胀果甘草解剖结构对盐胁迫的响应及其适应研究

王跃,徐影,陆嘉惠,2*

(1 石河子大学生命科学学院/新疆植物药资源利用教育部重点实验室/绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室,新疆 石河子 832003;2 石河子大学甘草研究所,新疆 石河子 832003)

胀果甘草是甘草属耐盐性最强的药用甘草,为《中国药典》收载的药用甘草基原植物之一[1],主要分布于中国新疆塔里木盆地和东疆吐哈盆地的盐碱荒漠草甸。胀果甘草不仅耐盐碱,还能改良土壤结构,提高土壤肥力[2],在水土保持、抑制荒漠化、盐渍化等方面有着重要的生态意义[3]。因此,胀果甘草既是新疆重要的野生药用植物资源,也是弃耕盐碱地土壤改良的优选资源植物。

土壤盐渍化是影响植物生长发育的逆境之一,不同植物在盐逆境下的外部形态、内部解剖结构的响应差异体现了耐盐性的差异。耐盐性强的植物根、茎、叶的解剖结构往往表现出对盐生环境的适应特征[4]。如:根外皮层发达,内皮层加厚并栓质化加强[5-6],皮层、髓及维管组织发达,导管密度显著提高[7-9];叶片肉质化[10-11],栅栏组织层数增加[12]。根次生结构的提前发育也是对盐胁迫可能的适应性响应[12]。这些响应和结构特征有助于提高植物的水分储存、运输和光合能力,缓解盐害,维持植物的生长发育和生理机能。胀果甘草茎的薄壁细胞具粘液、单宁类物质和草酸钙结晶,具有耐盐植物的结构特点[13-14]。但在盐胁迫环境下,其根、茎、叶解剖结构的响应和适应特征还未见报道,对其耐盐机制的揭示还缺乏解剖结构的依据;另外,植物不同发育阶段的结构变化和适应策略并不相同[15-16]。盐胁迫对胀果甘草根、茎初生结构和次生结构发育影响的差异,尤其是盐胁迫对药材“甘草”的收获部位根的初生和次生发育过程的影响,目前还未见相关报道。

本研究通过胀果甘草不同发育阶段根、茎、叶的解剖结构对盐胁迫响应的差异比较,探讨不同发育阶段的结构适应性,揭示胀果甘草适应盐胁迫的解剖结构基础,为耐盐机制研究和盐碱弃耕地人工种植甘草,提高甘草药材的产量和品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

胀果甘草种子采集于新疆巴楚野生居群,采集后于4 ℃保存。

1.2 幼苗培养

种子经过85%的浓H2SO4处理30 min后,用0.1%HgCl2消毒10 min,光照培箱中萌发和培养3周后,加入含不同浓度NaCl的Hogland营养液处理30 d,盐处理浓度为0、100、200、300 mmol·L-1[1],每处理设4组重复,每3 d更换一次营养液。

1.3 取样和制片

取样:胁迫结束,每处理随机选5株植株,保证每处理的植株取样位置一致,双面刀片切取5 mm的段,FAA固定。幼根为距离根尖3 cm,老根为距离胚轴下2～3 cm处;幼茎为茎上部第2节,老茎为基部子叶节向上第2、3节;新叶为茎上部自顶端第2或3片叶;老叶为茎基部自子叶节向上第3或4片真叶。

制片:材料经过酒精脱水,透明剂透明、石蜡浸蜡包埋后,莱卡切片机切片10～13 μm厚度,番红、固绿双重染色法染色后,树胶封片。

1.4 显微观察与测量

光学显微镜(OLYMPUS,BX51,Japan)下观察、测量、记录、照相,每个测量指标均为10个视野,取平均值。测量指标包括:幼根直径,周皮、皮层、维管柱宽度,老根周皮厚度,韧皮部、木质部宽度,导管密度;茎直径,皮层和髓厚度,木质部、韧皮部宽度,韧皮纤维面积;叶片厚度,栅栏组织和海绵组织厚度、中脉维管束面积。

