两个品种人参菜形态、解剖结构比较与核型分析

严文一，谢永东，仰路希，陈 延，王海霞，孙 勃，贺忠群

(四川农业大学 园艺学院，四川 成都 611130)

人参菜[Talinumcrassifolium(Jacq.) Gaertn.]，又名菜用土人参、绿兰菜、玉兰菜，为马齿苋科土人参属多年生热带草本植物，原产热带美洲，分布于西非、拉美、南美等热带地区[1]。在我国分布于贵州松桃、凯里、遵义、毕节、兴义、织金等地，其他地区也有少量分布[2]。人参菜具有丰富的营养价值，其可食用部位主要为嫩叶、嫩梢[3]。人参菜还具有药用价值，民间以根入药，为贵州苗族习用药材[1]，有补气润肺、止咳、调经之功效，可用于治疗气虚乏力、体虚自汗、脾虚泄泻、肺痨咳血、眩晕、月经不调、乳汁稀少等。

目前，对于人参菜的研究主要集中在其栽培技术[4]、使用价值[5]，对其微观结构和品种间差异比较研究基本没有。不同品种的植物在外形和显微结构上存在差异。比如空气凤梨与其他植物叶片有明显差异，其不同品种之间叶片结构也有差异[6]；锦葵科花粉的形态特征在科、族、亚族和属的划分上有较大的分类学意义，从花粉形态特征角度支持将锦葵科植物划分为4个族[7]；不同铁线莲属植物的花部构成上存在种间差异，柱头作为实现授粉成功的决定因素之一，与其他花部特征达成了传粉功能上的一致[8]；川西高原不同山海棠的根茎解剖结构也有差异[9]。各种生物染色体的数目、结构和形态都是相对稳定的，染色体具有种的特异性，核型分析对植物种质资源的鉴定、分类、起源与进化研究具有重要意义[10]。王伟涛等[11]就不同品种梅花进行核型分析，这些指标具有一定分类学意义。本论文主要对2个人参菜品种进行形态解剖，观测2个品种的差别，以期为人参菜品种鉴别和优良品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

用于试验的2种人参菜材料由四川农业大学园艺学院设施系贺忠群教授提供。试验选取叶片、茎秆、花朵、花轴、柱头、花粉粒和蒴果作为观测材料。取材时间从人参菜开花至种子成熟。叶片为生长健壮、无病虫害植株的成熟功能叶，叶片采集方位尽量保持一致；茎秆与叶片选取相同植株；选取花瓣完全展开时候完整无损坏的柱头和花药。将所采集的样品及时带回实验室，按不同试验要求与方法进行处理。

1.2 方法

1.2.1 形态指标

花朵完全展开时，随机选取2个品种人参菜各10株，使用直尺测量植株基部到顶端的最大自然高度作为株高；从每个植株取完全展开叶片3片，使用LA-S系列植物根系分析仪扫描测定其叶片面积，winRHIZO根系扫描分析软件处理扫描结果，取其平均值作为叶片的面积；叶片厚度使用游标卡尺。选取2个品种人参菜各18株，用游标卡尺对其植株中部的茎粗进行测量；每个植株取完全展开花朵18朵，测量花的直径。待种子成熟时，随机选取2个品种人参菜各10株，每个植株取蒴果5个，称量种子千粒重(TKE)。各数据采用Microsoft Excel进行处理。

1.2.2 叶片表皮结构观测

采用表皮撕片法，对2个品种人参菜植株的叶片表皮显微结构进行观测。花朵完全展开时，取相同部位叶片中部，采用透明指甲油印迹法撕取上下表皮[12]。观测上下表皮细胞和气孔，气孔长、宽度为15个气孔平均值，气孔数量为3个视野平均值，计算气孔密度[13]，数据采用Microsoft Excel进行处理。

1.2.3 花粉粒观测

在花朵完全闭合时、花朵未完全展开时、花朵完全展开时分别取样，用FAA固定液将2个品种人参菜不同时期花药样品固定，常温下，用蒸馏水清洗3次，然后将样品浸入1 mol·L-1NaOH溶液中软化8 h，用蒸馏水冲洗3次后将样品置于载玻片上，置于显微镜下观察。

