王 晨，李 龍，倪細爐*，李 健

(1 寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，銀川 750021；2 寧夏林業(yè)研究院 種苗生物工程國家重點實驗室，銀川 750004)

通氣組織(aerenchyma)是由位于內(nèi)外皮層之間的一類特異的皮層細胞通過細胞分裂或溶解后而形成的腔隙，因形成方式的不同可分為溶生性(lysigenous)與裂生性(schizogenous)2種[1]。溶生性通氣組織的形成過程已經(jīng)有大量的文獻報道，在水稻的葉鞘中，通氣組織通過細胞死亡形成于維管束之間的薄壁細胞[2]。水稻根部通過皮層細胞降解而形成在橫切面上呈放射狀的通氣組織[3]，且缺氧處理會使其根部通氣組織的形成起點更靠近根尖[4]。Typhaangustifolia葉通氣組織形成前期開始出現(xiàn)部分晶狀體細胞，隨后晶狀體細胞及周圍細胞降解形成腔隙，腔隙的形成由靠近上下表皮處開始逐漸向葉中央擴展，最終腔隙間僅存在3～5層細胞及一排維管束[5]。在Trapapseudoincisa葉柄通氣組織的形成過程中，于縱切面的腔隙內(nèi)觀察到了質(zhì)體降解、液泡破壞、次級液泡出現(xiàn)的異常細胞，通過凝膠電泳及TUNEL檢測也證明了其葉柄膨大涉及PCD過程[6]。對于一種沼澤植物Sagittarialancifolia的研究發(fā)現(xiàn)，其根內(nèi)溶生性通氣組織形成于分生組織并擴展到成熟區(qū)[7]。即使非水生或濕地植物在缺氧脅迫下也會產(chǎn)生溶生性通氣組織以維持生長[8]，如小麥根在水淹條件下皮層細胞死亡，形成發(fā)達的通氣組織[9]，在玉米[10]及向日葵[11]等作物中同樣發(fā)現(xiàn)溶生性通氣組織。裂生性通氣組織的報道較少，且常見于濕地植物[12]。前面提到S.lancifolia的根部通氣組織為溶生性，而其葉柄中僅通過細胞的分裂形成了貫穿于葉脈的腔隙[7]。Purnobasuki等對Sonneratiaalba的營養(yǎng)根研究發(fā)現(xiàn)，距根尖0～500 μm以內(nèi)的皮層細胞排列緊密，基本無細胞間隙的形成；距根尖超過500 μm之后，皮層細胞開始相互分離并在根縱向上形成間隙，這標志著由細胞間隙的擴大而導(dǎo)致的裂生性通氣組織開始形成[13]。除了濕地植物，Rumex在缺氧條件下也會加速新生跟生長，且新根內(nèi)孔隙率更高[14]。通氣組織的形成過程有時同時涉及裂生與溶生[15]，這種形成方式為裂溶性通氣組織。水稻根在靠近根與根冠結(jié)合處的中部皮層出現(xiàn)裂生性細胞間隙，而根冠、中柱與外皮層沒有，但在距根尖3～4 cm根段的皮層出現(xiàn)了溶生性通氣組織[16]。Bartoli等[17]通過對Egeriadensa莖通氣組織的研究發(fā)現(xiàn)其早期在莖尖近端的皮層細胞間形成裂生腔隙，且在腔隙的膨大過程中檢測到了細胞凋亡，最終形成蜂窩狀的成熟通氣組織。除了形成方式的不同，通氣組織在形狀上也有差異；通過對110種水生及濕地植物通氣組織的研究[18]，發(fā)現(xiàn)莖中存在5種形狀的通氣組織：蜂窩狀、車輪狀、中空狀、葉狀、溶生氣道，其中蜂窩狀與車輪狀在形態(tài)上有一定相似性，水生植物大多數(shù)器官中發(fā)育出比濕地植物更發(fā)達的通氣組織，且通氣組織的形成模式在屬水平上是穩(wěn)定的。水生和濕地植物的根莖內(nèi)均形成通氣組織，從而在水淹情況下能夠向根部運輸氧氣[19]，保證其代謝需要。

