紫花曼陀羅幼苗中紫色異細(xì)胞分布特征及其形態(tài)建成影響條件的初步研究

李 娜 慕小倩 雷 瓊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，楊凌 712100)

紫花曼陀羅(Daturastramoniumvar.tatulaTorrey)是茄科有毒植物曼陀羅(DaturastranmoniumL.)的變種[1]，其葉、花、種子均可入藥，能祛風(fēng)濕，止咳定痛，葉和種子常作為麻醉性鎮(zhèn)咳、鎮(zhèn)痛劑[2]。該變種除了揮發(fā)油、生物堿、葉綠素、類黃酮及總酚等含量均高于原種曼陀羅外，其殺蟲活性和毒性也較大[3～4]。研究發(fā)現(xiàn)，紫花曼陀羅除了植株外觀和花色偏紫色，其對(duì)光照和溫度變化具有較強(qiáng)的生理代謝適應(yīng)性[5]，且我們項(xiàng)目組的調(diào)查發(fā)現(xiàn)該變種在我國的分布數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于原種曼陀羅。我們對(duì)紫花曼陀羅的初步解剖學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)其莖部皮層中分布著一層原種曼陀羅莖中并不存在的呈紫色的異細(xì)胞[6]，但關(guān)于這類紫色異細(xì)胞的形態(tài)特征以及生物學(xué)功能等均未知。為了明確該異細(xì)胞在紫花曼陀羅中的分布及其存在與紫花曼陀羅較好的適應(yīng)環(huán)境特性的相關(guān)性，本研究對(duì)紫花曼陀羅幼苗中紫色異細(xì)胞的形態(tài)分布特征及不同光照和溫度下培養(yǎng)的紫花曼陀羅幼苗莖中該細(xì)胞的形態(tài)特征進(jìn)行了比較研究，旨在明確光照和溫度對(duì)紫色異細(xì)胞形態(tài)建成的影響，并為進(jìn)一步探討紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞存在的生物學(xué)意義提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試幼苗的培養(yǎng)

供試紫花曼陀羅種子于2016年11月收集于西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)周圍農(nóng)田野生紫花曼陀羅植株。種子在10%(g/v)NaOH溶液室溫下浸泡90 min后，用鑷子剝?nèi)シN皮，再用200 mg·L-1的GA3溶液浸泡24 h，蒸餾水沖洗后置于培養(yǎng)皿中于25℃培養(yǎng)箱中催芽，待出芽率約達(dá)50%時(shí)挑選出芽長度2 cm左右的種子苗移栽至口徑10 cm的花盆(營養(yǎng)土)中，在恒溫24℃，光照3 000 lx(L∶D=12 h∶12 h)培養(yǎng)間培養(yǎng)至其長出子葉，再移至口徑15 cm花盆中(普通土)培養(yǎng)3 d后進(jìn)行不同光照和不同溫度處理。

1.2 不同光照下幼苗的處理

將待處理幼苗將分批在BSG-300光照培養(yǎng)箱(其他條件設(shè)置與培養(yǎng)間相同)進(jìn)行強(qiáng)光(30 000 lx)和弱光(0 lx)處理，不同光照強(qiáng)度下每天處理3 h，重復(fù)10次，時(shí)長各累計(jì)30 h。

1.3 不同溫度下幼苗的處理

處理方式及時(shí)長同1.2，處理?xiàng)l件：高溫(42℃)、低溫(10℃)，光照條件同培養(yǎng)間。

1.4 制片觀察與統(tǒng)計(jì)

1.4.1 紫色異細(xì)胞分布的觀察

用徒手切片方法[7]分別對(duì)培養(yǎng)間對(duì)照及所有處理組的紫花曼陀羅幼苗根、莖、葉(子葉和真葉的葉片、葉柄、葉脈)進(jìn)行橫切面解剖觀察，用OLYMPUS-BX53數(shù)碼顯微鏡觀察并拍照。

