王長(zhǎng)寶，徐增奇，王 鶴，唐 番

（佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007）

瀕危植物大花杓蘭（Cypripedium macranthos SW.）地下器官的形態(tài)解剖學(xué)研究

王長(zhǎng)寶，徐增奇，王 鶴，唐 番

（佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007）

對(duì)瀕危植物大花杓蘭地下器官的形態(tài)進(jìn)行了解剖觀察.結(jié)果表明：根狀莖皮層和髓部細(xì)胞儲(chǔ)存有豐富的淀粉粒，周木維管束在中柱內(nèi)散生排列；不定根皮層組織發(fā)達(dá)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)共生真菌菌絲，內(nèi)皮層木質(zhì)化加厚細(xì)胞和通道細(xì)胞相間排列并分別與韌皮部和木質(zhì)部對(duì)應(yīng)；地下芽為混合芽，外被2～3層鱗葉和3～4層幼葉，頂部為花器官的芽體.大花杓蘭地下器官既是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的存貯場(chǎng)所又是越冬的繁殖體；地上器官的基本結(jié)構(gòu)在上一年越冬的地下芽中已經(jīng)形成；根部皮層細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)共生真菌，可能與材料采集的季節(jié)有關(guān).

大花杓蘭；根狀莖；不定根；地下芽

大花杓蘭（Cypripedium macranthos SW.）是蘭科（Orchidaceae）杓蘭屬（CypripediumL.）多年生草本植物，主要分布于我國(guó)東北、內(nèi)蒙古、河北、山西、“臺(tái)灣”等地，日本、朝鮮半島、俄羅斯也有分布［1］.由于其花大而美麗、觀賞價(jià)值高且野生種群日益減少，現(xiàn)已被列為國(guó)家瀕危保護(hù)植物［2－3］.近年來(lái)，關(guān)于大花杓蘭的研究多集中在瀕危機(jī)制、生物學(xué)特性、種子萌發(fā)及組織培養(yǎng)等方面［4－7］，對(duì)其地下器官的研究較少.為此，本文對(duì)其地下器官根狀莖、不定根及地下芽的形態(tài)進(jìn)行了解剖觀察，以為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大花杓蘭的營(yíng)養(yǎng)繁殖和進(jìn)化適應(yīng)性提供科學(xué)資料.

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料于2013年9月30日采自黑龍江省伊春市晨明林場(chǎng)，采集地地理位置為129°30′E，46°58′N(xiāo)，海拔496m.該地位于小興安嶺南麓，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，氣候干燥.極端最高氣溫38.2℃，最低氣溫－44.2℃，年均氣溫1℃；無(wú)霜期90～120d，降雨量550～670mm，干濕指數(shù)1.13～0.92.

1.2 方法

選取多年生植株的根狀莖、不定根及地下芽，分別用撕片法、切片法制作水封片和亞甲基藍(lán)（0.05%，0.1%）染色切片，利用Olympus-BH顯微鏡觀察、測(cè)量、拍照.

滴加0.1%碘化鉀-碘溶液驗(yàn)證淀粉的存在.導(dǎo)管分離用Jeffrey離析液（10%鉻酸與10%硝酸等量混合液）在40℃條件下處理5h.

2 結(jié)果

2.1 根狀莖的形態(tài)解剖

大花杓蘭根狀莖粗短，節(jié)密集且有分枝，直徑4～7mm（見(jiàn)圖1A）.由于根狀莖每年不斷產(chǎn)生芽體和分枝并向四周擴(kuò)展，一個(gè)多年生的根狀莖通?？蛇_(dá)30cm以上.從外形上看，老的根狀莖被有1～2層易脫落的栓質(zhì)化細(xì)胞構(gòu)成的外被結(jié)構(gòu)，呈黑褐色.各分枝頂端為當(dāng)年的越冬芽，中間部位常殘留有歷年地上莖基部枯萎后的痕跡.

