穿葉眼子菜莖葉結(jié)構(gòu)及其通氣組織發(fā)育解剖學(xué)研究

王 晨，李 龍，倪細(xì)爐*，李 健

(1 寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，銀川 750021；2 寧夏林業(yè)研究院 種苗生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750004)

通氣組織(aerenchyma)是由位于內(nèi)外皮層之間的一類特異的皮層細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞分裂或溶解后而形成的腔隙，因形成方式的不同可分為溶生性(lysigenous)與裂生性(schizogenous)2種[1]。溶生性通氣組織的形成過(guò)程已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，在水稻的葉鞘中，通氣組織通過(guò)細(xì)胞死亡形成于維管束之間的薄壁細(xì)胞[2]。水稻根部通過(guò)皮層細(xì)胞降解而形成在橫切面上呈放射狀的通氣組織[3]，且缺氧處理會(huì)使其根部通氣組織的形成起點(diǎn)更靠近根尖[4]。Typhaangustifolia葉通氣組織形成前期開(kāi)始出現(xiàn)部分晶狀體細(xì)胞，隨后晶狀體細(xì)胞及周圍細(xì)胞降解形成腔隙，腔隙的形成由靠近上下表皮處開(kāi)始逐漸向葉中央擴(kuò)展，最終腔隙間僅存在3～5層細(xì)胞及一排維管束[5]。在Trapapseudoincisa葉柄通氣組織的形成過(guò)程中，于縱切面的腔隙內(nèi)觀察到了質(zhì)體降解、液泡破壞、次級(jí)液泡出現(xiàn)的異常細(xì)胞，通過(guò)凝膠電泳及TUNEL檢測(cè)也證明了其葉柄膨大涉及PCD過(guò)程[6]。對(duì)于一種沼澤植物Sagittarialancifolia的研究發(fā)現(xiàn)，其根內(nèi)溶生性通氣組織形成于分生組織并擴(kuò)展到成熟區(qū)[7]。即使非水生或濕地植物在缺氧脅迫下也會(huì)產(chǎn)生溶生性通氣組織以維持生長(zhǎng)[8]，如小麥根在水淹條件下皮層細(xì)胞死亡，形成發(fā)達(dá)的通氣組織[9]，在玉米[10]及向日葵[11]等作物中同樣發(fā)現(xiàn)溶生性通氣組織。裂生性通氣組織的報(bào)道較少，且常見(jiàn)于濕地植物[12]。前面提到S.lancifolia的根部通氣組織為溶生性，而其葉柄中僅通過(guò)細(xì)胞的分裂形成了貫穿于葉脈的腔隙[7]。Purnobasuki等對(duì)Sonneratiaalba的營(yíng)養(yǎng)根研究發(fā)現(xiàn)，距根尖0～500 μm以內(nèi)的皮層細(xì)胞排列緊密，基本無(wú)細(xì)胞間隙的形成；距根尖超過(guò)500 μm之后，皮層細(xì)胞開(kāi)始相互分離并在根縱向上形成間隙，這標(biāo)志著由細(xì)胞間隙的擴(kuò)大而導(dǎo)致的裂生性通氣組織開(kāi)始形成[13]。除了濕地植物，Rumex在缺氧條件下也會(huì)加速新生跟生長(zhǎng)，且新根內(nèi)孔隙率更高[14]。通氣組織的形成過(guò)程有時(shí)同時(shí)涉及裂生與溶生[15]，這種形成方式為裂溶性通氣組織。水稻根在靠近根與根冠結(jié)合處的中部皮層出現(xiàn)裂生性細(xì)胞間隙，而根冠、中柱與外皮層沒(méi)有，但在距根尖3～4 cm根段的皮層出現(xiàn)了溶生性通氣組織[16]。Bartoli等[17]通過(guò)對(duì)Egeriadensa莖通氣組織的研究發(fā)現(xiàn)其早期在莖尖近端的皮層細(xì)胞間形成裂生腔隙，且在腔隙的膨大過(guò)程中檢測(cè)到了細(xì)胞凋亡，最終形成蜂窩狀的成熟通氣組織。除了形成方式的不同，通氣組織在形狀上也有差異；通過(guò)對(duì)110種水生及濕地植物通氣組織的研究[18]，發(fā)現(xiàn)莖中存在5種形狀的通氣組織：蜂窩狀、車輪狀、中空狀、葉狀、溶生氣道，其中蜂窩狀與車輪狀在形態(tài)上有一定相似性，水生植物大多數(shù)器官中發(fā)育出比濕地植物更發(fā)達(dá)的通氣組織，且通氣組織的形成模式在屬水平上是穩(wěn)定的。水生和濕地植物的根莖內(nèi)均形成通氣組織，從而在水淹情況下能夠向根部運(yùn)輸氧氣[19]，保證其代謝需要。

