菱的絲狀結構是沉水葉還是同化根？——植物學教材質疑（四）

黎維平

（湖南師范大學生命科學學院,中國湖南 長沙 410081）

異形葉性（heterophylly）是指同一植株具有明顯不同形狀葉的現(xiàn)象,環(huán)境變化是導致異形葉性產生的主要原因之一。國內一本被廣泛使用的著名植物學教材[1]以菱（Trapa natans L.）為例,并配以照片,顯示菱的葉形因所處環(huán)境不同而發(fā)生顯著變化,以分別適應浮水和沉水生活。該教材指出,“菱的浮水葉扁平呈菱形,而沉水葉卻細裂呈絲狀”[1]。另有教材提到,菱有“羽狀細裂”[2]或“羽裂篦子形”[3]的沉水葉。菱沉水葉的形狀不同于浮水葉,細裂成絲狀,可解釋為通過擴大葉比表面積（表面積與體積之比）,利于吸收光照和CO2,是對沉水環(huán)境中缺乏光照和CO2的適應[1～3]。菱是著名的浮水植物,產于亞洲、歐洲和非洲,在澳洲和北美也有種植和逸生[4]。菱在我國各地廣泛分布,其葉形變化如此明顯,是闡述葉異形性的好材料。然而,相關教材描述的菱“沉水葉”[1～3]是葉嗎？

有的文獻[4]在對菱屬植物進行形態(tài)學描述時,在插圖中展示上述沉水絲狀器官,但是對這個結構只字不提而加以回避。國外一些著作和研究報道對菱的這一結構也未加以定性,而是分別描述性地稱之為“絲裂葉狀器官（filiform-dissected leaflike organs）[5]”“羽 狀 細 絲結 構 （fine,pinnate structures）[6～7]”和“根狀散布的綠色篦齒形器官（green root-like spreading pectinate organs）[8]”。Hummel等[6]和Ali等[7]在綜述時指出,至今對該器官的認識有3種不同的觀點,即此結構是葉、托葉或根。首先,一些文獻將此結構看成葉。上述植物學教材[1～3]將其稱為“沉水葉”,一些文獻也持相同觀點,把它說成是“羽狀深裂,裂片絲狀”的沉水葉[9～14]、“羽狀復葉（pinnately compound leaves）[15]”“羽狀細裂的沉水葉（finely divided feather-like submerged leaves）[16]”,或“裂葉（dissected leaves）[17]”。其次,刁正俗[18]提出,該結構屬于“托葉的變態(tài)”,“是由沉浸水中的托葉伸長”而成;Kubitzki[19]也將該結構稱為“沉水的絲裂托葉（submerged liform-dissected stipules）”。第三,早在1954年,傅家瑞[20]就提出該器官是同化根（photosynthetic roots）,但并沒有給出證據(jù),只是說“作者經(jīng)長期詳細觀察后,確認它是具有同化作用的不定根”。另一些學者也持相同觀點[21～26]。菱科（Trapaceae）僅 1 屬,即菱屬（Trapa L.）[21～26]。菱屬植物葉二型,沉水葉非羽狀絲裂葉,而是小而寬圓形早落葉,僅見于幼苗或幼株。同化根從沉水葉托葉邊緣發(fā)出,生于沉水葉葉痕兩側,對生或輪生狀,呈羽狀絲裂[21～26]。

菱屬沉水莖上著生的羽裂絲狀結構到底是葉、托葉還是根？學者們各持己見,各有證據(jù)[9～26]。各種觀點多基于形態(tài)標本觀察,或發(fā)育過程中的形態(tài)觀察。葉、托葉和根在發(fā)生部位、解剖結構上有明顯區(qū)別,通過解剖學觀察能解決這個長期爭論的問題。目前僅有一項研究[23]的結論基于解剖學證據(jù),但是其觀察較為簡略,文中只提供了一幅簡單的墨線圖,未能提供充分的證據(jù)。

本研究通過對菱有關結構的形態(tài)和解剖結構進行系統(tǒng)觀察,確認其器官性質,以期澄清這一長期爭論的問題,為改進植物學教材提供參考。同時,基于此研究,編寫了一植物學探究性實驗教學的新案例,以期培養(yǎng)學生的探究能力及批判性思維習慣和能力。