1.5 数据分析

测量数据采用SPSS 17.0统计分析软件进行one-way方差分析(P＜0.05),Duncan法进行多重比较检验,Origin Pro 8.0作图。

2 结果

2.1 幼根、老根解剖结构对盐胁迫的响应

结果表明,胀果甘草幼根由表皮、皮层、维管柱组成(图2A);老根由周皮、次生韧皮部、次生木质部组成(图2D)。幼根和老根在0～200 mmol·L-1盐浓度范围内,直径无显著差异,只在300 mmol·L-1时,直径显著下降(图1A),说明300 mmol·L-1的NaCl抑制了胀果甘草根的生长。在0～200 mmol·L-1盐浓度范围内(图1B),幼根维管柱/根值显著下降,但皮层/根的值显著增大,盐胁迫促进了幼根皮层细胞的发育。盐胁迫下,老根周皮显著增厚(图1D,图2E),但木质部和韧皮部比例无显著变化(图1C),木质部导管数目减少,维管柱的薄壁细胞增多(图2E,图2F),盐胁迫促进了胀果甘草老根周皮和薄壁细胞的发育。

图1 胀果甘草幼根和老根解剖结构对盐胁迫的响应(±S,n=10)

图2 不同盐浓度胁迫下胀果甘草幼根(A、B、C)和老根(D、E、F)的解剖结构

2.2 幼茎、老茎解剖结构对盐胁迫的响应

幼茎、老茎解剖结构对盐胁迫的响应见图3、图4。

随盐浓度上升,幼茎中除髓占茎的比例显著下降外(图3E),幼茎直径显著增大,皮层/茎和木质部/茎的值升高(图3A,图3B,图3C),但盐处理没有影响幼茎细胞的形态(图4B,图4C)。老茎在0～200 mmol·L-1盐浓度范围内,皮层、木质部、韧皮部和髓比例均上升(图3B,图3C,图3D,图3E)。300 mmol·L-1盐处理使老茎木质部和韧皮部比例降低(图3C,图3D),维管组织减少,周皮形成(图3F)。

图3 胀果甘草幼茎和老茎解剖结构对盐胁迫的响应(S,n=10)

图4 盐胁迫下胀果甘草幼茎(A、B、C)和老茎(D、E、F)的解剖结构

2.3 叶片解剖结构对盐胁迫的响应

与对照相比,无论是新叶还是老叶,盐处理均使叶片厚度加厚(图5A),栅栏组织与海绵组织比例上升(图5B)。

另外,盐处理显著增加了新叶维管束面积,但对老叶影响不大或高盐度下下降(图5C)。不同盐处理的新叶栅栏组织细胞形态无显著变化,均由排列整齐的长柱状细胞组成(图6A,图6B,图6C);但老叶栅栏组织细胞出现溢缩现象,薄壁细胞数目显著增多(图6E,图6F)。

图5 胀果甘草新叶和老叶解剖结构对NaCl胁迫的响应(±S,n=10)

图6 盐胁迫下胀果甘草幼叶(A、B、C)和老叶(D、E、F)的解剖结构

3 讨论

3.1 不同发育阶段胀果甘草根的盐适应特征

植物根系中,幼根和老根具有不同功能,幼根是植物从土壤中吸收水和无机盐,并横向运输至根中央维管柱的器官,在盐胁迫下,其结构的变化决定了根系对水的吸收和有害盐离子阻隔效应。而老根具有支持作用,能将水、无机盐储存在根部或纵向运输至地上部分,其结构变化决定了根系对水分的利用和运输效率。

本研究中,盐胁迫使胀果甘草幼根皮层比例显著上升,维管柱比例下降。幼根发达的皮层是盐生植物对盐环境的重要适应特征[8,15]。根皮层的作用是横向运输及储存水、盐离子,加厚的皮层不仅延长了水和盐离子的横向运输至中柱的路径,提高对盐离子过滤和阻隔效率,也使皮层具有更多的储水细胞,稀释截留在细胞内的盐离子,避免盐害。

