野菊和神農(nóng)香菊毛狀體及葉片表面分泌物的比較

劉穎竹，焦宏彬，楊 雪，王 歡，劉 洋，張彥妮，何 淼

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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野菊和神農(nóng)香菊毛狀體及葉片表面分泌物的比較

劉穎竹，焦宏彬，楊 雪，王 歡，劉 洋，張彥妮，何 淼

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要：本研究以野菊(Dendranthema indicum)和神農(nóng)香菊(D. indicum var. aromaticum)為研究對(duì)象，對(duì)比分析了其葉片的表皮毛形態(tài)、密度以及葉片表面分泌物種類(lèi)和含量。結(jié)果表明，其葉片表皮毛主要有兩種類(lèi)型，一類(lèi)是沒(méi)有分泌功能的T-形非腺毛，一類(lèi)是具有分泌功能的頭狀腺毛。T-形非腺毛在上下表皮的密度差異不大，而頭狀腺毛差異較大，主要集中在葉片的下表皮。兩種植物材料葉片表面分泌物里共分析出73種化合物，其中大部分為萜類(lèi)及其衍生物，共有的化合物有18種；野菊和神農(nóng)香菊中分別分析出48、43種化合物，分別占分泌物總相對(duì)含量的90.96%和84.33%。

關(guān)鍵詞：頭狀腺毛；T-形非腺毛；腺毛密度；葉片表面分泌物

神農(nóng)香菊(Dendranthemaindicumvar.aromaticum)是由劉啟宏和張樹(shù)藩[1]在湖北神農(nóng)架發(fā)現(xiàn)并命名的菊科菊屬多年生草本植物，是一種環(huán)境適應(yīng)能力極強(qiáng)的野生草本植物，花、葉、根都具有濃郁的香氣。對(duì)神農(nóng)香菊和野菊(D.indicum)進(jìn)行核型分析發(fā)現(xiàn)，二者之間的染色體數(shù)目及核型十分相似[1]，故初步認(rèn)定神農(nóng)香菊為野菊變種。毛狀體是大多數(shù)植物地上部分表皮組織所特有的結(jié)構(gòu)，根據(jù)分泌功能分為腺毛(Glandular Trichome)和非腺毛(Non-glandular Trichome)兩類(lèi)[2]。葉片表面分泌物的種類(lèi)和與腺毛的類(lèi)型、密度和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，毛狀體生命周期也不同，有些部位的毛狀體存在一定時(shí)間后即自行死亡脫落，而有些部位卻能伴隨植物整個(gè)生命周期[3]。毛狀體的主要作用是減少?gòu)?qiáng)光輻射、抵御病原菌入侵和機(jī)械阻隔昆蟲(chóng)在植物表面的運(yùn)動(dòng)，分泌粘液或毒素抵御害蟲(chóng)[4]。

