全 文 ：武汉植物学研究 1999, 17( 2) : 97～100
Journal of Wuhan Botanical Research
莼菜冬芽越冬阶段叶的解剖学和生理学研究
徐国华 陈维培 魏锦城 施国新
(南京师范大学生物系 南京 210097)
提 要 对越冬阶段的莼菜冬芽叶片的超微结构和一些生理学特征进行了研究。结果表明,
莼菜冬芽叶虽处于冬季不利的低温条件下, 但各细胞器的结构完整,并仍保持完善的生理功
能。冬芽叶的结构和生理特征表明, 莼菜冬芽可能不是像绝大多数的陆生植物那样以降低自
身的代谢速率的方式来被动地越冬, 而是通过积极的代谢活动形成主动的抗寒能力而顺利越
冬。
关键词 莼菜, 冬芽叶, 超微结构, 生理特征, 越冬适应
莼菜( Brasenia schr eber i Gmel. )属睡莲科多年生水生经济植物。因其具有较高的营养价值和广泛的
药疗效果而深受国内外消费者的欢迎。但目前种源十分缺乏, 限制了引种扩种。有关研究结果〔1〕表明,利
用莼菜冬芽进行营养繁殖是解决莼菜结实率低、育苗困难和扩种过程中需挖母株作种苗而影响母株生
长的好办法。莼菜冬芽是在寒冷的秋冬季产生的, 节间缩短而粗壮, 叶片密集于前端,长成后能自母体分
离, 于翌年春天萌发,逐渐长成新植株。而目前对莼菜冬芽越冬机制的深入研究尚未见报道。因此我们对
其外界环境变化比较敏感的冬芽的叶片 ,做了超微结构观察和相关生理指标的测定,以期为进一步全面
探明冬芽的越冬机理以及探讨水生环境中植物抵御低温逆境的规律提供有益的参考。
1 材料和方法
1. 1 实验材料
供研究用的材料采自苏州的太湖沿岸,冬芽于 10月下旬采回在南京师范大学花房栽种。将冬芽下
部的 2/ 3 插入露天的大水缸淤泥中, 水层深度保持在 40 cm 左右。自栽种后即进行观察和记录 ,于来年
的 1 月份分别取来自 4 只相同条件的培养缸中生长正常的冬芽叶片, 进行制片观察和生理测定。取材前
冬芽已在培养缸水温 2～4℃的环境中生长 15 d。供生理测定用的营养生长期的叶为 7 月份采自同缸中
生长健壮的浮水叶(以下简称浮水叶)。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 电镜观察
将材料用 2. 5%戊二醛和 2%锇酸双重固定 ,丙酮系列脱水, Epson 812 包埋, LKB 超薄切片机切
片, 经醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色后置于日立( Hitachi) 600A-2 型透射电镜下观察摄影; 半薄切片用
现在工作单位:江苏教育学院生物系,南京,邮编 210013。
收稿日: 1998-04-06,修回日: 1998-05-11。第一作者:男, 1970年出生,讲师(硕士) ,从事植物细胞结构和生理方
面研究。
江苏省自然科学基金资助课题( BK 97107)。
甲苯胺蓝染色后置于 Olympus VANOX AH-2型显微镜观察摄影。
1. 2. 2 生理测定
离子外渗率用 DDS-11 型电导仪测定; 净光合速率、呼吸速率用极谱氧电极法测定〔2〕,冬芽叶和浮水
叶测定时叶室的温度分别控制在( 5±0. 1)℃和( 28±0. 1)℃。XP-2 溶氧测定仪为中国科学院上海植物
生理研究所生产, XD-100记录仪为上海自动化仪表三厂生产,磁力搅拌器为上海华光仪器厂生产,光源
为教学用幻灯机; 叶绿素含量按 Arnon〔3〕方法测定。
2 实验结果
