高等海洋植物海神草營養(yǎng)器官的組織學(xué)特點(diǎn)

王林桂，趙 博，黃 勃

(海南大學(xué) 海洋學(xué)院, 海南大學(xué)海洋生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 海南 ?？?570228)

在所有的被子植物中, 只有大約 0.02 %能夠在海洋中進(jìn)行沉水生活并能夠在海水中完成開花、結(jié)果和發(fā)芽這一過程, 這部分高等植物通常被稱為“海草”(seagrass)[1]。海草不是嚴(yán)格的分類學(xué)名詞, 而是一個生態(tài)類群的總稱。全世界共有 4科 12屬約 60種海草, 迄今中國已發(fā)現(xiàn)有 10屬約 20種海草[2-3]。海草從較高的潮間帶到較矮的潮下帶柔軟底部區(qū)域都有分布, 如沙灣、泥灘、瀉湖區(qū)和河口區(qū), 并形成廣泛的單種和多種草場。在熱帶和亞熱帶地區(qū), 海草與紅樹林和珊瑚礁是三大典型海洋生態(tài)系統(tǒng)[5]。

海神草(Cymodocea rotundata)屬于海神草科(Cymodoceaceae), 海神草屬(Cymodocea), 為典型的熱帶海草。在中國主要分布于臺灣, 廣東徐聞, 海南的瓊海、文昌、陵水和三亞。國內(nèi)對海神草的研究主要集中在地理分布[4-5]、分類[6-7]和生態(tài)學(xué)[8-9]等方面, 有關(guān)海神草營養(yǎng)器官的組織學(xué)特點(diǎn)國內(nèi)尚未見報(bào)道。本文采用常規(guī)石蠟切片技術(shù), 系統(tǒng)地研究了海神草營養(yǎng)器官的組織學(xué), 并闡明其對海洋沉水生活的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)特征, 為海草的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和生理學(xué)等方面的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料于2009年8月采自海南省陵水黎安港海草特別保護(hù)區(qū)。

1.2 方法

挑選健康的海草植株用海水洗凈, 將其根、莖、葉切成長度約為0.5 cm的小段并分別放入廣口瓶中,倒入FAA(75%酒精90 mL+冰醋酸5 mL+甲醛5 mL)固定液, 然后用真空泵抽氣15～30 min至材料完全下沉到瓶底。更換FAA固定液后即可長期保存?zhèn)溆谩Ｊ炃衅襟E參照李和平的方法[10], 切片厚度6～10 μm, 番紅—固綠雙重染色法染色, 中性樹膠封片。Olympus BH-4型顯微鏡下觀察并拍照。觀察葉表皮細(xì)胞使用直接撕取法制備了臨時裝片同時對葉片進(jìn)行了凍干、噴金制備了電鏡樣品, 使用S-3000N掃描電鏡觀察、拍照。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 根

從根的根毛區(qū)作橫切面, 從外至內(nèi)可分為表皮、皮層和中柱三個部分(圖 1-1)。表皮是根最外面的一層細(xì)胞, 表皮細(xì)胞呈磚形, 在生長過程中表皮會逐步被破壞, 部分細(xì)胞已變形或脫落。皮層位于表皮之內(nèi)維管柱之外, 由多層薄壁細(xì)胞組成, 可分為外皮層、中皮層和內(nèi)皮層。皮層占根組織的相當(dāng)大部分,中柱與皮層的半徑之比約為1∶27, 外皮層是表皮之下的一到幾層細(xì)胞, 其第一層細(xì)胞的緊接表皮的那面細(xì)胞壁增厚, 表皮被破壞之后將形成保護(hù)組織代替表皮起保護(hù)作用。中皮層主要由薄壁細(xì)胞和通氣組織組成, 通氣組織非常發(fā)達(dá), 是由薄壁細(xì)胞收縮解體并由殘留的細(xì)胞壁形成的車輪樣輻射狀氣腔結(jié)構(gòu); 薄壁細(xì)胞胞間隙明顯(圖 1-2)。內(nèi)皮層是皮層最里面的一層細(xì)胞, 排列緊密而整齊, 具有凱氏帶且細(xì)胞壁六面加厚, 未發(fā)現(xiàn)通道細(xì)胞。中柱由中柱鞘、初生木質(zhì)部和初生韌皮部組成。中柱鞘緊接內(nèi)皮層,由一層薄壁細(xì)胞組成, 中柱中韌皮部較發(fā)達(dá), 木質(zhì)部退化, 只可見4個大型導(dǎo)管, 韌皮部與木質(zhì)部的導(dǎo)管相間排列(圖1-3)。

