不同生境下陌上菜的形態解剖學比較

張欣欣，劉玫*，程薪宇，史傳奇，茹劍，孫閻

(1.哈爾濱師范大學生命科學與技術學院 黑龍江省分子細胞遺傳與遺傳育種重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025；2.黑龍江大學農業資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

廣義玄參科(Scrophulariaceae)是個大科，世界約有300屬4900種。中國約有62屬730～760種[1]。近年來，最新的形態學和分子生物學研究表明廣義玄參科不是單系的，其中一些屬被移出廣義玄參科，如婆婆納屬(Veronica)放入車前科(Plantaginaceae)，而其余的則分為7個類群: 玄參科(Scrophulariaceae), 婆婆納科(Veronicaceae), 列當科(Orobanchaceae), 蒲包花科(Calceolariaceae), 束梗孢科(Stilbaceae), 透骨草科(Phrymaceae)和母草科(Linderniaceae)[2-6]。母草屬(Lindernia)位于母草科(Linderniaceae)，為一年生草本植物，主要分布于亞洲的熱帶和亞熱帶, 少數種類分布在美洲和歐洲[7]，我國約有26種[8]。陌上菜(Linderniaprocumbens)是母草屬的模式種，分布廣，生長在我國的云南至黑龍江連線以東，受東南季風影響的濕潤地區。常見于水邊以及潮濕地，如稻田梗上。陌上菜的莖四棱形，基部多分枝。花冠粉紅色或紫色。蒴果，中軸胎座。種子多數，有格紋[8]。陌上菜是我國的傳統中藥，具有抗腫瘤的功效[9-11]，也是農業生產中的一種惡性田間雜草[12-13]。Jongduk等[14]指出陌上菜的莖具有小的蜂窩狀通氣道和大的車輪狀通氣道。花粉赤道面觀為橢圓形，極面觀為三裂圓形，三溝具溝膜，表面紋飾為細網狀[15]。其他相關的形態學研究未見報道。

研究植物在不同環境條件下的形態結構，對認識植物性狀的分類學價值具有重要意義，也將為植物生態演化研究提供一些基礎資料[16-25]。我們觀察到陌上菜的生長環境不是單一的，它可全株浸水，濕生(植株根部及部分地上部分浸水)或陸生(地表無水)完成生長發育過程。為了了解這一物種在不同生態環境下的形態結構，我們詳細研究了它的形態及結構，目的在于完善這一物種的形態學，揭示不同生態環境的結構特點，探討結構與環境的關系，為分類及系統學提供形態依據。

1 材料與方法

1.1 材料

陌上菜植株(包括種子)于2012年8月采自黑龍江尚志縣帽兒山稻田田埂上，經哈爾濱師范大學劉鳴遠教授鑒定，并將植株移栽于哈爾濱師范大學溫室中。將種子萌發的幼苗移栽到土壤中，模擬野外的生境，使植株完全浸水生長(簡稱水生)，植物根及莖的基部浸水生長(簡稱濕生)，及完全陸生(簡稱陸生)。待植株發育成熟時，分別取不同生境下營養器官及生殖器官作為研究材料。

1.2 方法

將成熟種子均勻地移到培養皿，使其萌發，觀察其種苗的發育形態特征。將材料(種苗，成株的根、莖、葉、子房及種子)固定于含70%酒精的FAA(formalin-acetic acid-alcohol mixture，福爾馬林-醋酸-酒精混合液)，時間不少于24 h。采用GMA(Glycol methacrylate，乙二醇甲基丙烯酸酯)切片法：所研究器官各取3份樣品，經50%酒精，100%酒精，異丙醇，和正丁醇脫水處理各2次，每次6 h。隨后，進入GMA中滲透3次，第1和2次各為1 d，第3次不少于5 d，之后將材料及GMA裝入無色膠囊，置于60℃溫箱24 h進行聚合[23]。用Leica Ultralcut R切片，厚度約2.5 μm。根據Feder和O’ Brien[26]的方法給材料染色。將切片置于DNPH (2, 4-二硝基苯肼)與冰醋酸混合水溶液30 min后流水沖10 min。之后，將切片置于高碘酸水溶液(0.1%)中10 min，流水沖5 min。之后，將切片置于希弗試劑30 min，流水沖10 min。然后用甲苯胺藍染色2 min，流水沖2～10 min。待切片干燥后用中性樹膠封片。