根狀莖橫切面呈橢圓形，由外到內(nèi)依次為表皮、皮層、中柱（見(jiàn)圖1B）.表皮是一層緊密排列的磚形細(xì)胞，外切向壁加厚，無(wú)表皮毛（見(jiàn)圖1C）.皮層由15～20層近圓形薄壁細(xì)胞構(gòu)成，厚度約1mm，細(xì)胞間隙不發(fā)達(dá)，富含球狀淀粉粒（見(jiàn)圖1B，C）.內(nèi)皮層細(xì)胞體積較小且排列緊密，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)凱氏帶和細(xì)胞壁次生加厚現(xiàn)象（見(jiàn)圖1D）.中柱內(nèi)均勻分布有40～50個(gè)周木維管束，每個(gè)維管束的木質(zhì)部圍繞韌皮部一周，呈同心圓排列.經(jīng)0.1%碘化鉀處理后，維管束中的木質(zhì)部呈白色（見(jiàn)圖1B），滴加0.1%亞甲基藍(lán)染色后木質(zhì)部為藍(lán)紫色（見(jiàn)圖1D）.髓位于根狀莖的中央，也是由一些富含淀粉粒的薄壁細(xì)胞組成，其中部分薄壁組織分散在維管束之間，呈輻射狀分布（見(jiàn)圖1B）.

2.2 不定根的形態(tài)解剖

大花杓蘭的根是由根狀莖產(chǎn)生的無(wú)分枝的不定根，一般每個(gè)節(jié)間5～6條，直徑1～1.5mm，長(zhǎng)度可達(dá)50cm.當(dāng)年生不定根乳白色，多年生不定根呈黃褐色.由于根狀莖短而密集，不定根簇生在一起呈須根系狀.

圖1 根狀莖和根的形態(tài)解剖

根的橫切面近圓形，表皮是1層排列緊密的方形細(xì)胞，外切向壁栓質(zhì)化加厚（見(jiàn)圖1E，F(xiàn)）.皮層由7～10層薄壁細(xì)胞組成，占據(jù)根部的絕大部分體積，細(xì)胞體積較大，富含球形淀粉粒，但沒(méi)有觀察到真菌菌絲（見(jiàn)圖1E，H）.其中，內(nèi)、外皮層細(xì)胞體積較小且扁平，排列緊密；內(nèi)皮層次生加厚細(xì)胞和通道細(xì)胞相間排列，并與中柱內(nèi)的韌皮部和木質(zhì)部分別對(duì)應(yīng)（見(jiàn)圖1F，G）.0.05%亞甲基藍(lán)染色后，可觀察到皮層細(xì)胞具有大而明顯的細(xì)胞核（見(jiàn)圖1F）.中柱所占比例較小，木質(zhì)部為八原型和九原型，外始式發(fā)育，原生木質(zhì)部導(dǎo)管小且在外側(cè)，后生木質(zhì)部導(dǎo)管大排列在中央.韌皮部與木質(zhì)部相間排列，也是外始式發(fā)育（0.05%和0.1%亞甲基藍(lán)染色后呈淡黃色和淺藍(lán)色，見(jiàn)圖1G）.離析處理后發(fā)現(xiàn)木質(zhì)部導(dǎo)管主要有螺紋導(dǎo)管和梯紋導(dǎo)管兩種類(lèi)型（見(jiàn)圖1I）.

2.3 地下芽的形態(tài)解剖

地下芽位于根狀莖分枝的頂端，直徑3～5mm，長(zhǎng)3～4.5cm，五年生以上的植株越冬芽有5～7個(gè)，次年春天可產(chǎn)生叢生的小群體（見(jiàn)圖1A，圖2A）.大花杓蘭的地下芽是一種混合芽，芽體由外到內(nèi)依次為2～3層鱗葉、3～4層幼葉、芽軸和頂端的花芽（見(jiàn)圖2B—D）.

