黎維平

（湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,中國(guó)湖南 長(zhǎng)沙 410081）

異形葉性（heterophylly）是指同一植株具有明顯不同形狀葉的現(xiàn)象,環(huán)境變化是導(dǎo)致異形葉性產(chǎn)生的主要原因之一。國(guó)內(nèi)一本被廣泛使用的著名植物學(xué)教材[1]以菱（Trapa natans L.）為例,并配以照片,顯示菱的葉形因所處環(huán)境不同而發(fā)生顯著變化,以分別適應(yīng)浮水和沉水生活。該教材指出,“菱的浮水葉扁平呈菱形,而沉水葉卻細(xì)裂呈絲狀”[1]。另有教材提到,菱有“羽狀細(xì)裂”[2]或“羽裂篦子形”[3]的沉水葉。菱沉水葉的形狀不同于浮水葉,細(xì)裂成絲狀,可解釋為通過(guò)擴(kuò)大葉比表面積（表面積與體積之比）,利于吸收光照和CO2,是對(duì)沉水環(huán)境中缺乏光照和CO2的適應(yīng)[1～3]。菱是著名的浮水植物,產(chǎn)于亞洲、歐洲和非洲,在澳洲和北美也有種植和逸生[4]。菱在我國(guó)各地廣泛分布,其葉形變化如此明顯,是闡述葉異形性的好材料。然而,相關(guān)教材描述的菱“沉水葉”[1～3]是葉嗎？

有的文獻(xiàn)[4]在對(duì)菱屬植物進(jìn)行形態(tài)學(xué)描述時(shí),在插圖中展示上述沉水絲狀器官,但是對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)只字不提而加以回避。國(guó)外一些著作和研究報(bào)道對(duì)菱的這一結(jié)構(gòu)也未加以定性,而是分別描述性地稱(chēng)之為“絲裂葉狀器官（filiform-dissected leaflike organs）[5]”“羽 狀 細(xì) 絲結(jié) 構(gòu) （fine,pinnate structures）[6～7]”和“根狀散布的綠色篦齒形器官（green root-like spreading pectinate organs）[8]”。Hummel等[6]和Ali等[7]在綜述時(shí)指出,至今對(duì)該器官的認(rèn)識(shí)有3種不同的觀(guān)點(diǎn),即此結(jié)構(gòu)是葉、托葉或根。首先,一些文獻(xiàn)將此結(jié)構(gòu)看成葉。上述植物學(xué)教材[1～3]將其稱(chēng)為“沉水葉”,一些文獻(xiàn)也持相同觀(guān)點(diǎn),把它說(shuō)成是“羽狀深裂,裂片絲狀”的沉水葉[9～14]、“羽狀復(fù)葉（pinnately compound leaves）[15]”“羽狀細(xì)裂的沉水葉（finely divided feather-like submerged leaves）[16]”,或“裂葉（dissected leaves）[17]”。其次,刁正俗[18]提出,該結(jié)構(gòu)屬于“托葉的變態(tài)”,“是由沉浸水中的托葉伸長(zhǎng)”而成;Kubitzki[19]也將該結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“沉水的絲裂托葉（submerged liform-dissected stipules）”。第三,早在1954年,傅家瑞[20]就提出該器官是同化根（photosynthetic roots）,但并沒(méi)有給出證據(jù),只是說(shuō)“作者經(jīng)長(zhǎng)期詳細(xì)觀(guān)察后,確認(rèn)它是具有同化作用的不定根”。另一些學(xué)者也持相同觀(guān)點(diǎn)[21～26]。菱科（Trapaceae）僅 1 屬,即菱屬（Trapa L.）[21～26]。菱屬植物葉二型,沉水葉非羽狀絲裂葉,而是小而寬圓形早落葉,僅見(jiàn)于幼苗或幼株。同化根從沉水葉托葉邊緣發(fā)出,生于沉水葉葉痕兩側(cè),對(duì)生或輪生狀,呈羽狀絲裂[21～26]。