穿葉眼子菜(Potamogetonperfoliatus)為眼子菜科眼子菜屬中分布廣泛的一種多年生沉水植物[20]，其莖葉發(fā)達(dá)，節(jié)處生有須根。對(duì)于眼子菜屬植物的通氣組織已有部分報(bào)道，其根、莖、葉內(nèi)均形成通氣組織，Bona等[21]對(duì)Potamogetonpolygonus根部通氣組織的研究，發(fā)現(xiàn)其先是形成小的裂生腔隙，隨后的擴(kuò)大過(guò)程涉及細(xì)胞坍縮，最終形成成熟的車輪狀通氣組織。絲葉眼子菜莖的橫切面觀察到了2～3輪發(fā)達(dá)的車輪狀通氣組織[22]，且其花梗和葉內(nèi)同樣形成較發(fā)達(dá)的蜂窩狀通氣組織。另一種浮葉眼子菜Potamogetondistinctus的根、莖皮層薄壁細(xì)胞內(nèi)形成網(wǎng)狀通氣組織，且莖內(nèi)存在4束維管束，其葉由上下表皮、柵欄組織及位于柵欄組織下方的薄壁細(xì)胞組成，薄壁細(xì)胞內(nèi)形成網(wǎng)狀通氣組織[23]，葉脈分布于網(wǎng)狀通氣組織中。馬毓泉等發(fā)現(xiàn)眼子菜屬植物的葉片由上下表皮及1～2層葉肉細(xì)胞組成，整個(gè)葉片內(nèi)充滿氣腔或僅主脈周圍的葉肉內(nèi)具氣腔[20]。

綜上所述，目前對(duì)通氣組織的形成模式及形態(tài)特點(diǎn)已有較多的研究，但對(duì)于眼子菜通氣組織的研究以及通氣組織在時(shí)間、空間上的形成規(guī)律及特點(diǎn)研究較少。因此，本實(shí)驗(yàn)以穿葉眼子菜為材料，以其莖和葉為對(duì)象，通過(guò)連續(xù)切片在顯微結(jié)構(gòu)水平上研究通氣組織的發(fā)育過(guò)程，以及通氣組織發(fā)生的時(shí)空變化，以期為水生植物通氣組織發(fā)育調(diào)控以及水生植物適應(yīng)水環(huán)境的生存機(jī)制提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)材料為穿葉眼子菜，通過(guò)植物組織培養(yǎng)的方法培養(yǎng)其無(wú)菌苗。培養(yǎng)條件為MS基礎(chǔ)培養(yǎng)基及無(wú)菌水，室溫光照12 h/d。培養(yǎng)方法為：將消毒處理過(guò)的穿葉眼子菜莖段或轉(zhuǎn)接的無(wú)菌莖段接入培養(yǎng)基內(nèi)，待轉(zhuǎn)接莖段生根后向培養(yǎng)基內(nèi)加入適量的滅菌水，以淹沒(méi)植物頂端為宜；當(dāng)新生莖長(zhǎng)度達(dá)到5 cm左右即可取材，穿葉眼子菜的莖由節(jié)和節(jié)間兩部分組成，其中，不同生長(zhǎng)時(shí)期的莖節(jié)間處的結(jié)構(gòu)不同，可分為實(shí)心期、形成期、膨大期和成熟期等4個(gè)時(shí)期，而不同生長(zhǎng)時(shí)期的莖節(jié)處的結(jié)構(gòu)相同。

1.2 石蠟切片

1.2.1莖橫切石蠟切片的制作取長(zhǎng)度為1.5 cm左右的新生莖尖，除去葉片后迅速固定于FAA固定液24 h以上；乙醇梯度脫水(70%、85%、95%、100%)；二甲苯梯度透明(50%、100%)，透明時(shí)可加少許番紅對(duì)材料染色，便于后面操作步驟對(duì)材料的辨別；梯度浸蠟(50%、100%)；純蠟包埋。

