瀕危植物大花杓蘭（Cypripedium macranthos SW.）地下器官的形態(tài)解剖學研究

王長寶，徐增奇，王 鶴，唐 番

（佳木斯大學生命科學學院，黑龍江佳木斯154007）

瀕危植物大花杓蘭（Cypripedium macranthos SW.）地下器官的形態(tài)解剖學研究

王長寶，徐增奇，王 鶴，唐 番

（佳木斯大學生命科學學院，黑龍江佳木斯154007）

對瀕危植物大花杓蘭地下器官的形態(tài)進行了解剖觀察.結果表明：根狀莖皮層和髓部細胞儲存有豐富的淀粉粒，周木維管束在中柱內散生排列；不定根皮層組織發(fā)達，沒有發(fā)現(xiàn)共生真菌菌絲，內皮層木質化加厚細胞和通道細胞相間排列并分別與韌皮部和木質部對應；地下芽為混合芽，外被2～3層鱗葉和3～4層幼葉，頂部為花器官的芽體.大花杓蘭地下器官既是營養(yǎng)物質的存貯場所又是越冬的繁殖體；地上器官的基本結構在上一年越冬的地下芽中已經(jīng)形成；根部皮層細胞內沒有發(fā)現(xiàn)共生真菌，可能與材料采集的季節(jié)有關.

大花杓蘭；根狀莖；不定根；地下芽

大花杓蘭（Cypripedium macranthos SW.）是蘭科（Orchidaceae）杓蘭屬（CypripediumL.）多年生草本植物，主要分布于我國東北、內蒙古、河北、山西、“臺灣”等地，日本、朝鮮半島、俄羅斯也有分布［1］.由于其花大而美麗、觀賞價值高且野生種群日益減少，現(xiàn)已被列為國家瀕危保護植物［2－3］.近年來，關于大花杓蘭的研究多集中在瀕危機制、生物學特性、種子萌發(fā)及組織培養(yǎng)等方面［4－7］，對其地下器官的研究較少.為此，本文對其地下器官根狀莖、不定根及地下芽的形態(tài)進行了解剖觀察，以為進一步認識大花杓蘭的營養(yǎng)繁殖和進化適應性提供科學資料.

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料于2013年9月30日采自黑龍江省伊春市晨明林場，采集地地理位置為129°30′E，46°58′N，海拔496m.該地位于小興安嶺南麓，屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長寒冷，氣候干燥.極端最高氣溫38.2℃，最低氣溫－44.2℃，年均氣溫1℃；無霜期90～120d，降雨量550～670mm，干濕指數(shù)1.13～0.92.

1.2 方法

選取多年生植株的根狀莖、不定根及地下芽，分別用撕片法、切片法制作水封片和亞甲基藍（0.05%，0.1%）染色切片，利用Olympus-BH顯微鏡觀察、測量、拍照.

滴加0.1%碘化鉀-碘溶液驗證淀粉的存在.導管分離用Jeffrey離析液（10%鉻酸與10%硝酸等量混合液）在40℃條件下處理5h.

2 結果

2.1 根狀莖的形態(tài)解剖

大花杓蘭根狀莖粗短，節(jié)密集且有分枝，直徑4～7mm（見圖1A）.由于根狀莖每年不斷產(chǎn)生芽體和分枝并向四周擴展，一個多年生的根狀莖通常可達30cm以上.從外形上看，老的根狀莖被有1～2層易脫落的栓質化細胞構成的外被結構，呈黑褐色.各分枝頂端為當年的越冬芽，中間部位常殘留有歷年地上莖基部枯萎后的痕跡.

根狀莖橫切面呈橢圓形，由外到內依次為表皮、皮層、中柱（見圖1B）.表皮是一層緊密排列的磚形細胞，外切向壁加厚，無表皮毛（見圖1C）.皮層由15～20層近圓形薄壁細胞構成，厚度約1mm，細胞間隙不發(fā)達，富含球狀淀粉粒（見圖1B，C）.內皮層細胞體積較小且排列緊密，沒有發(fā)現(xiàn)凱氏帶和細胞壁次生加厚現(xiàn)象（見圖1D）.中柱內均勻分布有40～50個周木維管束，每個維管束的木質部圍繞韌皮部一周，呈同心圓排列.經(jīng)0.1%碘化鉀處理后，維管束中的木質部呈白色（見圖1B），滴加0.1%亞甲基藍染色后木質部為藍紫色（見圖1D）.髓位于根狀莖的中央，也是由一些富含淀粉粒的薄壁細胞組成，其中部分薄壁組織分散在維管束之間，呈輻射狀分布（見圖1B）.