次生代謝的產(chǎn)物在植物提高自身保護(hù)和生存競(jìng)爭(zhēng)能力、協(xié)調(diào)與環(huán)境關(guān)系上充當(dāng)著重要角色[5]，比如多酚、多糖、萜類(lèi)、黃酮、生物堿等[6-8]。植物腺毛分泌物大多為揮發(fā)油，而萜類(lèi)化合物是構(gòu)成揮發(fā)油的主要物質(zhì)之一。菊屬腺毛及其分泌物組分的含量受遺傳因素、發(fā)育階段、環(huán)境和栽培條件的影響[9]。同時(shí)，腺毛及其分泌物與芳香物質(zhì)的合成及抗蟲(chóng)抗病性存在密切關(guān)系[10-11]。因此,研究不同時(shí)期和葉位的腺毛密度及其分泌物含量對(duì)芳香物質(zhì)合成和抗性的影響有重要指導(dǎo)意義。很多菊科植物的表面都有T-形非腺毛的分布[12]，在菊蒿(Tanacetumvulgare)、小白菊(Chrysanthemumparthenium)和土木香(Inulahelenium)等菊科植物的花器官表面也發(fā)現(xiàn)有頭狀腺毛的分布[13]。在紫花野菊(D.zawadskii)的葉表面同時(shí)發(fā)現(xiàn)了隨機(jī)分布的T-形非腺毛和多細(xì)胞腺毛兩類(lèi)毛狀體[14]。在神農(nóng)香菊的揮發(fā)油成分中鑒定出44種化合物，主要為萜類(lèi)中的單萜和倍半萜及其含氧衍生物[15]。萜烯類(lèi)化合物含量占總揮發(fā)物成分的80%以上，其中側(cè)柏酮含量最高，花、莖、葉香氣組成相似，但各成分含量有所差異[16]。本研究對(duì)神農(nóng)香菊和野菊進(jìn)行對(duì)比，分析二者腺毛密度變化和分泌物含量之間的相關(guān)性，以期為神農(nóng)香菊的分泌物合成研究提供一定的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究所用神農(nóng)香菊和野菊分別引自湖北神農(nóng)架地區(qū)(110°23′57″ E，31°28′07″ N) 和遼寧省本溪市(121°21′25″ E，41°22′48″ N)，在2014年10月中旬用腳芽繁殖，栽培于東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院苗圃。

1.2試驗(yàn)方法

取5盆長(zhǎng)勢(shì)一致、無(wú)病蟲(chóng)害的30 d齡植株；用刀片分別切取每個(gè)植株15、45和90 d葉齡的葉子，用徠卡DM2500熒光顯微鏡進(jìn)行觀察，拍照；觀察時(shí)按照每個(gè)葉片的葉基、葉中、葉尖各取4個(gè)視野，每個(gè)視野約1.84 mm2,5盆植株一共20個(gè)視野,然后進(jìn)行腺毛密度統(tǒng)計(jì)分析。

葉片表面分泌物提取[17]：分別選取45 d葉齡的神農(nóng)香菊、野菊葉片各10 g，先后在裝有二氯甲烷的3個(gè)培養(yǎng)皿中浸提，在第1個(gè)培養(yǎng)皿中浸提3次，每次浸提2 s，二氯甲烷稍揮發(fā)，在第2、3個(gè)培養(yǎng)皿中重復(fù)以上步驟。將浸提液濾至圓底燒瓶，過(guò)濾的濾紙中加入20 g無(wú)水硫酸鈉，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40 ℃的情況下濃縮，定容至2 mL，移入琥珀色瓶中置于0 ℃暗處備用。用美國(guó)Agilent 7890A-5975C GC/MS氣質(zhì)聯(lián)用儀對(duì)腺毛分泌物進(jìn)行分析檢測(cè)：

1)色譜條件 GC條件：色譜柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細(xì)管柱，進(jìn)樣量1 μl，分流比5∶1，50 ℃保持30 min，升溫速度5 ℃·min-1，升到160 ℃，再以10 ℃·min-1升溫至270 ℃，溶劑延遲3.5 min。MS條件：電離方式：EI模式，四極桿溫度150 ℃，離子源溫度230 ℃，接口溫度280 ℃，電離能量為70 eV，電子倍增器電壓2 100 V，掃描范圍4-500 u，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)NIST08L。

2)物質(zhì)分析鑒定：根據(jù)檢測(cè)得出的CAS號(hào)進(jìn)行物質(zhì)成分鑒定，得到相關(guān)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0和Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,利用Excel 2007進(jìn)行作圖。

