白麻花蜜腺及花瓣乳突細胞的發育解剖學研究

石秋梅尹傳華王 虹張思敏張 科

(1.武夷學院茶與食品學院,福建武夷山 354300;2.新疆大學生命科學與技術學院,烏魯木齊 830046;3.中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室,烏魯木齊 830011)

白麻(Apocynum pictumSchrenk),夾竹桃科(Apocynaceae)羅布麻屬(Apocynum)多年生宿根草本植物,俗稱大葉白麻,異名為Poacynum pictum、Poacynum hendersonii或Apocynum hendersonii[1-2]。新疆為其主要分布區,分布面積約53萬hm2,占全國羅布麻總面積的40%,產量約5萬t,占全國產量的50%[3]。由于白麻具有極強的耐寒、耐旱及抗鹽堿能力而成為一種重要的生態型植物資源[4]。同時,白麻的花期長達半年,出蜜量每公頃達18～26 kg[5]。因而,白麻也是一種重要的蜜源型經濟植物,具有極大的應用開發價值。

花蜜富含人體健康所需的多種營養成分。有研究表明花蜜的主要成分除蔗糖、葡萄糖和果糖之外,還有氨基酸、蛋白質、維生素等[6-7]。隨著先進分析檢測技術的應用,還檢測到酚類、黃酮類及香氣等抗氧化物質[8]。蜜腺解剖學研究證明,蜜腺泌蜜方式多種多樣,泌蜜的方式與產生分泌細胞的組織類型有關;此外,蜜源植物泌蜜產量及蜜汁品質還與蜜腺形態結構有著密切聯系[7]。有關花蜜腺形態、類型、解剖學結構及后含物變化的研究報道有很多,近年來較多關注蜜腺的生態學作用[9]、蜜腺發育及花蜜分泌的分子機理[10-16],而且研究對象多以栽培植物為主。有關白麻這種抗逆性強、泌蜜量大的生態經濟型的野生植物的花蜜腺解剖結構特點、發育規律以及泌蜜機制的解剖學研究尚未見報道。因此,開展白麻花蜜腺的發育解剖學研究有利于加深對干旱區植物適生態適應性機制的理解,為白麻植物資源的開發利用提供理論依據。

本研究以新疆產白麻為試驗材料,基于石蠟切片技術并借助光學顯微鏡、掃描透鏡等儀器,分析白麻花蜜腺的形態特征、組織結構及其發生發育規律;同時,通過對石蠟切片組織化學染色研究,揭示白麻花蜜腺泌蜜的方式和規律,為進一步合理利用白麻植物資源提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料采自中國科學院新疆分院阜康實驗站鹽生植物園的栽培植株,白麻花期5-9月,采集現蕾期、花蕾膨大期、露冠期、初放期、盛花期和敗花期共6個花期的白麻花。在白麻栽培區隨機選擇采集植株約20 株,每個花期的鮮花采集約20朵左右。

1.2 方法

采集不同花期的新鮮白麻花,裝進干凈的青霉素瓶中,加入FAA 固定液固定,固定液配方為:90%的50%酒精+5%的冰醋酸+5%的福爾馬林,固定時間24 h以上。先加入番紅(在70%乙醇中)進行整體染色,再經從低濃度到高濃度的酒精(乙醇濃度:70%～100%)對花進行脫水,然后用二甲苯對脫水后的花做透明處理,再用石蠟包埋后進行切片(厚6μm),二甲苯進行脫蠟透明,再經從低濃度到高濃度的酒精(乙醇濃度:70%～100%)對花的石蠟切片進行脫水處理。為觀察分析花蜜腺分泌的淀粉粒、蛋白質和多糖化學成分,石蠟切片除了進行基礎的番紅-固綠對染外,還需分別進行碘-碘化鉀淀粉染色、考馬斯亮藍染色和多糖-高碘酸-席夫試劑染色(PAS反應)。染色后再用從低濃度到高濃度的酒精(乙醇濃度:70%～100%)對花的石蠟切片進行脫水處理,經二甲苯透明后,加拿大樹膠封片,在Nikon(E=2 000)顯微鏡下觀察并拍照。從每個花期各選擇5～10朵分別制作橫、縱切片,每個方向制備5～10個切片,每個切片觀察5～10個視野。

另取新鮮的白麻盛花期花朵,用CARON ACCESSORY 噴鍍儀對材料進行鍍金,并在LEO1430VP 掃描電鏡下觀察花瓣形態表面特征并拍照。此外,在OLYMPUS 雙目體視顯微鏡下觀察白麻盛花期花朵,并縱切,觀察蜜腺位置、形狀并拍照。