1.2.4 花柱显微结构观测

在现蕾时期、初开放时期、花朵完全展开时期分别取2个品种人参菜的柱头，用FAA固定样品。常温下，用蒸馏水清洗3次后将样品浸入1 mol·L-1NaOH溶液中软化8 h左右，再用蒸馏水冲洗3次后将样品置于载玻片上，滴上数滴0.01%苯胺蓝溶液后用盖玻片盖上，约5 min后在荧光显微镜下观察花粉在花柱上的萌发部位，及花粉管生长情况[14-15]，用电脑连接显微镜进行系统拍照。

1.2.5 茎横截面显微结构观测

石蜡切片法观察茎横截面[16-17]。在花朵完全展开时，将人参菜新鲜茎用FAA固定，经乙醇脱水、二甲苯透明，用石蜡包埋。切片厚度10 μm，用番红-固绿染色，用于观测2个品种人参菜茎的外形特点。

1.2.6 染色体制片与核型分析

采用根尖压片法对2种人参菜植株的染色体进行制片[18]。切取人参菜根尖约1.0 cm，放入0.002 mol·L-1的8-羟基喹啉溶液内4 ℃预处理4 h，然后在卡诺氏Ⅰ液(乙醇与冰乙酸的体积比为3∶1)、4 ℃下固定24 h，用乙醇溶液保存，再加入1 mol·L-1HCl于60 ℃水浴中解离17 min，然后采用卡宝品红染液染色制片，在显微镜下观察，找出染色体分散好的中期细胞分裂相进行拍照。

核型分析采用李懋学等[19]提出的标准，确定着丝粒位置，根据染色体的大小和形态特征对染色体核型进行配对分析。染色体的相对长度、臂比与类型按照Levan等[20]的命名法则计算，着丝粒指数和染色体相对长度系数参照李懋学等[19]的标准计算，核型不对称系数采用Arano[21]的方法计算，核型类型按照Stebbins[22]的标准划分。

2 结果与分析

2.1 形态学分析

2个品种的人参菜在外形上有较大差异。品种2具有分枝，而品种1没有；品种2株高(P<0.01)极显著大于品种1，品种2株高为83.87 cm，品种1株高为43.73 cm；品种1茎粗约为5.29 mm，极显著小于(P<0.01)品种2(8.55 mm)。与品种2相比，品种1叶片厚度大且叶片面积小，品种1叶片厚度为0.42 mm，叶面积为23.86 cm2，品种2叶片厚度为0.35 mm，叶面积为28.39 cm2。品种1叶片呈椭圆形，品种2叶片较狭长。2种人参菜花色均呈粉红色，品种2花朵极显著(P<0.01)大于品种1；2个品种的千粒重无显著差异(P>0.05)(图1，表1)。

2.2 显微结构形态

2.2.1 叶片表皮显微结构

由图2可见，2个品种人参菜上下表皮细胞均紧密排列，细胞大小形状不规则，垂周壁形状呈波浪形，但下表皮细胞较上表皮细胞更为狭长。2个品种人参菜上下表皮均有气孔，气孔由气孔、保卫细胞及副卫细胞组成。上表皮气孔比下表皮气孔大、密度小。品种1上表皮气孔明显小于品种2，但气孔密度大；品种1下表皮气孔大于品种2，但气孔密度小。2个品种上下表皮气孔的长轴方向不固定，方向随机。

2.2.2 花粉粒显微结构

2个品种人参菜的花粉粒显微结构存在较大差异。品种1的花粉粒较大，花粉粒平均直径约为42.16 μm，极显著(P<0.01)高于品种2(54.44 μm)。2个品种花粉粒均为近球形，在100倍显微镜放大观察发现，品种1人参菜花粉粒外壁无明显纹饰，而品种2花粉粒外壁纹饰可见近似正六边形紧密排列。

