菱的丝状结构是沉水叶还是同化根？——植物学教材质疑（四）

黎维平

（湖南师范大学生命科学学院,中国湖南 长沙 410081）

异形叶性（heterophylly）是指同一植株具有明显不同形状叶的现象,环境变化是导致异形叶性产生的主要原因之一。国内一本被广泛使用的著名植物学教材[1]以菱（Trapa natans L.）为例,并配以照片,显示菱的叶形因所处环境不同而发生显著变化,以分别适应浮水和沉水生活。该教材指出,“菱的浮水叶扁平呈菱形,而沉水叶却细裂呈丝状”[1]。另有教材提到,菱有“羽状细裂”[2]或“羽裂篦子形”[3]的沉水叶。菱沉水叶的形状不同于浮水叶,细裂成丝状,可解释为通过扩大叶比表面积（表面积与体积之比）,利于吸收光照和CO2,是对沉水环境中缺乏光照和CO2的适应[1～3]。菱是著名的浮水植物,产于亚洲、欧洲和非洲,在澳洲和北美也有种植和逸生[4]。菱在我国各地广泛分布,其叶形变化如此明显,是阐述叶异形性的好材料。然而,相关教材描述的菱“沉水叶”[1～3]是叶吗？

有的文献[4]在对菱属植物进行形态学描述时,在插图中展示上述沉水丝状器官,但是对这个结构只字不提而加以回避。国外一些著作和研究报道对菱的这一结构也未加以定性,而是分别描述性地称之为“丝裂叶状器官（filiform-dissected leaflike organs）[5]”“羽 状 细 丝结 构 （fine,pinnate structures）[6～7]”和“根状散布的绿色篦齿形器官（green root-like spreading pectinate organs）[8]”。Hummel等[6]和Ali等[7]在综述时指出,至今对该器官的认识有3种不同的观点,即此结构是叶、托叶或根。首先,一些文献将此结构看成叶。上述植物学教材[1～3]将其称为“沉水叶”,一些文献也持相同观点,把它说成是“羽状深裂,裂片丝状”的沉水叶[9～14]、“羽状复叶（pinnately compound leaves）[15]”“羽状细裂的沉水叶（finely divided feather-like submerged leaves）[16]”,或“裂叶（dissected leaves）[17]”。其次,刁正俗[18]提出,该结构属于“托叶的变态”,“是由沉浸水中的托叶伸长”而成;Kubitzki[19]也将该结构称为“沉水的丝裂托叶（submerged liform-dissected stipules）”。第三,早在1954年,傅家瑞[20]就提出该器官是同化根（photosynthetic roots）,但并没有给出证据,只是说“作者经长期详细观察后,确认它是具有同化作用的不定根”。另一些学者也持相同观点[21～26]。菱科（Trapaceae）仅 1 属,即菱属（Trapa L.）[21～26]。菱属植物叶二型,沉水叶非羽状丝裂叶,而是小而宽圆形早落叶,仅见于幼苗或幼株。同化根从沉水叶托叶边缘发出,生于沉水叶叶痕两侧,对生或轮生状,呈羽状丝裂[21～26]。

菱属沉水茎上着生的羽裂丝状结构到底是叶、托叶还是根？学者们各持己见,各有证据[9～26]。各种观点多基于形态标本观察,或发育过程中的形态观察。叶、托叶和根在发生部位、解剖结构上有明显区别,通过解剖学观察能解决这个长期争论的问题。目前仅有一项研究[23]的结论基于解剖学证据,但是其观察较为简略,文中只提供了一幅简单的墨线图,未能提供充分的证据。

本研究通过对菱有关结构的形态和解剖结构进行系统观察,确认其器官性质,以期澄清这一长期争论的问题,为改进植物学教材提供参考。同时,基于此研究,编写了一植物学探究性实验教学的新案例,以期培养学生的探究能力及批判性思维习惯和能力。

1 材料与方法

从长沙河西桃子湖取3株菱的茎及其节上着生的“沉水丝状器官”。凭证标本LWP2006001保存于湖南师范大学植物标本馆（HNNU）,标本鉴定依据Flora of China[26]。

切下沉水茎上1个具2“沉水丝状器官”的节拍照。

用新鲜材料进行徒手切片,用番红染色,然后将切片制成临时装片,同时将丝状结构制成整体临时装片。使用Olympus CX31数码成像显微镜对装片进行观察并拍照。

取茎及“沉水丝状器官”,用FAA固定液固定。采用石蜡切片法制片,酒精系列脱水后,二甲苯透明,随后番红-固绿对染,最后中性树胶封片,制成永久切片。于Olympus CX31数码成像显微下观察永久切片并拍照。

2 结果

茎节的肉眼观察结果显示:“沉水丝状器官”在沉水茎节上非对生,而是偏向茎一侧;“羽状细裂”结构并非呈羽状,而是呈辐射状伸展（图1A）。茎节部横切面的显微观察结果显示:“沉水丝状器官”属内起源,发生于叶迹两侧的皮层最内方,为不定根（图1B）。真正的沉水叶叶迹向两侧发出托叶。