氣孔形態的觀察采用葉表皮撕取法，即撕取葉片上、下表皮，然后用50%甘油水溶液封片。

所有試驗結果經Olympus BX51顯微鏡觀察，Olympus DP70照相。

2 結果與分析

2.1 陌上菜種子及種苗的形態結構

種子從植株脫離后，落入水中，不經休眠便可萌發。萌發時，下胚軸及胚根伸出種皮。當根端伸出0.2～0.5 mm時, 可見下胚軸與胚根之間產生膨大的環狀突起，即根環(圖1L)。根環上先形成較多的小突起，2～3 d后這些突起發育成單細胞的下胚軸毛。下胚軸毛的延長生長快于胚根的生長，很快超過胚根的長度(圖1M,N)。種苗借助于下胚軸毛的固著，由平臥轉為直立生長。胚根進一步發育形成初生根。6～8 d后子葉脫離種皮，并展開變綠，但仍未見胚芽發育。隨著初生根的延長生長，產生根毛(圖1O)。

陌上菜成熟種子未從胎座上脫離時，其表皮細胞外壁上具泡狀突起(圖2B)。種子脫離植株后，處于干燥條件下突起變得扁平，泡狀結構消失。成熟的種子胚根端未完全分化，僅可見1～2層細胞，胚芽端未見分化(圖2A)。

子葉展開約15 d后第1枚真葉出現。子葉兩側均具氣孔，下胚軸和初生根具有通氣組織(圖2C)。

2.2 不同生境下陌上菜成株營養器官的形態結構

植株形態：陌上菜從子葉展開到植株開花結實歷經約為25 d。水生和濕生植株高為12～26 cm，前者的莖未見分枝，后者具較少分枝并有匍匐莖，匍匐莖的節上產生新的植株和不定根(圖1C)。陸生植株株高為8～20 cm，莖具有較多的分枝(圖1A)。陸生和水生植物無匍匐莖，后者莖的節上具有不定根(圖1B)。

根的結構：根表皮細胞為1層，形狀不規則，水生和濕生植株的表皮細胞外壁較陸生植株的薄(圖2F,G)。外皮層細胞較大，排列緊密。水生和濕生的植株具1層細胞，陸生的植株具1～2層細胞(圖2F，G)。水生和濕生植株的皮層與中柱的比例約為2∶1，具大的車輪狀通氣道10～12個。通氣道間的薄壁細胞萎縮，呈絲狀(圖2F)。陸生的植株皮層與中柱的比例約為0.5∶1，車輪狀通氣道8～10個，通氣道間的薄壁細胞較大，不萎縮(圖2G)。內皮層為1層細胞。水生和濕生植株的細胞較大，無凱氏帶(圖2F)，陸生的植株細胞較小，有凱氏帶(圖2G)。維管束：水生和濕生的植株初生木質部為3原型，不發達(圖2F)。陸生的植株韌皮部與木質部間具由1～2層細胞構成的形成層，有次生生長。次生木質部發達，占據了中柱的大部分，與次生韌皮部的比例約為5∶1(圖2G)。

莖的結構：水生植株的莖及濕生植株莖的基部為圓形，陸生植株的莖和濕生植株莖的上部為四棱形，具4個突起的棱角(圖2H，I1)。表皮為1層卵圓形或類方形細胞，排列緊密。水生植株的莖及濕生植株莖的基部無角質層，陸生植株的莖和濕生植株莖的上部具角質層(圖2H，I1)。外皮層為1層細胞，細胞較大，近圓形，排列較緊密。水生植株的莖及濕生植株莖的基部細胞內的葉綠體較陸生植株的莖和濕生植株莖的上部少(圖2H，I1)。水生植株的莖及濕生植株莖基部的皮層與中柱的比例約為1∶1，具小型的蜂窩狀通氣道(1～3個)和大型的車輪狀通氣道(17～19個)。通氣道之間具有1層薄壁細胞，細胞長方形，無葉綠體(圖2H)。陸生植株的莖和濕生植物的莖上部皮層與中柱的比例約為0.5∶1，棱角處各具1個纖維束，細胞壁厚，木質化程度高，具小型的蜂窩狀通氣道(6～8個)和大型的車輪狀通氣道(12～14個)。通氣道之間具有1層薄壁細胞，細胞方形，具葉綠體(圖2I1)。維管束6個，呈環狀排列，水生植株的莖及濕生植株莖基部的維管束較小于陸生植株的維管束，木質部及韌皮部較不發達，韌皮部外圍偶見韌皮纖維，而陸生植株的莖和濕生植株的莖上部的木質部及韌皮部較發達，韌皮纖維較多(圖2H，I1,I2)。髓由排列疏松的較大薄壁細胞所組成(圖2H，I1)。

