全 文 ：第 28 卷 第 5期
2009年 10 月
电　子　显　微　学　报
Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol-28 , No.5
2009-10
文章编号:1000-6281(2009)05-0448-05
满江红叶片形态特征的环境扫描电子显微镜活体观察
周静波1 , 俞　斐2 , 沈显生3＊
(1.安徽林业职业技术学院 ,安徽 合肥 230031;2.中国科学技术大学工程与材料实验中心 ,
安徽 合肥 230026;3.中国科学技术大学生命科学学院 ,安徽 合肥 230026)
摘　要:为了克服水生植物含水量高 , 形貌容易变化的问题 , 本文利用环境扫描电子显微镜对水生蕨类植物满江
红(Azolla imbricata)的形态结构进行了活体观察。满江红枝条顶端的叶片交互式覆瓦状排列 , 叶片圆形 , 几乎无气
孔。位于茎中部和下部的叶片 , 2列互生 ,叶片对折抱茎 , 具有气孔。满江红叶片边缘具分泌细胞 ,幼叶的分泌细胞
外具许多方形的盐结晶体 ,老叶的盐结晶体则脱落。结果发现 ,满江红具有向体外泌盐的功能。
关键词:满江红;环境扫描电镜;形态特征
中图分类号:Q945;Q336　　文献标识码:A
　收稿日期:2009-06-19
　基金项目:安徽省发展改革委员会(2007)“利用水生植物治理巢湖污染及能源转化示范项目”资助.
　作者简介:周静波(1967-),女(汉族),安徽天长人 ,副教授 ,农学硕士.
＊通讯作者:沈显生(1956-),男(汉族),安徽金寨人 ,副教授 ,理学硕士.E-mail:shenxs@ustc.edu.cn.
　　水生蕨类植物满江红属(Azolla)全世界有 6个
种 ,我国天然分布只有满江红(A.imbricata)1 个
种[ 1] 。满江红属植物是常见的水生经济植物 ,是农
村家畜家禽的优良饲料 ,也是鱼类的饵料 ,并有药用
价值[ 2] 。由于在其叶片的腹裂片基部的凹槽中共生
有鱼腥藻(Anabaena),也是重要的水生固氮植物 ,可
作绿肥[ 1] 。同时 ,满江红春季绿色 ,秋后叶色变红 ,
常形成大片红色水面的景象 ,十分壮观 ,故为园林中
极佳的水生观赏植物 。自上个世纪 80年代以来 ,人
们已对满江红的物质代谢和能量代谢进行了一系列
的研究[ 3] 。近年来 ,随着水环境不断受到重金属的
污染 ,人们又研究了满江红在逆境下的生理反应[ 4] 。
在植物形态学研究方面 ,扫描电子显微镜曾发挥了
重要作用[ 5] 。在上个世纪 70年代 ,人们通过扫描电
子显微镜观察了满江红的根和叶的形态结构 ,以及
与满江红共生植物鱼腥藻的形态[ 6 , 7] 。但是 ,对于体
型较小含水率高的满江红 ,尚未见到有关环境扫描
电子显微镜观察结果的报道。为了进行活体观察满
江红的形态结构 ,以及了解其与水环境的适应性 ,本
文利用环境扫描电子显微镜对满江红进行了初步观
察 ,其结果对今后人们深入研究满江红的内部生理
代谢活动与微观结构 ,及植物资源开发等都有一定
的参考价值。
1　材料与方法
实验材料于 2008年 10 月 ,采自于合肥郊区义
城镇的池塘里 。池塘水深 1 ～ 1.5 m ,满江红布满整
个池塘水面 ,形成紫红色的覆盖物 。池塘周围开阔 ,
没有树阴遮挡 ,阳光充足 。附近为居民住房 ,生活污
水流入池塘 ,水体富营养程度较高 。
采集到的满江红植株多呈三角形 , 长 1.5 ～ 2
cm ,宽 1 ～ 1.5 cm , 根长 5 ～ 7 cm ,样品用三角烧杯采
集 ,并用池塘水养护。实验前 ,将新鲜的满江红捞出
后放入自来水中轻轻漂洗 2 次 ,以去除植物体表面
的污垢 ,其他未作任何处理。
实验于次日在中国科学技术大学工程与材料实
验中心的环境扫描电镜室进行 ,直接将满江红分枝
的一个整段取下(长 2 ～ 3 mm),分别将不同部位或
方向的新鲜枝条材料放在样品杯中 ,背裂片朝上 ,或
腹裂片向上 ,或用镊子剥开叶片的两个裂片 ,再将样
品杯放入由荷兰 产的 Olympus FEILX30型环境扫描
电镜的样品台上 ,关闭样品室后 ,稍抽真空 ,控制湿
度85%,温度5 ℃, 压强 5 hPa ,电压 15.0 kV ,在此条
件下进行观察并拍照[ 8] 。
2　结果与分析
由于满江红是浮水的蕨类植物 ,所以植物体含
水量较大 。满江红为了适应浮水生活 ,叶在茎上密
集互生 ,叶片二裂并对折 ,在根状茎上呈覆瓦状排
列 ,上裂片位于水面以上 ,下裂片沉于水中 。在环境