穿葉眼子菜(Potamogetonperfoliatus)為眼子菜科眼子菜屬中分布廣泛的一種多年生沉水植物[20]，其莖葉發(fā)達，節(jié)處生有須根。對于眼子菜屬植物的通氣組織已有部分報道，其根、莖、葉內(nèi)均形成通氣組織，Bona等[21]對Potamogetonpolygonus根部通氣組織的研究，發(fā)現(xiàn)其先是形成小的裂生腔隙，隨后的擴大過程涉及細胞坍縮，最終形成成熟的車輪狀通氣組織。絲葉眼子菜莖的橫切面觀察到了2～3輪發(fā)達的車輪狀通氣組織[22]，且其花梗和葉內(nèi)同樣形成較發(fā)達的蜂窩狀通氣組織。另一種浮葉眼子菜Potamogetondistinctus的根、莖皮層薄壁細胞內(nèi)形成網(wǎng)狀通氣組織，且莖內(nèi)存在4束維管束，其葉由上下表皮、柵欄組織及位于柵欄組織下方的薄壁細胞組成，薄壁細胞內(nèi)形成網(wǎng)狀通氣組織[23]，葉脈分布于網(wǎng)狀通氣組織中。馬毓泉等發(fā)現(xiàn)眼子菜屬植物的葉片由上下表皮及1～2層葉肉細胞組成，整個葉片內(nèi)充滿氣腔或僅主脈周圍的葉肉內(nèi)具氣腔[20]。

綜上所述，目前對通氣組織的形成模式及形態(tài)特點已有較多的研究，但對于眼子菜通氣組織的研究以及通氣組織在時間、空間上的形成規(guī)律及特點研究較少。因此，本實驗以穿葉眼子菜為材料，以其莖和葉為對象，通過連續(xù)切片在顯微結(jié)構(gòu)水平上研究通氣組織的發(fā)育過程，以及通氣組織發(fā)生的時空變化，以期為水生植物通氣組織發(fā)育調(diào)控以及水生植物適應(yīng)水環(huán)境的生存機制提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料的培養(yǎng)

實驗材料為穿葉眼子菜，通過植物組織培養(yǎng)的方法培養(yǎng)其無菌苗。培養(yǎng)條件為MS基礎(chǔ)培養(yǎng)基及無菌水，室溫光照12 h/d。培養(yǎng)方法為：將消毒處理過的穿葉眼子菜莖段或轉(zhuǎn)接的無菌莖段接入培養(yǎng)基內(nèi)，待轉(zhuǎn)接莖段生根后向培養(yǎng)基內(nèi)加入適量的滅菌水，以淹沒植物頂端為宜；當新生莖長度達到5 cm左右即可取材，穿葉眼子菜的莖由節(jié)和節(jié)間兩部分組成，其中，不同生長時期的莖節(jié)間處的結(jié)構(gòu)不同，可分為實心期、形成期、膨大期和成熟期等4個時期，而不同生長時期的莖節(jié)處的結(jié)構(gòu)相同。

1.2 石蠟切片

1.2.1莖橫切石蠟切片的制作取長度為1.5 cm左右的新生莖尖，除去葉片后迅速固定于FAA固定液24 h以上；乙醇梯度脫水(70%、85%、95%、100%)；二甲苯梯度透明(50%、100%)，透明時可加少許番紅對材料染色，便于后面操作步驟對材料的辨別；梯度浸蠟(50%、100%)；純蠟包埋。

用石蠟切片機(Leica RM2125 RTS)從莖尖開始進行連續(xù)橫切，切片厚度為10 μm。粘片時每張載玻片粘4條蠟帶并按一定順序排好，連續(xù)切1 cm的莖尖為25張片子。將粘好的片子于烘片機(Leica HI1220)上38 ℃烘干后放40 ℃烘箱內(nèi)過夜，然后染片。

