李茜然 勇 璐 潘 彪 鄭欣欣 石江濤 李 婷

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037）

水青樹（Tetracentron sinense）是一種瀕危的落葉喬木，起源于白堊紀(jì)或三疊紀(jì)早期，隸屬于昆欄樹目（Trochodendrales），屬于真雙子葉植物中較早分化形成的四個(gè)支系之一。它分布于中國(guó)的陜西、甘肅、湖北、四川、貴州、云南等省及印度的北部、緬甸北部、尼泊爾和不丹。由于采伐破壞、性狀變異等［1-3］原因，水青樹數(shù)量驟減，被列為國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)瀕危野生植物［4］。從葉子和樹干的形態(tài)來(lái)看，水青樹是一種闊葉樹種，但其木質(zhì)部缺乏導(dǎo)管分子。因此，水青樹被描述為無(wú)導(dǎo)管分子的被子植物［5］。經(jīng)后續(xù)的大量研究，不同的學(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)。水青樹是否具有導(dǎo)管分子的問(wèn)題一直備受關(guān)注。一部分學(xué)者認(rèn)為水青樹是不存在導(dǎo)管的。李堅(jiān)等［6］、張萍［7］使用掃描電子顯微鏡觀察了水青樹三切面的木質(zhì)部結(jié)構(gòu)，觀察結(jié)果表明水青樹不具導(dǎo)管。Suzuki 等［8］通過(guò)解剖技術(shù)在水青樹中發(fā)現(xiàn)了特殊管胞，他認(rèn)為這些異常的細(xì)胞類似導(dǎo)管，但不屬于導(dǎo)管分子。然而，一部分學(xué)者認(rèn)為水青樹中的特殊管胞為導(dǎo)管分子。任毅［9］和李紅芳等［10］借助環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)8～10 年生水青樹的特殊管胞進(jìn)行觀察，表明特殊管胞的紋孔為梯狀，且有殘留的紋孔膜，他們將這種細(xì)胞稱為原始導(dǎo)管。陳璐［11］、Carlquist 等［12-13］從導(dǎo)管分子的定義出發(fā)，認(rèn)為水青樹存在原始狀態(tài)的導(dǎo)管分子，且穿孔板上的紋孔膜殘留屬于細(xì)胞進(jìn)化的特征。Liu 等［14］對(duì)水青樹特殊管胞的基因進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)水青樹具有導(dǎo)管分子的相關(guān)基因，但并未對(duì)特殊管胞的相關(guān)形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)描述。

前人對(duì)特殊管胞的形態(tài)特征已經(jīng)有了一定了解，也從基因水平對(duì)其進(jìn)行了探究，但依舊對(duì)水青樹木材中特殊管胞的具體形態(tài)、排列規(guī)律、細(xì)胞壁構(gòu)造特征及其生理功能等方面沒(méi)有全面的探索，研究這些有助于明確水青樹演化位置，體現(xiàn)保護(hù)水青樹的重要意義，同時(shí)對(duì)更好地理解管胞的進(jìn)化過(guò)程及探究樹木從針葉材到闊葉材的演化規(guī)律有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)樣品取自南京林業(yè)大學(xué)標(biāo)本室的34年生水青樹徑列中心條。試驗(yàn)所用的主要藥劑為：無(wú)水乙醇（分析純，南京化學(xué)試劑有限公司）、乙酸（冰醋酸，分析純，南京化學(xué)試劑有限公司）、30%過(guò)氧化氫（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、二甲苯（分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司）、番紅（臧紅T，阿拉丁試劑（上海）有限公司）、中性樹膠（顯微鏡用，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備有光學(xué)顯微鏡（Olympus BX51，日本）、體視顯微鏡（Leica S8AP0，德國(guó)）、滑走式切片機(jī)（Yamato TU-213，日本）、電子掃描顯微鏡（Phenom Scientific XL G2，中國(guó)）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制片觀察

將木塊放在60 ℃的水浴鍋中進(jìn)行水煮軟化處理，直至木塊完全沉底。采用劃走式切片機(jī)將軟化后的試樣進(jìn)行切片，取厚度為18 μm 的橫切面、徑切面、弦切面切片，經(jīng)過(guò)1%番紅水溶液染色、系列梯度（30%、50%、70%、80%、90%、100%）乙醇脫水、二甲苯∶乙醇=1∶1、二甲苯、中性樹脂膠封固，制成永久切片。將三切面的封片置于光學(xué)顯微鏡下，進(jìn)行顯微觀察。