2. 1 冬芽叶的显微结构
冬芽叶为沉水叶, 由于节间未伸长, 外观似聚生于短茎的顶端。内部结构虽与浮水叶相似, 但叶较
薄。上下表皮细胞排列紧密而规则,厚度达 30 m, 细胞多为椭圆形。气孔未发育, 叶肉尚不发达,但有栅
栏组织和海绵组织之分, 栅栏组织由 1 层细胞构成, 厚度约为 40 m, 细胞仅在径向稍长; 海绵组织由
2～3层细胞构成, 厚度约为 50 m, 细胞多呈球形, 但细胞的大小差别较大。无论是栅栏组织还是海绵组
织, 与其它时期的叶肉组织相比,细胞排列都较紧密,通气组织发育较差。中脉的韧皮部发育较完善,但
木质部发育弱(图版Ⅰ: 1)。这些特点都是与冬芽叶生活在水面以下的环境相适应的。
2. 2 冬芽叶的超微结构
电镜的观察结果表明, 冬芽叶肉细胞质浓厚, 具有多个小液泡;叶绿体形似圆球状, 分散在细胞质中
(图版Ⅰ: 2) ;细胞核明显, 位于细胞的中部,核膜结构完整清晰, 核仁明显,核质均匀(图版Ⅰ: 3)。胞间连丝
发达, 在胞间连丝集中的部位,可以看到此部分胞内存在大量的分泌囊泡 (图版Ⅰ: 4)。
叶绿体的膜结构发育完好, 每个基粒通常含有 10～15 个不等的类囊体, 基粒之间由丰富的基质类
囊体联系。叶绿体外被的双层膜结构发育良好, 并可以观察到在叶绿体的基质中积累有大量的淀粉粒,
占叶绿体体积的 3/ 5 以上,基质中还有少量的着色较深的嗜锇颗粒(图版(Ⅰ: 5)。这表明冬芽叶片叶绿体
仍然具有完整的光合作用结构。
叶肉细胞中有大量的线粒体, 线粒体的结构完整, 嵴呈细管状,数量多。高尔基体的分泌活动旺盛,
有大量的分泌囊泡(图版Ⅰ: 6, 7)。粗面内质网及核糖体清晰可见(图版Ⅰ: 8)。
2. 3 冬芽叶及营养叶的生理测定结果
从测定的结果可以看出, 冬芽叶的离子渗透率低, 说明其叶肉细胞膜保持了良好的完整性; 其叶绿
素未被低温破坏,其含量可达营养生长期的 2 倍;净光合速率和呼吸速率在冬季低温时下降较少, 分别
达到营养生长期的 68%和 82%左右(表 1)。
表 1 莼菜冬芽叶和浮水叶的一些生理指标
T able 1 Some physio lo gica l index of w inter buds leaves and flo ating leaves
样品
Sample
离子外渗率
( %)
Ion-link ing
rate
叶绿素
( mgg- 1FW)
Ch lorophyl l
净光合速率
( mol O 2m- 2s - 1)
Net p hotos yn-
th et ic rate
呼吸速率
( mol O 2m - 2s- 1)
Respir atory
rate
冬芽叶
Leaves of w inter
buds
1. 51 2. 879 2. 197 2. 359
浮水叶
Float ing leaves
1. 92 1. 402 3. 236 3. 148
3 讨论
一般认为, 低温
等逆境对陆生植物
通常首先表现在对
叶 的 伤 害。Per r y
等〔4〕发现, 在许多的
陆生植物, 如北美刺
果松 ( Pinus taeda)、
扁柏属 ( Chamaecyparis ) 和桧属 ( Junip erus ) 的一些种以及弗吉尼亚栎 ( Quer cus virg inina) 和桂樱
(P runus laur ocerasus)等的叶中,随着早期霜冻的到来, 叶绿体的双层膜结构在不同程度上遭受了破坏。
Senser 等〔5〕在对冬季云杉针叶的研究中也发现了这种结构破坏现象。零上低温对组织的伤害,主要表现