圖2 地下芽的形態(tài)解剖特征

每年9月底至10月初，地下芽?jī)?nèi)已經(jīng)形成了地上器官的雛形，特別是對(duì)花器官的解剖發(fā)現(xiàn)，花部的各組成結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)育完備（見(jiàn)圖2E—F）.從鱗葉的橫切面觀察，外側(cè)為排列緊密的上、下表皮細(xì)胞；葉肉無(wú)柵欄組織和海綿組織的分化，屬于等面葉；葉脈均勻分布其中（見(jiàn)圖2G）.大部分葉肉細(xì)胞富含淀粉顆粒，少數(shù)轉(zhuǎn)化為氣腔或針晶后含物的儲(chǔ)存場(chǎng)所（見(jiàn)圖2H）.外側(cè)鱗葉表皮細(xì)胞內(nèi)也含有大量淀粉粒，無(wú)氣孔發(fā)育（見(jiàn)圖2I）.內(nèi)側(cè)鱗葉的表皮細(xì)胞較小，寬大于長(zhǎng)，已分化出氣孔器，保衛(wèi)細(xì)胞的排列與葉片伸長(zhǎng)生長(zhǎng)方向一致（見(jiàn)圖2J）.幼葉的結(jié)構(gòu)與鱗葉基本一致，但在上下表皮分布有不分枝的多細(xì)胞非腺毛，葉緣處更加密集（見(jiàn)圖2K）.芽軸4～6節(jié)，節(jié)間明顯，將來(lái)發(fā)育成地上莖.從芽軸橫切面可明顯區(qū)分出表皮、基本組織和維管束3部分（見(jiàn)圖2L）.表皮層細(xì)胞較小，排列緊密，皮層細(xì)胞5～7層，外皮層細(xì)胞與表皮區(qū)別不明顯.髓部處于芽軸的中央位置，由貯藏淀粉顆粒的薄壁組織構(gòu)成，少數(shù)細(xì)胞內(nèi)積累有晶體后含物.外韌型維管束70～90個(gè)，散生在皮層與髓之間的基本組織中.

3 討論

大花杓蘭主要分布在北溫帶、特別是我國(guó)東北地區(qū)，這里冬季漫長(zhǎng)，冰雪覆蓋長(zhǎng)達(dá)4～5個(gè)月.大花杓蘭每年5月初開(kāi)始萌動(dòng)，5月中旬抽莖、展葉，6月進(jìn)入花期，8—9月果實(shí)成熟，9月底地上部分開(kāi)始枯萎［5］.因此，一年中絕大部分時(shí)間處于休眠期，而地下器官則成為越冬的方式，具有橫走的根狀莖和較粗的纖維狀不定根是其適應(yīng)自然環(huán)境的重要特征.大花杓蘭地上器官經(jīng)過(guò)短短一個(gè)月的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期就很快轉(zhuǎn)入生殖生長(zhǎng)階段，這似乎不符合一般植物的生長(zhǎng)規(guī)律.野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，每年春天，在上一年的地下芽伸出地面轉(zhuǎn)化為地上器官的同時(shí)，當(dāng)年的隱芽也開(kāi)始發(fā)育，并在地上部分枯萎之前形成新的越冬芽.即大花杓蘭的地上和地下部分同時(shí)進(jìn)行著營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)，這也得到了本研究解剖結(jié)果的證實(shí)：（1）根狀莖和不定根的薄壁組織富含大量淀粉顆粒，成為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存場(chǎng)所，且每年不斷向四周擴(kuò)展；（2）越冬前，地下芽特別是花器官的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)育完成.大花杓蘭的上述特性是其長(zhǎng)期適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)繁殖的進(jìn)化結(jié)果：首先，在自然條件下它的結(jié)實(shí)率很低，種子極小，難萌發(fā)，野外實(shí)生苗個(gè)體數(shù)量極少，營(yíng)養(yǎng)繁殖在種群繁衍中占有重要位置［4］；其次，作為一種溫帶蘭科植物，生長(zhǎng)季節(jié)相對(duì)較短，地下芽中已經(jīng)形成的花器官減輕了地上器官?gòu)臓I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)花芽分化所需的時(shí)間壓力和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)矛盾.生殖成功是植物適應(yīng)環(huán)境條件的重要組成部分，為了保證后代的生存，生物往往進(jìn)化出一整套必要的生殖補(bǔ)償機(jī)制，保證物種繁衍的順利進(jìn)行［8］.大花杓蘭較長(zhǎng)的壽命和完善的地下器官保證了高效率的營(yíng)養(yǎng)繁殖，植物體在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配上也就更傾向于地下部分.

