高 偉，陸靜梅*，段 肖，吳東梅，李 巖，劉丹丹

(1.東北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024； 2.內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

不同生態(tài)環(huán)境下野生大豆根解剖結(jié)構(gòu)演化研究

高 偉1，陸靜梅1*，段 肖2，吳東梅1，李 巖1，劉丹丹1

(1.東北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024； 2.內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

以不同生態(tài)環(huán)境下的野生大豆，即：野生大豆2013-001-01(鹽生環(huán)境)和野生大豆2013-001-02(中生環(huán)境)為試材，基于結(jié)構(gòu)植物學(xué)角度，應(yīng)用石蠟切片和光學(xué)顯微技術(shù)對供試的野生大豆根解剖結(jié)構(gòu)進行比較研究，旨在為我國大豆屬植物頡頏鹽逆境研究提供解剖學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：2013-001-02根的維管柱為五原型，2013-001-01根的維管柱已經(jīng)演化為四原型，相對于2013-001-02，2013-001-01根的皮層較完整，韌皮纖維發(fā)達且形成“韌皮屏障”，次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)量較多且存在侵填體，導(dǎo)管的傍管薄壁細胞較大且數(shù)量較多，射線徑向長度相對較短。研究證明：野生大豆2013-001-01植物的根已經(jīng)演化出頡頏鹽逆境解剖結(jié)構(gòu)。

野生大豆； 根； 維管柱； 韌皮屏障； 頡頏鹽逆境

我國鹽漬化土地總面積約為3.60×107hm2，耕地鹽漬化面積約為9.209×106hm2[1]，土地鹽漬化嚴(yán)重制約著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著科技水平的不斷發(fā)展，越來越多的科技工作者投身于改良鹽漬化土地、培育頡頏鹽逆境作物等課題。我國作為大豆[Glycinemax(L.) Merrill.]的原產(chǎn)地，有著豐富的種質(zhì)資源，但土地鹽漬化問題嚴(yán)重制約著我國大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。Abel 等[2]研究指出，鹽脅迫環(huán)境直接影響著大豆種子萌發(fā)，降低種子活力、萌發(fā)率，延長萌發(fā)時間，且隨鹽脅迫濃度增加,抑制作用增強。大豆種子萌發(fā)階段，鹽脅迫將抑制其胚根及側(cè)根生長，且其抑制作用隨脅迫程度加劇而增強[3]。根系活力[4]、植株高度、葉面積也隨著鹽脅迫濃度的升高而呈降低或減小趨勢。鹽脅迫環(huán)境下，大豆產(chǎn)量降低，結(jié)莢數(shù)和百粒質(zhì)量下降尤其明顯[5]。此外，鹽脅迫也影響大豆籽粒的品質(zhì)[6]。尋找具有頡頏鹽逆境等可遺傳特性的大豆種質(zhì)資源，已成為目前大豆育種的首要問題。野生大豆具有極其豐富的優(yōu)良種質(zhì)資源，莊炳昌[7]指出：部分野生大豆種質(zhì)資源具有高蛋白、高結(jié)莢數(shù)、耐鹽性強、抗病蟲害等優(yōu)良遺傳特性。由于大豆屬內(nèi)染色體數(shù)相同(2n=40)，屬內(nèi)雜交均可育，不存在種間隔離等特點，因此可以利用野生大豆培育優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)、抗逆的栽培大豆新品種，且目前已取得了一些優(yōu)良成果[8-9]。科技工作者多從分子生物學(xué)[10-14]和生理生化[15-17]等角度對大豆屬植物的抗逆性及良種選育等工作進行研究，但對其在解剖結(jié)構(gòu)方面的研究相對較少。植物解剖結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定、保守的特性[18],以結(jié)構(gòu)植物學(xué)手段研究大豆屬植物演化等問題是非常科學(xué)且必要的。鑒于此，利用石蠟切片技術(shù)，通過比較不同生態(tài)環(huán)境下野生大豆植物根的解剖結(jié)構(gòu)差異，尋找不同生態(tài)環(huán)境下野生大豆根的演化規(guī)律，旨在為我國大豆屬植物頡頏鹽逆境研究提供一定的解剖學(xué)依據(jù)，為我國大豆屬植物良種選育工作提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