染片時在染色缸內(nèi)進行，首先是復(fù)水，梯度二甲苯(100%、50%)；梯度酒精(100%、95%、85%、70%)；番紅染色(過夜)；梯度酒精脫水(70%、85%、95%)；固綠染色(數(shù)秒)；100%酒精；梯度二甲苯(50%、100%)；封片，顯微鏡觀察。

由于所做的是從莖尖長度為1 cm的連續(xù)切片，所以最終可以觀察到各個節(jié)處的橫切結(jié)構(gòu)，以及節(jié)間通氣組織不同發(fā)育階段的橫切結(jié)構(gòu)。

1.2.2莖縱切石蠟切片的制作取長度為1.5 cm左右的新生莖尖，除去葉片后迅速固定于FAA固定液24 h以上；乙醇梯度脫水(70%、85%、95%、100%)；二甲苯梯度透明(50%、100%)；梯度浸蠟(50%、100%)；純蠟包埋。

用石蠟切片機(LEICA RM2125 RTS)對包埋好的材料進行縱切，切片厚度為10 μm。粘片、烘片，放40 ℃烘箱內(nèi)過夜；之后的染片步驟同上，最后封片，觀察。

通過莖尖的縱切能夠整體觀察到各個節(jié)處的縱切結(jié)構(gòu)，以及節(jié)間通氣組織不同發(fā)育階段的縱切結(jié)構(gòu)。

1.2.3葉橫切石蠟切片的制作取長度約0.5 cm左右的莖尖及距莖尖約5 cm處的成熟葉片，分別按照以上方法固定、包埋。然后將材料連續(xù)橫切，厚度為10 μm。從莖尖的橫切中選取具有不同發(fā)育程度葉片的片子進行染色，成熟葉片的橫切直接染色，染色方法同上，最后觀察。

通過莖尖葉以及成熟葉片的橫切能夠觀察到葉通氣組織的不同發(fā)育階段。

1.3 莖橫切面通氣組織百分率(孔隙度)的測定

選取所做莖橫切切片中的節(jié)處橫切圖片及節(jié)間通氣組織不同發(fā)育時期顯微圖片各6張，用軟件Motic image plus 2.0 ML測量每張橫切圖片中腔隙的總面積S1、莖橫切總面積S2，則：

通氣組織百分率(孔隙度)=(S1/S2)×100%

其中S1為莖的節(jié)處或節(jié)間橫切面中所有通氣組織腔隙的總面積，S2為節(jié)或節(jié)間橫切面中莖的總面積。孔隙度的計算能夠以數(shù)據(jù)的形式反映出莖的節(jié)處、和節(jié)間不同時期通氣組織的發(fā)達程度,其值的大小與發(fā)達程度呈正相關(guān)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

得到全部的計算結(jié)果，通過IBM SPSS statistics 22.0分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算，進行方差分析前對所有數(shù)據(jù)進行了正態(tài)性及方差齊性檢驗，用LSD單因素方差分析 (One-Way ANOVA)對莖中節(jié)及不同時期通氣組織的差異性進行檢驗，并用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 穿葉眼子菜莖的結(jié)構(gòu)

