汪婷 張霞 周存宇 胡雙雙 唐雨 楊朝東

摘 要： 水花生（Alternanthera philoxeroides）因其表型可塑性、高生長速率和快速無性繁殖能適應水、陸生境。該文利用光學顯微鏡和熒光顯微鏡對水、陸生境的水花生不定根、莖解剖結構、組織化學特征及質外體通透性進行了研究。結果表明：（1）水生境下，其不定根皮層中具較大裂生型通氣組織，無次生生長，內皮層具凱氏帶且栓質化，皮層和皮下層明顯木質化。（2）在陸生環(huán)境下，其不定根有次生生長，胞間具通氣組織，內皮層具凱氏帶且栓質化，皮層和皮下層略木質化;此外，不定根還具額外形成層，產生次生維管束、薄壁組織和不定芽;多年生不定根中具直接分裂的薄壁組織，周皮具凱氏帶，且栓質化和木質化。（3）水、陸生境下，其匍匐莖具髓和中空髓腔，發(fā)生次生生長，具裂-溶生型通氣組織、單層內皮層、厚角組織和木質化且栓質化的角質層，陸生匍匐莖周皮栓質化且木質化。（4）水花生質外體屏障結構組成復雜，黃連素無法穿透質外體屏障結構。水花生的上述解剖學特征，是水花生適應水、陸生境的有力證據。

關鍵詞： 水花生， 組織化學染色， 質外體屏障結構， 通透性， 額外形成層， 通氣組織

Abstract： Alligator weed （Alternanthera philoxeroides） adapts to both aquatic and terrestrial habitats due to its phenotypic plasticity， high growth rate and asexual reproduction. The anatomical structure， histochemical characteristics， and apoptotic permeability of adventitious roots and stems of A. philoxeroides growing at aquatic and terrestrial habitats were studied using light and fluorescence microscope. The results were as follows： （1） The aquatic adventitious roots had a large schizogenous aerenchyma in cortex， casparian bands， suberin lamellae and lignin on the endodermis， heavily lignified in cortex and hypodermis and without secondary growth. （2） The terrestrial adventitious roots had secondary growth， with intercellular aerenchyma in cortex， casparian bands， suberin lamellae and lignin on the endodermis， slightly lignified in cortex and hypodermis; Additionally， the terrestrial adventitious roots had supernumerary cambia which produce secondary vascular bundles， parenchyma and adventitious buds; The old perennial adventitious roots possessed dilated parenchyma， and periderm had casparian bands， suberin lamellae and lignin. （3） The stolons in both aquatic and terrestrial habitats had pith， pith cavity， endodermis， collenchyma， and secondary growth， with schizo-lysigeny aerenchyma in cortex， and cuticle with suberin lamellae and lignin. The periderm possessed suberin lamellae， and lignin in the terrestrial stolons. （4） The apoplastic barriers were found in roots and stems of A. philoxeroides， which had a complex structure， and berberine can not penetrate these apoplastic barriers. The above anatomical characteristics identify the adaptation of A. philoxeroides to both aquatic and terrestrial habitats.

Key words： Alternanthera philoxeroides， histochemical staining， apoplastic barrier， permeability， supernumerary cambia， aerenchyma

水花生（Alternanthera philoxeroides）， 莧科，蓮子草屬，原產南美洲溫帶，在亞熱帶和溫帶水生和旱生環(huán)境中均有分布。水花生因對非生物脅迫因子具表型可塑性，能快速無性繁殖入侵不同生境（婁遠來等，2004; 付文竹等，2006; Geng et al.， 2006; Pan et al.， 2006; Liu & Yu， 2009; 陳中義等，2010），在中國被視為一種入侵植物（潘曉云等，2007; 陳立立等，2008）。水花生快速生長能力和表型可塑性使得對其進行機械和生物防治變得極具挑戰(zhàn)性（Li & Ye， 2006; Geng et al.， 2007; Schooler et al.， 2007; Wilson et al.， 2007; 賈昕等，2008）。研究發(fā)現(xiàn)，水花生在低溫脅迫（許凱揚等，2006; Liu & Yu， 2009）、長期水淹下仍能快速生長（Wang et al.， 2005; 許凱揚等，2006; Liu & Yu， 2009; Yu et al.， 2010） 。