野生大豆2013-001-01(GlycinesojaSeib.et Zucc.)選自吉林省通榆縣(44.82°N，123.08°E)，其生長環(huán)境為鹽漬環(huán)境；野生大豆2013-001-02 (GlycinesojaSeib.et Zucc.)選自吉林省輝南縣(42.68°N，126.03°E)，其生長環(huán)境為中生環(huán)境，由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。取材為第5片復(fù)葉展開時期根的成熟區(qū)。

1.2 方法

將供試材料放入FAA(甲醛∶冰乙酸∶50%乙醇=1∶1∶18 )中固定48 h→乙醇逐級脫水→二甲苯逐級透明→浸蠟→包埋→切片→展片→二甲苯逐級脫蠟→番紅-亮綠復(fù)染法染色→中性樹膠封片(石蠟切片厚度為10 μm)[19]。在Nikon Eclipse 80i顯微鏡下觀察，并在選取合適的視野后進行顯微拍攝。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Nis-Elements D 2.20、sp2(Build 243)圖像分析軟件測量各解剖結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)，各試驗結(jié)果為5次重復(fù)試驗平均值。

2 結(jié)果與分析

由表1可見，2013-001-01根的平均直徑為1 326.94 μm；皮層保留較完整,平均厚度為236.56 μm，外皮層平均厚度為7.80 μm，由單層細胞構(gòu)成，且外切向壁栓質(zhì)化明顯，皮層薄壁細胞較大，多呈橢圓形，排列較整齊；根據(jù)木質(zhì)部脊數(shù)可明顯看出，其根為四原型維管柱，維管形成層呈波浪形(圖1A、2A)；次生韌皮部完全取代初生韌皮部，韌皮纖維發(fā)達，纖維細胞平均直徑為7.94 μm，分布集中排列緊密，韌皮纖維形成“韌皮屏障”(圖3A)；次生木質(zhì)部導(dǎo)管平均直徑為46.10 μm，存在管孔鏈和少量管孔團，導(dǎo)管傍管薄壁細胞數(shù)量較多，且存在侵填體；次生木質(zhì)部與次生韌皮部之間的形成層較為明顯；射線由3列細胞組成，呈喇叭絲狀從原生木質(zhì)部(木質(zhì)部脊)出發(fā)直達皮層，射線細胞平均長度為15.42 μm，多呈橢圓形或長方形(圖2A)。

表1 不同生態(tài)環(huán)境野生大豆植物根的解剖結(jié)構(gòu)特征參數(shù) μm

A.野生大豆2013-001-01； B.野生大豆2013-001-02,下同圖1 不同生態(tài)環(huán)境下野生大豆根的解剖結(jié)構(gòu)(示：栓質(zhì)化外皮層、皮層薄壁細胞和維管柱，×4)

圖2 不同生態(tài)環(huán)境下野生大豆根的解剖結(jié)構(gòu)(示：維管柱、韌皮部、導(dǎo)管、侵填體，×10)

圖3 不同生態(tài)環(huán)境下野生大豆根的解剖結(jié)構(gòu)(示：韌皮纖維、維管形成層，×40)

2013-001-02根的平均直徑為1 078.68 μm；皮層平均厚度為231.32 μm，由單層細胞構(gòu)成的栓質(zhì)化外皮層平均厚度為6.60 μm，皮層薄壁細胞形狀不規(guī)則，排列松散；根據(jù)木質(zhì)部脊數(shù)可明顯看出，其根為五原型維管柱，維管形成層呈波浪形(圖1B、2B)；次生韌皮部完全取代初生韌皮部，韌皮纖維不發(fā)達，纖維細胞平均直徑為7.75 μm，分布散亂(圖3B)。次生木質(zhì)部導(dǎo)管平均直徑為43.74μm，存在管孔鏈，導(dǎo)管傍管薄壁細胞數(shù)目較少。射線由4列細胞組成，呈喇叭絲形狀從原生木質(zhì)部出發(fā)直達皮層，射線細胞平均長度為16.55 μm，多呈橢圓形或長方形(圖2B)。