图1 两种人参菜形态特征Fig.1 Morphological characteristics of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species

表1 两种人参菜的形态特征比较

Table 1 Comparison of morphological characteristics of twoTalinumcrassifolium(Jacq.)Gaertn. species

品种Species株高Plant height/cm茎粗Stem diameter/mm叶厚度Leaf thickness/mm叶面积Leaf area/cm2花直径Flower diameter/cm千粒重1 000-seedweight/g143.73±1.81 bB5.29±0.42 bB0.42±0.03 bB23.86±2.03 bB 0.75±0.05 bB0.25±0.00 aA283.87±2.76 aA8.55±0.61 aA0.35±0.02 aA28.39±2.18 aA2.02±0.12 aA0.28±0.00 aA

同列数据后无相同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Data in the same column marked without the same uppercase letter indicated significant differences atP<0.01， data in the same column marked without the same lowercase letter indicated significant differences atP<0.05. The same as below.

表2 两种人参菜叶表皮气孔特征

Table 2 Stomatal characteristics of the leaves epidermis of twoTalinumcrassifolium(Jacq.)Gaertn. species

品种Species上表皮气孔Upper epidermis stomata密度Density/mm-2长度Length/μm宽度Width/μm下表皮气孔Lowr epidermis stomata密度Density/mm-2长度Length/μm宽度Width/μm138.33±2.52 aA33.18±1.25 bB16.88±1.35 bB76.19±5.50 bB26.88±2.04 aA12.99±1.02 aA233.57±4.00 bB35.66±2.51 aA19.18±1.18 aA96.91±1.15aA25.05±2.31 bA9.78±1.31 bB

A，品种1上表皮；B，品种2上表皮；C，品种1下表皮；D，品种2下表皮。A， Upper epidermis of species 1; B， Upper epidermis of species 2; C， Lower epidermis of species 1; D， Lower epidermis of species 2.图2 两种人参菜叶表皮结构Fig.2 Leaf epidermal structure of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species

2.2.3 花柱的荧光显微结构

如图3所示，2种人参菜的柱头均呈三瓣羽毛状，表面有无数柱状凸起，每一瓣羽状柱头中间都有一条狭长通道。观察发现，2个品种人参菜在花瓣呈闭合状态未开放时，花柱上无花粉粒附着；花瓣完全展开时柱头上附着许多花粉粒，且花粉粒萌发出花粉管，经柱头的狭长通道到达子房。花粉管进入柱头后未见停止伸长的情况，也未见花粉粒在柱头表面萌发花粉管后没有进入柱头的情况。

2.2.4 茎的显微结构

由图4可以看出，2个品种人参菜的茎在外形上有明显区别，品种1的茎横截面近似圆形，品种2的茎横截面呈不规则形状，有4个棱角，其中3个棱角为锐角，1个棱角为钝角。2个品种人参菜茎均有表皮、皮层、维管柱，其中，皮层部分可见厚角组织和薄壁组织，品种1的茎中皮层所占整体比例比品种2小，维管柱所占比例大于品种2，且维管束排列更为紧凑；品种2的厚角组织更为明显；两者维管柱均包括维管束、髓射线和髓；维管束均呈闭合环状，与茎横截面形状贴合，且都具有韧皮部、形成层、木质部。

A，品种1花瓣完全闭合；B，品种1花瓣未全部展开；C，品种1花瓣完全展开；D，品种2花瓣完全闭合；E，品种2花瓣未全部展开；F，品种2花瓣完全展开。A， Petals of species 1were completely closed; B， Petals of species 1 were not fully unfolded; C， Petals of species 1 were fully expanded; D， Petals of species 2 were completely closed; E， Petals of species 2 were not fully unfolded; F， Petals of species 2 were fully expanded.图3 两种人参菜不同时期花柱荧光显微图像Fig.3 Fluorescence microscopic images of stigma of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species at different stages