通過對穿葉眼子菜莖縱切(圖1，a)的觀察，其莖的結(jié)構(gòu)包括表皮、皮層及維管柱，直徑隨距莖尖距離的增加而變大。通氣組織發(fā)達，存在于內(nèi)皮層與表皮之間，且主要存在于節(jié)間(圖1，c、e)，而節(jié)處(圖1，b、d)的皮層細胞排列緊密僅形成少量且腔隙小的通氣組織，孔隙度約為3.62%(圖2)。通氣組織在距莖尖約0.6 mm處開始形成，并隨著距莖尖距離的增加其通氣組織腔逐漸增大最終在約2.4 mm處形成成熟的通氣組織。通過節(jié)間(圖1，c、e)通氣組織腔內(nèi)的殘留細胞可確定其通氣組織腔的膨大過程伴隨著皮層細胞的降解。

a.莖縱切面(示莖整體結(jié)構(gòu))；b.節(jié)縱切(示節(jié)縱向通氣組織)；c.節(jié)間縱切(示節(jié)間縱向通氣組織)；d.節(jié)橫切(示節(jié)橫向通氣組織)；e.節(jié)間橫切(示節(jié)間橫向通氣組織)；b、c圖為a圖的局部放大?！啊睢敝甘就饨M織部位，箭頭指示殘留細胞圖1 穿葉眼子菜莖縱切面及節(jié)和節(jié)間橫、縱切a. Stem longitudinal section (indicating the whole structure of the stem); b. Node longitudinal section (indicating longitudinal aerenchyma of the node); c. Internode longitudinal section (indicating longitudinal aerenchyma of the internode); d. Node transverse section (indicating transverse aerenchyma of the node); e. Internode transverse section (indicating transverse aerenchyma of the internode); Fig.b and c are partial enlarged views of Fig.a. “☆” indicates the location of the aerenchyma, and the arrows indicate the residuary cellsFig.1 Stem longitudinal section and node, internode longitudinal section and transverse section of P. perfoliatus

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，n=6圖2 節(jié)及各時期莖通氣組織占橫切面比例Different letters in the figure indicate significant differences (P<0.05)，n=6Fig.2 Stem transverse section aerenchyma area ratio of each phase and node

2.2 穿葉眼子菜莖通氣組織的發(fā)育過程

在圖3中展示了通氣組織形成的4個時期的縱切與橫切的對應(yīng)圖片。處于實心期(距莖尖0～0.6 mm)的細胞較小且排列緊密，此時的細胞體積處于增長階段且細胞間沒有明顯的間隙，因此，現(xiàn)階段的莖尚未形成通氣組織。雖然實心期前期(圖3，b)的莖僅為一團尚未明顯分化的細胞構(gòu)成，但處于后期(圖3，c)的莖已分化出表皮、皮層及維管束，且細胞體積明顯增大，細胞間開始出現(xiàn)小的間隙，間隙約占橫截面的0.54%(圖2)，為下階段通氣組織的形成做準備。

形成期(距莖尖0.6～1.2 mm)細胞體積繼續(xù)增大，于實心期后期形成的間隙處細胞分離形成小的腔隙(圖3，e)，通氣組織開始形成，此時的腔隙大小僅相當于1～3個細胞。后期(圖3，f)通氣組織腔的數(shù)量較前期明顯增加，莖為橢圓形且在兩極形成約3輪腔隙，靠近中間部位形成約2輪較小的腔隙。后期腔隙已開始膨大，且部分腔隙間殘留有正在降解的細胞，表明腔隙的膨大伴隨著細胞降解，每個獨立形成的腔隙之間存在一層或數(shù)層細胞；整個形成期的平均孔隙度為10.90%(圖2)。從此時的縱切圖(圖3，d)可以看到處于上下相鄰位置的通氣組織之間也存在至少一層細胞將其相互隔開，所以此時的通氣組織在空間上僅為獨立的小腔室而并未上下聯(lián)通。對于通氣組織的形成部位，顯示其主要存在于節(jié)間，而節(jié)的細胞緊密排列且形成的通氣組織少。

