皿，使其萌發(fā)，觀察其種苗的發(fā)育形態(tài)特征。將材料(種苗，成株的根、莖、葉、子房及種子)固定于含70%酒精的FAA(formalin-acetic acid-alcohol mixture，福爾馬林-醋酸-酒精混合液)，時(shí)間不少于24 h。采用GMA(Glycol methacrylate，乙二醇甲基丙烯酸酯)切片法：所研究器官各取3份樣品，經(jīng)50%酒精，100%酒精，異丙醇，和正丁醇脫水處理各2次，每次6 h。隨后，進(jìn)入GMA中滲透3次，第1和2次各為1 d，第3次不少于5 d，之后將材料及GMA裝入無色膠囊，置于60℃溫箱24 h進(jìn)行聚合[23]。用Leica Ultralcut R切片，厚度約2.5 μm。根據(jù)Feder和O’ Brien[26]的方法給材料染色。將切片置于DNPH (2, 4-二硝基苯肼)與冰醋酸混合水溶液30 min后流水沖10 min。之后，將切片置于高碘酸水溶液(0.1%)中10 min，流水沖5 min。之后，將切片置于希弗試劑30 min，流水沖10 min。然后用甲苯胺藍(lán)染色2 min，流水沖2～10 min。待切片干燥后用中性樹膠封片。

氣孔形態(tài)的觀察采用葉表皮撕取法，即撕取葉片上、下表皮，然后用50%甘油水溶液封片。

所有試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)Olympus BX51顯微鏡觀察，Olympus DP70照相。

2 結(jié)果與分析

2.1 陌上菜種子及種苗的形態(tài)結(jié)構(gòu)

種子從植株脫離后，落入水中，不經(jīng)休眠便可萌發(fā)。萌發(fā)時(shí)，下胚軸及胚根伸出種皮。當(dāng)根端伸出0.2～0.5 mm時(shí), 可見下胚軸與胚根之間產(chǎn)生膨大的環(huán)狀突起，即根環(huán)(圖1L)。根環(huán)上先形成較多的小突起，2～3 d后這些突起發(fā)育成單細(xì)胞的下胚軸毛。下胚軸毛的延長(zhǎng)生長(zhǎng)快于胚根的生長(zhǎng)，很快超過胚根的長(zhǎng)度(圖1M,N)。種苗借助于下胚軸毛的固著，由平臥轉(zhuǎn)為直立生長(zhǎng)。胚根進(jìn)一步發(fā)育形成初生根。6～8 d后子葉脫離種皮，并展開變綠，但仍未見胚芽發(fā)育。隨著初生根的延長(zhǎng)生長(zhǎng)，產(chǎn)生根毛(圖1O)。

陌上菜成熟種子未從胎座上脫離時(shí)，其表皮細(xì)胞外壁上具泡狀突起(圖2B)。種子脫離植株后，處于干燥條件下突起變得扁平，泡狀結(jié)構(gòu)消失。成熟的種子胚根端未完全分化，僅可見1～2層細(xì)胞，胚芽端未見分化(圖2A)。

子葉展開約15 d后第1枚真葉出現(xiàn)。子葉兩側(cè)均具氣孔，下胚軸和初生根具有通氣組織(圖2C)。

2.2 不同生境下陌上菜成株?duì)I養(yǎng)器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)

植株形態(tài)：陌上菜從子葉展開到植株開花結(jié)實(shí)歷經(jīng)約為25 d。水生和濕生植株高為12～26 cm，前者的莖未見分枝，后者具較少分枝并有匍匐莖，匍匐莖的節(jié)上產(chǎn)生新的植株和不定根(圖1C)。陸生植株株高為8～20 cm，莖具有較多的分枝(圖1A)。陸生和水生植物無匍匐莖，后者莖的節(jié)上具有不定根(圖1B)。