菱屬沉水莖上著生的羽裂絲狀結(jié)構(gòu)到底是葉、托葉還是根？學(xué)者們各持己見(jiàn),各有證據(jù)[9～26]。各種觀(guān)點(diǎn)多基于形態(tài)標(biāo)本觀(guān)察,或發(fā)育過(guò)程中的形態(tài)觀(guān)察。葉、托葉和根在發(fā)生部位、解剖結(jié)構(gòu)上有明顯區(qū)別,通過(guò)解剖學(xué)觀(guān)察能解決這個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問(wèn)題。目前僅有一項(xiàng)研究[23]的結(jié)論基于解剖學(xué)證據(jù),但是其觀(guān)察較為簡(jiǎn)略,文中只提供了一幅簡(jiǎn)單的墨線(xiàn)圖,未能提供充分的證據(jù)。

本研究通過(guò)對(duì)菱有關(guān)結(jié)構(gòu)的形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)觀(guān)察,確認(rèn)其器官性質(zhì),以期澄清這一長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問(wèn)題,為改進(jìn)植物學(xué)教材提供參考。同時(shí),基于此研究,編寫(xiě)了一植物學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新案例,以期培養(yǎng)學(xué)生的探究能力及批判性思維習(xí)慣和能力。

1 材料與方法

從長(zhǎng)沙河西桃子湖取3株菱的莖及其節(jié)上著生的“沉水絲狀器官”。憑證標(biāo)本LWP2006001保存于湖南師范大學(xué)植物標(biāo)本館（HNNU）,標(biāo)本鑒定依據(jù)Flora of China[26]。

切下沉水莖上1個(gè)具2“沉水絲狀器官”的節(jié)拍照。

用新鮮材料進(jìn)行徒手切片,用番紅染色,然后將切片制成臨時(shí)裝片,同時(shí)將絲狀結(jié)構(gòu)制成整體臨時(shí)裝片。使用Olympus CX31數(shù)碼成像顯微鏡對(duì)裝片進(jìn)行觀(guān)察并拍照。

取莖及“沉水絲狀器官”,用FAA固定液固定。采用石蠟切片法制片,酒精系列脫水后,二甲苯透明,隨后番紅-固綠對(duì)染,最后中性樹(shù)膠封片,制成永久切片。于Olympus CX31數(shù)碼成像顯微下觀(guān)察永久切片并拍照。

2 結(jié)果

莖節(jié)的肉眼觀(guān)察結(jié)果顯示:“沉水絲狀器官”在沉水莖節(jié)上非對(duì)生,而是偏向莖一側(cè);“羽狀細(xì)裂”結(jié)構(gòu)并非呈羽狀,而是呈輻射狀伸展（圖1A）。莖節(jié)部橫切面的顯微觀(guān)察結(jié)果顯示:“沉水絲狀器官”屬內(nèi)起源,發(fā)生于葉跡兩側(cè)的皮層最內(nèi)方,為不定根（圖1B）。真正的沉水葉葉跡向兩側(cè)發(fā)出托葉。

整體裝片的顯微觀(guān)察顯示:絲狀結(jié)構(gòu)的原始體突破不定根表皮,從其內(nèi)部冒出（圖1C）;不久,其頂端有膜狀細(xì)胞層分離、脫落,是衰老的根冠細(xì)胞層（圖 1D）。

不定根橫切面的顯微觀(guān)察（圖1E,F）顯示:1）其內(nèi)皮層凱氏點(diǎn)明顯;2）中柱鞘為1層細(xì)胞;3）木質(zhì)部與韌皮部相間排列;4）初生木質(zhì)部屬3～5原型,多為4原型;5）無(wú)髓,中央被后生木質(zhì)部占據(jù);6）后生木質(zhì)部與木質(zhì)部脊（原生木質(zhì)部）間缺乏導(dǎo)管分子（細(xì)胞）。此外,不定根發(fā)出的細(xì)絲為內(nèi)起源的側(cè)根,發(fā)源于與初生木質(zhì)部對(duì)著的中柱鞘（圖 1G）。

