（植物学专业论文）香蒲目营养器官解剖、花发育及其进化生物学意义.pdf

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育并与黑三棱属作了比较。黑三棱属与香蒲属有显著相似之处，但花被片的发生 区别较大。鸭跖草目花的成熟结构与香蒲目差别极大，从代表植物花器官发育过 程看亦无共性可言。 本文的研究进一步肯定了黑三棱属与香蒲属有密切联系且前者比后者原始 的观点，不支持香蒲目直接起源于鸭跖草目的看法。香蒲目可能与鸭跖草亚纲 ( c o m m e l i n i d a e ) 有亲缘关系但很早就从共同祖先分化出来了。 关键词：香蒲目解剖学花发育系统学 a b s t ra c t t y p h a l e sc o n t a i n st w og e n e r a , s p a r g a n i u ma n dt y p h a i ti saw i d e l yd i s t r i b u t e d o r d e ro fm o n o c o t y l e d o p s i d aw h i c hh a sr a t h e rf e ws p e c i e s t h e r eh a sa l w a y sb e e n m u c ha r g u m e n to v e ri t ss y s t e m a t i cp o s i t i o n a sw e l la sd i f f e r e n tv i e w sa b o u tt h e e v o l u t i o n a r yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a r g a n i u ma n dt y p h a t h ev e g e t a t i v eo r g a n sa r e a n a t o m i c a l l ys t u d i e d ，t h ed e v e l o p m e n to f f l o r a lo r g a n si so b s e r v e di nt h i sp a p e r t h e n t h e r ei sad i s c u s s i o no nt h es y s t e m i ce v o l u t i o no f t y p h a l e sb a s e do na v a i l a b l ed a t a t h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fr o o t s , r h i z o m e , s t e m sa n dl e a v e s , a r es t u d i e db y m e a n so fp a r a f f i ns e c t i o n s w i t ho b s e r v a t i o no fd i f f e r e n td e v e l o p m e n t a lp h a s e sa n d p o s i t i o n so fl e a v e s , i ti si n f e r r e dt h a tt h el e a fs t r u c t u r eo ft y p h am a yh a v ee v o l v e d f r o mt h a to f s p a r g a n i u m t h es t r u c t u r eo f o o t s , r h i z o m e sa n ds t e m si nt h et w og e n e r a q u i t er e s e m b l ee a c ho t h e r t h el a y e ro ff i b e rc e l l s , w h i c hm i g h tf e a t u r et h eo r d e r , d i v i d e st h ep a r e n c h y m ai ns t e m si n t ot w op a r t s a l lt h ev e g e t a t i v eo r g a n sh a v eg a s c h a m b e r so ra tl e a s t 弛r e n c h y m a t h i sm e a n st h a tp l a n t si nt h eo r d e rh a v el o n gb e e n a d j u s t e dt oa q u a t i co rm a r s h ye n