根的結(jié)構(gòu)：根表皮細(xì)胞為1層，形狀不規(guī)則，水生和濕生植株的表皮細(xì)胞外壁較陸生植株的薄(圖2F,G)。外皮層細(xì)胞較大，排列緊密。水生和濕生的植株具1層細(xì)胞，陸生的植株具1～2層細(xì)胞(圖2F，G)。水生和濕生植株的皮層與中柱的比例約為2∶1，具大的車輪狀通氣道10～12個(gè)。通氣道間的薄壁細(xì)胞萎縮，呈絲狀(圖2F)。陸生的植株皮層與中柱的比例約為0.5∶1，車輪狀通氣道8～10個(gè)，通氣道間的薄壁細(xì)胞較大，不萎縮(圖2G)。內(nèi)皮層為1層細(xì)胞。水生和濕生植株的細(xì)胞較大，無凱氏帶(圖2F)，陸生的植株細(xì)胞較小，有凱氏帶(圖2G)。維管束：水生和濕生的植株初生木質(zhì)部為3原型，不發(fā)達(dá)(圖2F)。陸生的植株韌皮部與木質(zhì)部間具由1～2層細(xì)胞構(gòu)成的形成層，有次生生長(zhǎng)。次生木質(zhì)部發(fā)達(dá)，占據(jù)了中柱的大部分，與次生韌皮部的比例約為5∶1(圖2G)。

莖的結(jié)構(gòu)：水生植株的莖及濕生植株莖的基部為圓形，陸生植株的莖和濕生植株莖的上部為四棱形，具4個(gè)突起的棱角(圖2H，I1)。表皮為1層卵圓形或類方形細(xì)胞，排列緊密。水生植株的莖及濕生植株莖的基部無角質(zhì)層，陸生植株的莖和濕生植株莖的上部具角質(zhì)層(圖2H，I1)。外皮層為1層細(xì)胞，細(xì)胞較大，近圓形，排列較緊密。水生植株的莖及濕生植株莖的基部細(xì)胞內(nèi)的葉綠體較陸生植株的莖和濕生植株莖的上部少(圖2H，I1)。水生植株的莖及濕生植株莖基部的皮層與中柱的比例約為1∶1，具小型的蜂窩狀通氣道(1～3個(gè))和大型的車輪狀通氣道(17～19個(gè))。通氣道之間具有1層薄壁細(xì)胞，細(xì)胞長(zhǎng)方形，無葉綠體(圖2H)。陸生植株的莖和濕生植物的莖上部皮層與中柱的比例約為0.5∶1，棱角處各具1個(gè)纖維束，細(xì)胞壁厚，木質(zhì)化程度高，具小型的蜂窩狀通氣道(6～8個(gè))和大型的車輪狀通氣道(12～14個(gè))。通氣道之間具有1層薄壁細(xì)胞，細(xì)胞方形，具葉綠體(圖2I1)。維管束6個(gè)，呈環(huán)狀排列，水生植株的莖及濕生植株莖基部的維管束較小于陸生植株的維管束，木質(zhì)部及韌皮部較不發(fā)達(dá)，韌皮部外圍偶見韌皮纖維，而陸生植株的莖和濕生植株的莖上部的木質(zhì)部及韌皮部較發(fā)達(dá)，韌皮纖維較多(圖2H，I1,I2)。髓由排列疏松的較大薄壁細(xì)胞所組成(圖2H，I1)。

圖1 陌上菜不同生境下植株及器官的形態(tài)特征Fig.1 The morphological characteristics of the whole plants and organs of L. procumbens in different ecological environment A： 陸生植株 Terrestrial plant; B： 濕水植株的匍匐莖 Stolon of hygrophilous plant; C： 水生植株的不定根 Adventitious root of submerged plant; D： 開放花 Chasmogamous flower; E： 閉鎖花 Cleistogamous flower; F： 開放花的解剖 Anatomy of chasmogamous flower; G： 子房基部的蜜腺 Gynobase nectar; H： 附屬物上的單細(xì)胞非腺毛 Monocelled nonglandular hairs on appendage; I： 附屬物上的具柄的多細(xì)胞腺毛 Pluricellular glandular hairs; J： 葉表皮氣孔 Stoma; K： 閉鎖花的解剖 Anatomy of cleistogamous flower; L： 下胚軸與胚根之間的根環(huán) Collet between radical and hypocotyls; M, N： 下胚軸毛 Hypocotyl hairs; O： 初生根 Primary root. ar: 不定根 Adventitious root; st: 匍匐莖 Stolon; co: 根環(huán) Collet; hh: 下胚軸毛 Hypocotyl hair; rh: 根毛 Root hair; ne: 蜜腺 Nectar. 比例尺 Scale bar: A: 2 cm; B: 3 mm; C-E: 1.5 mm; F, K: 1 mm; G: 0.5 mm; H, I: 1 μm; J: 5 μm; L-N: 10 μm; O: 50 μm.

