多花黄精叶表皮的发育

多花黄精叶表皮的发育 西北植物,2006,26(3):0551一O557 ActaBot.Borea1.一Occident.Sin 文章编号:1000—4025(2006)03-0551一O7 多花黄精叶表皮的发育 周守标,李金花,罗琦,王影 (安徽师范大学生命科学学院,安徽芜湖241000) 摘要:通过光学显微镜和电子扫描显微镜,对多花黄精(Polygonatumt~rtonema)不 同发育时期的叶表皮细胞及 其气孔器进行了研究.结果表明:(1)多花黄精叶片的上下表皮细胞的发育方式基 本一致,都是表皮细胞进行伸长 且伸长生长速度大于加宽生长速度.(2)气孔器的发育方式有两生长和加宽生长, 种:由表皮细胞进行不均等分裂 所形成的两个细胞之中较小的一个发育而来;直接由表皮细胞发育而来.(3)在叶 片发育过程中,气孔器指数是由 低到高;在叶片展开第1天达到最高值,随后逐渐降低并趋于稳定. 关键词:黄精属;叶表皮;气孔器;发育 中图分类号:Q944.5;Q949.718.23文献标识码:A LeafEpidermisDevelopmentofPolygonatumcyrtonema ZHOUShou—biao,LIJin—hua,LUOQi,WANGYing (CollegeofLifeScience,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241000.China) Abstract:Leaf-epidermiscellsandstomatalapparatusesofPotygonatumcyrtonemaatitsdiff erentdevelop— mentalstageswereexaminedbylightandscanningelectronmicroscopy.Theresultsshowed( 1)Thecells inupperandlowerleafepidermisesofP.cyrtonemagrewinabasicallyidenticalmanner,thatis ,bytheire— longatingandwidening,andtheelongatingratewashigherthanthewideningrate.(2)Thesto matalappa— ratuseshadtwodevelopmentalways,oneofwhicharethattheydevelopedfromsmallercellsi ntheunequal divisionoftheleaf— epidermiscellsandtheotherofwhichwasthattheydevelopeddirectlyfromleafepider— imscells.(3)Thestomatalapparatusindexincreasedfromlowtohighwithleafdevelopment.r eachingits peakonedayafterleafexpansionandthengraduallydeclininguntilstabilized. Keywords:Potygonatumcyrtonema;leafepidermis;stomatalapparatus;development 百合科黄精属(PolygonatumMil1.)植物全世 界有6o余种,广布于北温带,主要分布于喜马拉雅 到日本一带.《中国植物志》记载有31种口],最近陈 心启编着的《中国植物志》(英文版)Polygonatum中 (fromPolygonatuminFloraofChina@efloras. org),把中国黄精属植物分为39种.黄精属植物的 研究报道已有许多,如细胞分类学,花粉形态, 分支分析l|,同工酶[5],叶表皮,叶片比较解剖? 等,但对于叶表皮及其气孔器的发育过程未见报道. 表皮细胞及气孔器的发育缺乏实验证据,特别是单 子叶植物,未见文献报道.本文以多花黄精(Polygo— natumcyrtonema)为代表,研究了黄精属植物叶表 皮及其气孔器的发育,旨在为该属植物在发育解剖 学和系统学研究等方面提供实验证据. 