烏拉爾甘草根和根莖的結(jié)構(gòu)及其發(fā)育進程

烏拉爾甘草根和根莖的結(jié)構(gòu)及其發(fā)育進程

ula甘草是科可可堿科的一種植物。這是中國藥典（2005年版）中列出的甘草的原始植物之一。它是用干燥的根和根莖作為藥品使用的。傳統(tǒng)中醫(yī)認為:甘草性味甘、平,能補脾益氣、清熱解毒、祛痰止咳、緩急止痛、調(diào)和諸藥等功效?，F(xiàn)代科學(xué)研究證實:甘草除具有鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)咳、抗炎、抗?jié)?、抗變態(tài)反應(yīng)等作用外,還能增強機體免疫功能,具有抗菌、抗愛滋病HIV病毒、乙肝HBV病毒、帶狀皰疹VZV病毒及SARS病毒等作用。隨著野生甘草資源的缺乏及國內(nèi)外市場對甘草需求劇增,人工種植甘草成為必然趨勢。如何改進栽培技術(shù),提高甘草質(zhì)量成為目前甘草資源開發(fā)與保護的熱點問題之一,因此,研究甘草藥用器官發(fā)育及其在發(fā)育過程中有效成分的積累變化規(guī)律,對指導(dǎo)人工栽培技術(shù)的改進有著重要的實踐和理論意義。關(guān)于烏拉爾甘草資源、有效成分的提取、分離、鑒定、藥理作用及人工甘草栽培技術(shù)和質(zhì)量評價等已有許多報道,而關(guān)于烏拉爾甘草藥用部位根和根狀莖的結(jié)構(gòu)及其發(fā)育過程的變化規(guī)律的研究報道較少。本研究主要對烏拉爾甘草主根和根狀莖的結(jié)構(gòu)發(fā)生和發(fā)育規(guī)律進行研究,旨在為進一步研究藥用成分的積累部位和動態(tài)變化奠定基礎(chǔ),并為提高甘草藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量提供依據(jù)。1生長植株的觀察和dna的制備將烏拉爾甘草種子處理后,播種于西北大學(xué)生物園內(nèi),分別在子葉展開、真葉長出1~2片、3~4片及生長半年、1年、2年不同時期,取根尖和根中部作為觀察材料,切成0.5cm左右片段,50%FAA固定,老根采用10%的氫氟酸適當軟化。根狀莖的觀察材料采自寧夏鹽池縣高沙窩甘草種植區(qū)3年生植株,分別從當年生根狀莖頂芽、次年生根狀莖分別取材,切分成0.5cm小塊,50%FAA固定。采用常規(guī)石蠟切片法制片,切片厚度為8~12μm;鐵礬-蘇木精、番紅-固綠染色,中性樹膠封片,Leica-DMLB顯微鏡觀察并照相記錄。2結(jié)果與分析2.1根系結(jié)構(gòu)和發(fā)育2.1.1原原代生組織細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察從主根的根尖縱切面觀察,其根尖可分為根冠區(qū)、分生區(qū)(生長點)、伸長區(qū)和根毛區(qū)四個部分。根冠位于最前端,由多層薄壁細胞構(gòu)成,包被著生長點。生長點是由原生分生組織和初生分生組織共同組成,原生分生組織位于生長點的前端,由3層原始細胞群,即根冠-表皮原原始細胞、皮層原原始細胞和中柱原原始細胞構(gòu)成(圖版Ⅰ,1、2),從橫切面觀察,原分生組織細胞呈等徑的多邊形,排列緊密,原生質(zhì)豐富,細胞核大,具有典型分生組織細胞學(xué)的特點(圖版Ⅰ,3)。原分生組織的衍生細胞發(fā)生一定程度的分化,產(chǎn)生了由根冠原、表皮原、皮層原和中柱原組成的初生分生組織,這些細胞的性狀、大小、排列和染色深淺等都表現(xiàn)出差異(圖版Ⅰ,4、5)。