乌拉尔甘草根和根茎的结构及其发育进程

乌拉尔甘草根和根茎的结构及其发育进程

ula甘草是科可可碱科的一种植物。这是中国药典（2005年版）中列出的甘草的原始植物之一。它是用干燥的根和根茎作为药品使用的。传统中医认为:甘草性味甘、平,能补脾益气、清热解毒、祛痰止咳、缓急止痛、调和诸药等功效。现代科学研究证实:甘草除具有镇痛、镇咳、抗炎、抗溃疡、抗变态反应等作用外,还能增强机体免疫功能,具有抗菌、抗爱滋病HIV病毒、乙肝HBV病毒、带状疱疹VZV病毒及SARS病毒等作用。随着野生甘草资源的缺乏及国内外市场对甘草需求剧增,人工种植甘草成为必然趋势。如何改进栽培技术,提高甘草质量成为目前甘草资源开发与保护的热点问题之一,因此,研究甘草药用器官发育及其在发育过程中有效成分的积累变化规律,对指导人工栽培技术的改进有着重要的实践和理论意义。关于乌拉尔甘草资源、有效成分的提取、分离、鉴定、药理作用及人工甘草栽培技术和质量评价等已有许多报道,而关于乌拉尔甘草药用部位根和根状茎的结构及其发育过程的变化规律的研究报道较少。本研究主要对乌拉尔甘草主根和根状茎的结构发生和发育规律进行研究,旨在为进一步研究药用成分的积累部位和动态变化奠定基础,并为提高甘草药材的产量和质量提供依据。1生长植株的观察和dna的制备将乌拉尔甘草种子处理后,播种于西北大学生物园内,分别在子叶展开、真叶长出1~2片、3~4片及生长半年、1年、2年不同时期,取根尖和根中部作为观察材料,切成0.5cm左右片段,50%FAA固定,老根采用10%的氢氟酸适当软化。根状茎的观察材料采自宁夏盐池县高沙窝甘草种植区3年生植株,分别从当年生根状茎顶芽、次年生根状茎分别取材,切分成0.5cm小块,50%FAA固定。采用常规石蜡切片法制片,切片厚度为8~12μm;铁矾-苏木精、番红-固绿染色,中性树胶封片,Leica-DMLB显微镜观察并照相记录。2结果与分析2.1根系结构和发育2.1.1原原代生组织细胞的形态结构观察从主根的根尖纵切面观察,其根尖可分为根冠区、分生区(生长点)、伸长区和根毛区四个部分。根冠位于最前端,由多层薄壁细胞构成,包被着生长点。生长点是由原生分生组织和初生分生组织共同组成,原生分生组织位于生长点的前端,由3层原始细胞群,即根冠-表皮原原始细胞、皮层原原始细胞和中柱原原始细胞构成(图版Ⅰ,1、2),从横切面观察,原分生组织细胞呈等径的多边形,排列紧密,原生质丰富,细胞核大,具有典型分生组织细胞学的特点(图版Ⅰ,3)。原分生组织的衍生细胞发生一定程度的分化,产生了由根冠原、表皮原、皮层原和中柱原组成的初生分生组织,这些细胞的性状、大小、排列和染色深浅等都表现出差异(图版Ⅰ,4、5)。初生分生组织外侧的一层细胞为根冠原细胞,向外产生根冠细胞,后者液泡化程度较高,出现细胞间隙;与之相邻的为表皮原细胞,细胞呈近似长方柱形或楔形,排列紧密,细胞质较浓,细胞体积增大;表皮原以内为皮层原,由5~7层呈切向伸长的细胞构成,靠近内侧的细胞体积较小,而中间数层细胞体积略大,细胞核明显,可见到细小的液泡;在皮层原以内是中柱原,由一群体积更小、排列紧密、细胞核明显、染色深的圆形或多边形细胞构成,邻近皮层原内侧的一层细胞为即将分化的中柱鞘细胞层,排列整齐,细胞呈不等径的圆形或方形。2.1.2初代木质部细胞的分化根的初生生长是通过初生分生组织细胞的分裂及其衍生细胞的体积增大完成的,衍生细胞的进一步分化,逐渐形成了根的初生结构。