矩鐮莢苜蓿地下莖次生結(jié)構(gòu)異常發(fā)育的解剖學(xué)研究

李永強(qiáng)，楊艷麗，劉濟(jì)澤，張京萍，方強(qiáng)恩

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，蘭州 730070)

青藏高原氣候寒冷干旱，惡劣環(huán)境在影響植物外部形態(tài)的同時(shí)，還改變了植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。植物為了適應(yīng)高原環(huán)境往往會(huì)發(fā)生組織結(jié)構(gòu)上的改變，例如，高原植物硬葉柳(Salixsclerophylla)主要通過增加葉片厚度來適應(yīng)高海拔地區(qū)的寒旱環(huán)境[2]。藏薺(Hediniatibetica)具有發(fā)達(dá)的木栓層與角質(zhì)層，是其適應(yīng)高寒環(huán)境的顯著特征[3]。蘋果屬(Malus)的幾種高山海棠在響應(yīng)高原干旱環(huán)境時(shí)，在解剖結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生多種不同的抗旱特征[4]。植物應(yīng)對(duì)寒冷干旱環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征不僅表現(xiàn)在地上部分[5]，地下器官在逆境下也會(huì)發(fā)生明顯變化[6]，其中，一些植物的根莖等部位在極端環(huán)境下可能會(huì)產(chǎn)生異常分裂的現(xiàn)象。郭偉娜等[7]研究發(fā)現(xiàn)秦艽(Gentianamacrophylla)根在生長中會(huì)發(fā)生分裂，這種分裂會(huì)產(chǎn)生加厚的木栓層。侯艷偉等[8]發(fā)現(xiàn)干旱缺水的環(huán)境會(huì)促進(jìn)棉刺(Potaniniamongolica)的分裂生長。楊瑞麗等[9]認(rèn)為長葉紅沙(Reaumuriatrigyna)莖基部的分裂可以使植株在干旱環(huán)境中提高吸水效率。植物在生長過程中產(chǎn)生的分裂現(xiàn)象對(duì)其應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境具有重要的生態(tài)意義。

矩鐮莢苜蓿(Medicagoarchiducis-nicolai)別名青藏扁蓿豆[10]，廣泛分布于青藏高原及其邊緣地帶的高海拔寒冷干旱地區(qū)[11-12]，具有發(fā)達(dá)的地下莖系統(tǒng)[13-14]。矩鐮莢苜蓿是青藏高原特有的一種豆科植物[15]，其對(duì)高寒環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理尚不清晰。根據(jù)上述植物結(jié)構(gòu)特征對(duì)逆境的適應(yīng)性分析，本研究提出一種假設(shè)，認(rèn)為矩鐮莢苜蓿也可能通過地下器官產(chǎn)生異常結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)青藏高原的寒旱環(huán)境。為了驗(yàn)證該假設(shè)，本研究采用石蠟切片法對(duì)矩鐮莢苜蓿不同部位的地下莖進(jìn)行解剖，觀察其初生結(jié)構(gòu)與次生結(jié)構(gòu)的變化，以期在組織解剖學(xué)層面探明矩鐮莢苜蓿對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為祁連山東段高山草甸(E103°46′，N 37°55′)自然生長的矩鐮莢苜蓿。該植物地下橫走莖頂端幼嫩部分呈白色，從頂端到基部(接近根頸處)，顏色由白色逐漸變?yōu)辄S褐色、黑褐色，頂端明顯粗于基部。

1.2 試驗(yàn)方法

在2021年 6月，隨機(jī)挖取生長良好的矩鐮莢苜蓿多株，剪取生長狀態(tài)一致的地下莖5根。依據(jù)地下莖顏色不同分4段取樣：頂端白色莖段、中部黃褐色莖段、中后部黑褐色莖段和最基部莖段(最細(xì)部分)。使用雙面刀連續(xù)切段并編號(hào)記錄，每段切取長度5 mm，5個(gè)重復(fù)。切取時(shí)避開生長節(jié)。