初生分生組織外側(cè)的一層細胞為根冠原細胞,向外產(chǎn)生根冠細胞,后者液泡化程度較高,出現(xiàn)細胞間隙;與之相鄰的為表皮原細胞,細胞呈近似長方柱形或楔形,排列緊密,細胞質(zhì)較濃,細胞體積增大;表皮原以內(nèi)為皮層原,由5~7層呈切向伸長的細胞構(gòu)成,靠近內(nèi)側(cè)的細胞體積較小,而中間數(shù)層細胞體積略大,細胞核明顯,可見到細小的液泡;在皮層原以內(nèi)是中柱原,由一群體積更小、排列緊密、細胞核明顯、染色深的圓形或多邊形細胞構(gòu)成,鄰近皮層原內(nèi)側(cè)的一層細胞為即將分化的中柱鞘細胞層,排列整齊,細胞呈不等徑的圓形或方形。2.1.2初代木質(zhì)部細胞的分化根的初生生長是通過初生分生組織細胞的分裂及其衍生細胞的體積增大完成的,衍生細胞的進一步分化,逐漸形成了根的初生結(jié)構(gòu)。其中根冠原和表皮原的衍生細胞分化成根冠薄壁細胞和表皮,皮層和中柱原的衍生細胞則分別分化為皮層和中柱。在根的初生生長過程中,首先分化的是皮層原細胞,以后是中柱原和表皮原。最初的皮層原分化發(fā)生于中部的數(shù)層細胞,表現(xiàn)為細胞體積增大,細胞內(nèi)出現(xiàn)多數(shù)液泡,形成了近圓形的薄壁細胞,并出現(xiàn)了細胞間隙,而在靠近表皮原和中柱原的1~2層細胞則分化較遲,細胞體積小,細胞質(zhì)濃厚,排列緊密(圖版Ⅰ,5)。在皮層原細胞分化的同時,中柱原中央的細胞體積增大,并逐漸呈“十”形輻射狀排列至中柱鞘,部分細胞液泡化,這些細胞為最早發(fā)生分化的初生木質(zhì)部細胞。以后在中柱鞘細胞內(nèi)側(cè)4個相對位置上先后出現(xiàn)1~2個多邊形小細胞,其細胞壁加厚,細胞腔呈透明狀,形成最早分化成熟的原生韌皮部的篩管分子(圖版Ⅰ,5、6);在原生韌皮部之間鄰近中柱鞘的1或2個細胞也隨之發(fā)生細胞壁加厚并木質(zhì)化,形成了最初的原生木質(zhì)部導(dǎo)管分子(圖版Ⅰ,6)。原生韌皮部和原生木質(zhì)部細胞向內(nèi)繼續(xù)分化,形成由篩管、伴胞、韌皮薄壁細胞構(gòu)成的后生韌皮部,以及由較大孔徑的導(dǎo)管和薄壁細胞組成的后生木質(zhì)部。以后4個后生木質(zhì)部束逐步在根中央交匯在一起,在橫切面上呈4個木質(zhì)部與4個韌皮部相間排列的中柱(圖版Ⅰ,7、8)。在中柱的分化過程中,皮層分化完成,并在內(nèi)皮層細胞的徑向壁上產(chǎn)生凱氏點,而形成凱氏帶環(huán)(圖版Ⅰ,8)。表皮原的分化逐漸形成1層徑向排列緊密的細胞,其中有一些細胞向外突起形成表皮毛。至此根的初生生長完成,形成了表皮、皮層和中柱共同構(gòu)成的初生結(jié)構(gòu)(圖版Ⅰ,9)。2.1.3生維管組織和周皮的發(fā)育及其組成在根初生生長過程中,伴隨后生木質(zhì)部分化的同時,位于初生木質(zhì)部和初生韌皮部之間的未分化薄壁細胞分裂產(chǎn)生1~2層扁平狀的新細胞,并逐漸形成了4條呈弧狀排列的形成層片段(圖版Ⅱ,1),這些片段向兩側(cè)延伸與初生木質(zhì)部脊所對的中柱鞘細胞連接在一起,形成一個近菱形的維管形成層環(huán)(圖版Ⅱ,2),由于形成層環(huán)向內(nèi)產(chǎn)生的次生木質(zhì)部多于向外產(chǎn)生的次生韌皮部的數(shù)量,從而使形成層環(huán)凹陷部分被向外推移,最終成為環(huán)形(圖版Ⅱ,3)。