2結(jié)果與分析

2.1毛狀體形態(tài)結(jié)構(gòu)、類(lèi)型及分布

掃描電鏡下觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，野菊和神農(nóng)香菊葉片表皮毛狀體主要有兩種形態(tài)(圖1)：一種是由3～5個(gè)柄細(xì)胞連接支持的有開(kāi)口的管形剛毛，其管形細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，形成兩支臂，兩臂伸展方向、角度不同，兩臂大部分等長(zhǎng)，偶有不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，形似“T”字形，被稱(chēng)之為“T-形非腺毛”；另一種是由3～8個(gè)細(xì)胞組成的具有分泌功能的頭狀腺毛。野菊T-形非腺毛兩臂近于平展，神農(nóng)香菊兩臂角度較小，并且葉片上表皮頭狀腺毛數(shù)量很少，下表皮同時(shí)有頭狀腺毛和T-形腺毛的分布。

圖1　掃描電鏡下野菊、神農(nóng)香菊葉表毛狀體形態(tài)與分布

注：A，野菊葉上表皮；B，野菊葉下表皮；C，神農(nóng)香菊上表皮；D，神農(nóng)香菊下表皮。

Note: A-leaf epidermis ofD.indicum; B, under surface ofD.indicumleaf; C, leaf epidermis ofD.indicumvar.aromaticum; D, under surface ofD.indicumvar.aromaticumleaf.

2.2野菊和神農(nóng)香菊毛狀體的密度

2.2.1T-形非腺毛的密度在紫外熒光下觀察發(fā)現(xiàn)，兩種植物材料表皮毛密度表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律，野菊和神農(nóng)香菊各個(gè)葉齡葉片的上、下表皮均有T-形非腺毛，且密度均隨葉齡的增加顯著減小(P<0.05)，上表皮密度變化幅度為神農(nóng)香菊>野菊，下表皮密度變化為野菊>神農(nóng)香菊。15 d葉齡神農(nóng)香菊下表皮腺毛密度明顯小于上表皮，野菊上下表皮密度差異不大(表1)。

各葉齡野菊、神農(nóng)香菊T-形非腺毛密度分布規(guī)律(表1)表現(xiàn)為，15和45 d葉齡野菊葉基上表皮T-形非腺毛密度顯著小于葉尖和葉中(P<0.05)，而15 d葉齡神農(nóng)香菊葉中腺毛密度相較于葉尖和葉中最小，45 d葉齡的神農(nóng)香菊上表皮各部位之間差異顯著，下表皮葉尖顯著大于葉中、葉基。90 d葉齡的野菊上表皮葉尖顯著小于葉中和葉基，神農(nóng)香菊上表皮葉基顯著小于葉尖和葉中；野菊下表皮葉基顯著大于葉尖和葉中，神農(nóng)香菊下表皮葉中和葉基顯著大于葉尖。

2.2.2頭狀腺毛密度野菊、神農(nóng)香菊頭狀腺毛主要集中在下表皮，野菊上表皮數(shù)量不超過(guò)1個(gè)·mm-2，下表皮至少為4.88個(gè)·mm-2，神農(nóng)香菊上表皮腺毛最多為3.27個(gè)·mm-2，下表皮最多可達(dá)8.61個(gè)·mm-2。野菊頭狀腺毛的密度隨葉齡變化規(guī)律不明顯；而神農(nóng)香菊的上表皮頭狀腺毛數(shù)量隨葉齡的增加而增加，下表皮呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，但增加數(shù)量明顯大于上表皮。15 d葉齡的野菊和神農(nóng)香菊葉尖、葉中、葉基上表皮頭狀腺毛密度均基本為0，而下表皮野菊明顯大于神農(nóng)香菊；45和90 d葉齡的神農(nóng)香菊上表皮腺毛明顯多于野菊，說(shuō)明神農(nóng)香菊腺毛增加速度更快。

表1　野菊、神農(nóng)香菊葉片T-形非腺毛密度(個(gè)·mm-2)

注：同行不同小寫(xiě)字母表示同物種不同葉位間差異顯著(P<0.05)；同列不同大寫(xiě)字母表示同一物種不同葉齡間差異顯著(P<0.05)，表2同。

Note: Different lower case letters within the same raw for the same species show significant difference among different leaf locations at 0.05 level; different capital letters within the same column for the same species show significant difference among different leaf ages at 0.05 level. The same in Table 2.