通常，水生和水陸植物具特殊解剖結構和組織化學特征，即內皮層、外皮層和周皮具凱氏帶且栓質化，保護組織免受缺氧影響和進行水溶質交換（Colmer et al.， 1998; Enstone et al.， 2003; Kotula et al.， 2009; Ranathunge et al.， 2011; Yang et al.， 2011; Zhang et al.， 2018）。水花生的成功入侵，除旺盛營養(yǎng)繁殖和快速生長速度外，表型可塑性可能起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)不同生境下水花生解剖結構不同（婁遠來等，2004; 付文竹等，2006; Geng et al.， 2006; Pan et al.， 2006; 陳中義等，2010）。婁遠來等（2004）對水花生的根、莖、葉營養(yǎng)器官的研究結果表明，水花生在旱生條件下會有發(fā)達的機械組織和疏導組織，而在水生條件下有發(fā)達的通氣組織和不發(fā)達的機械組織;在陸生生境中，水花生額外形成層產生于次生韌皮部最外層細胞，且產生不定芽（婁遠來等，2004; Tao et al.， 2009）。

植物不定根的通氣組織和屏障結構易受氧氣、水分等生長環(huán)境因素影響，已有研究證明，水花生地上部分能快速地改變自身解剖結構以適應從水生到濕生再到旱生環(huán)境（Tao et al.， 2009）;在溶液靜止培養(yǎng)條件下，水稻（Oryza sativa）根質外體屏障結構發(fā)育會提早，并且含量高，從而降低根部泌氧速率，保護根部泌氧（Colmer et al.， 1998; Kotula et al.， 2009; Ranathunge et al.， 2011）;玉米（Zea mays）和小麥（Triticum aestivum）等植物也有相關報道（ Enstone & Peterson， 2005; Abiko et al.， 2012; Li et al.， 2019）。此外，龍膽（Gentiana scabra）、青蒿屬（Artemisia）和椴樹（Tilia tuan）等植物根的皮層（包括內皮層和外皮層）和次生韌皮部中細胞也會發(fā)生擴張和細胞分裂（ottniková & Lux， 2003; Evert， 2006; Zhang et al.， 2018）。

前人對水花生解剖結構及生態(tài)適應性研究有限，本研究旨在證實前人研究的基礎上，對水、陸生境中的水花生進行了解剖和組織化學染色分析，探討水花生不同生境下的營養(yǎng)器官質外體屏障結構與其生境的聯(lián)系。期望解答以下問題：（1）水花生不定根和莖在水、陸生境中是否具有不同的解剖結構和組織化學特征;（2）水生環(huán)境中的水花生是否如其他植物一樣，具有通氣組織，能為被水淹沒的器官提供氧氣（Justin & Armstrong， 1987; Colmer et al.， 1998; Seago et al.， 2005; Armstrong et al.， 2006）。本研究結果有望解釋水花生對多種生境的適應性。

1 材料與方法

1.1 植物材料的收集與處理

在湖北省江漢洪泛平原濕地（111°45′—114°16′ E、29°26′—31°10′ N ）的五條運河（水花生全年漂浮其上）和干旱堤壩上（從未被水淹過）帶土采集水花生整棵。每個地點至少選擇5株，清除土壤后，切片之前將其浸入去離子水中 （圖版I）。

不定根樣品固定于FAA中（Jensen， 1962），過夜，用雙面刀片在距不定根根尖10、30、50、70、90 mm或距根尖290 mm成熟部位切片。采集長達1.5 m新鮮根狀莖和匍匐莖樣本，在明顯伸長節(jié)間（距莖尖20 mm以內）切片;采集多年生根狀莖和匍匐莖，在距莖尖120～1 000 mm內切片;采集芽頂端壞死老不定根樣品在FAA中固定（圖版I：C）。