2 結果與分析

2.1 白麻花蜜腺的形態特征

在OLYMPUS雙目體視顯微鏡下對白麻盛花期花進行解剖觀察,白麻花的花色為粉紅色,花蜜腺著生于五淺裂的花盤裂片處,位于每一花絲基部內側,橢圓形,共5個(圖1-1,1-2)。此外觀察掃描電鏡圖,花瓣表面分布許多瘤狀乳突,表面細胞不平且具有紋理(圖2-1,2-2)。

圖1 盛花期白麻花朵縱切面圖Fig.1 Longitudinal section of flower at full-bloom stage

2.2 白麻花盤蜜腺發育過程

白麻花蜜腺和花瓣乳突細胞的發育可分為以下幾個階段。

2.2.1 現蕾期 隨蜜腺原基細胞不斷分化生長,花蜜腺隆起增大,位于花絲內側基部,形成有分泌表皮細胞、產蜜組織和尚未完全成熟微管束的橢圓形的花蜜腺(圖3-1,3-2)。花瓣的外表皮細胞發育形成許多乳突,內表皮細胞沒有乳突或分布很少(圖4-2)。

2.2.2 花蕾膨大期 隨著花蜜腺細胞的進一步發育,花蜜腺中的維管束清晰可辨,產蜜組織細胞比分泌表皮細胞大(圖3-2)。花瓣內外表皮細胞上的乳突分布增多,內表皮細胞的乳突比外表皮細胞乳突相對要大,內外表皮細胞的乳突數量相當,有的乳突的蜜汁完全分泌出去(圖3-3)。組織化學染色發現:在花蜜腺的維管束周圍有蛋白質顆粒積累,花瓣表皮細胞乳突也有較濃的蛋白質;PAS反應花瓣表皮細胞乳突出現玫瑰紅顏色的多糖物質,但花蜜腺產蜜組織和分泌表皮細胞中多糖的分布不太明顯;仍無淀粉顆粒。

圖3 花蜜腺解剖結構及發育過程Fig.3 Anatomical structure and development process of floral nectary

2.2.3 露冠期 此時期,花蜜腺分泌表皮細胞發生細胞變形并包進突起的角質層中,形成由表面角質層凸和分泌表皮細胞組成的指狀突起,向外分泌蜜汁,角質層并沒有破裂,產蜜組織細胞間有分泌道(圖2-3)。花瓣外表皮細胞乳中的蜜汁已分泌出去(圖4-4)。組織化學染色表明:花蜜腺的維管束周圍蛋白質顆粒積累增多,從維管束到分泌表皮的方向呈現出蛋白質濃度梯度,花瓣上的乳突被染成深藍色;P花瓣乳突中出現紫玫瑰色的多糖物質,花蜜腺中仍然沒有淀粉粒分布。

圖2 白麻花瓣表面掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrograph of Apocynum pictum petal

2.2.4 初放期 花蜜腺表皮細胞角質層和分泌表皮細胞一起向外形成指狀的突起,有多個細胞聚集到一個突起處,集中從指狀的頂端分泌蜜汁(圖3-3)。花瓣外表皮細胞乳突間有氣孔,花瓣兩表皮細胞的乳突開始發生變形萎縮,乳突內含物泌出,花瓣中間層細胞開始凋敗(圖4-5)。組織化學染色表明,在維管束周圍和分泌表皮細胞有蛋白質,花蜜腺的產蜜組織細胞中有淀粉粒分布;花蜜腺中的多糖的分布不明顯,而花瓣表皮細胞乳突有紫玫瑰色但變淡,有少量多糖類物質分布。

2.2.5 盛花期 花蜜腺表皮指狀突起不斷向外分泌蜜汁,角質層變厚,表皮分泌細胞小而細胞間隙變大,分泌道明顯,很容易區分角質層、分泌表皮細胞和產蜜組織細胞(圖3-4)。花瓣內外表皮細胞乳突大部分蜜汁已分泌出去,在花瓣的表面緊密排列,萎縮變形,花瓣中間層細胞嚴重凋敗(圖4-6)。組織化學染色表明:在靠基部花蜜腺的產蜜組織細胞有淀粉粒分布,其動態不明顯;在維管束周圍深藍色蛋白質,在產蜜組織中的藍色很均勻,濃度低,而分泌表皮和維管束周圍的濃度高;花蜜腺的PAS反應仍不明顯,花瓣表皮細胞乳突的著色也變淡變輕,花瓣乳突的分泌基本停止。

