白麻花蜜腺及花瓣乳突细胞的发育解剖学研究

石秋梅尹传华王 虹张思敏张 科

(1.武夷学院茶与食品学院,福建武夷山 354300;2.新疆大学生命科学与技术学院,乌鲁木齐 830046;3.中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室,乌鲁木齐 830011)

白麻(Apocynum pictumSchrenk),夹竹桃科(Apocynaceae)罗布麻属(Apocynum)多年生宿根草本植物,俗称大叶白麻,异名为Poacynum pictum、Poacynum hendersonii或Apocynum hendersonii[1-2]。新疆为其主要分布区,分布面积约53万hm2,占全国罗布麻总面积的40%,产量约5万t,占全国产量的50%[3]。由于白麻具有极强的耐寒、耐旱及抗盐碱能力而成为一种重要的生态型植物资源[4]。同时,白麻的花期长达半年,出蜜量每公顷达18～26 kg[5]。因而,白麻也是一种重要的蜜源型经济植物,具有极大的应用开发价值。

花蜜富含人体健康所需的多种营养成分。有研究表明花蜜的主要成分除蔗糖、葡萄糖和果糖之外,还有氨基酸、蛋白质、维生素等[6-7]。随着先进分析检测技术的应用,还检测到酚类、黄酮类及香气等抗氧化物质[8]。蜜腺解剖学研究证明,蜜腺泌蜜方式多种多样,泌蜜的方式与产生分泌细胞的组织类型有关;此外,蜜源植物泌蜜产量及蜜汁品质还与蜜腺形态结构有着密切联系[7]。有关花蜜腺形态、类型、解剖学结构及后含物变化的研究报道有很多,近年来较多关注蜜腺的生态学作用[9]、蜜腺发育及花蜜分泌的分子机理[10-16],而且研究对象多以栽培植物为主。有关白麻这种抗逆性强、泌蜜量大的生态经济型的野生植物的花蜜腺解剖结构特点、发育规律以及泌蜜机制的解剖学研究尚未见报道。因此,开展白麻花蜜腺的发育解剖学研究有利于加深对干旱区植物适生态适应性机制的理解,为白麻植物资源的开发利用提供理论依据。

本研究以新疆产白麻为试验材料,基于石蜡切片技术并借助光学显微镜、扫描透镜等仪器,分析白麻花蜜腺的形态特征、组织结构及其发生发育规律;同时,通过对石蜡切片组织化学染色研究,揭示白麻花蜜腺泌蜜的方式和规律,为进一步合理利用白麻植物资源提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料采自中国科学院新疆分院阜康实验站盐生植物园的栽培植株,白麻花期5-9月,采集现蕾期、花蕾膨大期、露冠期、初放期、盛花期和败花期共6个花期的白麻花。在白麻栽培区随机选择采集植株约20 株,每个花期的鲜花采集约20朵左右。

1.2 方法

采集不同花期的新鲜白麻花,装进干净的青霉素瓶中,加入FAA 固定液固定,固定液配方为:90%的50%酒精+5%的冰醋酸+5%的福尔马林,固定时间24 h以上。先加入番红(在70%乙醇中)进行整体染色,再经从低浓度到高浓度的酒精(乙醇浓度:70%～100%)对花进行脱水,然后用二甲苯对脱水后的花做透明处理,再用石蜡包埋后进行切片(厚6μm),二甲苯进行脱蜡透明,再经从低浓度到高浓度的酒精(乙醇浓度:70%～100%)对花的石蜡切片进行脱水处理。为观察分析花蜜腺分泌的淀粉粒、蛋白质和多糖化学成分,石蜡切片除了进行基础的番红-固绿对染外,还需分别进行碘-碘化钾淀粉染色、考马斯亮蓝染色和多糖-高碘酸-席夫试剂染色(PAS反应)。染色后再用从低浓度到高浓度的酒精(乙醇浓度:70%～100%)对花的石蜡切片进行脱水处理,经二甲苯透明后,加拿大树胶封片,在Nikon(E=2 000)显微镜下观察并拍照。从每个花期各选择5～10朵分别制作横、纵切片,每个方向制备5～10个切片,每个切片观察5～10个视野。

另取新鲜的白麻盛花期花朵,用CARON ACCESSORY 喷镀仪对材料进行镀金,并在LEO1430VP 扫描电镜下观察花瓣形态表面特征并拍照。此外,在OLYMPUS 双目体视显微镜下观察白麻盛花期花朵,并纵切,观察蜜腺位置、形状并拍照。

