東方旱麥草和行菜葉片顯微及超微結(jié)構(gòu)觀察

東方旱麥草和行菜葉片顯微及超微結(jié)構(gòu)觀察

短期植物生活在極端干燥的環(huán)境中。冬季的雨水在春天和夏天快速完成生命周期，以種子的形式穿過不良環(huán)境的特殊生態(tài)類型。它們不僅在飼用、藥用、觀賞、育種等方面具有潛在的價(jià)值,而且在增加春季荒漠地表的粗糙度、防沙固沙等方面也顯示出重要的應(yīng)用前景。短命植物能在較短時(shí)間內(nèi)完成生活史并獲得大量種子,充分顯示其高光效特性,而這一特征可能是準(zhǔn)噶爾荒漠早春短命植物快速生長發(fā)育的生理機(jī)制之一。東方旱麥草(EremopyrumorientaleL.)和獨(dú)行菜(LepidiumapetalumWilld.)廣泛分布于新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣與伊犁河谷地帶,是新疆北部早春短命植物的主要類群。邱娟等人通過對多種短命植物光合相關(guān)參數(shù)的研究,認(rèn)為東方旱麥草和獨(dú)行菜的同屬植物抱莖獨(dú)行菜為C3植物;而劉常娥和于喜鳳等在東方旱麥草和獨(dú)行菜葉片的石蠟切片中發(fā)現(xiàn)了含有較多的葉綠體的維管束鞘細(xì)胞,認(rèn)為二者具有C4植物結(jié)構(gòu)特征。為了詳細(xì)了解這兩種短命植物光合相關(guān)結(jié)構(gòu),研究利用環(huán)氧樹脂半超薄及超薄切片對東方旱麥草和獨(dú)行菜葉片的維管束鞘相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的觀察、統(tǒng)計(jì),并利用超薄切片對葉肉葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,期望在解剖結(jié)構(gòu)方面為東方旱麥草和獨(dú)行菜的光合碳同化類型的定位提供理論參考依據(jù)。1材料和方法1.1小麥幼苗葉片的誘導(dǎo)生長獨(dú)行菜(L.apetalum)與東方旱麥草(E.orientale)種子于3月中旬播于鋪有水飽和的三層濾紙的平皿中,并置于25℃恒溫光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)3d后移栽至蛭石∶花土∶珍珠巖(1∶2∶1)生長基質(zhì)中。小麥(TriticumaestivumL.)、油菜(Brassicanapus)、玉米(ZeamaysL.)的種子直接播于以上基質(zhì)中,其上覆蓋約1cm同樣疏松基質(zhì)。室溫18～20℃,保證充足水分供給,室內(nèi)自然光照,生長1個(gè)月后,取植株第三片幼葉中段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中小麥為東方旱麥草的同科C3對照,玉米為其C4對照。由于十字花科中尚未發(fā)現(xiàn)典型C4植物,只取了油菜作為同科C3對照。1.2方法1.2.1甲苯胺藍(lán)-o染色及光鏡觀察將葉栽成1mm×3mm大小,經(jīng)2.5%戊二醛和1%的鋨酸聯(lián)合固定后分別用30%,50%,70%,80%,90%,95%,100%(2次)乙醇脫水,置換至丙酮后,再用不同梯度的丙酮:環(huán)氧樹脂浸透至純環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂配方:8.86mL/Epok-812+3mL/DDSA+6.23mL/MNA+0.3mL/DMP-30)。包埋后,在37、45和60℃分別孵育24h。將模塊取出,修塊并切片。