全 文 ：首都师范大学学报(自然科学版)第 23 卷　第 3期
2002 年 9 月
Journal of Capital Normal University
(Natural Science Edition)
Vol.23 , No.3
Sep.　2002
天麻种子与紫萁小菇共生萌发过程中的
超微结构变化研究＊
范　黎
(首都师范大学生物系)　　
郭顺星　徐锦堂
(中国医学科学院　中国协和医科大学药用植物研究所)
摘 要
　　紫萁小菇与天麻种子共培养时可刺激种子萌发形成原球茎.菌丝自胚柄端柄状细胞侵入天麻种子原胚 , 分布
于天麻原球茎基部的柄状细胞 ,外皮层细胞和内皮层细胞内.菌丝外围环绕着一层原球茎细胞质膜和电子透明物
质 ,这一界面是原球茎与真菌相互作用的产物 , 两者间的物质转运发生在这个界面上.菌丝在外皮层细胞中形成菌
丝结 , 在内皮层细胞中则被消化 , 形成扁化 、衰败的菌丝或菌丝团块.含有衰败菌丝的原球茎细胞可被菌丝重新定
植 ,新近定植的菌丝又被原球茎细胞消化.
关键词:天麻种子 , 紫萁小菇 , 超微结构 , 兰科.
中图分类号:Q 949.718.43;Q 949.32
收稿日期:2001-02-27
＊国家自然科学基金资助项目(39370501).
　　天麻(Gastrodia elata Bl.)是一种名贵中药 ,属兰
科Orchidaceae ,多年生草本植物 ,无根无绿色叶片 ,
不能进行光合作用营自养生活.现已证明[ 1 ～ 3] 天麻
种子的发芽需依赖紫萁小菇 Mycena osmundicola
Lange等真菌提供营养 ,发芽后原球茎的进一步生长
发育则必须同化蜜环菌 Armillaria mellea Quel.才能
完成.郭顺星等[ 4] 曾对天麻与紫萁小菇和蜜环菌间
的共生过程进行了观察.近年来作者在对产于我国
云南西双版纳 、福建和四川等地的兰花菌根真菌进
行分离培养时 ,发现 3个隶属于小菇属 Mycena 的真
菌种可与天麻种子共生促进其萌发 ,为了进一步阐
明天麻种子萌发过程中与真菌间的关系 ,作者利用
透射电子显微镜 ,对天麻种子与小菇属上述 4 个真
菌种共生萌发过程中的细胞超微结构变化进行了研
究.本文报道紫萁小菇[ 1] 与天麻种子共生萌发时的
观察结果 ,旨在为进一步阐明兰科植物菌根的特点
提供理论依据.
1　材料和方法
1.1　材料
紫萁小菇分离自陕西省宁强县野生天麻种子发
芽的原球茎中 ,由中国医学科学院药用植物研究所
真菌室提供.天麻种子也是上述实验室内培养的成
熟种子.
1.2　方法
1.2.1　共生萌发 —原球茎培养
先在 25℃下培养染菌树叶(菌叶),然后将菌叶
置于培养皿中保湿海绵上 ,菌叶上播天麻种子 ,25℃
恒温 、通风及 100 ～ 150 Lux光强度条件下培养使种
子萌发形成原球茎.
1.2.2　石蜡切片制作与观察
各种大小不一的原球菌在培养一个多月后自菌
叶取下 ,在FAA固定液中固定 ,常规石蜡切片法包
埋 、切片 ,番红 、固绿对染 ,加拿大树胶封片.光学显
微镜下观察并照像.
1.2.3　超薄切片制作与观察
菌叶播种培养 1个月时 ,选取 1mm3 大小的原
球茎 ,按照常规电镜样品处理 ,迅速在用 0.1 mol L
pH7.2的磷酸缓冲液配制的 2.5%戊二醛中固定.后
固定在用上述缓冲液配制的 1%锇酸溶液中 , 4℃下
2 h ,系列丙酮脱水 ,Epon812包埋.LKB 型超薄切片
机切片 ,厚度 50 nm ,醋酸铀柠檬酸铅双重染色.H-
800型透射电子显微镜下观察并照像.
