全 文 ：第 31卷第 4期 浙江师范大学学报(自然科学版) Vol.31, No.4
2008年 12月 　　　　　　JournalofZhejiangNormalUniversity(Nat.Sci.)　　　　　　 Dec.2008
　　文章编号:1001-5051(2008)04-0452-05
美洲商陆营养器官的解剖结构与其耐锰的关系＊
徐根娣 , 　孙文良 , 　刘　鹏 , 　陈呤子 , 　龚春风
(浙江师范大学 植物学实验室 ,浙江 金华　321004)
摘　要:美洲商陆(PhytolaccaacinosaRoxb)属于商陆科多年生草本植物 ,是一种适应性强的锰超积累植物.石
蜡切片观察表明 , 美洲商陆经 0.125、0.250、0.500和 1.000g· kg-1 Mn2+处理 7 d后 ,根中柱的导管均变得发
达.其中锰处理量为 1.000 g· kg-1时 , 根表层细胞变得松散 , 茎内细胞内含物增加 , 叶片细胞内容物增加;当
锰处理量大于 0.250g· kg-1时 ,海绵组织和栅栏组织变得松散 ,出现空隙.经 0.125、0.250、 0.500和 1.000
g· kg-1 Mn2+处理 14 d后 ,美洲商陆茎中的维管束数量迅速增加;根和叶片与处理 7 d的根和叶片比较结构
变化不大.
关键词:美洲商陆;锰超积累;解剖结构;根;茎;叶
中图分类号:Q944.5　　　　文献标识码:A
Relationshipbetweenanatomizeofvegetativeorgansand
tolerancemanganeseofPhytolaccaacinosaRoxb
XUGendi, 　SUNWenliang, 　LIUPeng, 　CHENLingzi, 　GONGChunfeng
(KeyLaboratoryofBotany, ZhejiangNormalUniversity, JinhuaZhejiang　321004, China)
Abstract:Thepokeberrybelongstoperennialherbanditisoneofmanganeseinhyperaccumulationplants.
Byinvestigatingtheparafin-embeddedtissueslice, itwasfoundthatthetracheaofrootbeaconsgrewweland
thesurfacelayercelofrootbecameloosewiththesolventof1.000 g· kg-1 Mn2+.Theefectsofdiferent
Mn2+ concentrationonthetracheawerethenstudied.AltheMn2 +concentrationcouldimprovebothinclusion
ofculmcelandmesophylgreatly.AsMn2+ concentrationwasover0.250g· kg-1 , thepalisadeandspongy
tissueofleafbecameloosewithsomecreviceandthevascularbundledensitybecamehigher14 dayslater.
Keywords:PhytolaccaacinosaRoxb;manganeseinhyperaccumulator;anatomize;root;stem;leaf
美洲商陆属于商陆科多年生草本植物 ,是一种生物量大 、生长快 、地理分布广 、适应性强的锰超积累
植物 ,在中国大部分地区都可生长 ,朝鲜 、日本 、印度也有分布 [ 1] .美洲商陆的适应性强 ,对锰污染的修
复具有很大的应用前景.同时 ,它是一种多年生草本植物 ,易于开展实验 ,有利于深入探讨锰在植物体中
的超积累机理 、开展锰污染土壤植物修复的理论研究 [ 2] .超积累植物是一种极端的金属积累型植物[ 3] ,
＊ 收文日期:2007-12-28;修订日期:2008-06-06
　基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y306391)
　作者简介:徐根娣(1957-),女 ,浙江余姚人 ,高级实验师.研究方向:植物生理生化;植物细胞遗传;植物营养学.
它能从生长介质中吸收大量的重金属而不造成任何生理伤害 ,这可能与重金属在植物体内的分布和化
学形态密切相关 [ 4] .
近年来有不少学者运用各种方法对无 Mn胁迫商陆的解剖结构进行了研究.王桂芹等[ 5]运用石蜡
制片和数码照相的方法 ,观察研究了美洲商陆的根 、茎 、叶及不同生长龄贮藏根的解剖结构 ,研究发现商
陆叶中叶肉细胞排列疏松.张泓等[ 6]运用石蜡制片方法研究了商陆根的成熟异常次生结构和异常次生
结构的发育.王桂芹等还利用光学显微技术 、组织化学定位方法对美洲商陆不同生长龄的根 、茎和叶进
行了解剖结构研究[ 7] .自 2003年薛生国等[ 1]发现商陆是一种锰的超积累植物后 ,国内对其研究逐步增
多 ,主要集中在通过检测锰含量和锰胁迫下的生理指标等手段探讨商陆的富锰机理 [ 8] ,对 Mn2 +胁迫下
美洲商陆组织结构变化的研究很少 ,仅有徐向华等 [ 9]运用冰冻切片技术和 SRXRF对商陆组织中的 Mn
进行了定位分析.锰污染土壤的修复中 ,超积累植物的富锰机理是应用植物修复技术治理土壤污染面临
的一个重大问题 ,而植物形态结构的变化是超积累植物富锰机理的一个重要反映.植物结构的变异是遵
循感应环境并适应环境这一规律的 [ 2] .环境条件的变化导致形态结构发生变异 ,而形态结构的变异对
于它们各自适应其所处的生境又具有积极的作用[ 10] .研究超积累植物的细胞类型是探讨超积累植物的
富锰机理的重要部分.本实验通过模拟土壤锰污染 ,对锰超积累植物美洲商陆营养器官的解剖结构进行
了研究 ,旨在探讨其高耐锰性与其解剖结构是否有内在的联系 ,从而为探索商陆耐锰机理提供一定的形
态学基础.