1.4.2 紫色異細(xì)胞面積、長度、數(shù)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

取幼苗期紫花曼陀羅莖部顏色較深部分1～2 cm長度，徒手切片法制作其橫切切片，觀察紫色異細(xì)胞橫切特征，由于紫色異細(xì)胞在莖中僅分布在表皮下層，故采用莖局部弦切觀察該細(xì)胞縱切特征；OLYMPUS-BX53數(shù)碼顯微鏡觀察并拍照。每個(gè)處理選取5個(gè)植株，每個(gè)植株制作若干切片，從中隨機(jī)選取3個(gè)切片，每切片隨機(jī)選取10個(gè)輪廓清晰的紫色異細(xì)胞，在10倍物鏡下利用OLYMPUS cellSens Entry軟件中測量工具分別對(duì)紫色異細(xì)胞橫切面積和縱切長度進(jìn)行測量。數(shù)量統(tǒng)計(jì)則是對(duì)橫切面所有紫色異細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個(gè)處理下選取10個(gè)植株，每個(gè)植株統(tǒng)計(jì)10個(gè)切片。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SE)，并用Duncan法進(jìn)行差異顯著性比較(α=0.05)，Excel2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫色異細(xì)胞形態(tài)與分布特征

根部橫切面(圖1:A)中未觀察到紫色異細(xì)胞存在。

莖橫切面(圖1:B)可看到緊靠表皮的皮層組織中分布有呈半透明紫色的異細(xì)胞(圖1:B，箭頭所指)，其橫切面橢圓狀近乎連續(xù)分布，但偶爾有白色透明的皮層細(xì)胞相間分布。從含紫色異細(xì)胞的外皮層縱切面(圖1:C)中觀察到，該細(xì)胞呈長條狀，其與鄰近的皮層細(xì)胞除顏色外，其它形態(tài)相似。

葉片中紫色異細(xì)胞的分布為：在子葉和真葉葉片中分布在下表皮(圖1:D,E)；而在子葉和真葉的葉柄、葉脈中，該異細(xì)胞分布在緊靠表皮的皮層組織中(圖1:F～I(xiàn))，類似莖中。

圖1 紫色異細(xì)胞的形態(tài)特征和分布特征 A.紫花曼陀羅根部橫切，示根部沒有紫色異細(xì)胞；B.紫花曼陀羅莖部橫切；C.紫花曼陀羅莖部紫色異細(xì)胞縱切；D.紫花曼陀羅子葉葉片橫切；E.紫花曼陀羅真葉葉片橫切；F.紫花曼陀羅子葉葉柄橫切；G.紫花曼陀羅真葉葉柄橫切；H.紫花曼陀羅子葉葉脈橫切；I.紫花曼陀羅真葉葉脈橫切Fig.1 Morphological characteristics and distribution characteristics of purple idioblasts A.Cross section of root, show no purple idioblast appears; B.Cross section of stem; C.Longitudinal section of purple idiolast; D.Cross section of cothledons blade; E.Cross section of true leaf blade; F.Cross section of cothledons petiole; G.Cross section of true leaf petiole; H.Cross section of cothledons cotyledon vein; I.Cross section of true leaf vein

圖2 光照對(duì)紫色異細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 A.強(qiáng)光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；B.對(duì)照組紫花曼陀羅莖部橫切；C.弱光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；D.強(qiáng)光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；E.對(duì)照組紫花曼陀羅莖部橫切；F.弱光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；G.強(qiáng)光處理下紫色異細(xì)胞縱切；H.對(duì)照組紫色異細(xì)胞縱切；I.弱光處理下紫色異細(xì)胞縱切Fig.2 Effect of different light intensity on Morphological structure of purple idioblast A.Cross section of stem under high light intensity; B.Cross section of stem under control group; C.Cross section of stem under low light intensity; D.Cross section of stem under high light intensity; E.Cross section of stem under control group; F.Cross section of stem under low light intensity; G.Longitudinal section of purple idioblast under high light intensity; H.Longitudinal section of purple idioblast under control group; I.Longitudinal section of purple idioblast under low light intensity

總結(jié)以上結(jié)果可知：紫色異細(xì)胞僅在地上部分的營養(yǎng)器官中分布，且分布部位除葉中為表皮外，其他部位均分布在靠近表皮下的第一層皮層組織中。

