孑遗蕨类中华水韭根系发育的研究

于阳阳,连永权,刘保东*

(1 哈尔滨师范大学 黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室,哈尔滨 150025;2 黑龙江职业学院,哈尔滨 150111)

孑遗蕨类中华水韭根系发育的研究

于阳阳1,连永权2,刘保东1*

(1 哈尔滨师范大学 黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室,哈尔滨 150025;2 黑龙江职业学院,哈尔滨 150111)

以发育良好的中华水韭植株为材料,用常规半薄切片法,详细观察了根的发育及其根系的特征,并讨论了水韭根的内外两种起源途径、不同粗细根的结构功能、分支及横隔的生物学意义,为探讨古老维管植物的系统演化及濒危原因提供形态学依据。结果显示:(1)中华水韭成熟植株没有主根,有近百条浅棕色管状根,既有内起源根,也有外起源根,且每条根都有多回二歧分支。(2)二歧分支的发生一般频率密集且为不均等分裂,根越细分支越早,而且分支频率越密集;二歧分支处都有由2～3层细胞组成的永久性横隔,即使在老根内这种横隔也始终存在。(3)子根尖的部分皮层细胞能够直接转化成表皮,子根尖粗细不等。研究认为,中华水韭有茎起源根和根托起源根,皮层细胞具有特殊的分化能力,横隔是古生态的高能环境所造成的适应性结构,其根系具有旺盛的再生能力及高度的复杂性。

水韭;根系;根起源;横隔

中华水韭(Isoetessinensis)是长江中下游地区历经了3亿多年漫长演化的最古老蕨类植物,是见证和预测该地区地貌变迁、植被变化规律的最佳“活化石”,曾在多个省区的浅沼湿地广泛分布,但由于近几十年来该地区迅速发展的经济活动严重干扰了原生境,多数种群已经灭绝,1999年被列为国家一级保护植物,近年来濒危趋势不断加剧,目前被评为国际极危物种(IUCN-CR)[1]。长江中下游地区自三叠纪起,就盛产水韭科(Isoetaceae)等脊囊属(Annalepis)、肋木类(Pleuromeia)和石松类(Lycopsida)的植物,国内外罕见的大量相关化石[2]表明,中华水韭是见证该地区原始维管植物起源演化、水韭亚门植物兴衰的活化石,是研究植物界根茎叶形态演化、适应环境变迁的珍贵材料[3]。

植物体的形态结构既是生理功能的载体,又能反映相应的生态环境[4];根茎叶的形态演化是可靠的溯祖形态[5],在陆生植物3个营养器官中,根的起源等于或早于叶的起源,但目前对根形态结构的认识远少于对叶的认识[6],根的发生多是“内起源”的,即从器官内部的维管束附近如中柱鞘形成的根尖穿过皮层和表皮而形成次一级的侧根[7],尽管一些蕨类专业教材[8]或论文[9]强调了蕨类植物二歧根的系统学意义,但都很少涉及二歧根的形态建成,甚至在根系专著[6]中也没有这方面的介绍。

水韭科植物具有从水生到陆生的全部生境类型[10],关于水韭及其近缘类群根的研究同样匮乏,早在1947年,Stewart就I.macrospora成熟根的横切面与近源种进行了比较观察[11],所得出的论点却受到了李小溪[12]的实验质疑;Musselman报道了几种水韭根的发生位置[13],以及钟恒等对石松和水韭的根及根托的研究[14],都证明水韭根为内起源;一些学者报道过水韭属胚根的生成或根内真菌寄生等特性[15-17];就二歧根的根尖分化研究而言,只有Imaichi等[18]在小翠云(Selaginellakraussiana)的根尖切片中,报道了原始细胞的分化及其均等分支的特点;Yi等首次给出了I.asiatica和宽叶水韭(I.japonica)两种水韭二歧根的根尖分化大致过程,并结合前人的工作讨论了原始细胞的数量和分层问题[19];刘虹等通过石蜡切片结合动态CCD荧光显微照相的方法,揭示了东方水韭(I.orientalis)二歧根的形成、成熟根的结构等[20],但都以原始细胞的数量或验证前人的观点为主要研究内容,对二歧分支的发生频率、子根尖的大小差异及其变化、分支处横隔的有无、皮层与表皮的转化等都没有涉及。而这些形态既决定着个体发育的根系形态和根系功能,也反映出系统演化的信息,是稳定客观的溯祖形态[9]。

本研究以发育良好的中华水韭植株为材料,用常规半薄切片法,详细观察了根的发育及其根系的特征,首次报道并讨论了水韭根的内外两种起源途径、不同粗细的结构功能、分支及横隔的生物学意义等,丰富了植物学有关根及根系形态的基础知识,为探讨古老维管植物的系统演化及濒危原因提供了直观可靠的形态学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

