木賊類營養(yǎng)器官凱氏帶類型的新觀察

張倩倩，林曉艷，顧鈺峰，劉保東，*

(1 哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱 150025；2 黑龍江省普通高等學(xué)校植物生物學(xué)重點實驗室，哈爾濱 150025)

凱氏帶(Casparin strip)是由Robert Caspary于1865年在被子植物根內(nèi)皮層細(xì)胞壁上發(fā)現(xiàn)的一種加厚結(jié)構(gòu)，具有防御及選擇性控制物質(zhì)徑向運輸?shù)墓δ躘1-2]。隨著研究的深入，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)凱氏帶分布于被子植物葉的內(nèi)皮層[3]、莖的木栓細(xì)胞[4]、根的外皮層[5]等。近年來，在裸子植物根[6]和葉[7-8]的內(nèi)皮層上也發(fā)現(xiàn)了凱氏帶。此外，蕨類植物莖[9]和葉[10]的內(nèi)皮層上也有凱氏帶。目前對凱氏帶的研究主要集中在生理功能[11-13]和分子調(diào)控機(jī)制[14-16]等方面，如：玉米根凱氏帶對鑭離子具有阻滯作用[2]、CASPs家族和兩個低表達(dá)量的小肽影響擬南芥根凱氏帶的形成[17-18]。關(guān)于凱氏帶的化學(xué)成分即木質(zhì)素、多糖類和氨基酸等物質(zhì)的代謝、合成機(jī)理[6,19]等也是目前的研究熱點之一。

上述都是基于1層內(nèi)皮層細(xì)胞上的1條凱氏帶的研究，盡管在水稻[5]、白屈菜[20]等極少數(shù)植物根的外皮層中有過關(guān)于2條凱氏帶的描述，但都過于零散或僅輔以黑白簡圖。早在1933年Johnson[21]就關(guān)注過Equisetumscirpoide根雙內(nèi)皮層的問題，直到1983年的《維管植物比較形態(tài)學(xué)》中仍只用線條圖簡要勾勒了E.sylvaticum地下莖的內(nèi)外兩層內(nèi)皮層結(jié)構(gòu)[22]。古老的木賊科(Equisetaceae)具有復(fù)雜的地上莖、地下莖和根系，是研究植物營養(yǎng)器官起源演化的重要類群，遺憾的是除上述研究之外，至今未發(fā)現(xiàn)關(guān)于木賊科2條凱氏帶的報道。本研究從不同生境的木賊亞屬(Subg.Hippochaete)和問荊亞屬(Subg.Equisetum)[23]中選擇5個種，就地上莖、地下莖和根的內(nèi)皮層，尤其是凱氏帶的分布規(guī)律，首次進(jìn)行了比較觀察，發(fā)現(xiàn)地下部分都只有1條凱氏帶，地上莖多為2條凱氏帶。為維管植物營養(yǎng)器官的起源演化、凱氏帶的分子調(diào)控及生理功能等研究提供了新的資料，討論了地上莖與地下莖的結(jié)構(gòu)性區(qū)別，以及凱氏帶與厚壁組織的協(xié)作關(guān)系等。

1 材料和方法

1.1 材 料

5種木賊科植物的相關(guān)信息見表1。憑證標(biāo)本存于哈爾濱師范大學(xué)植物標(biāo)本室(HANU)。

表1 材料來源一覽表

1.2 方 法

觀察水問荊地下形態(tài)并拍照；選取5種木賊科植物的成熟營養(yǎng)器官，經(jīng)FAA固定、梯度酒精脫水、石蠟包埋等步驟進(jìn)行常規(guī)石蠟切片，切片厚度為8～10 μm，番紅-固綠對染，中性樹膠封片，用Olympus BX53顯微鏡觀察拍照，并選擇典型照片排版。

2 結(jié)果與分析

2.1 木賊亞屬營養(yǎng)器官凱氏帶分布

2.1.1 地上莖木賊(E.hyemaleL.)地上莖橫切面近圓形(圖版Ⅰ，1)，具有凹陷的氣孔(St)，厚壁組織(S)由4～15層細(xì)胞構(gòu)成，約10層嵌入薄壁組織(Pa)，薄壁組織中分布14～16個槽溝(V)，髓腔(P)約占總面積的二分之一。薄壁組織內(nèi)側(cè)有脊溝(圖版Ⅰ，2)，脊溝外側(cè)有維管束(圖版Ⅰ，3)，二者周圍有2層內(nèi)皮層圍繞，即外側(cè)內(nèi)皮層(紫虛線示)波折程度較大，內(nèi)側(cè)內(nèi)皮層(黃虛線示)波折程度較小，個別內(nèi)皮層細(xì)胞上有凱氏帶(CS，白箭頭示)。筆管草[E.ramosissimumsubsp.debile(Roxb. ex Vauch.) Hauke]地上莖(圖版Ⅰ，4)髓腔較大，有2層內(nèi)皮層(圖版Ⅰ，5)，外層(紫虛線示)波折程度較大，而內(nèi)層(黃虛線示)波折程度較小，細(xì)胞間有明顯的凱氏點(白箭頭示)。