1.2 解剖分析

所有樣品在立體解剖鏡（10X，物鏡; JNOEC JSZ6，中國）下使用雙面刀片進行徒手切片。切片用甲苯胺蘭（TBO）（Feder & OBrien， 1968）、蘇丹紅Ⅲ（SⅢ）、蘇丹紅7B（SR7B）、鹽酸-間苯三酚（Pg）、硫酸氫黃連素-苯胺蘭（BAB）等試劑染色。用蘇丹紅7B檢測栓質化細胞壁（Brundrett et al.， 1991）;用鹽酸-間苯三酚檢測木質化細胞壁（Jensen， 1962）;用硫酸氫黃連素-苯胺蘭（BAB）檢驗染切片木質化細胞壁和凱氏帶（Brundrett et al.， 1988; Seago et al.， 1999）。用濃硫酸消化法檢驗細的不定根和匍匐莖中的凱氏帶和栓質化、角質化組織（Johansen， 1940; Seago et al.， 1999; Meyer et al.， 2009; Meyer & Peterson， 2011）。為了觀察根周皮中的凱氏帶、次生維管束、頂端壞死的芽，以及匍匐莖中的內皮層和角質層組織。我們先對皮層脫落的不定根和匍匐莖的第二節(jié)間進行橫向與縱向切片。然后在室溫下將每個樣品的切片在65%硫酸中浸泡5 min，使用雙蒸水除去過量的污漬，將切片放入雙蒸水中或視情況而定。最后用數(shù)碼相機（Nikon E5400，日本）和熒光顯微鏡（10倍和20倍，物鏡，奧林巴斯IX71，日本）觀察切片，并且拍照觀察和記錄圖片（Yang et al.， 2011）。

1.3 質外體通透性實驗

采用新鮮材料，選擇皮層完整或者木栓層和皮層脫落的不定根，從根尖30 mm開始，將匍匐莖中的所有不定根切成30～40 mm長段。實驗前用紙巾吸干，然后用羊毛脂（祖輝公司，中國）密封，匍匐莖和根狀莖的兩個節(jié)及節(jié)間被切除，不密封。用硫酸氫黃連素示蹤劑檢測不定根皮層、栓質化木栓層、匍匐莖和根狀莖角質層和節(jié)的通透性，每次實驗至少用到5個根皮層樣本（重復實驗）。實驗進行了兩個對照，包括未染色的切片和僅用示蹤劑染色的切片，正如Seago et al.（1999）、Meyer et al.（2009）、Meyer & Peterson （2011）的研究。將水花生的離體不定根、匍匐莖和根狀莖用0.05%硫酸氫黃連素滴染1 h，然后用0.05 mol·L-1硫氰酸鉀（KSCN）溶液染色1 h，最后將樣品進行徒手切片，并在熒光顯微鏡G365 nm紫外光（10倍和20倍，物鏡，奧林巴斯IX71，日本）下觀察。

為了研究水花生的質外體屏障結構，使用硫酸氫黃連素-苯胺蘭對染法和硫酸消化法檢測凱氏帶，蘇丹紅7B染色切片檢測栓質化細胞壁，并且用硫酸氫黃連素溶液作為檢驗植物屏障結構通透性的示蹤物質或者離子示蹤物，甲苯胺蘭用于細胞壁的快速染色，便于清晰顯示植物解剖結構。

2 結果與分析

2.1 不同生境水花生的營養(yǎng)器官解剖結構對比研究

由表1和圖版I可知，在水生環(huán)境中，老匍匐莖產生新匍匐莖和不定根（圖版I：A）。在陸生環(huán)境中，老垂直根狀莖、匍匐莖和根產生新根狀莖、匍匐莖和不定根（圖版I：B）。在陸生環(huán)境中，老不定根在冬季芽頂端壞死，春季芽鱗痕上長出嫩芽（圖版I：C）。一般情況下，水生不定根沿軸向有較大的皮層通氣組織，不發(fā)生次生生長，而陸生根發(fā)生次生生長。水生匍匐莖的節(jié)間比陸生匍匐莖長，且具有較大的中空髓腔，次生木質部環(huán)和周皮的層數(shù)較少（約兩層或兩層以上） （表1）。