a.實心期縱切(示實心期莖縱向結(jié)構(gòu))；b、c.實心期橫切(示實心期前期及后期橫向莖結(jié)構(gòu))；d.形成期縱切(示形成期莖縱向通氣組織)；e、f.形成期橫切(示形成期前期及后期莖橫向通氣組織)；g.膨大期縱切(示膨大期莖縱向通氣組織)；h、i.膨大期橫切(示膨大期前期及后期莖橫向通氣組織)；j.成熟期縱切(示成熟期莖縱向通氣組織)；k、l.成熟期橫切(示成熟期莖橫向通氣組織)?！啊睢敝甘就饨M織部位，箭頭指示殘留細胞圖3 穿葉眼子菜的莖縱切與橫切a. Longitudinal section of solid phase (indicating the longitudinal stem structure); b, c. Transverse section of solid phase (indicating the transverse stem structure in the early and late phases of the solid phase); d. Longitudinal section of formation phase (indicating longitudinal stem aerenchyma of the formation phase); e, f. Transverse section of formation phase (indicating transverse stem aerenchymain the early and late stages of the formation phase); g. Longitudinal section of expansion phase (indicating longitudinal stem aerenchyma in the expansion phase); h, i. Transverse section of expansion phase (indicating transverse stem aerenchymain the early and late stages of the expansion phase); j. Longitudinal section of maturity phase (indicating longitudinal stem aerenchyma in the maturity phase); k, l. Transverse section of maturity phase (indicating transverse stem aerenchyma in maturity phase). “☆” indicates the location of the aerenchyma, and the arrows indicate the residuary cellsFig.3 Longitudinal section and transverse section of P. perfoliatus stems

從橫切圖(圖3，f)可以看出靠近外皮層處的通氣組織腔稍大，說明在橫向上通氣組織由外向內(nèi)先后形成。

膨大期(距莖尖1.2～2.4 mm)的細胞進一步增長，腔數(shù)繼續(xù)增加，且孔隙度達到了約27.61%(圖2)，腔內(nèi)仍有降解殘留的細胞。通過此時的縱切圖(圖3，g)可看到在縱向上節(jié)間通氣組織腔開始融合擴大并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但之間仍有較多橫向細胞層將其隔開。膨大期前期(圖3，h)除了通氣組織腔的擴大，維管束中間也開始形成髓腔，內(nèi)皮層細胞、表皮細胞及外皮層細胞排列整齊且致密，細胞結(jié)構(gòu)保持完整；后期(圖3，i)莖中間形成3個髓腔，包括中央維管束包圍的大髓腔以及兩邊由較小維管束包圍的小髓腔，此時通氣組織腔的數(shù)量已基本穩(wěn)定，腔內(nèi)仍存在降解的細胞；后期的外皮層細胞及最外面一輪通氣組織腔周圍的細胞開始降解坍縮。對比膨大期前期與后期莖的橫切面積與通氣組織腔的大小，后期相較于前期都明顯增大，此時通氣組織為蜂窩狀且腔隙排列較為規(guī)律，腔的體積由外向內(nèi)依次減小。

成熟期即距莖尖約2.4 mm之后為通氣組織發(fā)育的最后一個時期，此時的通氣組織發(fā)達且已完全成熟為莖橫切面的57.58%(圖2)?？v向(圖3，j)上此時的通氣組織基本融合為長的管道且直徑更大，偶爾存在降解殘留的細胞結(jié)構(gòu)組成的線狀結(jié)構(gòu)將其隔開。橫向(圖3，k、l)上也表現(xiàn)為通氣組織腔的擴大，且最外面一輪通氣組織腔周圍的細胞層已坍縮為線狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)皮層細胞較為完整，外皮層細胞存在部分降解，表皮細胞基本完整但排列不再規(guī)則。

2.3 穿葉眼子菜葉通氣組織的發(fā)育過程

穿葉眼子菜不僅在莖中存在發(fā)達的通氣組織，其葉中同樣存在。通過整體的橫切圖(圖4，a)可直觀的觀察到其通氣組織的發(fā)育過程，且和莖中一樣將其發(fā)育過程劃分為同樣的四個時期(圖4，b～e)。葉中的通氣組織僅在主脈中形成，主脈處由表皮、皮層薄壁細胞及維管柱構(gòu)成，其葉片僅由上下2層表皮細胞及中間的1層葉肉細胞緊密結(jié)合而成且與側(cè)脈一樣并不形成通氣組織。