1.2.2 管胞形態(tài)分析

木塊經(jīng)體視顯微鏡觀察確定特殊管胞所在區(qū)域與正常管胞區(qū)域，分別切割成10.0 mm×0.5 mm×0.5 mm 的火柴棍大小的木條，放入具5mL 解離液（冰醋酸∶30%過(guò)氧化氫=1∶1）的試管中浸泡，并把試管放入水浴鍋中70 ℃水浴加熱7 h，直至解離液浸泡著的木材樣品變白。然后倒掉解離液，并用蒸餾水洗凈樣品中殘留的酸液至樣品接近中性，滴10 mL 蒸餾水在試管中，然后振蕩試管直至木條都松散成纖維狀，再加入1 mL 的1%番紅水染液后搖勻。取1滴溶液滴在載玻片上，蓋上蓋玻片并將其放在光學(xué)顯微鏡下觀察。使用Motic Image Plus 2.0 軟件對(duì)選取的50 個(gè)特殊管胞（special tra?cheids，記 為ST）和50 個(gè) 正 常 管 胞（normal tra?cheids，記為NT）的長(zhǎng)度，弦向?qū)挾燃氨诤襁M(jìn)行測(cè)量。

1.2.3 掃描電鏡觀察

取未染色的解離管胞溶液，滴1 滴在載玻片上，使管胞分布均勻后將載玻片放入烘箱烘至絕干，利用導(dǎo)電膠將其移至載物臺(tái)。用切片機(jī)從軟化后的試樣上切下厚度為60 μm 的三切片，放置烘箱至絕干，后粘到載物臺(tái)上。將解離管胞和切片噴金，后在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行顯微觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016對(duì)特殊管胞和正常管胞的長(zhǎng)、寬和壁厚等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理后，求出相應(yīng)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水青樹特殊管胞的分布位置

特殊管胞在水青樹的分布如圖1 所示。橫切面上，特殊管胞緊鄰木射線呈徑向整齊排列貫穿年輪界限，多為一列，偶見(jiàn)兩列。特殊管胞呈矩形，且自早材至晚材的弦向?qū)挾茸兓淮?，徑向?qū)挾戎饾u變?。ㄈ鐖D1：a～b）。弦切面上，特殊管胞兩側(cè)緊鄰木射線或其中一側(cè)緊鄰木射線，另一側(cè)靠近軸向管胞?？v向連接有兩種排布形式：紡錘形特殊管胞單個(gè)分布；兩個(gè)或以上的特殊管胞以端接的方式上下單列或多列連接（如圖1：c）。

圖1 水青樹特殊管胞位置分布圖a～b 為橫切面；a 箭頭所指為單列特殊管胞徑向排列，且穿過(guò)年輪界限；b 箭頭所指為2 列特殊管胞徑向排列；c 為弦切面，特殊管胞緊鄰木射線分布，箭頭所指特殊管胞單獨(dú)分布或上下端接相連Fig.1 Formation position of special tracheids in Tetracentraceae sinense a-b.Transverse sections；a.The single column of special tracheids were arranged in the horizontal direction of the tree，and ran through the growth ring boundary；b.Arrow referred to the radial arrangement of two special tracheids；c.The special tracheids were adjacent to the wood ray in the tan?gential section，the special tracheids referred to by the arrow was individually distributed or with several cells terminally

水青樹特殊管胞的分布有別于正常管胞，僅一到兩列徑向分布，這可能會(huì)促進(jìn)木質(zhì)部的橫向輸導(dǎo)或?qū)δ举|(zhì)部與韌皮部的輸導(dǎo)起到連接作用，在縱向上特殊管胞既有單獨(dú)分布，也存在上下端接的情況下，這說(shuō)明特殊管胞可能存在一定的進(jìn)化方向，如多個(gè)管胞上下連通加快水分運(yùn)輸?shù)取?/p>

2.2 水青樹特殊管胞的形態(tài)特征

特殊管胞（ST）與正常管胞（NT）的相關(guān)尺寸如表1 所示。特殊管胞的平均長(zhǎng)度為286.44 μm，平均弦向?qū)挾葹?5.22 μm，平均壁厚為1.53 μm。水青樹中的特殊管胞與正常管胞相比，平均長(zhǎng)度約為正常管胞的1/9，平均寬度大15.83%。水青樹特殊管胞壁厚變化趨勢(shì)較正常管胞壁厚較小。

表1 特殊管胞和正常管胞的相關(guān)尺寸Table 1 Quantitative anatomical features related to spe‐cial tracheids and normal tracheids