电子扫描显微镜下观察 ,满江红叶片的上裂片组织
显得非常饱满 ,整个叶片裂片的背面表皮的每个细
胞都呈乳头状突起 ,末端常具有小尖头。在光学显
微镜下观察满江红叶片的横切面 ,具有 4 ～ 5 层细
胞。满江红叶片的细胞排列紧密有序 ,枝顶幼叶上
几乎没有发现气孔的结构 ,在叶片基部偶见 1 个或
2个气孔 ,见图 1。这样的表面结构因细胞外凸可以
扩大表面积 ,增加光合作用面积。
在满江红枝条的顶端部分 ,生长着许多圆形或
半圆形幼叶。在枝条中上部 ,叶片发育成熟 ,变为二
裂呈“V”字形 ,一个裂片位于水面以上 ,另一个裂片
位于水下 ,成为吸收器官 。从上面看 ,各叶的裂片排
列有序 ,而在幼叶的下裂片的背面(向下面),各个细
胞的表面平滑 ,相邻细胞的交接面的细胞壁部分向
外突出 ,形成围网状 ,见图 2。这样的结构可能有利
于扩大幼叶与水的接触面积 ,增加对营养物质的吸
收。由于该区域生长速度较快 ,很少见到有硅藻附
着其上 。而在发育成熟叶片的下裂片上 ,附生有许
多硅藻。
满江红枝条顶端的幼叶 ,表皮细胞十分饱满 ,排
列紧密 ,没有任何气孔结构 。特别是叶缘结构较为
特殊 ,是一排小型的具有分泌功能的细胞。在1 600
倍下观察 ,这些分泌细胞的分泌物直接排放在细胞
表面的凹槽内 ,分泌物以许多不规则的方形结晶体
堆在细胞外 ,见图 3。从图 1中也能看出 ,只有在上
裂片的边缘才有这样的“花边”结构 。在满江红的其
他组织上均未发现有这样的结晶体存在 。以前所有
关于满江红形态的文献没有报道过类似的结构。
生活在水中的满江红 ,是通过向体外排盐的方
式来调节体内盐类代谢平衡的。在3 000倍下进行
观察 ,满江红叶片的上裂片叶缘的分泌物呈许多大
小不等的方形晶体 ,堆积在其分泌细胞的表面处 ,可
能是草酸钙结晶 ,见图 4。
当叶片发育成熟后 ,在叶缘处的分泌细胞所分
泌的结晶体全部脱落 ,叶缘变得非常光滑 ,在分泌细
胞的顶部留下环状凹槽结构 ,见图 5。满江红的每
片叶 ,只有在幼叶期叶缘细胞才具有分泌功能 ,并且
是一次性的 。成熟叶片始终未见过分泌晶体的现
象。
在成熟叶片上 ,各细胞发育分化成熟 ,出现了气
孔结构 。由于角质膜的存在 ,不能看清楚保卫细胞
的形态和数量 ,只看到狭椭圆形气孔。而表皮细胞
向外突出非常明显 ,以扩大与光的接触面积 ,见图
6。
在2 000倍下 ,对气孔进行放大 ,仍看不见气孔
下面的保卫细胞的结构 ,气孔器与叶肉细胞间的界
限是非常清楚的 ,但看不出保卫细胞间的界限 ,见图
7。
关于满江红与共生蓝藻的位置关系 ,在常规的
压片中可见链状的鱼腥藻 ,据文献描述 ,鱼腥藻生于
叶内侧基部。而在1 600倍下 ,叶片内侧基部不是光
滑的 ,也不是一个凹穴 ,而是多个凹穴 ,能够固氮的
鱼腥藻就分布在凹穴中 ,见图 8。
3　讨论与结论
满江红在我国华东和华南地区的池塘和沟渠中
是常见的漂浮植物。在盛夏高温季节和秋冬季节 ,
一些富营养化的池塘表面生长着大量紫红色的满江
红 ,常布满整个水面。而生于稻田中的满江红往往
是绿色的 ,因秧苗的遮阴作用形成的。近两年 ,本文
作者为了观察其生物学特性 ,在实验室的水箱中养
殖满江红 。观察发现 ,满江红的花青素是在阳光诱
导下形成的。然而 ,椐有关文献记载 ,满江红和蕨状
满江红(A.filiculoides)等叶片为绿色 ,秋后转为紫
红色[ 9] 。本实验观察显示 ,这仅是描述生于水稻田
里的满江红叶色变化情况 ,而生于空旷水域的满江
红在任何时候都是红色的。只有当满江红的密度过
大时 ,一部分枝叶被挤入水下或相互遮盖 ,这些见不
到阳光的部分其叶片为绿色 。在过去 ,长江流域地
区的群众常在稻田人工放养满江红 ,作为肥料或饲
料。在冬季需要保种 ,用稻草将满江红覆盖起来。
而目前因世界气候变暖 ,在长江流域地区满江红可
在野外自然越冬 ,十分安全。这为今后园林上使用
满江红植物造景提供了便利条件 。
对于满江红叶片的内部结构 、叶绿体结构和花
青素的形成过程已经有文献报道[ 10] 。满江红的表
皮无叶绿体 ,仅有花青素 ,那么 ,表皮细胞呈乳突状
延伸具有何生物学意义呢 ? 本项观察证实:满江红
生活在水面上 ,叶片薄 ,气孔小而少 ,水分代谢会比
较弱 。所以 ,满江红表皮细胞呈乳突状延伸可增加
蒸发量 ,以促进根和下裂片的吸收功能。满江红花
青素的形成是受两个因素影响 ,既强光和低温。在
炎热的夏季 ,高浓度的花青素有利于保护强光对叶
肉细胞的灼伤 ,以及防止强光对叶绿体光合作用的
