懸鈴木幼苗的初生維管系統(tǒng)演化結(jié)構(gòu)研究

王桂文，高 偉，張立秋，王世東，李 巖，由繼紅，劉丹丹，朱 軍，陸靜梅

(1.東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038)

懸鈴木為懸鈴木科(Platanaceae)懸鈴木屬(PlatanusLinn.)植物.懸鈴木科是一個(gè)只有1屬約11種的小科[1].我國(guó)南北各地栽培懸鈴木科植物約3種，多作為行道樹(shù)和庭蔭樹(shù)[2]，即一球懸鈴木(PlatanusoccidentalisL.)、二球懸鈴木(PlatanusacerifoliaWilld.)和三球懸鈴木(PlatanusorientalisL.).其中二球懸鈴木是三球懸鈴木和一球懸鈴木的雜交種，1640年在英國(guó)倫敦育成，后引種到世界各大城市，廣泛栽培[3].每年5月份左右，懸鈴木老果脫落導(dǎo)致大量的果毛飄散，而伴隨著新生雄花的開(kāi)放花粉大量散落，造成環(huán)境污染的同時(shí)，對(duì)人的皮膚和呼吸系統(tǒng)具有一定刺激作用[4-5].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者們對(duì)懸鈴木的研究多集中在如何解決其花粉散落、落果飛毛的問(wèn)題上，并通過(guò)篩選自然突變體植株[6-7]、化學(xué)誘導(dǎo)球果不正常發(fā)育促使果實(shí)脫落[8]、利用嫁接或組織培養(yǎng)的方式培育少球株系[9-11]、誘變育種[12]、多倍體育種[13]、基因工程育種[14-16]等多種手段進(jìn)行了系統(tǒng)研究.成俊卿等[17]對(duì)懸鈴木木材進(jìn)行過(guò)解剖學(xué)研究，但是，有關(guān)懸鈴木幼苗的初生維管系統(tǒng)演化結(jié)構(gòu)的研究，鮮見(jiàn)報(bào)道.為此，本文對(duì)懸鈴木幼苗初生維管組織系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以探索其維管演化進(jìn)程，為證明子葉節(jié)區(qū)的原始性及其系統(tǒng)演化提供一定的依據(jù).

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為采自大連地區(qū)的普通二球懸鈴木(PlatanusacerifoliaWilld.)種子.室溫萌發(fā)，至具有1～3片真葉的幼苗.將幼苗切成6 mm小段，置于于FAA固定液中，采用石蠟切片法制成連續(xù)切片，厚度10 μm，番紅、固綠雙重染色，中性樹(shù)膠封片.在數(shù)碼生物顯微鏡下觀察、照相.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

二球懸鈴木幼苗為子葉出土幼苗，子葉長(zhǎng)條線形.根據(jù)子葉節(jié)區(qū)理論[18]，可將幼苗分為子葉節(jié)區(qū)、上胚軸苗區(qū)和下胚軸根區(qū)3部分.

2.1 子葉節(jié)區(qū)

二球懸鈴木子葉節(jié)區(qū)較長(zhǎng)，一般為8.9～13.8 mm，幾乎占據(jù)整個(gè)幼苗下胚軸的全長(zhǎng).

二球懸鈴木子葉節(jié)區(qū)上部長(zhǎng)2.9～3.2 mm、直徑545～830 μm，至此，子葉節(jié)區(qū)上部向莖的真中柱過(guò)渡的雛形已經(jīng)基本形成.越靠近苗端時(shí)，橫切面上韌皮部彼此距離越明顯，呈間斷性條帶狀分離排列.在橫切面上可見(jiàn)到子葉跡一分為二，形成二葉跡.子葉跡直接與子葉節(jié)區(qū)上部的管狀中柱相連接，既有子葉跡又有子葉隙.被子葉跡隔開(kāi)的兩條形的維管束又分成1～3束，且中央部分被薄壁的髓細(xì)胞填充，同時(shí)子葉跡向外生長(zhǎng)(見(jiàn)圖1).