v i r o n m e n t s t h ep r o c e s s e so ff l o w e rd e v e l o p m e n to ft y p h aa n g u s t i f o l i al i n n a n d c o m m e l i n as a c r e a s e ap u r p u r e ab o o m ，w h i c hr e s p e c t i v e l yr e p r e s e n tt y p h aa n d c o m m e l i n a l e s , a l eo b s e r v e d a n d c o m p a r e d w i t ht h a ts p a r g a n i u m t h e r ea r e s i g n i f i c a n t r e s e m b l a n c e sb e t w e e ns p a r g a n i u ma n dt y p h aw h e r e a st h e i rt e p a l d e v e l o p m e n t s h o w sr e m a r k a b l ed i f f e r e n c e s a l s om a t u r ef l o w e r s t r u c t u r eo f c o m m e l i n a l e sa n dt y p h a l e sb e a r sn or e s e m b l a n c e s t h ev i e wi sa f f i r m e df o r t h e ri nt h i sp a p e rt h a ts p a r g a n i u ma n dt y p h aa r ec l o s e l y r e l a t e d ，a n dt h ef o r m e ri sm o r ep r i m i t i v e a tt h es a m et i m et y p h a l e si sn o tc o n s i d e r e d t oo r i g i n a t ei m m e d i a t e l yf r o mc o m m e l i n a l e s i tm i g h th er e l a t e dt oc o m m e l i n i d a e , b u td i f f e r e n t i a t e da w a yf r o mc o m m o na n c e s t o r se a r l y k e yw o r d s ：t y p h a l e s a n a t o m y f l o w e rd e v e l o p m e n t s y s t e m a t i c s 2 i i 香蒲目植物的简介 1 引言 香蒲目是单子叶植物纲( m o n o c o t y l e d o p s i d a ) 中除h y d a t e l l a l e s 外最小的一个 目。它仅含两个单属科，即黑三棱科( s p a r g a n i a c e a e ) 和香蒲科( t y p h a c e a e ) ， 前者已知约2 0 种，后者1 8 种( 张宏达等，2 0 0 4 ) 。世界性分布，但以北温带为 多。这两科在全国均有分布，但以东北较多。黑三棱科在西南一带也较多。 香蒲目植物均为典型的沼生或水生草本。有匍匐的根状茎，上部出水；维 管束闭合，多数，或多少呈星散状，无次生生长；筛管质体具楔形的蛋白质内含 物；导管具梯状穿孔板；叶互生，2 列，长线型，海绵质，具平行脉，基部呈鞘 状，无柄，其气孔为平列型；两科均有部分种叶背面具龙骨状突起，因而横切面 呈三角形；典型的风媒花，单性同株，无柄或近无柄，排成密集的穗状或头状花 序。花被片细小，退化为丝状或鳞片状；雄蕊l 8 枚，但通常3 枚；花丝分离 或下部结合；花粉粒单孔；心皮l 枚，黑三棱科偶尔有2 3 枚完全发育心皮， 并合生而形成复子房的情况；雌蕊普遍为假单基数，胚珠l 颗或每室一颗；珠被 2 层；胚乳为淀粉质，具一薄层的外胚乳；染色体基数为x = 1 5 ( 张宏达，2 0 0 4 ) 。 两科之间的差异对比见表l 。 表l 黑三棱科和香蒲科的比较 t a b l e lc o m p m s o no fs p a r g a n i a c e a ea a dt y p h a c e a e 1 2 系统学上的争议 1 2 1 香蒲目的起源和归属 在单子叶植物纲的内部安排上，塔赫他间系统和克朗奎斯特系统的观点大 方向是一致的，即都承认单子叶植物是单起源的，并且可分为三大支系，其中两 支系为泽泻亚纲( a l i s m a t i d a e ) 和槟榔亚纲( a r e c i d a e ) ，其余单子叶植物的划分上两 系统虽有区别但均认为他们是有共同起源并且相比其余两亚纲这些类群相互之 问有密切联系，从而形成与那两亚纲并列的一个分支。