圖1 陌上菜不同生境下植株及器官的形態特征Fig.1 The morphological characteristics of the whole plants and organs of L. procumbens in different ecological environment A： 陸生植株 Terrestrial plant; B： 濕水植株的匍匐莖 Stolon of hygrophilous plant; C： 水生植株的不定根 Adventitious root of submerged plant; D： 開放花 Chasmogamous flower; E： 閉鎖花 Cleistogamous flower; F： 開放花的解剖 Anatomy of chasmogamous flower; G： 子房基部的蜜腺 Gynobase nectar; H： 附屬物上的單細胞非腺毛 Monocelled nonglandular hairs on appendage; I： 附屬物上的具柄的多細胞腺毛 Pluricellular glandular hairs; J： 葉表皮氣孔 Stoma; K： 閉鎖花的解剖 Anatomy of cleistogamous flower; L： 下胚軸與胚根之間的根環 Collet between radical and hypocotyls; M, N： 下胚軸毛 Hypocotyl hairs; O： 初生根 Primary root. ar: 不定根 Adventitious root; st: 匍匐莖 Stolon; co: 根環 Collet; hh: 下胚軸毛 Hypocotyl hair; rh: 根毛 Root hair; ne: 蜜腺 Nectar. 比例尺 Scale bar: A: 2 cm; B: 3 mm; C-E: 1.5 mm; F, K: 1 mm; G: 0.5 mm; H, I: 1 μm; J: 5 μm; L-N: 10 μm; O: 50 μm.

圖2 陌上菜種子胚(縱切及橫切)、根、莖、葉和子房(橫切)的結構Fig.2 The anatomy of the seed embryo (longitudinal and transverse sections), root, stem, leaf and ovary (transverse section) of L. procumbens A： 種子胚 Seed embryo; B： 種皮上的突起 Projections on testa; C： 胚根 Radical; D： 幼嫩子房的中軸胎座 Axile placenta of young ovary; E： 成熟子房的特立中央胎座 Free central placenta of mature ovary; F： 水生植株根 Root of submerged plant; G： 陸生植株根 Root of terrestrial plant; H： 水生植株莖 Stem of submerged plant; I1，I2： 陸生植株莖 Stem of terrestrial plant; J： 水生葉 Submerged leaf; K： 陸生葉 Terrestrial leaf. vb: 泡狀凸起 Vesicular bulge; do: 子房隔膜 Diaphragm of ovary; dd: 退化的隔膜 Degenerated diaphragm; vc: 維管形成層 Vascular cambium; ae: 通氣組織 Aerenchymaes; wa: 車輪狀通氣組織 Wheel-shaped aerenchyma; ha: 蜂窩狀通氣組織 Honeycomb aerenchyma; f: 纖維 Fiber; cs: 凱氏帶 Casparian strip; ec: 葉表皮細胞 Epidermis cell; gs: 腺鱗 Glandular scale. 比例尺Scale bar: A, D, F, G: 10 μm; B: 5 μm; C, E: 50 μm; H, I1, J, K: 25 μm; I2: 20 μm.