用石蠟切片機(jī)(Leica RM2125 RTS)從莖尖開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)橫切，切片厚度為10 μm。粘片時(shí)每張載玻片粘4條蠟帶并按一定順序排好，連續(xù)切1 cm的莖尖為25張片子。將粘好的片子于烘片機(jī)(Leica HI1220)上38 ℃烘干后放40 ℃烘箱內(nèi)過(guò)夜，然后染片。

染片時(shí)在染色缸內(nèi)進(jìn)行，首先是復(fù)水，梯度二甲苯(100%、50%)；梯度酒精(100%、95%、85%、70%)；番紅染色(過(guò)夜)；梯度酒精脫水(70%、85%、95%)；固綠染色(數(shù)秒)；100%酒精；梯度二甲苯(50%、100%)；封片，顯微鏡觀察。

由于所做的是從莖尖長(zhǎng)度為1 cm的連續(xù)切片，所以最終可以觀察到各個(gè)節(jié)處的橫切結(jié)構(gòu)，以及節(jié)間通氣組織不同發(fā)育階段的橫切結(jié)構(gòu)。

1.2.2莖縱切石蠟切片的制作取長(zhǎng)度為1.5 cm左右的新生莖尖，除去葉片后迅速固定于FAA固定液24 h以上；乙醇梯度脫水(70%、85%、95%、100%)；二甲苯梯度透明(50%、100%)；梯度浸蠟(50%、100%)；純蠟包埋。

用石蠟切片機(jī)(LEICA RM2125 RTS)對(duì)包埋好的材料進(jìn)行縱切，切片厚度為10 μm。粘片、烘片，放40 ℃烘箱內(nèi)過(guò)夜；之后的染片步驟同上，最后封片，觀察。

通過(guò)莖尖的縱切能夠整體觀察到各個(gè)節(jié)處的縱切結(jié)構(gòu)，以及節(jié)間通氣組織不同發(fā)育階段的縱切結(jié)構(gòu)。

1.2.3葉橫切石蠟切片的制作取長(zhǎng)度約0.5 cm左右的莖尖及距莖尖約5 cm處的成熟葉片，分別按照以上方法固定、包埋。然后將材料連續(xù)橫切，厚度為10 μm。從莖尖的橫切中選取具有不同發(fā)育程度葉片的片子進(jìn)行染色，成熟葉片的橫切直接染色，染色方法同上，最后觀察。

通過(guò)莖尖葉以及成熟葉片的橫切能夠觀察到葉通氣組織的不同發(fā)育階段。

1.3 莖橫切面通氣組織百分率(孔隙度)的測(cè)定

選取所做莖橫切切片中的節(jié)處橫切圖片及節(jié)間通氣組織不同發(fā)育時(shí)期顯微圖片各6張，用軟件Motic image plus 2.0 ML測(cè)量每張橫切圖片中腔隙的總面積S1、莖橫切總面積S2，則：

通氣組織百分率(孔隙度)=(S1/S2)×100%

其中S1為莖的節(jié)處或節(jié)間橫切面中所有通氣組織腔隙的總面積，S2為節(jié)或節(jié)間橫切面中莖的總面積?？紫抖鹊挠?jì)算能夠以數(shù)據(jù)的形式反映出莖的節(jié)處、和節(jié)間不同時(shí)期通氣組織的發(fā)達(dá)程度,其值的大小與發(fā)達(dá)程度呈正相關(guān)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

得到全部的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)IBM SPSS statistics 22.0分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行方差分析前對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)性及方差齊性檢驗(yàn)，用LSD單因素方差分析 (One-Way ANOVA)對(duì)莖中節(jié)及不同時(shí)期通氣組織的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，并用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 穿葉眼子菜莖的結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)穿葉眼子菜莖縱切(圖1，a)的觀察，其莖的結(jié)構(gòu)包括表皮、皮層及維管柱，直徑隨距莖尖距離的增加而變大。通氣組織發(fā)達(dá)，存在于內(nèi)皮層與表皮之間，且主要存在于節(jié)間(圖1，c、e)，而節(jié)處(圖1，b、d)的皮層細(xì)胞排列緊密僅形成少量且腔隙小的通氣組織，孔隙度約為3.62%(圖2)。通氣組織在距莖尖約0.6 mm處開(kāi)始形成，并隨著距莖尖距離的增加其通氣組織腔逐漸增大最終在約2.4 mm處形成成熟的通氣組織。通過(guò)節(jié)間(圖1，c、e)通氣組織腔內(nèi)的殘留細(xì)胞可確定其通氣組織腔的膨大過(guò)程伴隨著皮層細(xì)胞的降解。