1 材料與方法

從長沙河西桃子湖取3株菱的莖及其節(jié)上著生的“沉水絲狀器官”。憑證標本LWP2006001保存于湖南師范大學植物標本館（HNNU）,標本鑒定依據(jù)Flora of China[26]。

切下沉水莖上1個具2“沉水絲狀器官”的節(jié)拍照。

用新鮮材料進行徒手切片,用番紅染色,然后將切片制成臨時裝片,同時將絲狀結構制成整體臨時裝片。使用Olympus CX31數(shù)碼成像顯微鏡對裝片進行觀察并拍照。

取莖及“沉水絲狀器官”,用FAA固定液固定。采用石蠟切片法制片,酒精系列脫水后,二甲苯透明,隨后番紅-固綠對染,最后中性樹膠封片,制成永久切片。于Olympus CX31數(shù)碼成像顯微下觀察永久切片并拍照。

2 結果

莖節(jié)的肉眼觀察結果顯示:“沉水絲狀器官”在沉水莖節(jié)上非對生,而是偏向莖一側;“羽狀細裂”結構并非呈羽狀,而是呈輻射狀伸展（圖1A）。莖節(jié)部橫切面的顯微觀察結果顯示:“沉水絲狀器官”屬內起源,發(fā)生于葉跡兩側的皮層最內方,為不定根（圖1B）。真正的沉水葉葉跡向兩側發(fā)出托葉。

整體裝片的顯微觀察顯示:絲狀結構的原始體突破不定根表皮,從其內部冒出（圖1C）;不久,其頂端有膜狀細胞層分離、脫落,是衰老的根冠細胞層（圖 1D）。

不定根橫切面的顯微觀察（圖1E,F）顯示:1）其內皮層凱氏點明顯;2）中柱鞘為1層細胞;3）木質部與韌皮部相間排列;4）初生木質部屬3～5原型,多為4原型;5）無髓,中央被后生木質部占據(jù);6）后生木質部與木質部脊（原生木質部）間缺乏導管分子（細胞）。此外,不定根發(fā)出的細絲為內起源的側根,發(fā)源于與初生木質部對著的中柱鞘（圖 1G）。

圖1H顯示,絲狀側根橫切面具有表皮、外皮層、中皮層、內皮層、中柱鞘、木質部和韌皮部等各種結構。其表皮細胞1層,無根毛,無葉綠體,外切向壁稍厚;外皮層細胞1～2層,特征是細胞明顯小于內部細胞,無細胞間隙,含葉綠體;中皮層由3層較大型的薄壁細胞組成,細胞間隙明顯,含較多葉綠體;內皮層細胞1層,較小,具凱氏帶;中柱鞘細胞1層,比內皮層細胞更小;木質部僅具1（～2）導管分子;韌皮部也不發(fā)達。