水青樹特殊管胞解離后的形態(tài)如圖2 所示。根據(jù)特殊管胞在弦切面的分布，特殊管胞的形態(tài)可分為以下3 種：無(wú)端壁的紡錘形管胞（如圖2：a），有兩個(gè)傾斜端壁（如圖2：b）和只有一個(gè)傾斜端壁的細(xì)胞（如圖2：c）。特殊管胞兩端封閉且端壁面光滑無(wú)穿孔。特殊管胞側(cè)面壁紋孔豐富。其弦面壁上有大量具緣紋孔，呈梯狀、對(duì)列、互列分布（如圖2：a，c），經(jīng)掃描電子顯微鏡放大觀察紋孔內(nèi)殘留紋孔膜（如圖2：d）。特殊管胞的徑面壁上紋孔為具狹緣的單紋孔（如圖2：b）。

圖2 水青樹特殊管胞形態(tài)及紋孔特征a～c.水青樹不同形態(tài)特殊管胞（a.縱向單個(gè)排列的紡錘形特殊管胞，兩端封閉無(wú)穿孔；b.縱向上多個(gè)細(xì)胞且多列分布的特殊管胞，有兩個(gè)傾斜端壁；c.縱向上多個(gè)單列連接且位于端頭的特殊管胞，有一個(gè)傾斜端壁）；d.特殊管胞弦面壁上的具緣紋孔（箭頭所指為紋孔膜殘留）Fig.2 Microstructure of special tracheid and characteristics of pits in T.sinense a-c.Were special tracheids in different shape（sa.The spindle-shaped special tracheid arranged in a single longitudinal arrangement，closed at both ends without perforation；b.The special tracheid with multiple cells and multiple columns in longitudinal direction with two sloping end walls；c.The special tracheid was vertically connected by multiple single columns and was located at the end，with one sloping end wall）；d.The bordered pits on the wall in tangential section，and the arrow referred to the pit membrane

在形態(tài)方面，特殊管胞與正常管胞較為接近，具尖削端頭，呈紡錘狀或近紡錘狀，但長(zhǎng)寬尺寸遠(yuǎn)不同于正常管胞，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于正常管胞，寬度略大于正常管胞，特殊管胞的徑向變化趨勢(shì)較小。

2.3 水青樹特殊管胞側(cè)面壁上紋孔分布

特殊管胞弦面壁上的大量紋孔為特殊管胞間的具緣紋孔，呈對(duì)列、互列偶見(jiàn)梯狀排列（見(jiàn)圖3：a～b）。特殊管胞徑面壁上的紋孔為特殊管胞與射線細(xì)胞間的紋孔，為具狹緣的單紋孔，呈大圓形至橢圓形（見(jiàn)圖3：c）。徑面壁上的紋孔成組狀分布，每個(gè)區(qū)域多為2～10個(gè)紋孔，呈1～4排橫列（見(jiàn)圖3：a～b）。特殊管胞的傾斜端壁無(wú)紋孔（見(jiàn)圖3：b～c），這說(shuō)明上下排列的特殊管胞間并未連通。特殊管胞與正常管胞間無(wú)紋孔（見(jiàn)圖3：d）。

圖3 水青樹特殊管胞側(cè)面壁上的紋孔分布a～b.水青樹特殊管胞（a.紡錘形特殊管胞，左側(cè)箭頭所指為其徑面壁與射線細(xì)胞間的具狹緣單紋孔，右側(cè)箭頭所指為具緣紋孔，呈互列、對(duì)列；b.具一個(gè)傾斜端壁的特殊管胞，其中左側(cè)箭頭所指為正常管胞和特殊管胞的接觸面，無(wú)紋孔，右側(cè)箭頭所指為傾斜端壁，無(wú)紋孔）；c.特殊管胞與射線之間的具狹緣的單紋孔，且特殊管胞間上下連接處無(wú)紋孔；d.水青樹的弦切面（箭頭所指表示特殊管胞與正常管胞間無(wú)紋孔）Fig.3 Distribution of pits on the wall of the special tracheids in T.sinense a-b.Were special tracheids of T. sinense（a.Showed the spindle-shaped special tracheid，the left arrow was referred to the single pits with narrow edge between the radial wall and the ray cells，the right arrow was referred to the bordered pits，which were arranged in opposite and alternate.；b.Showed a special tracheid with an inclined end wall，the left arrow referred to the contact surface without pits between normal tracheids and special tracheids，the right arrow referred to the inclined end wall without pits）；c.Showed the single pits with narrow edge between a special tracheid and a ray，there were no pits at the junctions of the special tracheids；d.showed the tangential section（This were no pits indicated by the arrow between the special tracheids and the normal tracheids）