用于光鏡觀察的切片厚度為1～2μm,用甲苯胺藍(lán)-O染色后經(jīng)光鏡觀察并照相。用于電鏡觀察的切片厚度為0.12μm,經(jīng)醋酸鈾、檸檬酸鉛雙染后在電鏡下觀察并照相。1.2.2細(xì)胞大小測定用MoticB5professional光學(xué)顯微鏡(BockOptronicsInc.,Canada)觀察,MoticImagesAdvanced3.1軟件取相。維管束鞘細(xì)胞和葉肉細(xì)胞的大小皆用其長徑表示。在葉片橫切面上隨機(jī)選取3～5個(gè)維管束結(jié)構(gòu),并選其中葉綠體清晰可辨的維管束鞘細(xì)胞,統(tǒng)計(jì)其中的葉綠體個(gè)數(shù)。1.2.3統(tǒng)計(jì)分析用GraphPadPrism4軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Oneway-ANOVA進(jìn)行差異顯著性分析,以P<0.05表示差異顯著(*),P<0.01和P<0.001表示差異極顯著(**)。2結(jié)果與分析2.1不同植物對維管束劍細(xì)胞的影響研究看出禾本科植物的葉片均為等面葉。東方旱麥草維管束間距大(圖1-A1),鞘細(xì)胞大小較均勻,內(nèi)含多數(shù)葉綠體(圖1-A3),葉肉細(xì)胞較C4植物玉米排列疏松(圖1-C2),具有類“花環(huán)(Kranz)”結(jié)構(gòu)(圖1-A2)。鞘細(xì)胞中的葉綠體大多呈離心分布,少數(shù)向心分布(圖1-A3),與C4植物(圖1-C)相似。小麥(C3對照)葉片中的維管束鞘細(xì)胞不明顯,但大致可分出兩層,內(nèi)層細(xì)胞小,壁加厚,不含葉綠體;外層為較大型薄壁細(xì)胞,內(nèi)含少量葉綠體(圖1-B)。玉米(C4對照)的結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)所述一致,具有典型“花環(huán)”結(jié)構(gòu)(圖1-C2),維管束鞘細(xì)胞中含有大而多的葉綠體,且葉綠體均呈“離心”分布(圖1-C3)。圖1進(jìn)一步對東方旱麥草及對照組植株的維管束相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示:(1)維管束間距離:東方旱麥草與小麥和玉米都存在顯著差異(P<0.05)。(2)維管束鞘細(xì)胞大小:東方旱麥草與玉米和小麥都沒有顯著差異。(3)維管束鞘細(xì)胞葉綠體數(shù):東方旱麥草與小麥存在顯著差異(P<0.05),但與玉米無顯著差異。即東方旱麥草維管束的密度介于C3和C4植物之間,維管束鞘細(xì)胞中葉綠體數(shù)接近于C4植物。表1對鞘細(xì)胞中葉綠體密度進(jìn)行了比較,東方旱麥草與C3植物小麥的葉綠體密度差異極顯著(P<0.001),但與玉米的無顯著差異(P>0.05),這說明在同樣的生長條件下,東方旱麥草的葉綠體密度更趨近于C4植物。圖22.2葉綠體及海綿組織的發(fā)育獨(dú)行菜與C3植物油菜葉片橫切結(jié)構(gòu)。獨(dú)行菜有類似柵欄組織的細(xì)胞,但細(xì)胞間隙較大,下表面氣孔數(shù)量較多,具有較明顯的異面葉特征(圖3-A1,A2)。維管束鞘細(xì)胞明顯且大小均勻,其中有較多的葉綠體,多數(shù)呈離心分布,有類“花環(huán)”結(jié)構(gòu)(圖3-A3)。油菜葉片為典型的異面葉,柵欄組織與海綿組織分化明顯,柵欄組織細(xì)胞體積較大;海綿組織多層細(xì)胞橫向伸長,其中葉綠體多分布在層間細(xì)胞接觸面,無明顯維管束鞘結(jié)構(gòu)(圖3-B2)。圖3兩種十字花科葉片橫切面上的維管束間距的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,獨(dú)行菜與油菜的維管束密度差異極顯著(P<0.001)。