a.二葉跡形成

二球懸鈴木子葉節(jié)區(qū)中部長(zhǎng)4.0～4.3 mm，直徑531～730 μm.位于子葉節(jié)區(qū)下部的上方.在這個(gè)區(qū)域，初生木質(zhì)部出現(xiàn)了中始式管狀中柱階段.中始式二原型管狀中柱的原生木質(zhì)部位于兩端，從原生木質(zhì)部處一分為二，同時(shí)弦向發(fā)育，且中央部分被髓細(xì)胞占據(jù)，其后生木質(zhì)部各向外側(cè)轉(zhuǎn)約45°，形成橢圓至方形的中柱類型(見(jiàn)圖2).

a.子葉節(jié)的二葉跡

二球懸鈴木子葉節(jié)區(qū)長(zhǎng)1.6～2.0 mm，其橫切面直徑為430～662μm.中柱類型為中始式二原型單中柱.原生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑很小，由環(huán)紋和螺紋加厚的導(dǎo)管構(gòu)成；后生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑較大，由梯紋、網(wǎng)紋和孔紋導(dǎo)管構(gòu)成(見(jiàn)圖3—4).

中始式二原型中柱

2.2 上胚軸——苗區(qū)

上胚軸苗區(qū)屬于植物體的軸向后生體，位于子葉節(jié)區(qū)的上部.上胚軸下連子葉節(jié)區(qū)上部，上連頂芽，由子葉節(jié)區(qū)中、上部分化出來(lái)的外韌維管束雛形(見(jiàn)圖1b)逐漸與莖的內(nèi)始式真中柱連接(見(jiàn)圖5).

莖的內(nèi)始式中柱由大于6束的外韌維管束組成.子葉雙跡清晰可見(jiàn)(見(jiàn)圖6a).胚芽位于上胚軸上方.由頂芽發(fā)生的葉為三葉跡(見(jiàn)圖6b).

a.子葉分化出外韌維管束

a.子葉的雙葉跡

由生長(zhǎng)點(diǎn)和數(shù)枚幼葉及腋芽原基等結(jié)構(gòu)，包括：莖的生長(zhǎng)點(diǎn)、幼葉原基、幼葉和幼莖的初生結(jié)構(gòu)，表皮、皮層和維管柱見(jiàn)圖7.

2.3 下胚軸—根區(qū)

下胚軸根區(qū)過(guò)渡區(qū)位于子葉節(jié)區(qū)下部的下面，這一階段極短，為0.88～1.08 mm.后生木質(zhì)部向軸的中央部位旋轉(zhuǎn)45°，完成了中始式的二原型單中柱向外始式過(guò)渡.二球懸鈴木的主根為二原型(或真二原假四原)輻射中柱(見(jiàn)圖8)

莖的生長(zhǎng)點(diǎn)、葉原基和幼葉

3 分析與討論

3.1 二球懸鈴木子葉節(jié)區(qū)初生維管系統(tǒng)演化過(guò)程

根據(jù)子葉節(jié)區(qū)理論[18]，子葉節(jié)區(qū)是種子蕨的孑遺部分，故可稱作幼苗的軸向原生體，而分別稱為上胚軸苗區(qū)與下胚軸根區(qū)的均為其幼苗的軸向后生體部分.從系統(tǒng)發(fā)育來(lái)看，后兩者均系由前者所衍生.子葉節(jié)區(qū)相當(dāng)于一個(gè)等二叉狀或復(fù)等二叉狀分枝的頂枝束，可分成上、中、下三部分.谷安根等[18]已經(jīng)對(duì)毛茛科、葫蘆科等雙子葉草本植物進(jìn)行了子葉節(jié)區(qū)研究，但是對(duì)木本植物子葉節(jié)區(qū)的研究目前尚未報(bào)道.