2.2.6 敗花期 此時期,花蜜腺極度的萎縮,花瓣細胞嚴重凋敗。在染色反應中,沒有相應的顏色反應現象。

3 結論與討論

3.1 白麻花蜜腺的形態和類型

從植物解剖學的角度可將蜜腺分為結構蜜腺和非結構蜜腺[17]。著生于花盤頂端裂片處的5個橢圓形蜜腺,位于每一花絲的內側基部,具有明顯的結構蜜腺特征,且與《西北蜜源植物及其開發利用》[18]中對白麻花蜜腺的描述及周玲玲等[19]對羅布麻Apocynum venetum花蜜腺觀察的結果相一致。如果按照蜜腺的形態和著生位置分類,白麻花的蜜腺又屬于花盤蜜腺[17],這與新疆阿魏[20]、紫蘇花的盤狀蜜腺相似[21],而與沙拐棗花[22]、杏花[23]、紫云英[24]、小花糖芥[25]及短果大蒜芥[26]的側半環蜜腺有所不同。

3.2 白麻花蜜腺的發生、發育特點及泌蜜方式

蜜腺是一種外部分泌結構,是植物器官表面一些細胞轉化而成的一種特殊腺體[17]。著生于花盤頂端的5個橢圓形蜜腺是由表皮細胞分化形成花蜜腺原基,花蜜腺原基細胞也隨之不斷的分裂形成具有分泌表皮、產蜜組織細胞和維管束的成熟蜜腺,而后分泌表皮細胞變形突起隨花蜜腺表面的角質層形成指狀結構,不斷向外泌蜜。至敗花期蜜腺分泌表皮細胞和花瓣表面的乳突變形萎縮,產蜜組織細胞凋敗,泌蜜停止。蜜腺石蠟切片觀察發現:花盤蜜腺分泌表皮外覆角質層沒有破裂,也未見蜜汁從氣孔泌出。因此,蜜汁可能是通過分泌表皮外覆角質層滲透到植物外。這與垂柳[27]、白三葉草[28]、香葉天竺葵[29]、臘梅[30]等的蜜汁從變態氣孔泌出不同,是白麻特有的泌蜜結構。

在白麻花蜜腺發育的過程中,花盤蜜腺中多糖物質不明顯,發育的早期沒有淀粉粒的分布,淀粉粒在初放期和盛花期出現在花盤蜜腺產蜜組織細胞中,蛋白質的消長明顯。

3.3 白麻花瓣表面乳突的發生、發育特點

白麻花蜜腺的結構具有一定的復雜性,除花盤裂片上5個橢圓形蜜腺外,花瓣內外表面還分布有單細胞乳突。花瓣外面表皮細胞比內面表皮細胞更早發育出乳突。在發育的早期,內表皮細胞乳突的數量較外表皮要少,但最終更多的乳突遍布在花瓣內外表皮。隨著花期推遲至盛花期,花瓣內外兩面表皮細胞緊密排列,花瓣中間層細胞凋敗,乳突中的物質較少,有的乳突中的內含物泌出,形成的空殼從花瓣上脫落,最終在敗花期乳突萎縮脫落,花瓣表皮細胞表面角質化。花瓣乳突細胞發育的過程中,多糖物質消長明顯,沒有淀粉粒分布,蛋白質的消長明顯。其他文獻亦報道具有分泌功能的類似結構。車曉芬[31]在毛茛科驢蹄草屬的驢蹄草Caltha palustris的花分泌組織上觀察到心皮外壁兩側有頂端明顯膨大且細胞核大、細胞質濃厚的單細胞毛,并認為這種細胞毛很可能具有分泌功能。茄科Schwenckia屬植物S.angustifolia和S.americanavar.americana的線狀和棒狀附屬物表皮最外層細胞為單細胞乳突結構,含有吸引傳粉昆蟲的酚類、脂類及揮發類物質[32]。Sulborska等[33]研究發現,野玫瑰(Rosa rugosa)花瓣近軸面表皮細胞會形成圓錐形乳突狀細胞,被大量角質層紋理覆蓋,分泌的香氣物質通過角質層滲透出。Li等[30]研究發現臘梅花香可能是由分布在最內層和中層花瓣近軸面表皮蜜腺氣孔散發出來的,而在花瓣背面幾乎沒有表皮蜜腺分布。Brehm 等[34]在植物Lasthenia chrysostoma的完整干燥花瓣,發現在其葉表皮乳頭狀突起細胞尖端有高濃度的、對吸引昆蟲采蜜有重要作用的類黃酮物質。T?lke等[8]研究發現,槭樹科的許多種類花蜜腺盤表面分布有單細胞乳狀突起,可分泌糖類、脂類和酚類物質。上述文獻所述花顯微結構中的單細胞乳突與白麻花瓣的類似,但白麻花瓣表面乳突細胞中的分泌物質有待進一步研究。隨著高效液相色譜、高效氣相色譜、質譜、等離子發射光譜等新興技術在花蜜化學分析中的應用,將有助于進一步從植物化學角度進行鑒定[35-36]。