圖1H顯示,絲狀側(cè)根橫切面具有表皮、外皮層、中皮層、內(nèi)皮層、中柱鞘、木質(zhì)部和韌皮部等各種結(jié)構(gòu)。其表皮細(xì)胞1層,無(wú)根毛,無(wú)葉綠體,外切向壁稍厚;外皮層細(xì)胞1～2層,特征是細(xì)胞明顯小于內(nèi)部細(xì)胞,無(wú)細(xì)胞間隙,含葉綠體;中皮層由3層較大型的薄壁細(xì)胞組成,細(xì)胞間隙明顯,含較多葉綠體;內(nèi)皮層細(xì)胞1層,較小,具凱氏帶;中柱鞘細(xì)胞1層,比內(nèi)皮層細(xì)胞更小;木質(zhì)部?jī)H具1（～2）導(dǎo)管分子;韌皮部也不發(fā)達(dá)。

圖1 菱沉水莖、不定根及絲狀側(cè)根的形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)（A）沉水莖（橫切）及其2不定根（不定根生有多數(shù)絲狀側(cè)根）（標(biāo)尺:5 mm）;（B）莖節(jié)部橫切面（標(biāo)尺:400 μm）;（C）不定根的側(cè)根將冒出（白箭頭所指）或已突破表皮（黑箭頭所指）（標(biāo)尺:400 μm）;（D）絲狀側(cè)根上一些老的根冠（箭頭所指）已脫落（標(biāo)尺:400 μm）;（E）不定根的徒手橫切面局部,示其維管柱結(jié)構(gòu)（標(biāo)尺:50 μm）;（F）不定根的橫切面局部,示具凱氏帶（光鏡下呈點(diǎn)狀）的內(nèi)皮層、中柱鞘、初生韌皮部和木質(zhì)部（標(biāo)尺:10 μm）;（G）不定根橫切面,具2正發(fā)生的側(cè)根（標(biāo)尺:150 μm）;（H）絲狀側(cè)根的橫切面局部（標(biāo)尺:10 μm）。AR:不定根;ASC:莖皮層通氣組織;BS:托葉基部;CD:凱氏點(diǎn);CP:葉綠體;E:表皮;ED:內(nèi)皮層;EX:外皮層;LR:側(cè)根;LT:葉跡;MC:中皮層;MX:后生木質(zhì)部;P:髓;PC:中柱鞘;PP:初生韌皮部;PX:原生木質(zhì)部;X:木質(zhì)部。Fig.1 Morphology and anatomy of the submerged stems,adventitious roots and filiform lateral roots in T.natans（A）A cross section of a submerged stem,from which two adventitious roots arise with a lot of filiform lateral roots（scale bar:5 mm）;（B）A sectioned node（scale bar:400 μm）;（C）Lateral roots are emerging（white arrows）and have just broken through the epidermis of the adventitious roots（black arrows）（scale bar:400 μm）;（D）Old root caps（arrows）of the filiform lateral roots have sloughed off（scale bar:400 μm）;（E）A free-hand transverse section of an adventitious root,showing the structures of its vascular cylinder（scale bar:50 μm）;（F）A partial cross section of an adventitious root,showing the endodermis with Casparian strips（look like dots under a microscope）,pericycle,primary phloem,xylems（scale bar:10 μm）;（G）A cross section through a adventitious root with two developing lateral roots（scale bar:150 μm）;（H）A portion of a cross section of a filiform lateral root（scale bar:10 μm）.AR:Adventitious roots;ASC:Aerenchyma of stem cortex;BS:Base of stipule;CD:Casparian dots;CP:Chloroplasts;E:Epidermis;ED:Endodermis;EX:Exodermis;LR:Lateral roots;LT:Leaf trace;MC:Middle cortex;MX:Metaxylem;P:Pith;PC:Pericycle;PP:Primary phloem;PX:Protoxylem;X:Xylem.