1　实验方法
将美洲商陆种子播于湿沙 ,萌芽后依次在 1 /4和 1/2 Hoagland[ 11]营养液中培养 7 d,然后选择生长
一致的幼苗进行锰处理.采用 Hoagland完全营养液培养 , Mn2+含量分别设为 0.125、0.250、0.500和
1.000 g·kg-1 , 以不加 Mn2+的为对照组 , Mn2+用 MnCl2供应.每天用 0.1 mol/LNaOH溶液或 0.1
mol/LHCl溶液调 pH值至 4.5,以维持生长介质中较高的 Mn2+含量 ,保持连续通气 ,每 3 d更换一次营
养液 ,平时每天补充蒸馏水补偿由于吸收和蒸发所减少的体积.Mn2+处理 7 d和 14 d后 ,用锋利的刀片
将茎切成 0.5 cm的小段 ,叶片剪成 0.5 cm×0.5 cm的小块浸入 FAA固定液中 24 h,经过 70%、80%、
90%和 100%乙醇溶液梯度脱水 ,放入二甲苯中透明 40 min,待材料透明后浸入温度为 50 ～ 60℃石蜡
中 4 h,然后进行包埋和常规石蜡切片 ,厚度为 8 ～ 10 μm,用蛋白甘油粘片 , 65 ℃下烘片 3 h.将固定有
材料的载玻片放入二甲苯中脱蜡 40min,经过 100%、95%、90%、80%和 70%乙醇溶液和蒸馏水逐级复
水 ,用番红-固绿对染 ,透明后装片显微镜检测.
2　结果与分析
2.1　锰处理对美洲商陆根显微结构的影响
商陆根横切由外及里依次为周皮 、皮层 、中柱维管组织.构成周皮的木栓很发达 ,由 4 ～ 6层细胞构
成 ,细胞较小 ,具有 2种类型:不规则型和长方型.皮层较厚.中柱发达 ,有初生木质部和初生韧皮部组
成 ,疏导组织发达.
通过石蜡切片观察 ,发现美洲商陆根在 0.125、0.250、0.500和 1.000 g· kg-1 Mn2+处理 7 d后 ,与
无 Mn处理对照(图略),中柱的疏导组织均变得发达 ,导管增多增粗 ,这是为了加快锰在植物根部的运
输而作出的相应结构改变(见图 1).但在 1.000g·kg-1 Mn2 +处理 7 d后 ,根的表层细胞变得有些松散 ,
中柱细胞严重变形 ,初生韧皮部和木质部分界变得模糊 ,中柱鞘细胞排列变得松散(见图 1-D),这是受
锰毒害所致.0.125、0.250、0.500和 1.000 g·kg-1 Mn2+处理 14 d后 ,美洲商陆根显微结构较处理 7 d
变化不大 ,仍然表现为疏导组织增多增粗 ,中柱细胞变得松散(图略).
2.2　锰处理对美洲商陆茎显微结构的影响
美洲商陆茎结构由外而内包括表皮 、皮层和维管柱.表皮细胞 1层 ,近正方形 ,体积较大 ,排列紧密 ,
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角质层薄.皮层由 8 ～ 9层薄壁细胞组成 ,排列紧密.中央为维管束柱 ,外韧型.茎的中心是由薄壁细胞组
成的髓部 ,细胞间隙较小.
锰处理量为 A:0.125g· kg-1;B:0.250g· kg-1;C:0.500g· kg-1;D:1.000g· kg-1.
1-导管;2-初生木质部;3-初生韧皮部;4-中柱鞘;5-表皮;6-皮层.
图 1　锰处理 7 d美洲商陆根的显微结构
由图 2可以看出 , 0.125、0.250、0.500和 1.000 g·kg-1 Mn2+处理 7 d后 ,与对照(图略)相比美洲
商陆茎的表皮 、皮层和维管束几乎没有变化 ,但是表皮 、皮层以及维管束周围薄壁细胞中的内容物随锰
处理量的增大而增加.处理 14d后发现 ,随着锰处理量的升高 ,细胞内容物较相同处理量下处理 7 d的
内容物增加 ,维管束数量迅速增加 ,导管直径增大(见图 2-I至图 2-L),这可能是植物为抵抗高处理量的
锰而产生的一种适应 ,有利于水分的运输.美洲商陆在各处理量 Mn2+处理 14 d后茎的表皮和皮层细胞
形状变得不规则 ,排列不够紧密.这可能是锰在茎的表皮和皮层积累 ,导致细胞受到锰的毒害而发生的
改变.