葉的結構：陸生及濕生的植株非浸水葉片的結構相同，完全水生及濕生植株浸水葉片結構相同。故3種生境有2種類型葉片，水生(指浸水)和氣生(指非浸水)。前者葉的上、下表皮細胞內壁具明顯的向內突起，后者這種突起只存在于葉片的上表皮。2種葉片下表皮均具平列型氣孔(圖1J)及盾狀腺鱗(圖2J，K)。氣生葉具有柵欄組織和海綿組織，細胞排列緊密，葉綠體較多(圖2K)，水生葉無柵欄組織和海綿組織的分化，細胞排列疏松，葉綠體較少(圖2J)。水生維管束的導管木化程度較低，管壁較薄(圖2J)。氣生葉的維管束較水生的發達，導管及篩管的數量相對較多，導管的管壁較厚(圖2K)。

2.3 不同生境下陌上菜生殖器官的形態結構

陌上菜具有閉鎖花和開放花2種類型。不同生境的植株在第3對真葉出現時，莖基部第1對真葉的葉腋處發育出閉鎖花。在以后的發育過程中，水生的植株產生的花全部為閉鎖花，濕生的植株僅在莖的頂端產生開放花，陸生植株在莖頂端和中部產生開放花。閉鎖花具5枚花瓣，粉紅色，覆瓦狀排列，最外層的2枚花瓣合生。花柱短，柱頭下彎，花藥扣在柱頭上，在花冠的包被下放粉于柱頭上(圖1E，K)。開放花為唇形花冠，下唇大于上唇，前者具3裂，后者具2淺裂(圖1D)。花柱的柱頭2裂，子房基部具有環狀蜜腺(圖1G)。雄蕊4枚，其中2枚具附屬物。附屬物上具有單細胞的非腺毛和具柄的多細胞腺毛(圖1H，I)。閉鎖花和開放花形成的成熟果實均為卵球形蒴果，基部被宿存的花萼所包裹，胚珠多數。在胚珠發育的早期，子房明顯地分為2室，為中軸胎座類型(圖2D)。隨著胚珠的發育成熟，子房的隔膜消失，基部未見殘留的隔膜，僅具隔膜退化留下的痕跡，形成1室，為特立中央胎座(圖2E)。

3 討論

3.1 陌上菜種苗發育與水環境的相關性

陌上菜種子脫離胎座時，其表面具有的泡狀結構使其可以浮水傳播。在種子萌發時，下胚軸末端產生下胚軸毛，胚根在種苗萌發初期發育遲緩。這些特點存在于典型的水生植物中，如芡實(Euryaleferox)，睡蓮(Nymphaeatetragona)，蓮(Nelumbonucifera)，黑藻(Hydrillaverticillata)，澤瀉(Alismaplantago-aquatica)，慈姑(Sagittariasagittifolia)[27-33]。東北龍膽(Gentianamanshurica)也具這種發育方式[34-35]。劉鳴遠等[36]指出東北龍膽種子需要完全浸水才能萌發。我們曾將陌上菜的種子播于水分較少的土壤中，始終未見出苗(未發表)，由此可見陌上菜種子萌發條件以及種苗的發育與水環境密切相關。

3.2 陌上菜成株形態結構對不同生境的適應

學者們[14,37]指出，典型水生植物具有發達的通氣腔，機械組織不發達。這與陌上菜水生及濕生浸水部位的結構相同，而完全陸生的植株及濕生植株的氣生部位(指非浸水部分)有水生植物通常具有的發達通氣道和陸生植物通常具有的角質層及發達的機械組織。陸生植株根的次生生長使其具有較強的輸導和支持作用，進而適應陸地生活。

同一植株上同時形成開放花和閉鎖花可以保證植物的成功繁殖[38-46]。顯然，陌上菜形成的閉鎖花保證了水生植株的正常結實，開放式花則使得這一物種有機會異花傳粉受精，從而增加基因交流以提高變異比率及生存能力。

3.3 陌上菜胎座的分類價值

早期研究指出，母草科植物的胎座為中軸胎座[47-53]。而本研究顯示陌上菜為特立中央胎座，中軸胎座僅見于幼嫩的子房(圖2D)。石竹類植物的特立中央胎座皆是次生獲得的[54]，陌上菜胎座的發育過程與石竹類植物非常相似。廣義玄參科植物通常為中軸胎座，但存在一些變異類型，如地黃屬(Rehmannia)的胎座特點是子房下部2室，上部1室；水茫草屬(Limosella)中軸胎座的子房在基部2室，上部的隔障消失[47,55-58]。母草科其他物種是否為中軸胎座需要進一步研究，它不僅有助于了解胎座在科內的變化，并可用以探討這一科與廣義玄參科其他類群的關系。