唯独在香蒲目的地位上两 者迥然不同。塔赫他间系统中香蒲目位于槟榔亚纲并与露兜树目( p a n d a n a l e s ) 靠 近；克朗奎斯特系统中它被移到了由百合亚纲( l i l i i d a e ) 、姜亚纲( z i n g i b e r i d a e ) 和 鸭跖孽亚纲组成的这一分支中，并直接起源于鸭跖草亚纲中的鸭跖草目( 昊国芳 等，1 9 9 2 ) ( 图版i ：l ，2 ) 。t h o r n e ( 1 9 7 6 ) 和s a v i l e ( 1 9 7 9 ) 曾一度认为菖蒲 属翻c o r l l $ ) 与香蒲目有一定的亲缘关系。t h o m e 系统中香蒲目自成一超目，是孤 立的，但与鸭跖革超甚略接近( 国舨i i ：3 ) d a h g r e n 系统中它与风黎耳 ( b r o m e l i a c e a ) 、田葱科( p h i l y d r a c e a e ) 和雨久花科( p o n t e d e r i a c e a e ) 是近缘类群( 王 文采，1 9 9 0 ) ( 图版：4 ) 。 1 2 1 1 香蒲目与露兜树目的关系 根据现代的研究，香蒲目与露兜树目的亲缘关系似乎并不密切( 张宏达等， 2 0 0 4 ) 。露兜树目具有螺旋状生长的式样、胚珠不下垂、4 细胞型气孔及无淀粉 质胚乳等特征均与香蒲目不同。尤其是其乔木状习性在整个单子叶植物中都是罕 见的，而香蒲目则均为典型的水生草本。孢粉学、胚胎学、血清学和染色体等方 面的研究也都不支持两目有密切联系( 陈耀东，1 9 8 1 ) 。从化石方面看，黑三棱 科花粉化石在白垩纪地层就已出现，香蒲科出现于始新世，而露兜树目却仅见于 中新世。另外从分布上看，露兜树目仅产于热带而香蒲日以北温带为最盛。因此， 4 他们在花部退化、花序构造和染色体基数方面的类似可能仅仅是趋同进化或偶 然。 1 2 1 2 香蒲目与鸭跖草亚纲的关系 克朗奎斯特系统中香蒲目直接来自鸭跖草目，并紧密相关。然而，两目在 花部结构上( 至少是成熟结构) 显然有极大差异前者全为单性花，花部结构高 度特化适应于风媒传粉，而后者普遍的虫媒传粉，具两性花，花部定数，花萼花 冠区别显著，有些类群甚至出现向两侧对称演化的趋势。但不排除在花原基发生 和发育过程中两者存在相似性的可能。张宏达虽然以此目具有与风媒相联系的花 部退化、具平列型气孔、导管存在于所有营养器官以及含有粉质淀粉胚乳为由将 其归入鸭跖草亚纲，但却并未给出其在此亚纲的具体位置( 张宏达等，2 0 0 4 ) 。 g i v n i s h 等( 1 9 9 9 ) 通过对单子叶植物r b c l 序列研究认为单子叶植物中与香蒲目 较接近的是鸭跖草亚纲的部分类群，但并不很密切。柳克玲将此目所含次生物质 的资料汇总再与其他类群比较后认为香蒲目在化学上似乎与帚灯草科 ( p e s - t i o u a c _ , e a e ) 、须叶藤科( f l a g e l l a r i a c e a e ) 、谷精草科( e r i o c a u l a c e a e ) 和灯心草 科( j u n c a c e a e ) 等接近( 周荣汉和段金廒，2 0 0 5 ) 。 1 2 1 3 香蒲目与菖蒲属的关系 s a v i l e 和t h o m e 观点的依据是菖蒲属与香蒲目有共同的真菌寄生病原体， 叶片形态相似，都具有多核的花粉绒毡层细胞，项生胎座，花药内向开裂，具外 胚乳等共同特征( g r a y u m ，1 9 8 7 ) 。s a v i l e 很早就发现菖蒲属植物与黑三棱属植 物有相同的真菌病原体，这曾经对认为天南星科( a r a c e a e ) 与黑三棱科关系甚 远的观点产生了很大的冲击( 潘月红，2 0 0 3 ) 。受此影响，后来的一些学者在建立 被子植物系统时大大拉近了天南星科与黑三棱科的关系。t a k h t a j i a n ( 1 9 6 9 ) 和 h u c h i n s o n ( 1 9 7 3 ) 把天南星科和黑三棱科放在相邻的目，t h o m e ( 1 9 7 6 ) 将其放 在天南星 j ( a r a l e s ) 中的不同亚目中。