2.2 不定根的初生結構

在水、陸生境中，距根尖10 mm的不定根具二原型、三原型和四原型的維管束（圖版Ⅱ：A-D），水生根距根尖約70 mm和陸生根距根尖約50 mm處，初生木質部內有后生木質部（圖版Ⅱ：E-H）發(fā)育，其兩側為初生韌皮部。水、陸生境中的不定根的內皮層具凱氏帶（圖版Ⅱ：A，C，E，G）且栓質化（圖版Ⅱ：B，D，F(xiàn)，H）和通道細胞（圖版Ⅱ：C，E，F(xiàn)）。與具有胞間通氣組織的陸生根相比，水生根皮層具有更大的裂生型通氣組織（圖版Ⅱ）。水生根的皮層和皮下層細胞壁木質化，其熒光強度高于陸生根（圖版Ⅱ：A，C，E，G）。

2.3 不定根的次生結構

水花生陸生根的次生結構的特征是在初生木質部的脊之間形成形成層（圖版Ⅲ：A），并且皮層已脫落。周皮中具有凱氏帶，且栓質化和木質化（圖版Ⅲ：B-D）。

形成層出現(xiàn)在初生木質部的脊上（圖版Ⅲ：E），并且在脊之間的形成層具有次生木質部。初生韌皮部外的薄壁細胞脫分化為額外形成層（圖版Ⅲ：F，G），與初生木質部脊上的形成層結合，形成了一個完整的額外形成層環(huán)（圖版Ⅲ：F，G）。第一次生木質部處形成次生維管束，其中心為形成層（圖版Ⅲ：H，I），觀察到的大多數(shù)細胞為薄壁細胞。

額外形成層產生第二層次生維管束和薄壁細胞;同時，與根中擴張的薄壁細胞一同增厚（圖版Ⅲ：H）。初生維管束相互分離，形成層位于中心（圖版Ⅲ：H，I）;周皮下的薄壁細胞具有通氣組織（圖版Ⅲ：H）。次生維管束不形成心材，而是被凱氏帶圍繞著（圖版Ⅲ：H），這與許多雙子葉植物不同。根的額外形成層產生不定芽（圖版Ⅲ：B，C，I）。陸生的老根具有多層次生維管束（圖版Ⅲ：J）， 木栓形成層產生木栓細胞，形成周皮（圖版Ⅲ：J）。

陸生老根的芽在冬季頂端壞死，并且在春季長新芽的地方（圖版Ⅳ：B）形成芽鱗痕（圖版Ⅳ：A）。在根和匍匐莖的周皮上（圖版Ⅳ：C-E）觀察到芽鱗痕具凱氏帶，且栓質化和木質化。

2.4 匍匐莖結構

水花生的根狀莖和匍匐莖結構相似。在水生環(huán)境中，匍匐莖具有次生木質部環(huán)，其維管束內有中空髓腔和薄壁細胞，皮層外有裂生-溶生型通氣組織（圖版Ⅴ：A，B）。組織化學分析表明，幼嫩匍匐莖的角質層具有抗硫酸消化的能力，其外的次生木質部含有具凱氏帶的內皮層（圖版Ⅴ：C）。陸生匍匐莖的次生木質部和維管束（約2層或2層以上）比水生匍匐莖更厚，周皮和角質層木質化且栓質化（圖版Ⅴ：D-F）。匍匐莖的表皮和周皮下有厚角組織（圖版Ⅴ：B，D，E），木質化角質層發(fā)出強烈的黃色熒光（圖版Ⅴ：B），且被鹽酸-間苯三酚染成櫻桃色（圖版Ⅴ：F）。