2.1.2 地下莖木賊地下莖橫切面近圓形(圖版Ⅰ，6)，表皮下有6～7層細(xì)胞構(gòu)成的厚壁組織，薄壁組織中均勻分布著9～10個槽溝，中央的髓腔約占總面積的五分之一。脊溝位于維管束內(nèi)側(cè)(圖版Ⅰ，7)，每個維管束和脊溝都由1層內(nèi)皮層(黑虛線示)包圍，相鄰內(nèi)皮層細(xì)胞間有明顯的凱氏點(白箭頭示)，但靠近髓腔的內(nèi)皮層細(xì)胞和凱氏點不明顯。筆管草地下莖的結(jié)構(gòu)與木賊基本相同。

2.1.3 根筆管草根(圖版Ⅰ，8)由外及內(nèi)依次是表皮(E)、厚壁組織(S)、薄壁組織(Pa)及內(nèi)皮層(圖版Ⅰ，9，黑虛線示)。1層內(nèi)皮層的個別細(xì)胞上有凱氏帶(CS)，相鄰細(xì)胞間有凱氏點(白箭頭示)。維管束中央為后生木質(zhì)部管胞(MT)，周圍有4個原生木質(zhì)部管胞(PT)。木賊根的結(jié)構(gòu)與筆管草基本相同。

2.2 問荊亞屬營養(yǎng)器官凱氏帶分布

2.2.1 地上莖林問荊(E.sylvaticumL.)地上莖(圖版Ⅰ，10)的表皮下有厚壁組織和薄壁組織，薄壁組織中分布9個槽溝，中央的髓腔約占總面積的五分之一。只有1層內(nèi)皮層(黑虛線示)，內(nèi)皮層的相鄰細(xì)胞間有凱氏點(圖版Ⅰ，11，白箭頭示)。問荊(E.arvenseL.)地上莖(圖版Ⅰ，12；圖版Ⅱ，1)有2層內(nèi)皮層，2層內(nèi)皮層上都有凱氏帶(圖版Ⅰ，12，CS)和較明顯的凱氏點(白箭頭示)，外側(cè)內(nèi)皮層(紫虛線示)由一層細(xì)胞構(gòu)成，偶有相臨的多個內(nèi)皮層細(xì)胞愈合成復(fù)合內(nèi)皮細(xì)胞(complex endodermis cell)(圖版Ⅱ，1，CE)，外層(紫虛線示)波折程度比內(nèi)層(黃虛線示)大。水問荊(E.fouviatileL.)地上莖的結(jié)構(gòu)與問荊基本相同。

2.2.2 地下莖林問荊地下莖(圖版Ⅱ，2)只有1層內(nèi)皮層(黑虛線示)，細(xì)胞上有明顯的凱氏帶(CS)，相鄰細(xì)胞間有凱氏點(白箭頭示)。問荊和水問荊地下莖的結(jié)構(gòu)與林問荊基本相同。

圖版Ⅱ 3種木賊科(Equisetaceae)植物營養(yǎng)器官橫切及水問荊(Equisetum fluviatile L.)地下營養(yǎng)器官形態(tài)C.脊溝；CE.復(fù)合內(nèi)皮細(xì)胞；V.槽溝；CS.凱氏帶；VB.維管束；Pa.薄壁組織；E.表皮；FR.細(xì)根；Rhi.地下莖；Sh.芽；CR.粗根；Par.通氣道；S.厚壁組織；PX.初生木質(zhì)部；紫虛線示外側(cè)內(nèi)皮層；黃虛線示內(nèi)側(cè)內(nèi)皮層；黑虛線示單層內(nèi)皮層；白箭頭示凱氏點1.問荊地上莖復(fù)合內(nèi)皮細(xì)胞；2.林問荊地下莖內(nèi)皮層放大；3.水問荊細(xì)根橫切；4.水問荊地下營養(yǎng)器官形態(tài)；5.水問荊粗根橫切；6.水問荊粗根內(nèi)皮層放大。Plate Ⅱ Transverse section of vegetative organs of three species of Equisetaceae and the morphology of underground vegetative organs of Equisetum fluviatile L.C. Carinal canal; CE. Complex endodermis cell; V. Vallecular canal; CS. Casparian strip; VB. Vascular bundle; Pa. Parenchyma; E. Epidermis; FR. Fine root; Rhi. Rhizome; Sh. Shoot; CR. Coarse root; Par. Parichnos; S. Sclerenchyma; PX. Primary xylem; Purple dotted line shows that outer endodermis; Yellow dotted line indicates inner endodermis; Black dotted line illustrates single layer endodermis; White arrow shows Casparian dotsFig.1. Complex endodermis cell of aerial stem of E. arvense L.; Fig.2. Endodermis enlargement of rhizome of E. sylvalicum L.; Fig.3. Transverse section of fine root of E. fluviatile L.; Fig.4. Morphology of underground vegetative organs of E. fluviatile L.; Fig.5. Transverse section of coarse root of E. fluviatile L.; Fig.6. Endodermis enlargement of coarse root of E. fluviatile L..