3 討論

“羽狀絲裂結(jié)構(gòu)”,即植物學(xué)教材所說(shuō)的“沉水葉”,在兩個(gè)層次上的起源和結(jié)構(gòu),都支持其為根,而不是葉,也不是托葉。

3.1 沉水莖上發(fā)出的非對(duì)生葉,而是不定根

沉水莖節(jié)上的葉和托葉早落[24]。圖1B顯示,沉水莖上著生的“羽狀器官”非外起源的葉,而是內(nèi)起源的不定根。不定根起源于皮層最內(nèi)方細(xì)胞,位置偏向于葉跡一側(cè)。

圖1E～G是不定根的橫切面。切面上顯示其內(nèi)皮層的凱氏帶明顯,這還不足以證明此為根,因?yàn)槌了o和有些沉水葉具吸收功能時(shí),也具有內(nèi)皮層。但是,如下結(jié)構(gòu)足以證實(shí)其為根,而非葉軸,因?yàn)樗鼈兪歉赜械?1）中柱鞘;2）初生木質(zhì)部和初生韌皮部相間排列;3）中央非髓而是后生木質(zhì)部。

3.2 絲狀結(jié)構(gòu)是側(cè)根

本研究的一系列證據(jù)表明,絲狀結(jié)構(gòu)并非絲裂的葉片,而是不定根上發(fā)出的側(cè)根。

3.2.1 絲狀結(jié)構(gòu)非羽片

羽狀分裂的葉片由全緣葉演化而來(lái),其裂片在一個(gè)平面上,至少?gòu)娜~軸兩側(cè)發(fā)出的部位是整齊的。但通過(guò)對(duì)沉水莖進(jìn)行肉眼觀(guān)察即可判斷,絲狀結(jié)構(gòu)是呈輻射狀排列（圖1A）,并非兩列,所以稱(chēng)其“羽狀”是不恰當(dāng)?shù)摹＝馄式Y(jié)構(gòu)也顯示其在多個(gè)部位發(fā)生,向各個(gè)方向伸展（圖1G）。

3.2.2 絲狀結(jié)構(gòu)為內(nèi)起源的側(cè)根

若絲狀結(jié)構(gòu)是葉裂片,應(yīng)為葉原基的不均勻生長(zhǎng)而延伸形成,不會(huì)是內(nèi)起源。但是,絲狀結(jié)構(gòu)起源于與原生木質(zhì)部對(duì)著的中柱鞘細(xì)胞（圖1G）,為典型的內(nèi)起源的側(cè)根。菱不定根的初生木質(zhì)部多為4原型,即側(cè)根發(fā)生部位多為4個(gè),在不定根表面常形成4列側(cè)根（圖1A）。

3.2.3 絲狀結(jié)構(gòu)具根的特征

絲狀結(jié)構(gòu)在發(fā)生時(shí),即可見(jiàn)頂端分生組織,即分生區(qū)（圖1G）;在其突破不定根皮層、表皮后,可見(jiàn)其根冠（圖1D,G）。由于這些側(cè)根不與土壤顆粒接觸,而是懸浮在水中,無(wú)需通過(guò)根冠外圍細(xì)胞的黏液化來(lái)起潤(rùn)滑作用,減少根前進(jìn)中的摩擦力,所以隨著根的生長(zhǎng),老的根冠細(xì)胞就成層脫落（圖 1D）。

絲狀側(cè)根橫切面（圖1H）展示出了根的一般結(jié)構(gòu)。其皮層分外皮層、中皮層和內(nèi)皮層。外皮層細(xì)胞較小,1～2層,幾乎無(wú)細(xì)胞間隙,具有保護(hù)作用。內(nèi)皮層具凱氏帶,為吸收功能所必需。維管柱由中柱鞘和維管組織組成。因該植物為水生,而且絲狀側(cè)根的功能已轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝癁橹?所以維管組織很不發(fā)達(dá),木質(zhì)部?jī)H有1～2個(gè)導(dǎo)管分子。

3.2.4 側(cè)根為同化根

將“羽狀絲裂”結(jié)構(gòu)當(dāng)作菱適應(yīng)沉水生活的生態(tài)異型葉性的表現(xiàn),這顯然是錯(cuò)誤的,但其的確行使沉水葉的功能。其外觀(guān)呈現(xiàn)綠色（圖1A）,這是皮層的同化組織所致。外皮層和中皮層的4～5層細(xì)胞均含有葉綠體,使得這些側(cè)根轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝δ転橹鞯淖儜B(tài)器官,即同化根。