2.5 不同生境水花生質外體屏障結構和通透性對比研究

使用質外體示蹤劑黃連素測定水花生不定根和莖的節(jié)和節(jié)間的通透性。用熒光顯微鏡G365nmUV觀察具皮層或不具皮層的未染色的根和匍匐莖的角質層。根據熒光強度確定黃連素在水花生不同組織結構的沉積和分布情況。兩種生境中的水花生具皮層、周皮的不定根，根狀莖和匍匐莖具有相似的通透性。未染色時，在根的內皮層和皮層（圖版Ⅵ：A）、根周皮（圖版Ⅵ：B）和匍匐莖角質層（圖版Ⅵ：C）的每個壁中觀察到微弱的自發(fā)棕色熒光，表明黃連素沒有粘附到這些結構上。用硫酸氫黃連素染色水花生的根部和匍匐莖后，根中管狀細胞（圖版Ⅵ：D）、周皮（圖版Ⅵ：E）和匍匐莖角質層（圖版Ⅵ：F）的細胞壁發(fā)出黃色熒光，表明黃連素粘附于這些結構上。硫氰酸黃連素晶體僅在根皮下壁外層細胞（圖版Ⅵ：G）和周皮細胞壁外層細胞（圖版Ⅵ：H）觀察到，表明黃連素粘附于根皮下層、周皮和角質層中。在匍匐莖中，角質層、次生維管束中的木質部和韌皮部僅吸收黃連素和黃色熒光（圖版Ⅵ：I）。黃色晶體在具不完整皮下層的不定根的通氣組織中形成（圖版Ⅵ：J）。

在水花生的根和匍匐莖中，黃連素主要沉積分布在根角質層、周皮、管狀細胞、皮下層和匍匐莖角質層、次生木質部、次生韌皮部和具不完整皮下層的不定根的通氣組織中。

3 討論與結論

3.1 水花生的解剖結構

水花生水生不定根初生結構為維管柱、內皮層、皮層、皮下層和表皮， 這與水芹 （Oenanthe javanica）相似，這兩種植物都有栓質化內皮層、皮下層和皮層裂生型通氣組織 （張霞等， 2016）。陸生不定根具初生和次生結構，初生結構與水生不定根相似，次生結構為初生木質部、次生木質部、維管形成層、初生韌皮部、額外形成層、次生維管束、薄壁組織和周皮。

水花生老的陸生根次生結構，其形成層有兩種類型：一種類型位于初生木質部的脊之間并產生第一層次生維管束，維管束間相互獨立，這種類型在雙子葉植物的老根中是常見的（Esau， 1965; Fahn， 1990; 陸時萬等，1991; Evert， 2006; Beck， 2010）。另一種類型，額外形成層有兩條形成層帶，一條位于初生木質部的脊上，另一條位于初生韌皮部之外，這兩條形成層帶相結合，形成了一個完整的額外形成層環(huán)，額外形成層起源于次生韌皮部最外層細胞，而以前的研究忽略了由形成層產生的第一層次生維管束（婁遠來等，2004; 婁遠來和沈晉良， 2005），額外形成層產生第二層和其他層獨立的次生維管束、薄壁細胞和芽，形成同心環(huán)，類似于甜菜（Beta vulgaris）中所記載的那樣（Esau，1965; Fahn， 1990; 陸時萬等，1991; Beck， 2010）。有研究證實水花生的額外形成層也產生了營養(yǎng)繁殖芽（婁遠來等，2004; 賈昕等，2008; Liu & Yu， 2009; 陳中義等，2010）。獨立的次生維管束周圍具凱氏帶，類似于根的初生結構。

次生維管束中心的形成層產生更多的次生木質部和韌皮部細胞，這與紅薯（Ipomoea batatas）和甜菜中報道的相似（陸時萬等，1991; Beck， 2010）。老根的周皮由木栓層形成，起源于中柱鞘細胞的第一次分裂，這在雙子葉植物中很常見（Esau， 1965; Fahn， 1990; 陸時萬等，1991; Evert， 2006; Beck， 2010）。水花生老根中直接分裂的薄壁細胞呈現(xiàn)次生生長，類似于蒿屬和龍膽的擴張皮層，以及椴樹（Tilia tuan）擴張的次生韌皮部 （ottniková & Lux， 標尺=1 cm。A. 水生環(huán)境中的老匍匐莖（黑色箭），新匍匐莖（白色箭）和新不定根（箭頭）; B. 陸生環(huán)境中的老不定根（黑色箭頭），新匍匐莖和不定根（白色箭），以及老根狀莖（白色箭頭）和匍匐莖（星號）中的垂直根狀莖; C. 陸生環(huán)境中的老不定根（黑色箭頭），頂端壞死的芽（白色箭頭）和芽鱗痕（白色箭頭）上長出的新芽（箭）。