圖1 菱沉水莖、不定根及絲狀側根的形態(tài)和解剖結構（A）沉水莖（橫切）及其2不定根（不定根生有多數(shù)絲狀側根）（標尺:5 mm）;（B）莖節(jié)部橫切面（標尺:400 μm）;（C）不定根的側根將冒出（白箭頭所指）或已突破表皮（黑箭頭所指）（標尺:400 μm）;（D）絲狀側根上一些老的根冠（箭頭所指）已脫落（標尺:400 μm）;（E）不定根的徒手橫切面局部,示其維管柱結構（標尺:50 μm）;（F）不定根的橫切面局部,示具凱氏帶（光鏡下呈點狀）的內皮層、中柱鞘、初生韌皮部和木質部（標尺:10 μm）;（G）不定根橫切面,具2正發(fā)生的側根（標尺:150 μm）;（H）絲狀側根的橫切面局部（標尺:10 μm）。AR:不定根;ASC:莖皮層通氣組織;BS:托葉基部;CD:凱氏點;CP:葉綠體;E:表皮;ED:內皮層;EX:外皮層;LR:側根;LT:葉跡;MC:中皮層;MX:后生木質部;P:髓;PC:中柱鞘;PP:初生韌皮部;PX:原生木質部;X:木質部。Fig.1 Morphology and anatomy of the submerged stems,adventitious roots and filiform lateral roots in T.natans（A）A cross section of a submerged stem,from which two adventitious roots arise with a lot of filiform lateral roots（scale bar:5 mm）;（B）A sectioned node（scale bar:400 μm）;（C）Lateral roots are emerging（white arrows）and have just broken through the epidermis of the adventitious roots（black arrows）（scale bar:400 μm）;（D）Old root caps（arrows）of the filiform lateral roots have sloughed off（scale bar:400 μm）;（E）A free-hand transverse section of an adventitious root,showing the structures of its vascular cylinder（scale bar:50 μm）;（F）A partial cross section of an adventitious root,showing the endodermis with Casparian strips（look like dots under a microscope）,pericycle,primary phloem,xylems（scale bar:10 μm）;（G）A cross section through a adventitious root with two developing lateral roots（scale bar:150 μm）;（H）A portion of a cross section of a filiform lateral root（scale bar:10 μm）.AR:Adventitious roots;ASC:Aerenchyma of stem cortex;BS:Base of stipule;CD:Casparian dots;CP:Chloroplasts;E:Epidermis;ED:Endodermis;EX:Exodermis;LR:Lateral roots;LT:Leaf trace;MC:Middle cortex;MX:Metaxylem;P:Pith;PC:Pericycle;PP:Primary phloem;PX:Protoxylem;X:Xylem.

3 討論

“羽狀絲裂結構”,即植物學教材所說的“沉水葉”,在兩個層次上的起源和結構,都支持其為根,而不是葉,也不是托葉。

3.1 沉水莖上發(fā)出的非對生葉,而是不定根

沉水莖節(jié)上的葉和托葉早落[24]。圖1B顯示,沉水莖上著生的“羽狀器官”非外起源的葉,而是內起源的不定根。不定根起源于皮層最內方細胞,位置偏向于葉跡一側。

圖1E～G是不定根的橫切面。切面上顯示其內皮層的凱氏帶明顯,這還不足以證明此為根,因為沉水莖和有些沉水葉具吸收功能時,也具有內皮層。但是,如下結構足以證實其為根,而非葉軸,因為它們是根特有的:1）中柱鞘;2）初生木質部和初生韌皮部相間排列;3）中央非髓而是后生木質部。

3.2 絲狀結構是側根

本研究的一系列證據(jù)表明,絲狀結構并非絲裂的葉片,而是不定根上發(fā)出的側根。

3.2.1 絲狀結構非羽片

羽狀分裂的葉片由全緣葉演化而來,其裂片在一個平面上,至少從葉軸兩側發(fā)出的部位是整齊的。但通過對沉水莖進行肉眼觀察即可判斷,絲狀結構是呈輻射狀排列（圖1A）,并非兩列,所以稱其“羽狀”是不恰當?shù)?。解剖結構也顯示其在多個部位發(fā)生,向各個方向伸展（圖1G）。

3.2.2 絲狀結構為內起源的側根

若絲狀結構是葉裂片,應為葉原基的不均勻生長而延伸形成,不會是內起源。但是,絲狀結構起源于與原生木質部對著的中柱鞘細胞（圖1G）,為典型的內起源的側根。菱不定根的初生木質部多為4原型,即側根發(fā)生部位多為4個,在不定根表面常形成4列側根（圖1A）。

3.2.3 絲狀結構具根的特征

絲狀結構在發(fā)生時,即可見頂端分生組織,即分生區(qū)（圖1G）;在其突破不定根皮層、表皮后,可見其根冠（圖1D,G）。由于這些側根不與土壤顆粒接觸,而是懸浮在水中,無需通過根冠外圍細胞的黏液化來起潤滑作用,減少根前進中的摩擦力,所以隨著根的生長,老的根冠細胞就成層脫落（圖 1D）。