a.莖縱切面(示莖整體結(jié)構(gòu))；b.節(jié)縱切(示節(jié)縱向通氣組織)；c.節(jié)間縱切(示節(jié)間縱向通氣組織)；d.節(jié)橫切(示節(jié)橫向通氣組織)；e.節(jié)間橫切(示節(jié)間橫向通氣組織)；b、c圖為a圖的局部放大?！啊睢敝甘就饨M織部位，箭頭指示殘留細(xì)胞圖1 穿葉眼子菜莖縱切面及節(jié)和節(jié)間橫、縱切a. Stem longitudinal section (indicating the whole structure of the stem); b. Node longitudinal section (indicating longitudinal aerenchyma of the node); c. Internode longitudinal section (indicating longitudinal aerenchyma of the internode); d. Node transverse section (indicating transverse aerenchyma of the node); e. Internode transverse section (indicating transverse aerenchyma of the internode); Fig.b and c are partial enlarged views of Fig.a. “☆” indicates the location of the aerenchyma, and the arrows indicate the residuary cellsFig.1 Stem longitudinal section and node, internode longitudinal section and transverse section of P. perfoliatus

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，n=6圖2 節(jié)及各時(shí)期莖通氣組織占橫切面比例Different letters in the figure indicate significant differences (P<0.05)，n=6Fig.2 Stem transverse section aerenchyma area ratio of each phase and node

2.2 穿葉眼子菜莖通氣組織的發(fā)育過(guò)程

在圖3中展示了通氣組織形成的4個(gè)時(shí)期的縱切與橫切的對(duì)應(yīng)圖片。處于實(shí)心期(距莖尖0～0.6 mm)的細(xì)胞較小且排列緊密，此時(shí)的細(xì)胞體積處于增長(zhǎng)階段且細(xì)胞間沒(méi)有明顯的間隙，因此，現(xiàn)階段的莖尚未形成通氣組織。雖然實(shí)心期前期(圖3，b)的莖僅為一團(tuán)尚未明顯分化的細(xì)胞構(gòu)成，但處于后期(圖3，c)的莖已分化出表皮、皮層及維管束，且細(xì)胞體積明顯增大，細(xì)胞間開(kāi)始出現(xiàn)小的間隙，間隙約占橫截面的0.54%(圖2)，為下階段通氣組織的形成做準(zhǔn)備。

形成期(距莖尖0.6～1.2 mm)細(xì)胞體積繼續(xù)增大，于實(shí)心期后期形成的間隙處細(xì)胞分離形成小的腔隙(圖3，e)，通氣組織開(kāi)始形成，此時(shí)的腔隙大小僅相當(dāng)于1～3個(gè)細(xì)胞。后期(圖3，f)通氣組織腔的數(shù)量較前期明顯增加，莖為橢圓形且在兩極形成約3輪腔隙，靠近中間部位形成約2輪較小的腔隙。后期腔隙已開(kāi)始膨大，且部分腔隙間殘留有正在降解的細(xì)胞，表明腔隙的膨大伴隨著細(xì)胞降解，每個(gè)獨(dú)立形成的腔隙之間存在一層或數(shù)層細(xì)胞；整個(gè)形成期的平均孔隙度為10.90%(圖2)。從此時(shí)的縱切圖(圖3，d)可以看到處于上下相鄰位置的通氣組織之間也存在至少一層細(xì)胞將其相互隔開(kāi)，所以此時(shí)的通氣組織在空間上僅為獨(dú)立的小腔室而并未上下聯(lián)通。對(duì)于通氣組織的形成部位，顯示其主要存在于節(jié)間，而節(jié)的細(xì)胞緊密排列且形成的通氣組織少。