圖2 陌上菜種子胚(縱切及橫切)、根、莖、葉和子房(橫切)的結(jié)構(gòu)Fig.2 The anatomy of the seed embryo (longitudinal and transverse sections), root, stem, leaf and ovary (transverse section) of L. procumbens A： 種子胚 Seed embryo; B： 種皮上的突起 Projections on testa; C： 胚根 Radical; D： 幼嫩子房的中軸胎座 Axile placenta of young ovary; E： 成熟子房的特立中央胎座 Free central placenta of mature ovary; F： 水生植株根 Root of submerged plant; G： 陸生植株根 Root of terrestrial plant; H： 水生植株莖 Stem of submerged plant; I1，I2： 陸生植株莖 Stem of terrestrial plant; J： 水生葉 Submerged leaf; K： 陸生葉 Terrestrial leaf. vb: 泡狀凸起 Vesicular bulge; do: 子房隔膜 Diaphragm of ovary; dd: 退化的隔膜 Degenerated diaphragm; vc: 維管形成層 Vascular cambium; ae: 通氣組織 Aerenchymaes; wa: 車輪狀通氣組織 Wheel-shaped aerenchyma; ha: 蜂窩狀通氣組織 Honeycomb aerenchyma; f: 纖維 Fiber; cs: 凱氏帶 Casparian strip; ec: 葉表皮細(xì)胞 Epidermis cell; gs: 腺鱗 Glandular scale. 比例尺Scale bar: A, D, F, G: 10 μm; B: 5 μm; C, E: 50 μm; H, I1, J, K: 25 μm; I2: 20 μm.

葉的結(jié)構(gòu)：陸生及濕生的植株非浸水葉片的結(jié)構(gòu)相同，完全水生及濕生植株浸水葉片結(jié)構(gòu)相同。故3種生境有2種類型葉片，水生(指浸水)和氣生(指非浸水)。前者葉的上、下表皮細(xì)胞內(nèi)壁具明顯的向內(nèi)突起，后者這種突起只存在于葉片的上表皮。2種葉片下表皮均具平列型氣孔(圖1J)及盾狀腺鱗(圖2J，K)。氣生葉具有柵欄組織和海綿組織，細(xì)胞排列緊密，葉綠體較多(圖2K)，水生葉無柵欄組織和海綿組織的分化，細(xì)胞排列疏松，葉綠體較少(圖2J)。水生維管束的導(dǎo)管木化程度較低，管壁較薄(圖2J)。氣生葉的維管束較水生的發(fā)達(dá)，導(dǎo)管及篩管的數(shù)量相對(duì)較多，導(dǎo)管的管壁較厚(圖2K)。

2.3 不同生境下陌上菜生殖器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)