采用常規(guī)石蠟切片法制片。材料統(tǒng)一使用FAA(70%乙醇溶液∶冰乙酸∶甲醛=18∶1∶1)固定，低溫4 ℃保存。使用乙醇進(jìn)行梯度脫水，經(jīng)透明、浸蠟、包埋等過程，選擇厚度范圍10 μm進(jìn)行切片。烘片后采用番紅-固綠染色，中性樹膠封片。使用Motic Panthera U生物顯微鏡觀察分析，Motic Images Plus 3.0軟件拍照、測量、處理。放大倍數(shù)為10×、40×、100×。

2 結(jié)果與分析

2.1 矩鐮莢苜蓿地下莖的初生生長

矩鐮莢苜蓿地下莖頂端白色幼嫩莖段橫切面卵圓形，由外向內(nèi)依次為表皮、皮層和維管柱。表皮細(xì)胞小而緊密，排列整齊(圖1，Ⅰ、Ⅲ)。皮層約由10層薄壁細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞較大且充盈，中部皮層細(xì)胞大，細(xì)胞間隙明顯。維管柱橫切面整體呈卵圓形，包括髓與維管束。髓射線連接著皮層和中央髓，清晰可見，把維管柱分隔出10個(gè)大小不一、形狀不規(guī)則的維管束，呈環(huán)狀排列。在初生生長過程中，表皮和髓變化不大。維管束細(xì)胞切向和徑向生長明顯，相鄰維管束彼此逐漸靠近，其中有一個(gè)維管束往往生長較快，兩側(cè)髓射線較寬(圖1，Ⅰ、圖1，Ⅲ圓圈內(nèi))。維管束內(nèi)部(圖1，Ⅱ、Ⅳ)，初生木質(zhì)部生長快于初生韌皮部，其導(dǎo)管增加至2到3層，導(dǎo)管管壁加厚，初生韌皮部變化不明顯。

E.表皮；C.皮層；PI.髓；PIR.髓射線；VB.維管束；PVB.初生維管束；PX.初生木質(zhì)部；PP.初生韌皮部；FC.束中形成層；PE.周皮；IFC.束間形成層；X.木質(zhì)部；SX.次生木質(zhì)部；P.韌皮部；MV.后生木質(zhì)部導(dǎo)管；PF.韌皮纖維；V.導(dǎo)管分子；S.篩管分子；CC.木栓形成層；PH.木栓層；PD.栓內(nèi)層；CA.形成層。下同；Ⅰ示地下莖距莖尖1.5 cm處白色芽橫切結(jié)構(gòu)，圓圈示突出的維管束(Ⅲ同)；Ⅱ示Ⅰ的1個(gè)維管束；Ⅲ示地下莖距莖尖4.5 cm處白色芽橫切結(jié)構(gòu)；Ⅳ示Ⅲ的1個(gè)維管束及其髓射線；Ⅰ、Ⅲ圓圈示生長較快的維管束

2.2 矩鐮莢苜蓿地下莖的次生生長

次生生長前期，地下莖表皮細(xì)胞仍保持小而緊密的正方形狀態(tài)，但從整體來看，有些部位的表皮逐漸向內(nèi)凹陷(圖2，Ⅰ、Ⅲ)，外皮層薄壁細(xì)胞不再保持充盈狀態(tài)，而是發(fā)生皺縮，形狀極不規(guī)則。隨著次生生長的進(jìn)行，凹陷區(qū)域及其凹陷深度逐漸增加，皮層進(jìn)一步皺縮并變薄，皮層細(xì)胞扁平。次生生長初期，地下莖的髓變化不大，但其相對(duì)于初生結(jié)構(gòu)的比例有所降低。地下莖維管柱次生生長明顯，伴隨著各維管束的生長連接，維管柱形成一個(gè)較大的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。其中，部分韌皮薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)化為極發(fā)達(dá)的韌皮纖維，幾乎相連接成環(huán)。在初生韌皮部以內(nèi)的相鄰部分，可見4到7個(gè)篩管分子(圖2，Ⅳ箭頭指向)。在木質(zhì)部與韌皮部之間，束中形成層處于持續(xù)分裂分化狀態(tài)，細(xì)胞呈狹長狀。形成層內(nèi)側(cè)，大部分木質(zhì)部導(dǎo)管分子尚未發(fā)育成熟。在維管柱外側(cè)，特殊的環(huán)狀木栓形成層緊靠韌皮部(圖2，Ⅱ～Ⅳ)，其細(xì)胞逐漸變?yōu)楠M長狀(圖2，Ⅳ)，約有2到3層，處于持續(xù)分裂狀態(tài)，形成完整的環(huán)狀。