特殊管胞之間的紋孔位于弦面壁，正常管胞間的紋孔多位于徑面壁，這導(dǎo)致了兩種管胞的不同輸導(dǎo)方向，即特殊管胞主要為徑向輸導(dǎo)，特殊管胞與木射線之間也存在紋孔，說(shuō)明特殊管胞與木射線間存在一定輸導(dǎo)關(guān)系。

3 討論

3.1 管胞向?qū)Ч芊肿舆M(jìn)化的性狀表現(xiàn)

導(dǎo)管分子由管胞逐漸演化而來(lái)［15］。管胞主要起到輸導(dǎo)水分和機(jī)械支撐作用［16］。管胞呈紡錘形，無(wú)端壁，不存在穿孔，上下管胞間搭接，側(cè)壁上管胞間搭接處常具紋孔，水分和無(wú)機(jī)物均需穿過(guò)紋孔膜實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸。隨著針葉材向闊葉材的進(jìn)化，相關(guān)基因表達(dá)的性狀已經(jīng)能產(chǎn)生特定的酶等物質(zhì)，將初生壁紋孔膜等部分溶解掉，上下細(xì)胞間演化為端接，無(wú)紋孔膜阻礙，使得縱向連接的導(dǎo)管分子端壁上形成通透的穿孔，進(jìn)化為專司輸導(dǎo)功能的導(dǎo)管，這就使得水分和無(wú)機(jī)物的運(yùn)輸速度和強(qiáng)度明顯提高［17］。所以，導(dǎo)管和管胞在形態(tài)上的最大區(qū)別為：端壁有無(wú)穿孔，一般認(rèn)為穿孔與紋孔的區(qū)別主要是紋孔膜的消失與否［15］。

管胞—原始導(dǎo)管—進(jìn)化導(dǎo)管的演化過(guò)程主要有以下幾個(gè)特征：（1）細(xì)胞形態(tài)。細(xì)胞長(zhǎng)度由長(zhǎng)向短進(jìn)化，橫切面形態(tài)由四邊形向多邊形、卵圓形、圓形進(jìn)化；（2）細(xì)胞間連接處由紋孔向穿孔（梯狀穿孔-單穿孔）進(jìn)化［18］；（3）細(xì)胞端處由較長(zhǎng)（兩端尖削）向較短進(jìn)化［15］；（4）管間紋孔式。其進(jìn)化速度較穿孔板快，依次為梯狀、梯狀對(duì)列、對(duì)列、互列［19］。水青樹特殊管胞較正常管胞形態(tài)有較大差別，處于由管胞向?qū)Ч苓M(jìn)化過(guò)程中，其分布規(guī)律也明顯區(qū)別于正常管胞，這表明了特殊管胞是由管胞向?qū)Ч芊肿友莼^(guò)程中的一種中間類型細(xì)胞。

3.2 水青樹特殊管胞與一般導(dǎo)管的比較

將一般闊葉材的導(dǎo)管與筆者所觀察到的特殊管胞進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者有一定相似之處：在排列分布上，闊葉材導(dǎo)管存在徑列復(fù)管孔或徑向排列分布［20］，這與特殊管胞徑向呈串排列較類似；在紋孔分布上，徑向排列的導(dǎo)管間的弦面壁上存在大量管間紋孔，且導(dǎo)管與木纖維間幾無(wú)紋孔［16］，與射線間具較多紋孔，這與徑向排列的特殊管胞弦面壁上具大量紋孔且與射線間具較多紋孔完全一致。兩者的主要不同之處在于：導(dǎo)管分子縱向連通起到運(yùn)輸水分的作用，而特殊管胞兩端封閉無(wú)法實(shí)現(xiàn)在縱向上的水分輸導(dǎo)；從橫切面上看導(dǎo)管分子呈徑向排列、徑列復(fù)管孔、散生或成團(tuán)分布，而特殊管胞僅呈長(zhǎng)串狀徑向分布。特殊管胞的相關(guān)形態(tài)處于進(jìn)化過(guò)程中的階段，其目的可能是更好地適應(yīng)環(huán)境［21］。

