东方旱麦草和行菜叶片显微及超微结构观察

东方旱麦草和行菜叶片显微及超微结构观察

短期植物生活在极端干燥的环境中。冬季的雨水在春天和夏天快速完成生命周期，以种子的形式穿过不良环境的特殊生态类型。它们不仅在饲用、药用、观赏、育种等方面具有潜在的价值,而且在增加春季荒漠地表的粗糙度、防沙固沙等方面也显示出重要的应用前景。短命植物能在较短时间内完成生活史并获得大量种子,充分显示其高光效特性,而这一特征可能是准噶尔荒漠早春短命植物快速生长发育的生理机制之一。东方旱麦草(EremopyrumorientaleL.)和独行菜(LepidiumapetalumWilld.)广泛分布于新疆准噶尔盆地南缘与伊犁河谷地带,是新疆北部早春短命植物的主要类群。邱娟等人通过对多种短命植物光合相关参数的研究,认为东方旱麦草和独行菜的同属植物抱茎独行菜为C3植物;而刘常娥和于喜凤等在东方旱麦草和独行菜叶片的石蜡切片中发现了含有较多的叶绿体的维管束鞘细胞,认为二者具有C4植物结构特征。为了详细了解这两种短命植物光合相关结构,研究利用环氧树脂半超薄及超薄切片对东方旱麦草和独行菜叶片的维管束鞘相关结构进行了进一步的观察、统计,并利用超薄切片对叶肉叶绿体内部结构进行观察,期望在解剖结构方面为东方旱麦草和独行菜的光合碳同化类型的定位提供理论参考依据。1材料和方法1.1小麦幼苗叶片的诱导生长独行菜(L.apetalum)与东方旱麦草(E.orientale)种子于3月中旬播于铺有水饱和的三层滤纸的平皿中,并置于25℃恒温光照培养箱中萌发3d后移栽至蛭石∶花土∶珍珠岩(1∶2∶1)生长基质中。小麦(TriticumaestivumL.)、油菜(Brassicanapus)、玉米(ZeamaysL.)的种子直接播于以上基质中,其上覆盖约1cm同样疏松基质。室温18～20℃,保证充足水分供给,室内自然光照,生长1个月后,取植株第三片幼叶中段进行实验。其中小麦为东方旱麦草的同科C3对照,玉米为其C4对照。由于十字花科中尚未发现典型C4植物,只取了油菜作为同科C3对照。1.2方法1.2.1甲苯胺蓝-o染色及光镜观察将叶栽成1mm×3mm大小,经2.5%戊二醛和1%的锇酸联合固定后分别用30%,50%,70%,80%,90%,95%,100%(2次)乙醇脱水,置换至丙酮后,再用不同梯度的丙酮:环氧树脂浸透至纯环氧树脂(环氧树脂配方:8.86mL/Epok-812+3mL/DDSA+6.23mL/MNA+0.3mL/DMP-30)。包埋后,在37、45和60℃分别孵育24h。将模块取出,修块并切片。用于光镜观察的切片厚度为1～2μm,用甲苯胺蓝-O染色后经光镜观察并照相。用于电镜观察的切片厚度为0.12μm,经醋酸铀、柠檬酸铅双染后在电镜下观察并照相。1.2.2细胞大小测定用MoticB5professional光学显微镜(BockOptronicsInc.,Canada)观察,MoticImagesAdvanced3.1软件取相。维管束鞘细胞和叶肉细胞的大小皆用其长径表示。在叶片横切面上随机选取3～5个维管束结构,并选其中叶绿体清晰可辨的维管束鞘细胞,统计其中的叶绿体个数。1.2.3统计分析用GraphPadPrism4软件对数据进行统计分析,用Oneway-ANOVA进行差异显著性分析,以P<0.05表示差异显著(*),P<0.01和P<0.001表示差异极显著(**)。2结果与分析2.1不同植物对维管束剑细胞的影响研究看出禾本科植物的叶片均为等面叶。东方旱麦草维管束间距大(图1-A1),鞘细胞大小较均匀,内含多数叶绿体(图1-A3),叶肉细胞较C4植物玉米排列疏松(图1-C2),具有类“花环(Kranz)”结构(图1-A2)。鞘细胞中的叶绿体大多呈离心分布,少数向心分布(图1-A3),与C4植物(图1-C)相似。小麦(C3对照)叶片中的维管束鞘细胞不明显,但大致可分出两层,内层细胞小,壁加厚,不含叶绿体;外层为较大型薄壁细胞,内含少量叶绿体(图1-B)。玉米(C4对照)的结构与文献所述一致,具有典型“花环”结构(图1-C2),维管束鞘细胞中含有大而多的叶绿体,且叶绿体均呈“离心”分布(图1-C3)。