氣生藍莓葉片表面結構與功能的研究

氣生藍莓葉片表面結構與功能的研究

空氣空中植物是指生長在空氣中、不需要土壤、生長所需的水分和養(yǎng)分來源的特殊植物。但是,這一類群所包括的植物范疇并不清晰。許多附生植物類群,如蘭科、苦苣苔科中的附生種類,甚至一些附生蕨類都能直接從空氣中吸收水分和養(yǎng)分,但經常只被作為附生植物看待。目前唯一被廣泛接受的、并且了解最多的氣生植物是指“氣生鳳梨”這一類特殊的植物,在有些時候“airplant”一詞甚至只代表氣生鳳梨(Tillandsia)。由于氣生鳳梨直接從空氣中吸收水分和養(yǎng)分,作為暴露于空氣中最主要的部分,葉片勢必成為氣生鳳梨吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,而氣生鳳梨葉片表面或內部一定有一些特殊結構存在,行使水分和養(yǎng)分吸收的功能。近年來,許多國內外學者對鳳梨科植物的栽培技術、光合作用、重金屬吸附等方面進行了研究,但對氣生鳳梨的葉片形態(tài)結構的研究還很不充分。氣生鳳梨為鳳梨科多年生草本植物,主要集中在鳳梨科(Bromeliaceae)鐵蘭屬(Tillandsia)中。它們有真正的根,但根不發(fā)達,沒有吸收水分和養(yǎng)分的功能,僅起到固定植株和少量空氣交換的作用,葉片表面的鱗片被認為是它們真正吸收水和養(yǎng)分的器官。因此,它們不需要長在土中,只需要接受雨水或吸收空氣中的濕氣便可生存。在原生長環(huán)境中,它們多附生或垂掛與樹干或石頭、甚至于電纜線上。除了吸收水分和養(yǎng)分之外,鳳梨科植物葉表面鱗片還被認為具有多種多樣的功能。如通過蠟質的表面進行排水、反射陽光以保護葉片不受灼傷、減少光呼吸、阻礙動物捕食及病原體侵入以及很少見的吸引傳粉昆蟲等。結構是功能的基礎。盡管鳳梨科植物的鱗片被認為具有多樣化的功能,但對它們的結構的研究尚有很多不清楚之處。氣生鳳梨葉片與普通地生鳳梨葉片相比有何特殊性?不同氣生鳳梨是否具有不同的吸收水分和養(yǎng)分的結構?這些問題一直研究的不夠透徹。另外,鳳梨葉表的鱗片需要一定結構與葉片內部相連,這一結構與葉片內部哪一類組織相連對鱗片功能的實施具有很大的影響。但現(xiàn)在多數(shù)研究關注于葉表面結構,而忽視了鳳梨科植物葉片內部結構的研究以及葉表面與葉內部結構的相互關聯(lián)。本文通過對3種氣生鳳梨(Tillandsiastricta‘Hardleaf’、T.stricta‘Cottoncandy’與T.filifolia)葉片表面及內部結構的研究,并以地生鳳梨(Guzmnania‘Denise’)作為對比,探討氣生鳳梨這類特殊植物適于空氣中生長所必備的一些特殊結構及其特定的功能。1材料和方法1.1氣生梨的選擇選取長勢基本一致的粉苞鐵蘭(Tillandsiastricta)2個品種,即(T.stricta‘Hardleaf’“硬葉空鳳”)、(T.stricta‘Cottoncandy’“棉花糖”)和另外一種氣生鳳梨(T.filifolia),即“綠毛毛”作為氣生鳳梨材料,同時選擇普通地生鳳梨丹尼斯鳳梨(Guzmnania‘Denise’)作為對照材料。地生鳳梨采用盆栽,3種氣生鳳梨固定于木架上,平均澆水3~5次/周,試驗材料長勢良好。因鳳梨科植物品種繁多,命名復雜,為方便區(qū)分,下文中只以其品種名作為其物種名稱。1.2實驗方法1.2.1不同濃度公車葉片的表面結構分析取健康成熟葉片于體視顯微鏡下直接觀察表面結構。每種植物取3片葉,在葉表皮的不同位置各觀察10個視野,拍照并測算鱗片密度。1.2.1.2掃描電鏡樣品制備與觀察取成熟植株的相同部位的葉片,清潔后用4%的戊二醛固定48h,蒸餾水洗滌,分別用30%、50%、70%、80%、90%、100%(2次)梯度濃度的酒精脫水各10min。