隨著矩鐮莢苜蓿地下莖的進(jìn)一步次生生長，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。木栓形成層后于維管形成層環(huán)出現(xiàn)，在次生生長中逐漸分裂分化，最終形成周皮(圖2，Ⅴ箭頭指向)，伴隨著皮層與表皮的脫落，這層周皮將成為地下莖的最外層。切片顯示(圖2，Ⅴ、Ⅵ)，隨著維管束次生生長與擴(kuò)張，地下莖內(nèi)部變化較大。木栓形成層分裂分化而形成成熟的周皮，周皮外的死細(xì)胞不斷堆積加厚，形成一圈完整的保護(hù)層。在這個(gè)次生結(jié)構(gòu)中，由于表皮及皮層的脫落消失，木質(zhì)部與形成層等的發(fā)育及加厚使得維管柱不斷擴(kuò)大，維管柱中可見大面積被染成紅色的發(fā)達(dá)木質(zhì)部，大體呈扇形(圖2，Ⅵ圓圈內(nèi))。木質(zhì)部層層加厚，外側(cè)可見排列整齊的次生木質(zhì)部導(dǎo)管。中間的次生木質(zhì)部導(dǎo)管散亂排列，導(dǎo)管較大，管壁明顯加厚。髓開始發(fā)生變形(圖2，Ⅵ)。

Ⅰ、Ⅲ示地下莖次生生長前期的變化過程；Ⅱ、Ⅳ分別示Ⅰ、Ⅲ的1個(gè)維管束的次生生長變化，箭頭指向?yàn)楹Y管分子；Ⅴ示地下莖次生生長后期1個(gè)維管束正常發(fā)育的結(jié)構(gòu)，箭頭指向?yàn)槌墒斓闹芷ぃ虎鍪镜叵虑o次生生長后期2個(gè)維管束正常發(fā)育的結(jié)構(gòu)，圓圈示1個(gè)維管束的發(fā)達(dá)木質(zhì)部，可見散亂的大導(dǎo)管

2.3 矩鐮莢苜蓿地下莖次生結(jié)構(gòu)的異常發(fā)育

矩鐮莢苜蓿地下莖周皮的發(fā)生方式較為特殊(圖3，Ⅰ、Ⅱ)。外周皮來源于內(nèi)皮層薄壁細(xì)胞發(fā)育而來的木栓形成層，在地下莖表皮與皮層脫落消失后成為地下莖的最外層，并能進(jìn)一步次生生長，向內(nèi)部彎曲延伸。隨著地下莖次生生長程度進(jìn)一步加深，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始表現(xiàn)出多個(gè)異常現(xiàn)象。通過解剖結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)來看，首先，由于維管束不規(guī)則的次生生長，髓被擠壓成橢圓狀或條狀(圖2，Ⅴ、Ⅵ)。髓薄壁細(xì)胞進(jìn)一步分化形成了環(huán)狀的內(nèi)周皮，部分地下莖隨次生生長而產(chǎn)生了裂隙(圖3，Ⅴ、Ⅵ)。矩鐮莢苜蓿的兩種周皮均可卷曲延伸，分裂地下莖，且在此過程中可產(chǎn)生極厚的木栓層(圖3，Ⅱ、Ⅲ)。

其次，維管束存在不均衡發(fā)育的現(xiàn)象。在次生生長后期，矩鐮莢苜蓿的地下莖逐漸變細(xì)，其次生結(jié)構(gòu)維管束大小不一，只有少數(shù)次生維管束正常發(fā)育。切片顯示，成熟的地下莖內(nèi)只有1～3個(gè)維管束正常發(fā)育(圖2，Ⅴ、Ⅵ；圖3，Ⅴ)，形成明顯的次生結(jié)構(gòu)，其余維管束保持著初生狀態(tài)，正常發(fā)育的次生維管束占據(jù)其原維管柱的大部分，木質(zhì)部發(fā)達(dá)，導(dǎo)管密集。地下莖中心部分的髓均受到擠壓開始發(fā)生變化，位于次生維管束的中間或一側(cè)(圖2，Ⅴ、Ⅵ)。未進(jìn)行次生生長的維管束的木質(zhì)部幾乎與初生結(jié)構(gòu)時(shí)相同，僅見少量較小的木質(zhì)部導(dǎo)管。