同化根不僅與沉水葉在內(nèi)皮層、中柱鞘等基本結(jié)構(gòu)上不同,還在其他方面不同于沉水葉。首先,沉水葉中葉綠體分布最多、綠色最深的部位往往是葉表皮;而菱同化根（圖1H）的表皮不含葉綠體,且外切向壁較厚。其次,沉水葉通常都有通氣組織;而菱同化根雖然有多層細(xì)胞但不具通氣組織,甚至細(xì)胞間隙都不夠發(fā)達(dá)。這些現(xiàn)象也許可歸因于同化根對(duì)同化功能的適應(yīng)程度不夠高,還兼有根的吸收功能;又或許是因?yàn)榱獾墓夂献饔霉δ苤饕筛∷~承擔(dān),施加在同化根上的生存壓力不夠大。

4 一個(gè)新的植物學(xué)探究實(shí)驗(yàn):菱的絲狀結(jié)構(gòu)是沉水葉還是同化根？

該研究所采用的技術(shù)是常規(guī)的切片,將石蠟切片改用徒手切片也可獲得較理想的結(jié)果,所以高中生和大學(xué)生均具備實(shí)驗(yàn)操作能力。對(duì)于“羽狀絲裂”結(jié)構(gòu)為何物的問(wèn)題,學(xué)生完全可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察,運(yùn)用在植物學(xué)理論課所學(xué)知識(shí),獨(dú)立地得出正確的結(jié)論。而且該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可在1 h左右完成,也適合作為一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不提供實(shí)驗(yàn)操作方法、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟,學(xué)生必須且能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果推翻了權(quán)威教材的結(jié)論,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維習(xí)慣和能力,具有一定的價(jià)值。

筆者將這個(gè)案例編成如下探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:同一株水生植物的挺水葉、浮水葉和沉水葉在形態(tài)與結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性差異是植物異形葉性最好的一類(lèi)示例。大家正使用的植物學(xué)教材以菱科的菱（Trapa natans L.）為例,展示了菱的葉形因所處環(huán)境不同而發(fā)生顯著變化,以分別適應(yīng)浮水和沉水生活。該教材指出,“菱的浮水葉扁平呈菱形,而沉水葉卻細(xì)裂呈絲狀”。另有教材也提到菱具羽狀絲狀的沉水葉。但是,也有文獻(xiàn)認(rèn)為該“羽狀絲裂”結(jié)構(gòu)是同化根或變態(tài)托葉。請(qǐng)對(duì)燒杯中的實(shí)驗(yàn)材料菱進(jìn)行形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)觀(guān)察,判斷其“羽狀絲裂”結(jié)構(gòu)是沉水葉、同化根還是變態(tài)的托葉,并給出盡可能全面的證據(jù),運(yùn)用這些證據(jù)論述你的觀(guān)點(diǎn)。

該探究性實(shí)驗(yàn)已在中學(xué)生物奧林匹克競(jìng)賽培訓(xùn)中多次采用,大部分學(xué)生都能在1 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn),并得出正確結(jié)論,作出較好的論述。實(shí)驗(yàn)完成并得到老師的肯定之后,學(xué)生們的興奮之情溢于言表。老師在表?yè)P(yáng)之余,應(yīng)指出同學(xué)們實(shí)驗(yàn)和闡述的不足,指出如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的收集,分析為什么有些學(xué)生對(duì)某些實(shí)驗(yàn)證據(jù)視而不見(jiàn),尤其是要教導(dǎo)學(xué)生在獲得科學(xué)證據(jù)之后,如何進(jìn)行科學(xué)性、條理性和邏輯性均強(qiáng)而有力的論證。

筆者也推薦在大學(xué)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)課中采用此實(shí)驗(yàn),并建議在學(xué)習(xí)完植物營(yíng)養(yǎng)器官形態(tài)結(jié)構(gòu)知識(shí)后再開(kāi)展此實(shí)驗(yàn),因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)涉及到根、莖和葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)及變態(tài)器官、異形葉性等內(nèi)容,具有較強(qiáng)的綜合性。