98 武汉 植 物学 研究 第 17卷
在膜相的改变以及由于膜损坏引起代谢紊乱而导致死亡。
电镜观察和离子外渗率的测定结果表明, 莼菜冬芽叶肉的细胞膜无论在结构上还是在生理上都表
现得相当完整, 说明其并没有受到低温的伤害。
叶绿体外被双层膜结构完整, 片层发育良好, 类囊体清晰可见,有规律地堆垛排列, 基粒的数目和构
成基粒的类囊体片层数多, 叶绿素含量较高。完整的光合作用结构和高浓度的光合色素, 保证了冬芽叶
在冬季低温以及低光照状态下维持其一定的净光合速率。
冬芽的节间缩短,叶集生在一起, 叶的结构致密,细胞层次少, 而且表皮层和栅栏组织薄, 海绵组织
细胞含有叶绿体, 这些特点也是其对冬季低温环境条件的一种适应。冬季时,光强减弱,气温降低,这种
环境下叶片通常表现为合成减少。显然此时叶肉和上表皮的减薄、栅栏组织与海绵组织的层次减少以及
海绵组织细胞含有叶绿体, 都有利于叶片加强对光、溶解氧和二氧化碳等的吸收利用。此外,冬芽的茎皮
层薄壁细胞中含有叶绿体, 在冬季依然保持浓绿,也可以辅助进行光合作用, 从而也保证了冬芽的继续
生长和顺利越冬。
冬芽叶片的叶肉细胞内线粒体较为丰富,而且线粒体的外膜和嵴结构完整。这种结构特点保证了冬
芽在冬季低温时仍然具有旺盛的呼吸作用能力,而这种能力对外界寒冷环境的适应也极为有利。关于植
物越冬过程中,其呼吸作用强度与植物抗寒性的关系, 有人观察到在冬季零下低温的影响下, 冬小麦为
维持细胞组织的生命力, 呼吸作用加强〔6〕; 也有文献指出, 原产于较寒冷气候下的植物, 在所给定的低
温地区, 一般都有较高的呼吸速率〔7〕。植株的呼吸速率在低温下一定程度上的升高在某种意义上可以理
解为一种正常的适应现象。
同时, 胞间连丝发达,反映细胞间的物质、能量和信息的交流频繁, 使整个叶片得以协同一致地在低
温状态下进行各种生理活动。关于植物越冬期间胞间连丝的发育状况与其越冬抗性之间的关系,简令成
等〔8〕在对小麦越冬的研究中指出:在寒冬中, 强抗寒性冬小麦品种幼苗的一些细胞发生明显的质壁分离
和原生质孤立, 从而拉断了胞间连丝;其作用是切断细胞间的联系,破坏共质体的完整性, 提高植物在越
冬中抗寒力的稳定性。小麦在越冬期间由于外界气温有时变化很大,较易受到冻融性伤害, 细胞间的联
系在一定程度上的中断有利于越冬锻炼中获得的抗寒力的保持。作为水生植物的莼菜冬芽则与陆生植
物不同, 它们在冬季处于水面以下,由于水生环境温度相对较为稳定,不容易发生冻融性伤害, 所以冬芽
并不是通过胞间连丝的拉断来提高抗寒力, 而是依赖发达的胞间连丝和各个发育良好的细胞器来保证
它在低温状态下进行正常的生理活动, 并获得和保持其抗寒能力。其丰富的粗面内质网、核糖体以及活
跃的高尔基体也表明了此时冬芽仍具有旺盛的合成能力。
以上的冬芽叶片的结构和生理特点表明, 冬季低温时冬芽并不是像绝大多数的二年生或多年生的
陆生植物那样, 以大幅度地降低自身的代谢速率来度过寒冷的冬季, 而是通过自身的积极的生理活动来
形成主动的抗寒能力。本文所揭示的莼菜冬芽叶片较为特殊的生物学特征,为进一步研究其机理提供了
有益的基础性资料; 同时也为我们如何在生产中采取相应的措施提高冬芽的抗寒能力, 保证引种、扩种
的成功, 提供了有益的启示。
参 考 文 献
1 张四美,陈维培. 莼菜冬芽的形态结构及其发育. 武汉植物学研究, 1988, 6: 25～30
2 上海植物生理学会.植物生理学实验手册.上海:上海科学技术出版社, 1985.