2.2 莖

莖由表皮、基本組織和維管組織三個部分構(gòu)成(圖 1-4)。表皮是位于莖最外面的一層細(xì)胞, 表皮細(xì)胞較小, 壁厚, 排列緊密無胞間隙, 表皮細(xì)胞外均勻覆蓋有角質(zhì)層, 沒有氣孔器分布。表皮以內(nèi), 除了維管束之外的所有區(qū)域皆為基本組織, 基本組織由薄壁細(xì)胞組成, 細(xì)胞較大, 近圓形, 胞間隙發(fā)達(dá), 隨莖的生長胞間隙逐漸裂生形成發(fā)達(dá)的通氣組織, 與根中通氣組織不同的是莖中的通氣組織是由許多薄壁細(xì)胞相互聯(lián)接而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。維管組織分布于基本組織中, 有1束中央維管束和數(shù)束外環(huán)維管束。中央維管束較外環(huán)維管束大, 位于莖的中央部分。而外環(huán)維管束呈環(huán)狀散布于基本組織外側(cè)(圖 1-5)。維管束為有限外韌維管束, 有氣隙分布(圖1-6)。

2.3 葉

葉片由表皮、葉肉和葉脈三部分構(gòu)成(圖 1-7)。葉片的上下表皮均由單層細(xì)胞構(gòu)成, 排列規(guī)則而緊密, 其外壁覆蓋一層連續(xù)的角質(zhì)層。表皮細(xì)胞富含葉綠體, 未見氣孔分布, 但葉片上下表皮均發(fā)現(xiàn)一特殊結(jié)構(gòu)被番紅染為紅色, 細(xì)胞壁較其他表皮細(xì)胞薄,無規(guī)則散布, 具有大液泡(圖 1-12), 因其結(jié)構(gòu)與禾本科植物葉表泡狀細(xì)胞相似, 故命名為類泡狀細(xì)胞。葉肉由薄壁細(xì)胞組成。細(xì)胞較大, 層次少, 沒有柵欄組織和海綿組織的分化, 僅含有少量葉綠體, 通氣組織非常發(fā)達(dá)(圖 1-8)。從葉片的橫切面觀察可發(fā)現(xiàn)在通氣組織中有一特殊結(jié)構(gòu), 該結(jié)構(gòu)由許多具有葉綠體的薄壁細(xì)胞組成, 胞間隙大(圖1-13)。而從葉片的縱切面觀察發(fā)現(xiàn)通氣組織并非直接縱貫于葉片中,而是由多個氣腔排列而成, 相鄰氣腔由這一特殊結(jié)構(gòu)連接而成的, 故將其命名為氣道橫隔(圖1-12)。葉脈由初生木質(zhì)部、初生韌皮部和維管束鞘組成。相鄰葉脈間有 2～4個氣道分布。葉脈內(nèi)的維管束為有限外韌維管束, 束中有氣隙分布(圖1-11)。在葉脈兩側(cè)及葉緣處都分布有厚壁細(xì)胞(圖1-9)。

通過觀察葉表水裝片, 發(fā)現(xiàn)葉表皮細(xì)胞排列十分規(guī)則, 細(xì)胞邊界明顯, 無氣孔分布, 有類泡狀細(xì)胞分布(圖1-13)。通過掃描電鏡, 也觀測到同樣結(jié)構(gòu)(圖1-14)。

3 討論

關(guān)于海草的起源有兩種不同的觀點(diǎn), 其中以Arber為代表的學(xué)者認(rèn)為海草由很早以前適應(yīng)水生生活的祖先演化而來, 從淡水環(huán)境逐步過渡到咸淡水環(huán)境, 最后適應(yīng)海洋環(huán)境。以den Hartog[3]為代表的學(xué)者認(rèn)為海草是由第三紀(jì)中新世(大約 2400萬年前)的耐鹽性陸生植物演化而來, 這種觀點(diǎn)主要源于化石資料的記載。現(xiàn)在仍以第一種觀點(diǎn)占主導(dǎo)。相對于陸生單子葉植物而言, 海草營養(yǎng)器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很多特化, 如具有發(fā)達(dá)的通氣組織; 機(jī)械組織不發(fā)達(dá); 葉表皮細(xì)胞富含葉綠體; 葉表無氣孔器分布等等; Arber等[2]認(rèn)為這些變化也出現(xiàn)在淡水生植物中, 通常被認(rèn)為是適應(yīng)水生環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征。

從海神草營養(yǎng)器官的顯微結(jié)構(gòu)可看出通氣組織是貫穿整個植株的一種結(jié)構(gòu)(圖1-2, 圖1-5, 圖1-8),從而使氣體可以在植株的內(nèi)部流通。通氣組織是植物薄壁組織內(nèi)的一些氣道或空腔的集合。通氣組織通常有溶生性和裂生性兩類[12]。在海神草的營養(yǎng)器官中同時出現(xiàn)了這兩類通氣組織, 根的通氣組織屬于溶生性, 而莖和葉的通氣組織則屬于裂生性。這是否與海草的科屬的特異性有關(guān), 有待進(jìn)一步研究。

從葉片的顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)氣道并非直接縱貫整個葉片, 而是由多個氣腔通過一特殊結(jié)構(gòu)連接而成, 這一特殊結(jié)構(gòu)本文命名為氣道橫隔(圖 1-12, 圖1-13), 該結(jié)構(gòu)未見報(bào)道。氣道橫隔位于氣腔與氣腔的連接處, 組成橫隔的細(xì)胞個體很小, 細(xì)胞間隙很大, 可以在支撐氣道的同時便于氣腔間氣體的流通。在氣道橫隔細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)有少量葉綠體存在, 故該結(jié)構(gòu)也可進(jìn)行光合作用。