抑制作用 。在寒冷的冬季 ,高浓度的花青素有利于
提高叶片的温度 ,以及防止低温对满江红的伤害。
由于具有花青素的增温作用 ,满江红在冬季的低温
下对水体的净化仍具明显的作用[ 11] 。
满江红与蓝藻的共生关系很复杂 ,除了链状的
鱼腥藻外 ,可能还有一些单细胞的共生藻类和菌类。
至于共生藻类分布于满江红的哪个部位 ,人们经过
漫长的观察才真正了解到两者的关系。结果发现 ,
449第 5 期 周静波等:满江红叶片形态特征的环境扫描电子显微镜活体观察 　　
图 1～ 图 8　满江红的环境扫描电子显微镜照片。
图 1　幼枝顶部的形态(Bar=100 μm);图 2　幼叶背面的形态(Bar=100μm);图 3　叶缘分泌结构(Bar=20 μm);
图 4　叶缘分泌的结晶体结构放大(Bar=10μm);图 5　背裂片边缘 , 示结晶体已经脱落(Bar=50μm);
图 6　气孔的结构(Bar=20μm);图 7　单个气孔放大(Bar=20μm);图 8　腹裂片基部形态 , 示共生蓝藻(Bar=50μm)。
Fig.1 ～ Fig.8　Photos of Azolla imbricata by ESEM.
Fig.1　Top of young branch and leaves by ESEM(Bar=100 μm);Fig.2　The back of young leaf by ESEM(Bar=100μm);
Fig.3　The secrete structure in the margin of leaf by ESEM(Bar=20μm);Fig.4　Enlarged crystal on secrete structure(Bar=10μm);
Fig.5　Fallen secrete structure in the margin of dorsal lobes(Bar=50μm);Fig.6　The structure of stoma(Bar=20μm);
Fig.7　Single stoma enlarged(Bar=20μm);Fig.8　The base form of rear lobes , and to show symbiotic blue green alga(Bar=50μm).
　
450　 　 电子显微学报　J.Chin.Electr.Microsc.Soc. 第 28 卷
满江红与蓝藻出现了协同进化的共生关系 ,在大孢
子里和芽原基里发现了共生的菌类和藻类[ 9] 。由于
共生关系的稳定发展 ,满江红叶片上裂片的内侧失
去了表皮细胞 ,使得共生藻菌类直接与叶肉细胞发
生作用 。通过环境扫描电子显微镜观察发现 ,满江
红上裂片的腹面 ,虽然没有表皮的结构 ,但是叶肉组
织还是比较致密的 ,表面凸凹不平 ,细胞间的初生壁
向外延伸 ,叶肉细胞上常附着共生蓝藻 。
在观察像满江红这样含水量大的水生植物新鲜
样品的技术方法上 ,曾经有人利用导电胶将新鲜满
江红粘在样品台上 ,在普通扫描电子显微镜下观察 ,
表皮细胞因失水常显得内凹 ,叶肉组织疏松[ 10] 。现
在 ,最理想的方法是利用环境扫描电子显微镜 ,不需
要对样品进行脱水和喷金等预处理过程 ,直接将新
鲜生物组织样品送入样品室进行观察 ,但因样品室
的湿度过大时 ,会影响对比度 。一般控制在 80%～
85%是比较理想的 ,如果湿度过低 ,样品在观察过程
中极容易发生缩水而变形;如果湿度过高时 ,样品表
面布满水珠 ,直接影响观察效果。笔者曾尝试用液
氮预处理水生植物样品 , 但时间不易过长 ,一般在
10s左右 ,否则导致样品细胞破裂 。
通过环境扫描电子显微镜对满江红新鲜样品的
观察 ,得出以下结论:
(1)满江红叶片具有异形叶性 ,背裂片表皮细胞
整体向外形成乳突 ,甚至有些细胞形成柱状 ,大大增
加了受光面积和蒸发面积 ,促进水分和盐类代谢活
动。而叶片的下裂片表皮细胞则通过细胞交界面的
细胞壁向外延伸 ,可以增加与水的接触面积 ,扩大了
吸收面积 。
(2)在发育上满江红与蓝藻共生 。在盐类代谢
方面 ,满江红是非常独特的 ,通过水面上幼枝叶片的
上裂片叶缘的分泌细胞直接向体外排放过剩的盐
类 ,并以大小不等的方形的盐结晶体形式析出 。成
熟叶片的分泌细胞代谢不活跃。
(3)满江红与鱼腥藻共生的场所在叶背裂片内
侧(腹面)基部的许多凹穴中 ,导致腹面没有表皮细
胞的形成 。
参考文献:
[ 1 ] 　林尤兴.满江红科的分类和某些种类的推广利用
[ J] .植物分类学报 , 1980 , 18(4):450-456.
