不同生境下陌上菜的形态解剖学比较

张欣欣，刘玫*，程薪宇，史传奇，茹剑，孙阎

(1.哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025；2.黑龙江大学农业资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

广义玄参科(Scrophulariaceae)是个大科，世界约有300属4900种。中国约有62属730～760种[1]。近年来，最新的形态学和分子生物学研究表明广义玄参科不是单系的，其中一些属被移出广义玄参科，如婆婆纳属(Veronica)放入车前科(Plantaginaceae)，而其余的则分为7个类群: 玄参科(Scrophulariaceae), 婆婆纳科(Veronicaceae), 列当科(Orobanchaceae), 蒲包花科(Calceolariaceae), 束梗孢科(Stilbaceae), 透骨草科(Phrymaceae)和母草科(Linderniaceae)[2-6]。母草属(Lindernia)位于母草科(Linderniaceae)，为一年生草本植物，主要分布于亚洲的热带和亚热带, 少数种类分布在美洲和欧洲[7]，我国约有26种[8]。陌上菜(Linderniaprocumbens)是母草属的模式种，分布广，生长在我国的云南至黑龙江连线以东，受东南季风影响的湿润地区。常见于水边以及潮湿地，如稻田梗上。陌上菜的茎四棱形，基部多分枝。花冠粉红色或紫色。蒴果，中轴胎座。种子多数，有格纹[8]。陌上菜是我国的传统中药，具有抗肿瘤的功效[9-11]，也是农业生产中的一种恶性田间杂草[12-13]。Jongduk等[14]指出陌上菜的茎具有小的蜂窝状通气道和大的车轮状通气道。花粉赤道面观为椭圆形，极面观为三裂圆形，三沟具沟膜，表面纹饰为细网状[15]。其他相关的形态学研究未见报道。

研究植物在不同环境条件下的形态结构，对认识植物性状的分类学价值具有重要意义，也将为植物生态演化研究提供一些基础资料[16-25]。我们观察到陌上菜的生长环境不是单一的，它可全株浸水，湿生(植株根部及部分地上部分浸水)或陆生(地表无水)完成生长发育过程。为了了解这一物种在不同生态环境下的形态结构，我们详细研究了它的形态及结构，目的在于完善这一物种的形态学，揭示不同生态环境的结构特点，探讨结构与环境的关系，为分类及系统学提供形态依据。

1 材料与方法

1.1 材料

陌上菜植株(包括种子)于2012年8月采自黑龙江尚志县帽儿山稻田田埂上，经哈尔滨师范大学刘鸣远教授鉴定，并将植株移栽于哈尔滨师范大学温室中。将种子萌发的幼苗移栽到土壤中，模拟野外的生境，使植株完全浸水生长(简称水生)，植物根及茎的基部浸水生长(简称湿生)，及完全陆生(简称陆生)。待植株发育成熟时，分别取不同生境下营养器官及生殖器官作为研究材料。

1.2 方法

将成熟种子均匀地移到培养皿，使其萌发，观察其种苗的发育形态特征。将材料(种苗，成株的根、茎、叶、子房及种子)固定于含70%酒精的FAA(formalin-acetic acid-alcohol mixture，福尔马林-醋酸-酒精混合液)，时间不少于24 h。采用GMA(Glycol methacrylate，乙二醇甲基丙烯酸酯)切片法：所研究器官各取3份样品，经50%酒精，100%酒精，异丙醇，和正丁醇脱水处理各2次，每次6 h。随后，进入GMA中渗透3次，第1和2次各为1 d，第3次不少于5 d，之后将材料及GMA装入无色胶囊，置于60℃温箱24 h进行聚合[23]。用Leica Ultralcut R切片，厚度约2.5 μm。根据Feder和O’ Brien[26]的方法给材料染色。将切片置于DNPH (2, 4-二硝基苯肼)与冰醋酸混合水溶液30 min后流水冲10 min。之后，将切片置于高碘酸水溶液(0.1%)中10 min，流水冲5 min。之后，将切片置于希弗试剂30 min，流水冲10 min。然后用甲苯胺蓝染色2 min，流水冲2～10 min。待切片干燥后用中性树胶封片。