近年來(lái)，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)了一些處于進(jìn)化中的導(dǎo)管分子。黃玉源等［17，22-23］先后在銀杏類植物、松柏綱、紅豆杉綱和蘇鐵類植物中發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)管，其中銀杏（Ginkgo biloba）的莖組織中具導(dǎo)管，其端壁一部分呈傾斜狀，部分呈近水平狀，其端壁的穿孔明顯可見(jiàn)且大小不一呈梯狀或網(wǎng)狀；在水杉（Metasequoia glyptostroboides）、南洋杉（Araucar?ia cunninghamii）等植物中發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)管分子，其穿孔尺寸較大且數(shù)量較多，部分存在與側(cè)壁呈水平狀態(tài)的穿孔板，屬于被子植物發(fā)達(dá)導(dǎo)管所具備的特征。李臻等［24］在木賊屬的根狀莖和氣生莖的木質(zhì)部中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管分子，次生壁加厚呈螺紋或梯狀。這可能是樹木長(zhǎng)時(shí)間處于嚴(yán)峻環(huán)境如干旱缺水、土地貧瘠等，導(dǎo)致管胞出現(xiàn)變化［25］。朱俊義［26］對(duì)花楸（Sorbus pohuashanensis）的導(dǎo)管分子觀察，重演了系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中導(dǎo)管網(wǎng)狀穿孔板演化成單穿孔板的過(guò)程。上述細(xì)胞存在較大尺寸的穿孔，且形態(tài)遠(yuǎn)不同于水青樹特殊管胞，較水青樹特殊管胞更接近傳統(tǒng)意義上的導(dǎo)管。

3.3 水青樹特殊管胞在功能方面的意義

在針葉材向闊葉材進(jìn)化過(guò)程中，特殊管胞的出現(xiàn)對(duì)提高樹木的輸導(dǎo)功能具有重要意義。作為高大闊葉喬木，水青樹為滿足自身快速生長(zhǎng)和葉片大量的水分蒸騰需求，其木質(zhì)部需要有強(qiáng)大的輸導(dǎo)系統(tǒng)。在缺乏成熟導(dǎo)管的條件下，特殊管胞的存在至關(guān)重要。雖然縱向連接的特殊管胞并未連通，但其緊鄰木射線徑向呈串連接，擴(kuò)大了木質(zhì)部的徑向輸導(dǎo)渠道，且徑向相連的特殊管胞弦面壁上存在大量具緣紋孔，拓寬了樹木徑向與軸向的運(yùn)輸路徑。同時(shí)特殊管胞在樹木的生長(zhǎng)發(fā)育中也起到一定作用。每年形成層活躍初期水青樹難以將水分從軸向管胞傳到形成層細(xì)胞［8］，但特殊管胞可保證水分在徑向上通過(guò)弦面壁上的紋孔快速流動(dòng)。正常管胞的弦面壁上紋孔較少，因而與形成層間水分傳輸受限，水分可以通過(guò)射線細(xì)胞從軸向管胞轉(zhuǎn)移到特殊管胞而后進(jìn)入形成層細(xì)胞或直接從射線細(xì)胞轉(zhuǎn)移到形成層細(xì)胞。特殊管胞與射線細(xì)胞有直接聯(lián)系這一事實(shí)可能具有一定的生理意義，它們可能有助于射線細(xì)胞中糖分的快速運(yùn)輸［8］。

4 結(jié)論

水青樹的特殊管胞分布位置和形態(tài)特征存在一定規(guī)律。在分布位置方面，水青樹特殊管胞沿徑向連續(xù)排列并貫穿年輪界限，在縱向上緊靠木射線單個(gè)排列或多個(gè)細(xì)胞1～2 列上下端接；在形態(tài)特征方面，水青樹特殊管胞接近紡錘形或有1～2個(gè)傾斜端壁，平均長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于正常管胞，平均寬度接近正常管胞；其特殊管胞兩端封閉，不存在穿孔；在紋孔的分布方面，水青樹特殊管胞弦面壁上的紋孔較為密集具紋孔膜，且分布與一般導(dǎo)管高度相似，但也不完全一致；在輸導(dǎo)功能方面，水青樹特殊管胞已經(jīng)具有與一般管胞不同的輸導(dǎo)功能。雖然水青樹的特殊管胞已經(jīng)被證實(shí)具導(dǎo)管分子相關(guān)基因，但其相關(guān)性狀并未完全表達(dá)。綜上，水青樹的特殊管胞并不是真正意義上的導(dǎo)管。水青樹正處于由針葉材向闊葉材進(jìn)化階段中的某一狀態(tài)，而其特殊管胞的分布位置及形態(tài)特征標(biāo)志著其處于管胞分子向?qū)Ч芊肿友莼囊欢A段。