2.2 不同光照強(qiáng)度對(duì)紫色異細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

不同光照強(qiáng)度處理下紫花曼陀羅莖部紫色異細(xì)胞解剖特征如圖2所示。從圖2紫色異細(xì)胞橫切結(jié)構(gòu)(A-F)中可以觀察到該異細(xì)胞連續(xù)或與皮層細(xì)胞相間排列在緊靠表皮下層，總體與上述莖中分布特征類似。不同光照下紫色異細(xì)胞顏色差異明顯：與對(duì)照組(圖2:B,E,H)相比，強(qiáng)光下紫色異細(xì)胞(圖2:A,D,G)顏色較深，細(xì)胞間隙較小，透明度減小，而弱光下(圖2:C,F,I)紫色異細(xì)胞顏色較淺，細(xì)胞間隙較大，細(xì)胞透明度增加。

2.3 不同光照強(qiáng)度對(duì)紫色異細(xì)胞面積、長度和數(shù)量的影響

不同光照強(qiáng)度對(duì)紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞橫切面積、縱切長度以及數(shù)量的影響如圖3所示，可見與對(duì)照組(正常條件)相比，強(qiáng)光和弱光對(duì)紫色異細(xì)胞橫切面積和縱切長度影響結(jié)果相反，即強(qiáng)光使得二者增加，弱光則使得二者減小。相比于弱光(0 lx)和對(duì)照組(3 000 lx)，強(qiáng)光(30 000 lx)處理下，紫色異細(xì)胞橫切面積和縱切長度均顯著增加(P<0.05)，而光照強(qiáng)度從0 lx增強(qiáng)到3 000 lx，紫色異細(xì)胞的面積和長度同樣顯著增加(P<0.05)。與對(duì)照組相比，強(qiáng)光和弱光下紫色異細(xì)胞數(shù)量變化趨勢相同，即二者均使得紫色異細(xì)胞數(shù)量增加。而相比于弱光和對(duì)照組，強(qiáng)光處理下，紫色異細(xì)胞數(shù)量顯著增加(P<0.05)，且光照強(qiáng)度從0 lx變?yōu)? 000 lx，紫色異細(xì)胞的數(shù)量顯著增加(P<0.05)。

2.4 不同溫度對(duì)紫色異細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

不同溫度處理下紫花曼陀羅莖部紫色異細(xì)胞解剖結(jié)構(gòu)特征如圖4所示，從圖4可看出其具體表現(xiàn)為：與對(duì)照組(圖4:B,E,H)相比，高溫下紫色異細(xì)胞(圖4:A,D,G)顏色變深，細(xì)胞間隙變小，透明度減小，而低溫下紫色異細(xì)胞(圖4:C,F,I)顏色較淺，細(xì)胞間隙較大，細(xì)胞透明度增加。

圖3 不同光照對(duì)紫色異細(xì)胞面積(A)、長度(B)以及數(shù)量(C)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差) 圖中小寫字母代表不同處理間差異顯著性(P<0.05)，下向。Fig.3 Effect of different light intensity on area(A),length(B) and quantity(C) of purple idioblast(mean±SE) Different small letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level,the same as below.

圖4 不同溫度對(duì)紫色異細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 A.高溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；B.對(duì)照組紫花曼陀羅莖部橫切；C.低溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；D.高溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；E.對(duì)照組紫花曼陀羅莖部橫切；F.低溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；G.高溫處理下紫色異細(xì)胞縱切；H.對(duì)照組紫色異細(xì)胞縱切；I.低溫處理下紫色異細(xì)胞縱切Fig.4 Effect of different light intensity on Morphological structure of purple idioblast A.Cross section of stem under high temperature; B.Cross section of stem under control group; C.Cross section of stem under low temperature; D.Cross section of stem under high temperature; E.Cross section of stem under control group; F.Cross section of stem under low temperature; G.Longitudinal section of stem under high temperature; H.Longitudinal section of stem under control group; I.Longitudinal section of stem under low temperature

圖5 不同溫度對(duì)紫色異細(xì)胞面積(A)、長度(B)以及數(shù)量(C)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.5 Effect of different light intensity on area(A),length(B) and quantity(C) of purple idioblast(mean±SE)