盐胁迫促进了胀果甘草老根周皮和薄壁细胞的发育。发达加厚的周皮是植物抵抗逆境的重要特征[6]。高盐度的土壤会导致土壤水势降低,当外界土壤水势低于根细胞水势时,会导致根细胞液外渗,根脱水死亡。含有疏水性脂质的周皮木栓层细胞由于不透水,能有效防止细胞液的外渗,维持地下根系在低水势环境下的正常生长。胀果甘草老根周皮的加厚,是对盐环境的适应性响应,有助于维持根细胞的水分平衡,这与盐渍、干旱环境中生长的一些植物相似[11,16]。另外,发达的薄壁细胞,也被认为是植物在盐胁迫下对离子区域化的适应特征[17-18]。有研究[9,19]表明,胀果甘草能将盐离子积累在根部,减少向地上茎、叶的运输;根在细胞内积累了大量盐离子的情况下,维持细胞正常渗透势,避免盐害、提高根细胞的耐盐性是关键。盐处理的胀果甘草老根维管柱中的薄壁细胞比例显著增多,对提高细胞储水、稀释盐分有重要作用。

3.2 胀果甘草茎解剖结构对盐胁迫的适应

盐胁迫使胀果甘草幼茎、老茎的皮层、木质部比例均提高。茎皮层薄壁细胞具有储存营养物质和水的作用。皮层细胞比例提高,增加了细胞储水空间,可提高细胞含水量[6,16];木质部是植物纵向运输水分的复合组织,其比例上升大大提高了水分运输效率[11,20]。因此,胀果甘草在盐胁迫下以上结构的变化可显著提高植株茎的储水、水分运输的能力,保证在生理性干旱缺水时植株的正常生长发育。另外,盐胁迫使老茎周皮比对照(CK)提前发育,茎周皮外层主要为不透水不透气的木栓质组成,周皮可减少茎表面水分的的散失,具有保水作用,是对盐胁迫的适应。

3.3 不同发育阶段胀果甘草叶片的盐适应特征

有研究[21-22]认为,发达而致密的叶肉栅栏组织,可提高CO2传导率,从而提高叶片的光合效率;本研究发现,与对照相比,盐处理的老叶、新叶的栅栏组织均显著增厚,但老叶较新叶的值小。说明胀果甘草可以通过调节叶片的叶肉细胞发育,增加叶肉中的栅栏组织比例,来提高或缓解由于盐胁迫而导致的光合抑制作用,但显然,新叶的这种调节作用更显著。叶片主脉维管束越发达,其水分的输导效率越高[6];盐胁迫使新叶主脉厚度和维管束面积均增加,水分运输效率提高,这与木本苜蓿[11]、莲子草[23]等研究结果相似。从提高叶片光合效率和水分的运输能力方面分析,胀果新叶发达的栅栏组织和中脉维管束特征,是盐环境下采取的耗水型策略。

相比新叶,老叶尽管叶脉也增厚,但是中脉维管束面积变化不显著或高盐胁迫下显著下降,其变化与一些旱生植物、盐生植物的适应性相似[6,22]。另外,老叶薄壁细胞体积增大和液泡化有利于提高细胞的贮水能力,是保水性策略。有研究[24-25]认为,细胞由于离子的积累往往产生高度发达的液泡,胀果甘草在盐胁迫下,老叶往往比幼叶积聚更多的Na+[19],液泡化的薄壁细胞能稀释细胞中的盐离子,避免细胞产生盐害。不同发育阶段胀果甘草叶片的盐适应结构的差异与其细胞含盐量有关。

本研究结果显示,(1) 盐胁迫下,胀果甘草幼嫩器官解剖结构的适应性主要以增强光合、物质运输,加强根对盐离子截留为主:新叶栅栏组织增厚,幼茎木质部比例显著上升,能提高叶片光合效率、增强上部茎的水分运输能力;幼根皮层细胞层数增多,有助于提高根皮层对盐离子的过滤和区隔化效率。(2)盐胁迫下,胀果甘草成熟器官解剖结构的适应性主要以保水和稀盐为主:老叶薄壁细胞、老茎髓细胞体积增大并液泡化,能有效稀释盐离子;同时,盐胁迫促进老茎和老根的周皮发育,前者有助于减少茎表面的水分散失,后者有助于维持根系在低水势环境的正常生长。