本論文中對(duì)二球懸鈴木幼苗的研究結(jié)果表明，二球懸鈴木幼苗的初生維管系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的子葉節(jié)區(qū)，幾乎占據(jù)幼苗下胚軸的全部.通過(guò)其子葉橫、縱切面觀察，根端為外始式二原型(或真二原假四原)輻射中柱.子葉節(jié)區(qū)下部較為原始，具有中始式二原型單中柱，且這一階段特別短；中央出現(xiàn)了具髓的中始式二原型管狀中柱階段，且這一階段較長(zhǎng)，髓細(xì)胞較大且均由薄壁細(xì)胞組成；上部維管束的數(shù)目逐漸增多，并且與莖的內(nèi)始式真中柱極為相似，所以只存在子葉節(jié)區(qū)莖連接區(qū).上胚軸苗區(qū)具有內(nèi)始式真中柱.由于子葉節(jié)區(qū)部分中始式管狀中柱的存在，為種子植物與真蕨類可能有過(guò)具有管狀中柱階段的共同祖先提供了證據(jù)，同時(shí)又為幼苗初生維管組織從子葉節(jié)區(qū)分別向根端和苗端演化提供了依據(jù).由于二球懸鈴木幼苗子葉節(jié)區(qū)下部出現(xiàn)中始式二原型單中柱及子葉與營(yíng)養(yǎng)葉不同跡，充分證明了幼苗子葉節(jié)區(qū)的原始性.二球懸鈴木幼苗的兩子葉跡匯合形成長(zhǎng)“V”字形.

3.2 子葉跡與營(yíng)養(yǎng)葉葉跡

子葉節(jié)區(qū)的子葉為二葉跡，而胚芽起源的營(yíng)養(yǎng)葉為三葉跡，由此可判斷營(yíng)養(yǎng)葉非子葉節(jié)區(qū)生成.子葉跡直接與子葉節(jié)區(qū)上部的管狀中柱相連接，既有子葉跡又有子葉隙.

3.3 連接區(qū)與過(guò)渡區(qū)

鑒于子葉節(jié)區(qū)上部的維管束類型已經(jīng)與莖的內(nèi)始式真中柱極為相似并且較短，即子葉節(jié)區(qū)上部至上胚軸苗區(qū)維管束的變化并不是特別激烈，所以特稱為子葉節(jié)區(qū)-莖連接區(qū).子葉節(jié)區(qū)下部與根之間雖然距離較短，但是變化明顯，所以特稱為子葉節(jié)區(qū)-根過(guò)渡區(qū).

3.4 擬分生組織

根據(jù)子葉節(jié)區(qū)理論[18]，幼苗子葉節(jié)區(qū)的中、上部分保留有一團(tuán)與頂端分生組織無(wú)關(guān)的分生組織性組織(meristematic tissue)，即擬分生組織.但是從二球懸鈴木幼苗橫切面上來(lái)看，從中部開(kāi)始形成具有髓的中始式二原型管狀中柱；縱切面上看，中上部的擬分生組織不明顯，這可能與選苗期有關(guān)，尚需進(jìn)一步探究.

3.5 子葉節(jié)區(qū)類型

子葉節(jié)區(qū)類型可分為5種類型[18]，其中頂枝伸長(zhǎng)型的特點(diǎn)為：子葉節(jié)區(qū)頗長(zhǎng)，幾乎占據(jù)整個(gè)下胚軸的全長(zhǎng).從系統(tǒng)發(fā)育來(lái)看，它相當(dāng)于由數(shù)次等二叉分枝的復(fù)合頂枝(syntelome)所衍生.其子葉柄稍下部的橫切面上，可以觀察到1～3或4至多枚子葉跡(偶數(shù)多跡).子葉節(jié)區(qū)下部和子葉節(jié)區(qū)-根過(guò)渡區(qū)甚短，其維管組織的向基過(guò)渡亦不甚激烈.子葉節(jié)區(qū)中部特長(zhǎng)，其維管組織向頂(子葉)方向的轉(zhuǎn)變十分激烈.在具頂枝生長(zhǎng)型子葉節(jié)區(qū)的幼苗，只存在短的子葉節(jié)區(qū)-根過(guò)渡區(qū)和子葉節(jié)區(qū)-莖連接區(qū).

