不同生态环境下野生大豆根解剖结构演化研究

高 伟，陆静梅*，段 肖，吴东梅，李 岩，刘丹丹

(1.东北师范大学 生命科学学院，吉林 长春 130024； 2.内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

不同生态环境下野生大豆根解剖结构演化研究

高 伟1，陆静梅1*，段 肖2，吴东梅1，李 岩1，刘丹丹1

(1.东北师范大学 生命科学学院，吉林 长春 130024； 2.内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

以不同生态环境下的野生大豆，即：野生大豆2013-001-01(盐生环境)和野生大豆2013-001-02(中生环境)为试材，基于结构植物学角度，应用石蜡切片和光学显微技术对供试的野生大豆根解剖结构进行比较研究，旨在为我国大豆属植物颉颃盐逆境研究提供解剖学依据。结果表明：2013-001-02根的维管柱为五原型，2013-001-01根的维管柱已经演化为四原型，相对于2013-001-02，2013-001-01根的皮层较完整，韧皮纤维发达且形成“韧皮屏障”，次生木质部导管数量较多且存在侵填体，导管的傍管薄壁细胞较大且数量较多，射线径向长度相对较短。研究证明：野生大豆2013-001-01植物的根已经演化出颉颃盐逆境解剖结构。

野生大豆； 根； 维管柱； 韧皮屏障； 颉颃盐逆境

我国盐渍化土地总面积约为3.60×107hm2，耕地盐渍化面积约为9.209×106hm2[1]，土地盐渍化严重制约着我国农业生产。随着科技水平的不断发展，越来越多的科技工作者投身于改良盐渍化土地、培育颉颃盐逆境作物等课题。我国作为大豆[Glycinemax(L.) Merrill.]的原产地，有着丰富的种质资源，但土地盐渍化问题严重制约着我国大豆产业的发展。Abel 等[2]研究指出，盐胁迫环境直接影响着大豆种子萌发，降低种子活力、萌发率，延长萌发时间，且随盐胁迫浓度增加,抑制作用增强。大豆种子萌发阶段，盐胁迫将抑制其胚根及侧根生长，且其抑制作用随胁迫程度加剧而增强[3]。根系活力[4]、植株高度、叶面积也随着盐胁迫浓度的升高而呈降低或减小趋势。盐胁迫环境下，大豆产量降低，结荚数和百粒质量下降尤其明显[5]。此外，盐胁迫也影响大豆籽粒的品质[6]。寻找具有颉颃盐逆境等可遗传特性的大豆种质资源，已成为目前大豆育种的首要问题。野生大豆具有极其丰富的优良种质资源，庄炳昌[7]指出：部分野生大豆种质资源具有高蛋白、高结荚数、耐盐性强、抗病虫害等优良遗传特性。由于大豆属内染色体数相同(2n=40)，属内杂交均可育，不存在种间隔离等特点，因此可以利用野生大豆培育优质、丰产、抗逆的栽培大豆新品种，且目前已取得了一些优良成果[8-9]。科技工作者多从分子生物学[10-14]和生理生化[15-17]等角度对大豆属植物的抗逆性及良种选育等工作进行研究，但对其在解剖结构方面的研究相对较少。植物解剖结构具有稳定、保守的特性[18],以结构植物学手段研究大豆属植物演化等问题是非常科学且必要的。鉴于此，利用石蜡切片技术，通过比较不同生态环境下野生大豆植物根的解剖结构差异，寻找不同生态环境下野生大豆根的演化规律，旨在为我国大豆属植物颉颃盐逆境研究提供一定的解剖学依据，为我国大豆属植物良种选育工作提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

野生大豆2013-001-01(GlycinesojaSeib.et Zucc.)选自吉林省通榆县(44.82°N，123.08°E)，其生长环境为盐渍环境；野生大豆2013-001-02 (GlycinesojaSeib.et Zucc.)选自吉林省辉南县(42.68°N，126.03°E)，其生长环境为中生环境，由吉林省农业科学院提供。取材为第5片复叶展开时期根的成熟区。

1.2 方法

将供试材料放入FAA(甲醛∶冰乙酸∶50%乙醇=1∶1∶18 )中固定48 h→乙醇逐级脱水→二甲苯逐级透明→浸蜡→包埋→切片→展片→二甲苯逐级脱蜡→番红-亮绿复染法染色→中性树胶封片(石蜡切片厚度为10 μm)[19]。在Nikon Eclipse 80i显微镜下观察，并在选取合适的视野后进行显微拍摄。