a.實(shí)心期縱切(示實(shí)心期莖縱向結(jié)構(gòu))；b、c.實(shí)心期橫切(示實(shí)心期前期及后期橫向莖結(jié)構(gòu))；d.形成期縱切(示形成期莖縱向通氣組織)；e、f.形成期橫切(示形成期前期及后期莖橫向通氣組織)；g.膨大期縱切(示膨大期莖縱向通氣組織)；h、i.膨大期橫切(示膨大期前期及后期莖橫向通氣組織)；j.成熟期縱切(示成熟期莖縱向通氣組織)；k、l.成熟期橫切(示成熟期莖橫向通氣組織)?！啊睢敝甘就饨M織部位，箭頭指示殘留細(xì)胞圖3 穿葉眼子菜的莖縱切與橫切a. Longitudinal section of solid phase (indicating the longitudinal stem structure); b, c. Transverse section of solid phase (indicating the transverse stem structure in the early and late phases of the solid phase); d. Longitudinal section of formation phase (indicating longitudinal stem aerenchyma of the formation phase); e, f. Transverse section of formation phase (indicating transverse stem aerenchymain the early and late stages of the formation phase); g. Longitudinal section of expansion phase (indicating longitudinal stem aerenchyma in the expansion phase); h, i. Transverse section of expansion phase (indicating transverse stem aerenchymain the early and late stages of the expansion phase); j. Longitudinal section of maturity phase (indicating longitudinal stem aerenchyma in the maturity phase); k, l. Transverse section of maturity phase (indicating transverse stem aerenchyma in maturity phase). “☆” indicates the location of the aerenchyma, and the arrows indicate the residuary cellsFig.3 Longitudinal section and transverse section of P. perfoliatus stems

從橫切圖(圖3，f)可以看出靠近外皮層處的通氣組織腔稍大，說(shuō)明在橫向上通氣組織由外向內(nèi)先后形成。

膨大期(距莖尖1.2～2.4 mm)的細(xì)胞進(jìn)一步增長(zhǎng)，腔數(shù)繼續(xù)增加，且孔隙度達(dá)到了約27.61%(圖2)，腔內(nèi)仍有降解殘留的細(xì)胞。通過(guò)此時(shí)的縱切圖(圖3，g)可看到在縱向上節(jié)間通氣組織腔開(kāi)始融合擴(kuò)大并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但之間仍有較多橫向細(xì)胞層將其隔開(kāi)。膨大期前期(圖3，h)除了通氣組織腔的擴(kuò)大，維管束中間也開(kāi)始形成髓腔，內(nèi)皮層細(xì)胞、表皮細(xì)胞及外皮層細(xì)胞排列整齊且致密，細(xì)胞結(jié)構(gòu)保持完整；后期(圖3，i)莖中間形成3個(gè)髓腔，包括中央維管束包圍的大髓腔以及兩邊由較小維管束包圍的小髓腔，此時(shí)通氣組織腔的數(shù)量已基本穩(wěn)定，腔內(nèi)仍存在降解的細(xì)胞；后期的外皮層細(xì)胞及最外面一輪通氣組織腔周圍的細(xì)胞開(kāi)始降解坍縮。對(duì)比膨大期前期與后期莖的橫切面積與通氣組織腔的大小，后期相較于前期都明顯增大，此時(shí)通氣組織為蜂窩狀且腔隙排列較為規(guī)律，腔的體積由外向內(nèi)依次減小。

成熟期即距莖尖約2.4 mm之后為通氣組織發(fā)育的最后一個(gè)時(shí)期，此時(shí)的通氣組織發(fā)達(dá)且已完全成熟為莖橫切面的57.58%(圖2)?？v向(圖3，j)上此時(shí)的通氣組織基本融合為長(zhǎng)的管道且直徑更大，偶爾存在降解殘留的細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成的線狀結(jié)構(gòu)將其隔開(kāi)。橫向(圖3，k、l)上也表現(xiàn)為通氣組織腔的擴(kuò)大，且最外面一輪通氣組織腔周圍的細(xì)胞層已坍縮為線狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)皮層細(xì)胞較為完整，外皮層細(xì)胞存在部分降解，表皮細(xì)胞基本完整但排列不再規(guī)則。

2.3 穿葉眼子菜葉通氣組織的發(fā)育過(guò)程

穿葉眼子菜不僅在莖中存在發(fā)達(dá)的通氣組織，其葉中同樣存在。通過(guò)整體的橫切圖(圖4，a)可直觀的觀察到其通氣組織的發(fā)育過(guò)程，且和莖中一樣將其發(fā)育過(guò)程劃分為同樣的四個(gè)時(shí)期(圖4，b～e)。葉中的通氣組織僅在主脈中形成，主脈處由表皮、皮層薄壁細(xì)胞及維管柱構(gòu)成，其葉片僅由上下2層表皮細(xì)胞及中間的1層葉肉細(xì)胞緊密結(jié)合而成且與側(cè)脈一樣并不形成通氣組織。