锰处理量为 E:0.125g· kg-1;F:0.250g· kg-1;G:0.500g· kg-1;H:1.000g· kg-1;I:0.125g· kg-1;J:0.25g· kg-1;
K:0.500g· kg-1;L:1.000g· kg-1.1-维管束;2-髓;3-皮层;4-表皮;5-导管;6-维管束薄壁细胞.
图 2　锰处理 14d美洲商陆茎的显微结构
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2.3　锰处理对美洲商陆叶片显微结构的影响
美洲商陆叶的结构包括表皮 、叶肉组织和叶脉 ,为异面叶.表皮由一层排列紧密的长方形细胞组成;
叶肉分为栅栏组织和海绵组织 ,其中栅栏组织只有一层细胞.
随着 Mn2+处理量的升高 ,美洲商陆叶片结构的变化明显.当 Mn2+处理量为 0 ～ 0.125 g· kg-1时 ,
叶片海绵组织和栅栏组织细胞排列紧密 ,有规则(见图 3-M,对照图略).当 Mn2+处理量为 0.25 g·kg-1
以上时 ,叶片的海绵组织和栅栏组织开始稀疏且排列不规则 ,栅栏组织的长度占整个叶片的长度有所增
加(见图 3-N至图 3-P),并且间隙有所增大.栅栏组织有利于光合作用 ,而且在水分供应适宜时能增加
植物的蒸腾作用.内容物随锰处理量的增大而增加.0.125、0.250、0.500和 1.000 g· kg-1 Mn2 +处理 14
d后 ,美洲商陆叶显微结构的变化趋势和处理 7d的基本相同 ,同量锰处理的结构基本一致(图略).
锰处理量为 M:0.125g· kg-1;N:0.250g· kg-1;O:0.500g· kg-1;P:1.000g· kg-1.
1-叶脉维管束结构;2-薄壁细胞;3-海绵组织;4-栅栏组织.
图 3　锰处理 7 d美洲商陆叶的显微结构
3　讨　论
美洲商陆为多年生草本植物 ,高 1 ～ 2 m,生物量大 ,适应性强 ,以根茎及种子繁殖 ,在较短的生长期
内可形成良好的地面覆盖 ,其覆盖度将近 100%.它的发现为利用积累植物对大面积污染土壤实施植物
修复提供了可能 ,对锰污染土壤的修复具有巨大的潜力 ,为探讨锰在植物体中的积累机理和锰污染土壤
植物修复的理论研究和技术实施提供了一种新的种质资源 [ 12] .本实验通过组织切片和形态学观察 ,更
直接形象地对商陆的富锰机理作出了一定的合理解析.
重金属的区室化分布及与有机物的结合形态是超积累植物超累积重金属和解毒的 2个重要机制.
大量的研究表明 ,美洲商陆叶片细胞的液泡是 Mn累积的主要部位 , Mn2+与草酸结合是商陆叶片中锰的
主要形态.Mn在商陆叶片液泡中的累积和与草酸结合是其超累积和解锰毒的主要机制 [ 12-14] .本实验中
美洲商陆在不同量的 Mn2+及不同的处理时间下共同表现出维管束结构的增多增粗 ,说明根和茎是 Mn
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在商陆植株内运输的主要途径;表皮在高剂量的 Mn2+处理下 ,细胞形状变得不规则 ,排列变得不整齐 ,
其主要表现为表皮细胞排列变得疏松 ,说明美洲商陆的根和茎的表皮可以少量积累重金属 Mn,当 Mn2+
过量和处理时间过长就会因受毒害而发生形态和排列上的改变 ,甚至细胞的死亡.这基本符合徐向华等
认为的 Mn在商陆根横截面中维管束柱含量最高 ,其次为表皮 , Mn从表皮到皮层含量减少 ,从皮层到维
管束柱含量增加;Mn在茎中主要是被限制在维管束中向上运输至叶片 ,是商陆超累积 Mn的主要器
官 [ 9, 15, 16] .美洲商陆的叶片在不同量的 Mn2+处理后表现为叶肉细胞排列变得疏松 ,栅栏组织细胞增长 ,
这些都有利于光合作用产生大量的有机酸 ,同时增加植物的蒸腾作用使溶解于水中的锰元素大量运输
到叶片与细胞中的有机酸等物质结合 ,以达到积累 Mn的目的.这与前人认为的叶片液泡是锰累积的主
要部位:锰与草酸结合是商陆叶片中锰的主要形态 、锰在商陆叶片液泡中的累积和与草酸结合是其超累
积和解锰毒的主要机制相一致.在叶的横截面上 , Mn在表皮的含量高于叶肉中的含量 ,且上表皮含量高
于下表皮.锰在商陆体内的这种分配方式主要是受蒸腾作用调控的 [ 9, 13-16] .
综上所述 ,美洲商陆富锰机理主要是通过根部的吸收和茎的集中运输 ,从而使 Mn2+在商陆的叶片
中形成较高的含量 ,进而与细胞中的有机酸等物质形成无毒络合物而积累在商陆植株内 ,从而实现 Mn
的超积累.
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(责任编辑　薛　荣)
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