1.3 数据处理

采用Nis-Elements D 2.20、sp2(Build 243)图像分析软件测量各解剖结构特征数据，各试验结果为5次重复试验平均值。

2 结果与分析

由表1可见，2013-001-01根的平均直径为1 326.94 μm；皮层保留较完整,平均厚度为236.56 μm，外皮层平均厚度为7.80 μm，由单层细胞构成，且外切向壁栓质化明显，皮层薄壁细胞较大，多呈椭圆形，排列较整齐；根据木质部脊数可明显看出，其根为四原型维管柱，维管形成层呈波浪形(图1A、2A)；次生韧皮部完全取代初生韧皮部，韧皮纤维发达，纤维细胞平均直径为7.94 μm，分布集中排列紧密，韧皮纤维形成“韧皮屏障”(图3A)；次生木质部导管平均直径为46.10 μm，存在管孔链和少量管孔团，导管傍管薄壁细胞数量较多，且存在侵填体；次生木质部与次生韧皮部之间的形成层较为明显；射线由3列细胞组成，呈喇叭丝状从原生木质部(木质部脊)出发直达皮层，射线细胞平均长度为15.42 μm，多呈椭圆形或长方形(图2A)。

表1 不同生态环境野生大豆植物根的解剖结构特征参数 μm

A.野生大豆2013-001-01； B.野生大豆2013-001-02,下同图1 不同生态环境下野生大豆根的解剖结构(示：栓质化外皮层、皮层薄壁细胞和维管柱，×4)

图2 不同生态环境下野生大豆根的解剖结构(示：维管柱、韧皮部、导管、侵填体，×10)

图3 不同生态环境下野生大豆根的解剖结构(示：韧皮纤维、维管形成层，×40)

2013-001-02根的平均直径为1 078.68 μm；皮层平均厚度为231.32 μm，由单层细胞构成的栓质化外皮层平均厚度为6.60 μm，皮层薄壁细胞形状不规则，排列松散；根据木质部脊数可明显看出，其根为五原型维管柱，维管形成层呈波浪形(图1B、2B)；次生韧皮部完全取代初生韧皮部，韧皮纤维不发达，纤维细胞平均直径为7.75 μm，分布散乱(图3B)。次生木质部导管平均直径为43.74μm，存在管孔链，导管傍管薄壁细胞数目较少。射线由4列细胞组成，呈喇叭丝形状从原生木质部出发直达皮层，射线细胞平均长度为16.55 μm，多呈椭圆形或长方形(图2B)。

3 结论与讨论

栓质化的外皮层是抵御逆境的第一道防线，本试验结果显示，无论是从皮层的完整性、厚度、外皮层的栓质化程度，还是皮层薄壁细胞的整齐程度，都体现出了通榆(盐生环境)生长的野生大豆2013-001-01抗逆能力优于辉南(中生环境)生长的野生大豆2013-001-02。在2013-001-01根的次生解剖结构中，有明显区别于2013-001-02的韧皮纤维，形成了“韧皮屏障”，极大地增强了根抗曲挠的能力，同时有效地阻碍了质外体向细胞内的渗透。当根系受到胁迫刺激时，发达的韧皮部中的筛管分子会迅速形成胼胝质封闭筛孔，阻止盐分向维管柱内扩散，阻挡盐胁迫对根维管柱的侵害[20],从而达到颉颃盐逆境的效果，研究认为这是一种组织层次的聚盐抗逆方式。盐生环境下的野生大豆根由五原型维管柱演化为四原型维管柱，削弱了根的轴向输导能力，降低了根中导管与盐分的接触面积，减弱了盐胁迫环境对植物的伤害，试验结果支持了Niu等[21]的研究。盐生环境下的野生大豆根次生木质部导管和傍管薄壁细胞数量较多，增强了根的输导能力，其导管中存在侵填体，可以理解为植物适应胁迫环境发生的进化。不同生态环境下生长的野生大豆，其根的结构中射线形态存在差异，表现为盐生环境下的野生大豆射线细胞较中生环境的圆润，增大了单个细胞横向运输的容量，射线整体长度较短，缩短了根横向运输的距离，从而增强了根的径向输导能力。试验证明：野生大豆2013-001-01的根演化出了颉颃盐逆境解剖结构，将更加适应盐胁迫环境。种植如2013-001-01耐盐型野生大豆将更加有利于充分利用土地资源、改良盐渍土地。此外，可以利用耐盐型野生大豆种质资源培育具有颉颃盐逆境特性的栽培大豆，这将极大地推动我国大豆产业的蓬勃发展。

[1] 杨劲松.中国盐渍土研究的发展历程与展望[J].土壤学报,2008,45(5):837-845.

[2] Abel G H,MacKenzie A J.Salt tolerance of soybean varieties(GlycinemaxL.Merrill) during germination and la-ter growth[J].Crop Science,1964,4(2):157-161.