在維管形成層產(chǎn)生的同時,中柱鞘細胞恢復(fù)分裂能力,產(chǎn)生2~3層細胞,其最外層細胞分化形成了木栓形成層(圖版Ⅱ,4),維管形成層和木栓形成層的產(chǎn)生標志著根的次生生長開始。根的次生結(jié)構(gòu)主要包括次生維管組織和周皮,它們是維管形成層和木栓形成層活動的結(jié)果。維管形成層產(chǎn)生后常為3~4層的扁平細胞,向外活動產(chǎn)生次生韌皮部,向內(nèi)活動產(chǎn)生木質(zhì)部,并通過垂周分裂增大根的圓周。次生韌皮部的組成分子有篩管、伴胞、韌皮薄壁細胞、韌皮纖維和韌皮射線;篩管和伴胞在鄰近維管形成層處明顯成群分布,次生韌皮射線在徑向伸長時細胞呈切向加寬,使韌皮射線由內(nèi)向外形狀上似喇叭形(圖版Ⅱ,6)。伴隨次生韌皮部細胞的產(chǎn)生,初生韌皮部被推向外側(cè),其中的篩管和伴胞常被擠毀,但部分初生韌皮纖維仍呈束狀保留在外圍的薄壁細胞中(圖版Ⅱ,5、6);次生韌皮纖維發(fā)達,位于兩條韌皮射線之間,呈輻射狀方式排列,在纖維束之間還存在一些薄壁細胞(圖版Ⅱ,6、7),其中含有草酸鈣晶體。次生木質(zhì)部的組成分子有導(dǎo)管、木纖維、木薄壁細胞和木射線,未見管胞分子。導(dǎo)管分子單個或幾個成群,呈輻射狀排列;木纖維發(fā)達呈束狀,并在導(dǎo)管間排列呈徑向的細胞群,木纖維束中也有一些含晶的薄壁細胞。木薄壁細胞較小,多位于導(dǎo)管周圍,在次生生長的過程中,木薄壁細胞的增多和體積的增大,將位于根中央處的初生木質(zhì)部導(dǎo)管分子分開。在原生木質(zhì)部導(dǎo)管分子相對的中柱鞘細胞衍生的形成層產(chǎn)生3~5列細胞組成的同型射線,在木質(zhì)部為木射線,在韌皮部為韌皮射線,它們構(gòu)成了根中徑向的輸導(dǎo)系統(tǒng)(圖版Ⅱ,5、7)。周皮包括木栓層、木栓形成層和栓內(nèi)層三個部分。木栓層最初較薄,由3~4層切向引長排列整齊的細胞組成,以后隨著根的發(fā)育,木栓層的數(shù)量不斷增多,可達到7~9層;木栓形成層為1~2層,栓內(nèi)層則由1~2層薄壁細胞組成(圖版Ⅱ,6、7)。通過觀察,不同年生的根內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似,各組成分子相同。但各年生的根之間也存在一定差異,主要表現(xiàn)在隨年齡的增加其組成分子數(shù)量增多,其中尤以根中央初生木質(zhì)部的變化顯著。1年生根中央四原型的初生木質(zhì)部仍可分辨(圖版Ⅱ,6),而2年生根中央的初生木質(zhì)部由于其導(dǎo)管周圍薄壁細胞的分裂增大,導(dǎo)管分子單個或幾個成群星散在薄壁細胞中,維管射線形成裂隙(圖版Ⅱ,7),根的中央無髓。但在根-莖過渡區(qū)距根頭3~5cm處發(fā)現(xiàn),根-莖發(fā)育過程中有髓的存在(圖版Ⅱ,8),但此部分不屬于根的結(jié)構(gòu)。2.2根系結(jié)構(gòu)和發(fā)育2.2.1原組織的組成根狀莖由根頸部發(fā)出。新生的根狀莖為白色,外被鱗葉包裹,以后表面顏色由白色逐漸變成黃褐色,待黃褐色的外皮脫落后,露出紅色的皮;頂芽飽滿呈圓錐形,可向上長出地面形成克隆株,也可繼續(xù)水平伸展,延長根狀莖。根狀莖尖端的縱切面觀察發(fā)現(xiàn),莖尖上著生大量的鱗葉包被著生長點,生長點的原分生組織由原套和原體兩部分組成。