其中根冠原和表皮原的衍生细胞分化成根冠薄壁细胞和表皮,皮层和中柱原的衍生细胞则分别分化为皮层和中柱。在根的初生生长过程中,首先分化的是皮层原细胞,以后是中柱原和表皮原。最初的皮层原分化发生于中部的数层细胞,表现为细胞体积增大,细胞内出现多数液泡,形成了近圆形的薄壁细胞,并出现了细胞间隙,而在靠近表皮原和中柱原的1~2层细胞则分化较迟,细胞体积小,细胞质浓厚,排列紧密(图版Ⅰ,5)。在皮层原细胞分化的同时,中柱原中央的细胞体积增大,并逐渐呈“十”形辐射状排列至中柱鞘,部分细胞液泡化,这些细胞为最早发生分化的初生木质部细胞。以后在中柱鞘细胞内侧4个相对位置上先后出现1~2个多边形小细胞,其细胞壁加厚,细胞腔呈透明状,形成最早分化成熟的原生韧皮部的筛管分子(图版Ⅰ,5、6);在原生韧皮部之间邻近中柱鞘的1或2个细胞也随之发生细胞壁加厚并木质化,形成了最初的原生木质部导管分子(图版Ⅰ,6)。原生韧皮部和原生木质部细胞向内继续分化,形成由筛管、伴胞、韧皮薄壁细胞构成的后生韧皮部,以及由较大孔径的导管和薄壁细胞组成的后生木质部。以后4个后生木质部束逐步在根中央交汇在一起,在横切面上呈4个木质部与4个韧皮部相间排列的中柱(图版Ⅰ,7、8)。在中柱的分化过程中,皮层分化完成,并在内皮层细胞的径向壁上产生凯氏点,而形成凯氏带环(图版Ⅰ,8)。表皮原的分化逐渐形成1层径向排列紧密的细胞,其中有一些细胞向外突起形成表皮毛。至此根的初生生长完成,形成了表皮、皮层和中柱共同构成的初生结构(图版Ⅰ,9)。2.1.3生维管组织和周皮的发育及其组成在根初生生长过程中,伴随后生木质部分化的同时,位于初生木质部和初生韧皮部之间的未分化薄壁细胞分裂产生1~2层扁平状的新细胞,并逐渐形成了4条呈弧状排列的形成层片段(图版Ⅱ,1),这些片段向两侧延伸与初生木质部脊所对的中柱鞘细胞连接在一起,形成一个近菱形的维管形成层环(图版Ⅱ,2),由于形成层环向内产生的次生木质部多于向外产生的次生韧皮部的数量,从而使形成层环凹陷部分被向外推移,最终成为环形(图版Ⅱ,3)。在维管形成层产生的同时,中柱鞘细胞恢复分裂能力,产生2~3层细胞,其最外层细胞分化形成了木栓形成层(图版Ⅱ,4),维管形成层和木栓形成层的产生标志着根的次生生长开始。根的次生结构主要包括次生维管组织和周皮,它们是维管形成层和木栓形成层活动的结果。维管形成层产生后常为3~4层的扁平细胞,向外活动产生次生韧皮部,向内活动产生木质部,并通过垂周分裂增大根的圆周。次生韧皮部的组成分子有筛管、伴胞、韧皮薄壁细胞、韧皮纤维和韧皮射线;筛管和伴胞在邻近维管形成层处明显成群分布,次生韧皮射线在径向伸长时细胞呈切向加宽,使韧皮射线由内向外形状上似喇叭形(图版Ⅱ,6)。伴随次生韧皮部细胞的产生,初生韧皮部被推向外侧,其中的筛管和伴胞常被挤毁,但部分初生韧皮纤维仍呈束状保留在外围的薄壁细胞中(图版Ⅱ,5、6);次生韧皮纤维发达,位于两条韧皮射线之间,呈辐射状方式排列,在纤维束之间还存在一些薄壁细胞(图版Ⅱ,6、7),其中含有草酸钙晶体。次生木质部的组成分子有导管、木纤维、木薄壁细胞和木射线,未见管胞分子。导管分子单个或几个成群,呈辐射状排列;木纤维发达呈束状,并在导管间排列呈径向的细胞群,木纤维束中也有一些含晶的薄壁细胞。木薄壁细胞较小,多位于导管周围,在次生生长的过程中,木薄壁细胞的增多和体积的增大,将位于根中央处的初生木质部导管分子分开。