整体装片的显微观察显示:丝状结构的原始体突破不定根表皮,从其内部冒出（图1C）;不久,其顶端有膜状细胞层分离、脱落,是衰老的根冠细胞层（图 1D）。

不定根横切面的显微观察（图1E,F）显示:1）其内皮层凯氏点明显;2）中柱鞘为1层细胞;3）木质部与韧皮部相间排列;4）初生木质部属3～5原型,多为4原型;5）无髓,中央被后生木质部占据;6）后生木质部与木质部脊（原生木质部）间缺乏导管分子（细胞）。此外,不定根发出的细丝为内起源的侧根,发源于与初生木质部对着的中柱鞘（图 1G）。

图1H显示,丝状侧根横切面具有表皮、外皮层、中皮层、内皮层、中柱鞘、木质部和韧皮部等各种结构。其表皮细胞1层,无根毛,无叶绿体,外切向壁稍厚;外皮层细胞1～2层,特征是细胞明显小于内部细胞,无细胞间隙,含叶绿体;中皮层由3层较大型的薄壁细胞组成,细胞间隙明显,含较多叶绿体;内皮层细胞1层,较小,具凯氏带;中柱鞘细胞1层,比内皮层细胞更小;木质部仅具1（～2）导管分子;韧皮部也不发达。

图1 菱沉水茎、不定根及丝状侧根的形态和解剖结构（A）沉水茎（横切）及其2不定根（不定根生有多数丝状侧根）（标尺:5 mm）;（B）茎节部横切面（标尺:400 μm）;（C）不定根的侧根将冒出（白箭头所指）或已突破表皮（黑箭头所指）（标尺:400 μm）;（D）丝状侧根上一些老的根冠（箭头所指）已脱落（标尺:400 μm）;（E）不定根的徒手横切面局部,示其维管柱结构（标尺:50 μm）;（F）不定根的横切面局部,示具凯氏带（光镜下呈点状）的内皮层、中柱鞘、初生韧皮部和木质部（标尺:10 μm）;（G）不定根横切面,具2正发生的侧根（标尺:150 μm）;（H）丝状侧根的横切面局部（标尺:10 μm）。AR:不定根;ASC:茎皮层通气组织;BS:托叶基部;CD:凯氏点;CP:叶绿体;E:表皮;ED:内皮层;EX:外皮层;LR:侧根;LT:叶迹;MC:中皮层;MX:后生木质部;P:髓;PC:中柱鞘;PP:初生韧皮部;PX:原生木质部;X:木质部。Fig.1 Morphology and anatomy of the submerged stems,adventitious roots and filiform lateral roots in T.natans（A）A cross section of a submerged stem,from which two adventitious roots arise with a lot of filiform lateral roots（scale bar:5 mm）;（B）A sectioned node（scale bar:400 μm）;（C）Lateral roots are emerging（white arrows）and have just broken through the epidermis of the adventitious roots（black arrows）（scale bar:400 μm）;（D）Old root caps（arrows）of the filiform lateral roots have sloughed off（scale bar:400 μm）;（E）A free-hand transverse section of an adventitious root,showing the structures of its vascular cylinder（scale bar:50 μm）;（F）A partial cross section of an adventitious root,showing the endodermis with Casparian strips（look like dots under a microscope）,pericycle,primary phloem,xylems（scale bar:10 μm）;（G）A cross section through a adventitious root with two developing lateral roots（scale bar:150 μm）;（H）A portion of a cross section of a filiform lateral root（scale bar:10 μm）.AR:Adventitious roots;ASC:Aerenchyma of stem cortex;BS:Base of stipule;CD:Casparian dots;CP:Chloroplasts;E:Epidermis;ED:Endodermis;EX:Exodermis;LR:Lateral roots;LT:Leaf trace;MC:Middle cortex;MX:Metaxylem;P:Pith;PC:Pericycle;PP:Primary phloem;PX:Protoxylem;X:Xylem.

3 讨论

“羽状丝裂结构”,即植物学教材所说的“沉水叶”,在两个层次上的起源和结构,都支持其为根,而不是叶,也不是托叶。

3.1 沉水茎上发出的非对生叶,而是不定根

沉水茎节上的叶和托叶早落[24]。图1B显示,沉水茎上着生的“羽状器官”非外起源的叶,而是内起源的不定根。不定根起源于皮层最内方细胞,位置偏向于叶迹一侧。

图1E～G是不定根的横切面。切面上显示其内皮层的凯氏带明显,这还不足以证明此为根,因为沉水茎和有些沉水叶具吸收功能时,也具有内皮层。但是,如下结构足以证实其为根,而非叶轴,因为它们是根特有的:1）中柱鞘;2）初生木质部和初生韧皮部相间排列;3）中央非髓而是后生木质部。

