文章信息
- 李爱民, 王玉荣, 吴鸿.
- Li Aimin, Wang Yurong, Wu Hong
- 马尾松主要器官树脂道的发生和发育
- Initiation and Development of Resin Ducts in Major Organs of Pinus massoniana
- 林业科学, 2008, 44(9): 36-40.
- Scientia Silvae Sinicae, 2008, 44(9): 36-40.
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文章历史
- 收稿日期:2007-09-29
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作者相关文章
2. 华南农业大学生命科学学院 广州 510642;
3. 中国林业科学研究院 北京 100091
2. College of Life Science, South China Agricultural University Guangzhou 510642;
3. Chinese Academy of Forestry Beijing 100091
马尾松(Pinus massoniana)是我国特产的乡土树种,广泛分布于秦岭、淮河以南,云贵高原以东17个省(区、市)(周政贤,2001)。由于马尾松弯曲强度、弯曲弹性模量、顺纹压力、端面硬度等4项指标都超过杉木(Cunninghamia lanceolata)、红松(Pinus koraiensis)(吴中伦,1963),因而广泛用于建筑、坑木、枕木、桥梁等用材。特别是纤维、刨花、胶合三板工业兴起和发展,马尾松材乃至枝桠材、间伐小径材已成为南方人造板工业的主要原料。马尾松木材纤维素含量较高,管胞较长,是造纸的优良原料。此外,它还是我国主要的采脂树种,南方最主要的造林树种之一(赵颖等,2007),且经济价值很高,在我国南方各省森林蓄积中占半数以上(孙静静等,2007)。
树脂道是松科植物普遍具有的一种自身保护结构,是对昆虫和病原菌防御反应的第一道防线(Berryman, 1972;Boucher et al., 2001)。树脂道分泌的树脂是萜类物质的混合物,呈透明、无色黏液状。树脂主要由松节油和松香组成(Phillips et al., 1999),经过加热蒸馏除去杂质,就可制成松香、松节油等重要工业原料。我国是世界最大的树脂生产国,也是最大的树脂出口国(宋湛谦,2002),我国有20多种松树可以采割树脂,但90%的树脂采自马尾松。有关马尾松的基础研究,特别是马尾松地理种源的遗传变异(全国马尾松种源试验协作组,1986;秦国峰等,1990;岳水林等,1994)、染色体分析(方永鑫等,1983;1990;陈天华等,1985;徐进等,1998;2001)、人工林的营养循环(马雪华,1988;项文化等,2002;莫江明等,2002)等方面已有不少报道,但对马尾松树脂道的研究则相对较少,仅对茎初生树脂道的发生和发育过程进行过研究(耿世磊等,2000;Li et al., 2004)。本文研究马尾松各器官树脂道的发生和发育,旨在弄清马尾松树脂道的结构、分布和发育途径,以便了解树脂的合成场所、转运途径和分泌方式,从而为合理采脂,提高树脂的产量和质量,进一步开发和利用树脂植物提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料华南农业大学校园内栽培的20年树龄的马尾松以及用种子萌发的马尾松幼苗。