2.2 不定根的形態(tài)解剖

大花杓蘭的根是由根狀莖產(chǎn)生的無分枝的不定根，一般每個節(jié)間5～6條，直徑1～1.5mm，長度可達50cm.當年生不定根乳白色，多年生不定根呈黃褐色.由于根狀莖短而密集，不定根簇生在一起呈須根系狀.

圖1 根狀莖和根的形態(tài)解剖

根的橫切面近圓形，表皮是1層排列緊密的方形細胞，外切向壁栓質化加厚（見圖1E，F(xiàn)）.皮層由7～10層薄壁細胞組成，占據(jù)根部的絕大部分體積，細胞體積較大，富含球形淀粉粒，但沒有觀察到真菌菌絲（見圖1E，H）.其中，內、外皮層細胞體積較小且扁平，排列緊密；內皮層次生加厚細胞和通道細胞相間排列，并與中柱內的韌皮部和木質部分別對應（見圖1F，G）.0.05%亞甲基藍染色后，可觀察到皮層細胞具有大而明顯的細胞核（見圖1F）.中柱所占比例較小，木質部為八原型和九原型，外始式發(fā)育，原生木質部導管小且在外側，后生木質部導管大排列在中央.韌皮部與木質部相間排列，也是外始式發(fā)育（0.05%和0.1%亞甲基藍染色后呈淡黃色和淺藍色，見圖1G）.離析處理后發(fā)現(xiàn)木質部導管主要有螺紋導管和梯紋導管兩種類型（見圖1I）.

2.3 地下芽的形態(tài)解剖

地下芽位于根狀莖分枝的頂端，直徑3～5mm，長3～4.5cm，五年生以上的植株越冬芽有5～7個，次年春天可產(chǎn)生叢生的小群體（見圖1A，圖2A）.大花杓蘭的地下芽是一種混合芽，芽體由外到內依次為2～3層鱗葉、3～4層幼葉、芽軸和頂端的花芽（見圖2B—D）.

圖2 地下芽的形態(tài)解剖特征

每年9月底至10月初，地下芽內已經(jīng)形成了地上器官的雛形，特別是對花器官的解剖發(fā)現(xiàn)，花部的各組成結構已經(jīng)發(fā)育完備（見圖2E—F）.從鱗葉的橫切面觀察，外側為排列緊密的上、下表皮細胞；葉肉無柵欄組織和海綿組織的分化，屬于等面葉；葉脈均勻分布其中（見圖2G）.大部分葉肉細胞富含淀粉顆粒，少數(shù)轉化為氣腔或針晶后含物的儲存場所（見圖2H）.外側鱗葉表皮細胞內也含有大量淀粉粒，無氣孔發(fā)育（見圖2I）.內側鱗葉的表皮細胞較小，寬大于長，已分化出氣孔器，保衛(wèi)細胞的排列與葉片伸長生長方向一致（見圖2J）.幼葉的結構與鱗葉基本一致，但在上下表皮分布有不分枝的多細胞非腺毛，葉緣處更加密集（見圖2K）.芽軸4～6節(jié)，節(jié)間明顯，將來發(fā)育成地上莖.從芽軸橫切面可明顯區(qū)分出表皮、基本組織和維管束3部分（見圖2L）.表皮層細胞較小，排列緊密，皮層細胞5～7層，外皮層細胞與表皮區(qū)別不明顯.髓部處于芽軸的中央位置，由貯藏淀粉顆粒的薄壁組織構成，少數(shù)細胞內積累有晶體后含物.外韌型維管束70～90個，散生在皮層與髓之間的基本組織中.