原套為2層排列整齊的細胞,原體為被原套包被的一團細胞,細胞排列不整齊(圖版Ⅲ,1、2)。在原分生組織下面,其衍生細胞在一定距離處分化出原表皮、原形成層和基本分生組織(圖版Ⅲ,3、4)。原表皮為最外一層染色較深、排列整齊的細胞。原表皮內(nèi)4~5層細胞,形狀較大,染色稍淺,此即為皮層基本分生組織。位于中央的細胞,形狀大,染色較淺,液泡化程度較高,此部分為髓基本分生組織(圖版Ⅲ,4、5)。在兩類基本分生組織之間有染色深的區(qū)域,其組成細胞縱向延長,細胞原生質(zhì)濃厚,即為原形成層(圖版Ⅲ,1、4)。在橫切面上原形成層呈互相連續(xù)的環(huán),隨后從環(huán)中分化出一些染色更深的束狀區(qū)域,即為原形成層束(圖版Ⅲ,5)。2.2.2感官結(jié)構(gòu)的組成分子從當年生根狀莖的連續(xù)切片觀察,在生長錐下面的個別原形成層束首先分化,在其外緣出現(xiàn)單個或2個相鄰的多角形細胞,其細胞壁略厚、細胞腔透亮,此處即為最早分化的原生韌皮部篩管分子(圖版Ⅲ,6)。接著在原形成層束內(nèi)側(cè),可看到1~2個細胞的細胞壁明顯增厚并木質(zhì)化,此即為分化成熟的原生木質(zhì)部導(dǎo)管分子(圖版Ⅲ,7)。原生韌皮部內(nèi)側(cè)繼續(xù)分化出新的篩管分子,產(chǎn)生伴胞;原生木質(zhì)部導(dǎo)管的外側(cè)分化出后生木質(zhì)部的導(dǎo)管分子(圖版Ⅲ,7、8)。原形成層束持續(xù)分化形成初生維管束,這些初生維管束在橫切面上排列成組織環(huán)?；痉稚M織、原表皮的分化早于原形成層的分化,但直至初生維管組織分化結(jié)束時才臻于成熟,至此,形成了由表皮、維管束、基本組織構(gòu)成的根狀莖初生結(jié)構(gòu)。(圖版Ⅲ,10)。表皮為1層切向引長的細胞,細胞較小,排列緊密,無葉綠體、表皮毛或其它的附屬結(jié)構(gòu)。基本組織包括了皮層和髓,其中皮層是由25~27層細胞組成,細胞形狀大小不一,細胞間隙明顯;髓是由類圓形的薄壁細胞組成。在髓和皮層組織之間由髓射線連接,構(gòu)成徑向輸導(dǎo)組織,并將維管束分開。初生維管束為外韌型,由初生韌皮部、初生木質(zhì)部和束中形成層組成。初生韌皮部的組成分子有篩管、伴胞、韌皮薄壁細胞和韌皮纖維,韌皮纖維發(fā)達,在韌皮部的外側(cè)形成似帽狀的厚壁組織(圖版Ⅲ,8)。初生木質(zhì)部由導(dǎo)管及木薄壁細胞組成,束中形成層細胞3~5層,排列整齊。2.2.3木栓層和財產(chǎn)質(zhì)量維管束中后生木質(zhì)部導(dǎo)管分子將成熟,束中原形成層細胞恢復(fù)分裂能力,向外分化產(chǎn)生次生韌皮部,向內(nèi)分化產(chǎn)生次生木質(zhì)部,使木質(zhì)部和韌皮部各組成分子的數(shù)量增加,維管束體積加大。束間形成層分化遲緩,早期不明顯(圖版Ⅲ,9),以后逐漸與束中形成層相連構(gòu)成形成層環(huán),其活動的結(jié)果是產(chǎn)生更多的次生結(jié)構(gòu),使根狀莖增粗。與此同時,在初生韌皮部外側(cè)的內(nèi)皮層細胞脫分化,產(chǎn)生1~2層切向伸長的細胞,它們形成最初的木栓形成層(圖版Ⅲ,8)。木栓形成層向外產(chǎn)生木栓層,向內(nèi)產(chǎn)生栓內(nèi)層,形成最初的周皮。