1.2 试验方法 1.2.1 半薄切片法选取马尾松茎尖、当年生幼枝的形成层部分、针叶、马尾松幼苗的子叶、下胚轴、根,分别分割为1 mm3大小,戊二醛(4%)和锇酸(1%)双固定,酒精系列脱水,环氧丙烷过渡,Epon812包埋,奥地利Jung超薄切片机切片,切片厚1~2 μm,PAS/TBO染色(徐丽云等,1986)。Lecia DMLB显微镜观察树脂道的形态和发育并照相。
1.2.2 超薄切片法样品处理同半薄切片法。Epon812包埋后,Leica UCT超薄切片机切片,切片厚70~90 nm,醋酸铀和柠檬酸铅染色,Philip FEI-TECHNAI 12透射电镜观察并照相。
2 结果与分析通过对马尾松各器官的连续切片,发现马尾松各器官中几乎均有树脂道分布,仅子叶中未观察到树脂道。各器官中树脂道的结构基本相同,发生和发育过程也基本相同,树脂道横切面特征见表 1。
根据马尾松茎端连续横切片观察,在距生长点约200 μm处,茎内开始分化出原表皮、原形成层和基本分生组织。原形成层细胞较小,原生质较厚,染色较深,成束出现于基本分生组织中。在距生长点约340 μm处,每个原形成层束外面两侧的基本分生组织中,各出现1个由4~6个细胞组成的细胞团,排列成莲座状。细胞的大小与周围基本分生组织的大小相似,但其细胞核较大,染色较深(图版Ⅰ-1),易与周围细胞区别,此即为皮层树脂道原始细胞。在距生长点约450 μm处,位于莲座状排列的皮层树脂道原始细胞群中央的细胞壁中层开始膨胀、溶解,进而出现裂隙(图版Ⅰ-2)。同时由于原始细胞继续分裂,莲座状结构变得更明显。以后胞间隙沿细胞壁向外延伸,胞间隙扩大,形成由4~5个细胞围绕的不规则的胞间隙(图版Ⅰ-3)。围绕胞间隙的细胞以后成为上皮细胞,而在上皮细胞外的1~2层细胞发育为鞘细胞。此后,随着腔道的进一步扩大,一些相邻的上皮细胞之间的径向壁也裂开,外围的部分鞘细胞沿此处插入上皮细胞之间,从而成为上皮细胞的组成分子,增加了上皮细胞的数目。同时上皮细胞自身还通过切向延长及垂周分裂来适应腔道扩大。当树脂道成为9~10个上皮细胞围绕的腔时,树脂道横切面呈椭圆形,上皮细胞逐渐切向延长,其体积小于鞘细胞(图版Ⅰ-5)。以后随着树脂道的发育,上皮细胞的数目继续增加。当树脂道成熟时,上皮细胞的数目一般会达到10~20个,大多呈切向延长状,细胞质较淡薄,具明显的中央大液泡,细胞核较小(图版Ⅰ-4, 6),此时鞘细胞内有大量的多酚类物质积累。随着周皮的发育,皮层树脂道逐渐被挤毁。茎初生维管组织中树脂道仅分布于初生木质部,每个维管束中仅有1个树脂道分布。初生木质部树脂道起源于原形成层细胞,发育方式与皮层树脂道相同(图版Ⅰ-7, 8)。以后,当茎的心材形成时,初生木质部上皮细胞膨大产生拟侵填体,填塞腔道。
马尾松的次生树脂道可分为轴向树脂道和径向树脂道2种类型(图版Ⅰ-11),轴向树脂道分布在次生木质部中。在正生长的茎横切面上,在维管形成层的纺锤状原始细胞向内产生的细胞中,可以看到常4个成群的细胞(图版Ⅰ-9)。这些细胞体积较大,原生质较厚,细胞核明显,与周围细胞有明显的区别,这即是轴向树脂道的原始细胞。在4个细胞相邻处的中层膨胀,并溶解,出现胞间隙。随着发育的进程,胞间隙进一步扩大,围绕胞间隙的细胞成为上皮细胞。接着,上皮细胞进行平周和垂周分裂,增加上皮细胞的数目,以适应腔道扩大。在胞间隙扩大过程中,还可看到鞘细胞插入相邻的2个上皮细胞之间,从而成为上皮细胞的组成分子。当树脂道胞间隙扩大至近椭圆形时,上皮细胞周围的鞘细胞已明显分化(图版Ⅰ-10)。树脂道发育完成时,树脂道腔近圆形,上皮细胞平周延长,鞘细胞壁略增厚,有的细胞原生质消失,细胞壁内层木栓化(图版Ⅰ-10)。此时,其周围的管胞已分化完成。当次生木质部中心材形成,此部分的树脂道上皮细胞膨大,填塞树脂道腔,从而形成拟侵填体。径向树脂道分布在次生木质部和次生韧皮部的射线内,它们通过维管形成层与轴向树脂道相连(图版Ⅰ-11),使得在茎的次生木质部内形成一个树脂道的三维网状系统。