絲狀側根橫切面（圖1H）展示出了根的一般結構。其皮層分外皮層、中皮層和內皮層。外皮層細胞較小,1～2層,幾乎無細胞間隙,具有保護作用。內皮層具凱氏帶,為吸收功能所必需。維管柱由中柱鞘和維管組織組成。因該植物為水生,而且絲狀側根的功能已轉變?yōu)橐酝癁橹?所以維管組織很不發(fā)達,木質部僅有1～2個導管分子。

3.2.4 側根為同化根

將“羽狀絲裂”結構當作菱適應沉水生活的生態(tài)異型葉性的表現(xiàn),這顯然是錯誤的,但其的確行使沉水葉的功能。其外觀呈現(xiàn)綠色（圖1A）,這是皮層的同化組織所致。外皮層和中皮層的4～5層細胞均含有葉綠體,使得這些側根轉變?yōu)橐酝δ転橹鞯淖儜B(tài)器官,即同化根。

同化根不僅與沉水葉在內皮層、中柱鞘等基本結構上不同,還在其他方面不同于沉水葉。首先,沉水葉中葉綠體分布最多、綠色最深的部位往往是葉表皮;而菱同化根（圖1H）的表皮不含葉綠體,且外切向壁較厚。其次,沉水葉通常都有通氣組織;而菱同化根雖然有多層細胞但不具通氣組織,甚至細胞間隙都不夠發(fā)達。這些現(xiàn)象也許可歸因于同化根對同化功能的適應程度不夠高,還兼有根的吸收功能;又或許是因為菱的光合作用功能主要由浮水葉承擔,施加在同化根上的生存壓力不夠大。

4 一個新的植物學探究實驗:菱的絲狀結構是沉水葉還是同化根？

該研究所采用的技術是常規(guī)的切片,將石蠟切片改用徒手切片也可獲得較理想的結果,所以高中生和大學生均具備實驗操作能力。對于“羽狀絲裂”結構為何物的問題,學生完全可以根據(jù)實驗觀察,運用在植物學理論課所學知識,獨立地得出正確的結論。而且該項實驗可在1 h左右完成,也適合作為一個完整的實驗。該實驗不提供實驗操作方法、實驗原理和實驗步驟,學生必須且能夠進行實驗設計。該實驗結果推翻了權威教材的結論,對于培養(yǎng)學生的批判性思維習慣和能力,具有一定的價值。

筆者將這個案例編成如下探究性實驗項目:同一株水生植物的挺水葉、浮水葉和沉水葉在形態(tài)與結構上的適應性差異是植物異形葉性最好的一類示例。大家正使用的植物學教材以菱科的菱（Trapa natans L.）為例,展示了菱的葉形因所處環(huán)境不同而發(fā)生顯著變化,以分別適應浮水和沉水生活。該教材指出,“菱的浮水葉扁平呈菱形,而沉水葉卻細裂呈絲狀”。另有教材也提到菱具羽狀絲狀的沉水葉。但是,也有文獻認為該“羽狀絲裂”結構是同化根或變態(tài)托葉。請對燒杯中的實驗材料菱進行形態(tài)學和解剖學觀察,判斷其“羽狀絲裂”結構是沉水葉、同化根還是變態(tài)的托葉,并給出盡可能全面的證據(jù),運用這些證據(jù)論述你的觀點。

該探究性實驗已在中學生物奧林匹克競賽培訓中多次采用,大部分學生都能在1 h內完成實驗,并得出正確結論,作出較好的論述。實驗完成并得到老師的肯定之后,學生們的興奮之情溢于言表。老師在表揚之余,應指出同學們實驗和闡述的不足,指出如何改進實驗證據(jù)的收集,分析為什么有些學生對某些實驗證據(jù)視而不見,尤其是要教導學生在獲得科學證據(jù)之后,如何進行科學性、條理性和邏輯性均強而有力的論證。

筆者也推薦在大學植物學實驗課中采用此實驗,并建議在學習完植物營養(yǎng)器官形態(tài)結構知識后再開展此實驗,因為該實驗涉及到根、莖和葉的形態(tài)結構及變態(tài)器官、異形葉性等內容,具有較強的綜合性。