2 结果与分析

2.1 白麻花蜜腺的形态特征

在OLYMPUS双目体视显微镜下对白麻盛花期花进行解剖观察,白麻花的花色为粉红色,花蜜腺着生于五浅裂的花盘裂片处,位于每一花丝基部内侧,椭圆形,共5个(图1-1,1-2)。此外观察扫描电镜图,花瓣表面分布许多瘤状乳突,表面细胞不平且具有纹理(图2-1,2-2)。

图1 盛花期白麻花朵纵切面图Fig.1 Longitudinal section of flower at full-bloom stage

2.2 白麻花盘蜜腺发育过程

白麻花蜜腺和花瓣乳突细胞的发育可分为以下几个阶段。

2.2.1 现蕾期 随蜜腺原基细胞不断分化生长,花蜜腺隆起增大,位于花丝内侧基部,形成有分泌表皮细胞、产蜜组织和尚未完全成熟微管束的椭圆形的花蜜腺(图3-1,3-2)。花瓣的外表皮细胞发育形成许多乳突,内表皮细胞没有乳突或分布很少(图4-2)。

2.2.2 花蕾膨大期 随着花蜜腺细胞的进一步发育,花蜜腺中的维管束清晰可辨,产蜜组织细胞比分泌表皮细胞大(图3-2)。花瓣内外表皮细胞上的乳突分布增多,内表皮细胞的乳突比外表皮细胞乳突相对要大,内外表皮细胞的乳突数量相当,有的乳突的蜜汁完全分泌出去(图3-3)。组织化学染色发现:在花蜜腺的维管束周围有蛋白质颗粒积累,花瓣表皮细胞乳突也有较浓的蛋白质;PAS反应花瓣表皮细胞乳突出现玫瑰红颜色的多糖物质,但花蜜腺产蜜组织和分泌表皮细胞中多糖的分布不太明显;仍无淀粉颗粒。

图3 花蜜腺解剖结构及发育过程Fig.3 Anatomical structure and development process of floral nectary

2.2.3 露冠期 此时期,花蜜腺分泌表皮细胞发生细胞变形并包进突起的角质层中,形成由表面角质层凸和分泌表皮细胞组成的指状突起,向外分泌蜜汁,角质层并没有破裂,产蜜组织细胞间有分泌道(图2-3)。花瓣外表皮细胞乳中的蜜汁已分泌出去(图4-4)。组织化学染色表明:花蜜腺的维管束周围蛋白质颗粒积累增多,从维管束到分泌表皮的方向呈现出蛋白质浓度梯度,花瓣上的乳突被染成深蓝色;P花瓣乳突中出现紫玫瑰色的多糖物质,花蜜腺中仍然没有淀粉粒分布。

图2 白麻花瓣表面扫描电镜图Fig.2 Scanning electron micrograph of Apocynum pictum petal

2.2.4 初放期 花蜜腺表皮细胞角质层和分泌表皮细胞一起向外形成指状的突起,有多个细胞聚集到一个突起处,集中从指状的顶端分泌蜜汁(图3-3)。花瓣外表皮细胞乳突间有气孔,花瓣两表皮细胞的乳突开始发生变形萎缩,乳突内含物泌出,花瓣中间层细胞开始凋败(图4-5)。组织化学染色表明,在维管束周围和分泌表皮细胞有蛋白质,花蜜腺的产蜜组织细胞中有淀粉粒分布;花蜜腺中的多糖的分布不明显,而花瓣表皮细胞乳突有紫玫瑰色但变淡,有少量多糖类物质分布。

2.2.5 盛花期 花蜜腺表皮指状突起不断向外分泌蜜汁,角质层变厚,表皮分泌细胞小而细胞间隙变大,分泌道明显,很容易区分角质层、分泌表皮细胞和产蜜组织细胞(图3-4)。花瓣内外表皮细胞乳突大部分蜜汁已分泌出去,在花瓣的表面紧密排列,萎缩变形,花瓣中间层细胞严重凋败(图4-6)。组织化学染色表明:在靠基部花蜜腺的产蜜组织细胞有淀粉粒分布,其动态不明显;在维管束周围深蓝色蛋白质,在产蜜组织中的蓝色很均匀,浓度低,而分泌表皮和维管束周围的浓度高;花蜜腺的PAS反应仍不明显,花瓣表皮细胞乳突的着色也变淡变轻,花瓣乳突的分泌基本停止。

