李 娜 慕小倩 雷 瓊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，楊凌 712100)

紫花曼陀羅(Daturastramoniumvar.tatulaTorrey)是茄科有毒植物曼陀羅(DaturastranmoniumL.)的變種[1]，其葉、花、種子均可入藥，能祛風(fēng)濕，止咳定痛，葉和種子常作為麻醉性鎮(zhèn)咳、鎮(zhèn)痛劑[2]。該變種除了揮發(fā)油、生物堿、葉綠素、類黃酮及總酚等含量均高于原種曼陀羅外，其殺蟲活性和毒性也較大[3～4]。研究發(fā)現(xiàn)，紫花曼陀羅除了植株外觀和花色偏紫色，其對光照和溫度變化具有較強的生理代謝適應(yīng)性[5]，且我們項目組的調(diào)查發(fā)現(xiàn)該變種在我國的分布數(shù)量已遠遠多于原種曼陀羅。我們對紫花曼陀羅的初步解剖學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)其莖部皮層中分布著一層原種曼陀羅莖中并不存在的呈紫色的異細胞[6]，但關(guān)于這類紫色異細胞的形態(tài)特征以及生物學(xué)功能等均未知。為了明確該異細胞在紫花曼陀羅中的分布及其存在與紫花曼陀羅較好的適應(yīng)環(huán)境特性的相關(guān)性，本研究對紫花曼陀羅幼苗中紫色異細胞的形態(tài)分布特征及不同光照和溫度下培養(yǎng)的紫花曼陀羅幼苗莖中該細胞的形態(tài)特征進行了比較研究，旨在明確光照和溫度對紫色異細胞形態(tài)建成的影響，并為進一步探討紫花曼陀羅中紫色異細胞存在的生物學(xué)意義提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試幼苗的培養(yǎng)

供試紫花曼陀羅種子于2016年11月收集于西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)周圍農(nóng)田野生紫花曼陀羅植株。種子在10%(g/v)NaOH溶液室溫下浸泡90 min后，用鑷子剝?nèi)シN皮，再用200 mg·L-1的GA3溶液浸泡24 h，蒸餾水沖洗后置于培養(yǎng)皿中于25℃培養(yǎng)箱中催芽，待出芽率約達50%時挑選出芽長度2 cm左右的種子苗移栽至口徑10 cm的花盆(營養(yǎng)土)中，在恒溫24℃，光照3 000 lx(L∶D=12 h∶12 h)培養(yǎng)間培養(yǎng)至其長出子葉，再移至口徑15 cm花盆中(普通土)培養(yǎng)3 d后進行不同光照和不同溫度處理。

1.2 不同光照下幼苗的處理

將待處理幼苗將分批在BSG-300光照培養(yǎng)箱(其他條件設(shè)置與培養(yǎng)間相同)進行強光(30 000 lx)和弱光(0 lx)處理，不同光照強度下每天處理3 h，重復(fù)10次，時長各累計30 h。

1.3 不同溫度下幼苗的處理

處理方式及時長同1.2，處理條件：高溫(42℃)、低溫(10℃)，光照條件同培養(yǎng)間。

1.4 制片觀察與統(tǒng)計

1.4.1 紫色異細胞分布的觀察

用徒手切片方法[7]分別對培養(yǎng)間對照及所有處理組的紫花曼陀羅幼苗根、莖、葉(子葉和真葉的葉片、葉柄、葉脈)進行橫切面解剖觀察，用OLYMPUS-BX53數(shù)碼顯微鏡觀察并拍照。

1.4.2 紫色異細胞面積、長度、數(shù)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

取幼苗期紫花曼陀羅莖部顏色較深部分1～2 cm長度，徒手切片法制作其橫切切片，觀察紫色異細胞橫切特征，由于紫色異細胞在莖中僅分布在表皮下層，故采用莖局部弦切觀察該細胞縱切特征；OLYMPUS-BX53數(shù)碼顯微鏡觀察并拍照。每個處理選取5個植株，每個植株制作若干切片，從中隨機選取3個切片，每切片隨機選取10個輪廓清晰的紫色異細胞，在10倍物鏡下利用OLYMPUS cellSens Entry軟件中測量工具分別對紫色異細胞橫切面積和縱切長度進行測量。數(shù)量統(tǒng)計則是對橫切面所有紫色異細胞進行計數(shù)，每個處理下選取10個植株，每個植株統(tǒng)計10個切片。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果為平均值±標準差(mean±SE)，并用Duncan法進行差異顯著性比較(α=0.05)，Excel2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫色異細胞形態(tài)與分布特征