3 Arnonm D I. Copper enzymes in isolated ch loroplast s in Be ta rulg ari s. P lant P hysiol , 1949, 24( 1) : 15
4 Perr y T O. W inter break down of the photosynthet ic apparatus of evergreen species. Forest S ci, 1966, 12: 298～300
5 Senser M , Sch otz F, Beck E . S easonal changes in st ructure and funct ion of spruce chloroplas ts . Planta, 1975, 126:
1～10
6 孙爱民,孙其信.有关小麦抗寒生理的研究概况.国外农学(麦类作物) , 1985, 6: 32～35
7 王荣富.植物抗寒性指标的种类及其应用.植物生理通讯, 1987, 3: 49～55
8 简令成,孙龙华.寒冬中冬小麦胞间连丝的阻断及其在稳定抗寒力上的作用.见:中国科学院植物研究所编.植物学
集刊(第 6集) , 1992. 157～162
99 第 2期 徐国华等:莼菜冬芽越冬阶段叶的解剖学和生理学研究
AN ANATOMICAL AND PHYSIOLOGICAL STUDY
ON THE LEAVES OF WINTER BUDS OF
BRASENIA SCHREBERI GMEL.
Xu Guohua Chen Weipei Wei Jincheng Shi Guoxin
( Dep ar tment of B iology , Nanj ing N ormal Univ er si ty Nanjing 210097)
Abstract An ult rastr uct ur al and physio lo gical study on the leaves of w inter buds has been car r ied out
in this paper . The r esults show t hat the cell o rg ans of t he leaves from the w inter buds ar e integ ral de-
spit e the cold str ess, and t hey can still maintain a per fect phy sio lo gical funct ion. The str uct ur al and
phy siolo gical character istics o f the leaves of w inter buds indicate that : they don′t sur viv e t he w inter pas-
sively by decreasing their metabolism rate, as the manner o f most o f the t err estrial plants, but sur vive
the w inter act ively w it h their v ig or ous metabolism.
Key words B rasenia schr eber i Gm el., Leaf of w inter bud, U ltr ustr ucture, Phy siolog y , Cold-resist ance
图 版 说 明
图 版 Ⅰ
Cp.叶绿体; Cw .细胞壁; Er.内质网; Gb.高尔基体; M i.线粒体; N .核; Nu.核仁; Os .嗜锇颗粒; P.胞间连丝; Pt .栅栏
组织; Sg.淀粉粒; St .海绵组织; T h.基粒类囊体; V .液泡; Vb.维管束
1.示冬芽沉水叶整体结构(× 100 ) ; 2.叶肉细胞,示浓厚的细胞质,液泡小,叶绿体分散在细胞质中,线粒体多(箭头)
( ×5000) ; 3.示细胞核(×6 000) ; 4.示叶肉细胞间发达的胞间连丝(×30 000) ; 5.叶肉细胞叶绿体类囊体发育完好,
淀粉粒多且大,嗜锇颗粒少(×15 000) ; 6.示叶肉细胞内大量的叶绿体和线粒体( ×17 000) ; 7.示高尔基体和线粒体
(×30 000) ; 8.示叶肉细胞中的高尔基体和粗面内质网以及大量的游离核糖体(×40 000)
Explanation of plate
P lat e Ⅰ
Cp. Clo roplast; Cw . Cell w all; Er. Endoplasmic ret iculum; Gb. Go lg i body ; M i. M ito chondr ium; N . Nucle-
us; Nu. Nucleous; O s. O smiophilic body; P. P la smodesma ; Pt . Palisade tissue; Sg . Star ch gr ain; St. Spongy
tissue; T h. Thy lako ids o f gr anum; V . Vacuole; Vb. Vascular bundle
1. Show ing the str uct ur e of submerged leaves(×100) ; 2. A sing le m esophy ll cell, show ing condensened
cytoplasm, small va cuo le, scatter ed chlo roplasts and t he abundant mito chondr ia ( ar r ow ) × ( 5 000) ; 3.
Show ing a nucleus (×6 000) ; 4. Showing the dist inct plasmodesm betw een tw o mesophyll cells (×
30 000 ) ; 5. The str uctur e o f chlo roplast, show ing well-developed thylakoid, big and abundant star ch
gr ains and little o smiophilic bodies(×15 000) ; 6. Show ing abundant mito chondr ia and chlo roplasts (×
17 000 ) ; 7. Showing go lg i body and mito chondr ia with flour ishing crist ae(×30 000) ; 8. Showing go lg i
bodies, r ough endoplasmic reticulum and lots o f free r ibosomes(×40 000)
100 武汉 植 物学 研究 第 17卷