脫水后立即將樣品固定在載破片上,置密閉容器內自然晾干。離子濺射儀鍍膜,LeicaS440型掃描顯微鏡觀察,拍照。1.2.1.3葉表面結構分析利用MicrometricsSEPremium圖像處理軟件對獲得的顯微結構和超微結構圖像進行分析。4種鳳梨各選取10個視野,在顯微結構圖像上測算鱗片的數(shù)量及密度。4種鳳梨各選取10個完整鱗片,在超微圖像上測量鱗片的大小(包括周長與面積)。1.2.2保存,定規(guī)范以石蠟切片法顯微制片:取成熟植株的相同部位的葉片用水清洗干凈,放在FAA固定液中固定24h,抽氣,并保存。將材料的葉片切成5mm左右的小段,經酒精梯度脫水至蒸餾水,用水沖洗24h后放于1%番紅中染色48h,再經酒精梯度脫水后,二甲苯透明,石蠟包埋,切片,切片厚度為10μm,貼片后再用二甲苯脫臘透明,進行1%固綠復染,最后用中性樹膠封片,在LeicaDM2500顯微鏡下觀察并照相。2結果與分析2.1孔和葉片結構4種鳳梨植物葉表面可見表皮細胞、氣孔和鱗片3種結構(圖1)。但在棉花糖與硬葉空鳳中,由于鱗片密集,掃描電鏡下氣孔亦不可見(圖1:D,F)。2.1.1表皮細胞內部白色硅質體4種鳳梨的表皮細胞形狀都比較規(guī)則,多為矩形或方形,而且表皮細胞內部可見白色的硅質體(圖1)。每一表皮細胞外壁均角質化,但不同種間角質化程度不同,地生的丹尼斯鳳梨表皮細胞角質化程度最低,氣生鳳梨角質化程度較高(圖1)。2.1.2氣孔結構的變化由于鱗片的覆蓋,僅在地生丹尼斯鳳梨和氣生鳳梨綠毛毛中可見氣孔這一結構。丹尼斯鳳梨氣孔下陷,呈窩狀,保衛(wèi)細胞呈腎形(圖1:A,B)。而綠毛毛氣孔很少,電鏡下也很難觀察到其細微結構(圖1:C)。2.1.3不同結構的文件中sccd4種鳳梨葉片上均有白色鱗片,呈特殊的“葵花”狀(圖1)。鱗片呈蠟質,具有光澤。每一鱗片都由三層細胞構成,最中央一層有4個細胞,均呈碟狀,可稱之為碟狀細胞(Disccell);碟狀細胞之外環(huán)繞著一層細胞,可稱之為環(huán)狀細胞(Ringcell),其中在硬葉空鳳和綠毛毛中環(huán)狀細胞有8個,而地生的丹尼斯鳳梨的環(huán)狀細胞連接成一個整體;鱗片的最外層是長長的翼狀細胞(Wingcell),翼狀細胞相互之間連接緊密,邊緣有鋸齒。4種鳳梨科植物葉表面鱗片的數(shù)量、形態(tài)存在很大不同。地生丹尼斯鳳梨葉片表面鱗片的數(shù)量明顯較少,鱗片最內部的碟狀細胞明顯下陷,而最外部的翼狀細胞長度相對較短。其他3種氣生鳳梨葉片表面被鱗片密密地覆蓋著,碟狀細胞下陷程度較低。2.2不同品種對不同葉片密度的影響3種氣生鳳梨葉表面的鱗片面積和周長遠遠大于普通的地生鳳梨(表1)。硬葉空鳳、棉花糖、綠毛毛與丹尼斯鳳梨葉表面鱗片的周長分別平均為2.470μm(n=10)、2.471μm(n=10)、1.817μm(n=10)、1.365μm(n=10),而面積分別達到0.362μm2(n=10)、0.401μm2(n=10)、0.204μm2(n=10)、0.129μm2(n=10)。另外,同屬1種不同品種的硬葉空鳳與棉花糖的鱗片面積與周長比較接近,而另外1種氣生鳳梨綠毛毛的面積和周長都較硬葉空鳳與棉花糖小。4種鳳梨科植物鱗片在葉表面分布的密度也有較大差異。硬葉空鳳、棉花糖、綠毛毛和丹尼斯鳳梨葉表面鱗片的密度分別為:42、49、20與10個/mm2(表1)。3種氣生鳳梨的鱗片密度均遠高于地生的丹尼斯鳳梨,而硬葉空鳳與棉花糖這兩個品種的鱗片密度在4種鳳梨中也是最大的。為探討葉片近軸面(上表面)與遠軸面(下表面)上鱗片的差異,我們比較了硬葉空鳳與棉花糖這兩個品種的上、下表面的鱗片大小與密度(表2)。結果表明硬葉空鳳與棉花糖葉片下表面的鱗片明顯大于上表面的鱗片,而且下表面鱗片的密度也大于上表面鱗片的密度。