根部橫切面(圖1:A)中未觀察到紫色異細胞存在。

莖橫切面(圖1:B)可看到緊靠表皮的皮層組織中分布有呈半透明紫色的異細胞(圖1:B，箭頭所指)，其橫切面橢圓狀近乎連續(xù)分布，但偶爾有白色透明的皮層細胞相間分布。從含紫色異細胞的外皮層縱切面(圖1:C)中觀察到，該細胞呈長條狀，其與鄰近的皮層細胞除顏色外，其它形態(tài)相似。

葉片中紫色異細胞的分布為：在子葉和真葉葉片中分布在下表皮(圖1:D,E)；而在子葉和真葉的葉柄、葉脈中，該異細胞分布在緊靠表皮的皮層組織中(圖1:F～I)，類似莖中。

圖1 紫色異細胞的形態(tài)特征和分布特征 A.紫花曼陀羅根部橫切，示根部沒有紫色異細胞；B.紫花曼陀羅莖部橫切；C.紫花曼陀羅莖部紫色異細胞縱切；D.紫花曼陀羅子葉葉片橫切；E.紫花曼陀羅真葉葉片橫切；F.紫花曼陀羅子葉葉柄橫切；G.紫花曼陀羅真葉葉柄橫切；H.紫花曼陀羅子葉葉脈橫切；I.紫花曼陀羅真葉葉脈橫切Fig.1 Morphological characteristics and distribution characteristics of purple idioblasts A.Cross section of root, show no purple idioblast appears; B.Cross section of stem; C.Longitudinal section of purple idiolast; D.Cross section of cothledons blade; E.Cross section of true leaf blade; F.Cross section of cothledons petiole; G.Cross section of true leaf petiole; H.Cross section of cothledons cotyledon vein; I.Cross section of true leaf vein

圖2 光照對紫色異細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 A.強光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；B.對照組紫花曼陀羅莖部橫切；C.弱光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；D.強光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；E.對照組紫花曼陀羅莖部橫切；F.弱光處理下紫花曼陀羅莖部橫切；G.強光處理下紫色異細胞縱切；H.對照組紫色異細胞縱切；I.弱光處理下紫色異細胞縱切Fig.2 Effect of different light intensity on Morphological structure of purple idioblast A.Cross section of stem under high light intensity; B.Cross section of stem under control group; C.Cross section of stem under low light intensity; D.Cross section of stem under high light intensity; E.Cross section of stem under control group; F.Cross section of stem under low light intensity; G.Longitudinal section of purple idioblast under high light intensity; H.Longitudinal section of purple idioblast under control group; I.Longitudinal section of purple idioblast under low light intensity

總結(jié)以上結(jié)果可知：紫色異細胞僅在地上部分的營養(yǎng)器官中分布，且分布部位除葉中為表皮外，其他部位均分布在靠近表皮下的第一層皮層組織中。

2.2 不同光照強度對紫色異細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

不同光照強度處理下紫花曼陀羅莖部紫色異細胞解剖特征如圖2所示。從圖2紫色異細胞橫切結(jié)構(gòu)(A-F)中可以觀察到該異細胞連續(xù)或與皮層細胞相間排列在緊靠表皮下層，總體與上述莖中分布特征類似。不同光照下紫色異細胞顏色差異明顯：與對照組(圖2:B,E,H)相比，強光下紫色異細胞(圖2:A,D,G)顏色較深，細胞間隙較小，透明度減小，而弱光下(圖2:C,F,I)紫色異細胞顏色較淺，細胞間隙較大，細胞透明度增加。

2.3 不同光照強度對紫色異細胞面積、長度和數(shù)量的影響

不同光照強度對紫花曼陀羅中紫色異細胞橫切面積、縱切長度以及數(shù)量的影響如圖3所示，可見與對照組(正常條件)相比，強光和弱光對紫色異細胞橫切面積和縱切長度影響結(jié)果相反，即強光使得二者增加，弱光則使得二者減小。相比于弱光(0 lx)和對照組(3 000 lx)，強光(30 000 lx)處理下，紫色異細胞橫切面積和縱切長度均顯著增加(P<0.05)，而光照強度從0 lx增強到3 000 lx，紫色異細胞的面積和長度同樣顯著增加(P<0.05)。與對照組相比，強光和弱光下紫色異細胞數(shù)量變化趨勢相同，即二者均使得紫色異細胞數(shù)量增加。而相比于弱光和對照組，強光處理下，紫色異細胞數(shù)量顯著增加(P<0.05)，且光照強度從0 lx變?yōu)? 000 lx，紫色異細胞的數(shù)量顯著增加(P<0.05)。

2.4 不同溫度對紫色異細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

不同溫度處理下紫花曼陀羅莖部紫色異細胞解剖結(jié)構(gòu)特征如圖4所示，從圖4可看出其具體表現(xiàn)為：與對照組(圖4:B,E,H)相比，高溫下紫色異細胞(圖4:A,D,G)顏色變深，細胞間隙變小，透明度減小，而低溫下紫色異細胞(圖4:C,F,I)顏色較淺，細胞間隙較大，細胞透明度增加。

圖3 不同光照對紫色異細胞面積(A)、長度(B)以及數(shù)量(C)的影響(平均值±標準誤差) 圖中小寫字母代表不同處理間差異顯著性(P<0.05)，下向。Fig.3 Effect of different light intensity on area(A),length(B) and quantity(C) of purple idioblast(mean±SE) Different small letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level,the same as below.