新生的葉片(圖4，b)短小，由3層細胞組成且僅在主脈處細胞團開始分化形成維管束，此時的細胞較小且排列緊密，僅在部分薄壁細胞間有很小的空隙，通氣組織尚未開始形成，因此處于實心期。

隨著葉片細胞的持續(xù)生長分化，其寬度與厚度增加，在主葉脈處位于上下表皮細胞之間的單個或多個薄壁細胞凋亡降解形成小的腔隙(圖4，c)，這標志著葉片通氣組織的發(fā)育進入形成期。此時期發(fā)生于靠近莖尖的第2～3片新生葉，形成特征與莖通氣組織類似，即腔隙的大小相當于1～3個細胞且獨立的腔隙之間存在一層或多層細胞。主脈的橫切也近似橢圓形，通氣組織腔先形成于兩極。此時的表皮細胞細胞質(zhì)濃厚且排列規(guī)則、緊密，維管束細胞致密無腔隙形成。

葉片繼續(xù)發(fā)育并開始形成不明顯的側(cè)脈(圖4，a)，但側(cè)脈處并不形成通氣組織。膨大期(圖4，d)的細胞體積及通氣組織腔進一步增大，腔數(shù)量有所增加，成因與莖通氣組織的膨大期相似，部分腔隙周圍存在正在降解的細胞。通氣組織腔之間的細胞層在膨大期后期基本減少為一層且開始坍縮降解。此時的表皮細胞排列規(guī)則緊密，保持完整；維管束中間開始形成髓腔。

進入成熟期(圖4，e)通氣組織腔達到最大，腔隙之間的線狀結(jié)構(gòu)為之前細胞層降解殘留的細胞結(jié)構(gòu)。此時維管束中間已形成明顯的髓腔，上下2層表皮細胞基本完整且排列較為規(guī)則、緊密。

3 討 論

生存環(huán)境的不同必然導(dǎo)致植物發(fā)育與基本結(jié)構(gòu)的差異，如陸生植物莖內(nèi)皮層和維管束發(fā)達，皮層內(nèi)一般無發(fā)達的通氣組織，葉片上有大量氣孔分布[24]；高寒地區(qū)植物莖內(nèi)機械組織發(fā)達，葉內(nèi)有2層以上柵欄細胞而機械組織不發(fā)達[25]。濕地挺水植物機械組織較陸生植物退化，但維管組織發(fā)達，葉結(jié)構(gòu)與陸生植物類似且存在氣孔[26-27]，通氣組織較發(fā)達。沉水植物莖、葉機械組織退化，維管組織不發(fā)達，葉內(nèi)少有柵欄組織及海綿組織的分化，葉表面無氣孔，莖葉通氣組織發(fā)達[23,28-29]。本研究的穿葉眼子菜是一種沉水植物，其莖、葉中的通氣組織發(fā)達，而體內(nèi)維管組織不發(fā)達，因此莖的機械強度不大，這有利于其隨水流擺動；眼子菜屬植物的整個葉片內(nèi)充滿氣腔或僅主脈周圍的葉肉內(nèi)具氣腔[20]，穿葉眼子菜屬于后者，其葉片薄，僅3層細胞，葉表面無氣孔且僅在主脈形成通氣組織，表皮細胞具葉綠體，這有利于對光照的吸收，增加光合能力。謝偉東等[28]對3種海草的莖葉解剖結(jié)構(gòu)的研究中，矮大葉藻與二藥藻的葉橫切面無明顯主脈，通氣組織均勻形成于葉片內(nèi)，與本實驗中穿葉眼子菜僅在葉主脈形成通氣組織存在差異，而喜鹽草的葉橫切面與穿葉眼子菜類似；矮大葉藻與二藥藻的莖橫切面為橢圓形，通氣組織為較發(fā)達的蜂窩狀，這與穿葉眼子菜相似。另一種植物海神草的莖存在數(shù)束外環(huán)維管束[29]，且其葉存在數(shù)條維管束，維管束之間形成發(fā)達的通氣組織，而穿葉眼子菜存在1束中央維管束和對稱的2束外環(huán)維管束，且葉僅在主脈維管束周圍形成通氣組織。高晨光等[23]對鴨舌草等4種水生植物營養(yǎng)器官結(jié)構(gòu)的研究中，發(fā)現(xiàn)其莖、葉均具有發(fā)達的通氣組織，其中一種俗稱水案板的浮葉眼子菜莖橫切面為圓形，有小而排列緊密的表皮細胞，中柱處形成4個髓腔，皮層通氣組織為網(wǎng)狀，本實驗中的穿葉眼子菜僅形成3個髓腔且皮層通氣組織為較規(guī)則的2～4輪，但這2種眼子菜莖通氣組織均為蜂窩狀，符合屬間模式的穩(wěn)定[18]；而這種浮葉眼子菜葉橫切面上下表皮為排列緊密的小細胞，上表皮下為2～3層細胞組成的柵欄組織，柵欄組織下為網(wǎng)狀通氣組織，明顯其葉的結(jié)構(gòu)及通氣組織與穿葉眼子菜存在差異。