气孔形态的观察采用叶表皮撕取法，即撕取叶片上、下表皮，然后用50%甘油水溶液封片。

所有试验结果经Olympus BX51显微镜观察，Olympus DP70照相。

2 结果与分析

2.1 陌上菜种子及种苗的形态结构

种子从植株脱离后，落入水中，不经休眠便可萌发。萌发时，下胚轴及胚根伸出种皮。当根端伸出0.2～0.5 mm时, 可见下胚轴与胚根之间产生膨大的环状突起，即根环(图1L)。根环上先形成较多的小突起，2～3 d后这些突起发育成单细胞的下胚轴毛。下胚轴毛的延长生长快于胚根的生长，很快超过胚根的长度(图1M,N)。种苗借助于下胚轴毛的固着，由平卧转为直立生长。胚根进一步发育形成初生根。6～8 d后子叶脱离种皮，并展开变绿，但仍未见胚芽发育。随着初生根的延长生长，产生根毛(图1O)。

陌上菜成熟种子未从胎座上脱离时，其表皮细胞外壁上具泡状突起(图2B)。种子脱离植株后，处于干燥条件下突起变得扁平，泡状结构消失。成熟的种子胚根端未完全分化，仅可见1～2层细胞，胚芽端未见分化(图2A)。

子叶展开约15 d后第1枚真叶出现。子叶两侧均具气孔，下胚轴和初生根具有通气组织(图2C)。

2.2 不同生境下陌上菜成株营养器官的形态结构

植株形态：陌上菜从子叶展开到植株开花结实历经约为25 d。水生和湿生植株高为12～26 cm，前者的茎未见分枝，后者具较少分枝并有匍匐茎，匍匐茎的节上产生新的植株和不定根(图1C)。陆生植株株高为8～20 cm，茎具有较多的分枝(图1A)。陆生和水生植物无匍匐茎，后者茎的节上具有不定根(图1B)。

根的结构：根表皮细胞为1层，形状不规则，水生和湿生植株的表皮细胞外壁较陆生植株的薄(图2F,G)。外皮层细胞较大，排列紧密。水生和湿生的植株具1层细胞，陆生的植株具1～2层细胞(图2F，G)。水生和湿生植株的皮层与中柱的比例约为2∶1，具大的车轮状通气道10～12个。通气道间的薄壁细胞萎缩，呈丝状(图2F)。陆生的植株皮层与中柱的比例约为0.5∶1，车轮状通气道8～10个，通气道间的薄壁细胞较大，不萎缩(图2G)。内皮层为1层细胞。水生和湿生植株的细胞较大，无凯氏带(图2F)，陆生的植株细胞较小，有凯氏带(图2G)。维管束：水生和湿生的植株初生木质部为3原型，不发达(图2F)。陆生的植株韧皮部与木质部间具由1～2层细胞构成的形成层，有次生生长。次生木质部发达，占据了中柱的大部分，与次生韧皮部的比例约为5∶1(图2G)。

茎的结构：水生植株的茎及湿生植株茎的基部为圆形，陆生植株的茎和湿生植株茎的上部为四棱形，具4个突起的棱角(图2H，I1)。表皮为1层卵圆形或类方形细胞，排列紧密。水生植株的茎及湿生植株茎的基部无角质层，陆生植株的茎和湿生植株茎的上部具角质层(图2H，I1)。外皮层为1层细胞，细胞较大，近圆形，排列较紧密。水生植株的茎及湿生植株茎的基部细胞内的叶绿体较陆生植株的茎和湿生植株茎的上部少(图2H，I1)。水生植株的茎及湿生植株茎基部的皮层与中柱的比例约为1∶1，具小型的蜂窝状通气道(1～3个)和大型的车轮状通气道(17～19个)。通气道之间具有1层薄壁细胞，细胞长方形，无叶绿体(图2H)。陆生植株的茎和湿生植物的茎上部皮层与中柱的比例约为0.5∶1，棱角处各具1个纤维束，细胞壁厚，木质化程度高，具小型的蜂窝状通气道(6～8个)和大型的车轮状通气道(12～14个)。通气道之间具有1层薄壁细胞，细胞方形，具叶绿体(图2I1)。维管束6个，呈环状排列，水生植株的茎及湿生植株茎基部的维管束较小于陆生植株的维管束，木质部及韧皮部较不发达，韧皮部外围偶见韧皮纤维，而陆生植株的茎和湿生植株的茎上部的木质部及韧皮部较发达，韧皮纤维较多(图2H，I1,I2)。髓由排列疏松的较大薄壁细胞所组成(图2H，I1)。