新生的葉片(圖4，b)短小，由3層細(xì)胞組成且僅在主脈處細(xì)胞團(tuán)開(kāi)始分化形成維管束，此時(shí)的細(xì)胞較小且排列緊密，僅在部分薄壁細(xì)胞間有很小的空隙，通氣組織尚未開(kāi)始形成，因此處于實(shí)心期。

隨著葉片細(xì)胞的持續(xù)生長(zhǎng)分化，其寬度與厚度增加，在主葉脈處位于上下表皮細(xì)胞之間的單個(gè)或多個(gè)薄壁細(xì)胞凋亡降解形成小的腔隙(圖4，c)，這標(biāo)志著葉片通氣組織的發(fā)育進(jìn)入形成期。此時(shí)期發(fā)生于靠近莖尖的第2～3片新生葉，形成特征與莖通氣組織類似，即腔隙的大小相當(dāng)于1～3個(gè)細(xì)胞且獨(dú)立的腔隙之間存在一層或多層細(xì)胞。主脈的橫切也近似橢圓形，通氣組織腔先形成于兩極。此時(shí)的表皮細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)濃厚且排列規(guī)則、緊密，維管束細(xì)胞致密無(wú)腔隙形成。

葉片繼續(xù)發(fā)育并開(kāi)始形成不明顯的側(cè)脈(圖4，a)，但側(cè)脈處并不形成通氣組織。膨大期(圖4，d)的細(xì)胞體積及通氣組織腔進(jìn)一步增大，腔數(shù)量有所增加，成因與莖通氣組織的膨大期相似，部分腔隙周圍存在正在降解的細(xì)胞。通氣組織腔之間的細(xì)胞層在膨大期后期基本減少為一層且開(kāi)始坍縮降解。此時(shí)的表皮細(xì)胞排列規(guī)則緊密，保持完整；維管束中間開(kāi)始形成髓腔。

進(jìn)入成熟期(圖4，e)通氣組織腔達(dá)到最大，腔隙之間的線狀結(jié)構(gòu)為之前細(xì)胞層降解殘留的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。此時(shí)維管束中間已形成明顯的髓腔，上下2層表皮細(xì)胞基本完整且排列較為規(guī)則、緊密。

3 討 論

生存環(huán)境的不同必然導(dǎo)致植物發(fā)育與基本結(jié)構(gòu)的差異，如陸生植物莖內(nèi)皮層和維管束發(fā)達(dá)，皮層內(nèi)一般無(wú)發(fā)達(dá)的通氣組織，葉片上有大量氣孔分布[24]；高寒地區(qū)植物莖內(nèi)機(jī)械組織發(fā)達(dá)，葉內(nèi)有2層以上柵欄細(xì)胞而機(jī)械組織不發(fā)達(dá)[25]。濕地挺水植物機(jī)械組織較陸生植物退化，但維管組織發(fā)達(dá)，葉結(jié)構(gòu)與陸生植物類似且存在氣孔[26-27]，通氣組織較發(fā)達(dá)。沉水植物莖、葉機(jī)械組織退化，維管組織不發(fā)達(dá)，葉內(nèi)少有柵欄組織及海綿組織的分化，葉表面無(wú)氣孔，莖葉通氣組織發(fā)達(dá)[23,28-29]。本研究的穿葉眼子菜是一種沉水植物，其莖、葉中的通氣組織發(fā)達(dá)，而體內(nèi)維管組織不發(fā)達(dá)，因此莖的機(jī)械強(qiáng)度不大，這有利于其隨水流擺動(dòng)；眼子菜屬植物的整個(gè)葉片內(nèi)充滿氣腔或僅主脈周圍的葉肉內(nèi)具氣腔[20]，穿葉眼子菜屬于后者，其葉片薄，僅3層細(xì)胞，葉表面無(wú)氣孔且僅在主脈形成通氣組織，表皮細(xì)胞具葉綠體，這有利于對(duì)光照的吸收，增加光合能力。謝偉東等[28]對(duì)3種海草的莖葉解剖結(jié)構(gòu)的研究中，矮大葉藻與二藥藻的葉橫切面無(wú)明顯主脈，通氣組織均勻形成于葉片內(nèi)，與本實(shí)驗(yàn)中穿葉眼子菜僅在葉主脈形成通氣組織存在差異，而喜鹽草的葉橫切面與穿葉眼子菜類似；矮大葉藻與二藥藻的莖橫切面為橢圓形，通氣組織為較發(fā)達(dá)的蜂窩狀，這與穿葉眼子菜相似。另一種植物海神草的莖存在數(shù)束外環(huán)維管束[29]，且其葉存在數(shù)條維管束，維管束之間形成發(fā)達(dá)的通氣組織，而穿葉眼子菜存在1束中央維管束和對(duì)稱的2束外環(huán)維管束，且葉僅在主脈維管束周圍形成通氣組織。高晨光等[23]對(duì)鴨舌草等4種水生植物營(yíng)養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)的研究中，發(fā)現(xiàn)其莖、葉均具有發(fā)達(dá)的通氣組織，其中一種俗稱水案板的浮葉眼子菜莖橫切面為圓形，有小而排列緊密的表皮細(xì)胞，中柱處形成4個(gè)髓腔，皮層通氣組織為網(wǎng)狀，本實(shí)驗(yàn)中的穿葉眼子菜僅形成3個(gè)髓腔且皮層通氣組織為較規(guī)則的2～4輪，但這2種眼子菜莖通氣組織均為蜂窩狀，符合屬間模式的穩(wěn)定[18]；而這種浮葉眼子菜葉橫切面上下表皮為排列緊密的小細(xì)胞，上表皮下為2～3層細(xì)胞組成的柵欄組織，柵欄組織下為網(wǎng)狀通氣組織，明顯其葉的結(jié)構(gòu)及通氣組織與穿葉眼子菜存在差異。