3.2 丝状结构是侧根

本研究的一系列证据表明,丝状结构并非丝裂的叶片,而是不定根上发出的侧根。

3.2.1 丝状结构非羽片

羽状分裂的叶片由全缘叶演化而来,其裂片在一个平面上,至少从叶轴两侧发出的部位是整齐的。但通过对沉水茎进行肉眼观察即可判断,丝状结构是呈辐射状排列（图1A）,并非两列,所以称其“羽状”是不恰当的。解剖结构也显示其在多个部位发生,向各个方向伸展（图1G）。

3.2.2 丝状结构为内起源的侧根

若丝状结构是叶裂片,应为叶原基的不均匀生长而延伸形成,不会是内起源。但是,丝状结构起源于与原生木质部对着的中柱鞘细胞（图1G）,为典型的内起源的侧根。菱不定根的初生木质部多为4原型,即侧根发生部位多为4个,在不定根表面常形成4列侧根（图1A）。

3.2.3 丝状结构具根的特征

丝状结构在发生时,即可见顶端分生组织,即分生区（图1G）;在其突破不定根皮层、表皮后,可见其根冠（图1D,G）。由于这些侧根不与土壤颗粒接触,而是悬浮在水中,无需通过根冠外围细胞的黏液化来起润滑作用,减少根前进中的摩擦力,所以随着根的生长,老的根冠细胞就成层脱落（图 1D）。

丝状侧根横切面（图1H）展示出了根的一般结构。其皮层分外皮层、中皮层和内皮层。外皮层细胞较小,1～2层,几乎无细胞间隙,具有保护作用。内皮层具凯氏带,为吸收功能所必需。维管柱由中柱鞘和维管组织组成。因该植物为水生,而且丝状侧根的功能已转变为以同化为主,所以维管组织很不发达,木质部仅有1～2个导管分子。

3.2.4 侧根为同化根

将“羽状丝裂”结构当作菱适应沉水生活的生态异型叶性的表现,这显然是错误的,但其的确行使沉水叶的功能。其外观呈现绿色（图1A）,这是皮层的同化组织所致。外皮层和中皮层的4～5层细胞均含有叶绿体,使得这些侧根转变为以同化功能为主的变态器官,即同化根。

同化根不仅与沉水叶在内皮层、中柱鞘等基本结构上不同,还在其他方面不同于沉水叶。首先,沉水叶中叶绿体分布最多、绿色最深的部位往往是叶表皮;而菱同化根（图1H）的表皮不含叶绿体,且外切向壁较厚。其次,沉水叶通常都有通气组织;而菱同化根虽然有多层细胞但不具通气组织,甚至细胞间隙都不够发达。这些现象也许可归因于同化根对同化功能的适应程度不够高,还兼有根的吸收功能;又或许是因为菱的光合作用功能主要由浮水叶承担,施加在同化根上的生存压力不够大。

4 一个新的植物学探究实验:菱的丝状结构是沉水叶还是同化根？

该研究所采用的技术是常规的切片,将石蜡切片改用徒手切片也可获得较理想的结果,所以高中生和大学生均具备实验操作能力。对于“羽状丝裂”结构为何物的问题,学生完全可以根据实验观察,运用在植物学理论课所学知识,独立地得出正确的结论。而且该项实验可在1 h左右完成,也适合作为一个完整的实验。该实验不提供实验操作方法、实验原理和实验步骤,学生必须且能够进行实验设计。该实验结果推翻了权威教材的结论,对于培养学生的批判性思维习惯和能力,具有一定的价值。

笔者将这个案例编成如下探究性实验项目:同一株水生植物的挺水叶、浮水叶和沉水叶在形态与结构上的适应性差异是植物异形叶性最好的一类示例。大家正使用的植物学教材以菱科的菱（Trapa natans L.）为例,展示了菱的叶形因所处环境不同而发生显著变化,以分别适应浮水和沉水生活。该教材指出,“菱的浮水叶扁平呈菱形,而沉水叶却细裂呈丝状”。另有教材也提到菱具羽状丝状的沉水叶。但是,也有文献认为该“羽状丝裂”结构是同化根或变态托叶。请对烧杯中的实验材料菱进行形态学和解剖学观察,判断其“羽状丝裂”结构是沉水叶、同化根还是变态的托叶,并给出尽可能全面的证据,运用这些证据论述你的观点。

该探究性实验已在中学生物奥林匹克竞赛培训中多次采用,大部分学生都能在1 h内完成实验,并得出正确结论,作出较好的论述。实验完成并得到老师的肯定之后,学生们的兴奋之情溢于言表。老师在表扬之余,应指出同学们实验和阐述的不足,指出如何改进实验证据的收集,分析为什么有些学生对某些实验证据视而不见,尤其是要教导学生在获得科学证据之后,如何进行科学性、条理性和逻辑性均强而有力的论证。

笔者也推荐在大学植物学实验课中采用此实验,并建议在学习完植物营养器官形态结构知识后再开展此实验,因为该实验涉及到根、茎和叶的形态结构及变态器官、异形叶性等内容,具有较强的综合性。