莖和根幾個次生結構的探討
——植物學教材質疑(九)

黎維平

(湖南師范大學生命科學學院,中國湖南 長沙 410081)

中外植物學教材中,有幾個被子植物的次生結構長期被誤解或忽視,近年新編教材和修訂版本對教材的改進也都未涉及這幾個結構。在幾十年的教學中,筆者致力于突破這些難點。本文較詳細地分析了這些問題,并提出了兩個有關次生結構的探究性實驗,供植物學理論和實驗教材的編寫者、修訂者參考。

1 切向面上的年輪呈現“V”形還是“倒V”形？

木本植物次生生長的主要產物之一是次生木質部。次生木質部(木材)三切面(橫切面、切向切面和徑向切面)的形態特征以年輪或年輪線、木射線的形態為標志。

1.1 “V”形還是“倒V”形？

在切向切面上,年輪、年輪線為“V”形是中外植物學教材[1～21]的共識,圖1A被多本教材采用[1～4,6,8～9,11～12,14～16,18～21],也有教材采用圖 1B[17]。這是一個不小的錯誤。設想一下,一株真雙子葉植物的莖,其基部橫切面上有50個年輪,最新形成的年輪在最外方;從莖基到主干上端僅具1個年輪處,剝離出這個年輪,其為圓臺形;徑向切之,切點首先在圓臺上方,繼續往下切后,切面必為“倒V”形。所以,木本莖切向切面上的年輪形態應如圖1C所示,但只有少量教材[22～24]持有這種觀點。圖1A和B的另一個問題是,相鄰年輪的“V”形結構頂點相距太近,因為這個距離大致相當于莖在一年中的生長高度,應該遠大于年輪寬度,而不是像圖中顯示的那樣二者僅相差2～4倍。

1.2 “V”形年輪觀點來源

十多年前,筆者質疑教材上關于木材切向切面的年輪圖形時,有老師說見到的木材標本就和書本上所繪的“V”形一樣。那么問題出在哪里呢？筆者在多年的觀察中,也沒有找到支持本文觀點的完美實物。但筆者發現,同一木材切向切面上總可見到年輪既有“V”形的,也有“倒V”形的。原因是這些年輪通常是側枝(枝跡)橫切面上的年輪(枝跡的木質部)。側枝大都與著生處的主干同齡或稍年輕;當對主干徑向切時,就會對主干各節上的分枝進行不嚴格的橫切(枝跡通常向上傾斜著穿越主干),結果木材徑向切面上不可避免地會出現側枝橫切面上的年輪。多年生次生木質部的切向切面顯示,其不受側枝年輪干擾是不大可能的。年輪“V”形的結論可能是被側枝枝跡年輪橫切面誤導了;圖1A和B中年輪線縱向上的距離如此之小,也可用其實際上是側枝枝跡年輪(髓心在裸子植物中偏向上方,而在被子植物中偏于下側)的橫切面來解釋。所以,在受限于無理想實物照片的情況下,借助于幾何圖形,發揮學生的空間想象力,是教學中突破這一難點的可行途徑。

1.3 年輪、晚材與年輪線在圖上的標示

在年輪三切面照片、墨線圖上,各教材常將標為年輪線[15]或年輪[1～2,8,20,24]的引線指向年輪中窄窄的深色部分(圖1A),導致學生常將這些深色線條形結構理解為年輪線。實際上,這部分是晚材,而年輪線不是任何結構,僅為前一年的晚材和次年的早材間的界線。提醒學生注意晚材和年輪線的區別是很有必要的。編寫教材時,應在圖中避免年輪線這個抽象的結構以實物的形式被指出;年輪也不應僅指向晚材,可將早材和晚材分別指出,然后將二引線匯集到年輪一詞。

圖1 木材切向面上的年輪圖(A)引自馬煒梁[15];(B)引自Mauseth[17];(C)引自徐有明[24]。Fig.1 Illustrations of annual rings in tangential sections of woods(A)Cited from Ma[15],showing V-shape rings;(B)Cited from Mauseth[17];(C)Cited from Xu[24].