2.2.3 根水問荊細(xì)根(圖版Ⅱ，3)由外及內(nèi)依次為表皮(E)、薄壁組織(Pa)、內(nèi)皮層(黑虛線示)及維管束(VB)，內(nèi)皮層細(xì)胞間的凱氏點(白箭頭示)較明顯。水問荊粗根(圖版Ⅱ，4)數(shù)量很少，呈光滑的圓柱狀，既不分節(jié)也不分枝，且無氣孔和根毛。表皮下有厚壁組織(圖版Ⅱ，5)，由2層細(xì)胞構(gòu)成，其內(nèi)側(cè)為薄壁組織，薄壁組織間有多數(shù)不規(guī)則的通氣道(Par)。只有1層內(nèi)皮層(圖版Ⅱ，6，黑虛線示)包圍著維管束，內(nèi)皮層細(xì)胞間都具有凱氏點(白箭頭示)，初生木質(zhì)部(PX)較均勻地分布于維管束中。林問荊和問荊根的結(jié)構(gòu)與水問荊細(xì)根基本相同。

綜上所述，本研究所觀察木賊科5個種地上莖、地下莖及根的凱氏帶特征歸納為表2。

表2 5種木賊科植物營養(yǎng)器官凱氏帶特征

3 討 論

部分學(xué)者根據(jù)木賊科地上莖分枝的多寡、常綠與否、孢子囊穗頂端是否為鈍形等特征，主張將木賊科分為兩個亞屬，即木賊亞屬和問荊亞屬[23-24]。而本研究所觀察的木賊科2個亞屬5個種的地下莖和根都只有1條凱氏帶。僅就地上部分而言，盡管木賊亞屬的木賊和筆管草都有2條凱氏帶，但問荊亞屬既有1條也有2條，如問荊亞屬的問荊和水問荊都有2條，而林問荊只有1條，所以筆者認(rèn)為，木賊類植物凱氏帶數(shù)量不能作為分類的依據(jù)。

就木賊類地上莖和地下莖的本質(zhì)而言，一般觀點認(rèn)為二者是相同的，因為地上莖一旦被埋入地下，其節(jié)上休眠的根原基就都能發(fā)育出正常的根[22]。而本研究對5個種的分析發(fā)現(xiàn)，僅林問荊地上莖和地下莖的凱氏帶數(shù)量相同，都是1條，而其余4個種的地上莖都是2條，地下莖都是1條，因此地上莖與地下莖是有顯著的結(jié)構(gòu)性區(qū)別的。木賊科地上莖多有2條凱氏帶，而地下莖和根都只有1條，就功能而言，地下部分的1條凱氏帶應(yīng)該不及地上部分的2條凱氏帶，但地下部分都有發(fā)達(dá)的厚壁組織或(和)與其緊密相連的表皮，這似乎表明厚壁組織或(和)表皮具有與凱氏帶相同的功能，這應(yīng)該與植物根系外皮層細(xì)胞壁加厚可以控制離子運輸?shù)挠^點[25-27]一致。

凱氏帶的主要功能是控制水分和離子進(jìn)出維管柱[2,27]，進(jìn)而對脅迫中的植物體起到保護(hù)作用[28-29]。本實驗發(fā)現(xiàn)，不同類型的凱氏帶防御能力也不同：2層公共內(nèi)皮層上的凱氏帶，既能保護(hù)維管束，也能抵御來自外界環(huán)境和內(nèi)部髓腔的傷害；1層散生內(nèi)皮層上的凱氏帶，只能保護(hù)其內(nèi)部的維管束，并不能阻止外界和髓腔的物質(zhì)交流；而1層公共內(nèi)皮層上的凱氏帶，只能抵御來自外界環(huán)境對維管束的傷害，卻不能抵御來自髓腔的傷害。因此，我們認(rèn)為3種類型凱氏帶的防御能力由強(qiáng)到弱依次是：2層公共內(nèi)皮層上的凱氏帶 > 1層散生內(nèi)皮層上的凱氏帶 > 1層公共內(nèi)皮層上的凱氏帶。此外，內(nèi)皮層的分化能夠阻斷相鄰細(xì)胞的質(zhì)外體運輸途徑，不僅能控制物質(zhì)進(jìn)入中柱[30]，也能阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)回流[12,31]，而問荊地上莖外側(cè)內(nèi)皮層中偶有多個內(nèi)皮層細(xì)胞愈合成較大的復(fù)合細(xì)胞，即復(fù)合內(nèi)皮細(xì)胞，該細(xì)胞似乎降低了物質(zhì)運輸效率，但從原生質(zhì)體的主動運輸能力來看，該類細(xì)胞應(yīng)該能增強(qiáng)內(nèi)皮層的雙向調(diào)控能力。復(fù)合內(nèi)皮細(xì)胞在真蕨類根、莖及葉中都較常見(論文將另文發(fā)表)，似乎表明木賊類與真蕨類[32]有著類似的演化淵源，而木賊類的復(fù)合內(nèi)皮細(xì)胞較少，從形態(tài)結(jié)構(gòu)與數(shù)量來看，似乎支持將木賊科歸為最原始真蕨類的分類方案[33]。