3 結(jié)論與討論

栓質(zhì)化的外皮層是抵御逆境的第一道防線，本試驗結(jié)果顯示，無論是從皮層的完整性、厚度、外皮層的栓質(zhì)化程度，還是皮層薄壁細胞的整齊程度，都體現(xiàn)出了通榆(鹽生環(huán)境)生長的野生大豆2013-001-01抗逆能力優(yōu)于輝南(中生環(huán)境)生長的野生大豆2013-001-02。在2013-001-01根的次生解剖結(jié)構(gòu)中，有明顯區(qū)別于2013-001-02的韌皮纖維，形成了“韌皮屏障”，極大地增強了根抗曲撓的能力，同時有效地阻礙了質(zhì)外體向細胞內(nèi)的滲透。當(dāng)根系受到脅迫刺激時，發(fā)達的韌皮部中的篩管分子會迅速形成胼胝質(zhì)封閉篩孔，阻止鹽分向維管柱內(nèi)擴散，阻擋鹽脅迫對根維管柱的侵害[20],從而達到頡頏鹽逆境的效果，研究認為這是一種組織層次的聚鹽抗逆方式。鹽生環(huán)境下的野生大豆根由五原型維管柱演化為四原型維管柱，削弱了根的軸向輸導(dǎo)能力，降低了根中導(dǎo)管與鹽分的接觸面積，減弱了鹽脅迫環(huán)境對植物的傷害，試驗結(jié)果支持了Niu等[21]的研究。鹽生環(huán)境下的野生大豆根次生木質(zhì)部導(dǎo)管和傍管薄壁細胞數(shù)量較多，增強了根的輸導(dǎo)能力，其導(dǎo)管中存在侵填體，可以理解為植物適應(yīng)脅迫環(huán)境發(fā)生的進化。不同生態(tài)環(huán)境下生長的野生大豆，其根的結(jié)構(gòu)中射線形態(tài)存在差異，表現(xiàn)為鹽生環(huán)境下的野生大豆射線細胞較中生環(huán)境的圓潤，增大了單個細胞橫向運輸?shù)娜萘浚渚€整體長度較短，縮短了根橫向運輸?shù)木嚯x，從而增強了根的徑向輸導(dǎo)能力。試驗證明：野生大豆2013-001-01的根演化出了頡頏鹽逆境解剖結(jié)構(gòu)，將更加適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。種植如2013-001-01耐鹽型野生大豆將更加有利于充分利用土地資源、改良鹽漬土地。此外，可以利用耐鹽型野生大豆種質(zhì)資源培育具有頡頏鹽逆境特性的栽培大豆，這將極大地推動我國大豆產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

[1] 楊勁松.中國鹽漬土研究的發(fā)展歷程與展望[J].土壤學(xué)報,2008,45(5):837-845.

[2] Abel G H,MacKenzie A J.Salt tolerance of soybean varieties(GlycinemaxL.Merrill) during germination and la-ter growth[J].Crop Science,1964,4(2):157-161.

[3] 邵桂花,萬超文,李舒凡.大豆萌發(fā)期耐鹽生理初步研究[J].作物雜志,1994(6):25-27.

[4] 劉玉杰,王寶增.不同品種大豆耐鹽性的比較研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(15):4462-4464.

[5] 邵桂花,常汝鎮(zhèn),陳一舞.大豆耐鹽性研究進展[J].大豆科學(xué),1993,12(3):244-248.

[6] 萬超文,邵桂花,陳一舞,等.鹽脅迫下大豆耐鹽性與籽?；瘜W(xué)品質(zhì)的關(guān)系[J].中國油料作物學(xué)報,2002,24(2):67-72.

[7] 莊炳昌.中國野生大豆研究二十年[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),1999(5):3-10.