3 討論

大花杓蘭主要分布在北溫帶、特別是我國東北地區(qū)，這里冬季漫長，冰雪覆蓋長達4～5個月.大花杓蘭每年5月初開始萌動，5月中旬抽莖、展葉，6月進入花期，8—9月果實成熟，9月底地上部分開始枯萎［5］.因此，一年中絕大部分時間處于休眠期，而地下器官則成為越冬的方式，具有橫走的根狀莖和較粗的纖維狀不定根是其適應自然環(huán)境的重要特征.大花杓蘭地上器官經(jīng)過短短一個月的營養(yǎng)生長期就很快轉入生殖生長階段，這似乎不符合一般植物的生長規(guī)律.野外調查發(fā)現(xiàn)，每年春天，在上一年的地下芽伸出地面轉化為地上器官的同時，當年的隱芽也開始發(fā)育，并在地上部分枯萎之前形成新的越冬芽.即大花杓蘭的地上和地下部分同時進行著營養(yǎng)生長和生殖生長，這也得到了本研究解剖結果的證實：（1）根狀莖和不定根的薄壁組織富含大量淀粉顆粒，成為營養(yǎng)物質的儲存場所，且每年不斷向四周擴展；（2）越冬前，地下芽特別是花器官的基本結構已經(jīng)發(fā)育完成.大花杓蘭的上述特性是其長期適應營養(yǎng)繁殖的進化結果：首先，在自然條件下它的結實率很低，種子極小，難萌發(fā)，野外實生苗個體數(shù)量極少，營養(yǎng)繁殖在種群繁衍中占有重要位置［4］；其次，作為一種溫帶蘭科植物，生長季節(jié)相對較短，地下芽中已經(jīng)形成的花器官減輕了地上器官從營養(yǎng)生長到生殖生長花芽分化所需的時間壓力和營養(yǎng)供應矛盾.生殖成功是植物適應環(huán)境條件的重要組成部分，為了保證后代的生存，生物往往進化出一整套必要的生殖補償機制，保證物種繁衍的順利進行［8］.大花杓蘭較長的壽命和完善的地下器官保證了高效率的營養(yǎng)繁殖，植物體在營養(yǎng)物質的分配上也就更傾向于地下部分.

大花杓蘭不定根內皮層的通道細胞數(shù)目較多且與木質部脊直接對應，這種結構使根表皮吸收的水分經(jīng)過皮層后直接進入到木質部導管，提高了水分的運輸效率.與韌皮部對應的加厚細胞則起到了對皮層和中柱之間物質交流進行調控的功能.大花杓蘭根狀莖中較為進化的周木型維管束，在其他杓蘭屬植物中也得到了證實，這與蘭科被普遍認為是植物界最進化類群的觀點是一致的［9］.與李柏年報道的甘肅居群五原型大花杓蘭不同［10］，本實驗中大花杓蘭不定根的木質部為八原型和九原型.錢鑫等在扇脈杓蘭根中發(fā)現(xiàn)了四原型、五原型、六原型和八原型木質部；梁天干報道的3種武夷蘭花中分別為五原型、九原型和十一原型［9，11］.據(jù)此推測，木質部脊數(shù)存在的種間和種內差異與不同物種自身的遺傳特征有關，同時也可能受到環(huán)境中水、光照等生態(tài)因子的影響.

高倩等在對4種杓蘭的菌根結構及其周年動態(tài)的研究中認為，杓蘭屬植物根中存在著真菌入侵—消解的循環(huán)現(xiàn)象，看不到菌絲的根段，細胞內有較多淀粉粒，推測是正好處于兩個循環(huán)的間隙［12］.本研究中沒有發(fā)現(xiàn)地生蘭根中常見的共生真菌菌絲，薄壁細胞內富含大量淀粉粒，這可能是由于采集材料的時間處于枯萎期，上一循環(huán)入侵的菌絲已被消解吸收并轉化為越冬芽所需的營養(yǎng)物質，而下一次的入侵尚未發(fā)生.

