黄瓜叶片脉岛分化规律的研究

黄瓜叶片脉岛分化规律的研究

植物育种和生物学是研究植物个体发育规律及其调节机制的学科。俄罗斯圣彼得堡农业大学植物生理教研室主任布林教授系统地总结该校50多年来对植物个体发育及其细胞机理的研究成果,并回顾了近两个世纪植物发育的研究历史和进展,对前人提出的各种发育理论进行了科学分析和认真思考,提出了生物个体发育的数量一位置假说。以往研究主要侧重于对其形态及解剖结构的定性研究上,即大多是描述性的,如表皮细胞及气孔的形状、气孔在上下表皮的分布数量、横切面上栅栏组织和海绵组织细胞的形状和细胞层数、维管束的形状及分布等,但对于脉岛的研究尚未见报道。本试验主要是对黄瓜叶片发育机理进行初步研究,通过记录上、下表皮细胞数和横切细胞数来分析脉岛的分化与细胞数目的关系,为进一步揭示黄瓜叶形态、解剖结构及黄瓜叶片网状脉形成的机理提供理论依据。1材料和方法1.1材料表面黄瓜(CucumissativusL.):‘长春密刺’(种子购于种子商店)。1.2方法1.2.1塑料营养钵+塑料培养饼试验于2008年在东北农业大学园艺实验站进行。选取籽粒饱满、大小一致的种子浸种催芽,种子用温水浸种5～6h,催芽温度25℃,胚根刚长出再降至20℃,1～2d出齐芽后,播种于10cm×10cm的塑料营养钵中,出4～5片真叶后定植到直径为30cm的花盆中,正常管理。待叶片长到10叶1心时,取整齐一致的5株植株分别对不同节位叶片(心叶除外,由下至上依次为2,4,6,8,9,10节位)进行形态解剖结构数量性状的观测。1.2.2叶片组织切片叶片表皮采用印迹观察法。叶片横切采用石蜡制片法:将叶片中部至边缘的一部分叶片切成5mm×5mm小块,FAA固定,系列酒精脱水,石蜡包埋,AO切片机切片,厚8～10μm,番红-固绿染色。光学显微镜观察并进行显微摄影。1.2.3细胞组织类型第一种类型(Ⅰ):网状脉包围的叶肉范围内没有自由端分化。第二种类型(Ⅱ):网状脉包围的叶肉范围内有1个自由端分化。第三种类型(Ⅲ):网状脉包围的叶肉范围内有2个自由端分化。第四种类型(Ⅳ):网状脉包围的叶肉范围内有3个自由端分化。第五种类型(Ⅴ):网状脉包围的叶肉范围内有4个自由端分化。微脉岛是由一定的细胞数量包围而成的,微脉岛中所拥有细胞数的计算公式为:n=n1+n2+c×(s/d2)+(s·h)/e式中:n为一个微脉岛所拥有的细胞数;n1为一个微脉岛中的下表皮细胞数;n2为一个微脉岛中的上表皮细胞数;c为叶肉横切面栅栏组织细胞的平均细胞层数;s为各类型脉岛面积;d为栅栏组织横切细胞直径平均值;e为单个海绵组织体积(海绵组织细胞近似看成球体);h为海绵组织所占空间的厚度。1.2.4细胞、气孔密度的加标算法,分为7个主要细胞和10对非气孔区的表皮细胞进行测量以计算表皮细胞的大小,气孔的大小包括2个保卫细胞和中间的开口。细胞、气孔密度换算为每1mm2内的细胞、气孔个数。数据用SPSS分析软件进行分析。2结果与分析2.1气孔密度与节位的关系黄瓜上、下表皮密生表皮毛,表皮毛附近细胞较大,3～4层内无气孔分布,叶脉上表皮细胞呈纺锤状;下表皮细胞形状类似拼图,细胞不规则且大,气孔分布较上表皮多,叶脉上有气孔分布,气孔类型为无规则型,保卫细胞肾形,气孔口长椭圆形。不同节位细胞大小及形状不同,下层部位细胞较大,呈波纹状,且下表皮细胞垂周壁皱褶较上表皮细胞垂周壁皱褶大,上部叶片细胞较小,细胞垂周壁较平直,上、下表皮细胞形状差异不大(见图1、图2)。由表1看出,上表皮细胞直径大于下表皮细胞直径,上、下表皮细胞大小均是随着节位上升呈下降趋势;上、下表皮细胞密度均是随着节位上升呈增加趋势,且上表皮细胞密度小于下表皮细胞密度;上、下表皮气孔大小均是随着节位上升呈下降趋势,且上表皮气孔大于下表皮气孔;上、下表皮气孔密度均是随着节位上升呈上升趋势,下表皮气孔密度在第8节位升至最高,到第10节位上、下表皮气孔密度差异不显著,上表皮气孔密度为231.32个/mm2,下表皮气孔密度为289.43个/mm2,下表皮气孔密度大于上表皮气孔密度,这样的发育特点符合植物叶片的植物学特性。不同节位上、下表皮细胞直径存在差异,上表皮细胞直径除了第6、8、10节位没有差异外,其余各节位均存在显著性差异,下表皮细胞直径除了第4、6、8节位没有差异外,其余各节位均存在极显著性差异。上表皮细胞密度除了第6、8、10节位外,其余各节位之间存在极显著差异,下表皮细胞密度第6节位与第4、8节位没有差异,这两个节位分别与其它节位存在显著性差异。