根據(jù)二球懸鈴木的初生維管組織特點(diǎn)，其子葉節(jié)區(qū)類型屬于頂枝伸長(zhǎng)型.

國(guó)內(nèi)外，有關(guān)被子植物幼苗初生維管系統(tǒng)發(fā)育的研究，已經(jīng)積累了大量的資料，研究重點(diǎn)主要集中在初生維管系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)上.目前，關(guān)于植物初生維管系統(tǒng)根、莖過(guò)渡方式主要包括3種主要理論：

伊姆斯和麥克唐納(Eames and MacDaniels，1947)理論，這一學(xué)派認(rèn)為：根和莖是互相連續(xù)的結(jié)構(gòu),共同組成植物體的體軸.在植物幼苗時(shí)期的莖和根相接的部分，出現(xiàn)雙方各自特征性結(jié)構(gòu)，即根的初生維管組織為間隔排列，木質(zhì)部為外始式；莖的初生維管組織為內(nèi)外排列.木質(zhì)部為內(nèi)始式的過(guò)渡,即：根-莖過(guò)渡區(qū).過(guò)渡區(qū)通常很短，從小于1 mm到2～3 mm，很少達(dá)到幾厘米.過(guò)渡區(qū)發(fā)生在胚根以上的下胚軸的最基部、中部或上部，終止于子葉節(jié)上.在過(guò)渡區(qū)內(nèi)，表皮、皮層等是直接連續(xù)的，但維管組織要有一個(gè)改組和連接的過(guò)程.

Katherine Esau理論(1950)，主張幼苗可分成根-下胚軸-子葉與上胚軸苗等兩個(gè)單位, 上胚軸常似一種分離的結(jié)構(gòu)，生在根-下胚軸-子葉的單位上，根只與子葉之間存在維管組織的轉(zhuǎn)換，而與上胚軸(莖)間不存在過(guò)渡.就是說(shuō)下胚軸是根與子葉之間的過(guò)渡區(qū)，并非是“根-莖過(guò)渡區(qū)”.過(guò)渡區(qū)代表一種連接，這并不能認(rèn)為是介乎組織上有不同排列的兩種器官之間的連接，而應(yīng)看作是維管系統(tǒng)與葉子發(fā)育有關(guān)系的連接.因此，過(guò)渡區(qū)的研究必須說(shuō)明根的維管系統(tǒng)和最早葉跡之間的關(guān)系.并以甜菜幼苗為例，說(shuō)明雙子葉植物根和子葉連接的過(guò)渡區(qū).

子葉節(jié)區(qū)(Cotyledon node zone，1990)理論，谷安根等對(duì)毛茛科某些屬植物幼苗初生維管系統(tǒng)的發(fā)育方面做了大量研究，并探討了毛茛科不同屬間的中柱演化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了子葉節(jié)區(qū)理論，并就其在被子植物演化形態(tài)學(xué)上的應(yīng)用進(jìn)行了闡述.根據(jù)子葉節(jié)區(qū)理論，將雙子葉植物幼苗形態(tài)分為上胚軸苗區(qū)、子葉節(jié)區(qū)和下胚軸根區(qū).其中的植物子葉節(jié)區(qū)是種子蕨的孑遺部分，故可稱作幼苗的軸向原生體，而分別稱其上胚軸苗區(qū)與下胚軸根區(qū)均為其幼苗的軸向后生體部分.從系統(tǒng)發(fā)育來(lái)看，后兩者均由前者所衍生.本文驗(yàn)證了谷安根的子葉節(jié)區(qū)理論.