地下芽伸出地面后，芽軸將發(fā)育成地上莖，芽軸的結構也就決定了莖的結構.大花杓蘭的芽軸橫切面絕大部分是細胞內富含淀粉顆粒的基本組織，為地上部分的生長發(fā)育提供了物質基礎.在近表皮的皮層組織沒有發(fā)現(xiàn)起加強和鞏固莖支持功能的厚壁細胞分化，但數(shù)目眾多的散生維管束外面被機械組織的鞘所包圍，為大花杓蘭提供了抵抗外力、避免倒伏的韌性與剛性.這種分布型的維管束既提高了物質的運輸能力又加強了莖的支持功能，是大多數(shù)單子葉植物莖的特點之一.

［1］ 郎楷永，陳心啟，羅毅波，等.中國植物志，第17卷［M］.北京：科學出版社，1997：34-35.

［2］ 陳心啟，吉占和.中國蘭花全書［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1998：14-115.

［3］ 羅毅波，賈建生，王春玲.中國蘭科植物保育的現(xiàn)狀和展望［J］.生物多樣性，2003，11（1）：70-77.

［4］ 劉祥君，馬漢喜.大花杓蘭瀕危機制研究［J］.國土與自然資源研究，1998（1）：67-69.

［5］ 李志清，潘曉茹，湯君，等.長白山區(qū)大花杓蘭資源調查及生物學特征研究［J］.林業(yè)實用技術，2010（6）：54-55.

［6］ 王艷麗，林昊，趙洪顏，等.大花杓蘭的組織培養(yǎng)與快速繁殖［J］.植物生理學通訊，2009，45（2）：155-156.

［7］ 張毓，張啟翔，趙世偉，等.大花杓蘭種子形態(tài)特征與生活力測定［J］.北京林業(yè)大學學報，2010，32（1）：69-73.

［8］ 張丙林，穆春生，王穎，等.五脈山黧豆開花動態(tài)及有性繁育系統(tǒng)的研究［J］.草業(yè)學報，2006，15（2）：68-73.

［9］ 錢鑫，李全健，連靜靜，等.珍稀植物扇脈杓蘭營養(yǎng)器官的解剖學研究［J］.植物研究，2013，33（5）：540-545.

［10］ 李柏年，高金城.大花杓蘭根結構的掃描電鏡研究［J］.甘肅科學學報，1993，17（2）：64-67.

［11］ 梁天干，鄭伸坤.三種武夷蘭花營養(yǎng)器官的形態(tài)解剖［J］.福建農(nóng)學院學報，1984，13（2）：147-155.

［12］ 高倩，李樹云，胡虹.四種杓蘭的菌根結構及其周年動態(tài)［J］.廣西植物，2009，29（2）：187-191.

Morphological and anatomical study on underground organs of endangered plant Cypripedium macranthos SW.

WANG Chang-bao，XU Zeng－qi，WANG He，TANG Fan
（School of Life Sciences，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

Morphology and anatomical structure of underground organs of endangered plant Cypripedium macranthos were studied in the present paper.The work showed that：large numbers of starch granules exist in cortex and pith，and amphivasal bundles distribute compactly in vascular cylinder.The root has well developed cortex，but mycorrhizal fungi were not observed in the cortical cells.Thickening cells and passage cells in endodermis arranged alternately with each other as that of xylem and phloem in vascular cylinder.Underground bud is a mixed bud which covered by 2～3layers of scale leaves and 3～4layers of young leaves with the flower bud at the top.Conclusion：underground organ is not only a locus where food materials saved but also a kind of propagule.Overground organs of C.macranthos has basically taken shape in its overwintering bud.Mycorrhizal fungi were not found in the cortical cells maybe the result of inappropriate collecting time.

Cypripedios macranthos；rhizome；adventitious root；underground bud

Q 944.3 ［學科代碼］ 180·5125

A

（責任編輯：方 林）

1000-1832（2015）03-0111-05

10.16163／j.cnki.22-1123／n.2015.03.023

2014-04-03

國家自然科學基金資助項目（81441132）；科技部國家科技基礎條件平臺國家標本平臺教學標本子平臺運行服務項目（2005DKA21403－JK）；黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541808）；佳木斯大學基礎研究重點資助項目（Sjz－2012－18）.

王長寶（1972—），男，博士，講師，主要從事植物分類與資源學研究.