a.葉的橫切(示各時(shí)期葉橫切及通氣組織)；b.實(shí)心期橫切(示實(shí)心期葉橫向結(jié)構(gòu))；c.形成期橫切(示形成期主脈橫向通氣組織)；d.膨大期橫切(示膨大期主脈橫向通氣組織)；e.成熟期橫切(示成熟期主脈橫向通氣組織)。“☆”指示通氣組織部位，箭頭指示殘留細(xì)胞圖4 穿葉眼子菜的葉橫切a. Transverse section of leaves (indicating leaves transverse section and aerenchyma in each phase); b. Transverse section of solid phase (indicating transverseleaf structure in solid phase); c. Transverse section of formation phase (indicating transverse aerenchyma in main vein of formation phase); d. Transverse section of expansion phase (indicating transverse aerenchyma in main vein of expansion phase); e. Transverse section of maturity phase (indicating transverse aerenchyma in main vein of maturity phase)“☆” indicates the location of the aerenchyma, and the arrows indicate residuary cellsFig.4 Transverse section of P. perfoliatus leaves

Hydrocharismorsus-ranae的不定根中在距根尖約0.3 mm處皮層細(xì)胞開(kāi)始相互分離產(chǎn)生間隙[30]，而穿葉眼子菜莖通氣組織形成的實(shí)心期后期部分細(xì)胞間出現(xiàn)裂隙，且隨著細(xì)胞進(jìn)一步生長(zhǎng)、分離，于形成期前期(距莖尖約0.6 mm)在靠近外皮層處的皮層細(xì)胞間形成小的腔隙；H.morsusranae根在距根尖1 mm內(nèi)由于中皮層細(xì)胞裂解而進(jìn)行平周與垂周分裂，形成氣室，而穿葉眼子菜在形成期后期及膨大期(距莖尖約1.2～2.4 mm)的橫切及縱切面腔隙中也存在降解殘留的細(xì)胞，說(shuō)明腔隙的擴(kuò)大涉及細(xì)胞降解的過(guò)程。穿葉眼子菜葉通氣組織的形成過(guò)程與莖相似，靠近莖尖的第1～2片新生葉細(xì)胞排列緊密，無(wú)空隙，類似于Typhaangustifolia處于實(shí)心期的第1～2片新生葉[5]，T.angustifolia于約第3片新葉出現(xiàn)細(xì)胞分離產(chǎn)生的小腔隙，且出現(xiàn)晶狀體細(xì)胞，之后的腔隙膨大過(guò)程這些晶狀體細(xì)胞發(fā)揮重大作用；穿葉眼子菜也在第2～3片新葉主脈形成裂生腔隙，而無(wú)晶狀體細(xì)胞出現(xiàn)，說(shuō)明與T.angustifolia葉腔隙的膨大存在差異，但隨后腔隙的膨大也涉及細(xì)胞的降解。通過(guò)細(xì)胞降解而形成的通氣組織被認(rèn)為是細(xì)胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)的結(jié)果，比如水稻莖葉[2,31]、格菱葉柄[6]、水淹的玉米[8,10]、小麥[9]、向日葵[11]等植物通氣組織通過(guò)降解而形成，這些細(xì)胞在逐漸死亡的過(guò)程中表現(xiàn)出核DNA片段化特點(diǎn)，以及液泡膜破裂、囊泡的出現(xiàn)、細(xì)胞器和核降解、液泡膜破裂、細(xì)胞壁最終降解等過(guò)程，符合細(xì)胞程序性死亡的特征。穿葉眼子菜莖、葉通氣組織自形成期后，開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)胞降解的方式來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)大通氣組織的腔隙，推測(cè)這個(gè)過(guò)程是PCD作用的結(jié)果。