2　结　果
天麻种子具种皮和原胚 ,胚柄端具柄状细胞 ,
(图版 Ⅰ-1 ,3 ,4).真菌菌丝自柄状细胞侵入胚内 ,并
进一步向内扩展侵入皮层细胞 ,同时胚的分生组织
细胞开始分裂生长 ,原球茎开始发育 ,原胚细胞开始
分化 ,在表皮细胞和皮层细胞间分化出 1 ～ 2层细胞
较小的外皮层 ,菌丝在此形成菌丝结 ,故又称菌丝结
细胞.向内与外皮层相邻的是内皮层 ,细胞较大 ,菌
丝自柄状细胞和外皮层细胞侵入这些细胞中 ,菌丝
在此被消化 ,故又称消化细胞(图版 Ⅰ-4 ,5).随着菌
丝的侵入和扩展 ,天麻种子从中获得营养 ,种子萌发
形成原球茎(图版Ⅰ-2).
菌丝在原球茎中主要分布于柄状细胞 ,外皮层
细胞和内皮层细胞.菌丝在柄状细胞内不形成线圈
状的菌丝结(图版 Ⅰ-4);定植于外皮层细胞内的菌
丝常形成菌丝结 ,菌丝多完整 ,被原球茎细胞质膜和
电子透明物质所包围 ,内含物丰富 ,活力旺盛 ,部分
菌丝液泡化或失去原生质成为空腔 ,细胞壁加厚或
薄壁 ,少数包围菌丝的原球茎细胞质膜已部分地形
成空腔状结构.在具良好发育的菌丝结的外皮层细
胞中 ,菌丝几乎充满整个细胞 ,原球茎细胞的细胞质
已基本消失(图版 Ⅰ-6).与具良好发育的菌丝结的
外皮层细胞相邻的初被菌丝定植的外皮层菌丝结细
胞中观察到大量的线粒体 、内质网和脂滴(图版 Ⅰ-
7);原球茎内皮层细胞是菌丝被消化的主要场所 ,菌
丝在此同样被电子透明物质和原球茎细胞质膜包围
(图版 Ⅰ-9 , Ⅱ-1).侵入到该层细胞内的菌丝迅速膨
大 ,菌丝的完整性被破坏 ,细胞质和细胞器全部被消
化并释放到原球茎细胞中 ,细胞衰败 、扁化 ,残余的
细胞壁逐渐被分解或集中在一起被电子透明物质和
原球茎细胞质膜包围 ,形成衰败菌丝或衰败菌丝团
块 ,周围除分布有大量线粒体和内质网外(图版 Ⅰ-
9 , Ⅱ-1 ,3 , 5),还观察到高尔基体和单层膜小囊泡
(图版 Ⅱ-1 ,5).含有衰败菌丝的细胞可被菌丝重新
定植 ,新的菌丝又再被消化 ,这一侵染 、消化过程在
原球茎的生长发育过程中可不断重复发生.新近定
植于内皮层细胞的菌丝具少量液泡 ,大量线粒体和
明显的桶孔隔膜(图版 Ⅰ-8 , Ⅱ-4),但很快会被消
化.染菌内皮层细胞的细胞核常膨大变形 ,初具少量
淀粉粒 ,随着原球茎的发育渐渐消失(图版 Ⅱ-2).菌
丝穿过原球茎细胞壁进入消化细胞时 ,有时菌丝迅
速膨大并被消化 ,包围菌丝的质膜与原球茎细胞质
膜是连续的(图版 Ⅱ-5).
3　讨　论
我们的观察验证了郭顺星等[ 4]对天麻与紫萁小
菇间的相互作用的一般特征的描述 ,进一步发现在
天麻种子柄状细胞中的紫萁小菇菌丝与兰小菇 My-
cena orchidicola Fan et Guo、石斛小菇 Mycena dendrobii
Fan et Guo等的菌丝一样 ,菌丝完整而有活力 ,使菌
丝进一步在种胚内扩展成为可能[ 5] .真菌菌丝一般
自种胚的胚柄端或(和)原球茎表皮细胞形成的根毛
侵入兰花种子.天麻原球茎不形成根毛 ,因此胚柄端
的柄状细胞是菌丝侵入天麻种胚的唯一侵染点 ,作
者在其他几个可与天麻种子共生的小菇属的种中观
察到同样现象[ 6] ,显然 ,真菌对天麻种子的侵入机制
是一个值得进一步探讨的问题.