在原生木质部导管分子相对的中柱鞘细胞衍生的形成层产生3~5列细胞组成的同型射线,在木质部为木射线,在韧皮部为韧皮射线,它们构成了根中径向的输导系统(图版Ⅱ,5、7)。周皮包括木栓层、木栓形成层和栓内层三个部分。木栓层最初较薄,由3~4层切向引长排列整齐的细胞组成,以后随着根的发育,木栓层的数量不断增多,可达到7~9层;木栓形成层为1~2层,栓内层则由1~2层薄壁细胞组成(图版Ⅱ,6、7)。通过观察,不同年生的根内部结构类似,各组成分子相同。但各年生的根之间也存在一定差异,主要表现在随年龄的增加其组成分子数量增多,其中尤以根中央初生木质部的变化显著。1年生根中央四原型的初生木质部仍可分辨(图版Ⅱ,6),而2年生根中央的初生木质部由于其导管周围薄壁细胞的分裂增大,导管分子单个或几个成群星散在薄壁细胞中,维管射线形成裂隙(图版Ⅱ,7),根的中央无髓。但在根-茎过渡区距根头3~5cm处发现,根-茎发育过程中有髓的存在(图版Ⅱ,8),但此部分不属于根的结构。2.2根系结构和发育2.2.1原组织的组成根状茎由根颈部发出。新生的根状茎为白色,外被鳞叶包裹,以后表面颜色由白色逐渐变成黄褐色,待黄褐色的外皮脱落后,露出红色的皮;顶芽饱满呈圆锥形,可向上长出地面形成克隆株,也可继续水平伸展,延长根状茎。根状茎尖端的纵切面观察发现,茎尖上着生大量的鳞叶包被着生长点,生长点的原分生组织由原套和原体两部分组成。原套为2层排列整齐的细胞,原体为被原套包被的一团细胞,细胞排列不整齐(图版Ⅲ,1、2)。在原分生组织下面,其衍生细胞在一定距离处分化出原表皮、原形成层和基本分生组织(图版Ⅲ,3、4)。原表皮为最外一层染色较深、排列整齐的细胞。原表皮内4~5层细胞,形状较大,染色稍浅,此即为皮层基本分生组织。位于中央的细胞,形状大,染色较浅,液泡化程度较高,此部分为髓基本分生组织(图版Ⅲ,4、5)。在两类基本分生组织之间有染色深的区域,其组成细胞纵向延长,细胞原生质浓厚,即为原形成层(图版Ⅲ,1、4)。在横切面上原形成层呈互相连续的环,随后从环中分化出一些染色更深的束状区域,即为原形成层束(图版Ⅲ,5)。2.2.2感官结构的组成分子从当年生根状茎的连续切片观察,在生长锥下面的个别原形成层束首先分化,在其外缘出现单个或2个相邻的多角形细胞,其细胞壁略厚、细胞腔透亮,此处即为最早分化的原生韧皮部筛管分子(图版Ⅲ,6)。接着在原形成层束内侧,可看到1~2个细胞的细胞壁明显增厚并木质化,此即为分化成熟的原生木质部导管分子(图版Ⅲ,7)。原生韧皮部内侧继续分化出新的筛管分子,产生伴胞;原生木质部导管的外侧分化出后生木质部的导管分子(图版Ⅲ,7、8)。原形成层束持续分化形成初生维管束,这些初生维管束在横切面上排列成组织环。基本分生组织、原表皮的分化早于原形成层的分化,但直至初生维管组织分化结束时才臻于成熟,至此,形成了由表皮、维管束、基本组织构成的根状茎初生结构。(图版Ⅲ,10)。表皮为1层切向引长的细胞,细胞较小,排列紧密,无叶绿体、表皮毛或其它的附属结构。基本组织包括了皮层和髓,其中皮层是由25~27层细胞组成,细胞形状大小不一,细胞间隙明显;髓是由类圆形的薄壁细胞组成。在髓和皮层组织之间由髓射线连接,构成径向输导组织,并将维管束分开。初生维管束为外韧型,由初生韧皮部、初生木质部和束中形成层组成。