上表皮气孔密度第4、6节位之间及第8、10节位之间没有差异,其它节位之间存在极显著性差异;下表皮气孔密度除了第2、10节位之间没有差异外,其余各节位之间均存在极显著差异。上表皮气孔大小除了第4、6节位之间及第8、10节位之间没有差异外,其余节位之间均存在显著差异;下表皮气孔大小第6节位与第4、8节位没有差异,第8节位与第6、10节位没有差异,第4节位与第10节位差异极显著。2.2海绵组织厚度不同节位叶片均由一层栅栏组织细胞构成,栅栏组织厚度不同节位之间存在差异,其中第2、6、8节位差异不显著,其它节位之间差异极显著;叶片横切由4层海绵组织细胞组成,海绵组织厚度除第6、8节位不存在差异外(见图3),其余各节位均存在极显著差异;叶片厚度不同节位之间差异不显著;栅栏组织厚度/海绵组织厚度比值第4、10节位分别与其它节位之间差异不显著,第2节位与第6、8节位之间存在极显著差异(见表2)。2.3各类微脉岛面积大小由图4可见,黄瓜同一类型微脉岛面积随节位变化波动不大,趋于稳定状态,而各类型微脉岛面积大小依次为SV>SIV>SIII>SII>SI。2.4微脉岛细胞类型分布黄瓜不同节位Ⅰ型微脉岛细胞数为10097～15547个、Ⅱ型微脉岛细胞数为14243～19759个、Ⅲ型微脉岛细胞数为22629～25695个、Ⅳ型微脉岛细胞数为35306～38581个、V型微脉岛细胞数为54403～59245个,即同类型微脉岛内细胞数随节位变化波动不大,趋干稳定状态,而各类型微脉岛内细胞数大小依次为Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ(见图5)。2.5各级微脉内皮细胞数各类型脉岛细胞数间存在一定的线性关系,对黄瓜叶片各类型微脉岛内细胞数进行分析得到,其各类型微脉岛内细胞数不同,且各类型微脉岛内细胞数随类型的不同呈规律性变化(见图6),y代表细胞数,x代表微脉岛类型。3讨论3.1叶肉细胞密度叶片是植物体最重要的器官之一,它的主要功能是光合作用和蒸腾作用。大量的研究证明,植物的叶是全息胚,是生活在植株主体上特化的新植株。因此,完全可以通过叶片中的信息,来研究或反映植物体或其他器官。本试验对黄瓜幼苗叶片形态特征及解剖结构观察发现,具有较大的细胞直径以及气孔长就有较小的细胞密度及气孔密度,上部叶片细胞直径及气孔长较小,细胞密度及气孔密度较大,而目.栅栏组织1～2层,下部叶片栅栏组织为1层。一般认为,叶肉细胞越小,单位面积内叶肉细胞的表面积越大,光合速率越高,这是因为细胞表面积与体积比的增大及叶肉细胞阻力减少的缘故。周可涌、卢川北对甘蔗研究认为:叶肉细胞面积的扩大有利于增加光合能力。随着节位下降,黄瓜叶肉细胞逐渐增大。也就是同一体积的细胞,如果细胞变小,细胞数目就增多,结果细胞总比表面积增大,这才可能真正增加光合膜的面积。气孔是植物体内外进行气体和水分交换的通道,气孔密度和气孔口的大小与植物的生长有直接的关系。黄瓜不同节位的叶片,它们的气体交换存在明显差异,在相同的外界环境条件下,不同节位叶片的气体交换率的差异是由于叶片生理特性的差异所致,上位叶较高的气体交换率表明其生理活性和光合作用的能力都较强。栅栏组织/海绵组织比值较高也是评价净光合作用较高的阳性树种的形态学特征。陈碧珍认为,组织比(栅栏组织厚/海绵组织厚)和栅厚/叶厚两者的比值是反映叶肉结构与光能利用的水平,比值越高,其光能利用率越高。本研究表明黄瓜上部叶片栅栏组织厚/海绵组织厚大于下部叶片,这说明上部叶片接受光合的能力较强。3.2黄瓜细胞分化的可能机制叶脉是由维管束构成,当维管束形成时,其被许多细胞包围着。当围绕维管束的细胞数大幅度增加时,维管束中的代谢物就会保证形成新的细胞,从这些细胞中再形成新的细胞,大体上形成分生组织细胞。叶中维管束形成的机理原则上与形成其它结构没有什么区别,它们的组成是当分生组织被临界细胞数包围时,就会形成环境因子梯度,这些因子促进细胞局部分化。本研究结果表明黄瓜叶脉发育也存在临界细胞数问题,当细胞数达到10097～15547个时,就会分化出Ⅰ型微脉岛;细胞数达到14243～19759个时,就会分化出Ⅱ型微脉岛;细胞数达到22629～25695个时,就会分化出Ⅲ型微脉岛;细胞数达到35306～38581个时,就会分化出Ⅳ型微脉岛;细胞数达到54403～59245个时,就会分化出Ⅴ型微脉岛。由此可以得到:一定数量的细胞只能维持一定数量的叶脉,当叶片超出一定的临界细胞数量时,就会分化出新的叶脉。这个结论可以推断出,细胞分化的机制可能是细胞数量累积的结果,当细胞群体达到临界数量时就会引