表2　野菊、神農(nóng)香菊頭狀腺毛密度

2.2.3葉片毛狀體密度野菊和神農(nóng)香菊頭狀腺毛密度顯著少于T-形非腺毛(P<0.05)，最大時(shí)僅為4.57 個(gè)·mm-2，而T-形非腺毛最大可達(dá)33.42 個(gè)·mm-2，其中神農(nóng)香菊15 d葉齡時(shí)T-形非腺毛與頭狀腺毛的比值高達(dá)27.39，T-形非腺毛占腺毛總量的96.5%。野菊與神農(nóng)香菊的葉表T-形非腺毛密度隨葉齡變化差異顯著，均隨葉齡的增加而顯著下降，上、下表皮規(guī)律相同(表3)。

2.2.4野菊、神農(nóng)香菊葉片表面分泌物從野菊、神農(nóng)香菊葉片表面分泌物中共分析出73種化合物，其中大部分為萜烯類(lèi)及其衍生物，另外還有一些脂肪族和少量芳香族化合物，化學(xué)成分差異較大，其中共有的化合物有18種(表4)，主要有吉馬烯、Naphthalene,1,2,4a,5,6,8a-hexahydro-4,7-dimethyl-1-(1-methylethyl)-、Azulene,1,2,3,4,5,6,7,8-octahydro-1,4-dimethyl-7-(1-methylethylidene)-,(1S-cis)-、δ-杜松烯、白菖烯等，其中單萜及其衍生物的含量要高于其它幾種類(lèi)型的化合物。

含量大于3%的葉片表面分泌物共18種，其中獨(dú)有且含量較高(>3%)的化合物野菊中有5種，神農(nóng)香菊中有6種。本研究從野菊中共分析出48種化合物，占葉片表面分泌物總相對(duì)含量的90.96%，其中含量最高的物質(zhì)是α,β-側(cè)柏酮(9.63%)；從神農(nóng)香菊中分析出43種化合物，占葉片表面分泌物總相對(duì)含量的84.33%，其中含量最高的物質(zhì)是桉葉油醇(10.99%)。

3討論與結(jié)論

菊花腺毛與植物本身抗性密切相關(guān)，而且腺毛的密度和分布主要取決于植物生境，神農(nóng)香菊主要分布于湖北神農(nóng)架地區(qū)，是野菊的一種，所以腺毛密度與野菊相似，腺毛主要削弱和反射強(qiáng)烈光線、防止植物體溫過(guò)分升高，同時(shí)能夠防止水分的過(guò)度蒸發(fā)，起到減少水分蒸騰的作用；具有分泌功能的頭狀腺毛能分泌粘液、揮發(fā)油和其它物質(zhì)，可防御蟲(chóng)害對(duì)其的侵襲[18]。

本研究對(duì)比了神農(nóng)香菊和野菊葉表腺毛的形態(tài)、分布和密度，驗(yàn)證了植物表皮毛分為T(mén)-形非腺毛和頭狀腺毛。試驗(yàn)所用不同葉齡葉片T-形非腺毛密度會(huì)隨著葉齡的增加而顯著減少，頭狀腺毛下表皮密度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，神農(nóng)香菊下表皮頭狀腺毛反而呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，說(shuō)明神農(nóng)香菊幼葉期分泌功能很弱甚至沒(méi)有，直至一定成熟期才具備分泌功能，這可能使其具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。腺毛密度大小與葉片表面分泌物的量呈正相關(guān)。對(duì)煙草(Nicotianatabacum)的研究表明，煙葉腺毛密度大，葉片表面分泌物的量也大，芳香油的含量就多，致香物質(zhì)就較為豐富[19]。不同葉位的煙葉具有不同的香氣品質(zhì)特征，一般上部煙葉油分充足[20]。本研究發(fā)現(xiàn),野菊的葉片表面分泌物中α,β-側(cè)柏酮含量最高，并且通過(guò)腺毛散發(fā)到空氣中，這與神農(nóng)香菊自然香氣的主要成分測(cè)定結(jié)果[16]相符，但本研究中神農(nóng)香菊未鑒定出α,β-側(cè)柏酮，此種差別可能與測(cè)定方法或分泌物合成酶基因的特異性表達(dá)有關(guān)。