2.5 不同溫度對(duì)紫色異細(xì)胞面積、長度和數(shù)量的影響

不同溫度對(duì)紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞面積、長度以及數(shù)量的影響如圖5，可見與對(duì)照組(正常條件)相比，高溫和低溫下紫色異細(xì)胞橫切面積和縱切長度變化趨勢相反，即高溫使得二者增加，低溫則使得二者減小。而相比于低溫(10℃)和對(duì)照組(24℃)，高溫(42℃)處理下，紫色異細(xì)胞面積顯著增加(P<0.05)。而溫度從10℃增至24℃，紫色異細(xì)胞的橫切面積和縱切長度雖有所增加，但二者變化差異性均不顯著(P<0.05)。而與對(duì)照組相比，高溫和低溫下紫色異細(xì)胞數(shù)量變化趨勢相同，即二者均使得紫色異細(xì)胞數(shù)量增加。而相比于低溫和對(duì)照組，高溫處理下，紫色異細(xì)胞數(shù)量顯著增加(P<0.05)，且溫度從10℃增至24℃，紫色異細(xì)胞的數(shù)量增加，該變化差異性顯著(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

3.1 紫花曼陀羅地上器官分布有紫色異細(xì)胞

本研究發(fā)現(xiàn)在有陽光照射的營養(yǎng)器官中，紫色異細(xì)胞分布部位均為靠近表皮下的皮層中(真葉和子葉的葉片除外)。祁如虎等[8]在青藏高原地區(qū)16種植物葉片表皮細(xì)胞中觀察到了異細(xì)胞，作者指出分布在表皮的異細(xì)胞可能有抵御強(qiáng)光輻射的作用。Esau等[9]認(rèn)為異細(xì)胞可以在所有的植物組織中出現(xiàn)，但是我們并未在紫花曼陀羅根部觀察到紫色異細(xì)胞，這表明不同種類異細(xì)胞的分布位置可能因其生物學(xué)功能不同而異，紫色異細(xì)胞僅僅分布在地上器官說明其存在與光照和溫度變化有關(guān)。

Metcalfe等[10]提出異細(xì)胞可避免植物在高強(qiáng)度環(huán)境條件(光照和溫度)下脫水,因此紫色異細(xì)胞可能在避免強(qiáng)光對(duì)植物地上部分造成傷害而導(dǎo)致其失水方面具有重要作用，這可能也是該異細(xì)胞抵御強(qiáng)光輻射和適應(yīng)高溫環(huán)境的原理之一。毛立彥[6]研究表明紫花曼陀羅對(duì)光照利用效率高于曼陀羅，而弱光和低溫下紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞的增加使其更好的適應(yīng)了低強(qiáng)度環(huán)境條件，故推測，紫色異細(xì)胞的存在也是造成二者光照利用效率差異的主要原因之一。

3.2 紫色異細(xì)胞形態(tài)建成受光照影響

光是高等植物唯一的能量來源，植物通過改變自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的方式來適應(yīng)不同光照條件，以完成其正常養(yǎng)分代謝[11]。有文獻(xiàn)報(bào)道:光強(qiáng)越弱，油桃[12]源葉各級(jí)葉脈的篩管和伴胞的平均直徑均變小、美國黑莓植株葉片表皮細(xì)胞和葉肉細(xì)胞厚度變薄，細(xì)胞間隙增大[13]、東京野茉莉幼苗葉片柵欄組織細(xì)胞相互融合而變粗，長度縮短，細(xì)胞排列稀疏，細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器數(shù)量大量減少[14]；而相反地，光強(qiáng)越強(qiáng)，植物外在的形態(tài)、內(nèi)在結(jié)構(gòu)的生長指標(biāo)以及生物量增加更為明顯[15]，且光資源變化對(duì)植物發(fā)育早期影響最為顯著[16]。我們的研究結(jié)果表明：與對(duì)照組相比，強(qiáng)光下紫色異細(xì)胞橫切面積、縱切長度、數(shù)量均顯著增加，弱光下橫切面積和縱切長度則顯著減小，這與前人[12～14]的研究結(jié)果一致，但是，弱光下紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞數(shù)量也顯著增加，與董如磊[14]的研究結(jié)果相反，我們推測：這可能是紫花曼陀羅自我調(diào)節(jié)的表現(xiàn)，由于弱光下紫色異細(xì)胞體積減小，數(shù)量增加可保證紫色細(xì)胞內(nèi)含物總體量保持穩(wěn)定，有利于紫花曼陀羅適應(yīng)弱光環(huán)境，但關(guān)于紫色異細(xì)胞內(nèi)含成分的分析有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 紫色異細(xì)胞的形態(tài)建成受溫度影響