A、B为品种1的茎横截面显微图像；C、D为品种2的茎横截面显微图像。1，表皮；2，薄壁组织；3，髓射线；4，韧皮部；5，形成层；6，木质部；7，髓；8，厚角组织。A and B， Stem cross section of species 1; C and D， Stem cross section of species 2. 1， Epidermis; 2， Parenchyma; 3， Pith ray; 4， Phloem; 5， Cambium; 6， Xylem; 7， Pith; 8， Collenchyma.图4 两种人参菜茎的显微结构图像Fig.4 Microscopic structure images of stem of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species

2.3 核型分析

2.3.1 两种人参菜染色体数目形态比较

2种人参菜的染色体如图5所示：品种1的染色体数目是40条，可配对成20对同源染色体，为二倍体，染色体基数x=20；品种2的染色体数目是24条，可以配对成12对同源染色体，为二倍体，染色体基数x=12。

2.3.2 两种人参菜的核型分析

核型分析结果(表3)显示：品种1核型公式为2n=2x=38m+2M(n表示物种配子体的染色体个数；x表示该1个染色体组中染色体数，即染色体基数)，38条为中部着丝粒染色体(m)，2条为正中部着丝粒染色体(M)；品种2的核型公式为2n=2x=18m+6sm，其中18条为中部着丝粒染色体(m)，6条为近中部着丝粒染色体(sm)。品种1的染色体相对长度组成为8L+14M2+12M1+6S，包含4对长染色体(L)，7对中长染色体(M2)，6对中短染色体(M1)和3对短染色体(S)；品种2的染色体相对长度组成为6L+4M2+8M1+6S，包含3对长染色体(L)，2对中长染色体(M2)，4对中短染色体(M1)和3对短染色体(S)。由表3和图6可知，2个人参菜的相对长度和臂比都存在明显差异，品种1的染色体相对长度为2.52%～8.46%，染色体相对长度最长与最短的比值为3.36，且没有臂比值大于2∶1的染色体；品种2的染色体相对长度为2.24%～6.56%，染色体相对长度最长与最短的比值为2.93，且臂比值大于2∶1的染色体百分比为16.67%。

3 结论与讨论

2个品种人参菜在外形上差异大，叶片、花粉粒和茎显微结构差异较大，柱头和花粉管萌发伸长差异不大，这是因为2个品种人参菜同属不同种，且生长环境也不同造成的。品种2更粗壮，叶片厚度、叶片面积、茎粗、花直径均极显著大于品种1。高大的品种2相对于矮小的品种1，周围环境空气流动大，光照更足，更易进行蒸腾作用，因此品种2叶片增厚可以减小水分蒸腾[23]。

2个品种叶片表皮细胞排列紧密，形状大小不规则，垂周壁形状均呈波浪状，下表皮细胞比上表皮细胞更为狭长；上下表皮气孔长轴方向随机，与膝柄木一样[24]，气孔具有1个细胞的间距，这种单细胞间距与Bergmann等[25]的结论一致。姚兆华等[26]提出气孔的大小与密度具有分类学意义，尤其是气孔大小种间差异明显。2个品种人参菜上表皮气孔密度小于下表皮，品种1叶片上表皮气孔小于品种2，下表皮气孔大于品种2。可能是由于品种1植株矮小，被其他高大植物遮挡，气孔密度大可以增强叶片空气交换能力。

A，品种1；B，品种2。A， Species 1; B， Species 2.图5 两种人参菜染色体数目形态Fig.5 Chromosome number and morphology of two Talinum crassifolium (Jacq.) Gaertn. species