收稿日期:2005—09—08;修改稿收到日期;2006—01—17 基金项目:安徽省自然科学基金项目eNo.00042415);安徽省高校学科拔尖人才基 金项目 作者简介{周守标(1963一),男,教授,博士,主要从事结构植物学和系统植物学教学 与研究.E—mail:zhoushoubiao~vip.163.corn 552西北植物 1材料与方法 1.1材料 供试材料为多花黄精,来自于安徽省滁州琅琊 山,栽培于安徽师范大学校园内观察研究.凭证标本 号ZhangD.C92511和ZhouS.BetLiJ.H040518, 并保存于安徽师范大学标本室内.将叶片从未展开 的到充分展开的成熟叶片划分为1o个等级,从1, 1o级依次用G一1,G一10表示,每级各选取同一居 群,植株大小尽可能一致的叶片1O枚作为观察叶, 各级的状态及大小见表1. 表I多花黄精叶片发育阶段大小及其分级 Table1ThegradesandsizesofP.cyrtonemaleavesatdifferentstageofleafdevelopment 1.2方法 1.2.1光学显微镜选取同一居群生境基本一致 的正常植株的不同发育阶段的新鲜叶片,洗净,剪取 叶片中部中脉两侧约15mm×15mm的小块,用 FAA(5O)固定,放入NaC10(30%)溶液浸泡至叶 片发白后取出,蒸馏水冲洗后剥离上下表皮,用1 番红水溶液染色,梯度酒精脱水,二甲苯透明,中性 树胶封片制成永久装片,Olympus显微镜观察并摄 影,测量统计以下指标: (1)气孔器类型:取叶表皮封片置于光学显微镜 下观察,随机检查5o个气孔器,其气孔器类型. (2)气孔器指数(),单位视野气孔器数(),单 位视野普通表皮细胞数(P)均取叶表皮封片中2O 个视野的平均值,其中: 一× 1.2.2电子显微镜选取生境基本一致的正常植 株的不同发育阶段的新鲜叶片,压制成腊叶标本.剪 成2mm×2mm的小方块,用双面胶带固定在样品 台上,喷金镀膜后移入JSM一6300扫描电镜下观察 并拍照. 2结果与分析 2.1叶表皮细胞的发育 多花黄精的表皮细胞在叶片未展开之前上,下 叶表皮的发育过程基本一致,由原表皮细胞进行横 向或纵向均等分裂,并持续保持旺盛的分裂能力,形 成许多近方形的细胞以增加细胞的数目,此阶段看 不到气孔器的分化,表皮细胞小而致密,细胞排列规 则整齐;在叶片逐渐生长的过程中,表皮细胞进行伸 长生长和加宽生长,并且伸长生长的速度大于加宽 生长的速度,这也是多花黄精叶片长度远大于宽度 的主要原因.多花黄精叶片的上表皮没有气孔器的 分布,表皮细胞在发育过程中形状基本是一些长方 形细胞,仅仅是细胞体积的逐渐增大过程(图版?, 7,8).多花黄精叶片的下表皮有气孔器的分布,表皮 细胞在发育过程中既有体积的变化也有形状的变 化,由于气孔器的存在,下表皮细胞在有气孔器分布 的地方生长受到限制,其形状逐渐变得不规则,垂周 壁也由平直(图版I,1)逐渐变为弓形或是波状(图 版I,5;图版?,6),体积逐渐由方形变为多角形或 无规则形(图版?,2,4),但下表皮在未分化出气孔 器之前或是刚刚分化出保卫细胞母细胞(图版I,1 中黑色箭头所示)时,表皮细胞形状和上表皮几乎没 有区别(图版I,1;图版?,1). 2.2气孔器的发育 多花黄精的气孔器是由表皮细胞发育而来的, 其发育过程主要有两种.一种是由表皮细胞进行不 均等分裂所形成的两个细胞中较小的一个,即保卫 细胞母细胞.保卫细胞母细胞与表皮细胞相比形状 为近圆形或椭圆形,较小(图版I,8和图版?,1中 黑色箭头所示).另一种是由表皮细胞直接转化而 来,转化为保卫细胞母细胞的表皮细胞,细胞质非常 浓稠(图版I,2中黑色箭头所示),之后由于该细胞 本身的生长特性以及与相连表皮细胞壁的延伸性, 使得该细胞逐渐变成圆形或椭圆形(图版?,3中黑 3期周守标,等:多花黄精叶表皮的发育553 色箭头所示).在气孔器发育的过程中,经常会出现 两个保卫细胞母细胞聚集在一起(图版I,7和图版 ?,1,2,4中白色箭头所示),然后随着周围表皮细 胞壁的延伸生长,使得与之相连的气孔器由于牵引 被分开(图版I,6;图版?,5,6).