[8] 馬曉萍,楊光宇,楊振宇,等.野生大豆在大豆育種中的應(yīng)用[J].作物研究,2009(1):11-12.

[9] 王志友,王昌陵,董麗杰,等.遼寧省野生大豆種質(zhì)資源及利用現(xiàn)狀[J].雜糧作物,2008(4):241-243.

[10] Zhong M,Hu Z A,Gresshoff P M.Search for molecular markers of salt tolerance of soybean by DNA amplification fingerprinting[J].Soybean Genetics Newsletter (USA),1997,4(24):81-82.

[11] Jiang B,Nan H,Gao Y,etal.Allelic combinations of soybean maturity loci E1,E2,E3 and E4 result in diversity of maturity and adaptation to different latitudes[J].Plos One,2014,9(8):e106042.

[12] 李錦錦,王昉,張萬科,等.發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)不同基因型大豆轉(zhuǎn)化效率的篩選[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,41(5):37-41.

[13] 劉大偉,陳立杰,段玉璽.大豆胞囊線蟲脅迫下不同抗性大豆雜交后代根系蛋白質(zhì)組分析[J].華北農(nóng)學(xué)報,2013,28(5):29-33.

[14] 任海紅,任小俊,王英,等.外源DNA直接導(dǎo)入技術(shù)及在大豆育種中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(5):503-505,514.

[15] Durgaprasad K M R,Muthukumarsamy M,Panneerselvam R.Changes in protein metabolism induced by NaCl salinity in soybean seedlings[J].Indian Journal of Plant Physiology,1996,1:98-101.

[16] El-Samad H M A,Shaddad M A K.Salt tolerance of soybean cultivars[J].Biologia Plantarum,1997,39(2): 263-269.

[17] 李煜昶,岳銘秀,董景華.烯效唑?qū)Υ蠖沟脑霎a(chǎn)作用[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),1998,4(2):15-17.

[18] 王勛陵.植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與環(huán)境[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1989.

[19] 李正理.植物制片技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)出版社,1987.

[20] 陸時萬,徐祥生,沈敏健.植物學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社,1991.

[21] Niu L ,Lu J,Wu D,etal.Changes in the vascular cylinder of wild soybean roots under alkaline stress[J].Journal of Integrative Agriculture,2014,13(10):2164-2169.

A Comparative Study on Anatomy Structures of the Roots of Wild Soybean under Different Ecological Environment

GAO Wei1,LU Jingmei1*,DUAN Xiao2,WU Dongmei1,LI Yan1,LIU Dandan1

(1.College of Life Sciences,Northeast Normal University,Changchun 130024,China; 2.College of Life Sciences,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

In this study,the experimentalGlycinematerials were collected from different ecological environments: the wild soybean 2013-001-01(under the saline stress environment)and the wild soybean 2013-001-02(under the suitable environment).This study used the paraffin section technology and the optical microscopy to compare their anatomical structure of the roots.The result of the experiment showed that unlike the wild soybean 2013-001-02 with vascular cylinder of pentarch,the wild soybean 2013-001-01 evolved into tetrarch of vascular cylinder from pentarch.The wild soybean 2013-001-01 had following characteristics compared with the wild soybean 2013-001-02:the cortical tissue was more complete,the developed phloem fiber become to “phloem fiber barrier”,a large number of vessels and tylosis appeared in the secondary xylem,the paratracheal parenchyma cells of vessels were bigger and more,the length of the ray was shorter.In a word,the structure of antagonism to the saline stress appeared in the wild soybean 2013-001-01.

wild soybean; root; vascular cylinder; phloem fiber barrier; antagonism to the saline stress

2015-06-07

國家自然科學(xué)基金項目(41271231)

高 偉(1989-)，男，黑龍江方正人，在讀碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)植物學(xué)。E-mail:biologygaowei@163.com

*通訊作者：陸靜梅(1952-)，女，吉林公主嶺人，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)植物學(xué)研究。E-mail:jingmlu@163.com

S565.1

A

1004-3268(2016)01-0046-04