2.2 根的树脂道在紧靠根原生木质部导管处,有一团细胞排列紧密,染色较深,此即为根极树脂道原始细胞(图版Ⅰ-12)。随着发育的进行,在4个原始细胞的中间出现胞间隙。以后,胞间隙逐渐扩大,这4个原始细胞成为上皮细胞。在胞间隙扩大过程中,上皮细胞通过平周分裂可增加鞘细胞数目,通过垂周分裂和鞘细胞的侵入生长来增加上皮细胞的数目,以适应腔道的扩大。随着发育的进程,上皮细胞逐渐切向延长。当在横切面上树脂道腔近圆形时,树脂道已成熟(图版Ⅱ-1),此时上皮细胞和鞘细胞仍为薄壁细胞。
在下胚轴相邻的2个维管束之间,与束中形成层相邻的地方常见到4~6个细胞紧密排列在一起,细胞原生质较浓密,染色较深,易与周围细胞区别,此即为树脂道原始细胞(图版Ⅱ-2)。相邻的原始细胞中间出现胞间隙(图版Ⅱ-3)。在胞间隙扩大过程中,原始细胞还通过平周分裂形成鞘细胞。另外上皮细胞通过垂周分裂以及鞘细胞的侵入生长而使上皮细胞数目增加,以适应树脂道腔的扩大。树脂道成熟后,上皮细胞约为6~10个(图版Ⅱ-4)。
2.4 针叶的树脂道当叶原基在短枝顶端发生初期,未出现树脂道原始细胞。当针叶长度达2~3 mm时,在针叶的表皮下出现数个莲座状结构。这些莲座状结构一般由4~6个细胞组成,细胞小,排列紧密,细胞质浓厚,染色较深,此即为树脂道原始细胞(图版Ⅱ-5)。随着树脂道原始细胞的继续发育,在原始细胞中央的2个细胞之间,细胞壁中层溶解,形成胞间隙(图版Ⅱ-6)。以后胞间隙进一步扩大,形成由4个细胞共同包围的腔道,这4个细胞即是未来树脂道的上皮细胞,其外的1~2层细胞将发育为鞘细胞。上皮细胞通过垂周分裂增加上皮细胞数目, 并逐渐扩大树脂道腔。当针叶长度达5 cm左右时,叶肉组织内树脂道分化基本完成。上皮细胞呈切向延长,细胞壁薄,鞘细胞壁增厚(图版Ⅱ-7)。此时原形成层仍在继续分化,在初生木质部中也出现莲座状结构的细胞团,此为叶脉树脂道原始细胞。它们也通过上述方式发育成针叶初生木质部树脂道(图版Ⅱ-8)。在针叶发育后期,树脂道的上皮细胞常膨大成拟侵填体堵塞在针叶叶脉树脂道中。
2.5 茎皮层树脂道发育过程中的超微结构变化马尾松茎皮层树脂道在发育过程中,组成树脂道的细胞在形态和结构上发生一系列变化。根据细胞形态变化的特点,可将树脂道的发育过程划分为3个阶段,即树脂道原始细胞阶段、树脂道形成阶段和树脂道成熟阶段。树脂道上皮细胞的超微结构也发生一系列变化。
2.5.1 树脂道原始细胞阶段茎皮层树脂道原始细胞常4~6个排列呈莲座状。原始细胞内原生质浓厚,有较多的质体(图版Ⅱ-9),细胞核较大。细胞内具小液泡。质体椭圆形,体积较大,均匀分布在细胞质中。质体内常含1~2个淀粉粒,其内未见膜结构(图版Ⅱ-10)。有的质体附近有胞质内质网(图版Ⅱ-10)。在内质网及质膜上有少量黑色嗜锇滴(图版Ⅱ-10)。
2.5.2 树脂道形成阶段莲座状排列的原始细胞中央的细胞壁中层膨胀,然后膨胀的中层处出现胞间隙。胞间隙沿细胞壁中层向两侧扩展,从而形成由4~6个细胞围绕成的腔道。这4~6个细胞以后发育成树脂道上皮细胞。这些未来的上皮细胞内质体数目逐渐增加。当树脂道发育成6~10个上皮细胞围绕着的腔道时,上皮细胞内的线粒体、高尔基体和内质网的数量非常丰富,质体数量多,其内含有大型淀粉粒,内质网鞘发达。在质体外膜和高尔基体上存在着大的黑色嗜锇滴(图版Ⅱ-11)。