图1 陌上菜不同生境下植株及器官的形态特征Fig.1 The morphological characteristics of the whole plants and organs of L. procumbens in different ecological environment A： 陆生植株 Terrestrial plant; B： 湿水植株的匍匐茎 Stolon of hygrophilous plant; C： 水生植株的不定根 Adventitious root of submerged plant; D： 开放花 Chasmogamous flower; E： 闭锁花 Cleistogamous flower; F： 开放花的解剖 Anatomy of chasmogamous flower; G： 子房基部的蜜腺 Gynobase nectar; H： 附属物上的单细胞非腺毛 Monocelled nonglandular hairs on appendage; I： 附属物上的具柄的多细胞腺毛 Pluricellular glandular hairs; J： 叶表皮气孔 Stoma; K： 闭锁花的解剖 Anatomy of cleistogamous flower; L： 下胚轴与胚根之间的根环 Collet between radical and hypocotyls; M, N： 下胚轴毛 Hypocotyl hairs; O： 初生根 Primary root. ar: 不定根 Adventitious root; st: 匍匐茎 Stolon; co: 根环 Collet; hh: 下胚轴毛 Hypocotyl hair; rh: 根毛 Root hair; ne: 蜜腺 Nectar. 比例尺 Scale bar: A: 2 cm; B: 3 mm; C-E: 1.5 mm; F, K: 1 mm; G: 0.5 mm; H, I: 1 μm; J: 5 μm; L-N: 10 μm; O: 50 μm.

图2 陌上菜种子胚(纵切及横切)、根、茎、叶和子房(横切)的结构Fig.2 The anatomy of the seed embryo (longitudinal and transverse sections), root, stem, leaf and ovary (transverse section) of L. procumbens A： 种子胚 Seed embryo; B： 种皮上的突起 Projections on testa; C： 胚根 Radical; D： 幼嫩子房的中轴胎座 Axile placenta of young ovary; E： 成熟子房的特立中央胎座 Free central placenta of mature ovary; F： 水生植株根 Root of submerged plant; G： 陆生植株根 Root of terrestrial plant; H： 水生植株茎 Stem of submerged plant; I1，I2： 陆生植株茎 Stem of terrestrial plant; J： 水生叶 Submerged leaf; K： 陆生叶 Terrestrial leaf. vb: 泡状凸起 Vesicular bulge; do: 子房隔膜 Diaphragm of ovary; dd: 退化的隔膜 Degenerated diaphragm; vc: 维管形成层 Vascular cambium; ae: 通气组织 Aerenchymaes; wa: 车轮状通气组织 Wheel-shaped aerenchyma; ha: 蜂窝状通气组织 Honeycomb aerenchyma; f: 纤维 Fiber; cs: 凯氏带 Casparian strip; ec: 叶表皮细胞 Epidermis cell; gs: 腺鳞 Glandular scale. 比例尺Scale bar: A, D, F, G: 10 μm; B: 5 μm; C, E: 50 μm; H, I1, J, K: 25 μm; I2: 20 μm.