2.3不同結構的污水中的維管束結構氣生鳳梨葉片內部結構比較簡單,只由大小相似、形態(tài)差異較小的葉肉細胞組成,無柵欄組織和海綿組織的分化,葉肉細胞之間可見有氣室分布(圖2:A,B)。而地生的丹尼斯鳳梨葉片內部除葉肉細胞和氣室外(圖2:D,E),可見明顯的維管束結構(圖2:F)。氣生鳳梨葉表鱗片生長于葉片表面,但通過一定結構與葉片內部結構相連。由圖2:C可以看出,氣生鳳梨葉表面的鱗片通過幾個細胞,穿過表皮細胞,直接與葉片內部的葉肉細胞相連。這些細胞在功能上類似連接葉肉細胞與碟狀細胞的手柄,可稱之為柄狀細胞(Stalkcell)(圖2:C)。氣生鳳梨的柄狀細胞并不與氣室直接相連。而地生丹尼斯鳳梨的氣孔有的直接與氣室相連(圖2:E)。3氣生梨的養(yǎng)分分布植物通常以根系作為吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,但是對于無根或根只起固定、附著作用的氣生鳳梨而言,葉片就成為其吸收水分和養(yǎng)分的主要器官。通過對3種氣生鳳梨葉面和內部結構的研究可以看出,氣生鳳梨的表皮細胞并沒有明顯的特別之處,而其葉表面“鱗片”的大小、密度上的差異才是區(qū)別于地生植物的最重要部分。3.1氣生梨細胞的結構所謂鱗片是指生物體表表皮硬質化,呈多邊形片狀結構的一種非光滑表面形態(tài)。對于氣生鳳梨而言,它們葉表面的鱗片實際上是一類葉表面的附屬物。葉片表面附屬結構包括各種茸毛、葉刺、表皮蠟等,而具鱗片結構的植物很少。迄今為止只在鳳梨科這類植物中發(fā)現(xiàn)過。而在植物中通常所提到的“鱗片”是指鱗莖的一部分,只在百合、郁金香、風信子等少數(shù)有鱗莖的植物中存在。氣生鳳梨葉表面鱗片由翼狀細胞、環(huán)狀細胞與碟狀細胞組成,其主要功能一直被認為是吸收空氣中的水分和養(yǎng)分。Benzing認為氣生鳳梨的翼狀細胞捕捉空氣中的水分與養(yǎng)分,然后利用“虹吸”原理,經由環(huán)狀細胞到達碟狀細胞將水分與養(yǎng)分吸收,再進一步通過柄狀細胞,最后到達葉肉細胞。我們的研究也暗示了這一點。無論是硬葉空鳳、棉花糖還是綠毛毛,它們葉表面的鱗片都由這三類細胞構成(圖1),并通過柄狀細胞穿過表皮細胞直接與葉片內部的葉肉細胞相連(圖2:C)。由圖1可以看出,所研究的3種氣生鳳梨的葉表鱗片蠟質、白色。因此,它們還可能具有排水和反射陽光的作用。如果鱗片具有排水和反射陽光的作用,作為直接面對水分吸收和陽光照射的葉片近軸面應該具有更大面積的鱗片。但是,從硬葉空鳳與棉花糖這2個不同品種葉片近軸面與遠軸面的鱗片大小與密度來看,遠軸面的鱗片大小與密度反而大于近軸面的(表2)。因此,即使鱗片具有排水和反射陽光的作用,這一功能可能也不是主要的。與氣生鳳梨不同的是,地生的丹尼斯鳳梨的氣孔直接與葉片內部的氣室相連(圖2:E)。而氣生鳳梨葉表面鱗片覆蓋密集,氣孔很少或不可見(圖1)。而且葉片內部氣室體積較小,沒有發(fā)現(xiàn)直接與氣孔或鱗片相連,而是通過葉肉細胞直接與鱗片相連。因此,與普通的地生鳳梨相比,鱗片的覆蓋及氣孔的減少致使氣生鳳梨的呼吸作用減弱。也就是說,鱗片在一定程度上還具有減少光呼吸的作用。3.2氣生梨生長的重要裝置鱗片是鳳梨科植物吸收空氣中的水分或養(yǎng)分而形成的特殊結構,也是氣生鳳梨與地生鳳梨差異最大的結構。在鱗片大小和密度、微觀結構上均不同(圖1)。由于鱗片的大小和密度可以決定在空氣中獲取水分的能力大小,而氣生鳳梨的面積、周長和密度均遠遠大于地生鳳梨(表2),說明氣生鳳梨為了更好獲取水分,擴大了鱗片的表面積,讓葉片能更大程度上接觸到周圍的環(huán)境,捕捉水分的能力也較地生鳳梨高。作為生長于空氣中的特殊植物,氣生鳳梨為了適應空氣中有限的水分和養(yǎng)分以及空氣中水分散失速度快的限制,勢必進化出一系列適應空氣中生長的特殊結構,而鱗片即是其中最明顯的結構。盡管所有的鳳梨科植物