周皮產(chǎn)生后,由于木栓層細胞栓質(zhì)化過程較慢,其兩側(cè)的細胞仍可進行物質(zhì)和能量的交換,因此木栓層外側(cè)的皮層可以保持較長時間不脫落(圖版Ⅲ,11)。根狀莖的次生結(jié)構(gòu)由周皮和次生維管組織構(gòu)成。周皮的木栓層為7~9層扁平細胞,其外側(cè)細胞壁栓化后顯紅棕色;木栓形成層為1~2層;栓內(nèi)層為2~3層薄壁細胞(圖版Ⅲ,12)。次生維管組織由次生韌皮部、維管形成層和次生木質(zhì)部構(gòu)成(圖版Ⅲ,12)。次生韌皮部包括篩管、伴胞、韌皮薄壁細胞、韌皮纖維和韌皮射線(圖版Ⅲ,14)。篩管、伴胞成群排列;次生韌皮纖維呈2列排列在篩管、伴胞和薄壁細胞的兩側(cè),而初生韌皮纖維被推向外側(cè),分布在薄壁組織細胞中。韌皮射線由徑向伸長的薄壁細胞組成,呈多列。次生木質(zhì)部包括導(dǎo)管、木纖維、木薄壁細胞和木射線(圖版Ⅲ,13),導(dǎo)管單個或2~3一起呈放射狀排列,木纖維成束狀,分散在導(dǎo)管和薄壁細胞之間;木射線也由徑向伸長的薄壁細胞組成,它與韌皮射線在形成層處相連共同構(gòu)成次生維管射線。2年生和1年生根狀莖的基本結(jié)構(gòu)類似,但次生維管組織和周皮的數(shù)量和體積都有較大程度的增加(圖版Ⅲ,11、12)。3甘草根的發(fā)育及其分配Fahn指出內(nèi)皮層不僅選擇性地運輸從外部溶液進入導(dǎo)管的溶質(zhì),而且構(gòu)成水分運動的障礙,使根產(chǎn)生根壓,生長在極度干旱或沙生生境下的植物比生長在普通中生環(huán)境下植物的凱氏帶要寬。由此推知,凱氏帶是耐旱植物的結(jié)構(gòu)特征之一。在對甘草根和根狀莖的解剖結(jié)構(gòu)研究中,李志軍報道:甘草主根的初生結(jié)構(gòu)中,內(nèi)皮層未見凱氏帶。但我們認為烏拉爾甘草是一種耐旱植物,應(yīng)該具有這一結(jié)構(gòu)特點。為此本研究利用木質(zhì)和栓質(zhì)成分可自發(fā)熒光的特點,在熒光顯微鏡下直接觀察內(nèi)皮層的結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在藍色激發(fā)光下,中柱鞘外側(cè)內(nèi)皮層細胞的徑向壁上顯示出有規(guī)律排列的熒光點,我們認為這就是凱氏帶,它的存在可以防止幼根中柱中的溶液發(fā)生倒流,避免對成長的根造成生理傷害。馮元忠等認為:根的次生生長發(fā)生后,射線細胞深入根中心,將根中央后生木質(zhì)部分子分開。Esau指出,草本雙子葉植物根在次生生長時,初生木質(zhì)部由于初生木薄壁細胞的擴展生長而有相當大的改變。本研究觀察表明,甘草根為典型的草本雙子葉植物根的結(jié)構(gòu),在其次生生長過程中,原集中在根中央的后生木質(zhì)部導(dǎo)管逐漸呈分散狀是由于其初生木質(zhì)部薄壁細胞體積增大和數(shù)量增多而形成,并非射線細胞向內(nèi)分裂分化造成的,而根的維管射線產(chǎn)生于初生木質(zhì)部放射棱的外側(cè),由維管形成層產(chǎn)生,不會插入到根的中央部位。有報道認為甘草根在發(fā)育過程中,在其中央形成髓的結(jié)構(gòu),本研究結(jié)果證明,甘草根的結(jié)構(gòu)為典型雙子葉植物根的結(jié)構(gòu),在初生結(jié)構(gòu)中,根中央由孔徑較大的后生木質(zhì)部導(dǎo)管分子所占據(jù),未見在根發(fā)育過程中產(chǎn)生由基