仙客來(Cyclamenpersicum)耐熱性研究結(jié)果表明：高溫下法國大紅葉片表皮細(xì)胞較厚且排列緊密，并將葉片表皮厚度作為仙客來耐熱性鑒定指標(biāo)之一[17]。此外，其他植物研究結(jié)果表明：在高溫條件下，耐熱品種顯微結(jié)構(gòu)顯示葉片細(xì)胞和葉肉細(xì)胞排列緊密，細(xì)胞間隙小或無，柵欄組織排列緊密[18]。本研究中，供試曼陀羅幼苗在高溫處理下，紫色異細(xì)胞的顏色變深，細(xì)胞間隙變小，細(xì)胞橫切面積、縱切長度和數(shù)量均顯著增加，與賈志國等[17～18]研究結(jié)果一致，表明：高溫對(duì)紫色異細(xì)胞體積和數(shù)量均具有促進(jìn)作用，且其對(duì)紫色異細(xì)胞形態(tài)指標(biāo)(體積、直徑或厚度)變化以及數(shù)量變化的影響趨勢與普通植物細(xì)胞反應(yīng)是一致的。故推測高溫不但可刺激紫色異細(xì)胞的產(chǎn)生，也促進(jìn)了該異細(xì)胞的發(fā)育。

于龍鳳等[19]研究表明：低溫條件處理下，西葫蘆葉片上下表皮細(xì)胞直徑顯著減小，細(xì)胞密度顯著減小，細(xì)胞間隙變大。本研究中，低溫下紫色異細(xì)胞面積和長度有所減小，但與對(duì)照組相比變化差異性不顯著，推測低溫對(duì)該異細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)影響較小。低溫下耐寒植物虎耳草葉片海綿組織和柵欄組織的細(xì)胞體積均顯著減小，但細(xì)胞排列緊密，表明其數(shù)量增加[20]，本研究中低溫下紫色異細(xì)胞體積和數(shù)量研究結(jié)果上述相同，表明低溫刺激了紫色異細(xì)胞的產(chǎn)生，從而提高了紫花曼陀羅對(duì)寒冷環(huán)境的適應(yīng)能力。

祁如虎等[8]提出異細(xì)胞還可能具有吸收和儲(chǔ)存太陽輻射熱進(jìn)而保暖的作用，使植物免受寒冷傷害，并間接提高植物抗寒性。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫下紫色異細(xì)胞數(shù)量顯著增加，這表明低溫刺激了紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞的產(chǎn)生，從而使得該植物對(duì)寒冷環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力，這也是紫花曼陀羅對(duì)不良溫度環(huán)境的適應(yīng)能力比原種曼陀羅更強(qiáng)的細(xì)胞學(xué)原因之一。

3.4 紫花曼陀羅中紫色異細(xì)胞的生物學(xué)功能及存在意義

紫色異細(xì)胞的形態(tài)建成與光照和溫度相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在全球氣候變化的趨勢下，紫花曼陀羅中的紫色異細(xì)胞是其適應(yīng)環(huán)境變化的產(chǎn)物。我們課題組近年來對(duì)曼陀羅屬植物分布情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)大部分地區(qū)紫花曼陀羅數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于曼陀羅，除了代謝原因外[6]，這種異細(xì)胞的存在是紫花曼陀羅有更強(qiáng)的環(huán)境的適應(yīng)性的細(xì)胞學(xué)原因。

我們觀察發(fā)現(xiàn)紫花曼陀羅營養(yǎng)器官的紫色皆與紫色異細(xì)胞的存在有關(guān)，前人研究也表明曼陀羅原種與變種莖部差異僅在紫色異細(xì)胞的有和無[5]，因此，紫色異細(xì)胞存在是紫花曼陀羅“紫化”的原因，也是造成曼陀羅原種與變種之間出現(xiàn)差異的原因，故紫色異細(xì)胞可以作為紫花曼陀羅系統(tǒng)分類的解剖學(xué)輔助依據(jù)。但這種異細(xì)胞形態(tài)建成與其它環(huán)境因素的變化(如水分、重金屬脅迫等)是否有關(guān)還需進(jìn)一步研究得知，特別是這種異細(xì)胞的內(nèi)含成分及發(fā)育調(diào)控分子機(jī)制有待深入研究。