[ 2 ] 　胡家文 , 沈子伟 , 陈小红 , 等.满江红 Azolla imbricata
(Roxb.)Nakai的生物学特征及其渔业利用[ J] .现代
渔业信息 , 2005 , 20(11):3-5.
[ 3 ] 　Shi Ding-Ji.The Azolla-Anabaena association:historical
perspective , symbiosis and energy metabolism[ J] .The
Botanical Review , 1988 , 54(4):353-386.
[ 4 ] 　戴灵鹏 , 熊治廷 , 马海虎.镉对满江红(Azolla
imbricata)-鱼腥藻(Anabaena azollae)共生体氮代谢的
影响[ J] .生态学报 , 2009 , 29(3):1629-1635.
[ 5 ] 　周忠泽.扫描电镜在植物学领域的应用[ J] .电子显
微学报 , 1999 , 18(增刊):1-4.
[ 6] 　Kawamatu S.Electron micrographs on the plastids in the
root of Azolla imbricate[ J] .Cellular and Molecular Life
Science , 1961 , 17(7):313-315.
[ 7 ] 　Long N J.Electron microscopic study of heterocyst in
Anabaena azollae Strasburger[ J] .J.Phycol., 1965 , 1:
127-134.
[ 8 ] 　俞斐 ,李树美 , 沈显生.长梗苦草雄花结构的环境扫
描电镜观察[ J] .西北植物学报 , 2007 , 27(5):1022-
1025.
[ 9] 　姚晓玲 ,黄典典.新疆引种蕨状满江红的生态适应性
及生物学功能初探[ J] .植物资源与环境学报 , 2003 ,
12(1):43-46.
[ 10] 　施定基 , 李守全 , 常永桢.满江红光合器的显微和亚
显微观察[ J] .植物分类学报 , 1984 , 22(1):32-37.
[ 11] 　熊集兵 ,常会庆 ,何振立 , 等.低温条件下满江红对地
表水氮磷的去除效应研究[ J] .水土保持学报 , 2007 ,
21(6):96-98.
451第 5 期 周静波等:满江红叶片形态特征的环境扫描电子显微镜活体观察 　　
　　＊　Corresponding author
Form feature of the leaf of Azolla imbricata (Roxb.)
Nakai observed lively by environmental scanning
electronic microscope
ZHOU Jing-bo1 ,YU Fei2 ,SHEN Xian-sheng3＊
(1.Anhui Vocational &Technical College of Forestry , Hefei Anhui 230031;2.Lab of Engineering and Materials Science ,
University of Science and Technology of China , Hefei Anhui 230026;3.School of Life Sciences , University of Science
and Technology of China , Hefei Anhui 230026 , China)
Abstract:In order to surmount higher consist of water and the changeable morphology of aquatic plants , this article describes the use of
environmental scanning electronic microscope(ESEM) to observe the morphological structure of aquatic fern Azolla imbricata alive.Azolla
branches are covered by the tile-shaped leaves that are interactive , round almost no porosity in the top.The leaves located in the middle and
lower stem , two alternate , leaf fold with a stoma.The secretory cells were found along the edges of new leaves to a large amount of square salt
crystals.The salt crystals fall off when the leaves turned old.The results showed that A.imbricata has the function to secrete salts from the
outer leaves.
Keywords:Azolla imbricata(Roxb.)Nakai;ESEM;the morphology of the characteristics
452　 　 电子显微学报　J.Chin.Electr.Microsc.Soc. 第 28 卷