此外，隨著上述異常結(jié)構(gòu)進(jìn)一步生長，可以看到地下莖發(fā)生了分裂，這種分裂有兩種方式。一種是周皮向內(nèi)隘縮造成內(nèi)卷(圖3，Ⅰ～Ⅲ)，表現(xiàn)為一個(gè)維管束超常發(fā)育，占據(jù)橫切面大部，但偏向一側(cè)，另一側(cè)的部分維管束被擠壓至維管柱之外，形成層產(chǎn)生大量薄壁細(xì)胞填充至二者之間，這些細(xì)胞可以分化形成周皮，使得一端或兩端的周皮向內(nèi)凹陷卷曲，不斷延伸，將維管束包裹(圖3，Ⅰ、Ⅲ箭頭指向)，并逐漸從外到內(nèi)分裂為兩個(gè)大小不一的地下莖(圖3，Ⅳ)。另一種是維管柱中心髓的分化造成的分裂(圖3，Ⅴ)，表現(xiàn)髓薄壁細(xì)胞進(jìn)一步分化產(chǎn)生環(huán)狀內(nèi)周皮，并使髓逐漸空心化，產(chǎn)生裂隙(圖3，Ⅵ)。內(nèi)周皮逐漸向外延伸，包裹部分正常發(fā)育的維管束，與外周皮相連后，將地下莖從內(nèi)到外分裂為多部分。這兩種分裂方式結(jié)果相似，都會(huì)將原地下莖分裂為多束。但暫未觀察到兩種分裂方式同時(shí)進(jìn)行的現(xiàn)象。

3 討 論

3.1 矩鐮莢苜蓿地下莖周皮的特殊發(fā)生方式及意義

周皮是由木栓形成層向內(nèi)分生栓內(nèi)層、向外分生木栓層所形成的次生組織[16]。通常情況下，莖的木栓形成層發(fā)生于鄰近表皮的外皮層薄壁細(xì)胞，根的木栓形成層一般來源于維管柱鞘[17-18]。在本研究中，矩鐮莢苜蓿地下莖的木栓形成層較為特殊，其來源于維管柱外側(cè)、緊鄰韌皮部的內(nèi)皮層薄壁細(xì)胞，這與豆科植物甘草(Glycyrrhizauralensis)的地下莖木栓形成層發(fā)生方式相似[19]。內(nèi)皮層木栓化后，將地下莖的維管柱與皮層和表皮隔開，在次生生長過程中皮層薄壁組織逐漸皺縮并最終脫落，木栓形成層分化為周皮，成為地下莖新的外部保護(hù)結(jié)構(gòu)。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)矩鐮莢苜蓿地下莖中央髓薄壁細(xì)胞也會(huì)發(fā)生分化，形成木栓形成層，并發(fā)育為環(huán)狀的周皮，周皮內(nèi)留下裂隙。郭偉娜等[7]在研究秦艽根發(fā)育時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，秦艽根次生生長時(shí)，來自根維管柱中心的木薄壁細(xì)胞會(huì)脫分化產(chǎn)生木栓化細(xì)胞，形成內(nèi)周皮。可以看出，矩鐮莢苜蓿地下莖與秦艽一樣，在次生生長過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)、外兩種周皮。