2 幼莖橫切面上的倒三角形射線是韌皮射線還是髓射線？

在有次生生長的一年生至幾年生幼樹莖的橫切面上,形成層外方緊挨著的結構有韌皮部和數個倒三角形結構(下文簡稱“倒三角”)(圖2)。“倒三角”是什么結構？對此,植物學教材有4種觀點:1)稱之為韌皮射線[8,11,14,25～29],expended phloem ray[5]或dilated phloem ray[13,29](膨大的韌皮射線),擴張的韌皮射線[22],或broad phloem ray(寬大的韌皮射線)[30];2)稱之為擴增的射線細胞(proliferated ray cells[17])。根據其上下文[17]關系,實際上該教材仍將其當作韌皮射線的一種特殊類型;3)認為其為髓射線[3,7,12,19]或髓射線擴展區[31];4)忽略其存在,不標注其名稱[15,32]。“倒三角”到底是什么結構？

2.1 “倒三角”主要是徑向延長、切向拉寬的髓射線外段

髓射線是薄壁組織,為初生結構,位于維管束之間,連接髓部和皮層。當束間形成層發生后,髓射線被隔成兩段:外側位于初生韌皮部之間,內側夾在初生木質部之間。在次生生長過程中,大部分植物的束間形成層向內、外添加射線薄壁細胞,延長射線。延長部分屬于次生結構,所以此后的髓射線不再是純粹的初生結構,而是兩端為初生射線、中間為次生射線的嵌合射線,建議稱之為“次生延長的髓射線(secondary extended pith ray,縮寫為 SEPR)”。

在木栓形成層尚未出現在次生韌皮部處之前,SEPR在形成層外側部分呈現倒三角結構。“倒三角”形成的機理包括兩個方面。首先,束中形成層細胞來自近等徑的髓射線細胞,其恢復分裂后為射線原始細胞,通過平周分裂延長髓射線。之后,束間形成層兩側的射線原始細胞轉化成紡錘狀原始細胞(而在束中形成層中,兩類細胞間轉化的方向通常相反,幾乎都是由紡錘狀原始細胞零零星星地轉化為射線原始細胞,以增加射線數量),束間形成層的射線原始細胞越來越少,延長的髓射線越來越窄,致使原先大致等寬的外側髓射線向內(向著束間形成層)逐漸成為“倒三角”。其次,莖因次生生長而增粗,各初生韌皮部間以及早期形成的次生韌皮部間的距離變大,特別是位于射線最外側、初生韌皮部之間的髓射線細胞被明顯拉寬,這也幫助了倒三角形態的形成。Mauseth[17]對倒三角結構的解釋是,某些射線的薄壁細胞通過分裂和擴展而擴增(“Parenchyma cells of some rays have proliferated through cell division and expansion”[17])。射線細胞發生了擴展(“expansion”),即被拉寬,Mauseth[17]的這一觀點與筆者的解釋類似。但他沒有注意到另一現象,即細胞越靠外被拉寬程度越大。特別是,他把“倒三角”外側細胞較多歸因于細胞分裂時,并未明確指出是什么細胞分裂。從“division and expansion”的邏輯主語是同一詞“cell”來看,該細胞指的是射線細胞,這與筆者關于射線原始細胞由多到少的解釋不同。“倒三角”兩側的次生韌皮部向內逐漸增加,韌皮部形成上窄下寬的梯形結構,這與束間形成層細胞逐漸由射線原始細胞轉變成紡錘狀原始細胞的現象十分吻合。當然,束中形成層通過細胞徑向分裂而增寬,這也是次生韌皮部逐漸變寬的另一原因。

“倒三角”不一定都是SEPR的一部分,不排除早期也有束中形成層產生倒三角形射線,但其遠不如髓射線的“倒三角”顯著,也較少見。

在有些論文[32～33]中,雙子葉植物一年生木本莖的模式圖未將已有顯著次生生長的髓射線韌皮部一側畫成倒三角形,而且將髓射線由里到外依次稱為木射線(xylem ray)、射線細胞(ray cell)和韌皮射線(phloem ray)。髓射線外側的倒三角形(橫切面)是早期木本莖的普遍現象,應加以呈現,而所謂“射線細胞”實為形成層的射線原始細胞(ray initial)。最值得注意的是,不應將髓射線這種初生射線與次生射線(包括木射線和韌皮射線)混為一談。

2.2 “倒三角”消失之因

“倒三角”是次生生長早期特有的現象,隨著新的木栓形成層在次生韌皮部中出現,部分SEPR細胞也脫分化成為木栓形成層細胞,“倒三角”立即或逐漸被埋沒在硬樹皮之中。最終,新周皮內方的SEPR寬度與其他維管射線無差別,“倒三角”消失。此外,隨著次生生長,SEPR數目固定不變,而次生射線不斷增加,SEPR在莖的射線中所占比例越來越少,最終可被忽略;SEPR的初生結構部分已失去功能,初生韌皮部間和初生木質部間的髓射線細胞分別埋沒在硬樹皮和心材之中,剩下的SEPR均為次生結構,本質上與維管射線無異。就像此時區分束間形成層和束中形成層沒有必要且也無可能一樣,此時再要區分SEPR和維管射線,也是不僅沒有必要(二者都是次生結構),也幾乎沒有可能(二者寬度和細胞類型均相似)。