a.葉的橫切(示各時期葉橫切及通氣組織)；b.實心期橫切(示實心期葉橫向結(jié)構(gòu))；c.形成期橫切(示形成期主脈橫向通氣組織)；d.膨大期橫切(示膨大期主脈橫向通氣組織)；e.成熟期橫切(示成熟期主脈橫向通氣組織)?！啊睢敝甘就饨M織部位，箭頭指示殘留細胞圖4 穿葉眼子菜的葉橫切a. Transverse section of leaves (indicating leaves transverse section and aerenchyma in each phase); b. Transverse section of solid phase (indicating transverseleaf structure in solid phase); c. Transverse section of formation phase (indicating transverse aerenchyma in main vein of formation phase); d. Transverse section of expansion phase (indicating transverse aerenchyma in main vein of expansion phase); e. Transverse section of maturity phase (indicating transverse aerenchyma in main vein of maturity phase)“☆” indicates the location of the aerenchyma, and the arrows indicate residuary cellsFig.4 Transverse section of P. perfoliatus leaves

Hydrocharismorsus-ranae的不定根中在距根尖約0.3 mm處皮層細胞開始相互分離產(chǎn)生間隙[30]，而穿葉眼子菜莖通氣組織形成的實心期后期部分細胞間出現(xiàn)裂隙，且隨著細胞進一步生長、分離，于形成期前期(距莖尖約0.6 mm)在靠近外皮層處的皮層細胞間形成小的腔隙；H.morsusranae根在距根尖1 mm內(nèi)由于中皮層細胞裂解而進行平周與垂周分裂，形成氣室，而穿葉眼子菜在形成期后期及膨大期(距莖尖約1.2～2.4 mm)的橫切及縱切面腔隙中也存在降解殘留的細胞，說明腔隙的擴大涉及細胞降解的過程。穿葉眼子菜葉通氣組織的形成過程與莖相似，靠近莖尖的第1～2片新生葉細胞排列緊密，無空隙，類似于Typhaangustifolia處于實心期的第1～2片新生葉[5]，T.angustifolia于約第3片新葉出現(xiàn)細胞分離產(chǎn)生的小腔隙，且出現(xiàn)晶狀體細胞，之后的腔隙膨大過程這些晶狀體細胞發(fā)揮重大作用；穿葉眼子菜也在第2～3片新葉主脈形成裂生腔隙，而無晶狀體細胞出現(xiàn)，說明與T.angustifolia葉腔隙的膨大存在差異，但隨后腔隙的膨大也涉及細胞的降解。通過細胞降解而形成的通氣組織被認為是細胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)的結(jié)果，比如水稻莖葉[2,31]、格菱葉柄[6]、水淹的玉米[8,10]、小麥[9]、向日葵[11]等植物通氣組織通過降解而形成，這些細胞在逐漸死亡的過程中表現(xiàn)出核DNA片段化特點，以及液泡膜破裂、囊泡的出現(xiàn)、細胞器和核降解、液泡膜破裂、細胞壁最終降解等過程，符合細胞程序性死亡的特征。穿葉眼子菜莖、葉通氣組織自形成期后，開始出現(xiàn)細胞降解的方式來進一步擴大通氣組織的腔隙，推測這個過程是PCD作用的結(jié)果。