標尺=50 μm。A. 內皮層凱氏帶（箭頭），原生木質部，裂生型通氣組織，皮層細胞壁（星號），皮下層和表皮。染色：BAB。距根尖10 mm橫切。B. 內皮層栓質化（箭頭），原生木質部，皮層，裂生型通氣組織，皮下層和表皮。染色：SR7B。距根尖10 mm橫切。C. 內皮層凱氏帶（箭頭），通道細胞，原生木質部，胞間通氣組織，皮層細胞壁（星號），皮下層和表皮。染色：BAB。距根尖10 mm橫切。D. 內皮層栓質化（箭頭），皮層，胞間通氣組織，皮下層和表皮。染色：SR7B。距根尖10 mm橫切。E. 內皮層凱氏帶（箭頭），通道細胞，原生木質部，后生木質部，裂生型通氣組織，皮層細胞壁（星號）和皮下層。染色：BAB。距根尖70 mm橫切。F. 內皮層栓質化（箭頭），通道細胞，原生木質部，后生木質部，皮層，裂生型通氣組織和皮下層。染色：SR7B。距根尖70 mm橫切。G. 內皮層凱氏帶（箭頭），原生木質部，后生木質部，胞間通氣組織，皮層細胞壁（星號）和皮下層。染色：BAB。距根尖50 mm橫切。H. 內皮層栓質化（箭頭），原生木質部，后生木質部，皮層，胞間通氣組織，皮下層和表皮。染色：SR7B。距根尖50 mm橫切。BAB. 硫酸氫黃連素-苯胺蘭; SR7B. 蘇丹紅7B。下同。co. 皮層; ep. 表皮; hy. 皮下層; ia. 胞間通氣組織; mx. 后生木質部; pc. 通道細胞; px. 原生木質部; ae. 裂生型通氣組織。

水花生水生和陸生匍匐莖都具初生結構和次生結構。初生結構為維管柱、內皮層、皮層和表皮;水生匍匐莖次生結構為中空髓腔、薄壁細胞、維管束、次生木質部、皮層、厚角細胞和角質層;陸生匍匐莖次生結構為中空髓腔、薄壁細胞、維管束、次生木質部環(huán)、皮層、厚角細胞、周皮和角質層。

3.2 水花生的質外體屏障結構和通透性

質外體屏障結構具有保護植物體的重要生理功能，它能阻礙水、離子和氧氣，抵抗病蟲害等自由進出植物體（Yang et al.， 2013）。水花生質外體屏障結構是由初生根具凱氏帶且栓質化的內皮層、木質化的皮層和皮下層、陸生根中老的多年生根、芽鱗痕和莖中具凱氏帶、栓質化且木質化的周皮，以及匍匐莖中木質化且栓質化的角質層和單層內皮層組成，是水花生適應水、陸生境的重要結構。

水花生在水、陸生境中不定根結構同其他植物類似，內皮層都具凱氏帶且栓質化（Esau， 1965; Brundrett et al.， 1988， 1991; Fahn， 1990; Enstone et al.， 2003; Evert， 2006; Beck， 2010; Kreszies et al.， 2018）。凱氏帶的形成有利于植物根的吸收作用，它能阻止水分和礦物質通過質外體途徑進入維管柱，使水及溶解于其中的物質只能通過共質體途徑進入，還能防止維管柱里的溶質倒流至皮層，減少有用溶質的喪失，栓質化細胞壁可以防止植物根內部水分過度失散和抵抗病蟲害侵襲，同時使其外方的組織營養(yǎng)斷絕而死亡（Yang et al.， 2013）。構成凱氏帶的物質主要是木質素和栓質素，木質素在植物細胞防護、分化、促進植物體水分運輸方面具有重要的作用，相對于陸生植物，水生植物具有充足的水分，但水分過多會產生不良后果，木質素能增加植物細胞壁的機械強度和防水性，這可能是水花生水生根皮層和皮下層細胞壁中木質素含量比陸生根含量高的原因之一，是水花生適應水生環(huán)境的特征表現(xiàn)，這在其他植物的組織化學實驗的黃色熒光中可以看出 （Brundrett et al.，1988），例如在水稻和尼加拉瓜大芻草（Zea nicaraguensis）停滯生長的不定根根尖附近，內皮層和外皮層具凱氏帶，并沉積栓質素和木質素 （Colmer et al.， 1998; Kotula et al.， 2009; Ranathunge et al.， 2011; Abiko et al.， 2012）;而在菰草表皮上的木質素發(fā)育較早;由于銅脅迫，在距蘿卜根非常接近根尖處誘導產生了亞木質化的頂端沉積物（Ková et al.， 2018）。

