東方旱麥草和行菜葉片顯微及超微結構觀察

東方旱麥草和行菜葉片顯微及超微結構觀察

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用前景。短命植物能在較短時間內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噶爾荒漠早春短命植物快速生長發(fā)育的生理機制之一。東方旱麥草(EremopyrumorientaleL.)和獨行菜(LepidiumapetalumWilld.)廣泛分布于新疆準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參數(shù)的研究,認為東方旱麥草和獨行菜的同屬植物抱莖獨行菜為C3植物;而劉常娥和于喜鳳等在東方旱麥草和獨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胞,認為二者具有C4植物結構特征。為了詳細了解這兩種短命植物光合相關結構,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行菜葉片的維管束鞘相關結構進行了進一步的觀察、統(tǒng)計,并利用超薄切片對葉肉葉綠體內部結構進行觀察,期望在解剖結構方面為東方旱麥草和獨行菜的光合碳同化類型的定位提供理論參考依據。1材料和方法1.1小麥幼苗葉片的誘導生長獨行菜(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)生長基質中。小麥(TriticumaestivumL.)、油菜(Brassicanapus)、玉米(ZeamaysL.)的種子直接播于以上基質中,其上覆蓋約1cm同樣疏松基質。室溫18～20℃,保證充足水分供給,室內自然光照,生長1個月后,取植株第三片幼葉中段進行實驗。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-o染色及光鏡觀察將葉栽成1mm×3mm大小,經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-O染色后經光鏡觀察并照相。用于電鏡觀察的切片厚度為0.12μm,經醋酸鈾、檸檬酸鉛雙染后在電鏡下觀察并照相。1.2.2細胞大小測定用MoticB5professional光學顯微鏡(BockOptronicsInc.,Canada)觀察,MoticImagesAdvanced3.1軟件取相。維管束鞘細胞和葉肉細胞的大小皆用其長徑表示。在葉片橫切面上隨機選取3～5個維管束結構,并選其中葉綠體清晰可辨的維管束鞘細胞,統(tǒng)計其中的葉綠體個數(shù)。1.2.3統(tǒng)計分析用GraphPadPrism4軟件對數(shù)據進行統(tǒng)計分析,用Oneway-ANOVA進行差異顯著性分析,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結果與分析2.1不同植物對維管束劍細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),鞘細胞大小較均勻,內含多數(shù)葉綠體(圖1-A3),葉肉細胞較C4植物玉米排列疏松(圖1-C2),具有類“花環(huán)(Kranz)”結構(圖1-A2)。鞘細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胞不明顯,但大致可分出兩層,內層細胞小,壁加厚,不含葉綠體;外層為較大型薄壁細胞,內含少量葉綠體(圖1-B)。玉米(C4對照)的結構與文獻所述一致,具有典型“花環(huán)”結構(圖1-C2),維管束鞘細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進一步對東方旱麥草及對照組植株的維管束相關參數(shù)進行了統(tǒng)計分析,結果顯示:(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,維管束鞘細胞中葉綠體數(shù)接近于C4植物。表1對鞘細胞中葉綠體密度進行了比較,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)育獨行菜與C3植物油菜葉片橫切結構。獨行菜有類似柵欄組織的細胞,但細胞間隙較大,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)”結構(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,柵欄組織細胞體積較大;海綿組織多層細胞橫向伸長,其中葉綠體多分布在層間細胞接觸面,無明顯維管束鞘結構(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)計分析結果顯示,獨行菜與油菜的維管束密度差異極顯著(P<0.001)。表22.3葉綠體超微結構利用透射電鏡對兩種短命植物的超微結構觀察結果表明,東方旱麥草(圖4-A1)、玉米(圖4-C1)、獨行菜(圖4-B1)都具有一層明顯的維管束鞘細胞,且其中含有較多的葉綠體。通過超薄切片可以進一步觀察到葉綠體的超微結構。東方旱麥草(圖4-A3)、獨行菜(圖4-B3)及C4植物玉米(圖4-C3)的葉肉細胞葉綠體中基粒與片層結構的發(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構。圖43不同植物葉片解剖結構的比較3.1樹脂切片結果的比較顯示:東方旱麥草和獨行菜都具有明顯的維管束鞘結構,且在鞘細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植物的維管束鞘細胞內含RuBP羧化酶,是進行Calvin循環(huán)的主要場所,其周圍富含PEP羧化酶的葉肉細胞可從細胞間隙富集低濃度CO2并經C4循環(huán)進入鞘細胞,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)結構奠定了C4植物高光飽和點及高光效的物質前提。研究表明新疆許多短命植物的葉片解剖結構與C4植物相似,具有“花環(huán)”或類“花環(huán)”的維管束鞘結構,這可能是短命植物高光效特性的結構基礎,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個月內大量結實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機制,如光合關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,鞘細胞中葉綠體呈明顯的離心分布,此排布方式有利于葉肉細胞中葉綠體固定的CO2向鞘細胞的高效轉運以及細胞間隙CO2的重固定。研究結果顯示,玉米鞘細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)”結構中,鞘細胞的葉綠體大多數(shù)呈離心分布,從而使這些葉綠體更容易接受來自葉肉細胞的CO2固定產物;有少數(shù)呈向心分布,利于奪回鞘細胞中光呼吸產生的CO2,進一步提高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胞葉綠體密度均介于其同科C3,C4對照之間(表1;圖2);而獨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胞及葉綠體數(shù)增加,使C3循環(huán)能更有效地進行。另外,維管束還是水分和有機物的輸導組織,其密度越大,對水分和光合作用產物的輸導能力越強,從而光合效率也越高。東方旱麥