定植于原球茎细胞内的菌丝同兰小菇 、石斛小
菇菌丝一样 ,均被原球茎细胞质膜和电子透明物质
包围而与原球茎细胞质相隔离 ,有关这一界面在两
共生物间的物质交换中的作用仅知道有少数物
质[ 7] ,包括糖类和磷酸盐[ 8] ,可以通过菌根真菌转运
到根和原球茎中 ,但确切的在细胞水平上的转移方
式迄今未得到诠释.但这层电子透明物质在真菌纯
培养或当真菌变为原球茎的寄生物时是不存在
的[ 9 , 10] .显然 ,这一界面是原球茎与真菌相互作用的
产物 ,两共生物间的物质转运一定发生在这个界面
上 ,也正是这一界面的存在 ,使得原球茎内皮层消化
细胞在菌丝侵入时能保持自身原生质的完整性 ,并
消化侵入的菌丝作为自身的营养[ 10] .
侵入皮层细胞的菌丝 ,尤其在内皮层消化细胞
中 ,菌丝细胞壁显著加厚 ,这可能是原球茎细胞质
膜 、内质网和高尔基体等分泌的物质沉积于菌丝细
胞壁上形成的[ 9] ,这类菌丝的细胞质往往逐渐减少 ,
终至消失 ,细胞扁化 ,细胞壁也渐被分解 ,真菌菌丝
细胞壁的加厚标志着菌丝衰亡的开始.
新近定植于皮层细胞的菌丝 ,没有加厚的细胞
壁 ,细胞质丰富 ,生命力旺盛 ,使真菌在植物细胞内
的进一步扩展成为可能.
内皮层细胞中的菌丝周围常分布有大量线粒体
和内质网 ,还观察到高尔基体 、小囊泡等 ,而在具良
好发育菌丝结的外皮层细胞中没有观察到同样现
象 ,有关天麻种子与兰小菇共生萌发的酸性磷酸酶
定位研究表明 ,小囊泡中存在很多酶颗粒[ 11] ,可见 ,
内皮层细胞中进行着旺盛的代谢活动 ,菌丝在此被
53第 3期 范　黎等:天麻种子与紫萁小菇共生萌发过程中的超微结构变化研究
消化.
初被菌丝定植 、尚无良好发育的菌丝结的外皮
层细胞中 ,有大量线粒体 、内质网和脂滴 ,菌丝结细
胞中存在液泡化菌丝及由原球茎细胞质膜形成的空
腔状结构 ,这说明侵入菌丝结细胞的菌丝在此可以
部分地被消化 ,当外皮层细胞被菌丝充满 ,菌丝形成
发育良好的菌丝结时 ,外皮层细胞这种部分消化菌
丝的功能即消失.
菌丝定植后 ,原球茎细胞核常膨大 ,从遗传学的
角度讲核物质的增多可能与原球茎细胞对真菌的调
节和利用有关.
参 考 文 献
1　徐锦堂 , 郭顺星.供给天麻种子萌发营养的真菌———紫萁小菇.真菌学报 , 1989 , 8(3):221～ 226
2　徐锦堂 , 牟春.天麻原球茎生长发育与紫萁小菇及蜜环菌的关系.植物学报 , 1990 , 32(1):26～ 31
3　徐锦堂.中国天麻栽培学.北京:北京医科大学 、中国协和医科大学联合出版社 , 1993
4　郭顺星 , 徐锦堂.天麻消化紫萁小菇和蜜环菌过程中细胞超微结构变化的研究.真菌学报 , 1990 , 9(3):218～ 225
5　范黎 , 郭顺星 ,曹文芩 , 等.墨兰共生真菌一新种的分离 、培养 、鉴定及其生物活性.真菌学报 , 1996 , 15(4):251～ 255
6　范黎 , 郭顺星 ,徐锦堂.天麻种子与兰小菇共生萌发过程中的超微结构变化研究.菌物系统 , 1999 , 18(4):431～ 435
7　Arditti J , Ernst R, Yam T W , et al.The contributions of orchid mycorrhizal fungi to seed germination:a speculative review.Lindley-
ana, 1990 , 5:249～ 255
8　Alexander C ,Hadeley G.The effect of mycorrhizal infection of Goodyera repens and its control by fungicide.New Phytol , 1984 , 97:
391～ 400
9　Hadley G.Organization and fine structure of orchid mycorrhiza.In:Endomycorrhizas.F.E.Sanders et al.London:Academic Press ,
1975 , 335～ 351
10　Peterson R L , Currah R S.Synthesis of mycorrhizae between protocorms of Goodyera repens(Orchidaceae)and Ceratobasidium cere-
al.Can J Bot , 1990 , 58:1117～ 1125
11　范黎 , 郭顺星 ,肖培根.天麻 兰小菇共生萌发过程中的酸性磷酸酶定位.山西大学学报(自然科学版), 1998 , 3:257 ～
262
Ultrastructural Changes during the Symbiotic Development of Gastrodia