[3] 邵桂花,万超文,李舒凡.大豆萌发期耐盐生理初步研究[J].作物杂志,1994(6):25-27.

[4] 刘玉杰,王宝增.不同品种大豆耐盐性的比较研究[J].安徽农业科学,2007,35(15):4462-4464.

[5] 邵桂花,常汝镇,陈一舞.大豆耐盐性研究进展[J].大豆科学,1993,12(3):244-248.

[6] 万超文,邵桂花,陈一舞,等.盐胁迫下大豆耐盐性与籽粒化学品质的关系[J].中国油料作物学报,2002,24(2):67-72.

[7] 庄炳昌.中国野生大豆研究二十年[J].吉林农业科学,1999(5):3-10.

[8] 马晓萍,杨光宇,杨振宇,等.野生大豆在大豆育种中的应用[J].作物研究,2009(1):11-12.

[9] 王志友,王昌陵,董丽杰,等.辽宁省野生大豆种质资源及利用现状[J].杂粮作物,2008(4):241-243.

[10] Zhong M,Hu Z A,Gresshoff P M.Search for molecular markers of salt tolerance of soybean by DNA amplification fingerprinting[J].Soybean Genetics Newsletter (USA),1997,4(24):81-82.

[11] Jiang B,Nan H,Gao Y,etal.Allelic combinations of soybean maturity loci E1,E2,E3 and E4 result in diversity of maturity and adaptation to different latitudes[J].Plos One,2014,9(8):e106042.

[12] 李锦锦,王昉,张万科,等.发根农杆菌介导不同基因型大豆转化效率的筛选[J].河南农业科学,2012,41(5):37-41.

[13] 刘大伟,陈立杰,段玉玺.大豆胞囊线虫胁迫下不同抗性大豆杂交后代根系蛋白质组分析[J].华北农学报,2013,28(5):29-33.

[14] 任海红,任小俊,王英,等.外源DNA直接导入技术及在大豆育种中的应用[J].山西农业科学,2013,41(5):503-505,514.

[15] Durgaprasad K M R,Muthukumarsamy M,Panneerselvam R.Changes in protein metabolism induced by NaCl salinity in soybean seedlings[J].Indian Journal of Plant Physiology,1996,1:98-101.

[16] El-Samad H M A,Shaddad M A K.Salt tolerance of soybean cultivars[J].Biologia Plantarum,1997,39(2): 263-269.

[17] 李煜昶,岳铭秀,董景华.烯效唑对大豆的增产作用[J].天津农业科学,1998,4(2):15-17.

[18] 王勋陵.植物形态结构与环境[M].兰州:兰州大学出版社,1989.

[19] 李正理.植物制片技术[M].北京:中国科学出版社,1987.

[20] 陆时万,徐祥生,沈敏健.植物学[M].2版.北京:高等教育出版社,1991.

[21] Niu L ,Lu J,Wu D,etal.Changes in the vascular cylinder of wild soybean roots under alkaline stress[J].Journal of Integrative Agriculture,2014,13(10):2164-2169.

A Comparative Study on Anatomy Structures of the Roots of Wild Soybean under Different Ecological Environment

GAO Wei1,LU Jingmei1*,DUAN Xiao2,WU Dongmei1,LI Yan1,LIU Dandan1

(1.College of Life Sciences,Northeast Normal University,Changchun 130024,China; 2.College of Life Sciences,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

In this study,the experimentalGlycinematerials were collected from different ecological environments: the wild soybean 2013-001-01(under the saline stress environment)and the wild soybean 2013-001-02(under the suitable environment).This study used the paraffin section technology and the optical microscopy to compare their anatomical structure of the roots.The result of the experiment showed that unlike the wild soybean 2013-001-02 with vascular cylinder of pentarch,the wild soybean 2013-001-01 evolved into tetrarch of vascular cylinder from pentarch.The wild soybean 2013-001-01 had following characteristics compared with the wild soybean 2013-001-02:the cortical tissue was more complete,the developed phloem fiber become to “phloem fiber barrier”,a large number of vessels and tylosis appeared in the secondary xylem,the paratracheal parenchyma cells of vessels were bigger and more,the length of the ray was shorter.In a word,the structure of antagonism to the saline stress appeared in the wild soybean 2013-001-01.

wild soybean; root; vascular cylinder; phloem fiber barrier; antagonism to the saline stress

2015-06-07

国家自然科学基金项目(41271231)

高 伟(1989-)，男，黑龙江方正人，在读硕士研究生，研究方向：结构植物学。E-mail:biologygaowei@163.com

*通讯作者：陆静梅(1952-)，女，吉林公主岭人，教授，博士，主要从事结构植物学研究。E-mail:jingmlu@163.com

S565.1

A

1004-3268(2016)01-0046-04