2.3 束間形成層的其他活動情形

一些草本真雙子葉植物,如茄科的白英(Solanum lyratum Thunb.),在其次生生長過程中,束間形成層一開始就是紡錘狀原始細胞,通過切向分裂向內外分別產生維管組織和纖維細胞,并不延長髓射線,當然不會出現“倒三角”(黎維平,未發表)。棉[16](Gossypium sp.)和大豆[34](Glycine max)莖也存在此現象。

另一些植物,如葡萄(Vitis vinifera L.),其莖的束間形成層分為三部分,中間的細胞為紡錘狀原始細胞,在原有維管束間的髓射線處增加1個新的維管束;而兩側的束間形成層細胞為射線原始細胞,其切向分裂延長出兩條髓射線,因此,在其外側也可見兩個較小的“倒三角(IT)”(圖2C)。

圖2 木本莖橫切面(局部),顯示髓射線(A)5年生莖,其髓射線(PiR)已被與周邊組織剝離。引自馮燕妮等[35];(B)1年生莖,引自Evert等[13];(C)葡萄莖橫切面(自制、自拍),可見1束間形成層產生1次生維管束和2“倒三角(IT)”。Fig.2 Illustrations of transversal sections(a part)of wood stems,showing pith rays(medullary rays)(A)A five-year stem with a pith ray(PiR)stripped from the other adjacent tissues(cited from Feng et al.[35]);(B)A one-year stem with a pith ray called“dilated phloem ray”(cited from Evert et al.[13]);(C)The stem section(made and photographed by the author)of Vitis vinifera L.,showing two inverse trangles(ITs)produced by one interfascicular cambium.

3 根中“倒三角”射線

由于初生木質部和初生韌皮部相間排列,根無論有髓或無髓都不產生髓射線。但是根的次生結構中也會出現類似于“倒三角”的結構。這是何種結構？圖3[2,35]未對其標注,而有的教材將其標為髓射線[1,9]或維管射線[12,21～22,28,34]。根中“倒三角”當然不是髓射線(初生射線),而是完完全全的維管射線(次生射線)。

根的形成層是完全的次生分生組織(莖的束中形成層是初生分生組織,來自原形成層的短期休眠細胞),大部分來自初生韌皮部內方及其與初生木質部之間的薄壁細胞,初期在橫切面上為數個弧形的形成層片段;與原生木質部(木質部脊)相對的中柱鞘細胞恢復分裂后,加入形成層,將分離的弧形形成層片段連接起來,使早期的形成層在橫切面上為波狀形態。來自中柱鞘細胞的形成層部分為射線原始細胞,產生次生射線,即木射線和韌皮射線。

“倒三角”射線在根和莖中形成的機理顯著不同。在根中,隨著內方次生木質部增加,形成層被推向外方。外移的形成層為適應直徑擴大的需求,分生組織細胞徑向分裂。其中,來自中柱鞘細胞的形成層細胞為射線原始細胞,它們隨著形成層直徑增加逐漸增多。結果,由射線原始細胞所產生的子細胞分化而成的木射線在向外延伸中逐漸加寬,其在橫切面上呈現為“倒三角”形。所以,根和莖中的“倒三角”有3點主要差異(圖3B)[35]:1)根中的“倒三角”主要是次生木質部之間的木射線,而莖中的是韌皮部間的髓射線;2)在根的“倒三角”結構中,韌皮射線雖然量少,但為“倒三角”最寬的部分。根“倒三角”既含木射線,也含韌皮射線;而莖中的“倒三角”均是韌皮部間的射線,與木質部間射線無關;3)生長過程中,根的“倒三角”是由窄變寬、離心式延長,而莖的則是由寬變窄、向心式發展。

圖3 根結構(A)根次生結構圖解,引自陸時萬等[2];(B)南瓜老根橫切面圖,引自馮燕妮等[35]。PXV:初生木質部導管;SXV:次生木質部導管。Fig.3 Illustrations of root structures(A)Secondary structures of root(cited from Lu et al.[2]);(B)An old root section of Cucurbita moschata(cited from Feng et al.[35]).PXV:Primary xylem vessel;SXV:Secondary xylem vessel.