不同的植物其通氣組織發(fā)達程度與形成特點同樣存在差異[32]，水生植物Egeriadensa莖的結(jié)構(gòu)及通氣組織形成模式與穿葉眼子菜相似，其先是早期在距莖尖1～2 mm處的皮層細胞間形成裂生腔隙，在距莖尖2～3 mm處形成蜂窩狀的成熟通氣組織，腔隙面積為截面的27%[17]。而穿葉眼子菜莖通氣組織的形成期早于E.densa，起始于約距莖尖0.6 mm處，成熟于距莖尖約2.4 mm處，與E.densa相似，但穿葉眼子菜莖成熟腔隙面積為截面的約57.58%，遠高于E.densa的27%，這也與穿葉眼子菜的沉水生活方式相適應(yīng)，更為發(fā)達的通氣組織對呼吸作用產(chǎn)生的CO2及光合作用產(chǎn)生的O2具有一定的存儲與擴散作用，這對于提高植物的光合作用效率及營養(yǎng)生長存在積極意義，從而降低了其對外界的O2及無機碳源的需求；發(fā)達的通氣組織增加其在水中的浮力以獲取更多的光照，光照強度對沉水植物的光合作用具有一定的影響作用[33]。另外，穿葉眼子菜莖的節(jié)處通氣組織形成較少，甚至部分節(jié)處完全不形成，這與一種濕地植物Meionectesbrownii的解剖結(jié)構(gòu)類似，這種植物平均節(jié)間橫截面通氣組織孔隙率為17.7%，而節(jié)處約為8.2%，甚至約23%的節(jié)處無通氣組織形成[34]。這在一定程度上阻礙了穿葉眼子菜體內(nèi)氣體的擴散，但提高了莖節(jié)內(nèi)的氧氣利用效率，這對穿葉眼子菜的繁殖和分布來說是一種非常高明的適應(yīng)機制，因為穿葉眼子菜的莖段在自然環(huán)境下可以進行無性繁殖，莖段上節(jié)為節(jié)間的氣體擴散提供了一個屏障，為莖段不定根的生長提供氧氣保證；同時，節(jié)的存在提高了植物體的機械力，彌補了其維管組織不發(fā)達，維持了其在水環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對于穿葉眼子菜莖、葉通氣組織膨大期后期腔隙之間線狀結(jié)構(gòu)的形成，類似于水稻根部通氣組織腔之間由坍縮細胞的細胞壁聚集而成的結(jié)構(gòu)[3]，Jeffree等[35]在Phaseolusvulgaris的葉腔隙形成的最后階段也觀察到細胞壁的降解。在T.pseudoincisa葉柄通氣組織成熟期腔隙周圍存在不完全降解的細胞，殘留的細胞壁維持了其葉柄形態(tài)結(jié)構(gòu)[6]，因此，穿葉眼子菜莖、葉成熟通氣組織腔之間的細胞坍縮一方面是為了進一步增加腔體積，另一方面其殘留細胞壁得以維持莖葉形態(tài)結(jié)構(gòu)，這都是其對沉水生活的適應(yīng)機制。