中华水韭由浙江大学丁炳扬教授于1999年采集2001年赠送,原产地为浙江省华顶山,凭证标本保存在哈尔滨师范大学植物标本室(HANU)。以凭证标本的孢子进行人工繁殖并栽培在哈尔滨师范大学温室(45°52′06″N,126°32′59″E)的发育成熟的健壮植物体[21]为研究材料。

1.2 试验方法

取整株植物体观察完整根系,用发育良好的不同粗细、不同发育程度的根或根尖做常规半薄切片,即FAA固定,环氧树脂包埋,切片厚度为2 μm,用甲苯胺蓝染色,用Olympus- BX53F型显微成像系统拍照。

2 结果与分析

2.1 根及根系的形态

中华水韭的根系类似于禾本科(Gramineae)植物的须根系,成熟植株没有主根,自球茎中下部发育出数十条至近百条粗细不等、长短不一的浅棕色管状根,根沿球茎下方向上方依次发生,既可着生在3个瓣裂的沟缝内,也可着生在球茎突起的表面上。每条根都有2～10回二歧分支,组成深约5～10 cm、根幅5～12 cm的浅根系,根系上缘与大小孢子叶基部几乎相连(图版Ⅰ,1)。根的粗细变化很大,直径在0.5～4 mm之间,都随机分布在球茎上,较粗的根也较长且分支较晚,较细的根分支较早且往往连续分支(图版Ⅰ,2),不仅分支间的距离长短不一,而且同一级子根的粗细也往往不等,在根的所有分支处都分化出明显的横隔(图版Ⅰ,3)。

2.2 根的发生

中华水韭的根既可以是内起源也可以是外起源。内起源根又有两个不同的发生部位,一是起源于球茎深处维管形成层,先是有规律地向外平周分裂出根原基,根原基再向斜下方延长,先后穿过球茎的皮层和根托等基本组织而来(图版Ⅰ,4);二是起源于根托深处的次生分生组织,所形成的根尖只需要穿透外侧的部分根托(图版Ⅰ,5)。外起源根的根原基是由根托表层或浅层的基本组织经过脱分化直接产生向外突出的根尖,根尖不需要穿透任何组织(图版Ⅰ,6)。无论是内起源或是外起源的根尖,其结构都与种子植物的类似,只是伸长区较长,与成熟区的区别不很明显;横切面自外向内依次为2～3层细胞的表皮、5～10层细胞的外皮层、3～15层细胞的偏心的中皮层、1～2层细胞的内皮层和偏离中心的中央维管束,各组织内的细胞都排列紧密(图版Ⅰ,7)。自幼嫩到成熟,自外皮层和中皮层的结合处,细胞逐渐疏松解体形成通气道,但根的维管束和通气道不一定都和茎的中央维管束相通。

2.3 二歧根的发生

无论根的粗细,其根尖在一定时期都能进行二歧分支。分支的发生是在根尖的分生区进行。早期外观上看不出任何变化,但在根冠完整的横切面(图版Ⅰ,8)上,能看到两个基本相等的子分生区,但随着子分生区的不断分化生长,各自发育成大小不等的子根尖(图版Ⅰ,9),此时的母根尖根冠逐渐消失,由圆锥状逐渐扁平(图版Ⅰ,10)。随着两个子根尖根冠的出现,二歧分支根基本形成(图版Ⅰ,11)。在子根尖分开初期,两者之间相应的两层外皮层细胞处,胞间层溶解且迅速栓质化,由皮层细胞直接转变成表皮继而相互离开(图版Ⅰ,12)。中华水韭二歧根的发生频率有时很密集,在刚刚完成或尚未完成的一级分支根尖内,次一级或次二级的二歧分支就已经相继开始,而且常常都是不均等分化(图版Ⅰ,13)。随着根的发育,这种不均等可能始终存在(图版Ⅰ,2、3),也可能逐步被调整为基本均等(图版Ⅰ,11、16)。

2.4 通气道及横隔的发生

无论根的粗细,成熟后的结构都基本一致,发育过程都是内外皮层逐渐解体,中央维管束偏向一侧,根中央被一个直径约100～3 000 μm的巨大通气道所占据。但是在分支完成后,随着母根与子根内外皮层组织的解体,在母根与子根的连接处的内外皮层细胞并不解体,而是分化成一个水平的致密区域(图版Ⅰ,14),随着母根与子根通气道的形成,致密区域逐渐显现成椭圆形的横隔,该横隔由2～3层体积较小、排列紧密的细胞组成,母根与两个子根的通气道隔断(图版Ⅰ,15),即使在老根内,这种横隔也始终存在(图版Ⅰ,3、16)。