表3　野菊、神農(nóng)香菊葉片表皮腺毛密度和組成比例

注：同行不同小寫(xiě)字母表示同一物種不同腺毛類(lèi)型間差異顯著(P<0.05)；同列不同大寫(xiě)字母表示同一物種不同葉齡間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters in the same raw for the same species show significant difference among different glandular hair type at 0.05 level;Different capital letters in the same column for the same species show significant difference among different leaf age at 0.05 level.

表4　野菊和神農(nóng)香菊葉片葉片表面分泌物化學(xué)成分及相對(duì)含量

此外，野菊和神農(nóng)香菊的葉片表面分泌物差異很大，共有的化合物僅有18種，植物分泌物合成受腺毛形態(tài)、結(jié)構(gòu)和密度以及環(huán)境等多種因素綜合影響，故菊屬的分泌物合成機(jī)理尚有待進(jìn)一步查明，下一步研究工作可從遺傳學(xué)和生理學(xué)多個(gè)角度進(jìn)行探究。菊屬植物分泌物合成機(jī)制的研究，將為多年生草本植物的開(kāi)發(fā)利用提供理論指導(dǎo)。

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Comparison of trichomes and their secretion fromDendranthemaindicumandD.indicumvar.aromaticum

Liu Ying-zhu, Jiao Hong-bin, Yang Xue, Wang Huan, Liu Yang, Zhang Yan-ni, He Miao

(The College of Landscape, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:Morphological structure and trichome density of leaves at different age and position in Dendranthema indicum and D. indicum var. aromaticum, were compared by analyzing the type and content of the excretion through GC-MS. The results showed that there were two types of glandular trichomes. One was T-shaped non-glandular hairs without the secretion function, and the other was capitate trichomes with the secretion function. There were little difference between upper and lower epidermis on the density of T-shaped non-glandular hairs, while the capitate trichomes were mainly concentrated in the lower epidermis. There were 73 compounds found in the leaf secretion of the two plants, which included mostly terpenoids and their derivatives, and 18 compounds were shared by the two plants. There were 48 and 43 compounds identified from D. indicum and D. indicum var. aromaticum, respectively, and these compounds constituted 90.96% and 84.33% respectively of the total content of leaves surface exudates.

Key words:capitate glandular trichomes; T-shaped non-glandular; trichome density; leaf surface exudates

Corresponding author:He MiaoE-mail:hemiao_xu@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：S682.1+1;Q944.56

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)4-0615-07*

通信作者：何淼(1975-)，女(滿族)，遼寧本溪人，副教授，博士，主要從事園林植物的栽培和抗性育種等方面的研究工作。E-mail：hemiao_xu@126.com

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(C2015058)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAJ12B02)

收稿日期：2015-08-06接受日期：2015-11-03

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0442

劉穎竹，焦宏彬，楊雪，王歡，劉洋，張彥妮，何淼.野菊和神農(nóng)香菊毛狀體及葉片表面分泌物的比較.草業(yè)科學(xué),2016,33(4)：615-621.

Liu Y Z,Jiao H B,Yang X,Wang H,Liu Y,Zhang Y N,He M.Comparison of trichomes and their secretion fromDendranthemaindicumandD.indicumvar.aromaticum.Pratacultural Science，2016,33(4)：615-621.

第一作者：劉穎竹(1990-)，女(滿族)，河北秦皇島人，在讀碩士生，主要從事園林植物種質(zhì)資源方面的研究工作。E-mail：814885043@qq.com