陌上菜具有閉鎖花和開放花2種類型。不同生境的植株在第3對(duì)真葉出現(xiàn)時(shí)，莖基部第1對(duì)真葉的葉腋處發(fā)育出閉鎖花。在以后的發(fā)育過程中，水生的植株產(chǎn)生的花全部為閉鎖花，濕生的植株僅在莖的頂端產(chǎn)生開放花，陸生植株在莖頂端和中部產(chǎn)生開放花。閉鎖花具5枚花瓣，粉紅色，覆瓦狀排列，最外層的2枚花瓣合生?；ㄖ蹋^下彎，花藥扣在柱頭上，在花冠的包被下放粉于柱頭上(圖1E，K)。開放花為唇形花冠，下唇大于上唇，前者具3裂，后者具2淺裂(圖1D)?；ㄖ闹^2裂，子房基部具有環(huán)狀蜜腺(圖1G)。雄蕊4枚，其中2枚具附屬物。附屬物上具有單細(xì)胞的非腺毛和具柄的多細(xì)胞腺毛(圖1H，I)。閉鎖花和開放花形成的成熟果實(shí)均為卵球形蒴果，基部被宿存的花萼所包裹，胚珠多數(shù)。在胚珠發(fā)育的早期，子房明顯地分為2室，為中軸胎座類型(圖2D)。隨著胚珠的發(fā)育成熟，子房的隔膜消失，基部未見殘留的隔膜，僅具隔膜退化留下的痕跡，形成1室，為特立中央胎座(圖2E)。

3 討論

3.1 陌上菜種苗發(fā)育與水環(huán)境的相關(guān)性

陌上菜種子脫離胎座時(shí)，其表面具有的泡狀結(jié)構(gòu)使其可以浮水傳播。在種子萌發(fā)時(shí)，下胚軸末端產(chǎn)生下胚軸毛，胚根在種苗萌發(fā)初期發(fā)育遲緩。這些特點(diǎn)存在于典型的水生植物中，如芡實(shí)(Euryaleferox)，睡蓮(Nymphaeatetragona)，蓮(Nelumbonucifera)，黑藻(Hydrillaverticillata)，澤瀉(Alismaplantago-aquatica)，慈姑(Sagittariasagittifolia)[27-33]。東北龍膽(Gentianamanshurica)也具這種發(fā)育方式[34-35]。劉鳴遠(yuǎn)等[36]指出東北龍膽種子需要完全浸水才能萌發(fā)。我們?cè)鴮⒛吧喜说姆N子播于水分較少的土壤中，始終未見出苗(未發(fā)表)，由此可見陌上菜種子萌發(fā)條件以及種苗的發(fā)育與水環(huán)境密切相關(guān)。

3.2 陌上菜成株形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)不同生境的適應(yīng)

學(xué)者們[14,37]指出，典型水生植物具有發(fā)達(dá)的通氣腔，機(jī)械組織不發(fā)達(dá)。這與陌上菜水生及濕生浸水部位的結(jié)構(gòu)相同，而完全陸生的植株及濕生植株的氣生部位(指非浸水部分)有水生植物通常具有的發(fā)達(dá)通氣道和陸生植物通常具有的角質(zhì)層及發(fā)達(dá)的機(jī)械組織。陸生植株根的次生生長(zhǎng)使其具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)和支持作用，進(jìn)而適應(yīng)陸地生活。

同一植株上同時(shí)形成開放花和閉鎖花可以保證植物的成功繁殖[38-46]。顯然，陌上菜形成的閉鎖花保證了水生植株的正常結(jié)實(shí)，開放式花則使得這一物種有機(jī)會(huì)異花傳粉受精，從而增加基因交流以提高變異比率及生存能力。

3.3 陌上菜胎座的分類價(jià)值

早期研究指出，母草科植物的胎座為中軸胎座[47-53]。而本研究顯示陌上菜為特立中央胎座，中軸胎座僅見于幼嫩的子房(圖2D)。石竹類植物的特立中央胎座皆是次生獲得的[54]，陌上菜胎座的發(fā)育過程與石竹類植物非常相似。廣義玄參科植物通常為中軸胎座，但存在一些變異類型，如地黃屬(Rehmannia)的胎座特點(diǎn)是子房下部2室，上部1室；水茫草屬(Limosella)中軸胎座的子房在基部2室，上部的隔障消失[47,55-58]。母草科其他物種是否為中軸胎座需要進(jìn)一步研究，它不僅有助于了解胎座在科內(nèi)的變化，并可用以探討這一科與廣義玄參科其他類群的關(guān)系。