无论是经过哪种发 育方式而来的保卫细胞母细胞,都与表皮细胞长轴 方向一致进行均等分裂,从而形成两个等大的保卫 细胞(图版I,3中黑色箭头所示),并且在两个保卫 细胞间的内侧形成孔道,进而形成气孔(图版I,3 中白色箭头所示).因此,多花黄精气孔器的发育首 先是由表皮细胞进行不均等分裂或由表皮细胞直接 转化而形成保卫细胞母细胞,然后再由保卫细胞母 细胞进行均等分裂,形成两个保卫细胞,分裂后的两 个保卫细胞逐渐扩大,形状也由分裂前的椭圆形逐 渐变为半月形或肾形(图版I,7,8),但此时两个保 卫细胞间的胞间层尚未分开,气孔还没有完全形成 (图版I,8和图版?,7中白色箭头所示).当保卫细 胞生长达到一定大小后,保卫细胞之间的胞间层膨 胀,细胞间彼此的连接力变弱,使得两个保卫细胞在 胞间层处分开,形成了气孔开口,一个行使功能的气 孔器才发育完成(图版?,8). 3讨论 (1)多花黄精气孔器的来源有两种:一种是由表 皮细胞进行不均等分裂所形成的两个细胞之中较小 的一个发育而来,一种是直接由表皮细胞发育而来. 前一种来源与陈机_8(1996年)论述的保卫细胞母 细胞是由表皮细胞不均等分裂而产生的较小的细胞 变化而来的观点一致;也与任安祥等(2004年)报 道的三色苋气孔器保卫细胞母细胞起源于表皮细胞 的不均等分裂,其中较小的,近圆形的一个细胞成为 保卫细胞母细胞进而发育为气孔器相同.陈立群 等_l0l_(2004年)报道的银杏气孔器的保卫细胞母细 胞是由表皮细胞中稍大一些的,近菱形的表皮细胞 发育而来的,与多花黄精后一种发育方式相同.由此 可知,多花黄精气孔器发育的前一种来源在双子叶 植物和单子叶植物中都有存在;后一种来源在裸子 植物(银杏)中已有发现,在被子植物中是否广泛存 在有待进一步研究. (2)在多花黄精的同一片叶子上,可以看到处于 不同分化程度和发育阶段的气孔器,叶尖气孔器(图 版I,3)的发育早于叶基气孔器(图版I,5),与任安 祥等报道的三色苋叶表皮顶部的气孔器分化速度 较基部略快的结论相似,但与贺晓等[1报道的银杏 叶表皮以未展开的幼叶基部最初发育出气孔器的结 论不同.因此不同种植物叶片的叶尖和叶基气孔器 发育顺序上存在一定差异;甚至多花黄精在同一叶 片的同一部位上也可以观察到处于不同分化和发育 阶段的气孔器(图版I,2,7,8;图版?,1,3). (3)多花黄精不同发育时期叶片上的气孔器指 数也作了统计分析,发现不同发育时期叶片上的气 孔器指数存在一定差异.枝芽中的幼叶气孔器刚分 化时,气孔器指数非常低(图版I,1);随着幼叶的逐 渐扩大,气孔器指数急剧升高(图版I,2),当叶片刚 展开的第1天,即G一4期,气孔器指数达到最高值 (图版I,3);随着叶片进入急剧扩大期,表皮细胞体 积增大较快,气孔器体积增大较慢,故气孔器指数逐 渐降低,到叶片趋于成熟时,叶表皮气孔器指数也趋 于稳定(图版I,5;图版II,6).叶片发育过程中气孔 器指数的变化见图1. 鼎 .95 船 J 40 5 0 123456789l0 叶片发育阶段分级 Gradesofleafdevelopment(G) 图1多花黄精气孑L器指数和叶片发育阶段之间的关系 Fig.1Relationshipbetweenstomatalapparatusindex anddevelopmentphasesofleafinP.cyrtonema (4)从多花黄精叶表皮细胞和气孔器发育过程 可知,多花黄精成熟叶片的上表皮细胞为长方形,垂 周壁平直;下表皮细胞为不规则形和近圆形,垂周壁 为弓形.气孔器仅分布于下表皮,为单个随机分布特 征,无任何副卫细胞,属于只有2个保卫细胞的Al— lium型气孔器类型_7].按照Stebbin和Khush把单 子叶植物气孔器分为4种类型,多花黄精属于第4 种类型,即"保卫细胞与任何副卫细胞无关"类型,属 单子叶植物中最原始的一种气孔器类型lo]. 554西北植物26卷 参考文献: [1]中国科学院植物研究所.中国植物志(第l'五卷)1-M].北京:科学出版社,1978:52—80. 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