图1进一步对东方旱麦草及对照组植株的维管束相关参数进行了统计分析,结果显示:(1)维管束间距离:东方旱麦草与小麦和玉米都存在显著差异(P<0.05)。(2)维管束鞘细胞大小:东方旱麦草与玉米和小麦都没有显著差异。(3)维管束鞘细胞叶绿体数:东方旱麦草与小麦存在显著差异(P<0.05),但与玉米无显著差异。即东方旱麦草维管束的密度介于C3和C4植物之间,维管束鞘细胞中叶绿体数接近于C4植物。表1对鞘细胞中叶绿体密度进行了比较,东方旱麦草与C3植物小麦的叶绿体密度差异极显著(P<0.001),但与玉米的无显著差异(P>0.05),这说明在同样的生长条件下,东方旱麦草的叶绿体密度更趋近于C4植物。图22.2叶绿体及海绵组织的发育独行菜与C3植物油菜叶片横切结构。独行菜有类似栅栏组织的细胞,但细胞间隙较大,下表面气孔数量较多,具有较明显的异面叶特征(图3-A1,A2)。维管束鞘细胞明显且大小均匀,其中有较多的叶绿体,多数呈离心分布,有类“花环”结构(图3-A3)。油菜叶片为典型的异面叶,栅栏组织与海绵组织分化明显,栅栏组织细胞体积较大;海绵组织多层细胞横向伸长,其中叶绿体多分布在层间细胞接触面,无明显维管束鞘结构(图3-B2)。图3两种十字花科叶片横切面上的维管束间距的统计分析结果显示,独行菜与油菜的维管束密度差异极显著(P<0.001)。表22.3叶绿体超微结构利用透射电镜对两种短命植物的超微结构观察结果表明,东方旱麦草(图4-A1)、玉米(图4-C1)、独行菜(图4-B1)都具有一层明显的维管束鞘细胞,且其中含有较多的叶绿体。通过超薄切片可以进一步观察到叶绿体的超微结构。东方旱麦草(图4-A3)、独行菜(图4-B3)及C4植物玉米(图4-C3)的叶肉细胞叶绿体中基粒与片层结构的发育状况优于叶肉叶绿体(图4-A2,B2,C2),在玉米叶片的横切面中,这种对比尤其明显。玉米的维管束鞘叶绿体(图4-C2)中几乎观察不到明显的基粒和片层结构。图43不同植物叶片解剖结构的比较3.1树脂切片结果的比较显示:东方旱麦草和独行菜都具有明显的维管束鞘结构,且在鞘细胞中分布着较多的叶绿体(图1-A,图3-A),此特性与C4植物(图1-C)相似,而与典型的C3植物(图1-B,图3-B)有明显区别。C4植物的维管束鞘细胞内含RuBP羧化酶,是进行Calvin循环的主要场所,其周围富含PEP羧化酶的叶肉细胞可从细胞间隙富集低浓度CO2并经C4循环进入鞘细胞,且PEP羧化酶的活性是RuBP羧化酶的60倍,从而提高C4植物的光合效率。因此花环结构奠定了C4植物高光饱和点及高光效的物质前提。研究表明新疆许多短命植物的叶片解剖结构与C4植物相似,具有“花环”或类“花环”的维管束鞘结构,这可能是短命植物高光效特性的结构基础,并为短命植物有效利用早春季节的光温水资源,从而在2～3个月内大量结实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学机制,如光合关键酶的定位及活性等方面的研究还有待深入。3.2在典型C4植物中,鞘细胞中叶绿体呈明显的离心分布,此排布方式有利于叶肉细胞中叶绿体固定的CO2向鞘细胞的高效转运以及细胞间隙CO2的重固定。研究结果显示,玉米鞘细胞叶绿体为典型的离心分布(图1-C2,1-C3),而两种短命植物的类“花环”结构中,鞘细胞的叶绿体大多数呈离心分布,从而使这些叶绿体更容易接受来自叶肉细胞的CO2固定产物;有少数呈向心分布,利于夺回鞘细胞中光呼吸产生的CO2,进一步提高CO2的利用效率。3.3在相同的生长条件下东方旱麦草的维管束间距及鞘细胞叶绿体密度均介于其同科C3,C4对照之间(表1;图2);而独行菜的维管束间距也小于其C3对照(表2)。Osamu等人的研究表明C4植物叶片的维管束间距较C3植物小,由此单位面积上的维管束细胞及叶绿体数增加,使C3循环能更有效地进行。另外,维管束还是水分和有机物的输导组织,其密度越大,对水分和光合作用产物的输导能力越强,从而光合效率也越高。东方旱麦