3 讨 论

3.1 根的起源

关于水韭属植物根的起源报道较多,不少是关于根来自于哪类分生组织、哪层原始细胞的争论,可归纳为两种观点,一是根在球茎下方的维管形成层上发生[14-15,19,22];二是根起源于根托即包在茎底端的具有次生分生能力的部位[15,19,23]。无论哪种观点,其共性是内起源,即根是由球茎下方维管形成层或根托中的次生分生组织分化而来,都要穿过根的皮层或(和)根托的基本组织。本研究图4支持第一种观点,图5则支持第二种观点。理论上球茎下方的维管形成层和根托都可以形成内起源的根,因为前者是位置固定的较为原始的分生组织[19],后者是有由前者分生并成熟而来的、体积较大的基本组织,在这些基本组织中又产生具有次生分生能力的薄壁细胞[15]。既然根托具有分生能力,那么,靠近根托表层的薄壁细胞也可能有机会脱分化而恢复分裂能力,形成外起源的根,所以这种外起源与根托深处的内起源在本质上是相同的。前人所谓的水韭根内起源[13-14]也只是位置上的表述,而与植物学一般意义的内起源有着本质的不同,本研究观察到由球茎维管形成层分化的根,其维管束和茎的中央维管束一定相通,而由根托发生的根无论位置深浅,维管束都不一定与茎相通。本研究发现水韭具有很强的生根机制,从本质来看,将水韭根区分为茎起源根和根托起源根更为科学。

3.2 根的分支

二歧根的发育模式是小型叶蕨类植物的一个明显特征,为低等维管植物所特有[21],二歧根的形成与根原基原始细胞的分裂密切相关,分裂开始于外原始细胞[20],Paolillo[15]认为水韭根尖有两列原始细胞,Yi等[19]则认为有3列原始细胞,笔者认为无论几列原始细胞,都是由上一级原始细胞产生的,其子细胞也是不断形成并连续分化的,几列之间并没有本质的区别,更多的根尖在更多的时间内都是延长生长的,二歧分支只是特定细胞在特定时间内进行的纵向分裂所造成,因此讨论原始细胞的数量不如研究原始细胞产生纵向分裂的内外原因更有意义。二歧分支的两个子根尖的形态大小多是从相同到不同再到相同的发展规律更具有系统演化意义[21],在内外皮层组织固定位置的一些细胞直接转化成表皮的细胞学机理或分子调控机制也值得进一步研究。

3.3 根的横隔

中华水韭根的分隔,从现象上看与一些维管植物茎上的节有一定的相似性,当然根和茎在本质上是完全不同的器官。节是植物茎干特有的结构,是叶迹或叶隙与茎干维管束相连的部位[7],对茎与叶的物质运输和机械支持有重要作用,木贼科(Equisetaceae)和禾本科(Gramineae)茎的节都是典型的横隔状结构,甚至地下茎中也有横隔的节,但维管植物的根都是没有节和节间之分的,也没有发现类似节的横隔状结构[6,15,24],所以,根中横隔的生理功能值得深入研究。中华水韭根不仅粗细长短差别很大,分支频率各不相同,但只要发生分支,就必然在分支的稍上方形成一个完整的横隔,尽管这个横隔只有2～3层细胞构成,却与木贼科(Equisetaceae)地下茎的节[24]一样,完全隔断了母根与子根的通气道,二者间的联系只能通过维管束进行,物质和气体交换都必须受到内皮层的控制。当然,如果次级根发生机械性损伤或坏死,横隔对整个根系的保护作用应该是迅速而有效的。一般说来,水生植物不存在水分限制,根系没有旱生植物的发达[24],但中华水韭的根系不仅根数多、分支多、形态变化大,而且根的发生能力旺盛,具有特殊的防御能力,似乎表明在数亿年的系统演化中,曾经发生过水环境不稳定甚至干旱的生态适应。长江中下游地区在三叠纪出现过海陆往复变迁,水韭近缘的肋木类(Pleuromeia)就是生活在较平坦的滨海岸边,在海水进退频繁的高能环境中,形成了很多特殊的生态性结构[2],本研究表明中华水韭也曾长期生活在高能量的海滨平坦地带,因根系经常受到风浪的机械性损伤而演化出复杂的形态结构和旺盛的再生能力。现代水韭的一些种也能在一定程度上适应较干燥的环境[10],其根本原因也是根系的复杂性和再生性所决定的。

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图版说明:

图版 Ⅰ 中华水韭根系发育

B.分叉;B1.分叉(大);B2.分叉(小);BS.球茎基本组织;CT.输导组织;EN.内皮层;EP.表皮;EX.外皮层;FR.较细的根;MA.大孢子叶;ME.中皮层;MI.小孢子叶;R.根;RC.根冠;RH.根托;RT.根尖;S.茎;TP.横隔;TR.较粗的根;VC.维管形成层

1.根系形态;2.根在茎上的着生方式;3.根的分支;4.内起源根尖(示与茎的关系);5.内起源根尖;6.外起源根尖;7.根尖横切面;8.根尖纵切面;9.根尖不等二歧纵切面;10.根尖不等二歧横切面;11.根尖等二歧纵切面;12.根尖不等二歧横切(示表皮细胞分化);13.根尖连续不等二歧分支横切面;14.根尖纵切面(示二歧分支后横隔的早期发生);15.发育中的二歧根纵切(示横隔与维管束的关系);16.成熟二歧根纵切(示与横隔的关系)。

Explanation of plate:

Plate Ⅰ Root system development ofI.sinensis

B.Bifurcation;B1.Bifurcation(Big);B2.Bifurcation(Small);BS.Bulbodium primary structures;CT.Conducting tissue;EN.Endodermis;EP.Epidermis;EX.Exodermis;FR.Finer root;MA.Macrosporophyll;ME.Mesocarp;MI.Microsporophyll;R.Root;RC.Root cap;RH.Rhizophore;RT.Root tip;S.Stem;TP.Transverse partition;TR.Thicker root;VC.Vascular cambium

Fig.1.Root morphology;

Fig.2.Root growth on the stem;

Fig.3.Root branches;

Fig.4.The root tip of endogenus origin (in relation to stem);

Fig.5.The root tip of endogenus origin;

Fig.6.The root tip of external origin;

Fig.7.The transverse section of root tip;

Fig.8.The longitudinal section of root tip;

Fig.9.The longitudinal section of inequality dichotomous root tip;

Fig.10.The transverse section of inequality dichotomous root tip;

Fig.11.The longitudinal section of equality dichotomous root tip;

Fig.12.The transverse section of inequality dichotomous root tip(shown in epidermis cell differentiation);

Fig.13.The transverse section of continuous inequality dichotomous root tip;

Fig.14.The longitudinal section of root tip(shown the early development of transverse partition after the branch of dichotomous);

Fig.15.The longitudinal section of the developing dichotomous branch(show the relationship between transverse partition and vascular bundle);

Fig.16.The longitudinal section of dichotomous branch mature state(in relations with transverse partition).

图版 Ⅰ Plate Ⅰ

(编辑:潘新社)

Research of Root System of Relict PteridophyteIsoetessinensis

YU Yangyang1,LIAN Yongquan2,LIU Baodong1*

(1 Harbin Normal University,Key Laboratory of Plant Biology,College of Heilongjiang Province,Harbin 150025,China;2 Heilongjiang Polytechnic,Harbin 150111,China)

Based on the well developedIsoetessinensisplants material,with method of semi-thin section,we observed the development of the root and the characteristics of root system in detail,and discussed the endogenous origin ofI.sinensisroots,the structural function of the thick roots and the fine roots the biological functioning of the dichotomous and transverse partition,which provided the morphologic basis for the study about ancient vascular plants evolution and their endangered reasons.The result show that:(1)The mature plants ofI.sinensishave approximately one hundred brown,hollow roots,but have not main roots,both endogenous origin and external origin ways are observed among these roots,and each root has multi-round dichotomies.(2)The happened of dichotomies general frequency of intensive and fission unequality,among the thinner root are much more earlier and frequently and for every dichotomous point,there is a permanent transverse partition including 2-3 layers of cells between each inferior branch and its superior root.Even in the old root the transverse partition is always there.(3)The epidermis cells of inferior branches are transformed directly from some cortical cells;diameters of roots tips of these two inferior branches are different.These evidences suggested that:roots ofI.sinensiscould be originated from both stem and rhizophore;cortical cells have special differentiation capacity;the transverse partition may be a adaptive structure formed during the geological time million years ago,with what to against the high-energy environment in that era;root system ofI.sinensisobtain powerful regenerative capacity and highly complicacy.

Isoetes;root system;root origin;transverse partition

1000-4025(2015)04-0737-06

10.7606/j.issn.1000-4025.2015.04.0737

2014-12-08;修改稿收到日期:2015-03-09

国家自然科学基金项目(31170294)

于阳阳(1991-),女,硕士,主要从事植物学实验工作。E-mail:1744099970@qq.com

*通信作者:刘保东,教授,主要从事孢子植物学科研及教学工作。E-mail:99bd@163.com

Q944.54

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