4 栓內層細胞的辨識

經過維管形成層一定時間的活動,初生保護組織(表皮)因受到來自莖增粗的壓力而面臨崩潰。于是,某些皮層細胞,有的植物也可以是表皮細胞,它們恢復分裂成為木栓形成層,向內產生栓內層,并向外產生多層木栓層細胞(在原有氣孔處可產生補充組織而形成皮孔),木栓層、木栓形成層、栓內層和皮孔共同組成次生保護組織(周皮)。周皮橫切面的特點之一是木栓層細胞、木栓形成層細胞和栓內層細胞排列整齊,每列細胞的徑向壁大致排成直線。

栓內層大多只有一層細胞,其在周皮橫切面上至少有如下3個特點:1)其為形成層原始細胞第一次平周分裂的產物,為該細胞的內側一半,內切向壁呈現弧形(因為原始細胞橫切面通常呈現多邊形);2)除外切向壁是新形成的壁外,其他各面保持原態,若原始細胞是厚角細胞,這些細胞壁也在角隅處加厚;3)與外方的木栓形成層細胞相比,栓內層細胞切向壁與之等寬,徑向壁則與之在一條線上。

圖4A[20]中被指為栓內層的細胞,其橫切面半圓形,符合一般規律。但其多個細胞的徑向壁并未與木栓形成層細胞在一條線上,尤其是其左起第5個細胞為從皮層插入的細胞,十分反常。此圖并未顯示栓內層的典型特征,不適合作為周皮模式圖。

圖 4B[36]被多本植物學教材[2～3,6,8～9,11,16,19,21,25,27,37]采用,可謂周皮的經典模式圖。但是,圖中所指的栓內層顯然有誤。圖中被指為栓內層的細胞是橢圓形、卵形,而且與其外側的細胞未對齊,外切向壁與其他壁一樣都較厚,顯然這層細胞仍是厚角組織,而不是木栓形成層平周分裂的產物。圖4B中被指為木栓形成層的這層細胞大多非扁平形,完全不會是木栓形成層細胞。如果這層是栓內層呢？該層左側第2～6個細胞具弧形內切向壁,符合栓內層細胞的特征,但右側4個同一層的細胞具平直的內切向壁,栓內層細胞的特征不典型。此外,這層左起第2、3個細胞與其上方的兩個細胞對應得很好,可推斷為上方木栓形成層細胞向內平周分裂而形成;但是,這兩個木栓形成層細胞向外對著1列而不是兩列木栓層細胞。這種現象可解釋為木栓形成層經過向外4次平周分裂產生了4個木栓層細胞;之后的第5次細胞分裂為徑向垂周分裂,形成兩個木栓形成層細胞;最后此2木栓形成層細胞同時平周分裂,向內產生栓內層細胞。但是,這一解釋存在兩個漏洞:1)這與木栓形成層原始細胞首先產生栓內層細胞的一般規律相違背;2)作為可塑性很強的初生壁,經過5次分裂后,分生組織細胞內切向壁仍保持為弧形,致使其向內產生的子細胞具有弧形且較厚的內切向壁,這種情況是不大可能存在的。退一步說,即使有這種情況,也是罕見現象,不適合當作模式。此外,圖中被指為“木栓”的多層細胞含木栓形成層(圖4B),稱“木栓”很不恰當。

圖4B還有一個問題是,周皮中外側一部分細胞(左起第6～8列)與表皮細胞整齊排列,可由此得出“木栓形成層來自表皮細胞的脫分化”的結論。但另一些細胞(如左起第2～5列和第9列)則從表皮下第2或3層細胞起才往內整齊排列,據此又可認為“木栓形成層來自表皮細胞下的第2或第3層細胞”。進一步觀察發現,右起第1～4列細胞的外側細胞徑向壁窄于內側細胞。如果它們是木栓層細胞,應早于內部細胞形成,成熟前的生長時間更長,應更大而不應小于內部后形成的木栓層細胞。從另一方面說,這幾列細胞的層數多于左側的周皮細胞,相鄰木栓層細胞有如此不同分裂速度很不尋常。如果這些細胞不是木栓層細胞,那它們為什么呈扁平狀？為什么與內側細胞排列整齊？總之,圖4B疑點頗多,不適合作為周皮的模式圖。

還有教材[19]對圖4B有不同的標注,將圖中標為栓內層的細胞標為木栓形成層,而將這層細胞內側與之鑲嵌排列而非徑向成列的一層細胞標為栓內層細胞。這就錯得更離譜了。

圖4 周皮橫切面圖(A)根周皮,引自廖文波等[20];(B)莖周皮,引自伊稍[36]。Fig.4 Illustrations of periderm sections(A)A root periderm section(cited from Liao et al.[20]);(B)A periderm section of stem(cited from Esau[36]).