大花杓蘭不定根內(nèi)皮層的通道細(xì)胞數(shù)目較多且與木質(zhì)部脊直接對(duì)應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)使根表皮吸收的水分經(jīng)過(guò)皮層后直接進(jìn)入到木質(zhì)部導(dǎo)管，提高了水分的運(yùn)輸效率.與韌皮部對(duì)應(yīng)的加厚細(xì)胞則起到了對(duì)皮層和中柱之間物質(zhì)交流進(jìn)行調(diào)控的功能.大花杓蘭根狀莖中較為進(jìn)化的周木型維管束，在其他杓蘭屬植物中也得到了證實(shí)，這與蘭科被普遍認(rèn)為是植物界最進(jìn)化類(lèi)群的觀點(diǎn)是一致的［9］.與李柏年報(bào)道的甘肅居群五原型大花杓蘭不同［10］，本實(shí)驗(yàn)中大花杓蘭不定根的木質(zhì)部為八原型和九原型.錢(qián)鑫等在扇脈杓蘭根中發(fā)現(xiàn)了四原型、五原型、六原型和八原型木質(zhì)部；梁天干報(bào)道的3種武夷蘭花中分別為五原型、九原型和十一原型［9，11］.據(jù)此推測(cè)，木質(zhì)部脊數(shù)存在的種間和種內(nèi)差異與不同物種自身的遺傳特征有關(guān)，同時(shí)也可能受到環(huán)境中水、光照等生態(tài)因子的影響.

高倩等在對(duì)4種杓蘭的菌根結(jié)構(gòu)及其周年動(dòng)態(tài)的研究中認(rèn)為，杓蘭屬植物根中存在著真菌入侵—消解的循環(huán)現(xiàn)象，看不到菌絲的根段，細(xì)胞內(nèi)有較多淀粉粒，推測(cè)是正好處于兩個(gè)循環(huán)的間隙［12］.本研究中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地生蘭根中常見(jiàn)的共生真菌菌絲，薄壁細(xì)胞內(nèi)富含大量淀粉粒，這可能是由于采集材料的時(shí)間處于枯萎期，上一循環(huán)入侵的菌絲已被消解吸收并轉(zhuǎn)化為越冬芽所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而下一次的入侵尚未發(fā)生.

地下芽伸出地面后，芽軸將發(fā)育成地上莖，芽軸的結(jié)構(gòu)也就決定了莖的結(jié)構(gòu).大花杓蘭的芽軸橫切面絕大部分是細(xì)胞內(nèi)富含淀粉顆粒的基本組織，為地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ).在近表皮的皮層組織沒(méi)有發(fā)現(xiàn)起加強(qiáng)和鞏固莖支持功能的厚壁細(xì)胞分化，但數(shù)目眾多的散生維管束外面被機(jī)械組織的鞘所包圍，為大花杓蘭提供了抵抗外力、避免倒伏的韌性與剛性.這種分布型的維管束既提高了物質(zhì)的運(yùn)輸能力又加強(qiáng)了莖的支持功能，是大多數(shù)單子葉植物莖的特點(diǎn)之一.

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Morphological and anatomical study on underground organs of endangered plant Cypripedium macranthos SW.

WANG Chang-bao，XU Zeng－qi，WANG He，TANG Fan
（School of Life Sciences，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

Morphology and anatomical structure of underground organs of endangered plant Cypripedium macranthos were studied in the present paper.The work showed that：large numbers of starch granules exist in cortex and pith，and amphivasal bundles distribute compactly in vascular cylinder.The root has well developed cortex，but mycorrhizal fungi were not observed in the cortical cells.Thickening cells and passage cells in endodermis arranged alternately with each other as that of xylem and phloem in vascular cylinder.Underground bud is a mixed bud which covered by 2～3layers of scale leaves and 3～4layers of young leaves with the flower bud at the top.Conclusion：underground organ is not only a locus where food materials saved but also a kind of propagule.Overground organs of C.macranthos has basically taken shape in its overwintering bud.Mycorrhizal fungi were not found in the cortical cells maybe the result of inappropriate collecting time.

Cypripedios macranthos；rhizome；adventitious root；underground bud

Q 944.3 ［學(xué)科代碼］ 180·5125

A

（責(zé)任編輯：方 林）

1000-1832（2015）03-0111-05

10.16163／j.cnki.22-1123／n.2015.03.023

2014-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81441132）；科技部國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)國(guó)家標(biāo)本平臺(tái)教學(xué)標(biāo)本子平臺(tái)運(yùn)行服務(wù)項(xiàng)目（2005DKA21403－JK）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12541808）；佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（Sjz－2012－18）.

王長(zhǎng)寶（1972—），男，博士，講師，主要從事植物分類(lèi)與資源學(xué)研究.