表3 两种人参菜染色体核型参数

Table 3 Karyotype parameters of twoTalinumcrassifolium(Jacq.) Gaertn. species

品种Species染色体编号Chromosomenumber相对长度(S+L=T)Relative length/%相对长度系数Relative lengthcoefficient着丝粒指数Centromereindex臂比Armratio/%类型Type114.03+4.43=8.461.410.481.10m23.83+4.03=7.861.310.491.05m33.09+4.76=7.851.310.391.54m43.51+4.28=7.791.300.451.22m53.29+3.58=6.871.140.471.09m63.26+3.34=6.591.100.491.02m73.26+3.26=6.521.090.501.00M83.01+3.51=6.521.090.461.17m92.86+3.58=6.441.070.441.25m103.01+3.41=6.421.070.471.13m112.76+3.29=6.051.010.461.19m122.57+3.29=5.850.970.441.28m132.76+3.04=5.800.970.481.10m142.51+3.26=5.760.960.431.30m152.51+2.66=5.170.860.491.06m162.14+2.77=4.900.820.441.30m172.11+2.80=4.900.820.431.33m181.77+2.76=4.530.750.391.56m191.26+2.06=3.320.550.381.64m201.24+1.28=2.520.420.491.03m212.52+4.04=6.561.510.381.60m22.51+3.53=6.041.370.421.41m32.76+3.27=6.031.370.461.18m42.24+2.29=4.531.030.501.02m51.27+3.26=4.521.030.282.57sm61.58+2.76=4.340.990.361.75sm71.58+2.63=4.210.960.381.66m81.51+2.51=4.020.920.381.66m91.11+2.76=3.870.880.292.50sm101.52+1.77=3.290.750.461.16m111.51+1.52=3.030.690.501.01m121.07+1.18=2.240.510.481.10m

S，短臂；L，长臂；T，全长；m，中部着丝粒染色体；M，正中部着丝粒染色体；sm，近中部着丝粒染色体。

S， Short arm; L， Long arm; T， Total length; m， Metacentric chromosome; M， Choromosome structure of median poin; sm， Submetacentric chromosome.

花粉形态的演化主要表现在外壁纹饰和萌发孔上[27]，花粉形态特征受基因型控制而不受外界条件影响，是探讨植物起源、演化、亲缘关系的重要特征之一，可根据花粉形态进行植物品种间的鉴定、分类。2个品种的花粉粒形状无较大差异，都是近球形。但在大小和外壁纹饰上有极大差异，品种2花粉粒比品种1大，并且其外壁有明显可分辨的近正六边形紧密排列纹饰，品种1表面无明显纹饰。2个品种的花柱形态相似，均呈三瓣羽毛状，表面有无数柱状凸起，每一瓣羽状柱头中间都有一条狭长通道。2个品种人参菜虽然是雌雄同花，但由于花瓣完全闭合时未见花粉粒附着柱头，在花瓣完全展开时才有花粉粒附着柱头，因此2个品种人参菜可能不仅进行自花授粉，还通过风、昆虫等媒介进行异花授粉。

图6 两种人参菜染色体核型模式图Fig.6 Karyotype pattern of chromosomes of two Talinum crassifolium (Jacq.) Gaertn. species

2个品种人参菜茎的组成部分无较大差别。品种1的茎中皮层所占比例比品种2小，维管柱所占比例大于品种2，排列更为紧凑。品种2的厚角组织更为明显，使得品种2的茎秆更为坚挺，起到很好的机械支撑作用。

品种2染色体数目与陈瑞阳等[28]的测定结果一致，但是染色体的具体核型参数有差异，这说明品种2的染色体的数目比较稳定，但染色体大小可能受环境等因素影响。品种1的染色体数目与陈瑞阳等[28]的报道不一致；美国得克萨斯州的一个马齿苋科物种(Claytoniavirginica)居群中就发现染色体数目可从2n=12变化到2n=42[29]，品种2和品种1的核型公式与相对对长度系数组成差别都比较明显，在其他种的染色体研究中也有不同品种染色核型差异的报道[30-32]。根据Stebbins的不对称核型分析的分类标准，品种1的核型属于1B型，核型不对称系数为54.50%；品种2的核型属于2B型，核型不对称系数为59.37%。核型不对称系数越接近50 %，核型的对称程度越高，进化程度越原始[22]，品种2和品种1的核型不对称系数都比较低，在系统演化中具有较强的原始性。综上所述，可能染色体核型不同使2个人参菜植株性状表现出差异，品种1和品种2可能是同种不同属的2种处于半野生状态的植株。