2.5.3 树脂道成熟阶段树脂道上皮细胞达到10~20个,上皮细胞外有1~2层鞘细胞。上皮细胞的细胞质较淡,常有大液泡。细胞核小,线粒体和高尔基体数量减少,但质体仍较多。多数质体中不含淀粉粒,仅个别质体具有淀粉粒,且质体外的内质网鞘特别发达(图版Ⅱ-12)。在核膜上有大的灰色嗜锇滴。嗜锇滴外被内质网包围,内质网与质体鞘相连(图版Ⅱ-12)。带有嗜锇滴的内质网常靠近质膜,并与质膜连接(图版Ⅱ-12)。质体与内质网鞘也靠近质膜。此外,质膜内外均有嗜锇滴分布,在嗜锇滴附近有多泡状结构出现,在通过嗜锇滴的质膜附近也有一些小泡。有的嗜锇滴直接被凹陷的质膜包被。
3 结论与讨论马尾松各器官中除子叶外均有树脂道分布,树脂道是由一层薄壁细胞包围着伸长的胞间道构成的,在上皮细胞外往往有鞘细胞包围。其中茎中树脂道分布于皮层、初生和次生维管系统中,根中树脂道分布于初生和次生维管系统中,针叶的树脂道分布于叶肉组织和初生维管系统中。
分泌道的形成方式一般认为有3种类型(Esau,1965;Fahn,1979),即裂生型、溶生型和裂溶生型。裂生型(P.tabulaeformis)是细胞壁中层溶解,细胞相互分开而形成的。溶生型是部分细胞解体而形成的。这两种方式都有的则为裂溶生型。Esau(1965)、Fahn(1979)等认为,松柏类植物的树脂道都是以裂生方式发生。吴鸿(1990)则报道在油松中,根、茎和各类叶性器官中,初生和次生树脂道都是以裂生方式发生的,但胚珠珠心组织中的树脂道则以溶生方式发生。Li等(2004)运用细胞化学方法证明马尾松茎皮层树脂道以裂生方式发生。根据我们的观察,马尾松根、茎、叶等器官中的树脂道均以裂生方式发生,珠心组织中的树脂道因各种原因没能对其发育过程进行观察,因而无法判断马尾松中的树脂道是否也象油松中的树脂道一样,并不是以一种方式发生。
从马尾松根、茎、叶各器官中树脂道的发育过程来看,其发育过程大体相似。根据树脂道发育过程中细胞结构的变化特点,可将树脂道的发育划分为3个阶段,即树脂道原始细胞阶段、树脂道形成阶段和树脂道成熟阶段。不同器官中树脂道的发育过程略有不同,特别是在原始细胞阶段。一般说来,根、茎、叶各器官中的初生树脂道,其原始细胞多为4~6个,均排列成莲座状,而茎次生木质部中的树脂道原始细胞常为4个,并不排列成莲座状。究其原因,是因为树脂道原始细胞的来源不同和细胞分裂方向的差异而造成的。初生树脂道来源于基本分生组织或原形成层,它们的分裂方向多样,能形成莲座状的细胞团。次生木质部中的树脂道是由维管形成层的纺锤状原始细胞弦向分裂产生的子细胞形成的,因而不能形成莲座状。
通过电镜观察树脂道发育过程中上皮细胞超微结构的变化,发现在树脂道的不同发育时期,嗜锇滴在上皮细胞中的数量和分布是有区别的。在树脂道原始细胞阶段,嗜锇滴较少,主要分布在内质网上,质膜上也有分布,但高尔基体和线粒体上则没有见到。说明嗜锇滴首先在内质网上合成。虽然合成量少,但也开始通过质膜进行分泌。随着树脂道的发育,嗜锇滴逐渐增多。在质体、线粒体和高尔基体上也出现了嗜锇滴。树脂道成熟以后,不仅质体、线粒体、内质网、高尔基体上嗜锇滴的量增加,而且细胞质和质膜两侧甚至细胞壁上都有大量嗜锇滴分布。胞质内质网多与质体、质膜相连。说明随着树脂道的发育,树脂合成能力逐渐增加。质体是主要的合成部位,内质网主要起运输作用。
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