水生根的皮層具有裂生型通氣組織， 比陸生

標尺=50 μm，除非另有說明。A. 內皮層（星號），中柱鞘，形成層（箭頭），初生韌皮部和初生木質部。染色：TBO。B. 周皮凱氏帶（箭頭）和初生木質部。染色：BAB。插入圖是硫酸消化后縱向切片具凱氏帶的周皮（箭頭）。C. 周皮栓質化（箭頭）。染色：SR7B。標尺=25 μm。D. 周皮木質化（箭頭）。染色：Pg。標尺=25 μm。E. 形成層（箭頭），初生木質部，初生韌皮部，和次生木質部。染色：TBO。F. 形成層（箭），薄壁細胞脫分化形成的額外形成層（箭頭），初生韌皮部和次生木質部。染色：TBO。G. 初生木質部，次生木質部，初生韌皮部，額外形成層（箭頭），薄壁細胞和周皮。染色：BAB。左側部分的顏色為反相色。H. 額外形成層的次生木質部具導管（黑色箭），維管形成層（箭頭），額外形成層（箭），直接分裂的薄壁細胞，裂生-溶生型通氣組織，初生木質部和周皮。染色：TBO。插入圖為硫酸消化后縱切的次生維管束凱氏帶（箭頭）。標尺=200 μm。I. 從額外形成層（箭頭）和周皮中萌發(fā)的芽（星號）。未被染色。標尺=200 μm。插入圖為次生維管束、次生木質部、維管形成層（箭頭）、額外形成層（箭）。染色：TBO。J. 一層次生維管束（箭頭），薄壁細胞和周皮。染色：S Ⅲ。標尺=1 000 μm。插入圖為木栓層（箭頭）和周皮（箭）。染色：TBO。S Ⅲ. 蘇丹紅Ⅲ;TBO. 甲苯胺蘭O。下同。pa. 薄壁細胞;pe. 中柱鞘;per. 周皮;pg. 鹽酸-間苯三酚;pp. 初生韌皮部;pxy. 初生木質部;sa. 裂生-溶生型通氣組織;vb. 次生維管束; sx. 次生木質部。

標尺=100 μm，除非另有說明。A. 根具皮層、內皮層（箭頭），皮層（星號）和皮下壁（箭）淺棕色。未染色。標尺=50 μm。B. 根周皮壁淺棕色（箭頭）。未染色。C. 匍匐莖的角質層淺棕色（箭頭）。未染色。D. 根具皮層、內皮層（箭頭），皮層（星號）和皮下壁（箭）淺棕色。標尺=50 μm。E. 根周皮壁呈黃色熒光（箭頭）。F. 匍匐莖角質層呈黃色熒光（箭頭）。G. 根具皮層、內皮層（箭頭），皮層（星號），皮下壁（箭）發(fā)黃色熒光，硫氰酸黃連素晶體附著于皮下壁外層細胞（箭）。用黃連素和硫氰酸鉀染色。標尺=50 μm。H. 硫氰酸黃連素晶體附著于根周皮細胞壁外層細胞（箭頭）。用黃連素和硫氰酸鉀染色。I. 匍匐莖角質層（箭）和次生維管束（箭頭）呈黃色熒光。用黃連素和硫氰酸鉀染色。J. 具不完整皮下層的根，硫氰酸黃連素晶體進入其通氣細胞。用黃連素和硫氰酸鉀染色。標尺=50 μm。D-F：黃連素染色。