表22.3葉綠體超微結(jié)構(gòu)利用透射電鏡對兩種短命植物的超微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果表明,東方旱麥草(圖4-A1)、玉米(圖4-C1)、獨(dú)行菜(圖4-B1)都具有一層明顯的維管束鞘細(xì)胞,且其中含有較多的葉綠體。通過超薄切片可以進(jìn)一步觀察到葉綠體的超微結(jié)構(gòu)。東方旱麥草(圖4-A3)、獨(dú)行菜(圖4-B3)及C4植物玉米(圖4-C3)的葉肉細(xì)胞葉綠體中基粒與片層結(jié)構(gòu)的發(fā)育狀況優(yōu)于葉肉葉綠體(圖4-A2,B2,C2),在玉米葉片的橫切面中,這種對比尤其明顯。玉米的維管束鞘葉綠體(圖4-C2)中幾乎觀察不到明顯的基粒和片層結(jié)構(gòu)。圖43不同植物葉片解剖結(jié)構(gòu)的比較3.1樹脂切片結(jié)果的比較顯示:東方旱麥草和獨(dú)行菜都具有明顯的維管束鞘結(jié)構(gòu),且在鞘細(xì)胞中分布著較多的葉綠體(圖1-A,圖3-A),此特性與C4植物(圖1-C)相似,而與典型的C3植物(圖1-B,圖3-B)有明顯區(qū)別。C4植物的維管束鞘細(xì)胞內(nèi)含RuBP羧化酶,是進(jìn)行Calvin循環(huán)的主要場所,其周圍富含PEP羧化酶的葉肉細(xì)胞可從細(xì)胞間隙富集低濃度CO2并經(jīng)C4循環(huán)進(jìn)入鞘細(xì)胞,且PEP羧化酶的活性是RuBP羧化酶的60倍,從而提高C4植物的光合效率。因此花環(huán)結(jié)構(gòu)奠定了C4植物高光飽和點(diǎn)及高光效的物質(zhì)前提。研究表明新疆許多短命植物的葉片解剖結(jié)構(gòu)與C4植物相似,具有“花環(huán)”或類“花環(huán)”的維管束鞘結(jié)構(gòu),這可能是短命植物高光效特性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),并為短命植物有效利用早春季節(jié)的光溫水資源,從而在2～3個(gè)月內(nèi)大量結(jié)實(shí)并迅速完成生活史提供可能和保障。但短命植物高光效的生理生化及分子生物學(xué)機(jī)制,如光合關(guān)鍵酶的定位及活性等方面的研究還有待深入。3.2在典型C4植物中,鞘細(xì)胞中葉綠體呈明顯的離心分布,此排布方式有利于葉肉細(xì)胞中葉綠體固定的CO2向鞘細(xì)胞的高效轉(zhuǎn)運(yùn)以及細(xì)胞間隙CO2的重固定。研究結(jié)果顯示,玉米鞘細(xì)胞葉綠體為典型的離心分布(圖1-C2,1-C3),而兩種短命植物的類“花環(huán)”結(jié)構(gòu)中,鞘細(xì)胞的葉綠體大多數(shù)呈離心分布,從而使這些葉綠體更容易接受來自葉肉細(xì)胞的CO2固定產(chǎn)物;有少數(shù)呈向心分布,利于奪回鞘細(xì)胞中光呼吸產(chǎn)生的CO2,進(jìn)一步提高CO2的利用效率。3.3在相同的生長條件下東方旱麥草的維管束間距及鞘細(xì)胞葉綠體密度均介于其同科C3,C4對照之間(表1;圖2);而獨(dú)行菜的維管束間距也小于其C3對照(表2)。Osamu等人的研究表明C4植物葉片的維管束間距較C3植物小,由此單位面積上的維管束細(xì)胞及葉綠體數(shù)增加,使C3循環(huán)能更有效地進(jìn)行。另外,維管束還是水分和有機(jī)物的輸導(dǎo)組織,其密度越大,對水分和光合作用產(chǎn)物的輸導(dǎo)能力越強(qiáng),從而光合效率也越高。東方旱麥