圖4 不同溫度對紫色異細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 A.高溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；B.對照組紫花曼陀羅莖部橫切；C.低溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；D.高溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；E.對照組紫花曼陀羅莖部橫切；F.低溫處理下紫花曼陀羅莖部橫切；G.高溫處理下紫色異細胞縱切；H.對照組紫色異細胞縱切；I.低溫處理下紫色異細胞縱切Fig.4 Effect of different light intensity on Morphological structure of purple idioblast A.Cross section of stem under high temperature; B.Cross section of stem under control group; C.Cross section of stem under low temperature; D.Cross section of stem under high temperature; E.Cross section of stem under control group; F.Cross section of stem under low temperature; G.Longitudinal section of stem under high temperature; H.Longitudinal section of stem under control group; I.Longitudinal section of stem under low temperature

圖5 不同溫度對紫色異細胞面積(A)、長度(B)以及數(shù)量(C)的影響(平均值±標準差)Fig.5 Effect of different light intensity on area(A),length(B) and quantity(C) of purple idioblast(mean±SE)

2.5 不同溫度對紫色異細胞面積、長度和數(shù)量的影響

不同溫度對紫花曼陀羅中紫色異細胞面積、長度以及數(shù)量的影響如圖5，可見與對照組(正常條件)相比，高溫和低溫下紫色異細胞橫切面積和縱切長度變化趨勢相反，即高溫使得二者增加，低溫則使得二者減小。而相比于低溫(10℃)和對照組(24℃)，高溫(42℃)處理下，紫色異細胞面積顯著增加(P<0.05)。而溫度從10℃增至24℃，紫色異細胞的橫切面積和縱切長度雖有所增加，但二者變化差異性均不顯著(P<0.05)。而與對照組相比，高溫和低溫下紫色異細胞數(shù)量變化趨勢相同，即二者均使得紫色異細胞數(shù)量增加。而相比于低溫和對照組，高溫處理下，紫色異細胞數(shù)量顯著增加(P<0.05)，且溫度從10℃增至24℃，紫色異細胞的數(shù)量增加，該變化差異性顯著(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

3.1 紫花曼陀羅地上器官分布有紫色異細胞

本研究發(fā)現(xiàn)在有陽光照射的營養(yǎng)器官中，紫色異細胞分布部位均為靠近表皮下的皮層中(真葉和子葉的葉片除外)。祁如虎等[8]在青藏高原地區(qū)16種植物葉片表皮細胞中觀察到了異細胞，作者指出分布在表皮的異細胞可能有抵御強光輻射的作用。Esau等[9]認為異細胞可以在所有的植物組織中出現(xiàn)，但是我們并未在紫花曼陀羅根部觀察到紫色異細胞，這表明不同種類異細胞的分布位置可能因其生物學(xué)功能不同而異，紫色異細胞僅僅分布在地上器官說明其存在與光照和溫度變化有關(guān)。

Metcalfe等[10]提出異細胞可避免植物在高強度環(huán)境條件(光照和溫度)下脫水,因此紫色異細胞可能在避免強光對植物地上部分造成傷害而導(dǎo)致其失水方面具有重要作用，這可能也是該異細胞抵御強光輻射和適應(yīng)高溫環(huán)境的原理之一。毛立彥[6]研究表明紫花曼陀羅對光照利用效率高于曼陀羅，而弱光和低溫下紫花曼陀羅中紫色異細胞的增加使其更好的適應(yīng)了低強度環(huán)境條件，故推測，紫色異細胞的存在也是造成二者光照利用效率差異的主要原因之一。