叶的结构：陆生及湿生的植株非浸水叶片的结构相同，完全水生及湿生植株浸水叶片结构相同。故3种生境有2种类型叶片，水生(指浸水)和气生(指非浸水)。前者叶的上、下表皮细胞内壁具明显的向内突起，后者这种突起只存在于叶片的上表皮。2种叶片下表皮均具平列型气孔(图1J)及盾状腺鳞(图2J，K)。气生叶具有栅栏组织和海绵组织，细胞排列紧密，叶绿体较多(图2K)，水生叶无栅栏组织和海绵组织的分化，细胞排列疏松，叶绿体较少(图2J)。水生维管束的导管木化程度较低，管壁较薄(图2J)。气生叶的维管束较水生的发达，导管及筛管的数量相对较多，导管的管壁较厚(图2K)。

2.3 不同生境下陌上菜生殖器官的形态结构

陌上菜具有闭锁花和开放花2种类型。不同生境的植株在第3对真叶出现时，茎基部第1对真叶的叶腋处发育出闭锁花。在以后的发育过程中，水生的植株产生的花全部为闭锁花，湿生的植株仅在茎的顶端产生开放花，陆生植株在茎顶端和中部产生开放花。闭锁花具5枚花瓣，粉红色，覆瓦状排列，最外层的2枚花瓣合生。花柱短，柱头下弯，花药扣在柱头上，在花冠的包被下放粉于柱头上(图1E，K)。开放花为唇形花冠，下唇大于上唇，前者具3裂，后者具2浅裂(图1D)。花柱的柱头2裂，子房基部具有环状蜜腺(图1G)。雄蕊4枚，其中2枚具附属物。附属物上具有单细胞的非腺毛和具柄的多细胞腺毛(图1H，I)。闭锁花和开放花形成的成熟果实均为卵球形蒴果，基部被宿存的花萼所包裹，胚珠多数。在胚珠发育的早期，子房明显地分为2室，为中轴胎座类型(图2D)。随着胚珠的发育成熟，子房的隔膜消失，基部未见残留的隔膜，仅具隔膜退化留下的痕迹，形成1室，为特立中央胎座(图2E)。

3 讨论

3.1 陌上菜种苗发育与水环境的相关性

陌上菜种子脱离胎座时，其表面具有的泡状结构使其可以浮水传播。在种子萌发时，下胚轴末端产生下胚轴毛，胚根在种苗萌发初期发育迟缓。这些特点存在于典型的水生植物中，如芡实(Euryaleferox)，睡莲(Nymphaeatetragona)，莲(Nelumbonucifera)，黑藻(Hydrillaverticillata)，泽泻(Alismaplantago-aquatica)，慈姑(Sagittariasagittifolia)[27-33]。东北龙胆(Gentianamanshurica)也具这种发育方式[34-35]。刘鸣远等[36]指出东北龙胆种子需要完全浸水才能萌发。我们曾将陌上菜的种子播于水分较少的土壤中，始终未见出苗(未发表)，由此可见陌上菜种子萌发条件以及种苗的发育与水环境密切相关。

3.2 陌上菜成株形态结构对不同生境的适应

学者们[14,37]指出，典型水生植物具有发达的通气腔，机械组织不发达。这与陌上菜水生及湿生浸水部位的结构相同，而完全陆生的植株及湿生植株的气生部位(指非浸水部分)有水生植物通常具有的发达通气道和陆生植物通常具有的角质层及发达的机械组织。陆生植株根的次生生长使其具有较强的输导和支持作用，进而适应陆地生活。

同一植株上同时形成开放花和闭锁花可以保证植物的成功繁殖[38-46]。显然，陌上菜形成的闭锁花保证了水生植株的正常结实，开放式花则使得这一物种有机会异花传粉受精，从而增加基因交流以提高变异比率及生存能力。

3.3 陌上菜胎座的分类价值

早期研究指出，母草科植物的胎座为中轴胎座[47-53]。而本研究显示陌上菜为特立中央胎座，中轴胎座仅见于幼嫩的子房(图2D)。石竹类植物的特立中央胎座皆是次生获得的[54]，陌上菜胎座的发育过程与石竹类植物非常相似。广义玄参科植物通常为中轴胎座，但存在一些变异类型，如地黄属(Rehmannia)的胎座特点是子房下部2室，上部1室；水茫草属(Limosella)中轴胎座的子房在基部2室，上部的隔障消失[47,55-58]。母草科其他物种是否为中轴胎座需要进一步研究，它不仅有助于了解胎座在科内的变化，并可用以探讨这一科与广义玄参科其他类群的关系。