一般認(rèn)為，周皮是植物的次生保護(hù)組織，在根、莖次生加厚時(shí)替代表皮，作為植物的第一道防線保護(hù)植物免受生物和非生物脅迫[20]。閆成才[21]發(fā)現(xiàn)典型高山耐寒植物藏薺具有發(fā)達(dá)的根木栓層與角質(zhì)層，可以限制熱量的傳遞，以保護(hù)植株抵御寒冷脅迫。李小燕等[22]對(duì)歐李(Cerasushumilis)的研究也認(rèn)為發(fā)達(dá)的周皮能夠起到抗寒的作用。Baljeet[23]認(rèn)為，馬鈴薯(Solanumtuberosum)塊莖周皮木栓化程度的增加保持了塊莖的完整性和不透水性，最終減少了蒸騰作用。另有研究表明，內(nèi)皮層木栓化可以防止水分流失，其木栓化程度的增加可以保護(hù)內(nèi)部維管組織免受干旱脅迫，幫助植株度過干旱期[24]。本研究中，矩鐮莢苜蓿外周皮由靠近韌皮部的內(nèi)皮層細(xì)胞形成，內(nèi)周皮由靠近木質(zhì)部的髓細(xì)胞形成，內(nèi)、外周皮形成后，完全取代了初生結(jié)構(gòu)中的主要薄壁組織—皮層和髓，形成了由具有發(fā)達(dá)木栓層的周皮構(gòu)成的嚴(yán)密的防護(hù)系統(tǒng)。從前人對(duì)周皮功能的認(rèn)識(shí)來看，這種特殊的周皮防護(hù)系統(tǒng)對(duì)于青藏高原自然生長的矩鐮莢苜蓿而言，具有重要的適應(yīng)性意義。

3.2 矩鐮莢苜蓿地下莖的分裂生長與適應(yīng)性

植物的根或莖在干旱逆境下會(huì)發(fā)生分裂(split)[25]，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在一些強(qiáng)旱生植物中。分裂具有多種形成方式。龍膽屬(Gentiana)植物根的分裂是由于維管柱內(nèi)部的分裂與周皮向內(nèi)縊縮共同作用，將根分裂為不同部分[26]。棉刺的根與長葉紅沙的莖基部也具有相似的分裂方式，其木質(zhì)部內(nèi)側(cè)的木薄壁細(xì)胞脫分化形成的異常形成層與斷裂的維管形成層相連接并產(chǎn)生周皮，將木質(zhì)部分割包圍[8-9]。半日花(Helianthemumsongaricum)莖基部的木質(zhì)部會(huì)出現(xiàn)內(nèi)空，并持續(xù)延伸分裂[27]。藏錦雞兒(Caraganatibetica)的根具有周皮縊縮，逐漸分裂的現(xiàn)象[25]，這與本研究中矩鐮莢苜蓿地下莖的分裂方式相似，不同的是，矩鐮莢苜蓿地下莖除外周皮向內(nèi)縊縮外，維管柱內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)空心化。

前人的大量研究普遍認(rèn)為植物根莖等器官的分裂是對(duì)干旱或其他不良環(huán)境的一種適應(yīng)現(xiàn)象。楊瑞麗等[9]研究發(fā)現(xiàn)長葉紅沙莖基部的分裂會(huì)導(dǎo)致維管束之間相互分離，一個(gè)集中的木質(zhì)部被分割為多個(gè)分散的木質(zhì)部，增加了與土壤的接觸面積，這種結(jié)構(gòu)特征可以在干旱環(huán)境中提高植株的吸水效率，這與侯艷偉等[8]對(duì)棉刺分裂的觀察結(jié)果相似。王迎春等[28]研究表明，發(fā)生劈裂的綿刺通過滲透調(diào)節(jié)和高的組織彈性兩條途徑來共同保持膨壓，以抵抗不良的生存環(huán)境，同時(shí)對(duì)環(huán)境水分脅迫產(chǎn)生較高的敏感性。王繼和等[29]認(rèn)為，綿刺分裂生長是由于嚴(yán)重干旱、較大溫差及風(fēng)蝕沙埋等外部因素作用的結(jié)果，分裂生長可以有效應(yīng)對(duì)不良環(huán)境[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，矩鐮莢苜蓿具有兩種異常的分裂特征，其地下莖通過兩種不同的分裂方式來應(yīng)對(duì)高原環(huán)境，這在具有分裂特征的植物中較為少見。地下莖分裂產(chǎn)生兩種周皮，形成了一套復(fù)雜的新防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)地下莖起到保護(hù)作用。矩鐮莢苜蓿地下莖在次生生長中出現(xiàn)分裂，是該植物對(duì)高原冬季漫長的寒旱環(huán)境的一種適應(yīng)性策略。