elata (Orchidaceae)Protocorms Associated with Mycena osmundicola
Fan Li
(Department of Biology , Capital Normal University)
Guo Shunxing　Xu Jintang
(Institute of Medicinal Plant Development , Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College)
Abstract
Seeds of Gastrodia elata were germinated in the presence of Mycena osmundicola.Many seeds germinated to form
protocorms ,which were colonized by fungal hyphae.Hyphae were commonly distributed in stipecell , subepidermal paren-
chyma cells(SEP)and inner cortical parenchyma cells(ICP), and were separated from protocorm cell cytoplasma by elec-
tron-lucent material and the protocorm cell plasma membrane ,which may be involved in some way with nutrient exchange
between fungi and protocorms.The hyphae formed pelotons in SEP cells , but in ICP cells they were digested.Protocorm
cells containing degenerated hyphe were frequently recolonized by hyphae.
Key words:Seed of Gastrodia elata , Mycena osmundicola , ultrastructure , Orchidaceae
54 首都师范大学学报(自然科学版) 2002年
图版Ⅰ 　天麻种子与紫萁小菇共生形成原球茎的显微(图 2～ 5)、超微(图 1, 6～ 9)结构
1.天麻种子扫描电镜观察(×350);2.共生萌发培养 42天时的天麻原球茎(×6);3.天麻种子原胚.C.种皮(×112);4.原球茎基
部细胞 ,示外皮层细胞中的菌丝结(P),内皮层细胞中被消化的菌丝(DF),箭头示菌丝由外皮层细胞向内皮层细胞侵染.F.菌丝;
ST.柄状细胞(×448);5.外皮层菌丝结细胞放大 ,箭头示菌丝在菌丝结细胞间穿壁(×448);6.外皮层菌丝结细胞 , 细胞A 具发育
良好的菌丝结 ,细胞被菌丝充满 ,细胞B初被菌丝定植.F.菌丝;VF.液泡化菌丝;VL.空腔状结构(×2600);7.图 6中细胞 B放大 ,
含大量脂滴(HL)、线粒体(HM)和内质网(HER).DF.衰败菌丝;HN.原球茎细胞核;S.淀粉粒;SEP.外皮层细胞(×6600);8.内皮
层消化细胞 ,细胞 A新近被菌丝(F)定植 ,细胞 B具有衰败菌丝(DF),新近定植的菌丝完整 ,具线粒体(FM)、脂滴(FL)、液泡(FV)和
桶孔隔膜(DP)(×2600);9.内皮层消化细胞内渐被消化的菌丝(DF),周围分布有大量线粒体(HM)和内质网(HER), 菌丝被原球茎
细胞质膜(双箭头)和电子透明物质(箭头)包围(×2600)
55第 3期 范　黎等:天麻种子与紫萁小菇共生萌发过程中的超微结构变化研究
图版Ⅱ　天麻种子与紫萁小菇共生形成原球茎的超微结构
1.内皮层消化细胞内被消化的菌丝(DF)周围分布有高尔基体(G)、小囊泡(V)、线粒体(HM)和内质网(HER),衰败菌丝被原球茎细
胞质膜(双箭头)和电子透明物质(箭头)包围(×20000);2.消化细胞内的衰败菌丝团块和变形的细胞核.HM.线粒体;HER.内质
网;S.淀粉粒(×2600);3.内皮层消化细胞内的衰败菌丝团块(DF).HER , 原球茎细胞的内质网;HM ,原球茎细胞的线粒体;液泡
(HV)(×13000);4.菌丝桶孔隔膜(×20000);5.菌丝在穿过细胞壁进入消化细胞的同时被原球茎细胞质膜(箭头)包围 , 并被消化
细胞消化 ,周围分布有线粒体(HM)、内质网(HER)和高尔基体(G)等(×20000)
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