不同的植物其通氣組織發(fā)達(dá)程度與形成特點(diǎn)同樣存在差異[32]，水生植物Egeriadensa莖的結(jié)構(gòu)及通氣組織形成模式與穿葉眼子菜相似，其先是早期在距莖尖1～2 mm處的皮層細(xì)胞間形成裂生腔隙，在距莖尖2～3 mm處形成蜂窩狀的成熟通氣組織，腔隙面積為截面的27%[17]。而穿葉眼子菜莖通氣組織的形成期早于E.densa，起始于約距莖尖0.6 mm處，成熟于距莖尖約2.4 mm處，與E.densa相似，但穿葉眼子菜莖成熟腔隙面積為截面的約57.58%，遠(yuǎn)高于E.densa的27%，這也與穿葉眼子菜的沉水生活方式相適應(yīng)，更為發(fā)達(dá)的通氣組織對(duì)呼吸作用產(chǎn)生的CO2及光合作用產(chǎn)生的O2具有一定的存儲(chǔ)與擴(kuò)散作用，這對(duì)于提高植物的光合作用效率及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)存在積極意義，從而降低了其對(duì)外界的O2及無(wú)機(jī)碳源的需求；發(fā)達(dá)的通氣組織增加其在水中的浮力以獲取更多的光照，光照強(qiáng)度對(duì)沉水植物的光合作用具有一定的影響作用[33]。另外，穿葉眼子菜莖的節(jié)處通氣組織形成較少，甚至部分節(jié)處完全不形成，這與一種濕地植物Meionectesbrownii的解剖結(jié)構(gòu)類似，這種植物平均節(jié)間橫截面通氣組織孔隙率為17.7%，而節(jié)處約為8.2%，甚至約23%的節(jié)處無(wú)通氣組織形成[34]。這在一定程度上阻礙了穿葉眼子菜體內(nèi)氣體的擴(kuò)散，但提高了莖節(jié)內(nèi)的氧氣利用效率，這對(duì)穿葉眼子菜的繁殖和分布來(lái)說(shuō)是一種非常高明的適應(yīng)機(jī)制，因?yàn)榇┤~眼子菜的莖段在自然環(huán)境下可以進(jìn)行無(wú)性繁殖，莖段上節(jié)為節(jié)間的氣體擴(kuò)散提供了一個(gè)屏障，為莖段不定根的生長(zhǎng)提供氧氣保證；同時(shí)，節(jié)的存在提高了植物體的機(jī)械力，彌補(bǔ)了其維管組織不發(fā)達(dá)，維持了其在水環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對(duì)于穿葉眼子菜莖、葉通氣組織膨大期后期腔隙之間線狀結(jié)構(gòu)的形成，類似于水稻根部通氣組織腔之間由坍縮細(xì)胞的細(xì)胞壁聚集而成的結(jié)構(gòu)[3]，Jeffree等[35]在Phaseolusvulgaris的葉腔隙形成的最后階段也觀察到細(xì)胞壁的降解。在T.pseudoincisa葉柄通氣組織成熟期腔隙周圍存在不完全降解的細(xì)胞，殘留的細(xì)胞壁維持了其葉柄形態(tài)結(jié)構(gòu)[6]，因此，穿葉眼子菜莖、葉成熟通氣組織腔之間的細(xì)胞坍縮一方面是為了進(jìn)一步增加腔體積，另一方面其殘留細(xì)胞壁得以維持莖葉形態(tài)結(jié)構(gòu)，這都是其對(duì)沉水生活的適應(yīng)機(jī)制。