根皮層中的胞間通氣組織大，通氣組織是植物耐漬、避缺氧的特征表達，是陸生植物根系在缺氧條件下的主動適應機制，是水生植物適應水環(huán)境的基礎，水環(huán)境相對陸生環(huán)境而言，具有光照強度弱、含氧量少等特點。因此，水生植物會形成許多與水環(huán)境相適應的形態(tài)結構，如細胞間隙特別發(fā)達，具特殊的通氣組織，以提供充足的氧氣，調節(jié)浮力，而玉米和小麥的根在水培生長期間會產生通氣組織（Enstone & Peterson， 2005; Abiko et al.， 2012; Li et al.， 2019），菰草和水稻的根通氣組織會增多（Colmer et al.， 1998;Kotula et al.， 2009; Abiko et al.， 2012）。實驗證明水花生在水生環(huán)境中具有明顯木質化的皮層和皮下層以及裂生型通氣組織，這可能是水花生適應水生缺氧環(huán)境的結果，這種結構類似于其他植物，例如水稻、玉米、小麥和菰草 （Colmer et al.， 1998; Enstone & Peterson， 2005; Kotula et al.， 2009; Ranathunge et al.， 2011; Abiko et al.， 2012; Li et al.， 2019）。

陸生環(huán)境中的水花生老根和芽鱗痕中的周皮具有栓質素和木質素，還具有凱氏帶，其組織化學特征與陸生植物天竺葵（Pelargonium hortorum）、濕地植物虉草（Phalaris arundinacea）和蒿屬的莖相似 （Meyer & Peterson， 2011; Zhang et al.， 2017， 2018）。

水花生莖中周緣厚壁機械組織層的周皮栓質化和木質化，與陸生植物天竺葵，濕地植物蘇鐵（Cycas revoluta）、虉草、蒿屬和水稻相似（Watanabe et al.， 2006; Meyer & Peterson， 2011; Yang et al.， 2011，2014; Zhang et al.， 2017， 2018）。水花生的莖具有內皮層，像水生和濕地植物一樣，如香蒲（Typha orientalis）、毛茛（Ranunculus japonicus）、虉草和蒿屬（Vecchia et al.， 1999; McManus et al.， 2002; Evert， 2006; Beck， 2010; Zhang et al.， 2017， 2018）。

黃連素無法穿透這些質外體屏障結構，表明水花生中的水、氧和溶質運輸受到了限制，這類似于香蒲、鳶尾（Iris tectorum）、虉草和蒿屬 （Seago et al.， 1999;Enstone et al.， 2003; Meyer et al.， 2009; Meyer & Peterson， 2011;Zhang et al.， 2017， 2018）。在水花生的根狀莖、匍匐莖和根中觀察到氣腔，如通氣組織和中空髓腔，植物體氣腔已被證明可在缺氧條件下為植物器官提供氧氣（Justin & Armstrong， 1987; Colmer et al.，1998; Seago et al.， 2005; Armstrong et al.， 2006; Yang et al.， 2011，2014; Zhang et al.， 2017， 2018）。根據強烈的黃色熒光（Brundrett et al.， 1988）、鹽酸-間苯三酚實驗的櫻桃色（Jensen， 1962）和菰（Zizania latifolia）的脂質角質層棕色自發(fā)熒光（Yang et al.， 2014）的實驗結果顯示，水花生的匍匐莖中具有抗酸消化的木質化角質層。

植物組成和誘導的離子不能透過的質外體屏障結構、氣腔和具繁殖能力的額外形成層結構，為水花生很好地適應水生環(huán)境提供了有力的證據。未來的研究應該量化這里未研究到的其他參數(shù)，例如通透性和孔隙度，這將有助于預測水花生可能定居的水生環(huán)境范圍。我們推測這些性狀的表型可塑性促進了水花生成功入侵中國的水生和陸地環(huán)境。

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（責任編輯 周翠鳴）