初生韧皮部的组成分子有筛管、伴胞、韧皮薄壁细胞和韧皮纤维,韧皮纤维发达,在韧皮部的外侧形成似帽状的厚壁组织(图版Ⅲ,8)。初生木质部由导管及木薄壁细胞组成,束中形成层细胞3~5层,排列整齐。2.2.3木栓层和财产质量维管束中后生木质部导管分子将成熟,束中原形成层细胞恢复分裂能力,向外分化产生次生韧皮部,向内分化产生次生木质部,使木质部和韧皮部各组成分子的数量增加,维管束体积加大。束间形成层分化迟缓,早期不明显(图版Ⅲ,9),以后逐渐与束中形成层相连构成形成层环,其活动的结果是产生更多的次生结构,使根状茎增粗。与此同时,在初生韧皮部外侧的内皮层细胞脱分化,产生1~2层切向伸长的细胞,它们形成最初的木栓形成层(图版Ⅲ,8)。木栓形成层向外产生木栓层,向内产生栓内层,形成最初的周皮。周皮产生后,由于木栓层细胞栓质化过程较慢,其两侧的细胞仍可进行物质和能量的交换,因此木栓层外侧的皮层可以保持较长时间不脱落(图版Ⅲ,11)。根状茎的次生结构由周皮和次生维管组织构成。周皮的木栓层为7~9层扁平细胞,其外侧细胞壁栓化后显红棕色;木栓形成层为1~2层;栓内层为2~3层薄壁细胞(图版Ⅲ,12)。次生维管组织由次生韧皮部、维管形成层和次生木质部构成(图版Ⅲ,12)。次生韧皮部包括筛管、伴胞、韧皮薄壁细胞、韧皮纤维和韧皮射线(图版Ⅲ,14)。筛管、伴胞成群排列;次生韧皮纤维呈2列排列在筛管、伴胞和薄壁细胞的两侧,而初生韧皮纤维被推向外侧,分布在薄壁组织细胞中。韧皮射线由径向伸长的薄壁细胞组成,呈多列。次生木质部包括导管、木纤维、木薄壁细胞和木射线(图版Ⅲ,13),导管单个或2~3一起呈放射状排列,木纤维成束状,分散在导管和薄壁细胞之间;木射线也由径向伸长的薄壁细胞组成,它与韧皮射线在形成层处相连共同构成次生维管射线。2年生和1年生根状茎的基本结构类似,但次生维管组织和周皮的数量和体积都有较大程度的增加(图版Ⅲ,11、12)。3甘草根的发育及其分配Fahn指出内皮层不仅选择性地运输从外部溶液进入导管的溶质,而且构成水分运动的障碍,使根产生根压,生长在极度干旱或沙生生境下的植物比生长在普通中生环境下植物的凯氏带要宽。由此推知,凯氏带是耐旱植物的结构特征之一。在对甘草根和根状茎的解剖结构研究中,李志军报道:甘草主根的初生结构中,内皮层未见凯氏带。但我们认为乌拉尔甘草是一种耐旱植物,应该具有这一结构特点。为此本研究利用木质和栓质成分可自发荧光的特点,在荧光显微镜下直接观察内皮层的结构。结果发现在蓝色激发光下,中柱鞘外侧内皮层细胞的径向壁上显示出有规律排列的荧光点,我们认为这就是凯氏带,它的存在可以防止幼根中柱中的溶液发生倒流,避免对成长的根造成生理伤害。冯元忠等认为:根的次生生长发生后,射线细胞深入根中心,将根中央后生木质部分子分开。Esau指出,草本双子叶植物根在次生生长时,初生木质部由于初生木薄壁细胞的扩展生长而有相当大的改变。本研究观察表明,甘草根为典型的草本双子叶植物根的结构,在其次生生长过程中,原集中在根中央的后生木质部导管逐渐呈分散状是由于其初生木质部薄壁细胞体积增大和数量增多而形成,并非射线细胞向内分裂分化造成的,而根的维管射线产生于初生木质部放射棱的外侧,由维管形成层产生,不会插入到根的中央部位。有报道认为甘草根在发育过程中,在其中央形成髓的结构,本研究结果证明,甘草根的结构为典型双子叶植物根的结构,在初生结构中,根中央由孔径较大的后生木质部导管分子所占据,未见在根发育过程中产生由基