3.2 紫色異細胞形態(tài)建成受光照影響

光是高等植物唯一的能量來源，植物通過改變自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的方式來適應(yīng)不同光照條件，以完成其正常養(yǎng)分代謝[11]。有文獻報道:光強越弱，油桃[12]源葉各級葉脈的篩管和伴胞的平均直徑均變小、美國黑莓植株葉片表皮細胞和葉肉細胞厚度變薄，細胞間隙增大[13]、東京野茉莉幼苗葉片柵欄組織細胞相互融合而變粗，長度縮短，細胞排列稀疏，細胞內(nèi)細胞器數(shù)量大量減少[14]；而相反地，光強越強，植物外在的形態(tài)、內(nèi)在結(jié)構(gòu)的生長指標以及生物量增加更為明顯[15]，且光資源變化對植物發(fā)育早期影響最為顯著[16]。我們的研究結(jié)果表明：與對照組相比，強光下紫色異細胞橫切面積、縱切長度、數(shù)量均顯著增加，弱光下橫切面積和縱切長度則顯著減小，這與前人[12～14]的研究結(jié)果一致，但是，弱光下紫花曼陀羅中紫色異細胞數(shù)量也顯著增加，與董如磊[14]的研究結(jié)果相反，我們推測：這可能是紫花曼陀羅自我調(diào)節(jié)的表現(xiàn)，由于弱光下紫色異細胞體積減小，數(shù)量增加可保證紫色細胞內(nèi)含物總體量保持穩(wěn)定，有利于紫花曼陀羅適應(yīng)弱光環(huán)境，但關(guān)于紫色異細胞內(nèi)含成分的分析有待進一步深入研究。

3.3 紫色異細胞的形態(tài)建成受溫度影響

仙客來(Cyclamenpersicum)耐熱性研究結(jié)果表明：高溫下法國大紅葉片表皮細胞較厚且排列緊密，并將葉片表皮厚度作為仙客來耐熱性鑒定指標之一[17]。此外，其他植物研究結(jié)果表明：在高溫條件下，耐熱品種顯微結(jié)構(gòu)顯示葉片細胞和葉肉細胞排列緊密，細胞間隙小或無，柵欄組織排列緊密[18]。本研究中，供試曼陀羅幼苗在高溫處理下，紫色異細胞的顏色變深，細胞間隙變小，細胞橫切面積、縱切長度和數(shù)量均顯著增加，與賈志國等[17～18]研究結(jié)果一致，表明：高溫對紫色異細胞體積和數(shù)量均具有促進作用，且其對紫色異細胞形態(tài)指標(體積、直徑或厚度)變化以及數(shù)量變化的影響趨勢與普通植物細胞反應(yīng)是一致的。故推測高溫不但可刺激紫色異細胞的產(chǎn)生，也促進了該異細胞的發(fā)育。

于龍鳳等[19]研究表明：低溫條件處理下，西葫蘆葉片上下表皮細胞直徑顯著減小，細胞密度顯著減小，細胞間隙變大。本研究中，低溫下紫色異細胞面積和長度有所減小，但與對照組相比變化差異性不顯著，推測低溫對該異細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)影響較小。低溫下耐寒植物虎耳草葉片海綿組織和柵欄組織的細胞體積均顯著減小，但細胞排列緊密，表明其數(shù)量增加[20]，本研究中低溫下紫色異細胞體積和數(shù)量研究結(jié)果上述相同，表明低溫刺激了紫色異細胞的產(chǎn)生，從而提高了紫花曼陀羅對寒冷環(huán)境的適應(yīng)能力。

祁如虎等[8]提出異細胞還可能具有吸收和儲存太陽輻射熱進而保暖的作用，使植物免受寒冷傷害，并間接提高植物抗寒性。我們的實驗結(jié)果表明，在低溫下紫色異細胞數(shù)量顯著增加，這表明低溫刺激了紫花曼陀羅中紫色異細胞的產(chǎn)生，從而使得該植物對寒冷環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力，這也是紫花曼陀羅對不良溫度環(huán)境的適應(yīng)能力比原種曼陀羅更強的細胞學(xué)原因之一。

3.4 紫花曼陀羅中紫色異細胞的生物學(xué)功能及存在意義

紫色異細胞的形態(tài)建成與光照和溫度相關(guān)性的實驗結(jié)果表明，在全球氣候變化的趨勢下，紫花曼陀羅中的紫色異細胞是其適應(yīng)環(huán)境變化的產(chǎn)物。我們課題組近年來對曼陀羅屬植物分布情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)大部分地區(qū)紫花曼陀羅數(shù)量已遠遠高于曼陀羅，除了代謝原因外[6]，這種異細胞的存在是紫花曼陀羅有更強的環(huán)境的適應(yīng)性的細胞學(xué)原因。

我們觀察發(fā)現(xiàn)紫花曼陀羅營養(yǎng)器官的紫色皆與紫色異細胞的存在有關(guān)，前人研究也表明曼陀羅原種與變種莖部差異僅在紫色異細胞的有和無[5]，因此，紫色異細胞存在是紫花曼陀羅“紫化”的原因，也是造成曼陀羅原種與變種之間出現(xiàn)差異的原因，故紫色異細胞可以作為紫花曼陀羅系統(tǒng)分類的解剖學(xué)輔助依據(jù)。但這種異細胞形態(tài)建成與其它環(huán)境因素的變化(如水分、重金屬脅迫等)是否有關(guān)還需進一步研究得知，特別是這種異細胞的內(nèi)含成分及發(fā)育調(diào)控分子機制有待深入研究。