5 關于次生結構的探究性實驗

同源器官的初生結構差異較小,而次生結構能較充分地體現植物結構對其功能的適應。反之,根據植物結構與功能相適應的原理,能深刻理解植物的結構特征。為了培養學生的觀察能力、分析問題的能力,筆者設計了下面兩個探究性實驗。

實驗1 實驗材料為3根長約3 cm、直徑0.2～0.3 cm的圓柱狀結構。其為取自同一株葡萄的莖、卷須和果序柄。請對材料進行橫切,根據結構與功能相適應的原理,判斷1～3號材料各是什么器官,并闡述理由。

實驗解析:1)切片、番紅染色、制作臨時裝片,在顯微鏡下觀察到圖5顯示的圖像。2)根據細胞小、扁平且徑向上排列整齊的特點,找到形成層區(CZ),辨別韌皮部(PP、SP)和木質部(SX、PX)。3)區分初生木質部(PX)和次生木質部(SX),進而區分導管(管腔較大)和木纖維(管腔小)。4)區分初生韌皮部(PP)和次生韌皮部(SP)。5)判斷材料1(圖5B)是卷須。判斷理由是,其次生木質部中纖維發達,適應卷須的支持功能;次生木質部含導管少,與卷須表面積和體積之比小而蒸騰作用弱相適應;韌皮部(SP)不發達,次生生長中增加的活組織很有限,這與卷須無貯藏、大量運輸有機物的功能有關。6)判斷材料2(圖5A)為莖。判斷理由是,其次生木質部(SX)中導管較豐富,利于水分運輸,因為莖上著生蒸騰作用旺盛的葉片;其韌皮部(PP和SP)較發達,利于運輸有機物,這也是莖的主要功能之一。7)判斷材料3(圖5C)為果序柄。判斷理由是,其與卷須相似,所連接的果實表面積和體積之比(比表面積)較小,蒸騰作用較弱,次生木質部(SX)缺乏運輸水分的導管(不同于莖),而具較發達的纖維利于支持果實;與卷須最大的不同在于,其次生韌皮部(SP)發達,利于為果實運輸有機物。

圖5 葡萄莖(A)、卷須(B)和果序柄(C)的橫切面(局部;自制、自拍),示維管組織CZ:形成層區;Pi:髓部;PP:初生韌皮部;PX:初生木質部;SP:次生韌皮部;SX:次生木質部。Fig.5 Transverse sections(a part,made and photographed by the author)of the stem(A),tendril(B)and peduncle of fruiting clusters(C)from a grape plant,showing vascular tissuesCZ:Cambium zone;Pi:Pith;PP:Primary phloem;PX:Primary xylem;SP:Secondary phloem;SX:Secondary xylem.

實驗2 實驗材料(4號)為1根長約3 cm、直徑0.2～0.3 cm的圓柱狀結構,取自另一物種。請對材料進行橫切,根據結構與功能相適應的原理,判斷其為莖、卷須和果柄中的哪類器官,闡述判斷理由,并與實驗1中同一類材料做比較,解釋二者差異的生物學意義。

實驗解析:1)切片、番紅染色、制作臨時裝片,在顯微鏡下觀察到圖6顯示的圖像。2)辨別形成層(CZ)、初生木質部(PX)、次生木質部(SX)、韌皮部活組織(LPT)和韌皮纖維(PF)。3)判斷4號材料為果柄。判斷理由是,其次生木質部不發達,與果柄及其所連接的果實的比表面積小而蒸騰作用弱相適應;果實的支持靠發達的韌皮纖維;其韌皮部活組織發達,利于果實生長和積累有機物。4)其與葡萄的果序柄屬同類結構,但適應對策有所不同,即對果實的機械支持,在葡萄中主要依靠木纖維,而4號材料[車厘子即歐洲甜櫻桃(Prunus avium L.)的果柄]則主要利用韌皮纖維(PF;圖6),體現了適應的多樣性。

圖6 車厘子果柄徒手切片橫切面(局部;自制、自拍)CZ:形成層區;LPT:韌皮部活組織;PF:韌皮纖維;Pi:髓部;PX:初生木質部;SX:次生木質部。Fig.6 A hand-cut transverse section(a part,made and photographed by the author)of a fruit stalk of Prunus avium L.CZ:Cambium zone;LPT:Living phloem tissues;PF:Phloem fibers;Pi:Pith;PX:Primary xylem;SX:Secondary xylem.