圖1 海神草營養(yǎng)器官的組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Histological structure of Cymodocea rotundata vegetative organs

陸生單子葉植物的葉綠體主要存在于葉肉細(xì)胞中, 表皮細(xì)胞一般不含葉綠體, 葉肉細(xì)胞是光合作用的主要場所。而海神草的表皮細(xì)胞幾乎完全被葉綠體充滿(圖1-14), 葉肉細(xì)胞中僅有零星葉綠體分布,因此, 表皮細(xì)胞是海神草光合作用的主要場所。這是海神草對海水中低光照強(qiáng)度的適應(yīng)性特征。

海神草的葉表皮上無氣孔分布。葉春江等人認(rèn)為, 這一方面說明海草對海水中的O2和CO2的需求較少; 另一方面說明, 氣體交換的功能主要是由通氣組織或其他途徑實(shí)現(xiàn)的[13]。光合作用產(chǎn)生的O2會在葉片的氣道里富集, 而根、莖部呼吸作用產(chǎn)生的CO2會在根、莖處的氣道里積累, 遍布植株的氣道使得海草僅通過無需能量消耗的自由擴(kuò)散即可在葉片與根、莖間進(jìn)行O2與CO2的互補(bǔ)。海神草的這種結(jié)構(gòu)使其對海水中的氧氣和無機(jī)碳源的依賴性降低,是其對海洋沉水生活的適應(yīng)。

僅僅利用自身呼吸作用產(chǎn)生的 CO2作為無機(jī)碳源顯然是不夠的, 海水中的無機(jī)碳有三種存在形式,即自由CO2、離子態(tài)的重碳酸鹽(HCO3–)以及碳酸鹽(CO32–), 在PH為8.2水溫15℃條件下, 海水中HCO3–濃度分別是 CO2和 CO32–濃度的 150倍和 6倍[14],Sven Beer等人的研究證實(shí)了海神草屬的Cymodocea nodosa、喜鹽藻屬的Halophila ovalis以及大葉藻屬的Zostera marina可以利用海水中的 HCO3–作為無機(jī)碳源[14-15]。研究發(fā)現(xiàn)海草可利用碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)將HCO3–催化為CO2擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),CA主要存在于細(xì)胞膜附近, 細(xì)胞外也有分布, 胞外的 CA 加速了 HCO3–向 CO2的轉(zhuǎn)化, 可使海草在低CO2條件下得到充足的無機(jī)碳源[16]。

海神草葉的表皮細(xì)胞外壁覆蓋一層連續(xù)的角質(zhì)層, 導(dǎo)致其高度的不通透, 對營養(yǎng)元素的吸收必然局限于某些特定位點(diǎn)。葉春江等人對大葉藻的研究認(rèn)為葉片是海草重要的營養(yǎng)吸收部位。但葉表皮細(xì)胞與海水接觸面的細(xì)胞壁非常厚而且質(zhì)地致密, 具有高度不通透性。由于這一結(jié)構(gòu)的不通透性, 在葉表的特定位點(diǎn)上進(jìn)行物質(zhì)交換, 有利于對物質(zhì)的選擇性吸收[13]。在海神草葉的顯微結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)葉表有一特殊結(jié)構(gòu)——類泡狀細(xì)胞, 細(xì)胞壁較表皮細(xì)胞壁薄,具有大液泡(圖1-10, 圖1-14, 圖1-15)。作者認(rèn)為類泡狀細(xì)胞正是這一可進(jìn)行物資交換的特定位點(diǎn)。

海神草的葉呈帶形, 在葉脈兩側(cè)及葉緣處均分布有少量的厚壁細(xì)胞(圖 1-9), 這些厚壁細(xì)胞共同構(gòu)成整個葉片的機(jī)械組織。機(jī)械組織不發(fā)達(dá), 葉片仍較為柔軟, 但機(jī)械組織能夠維持葉片形狀, 同時使葉片具有較好的韌性。因此, 葉片可隨著海流擺動, 是其對海洋環(huán)境的適應(yīng)。

海神草根的內(nèi)皮層中具有凱氏帶且細(xì)胞壁六面加厚, 未發(fā)現(xiàn)通道細(xì)胞(圖 1-3), 表明海神草的根對溶質(zhì)的篩選更為嚴(yán)格。大多數(shù)的單子葉植物和部分雙子葉植物, 其內(nèi)皮層細(xì)胞壁在發(fā)育的早期為凱氏帶形式, 之后進(jìn)一步發(fā)育形成五面加厚的細(xì)胞, 僅外切向壁仍保持薄壁狀態(tài), 并留有通道細(xì)胞, 以此控制物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn), 個別植物有六面加厚的情況。對于內(nèi)皮層既有凱氏帶且細(xì)胞壁六面加厚, 又沒有通道細(xì)胞的現(xiàn)象未見報(bào)道, 該種結(jié)構(gòu)的內(nèi)皮層如何控制水分和溶質(zhì)進(jìn)入中柱, 有待進(jìn)一步研究。

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