2.2.6 败花期 此时期,花蜜腺极度的萎缩,花瓣细胞严重凋败。在染色反应中,没有相应的颜色反应现象。

3 结论与讨论

3.1 白麻花蜜腺的形态和类型

从植物解剖学的角度可将蜜腺分为结构蜜腺和非结构蜜腺[17]。着生于花盘顶端裂片处的5个椭圆形蜜腺,位于每一花丝的内侧基部,具有明显的结构蜜腺特征,且与《西北蜜源植物及其开发利用》[18]中对白麻花蜜腺的描述及周玲玲等[19]对罗布麻Apocynum venetum花蜜腺观察的结果相一致。如果按照蜜腺的形态和着生位置分类,白麻花的蜜腺又属于花盘蜜腺[17],这与新疆阿魏[20]、紫苏花的盘状蜜腺相似[21],而与沙拐枣花[22]、杏花[23]、紫云英[24]、小花糖芥[25]及短果大蒜芥[26]的侧半环蜜腺有所不同。

3.2 白麻花蜜腺的发生、发育特点及泌蜜方式

蜜腺是一种外部分泌结构,是植物器官表面一些细胞转化而成的一种特殊腺体[17]。着生于花盘顶端的5个椭圆形蜜腺是由表皮细胞分化形成花蜜腺原基,花蜜腺原基细胞也随之不断的分裂形成具有分泌表皮、产蜜组织细胞和维管束的成熟蜜腺,而后分泌表皮细胞变形突起随花蜜腺表面的角质层形成指状结构,不断向外泌蜜。至败花期蜜腺分泌表皮细胞和花瓣表面的乳突变形萎缩,产蜜组织细胞凋败,泌蜜停止。蜜腺石蜡切片观察发现:花盘蜜腺分泌表皮外覆角质层没有破裂,也未见蜜汁从气孔泌出。因此,蜜汁可能是通过分泌表皮外覆角质层渗透到植物外。这与垂柳[27]、白三叶草[28]、香叶天竺葵[29]、腊梅[30]等的蜜汁从变态气孔泌出不同,是白麻特有的泌蜜结构。

在白麻花蜜腺发育的过程中,花盘蜜腺中多糖物质不明显,发育的早期没有淀粉粒的分布,淀粉粒在初放期和盛花期出现在花盘蜜腺产蜜组织细胞中,蛋白质的消长明显。

3.3 白麻花瓣表面乳突的发生、发育特点

白麻花蜜腺的结构具有一定的复杂性,除花盘裂片上5个椭圆形蜜腺外,花瓣内外表面还分布有单细胞乳突。花瓣外面表皮细胞比内面表皮细胞更早发育出乳突。在发育的早期,内表皮细胞乳突的数量较外表皮要少,但最终更多的乳突遍布在花瓣内外表皮。随着花期推迟至盛花期,花瓣内外两面表皮细胞紧密排列,花瓣中间层细胞凋败,乳突中的物质较少,有的乳突中的内含物泌出,形成的空壳从花瓣上脱落,最终在败花期乳突萎缩脱落,花瓣表皮细胞表面角质化。花瓣乳突细胞发育的过程中,多糖物质消长明显,没有淀粉粒分布,蛋白质的消长明显。其他文献亦报道具有分泌功能的类似结构。车晓芬[31]在毛茛科驴蹄草属的驴蹄草Caltha palustris的花分泌组织上观察到心皮外壁两侧有顶端明显膨大且细胞核大、细胞质浓厚的单细胞毛,并认为这种细胞毛很可能具有分泌功能。茄科Schwenckia属植物S.angustifolia和S.americanavar.americana的线状和棒状附属物表皮最外层细胞为单细胞乳突结构,含有吸引传粉昆虫的酚类、脂类及挥发类物质[32]。Sulborska等[33]研究发现,野玫瑰(Rosa rugosa)花瓣近轴面表皮细胞会形成圆锥形乳突状细胞,被大量角质层纹理覆盖,分泌的香气物质通过角质层渗透出。Li等[30]研究发现腊梅花香可能是由分布在最内层和中层花瓣近轴面表皮蜜腺气孔散发出来的,而在花瓣背面几乎没有表皮蜜腺分布。Brehm 等[34]在植物Lasthenia chrysostoma的完整干燥花瓣,发现在其叶表皮乳头状突起细胞尖端有高浓度的、对吸引昆虫采蜜有重要作用的类黄酮物质。Tölke等[8]研究发现,槭树科的许多种类花蜜腺盘表面分布有单细胞乳状突起,可分泌糖类、脂类和酚类物质。上述文献所述花显微结构中的单细胞乳突与白麻花瓣的类似,但白麻花瓣表面乳突细胞中的分泌物质有待进一步研究。随着高效液相色谱、高效气相色谱、质谱、等离子发射光谱等新兴技术在花蜜化学分析中的应用,将有助于进一步从植物化学角度进行鉴定[35-36]。