s a v i l e 在1 9 7 9 年出版了著作“f u n g ia sa i d s i nh i g h e rp l a n tc l a s s i f i c a t i o n ”，专门提到了菖蒲属的a c o r # sc - a l t o r i g s 和黑 三棱属的s p a r g a n i u me u r y c a r p u m 对同一真菌病原体的易感性因而菖蒲属与香蒲 目可能有亲缘关系。 菖蒲属植物在天南星科的地位自从2 0 世纪7 0 年代以来受到了广泛的质疑， 被发现有一些独特的特征区别于整个天南星科其他植物。实际上分子系统学研究 5 认为菖蒲属是所有其他单子叶植物的姊妹群( 孙坤等，1 9 9 8 ) 。在d u v a l l 等 ( 1 9 9 3 a ) 通过叶绿体基因组r b c l 序列构件的分支系统树和d a v i s ( 1 9 9 5 ) 等利 用叶绿体d n a 限制性位点变异构件的分支图中，菖蒲属与黑三棱属、香蒲属都 相距甚远。从茎叶解剖特征、叶表皮特征、花粉形态特征及花器官发生特点等也 均表明菖蒲属与香蒲目差异明显( 潘月红，2 0 0 3 ) 因此，认为两者问有密切关 系是牵强的。 1 2 1 4 香蒲目与凤梨目，田葱目和甬久花目的关 d a h l g r e n 观点的依据是香蒲目具有沼泽生，叶二列，茎的导管有梯状穿孔 板，含有草酸针晶体，气孔为平列型，花完全( 黑三棱科) ，胚乳沼生型，含淀 粉。但是这不仅完全忽略了花器官的特征，而且所举这些特征可以在鸭跖草亚和 槟榔亚纲的一些类群找到，亦无任何分子证据，因此这个观点可信性较差。 1 2 2 香蒲属与黑三棱属的关系 1 2 2 1 现有的见解 e n g l e r 和p r a n t l e 以及r e n d l e 等学者认为应由露兜树科( p a n d a n a c e a e ) 、黑 三棱科和香蒲科共同组成露兜树目，r e n d l e 还特别强调露兜树科与黑三棱科亲缘 关系最为接近，而b e n t h a m 和h o o k e r 认为应由黑三棱属和香蒲属应合并为一 科。目前的研究多倾向于两者有较密切联系( 陈耀东，1 9 8 1 ) 。在光镜下黑三棱 属和香蒲属的花粉形态很类似不易区分，但电镜下仍可观察到显著区别( 张玉龙 和陈耀东，1 9 8 4 ；赵宏和韩晓弟，2 0 0 4 ) 。廖矛川等( 1 9 8 9 ) 分析了香蒲属植物 花粉中的黄酮类成分并与黑三棱科及可能相关的1 6 个科作比较，发现与黑三棱 科非常接近，而与露兜树科相差甚远。胚胎学，血清学和染色体方面的研究也支 持两属有密切关系的看法( 陈耀东，1 9 8 1 ) 。李晓贤对单子叶植物作了形态学分 支分析，香蒲目作为单子叶植物的一个单系类群获得了9 3 的靴带支持。d u v a l l 等( 1 9 9 3 b ) 利用叶绿体r b c l 基因序列进行的系统学研究亦支持本目为单系类群。 潘月红( 2 0 0 3 ) 用扫描电镜技术研究了曲轴黑三棱( s p a r g a n i u m f a l l a xg r e a b n ) 后发现其雌花发育过程中有苞片与雌花的复合原基出现：同种内雄蕊原基数目 李晓贤2 0 0 5 年博士论文单子叶植物高级分类阶元系统学及水生起源 6 和花被原基数目很不确定；雄花的花被原基和雄蕊原基均以螺旋状方式发生；雌 蕊心皮发育过程中有。囊状心皮”的特点；雌花和雄花的发生均表现出弥散、不 规则状。她得出了黑三棱属是单子叶植物中一个比较特殊的类群的观点，对黑三 棱属与香蒲属的关系。深表怀疑”，并认为应该“深入研究”，但她并未给出香蒲 属花发育过程的任何信息。 至于两者哪一属更原始或更进化，m o r o n g 认为黑三棱属是由香蒲属的花被 苞片分成若干部分，尔后这个穗状花序进一步发展成为头状花序并迸一步产生一 定距离的结果。h u t c h i n s o n 以及b e n t h a m 和h o o k e r 的看法与此相反，认为后者 起源于前者( 陈耀东，1 9 8 1 ) 1 2 2 。2 穗状黑三棱的发现及意义 我国学者陈耀东于1 9 8 1 年发表了黑三棱属的一个新种穗状黑三棱 ( s p a r g a n i u mc o n f e r t u m ，又名密集黑三棱) ，并发现该种的很多特点在黑三棱属 中都相当独特。他认为这是一个连接黑三棱属与香蒲属的极好例子，并进一步推 断香蒲属正是由穗状黑三棱或其类似种演化而来的，而且香蒲科应由分别只包含 黑三棱属和香蒲属的两个族组成。 穗状黑三棱的雌性头状花序向后延伸，紧抱主轴及苞片基部，相互连接形 似穗状花序；其上方雄花序也较为密集，花期亦近于穗状；花被片呈现不定数的 浅裂或深裂( 香蒲属中可以见到有些丝状毛基部合生的情况) ，排列不像其他同 属植物那样整齐；雌花序中出现大量不孕雌花，而且雌花具有长子房柄。这些特 点均为穗状黑三棱区别于其属内其他种而近似香蒲属的特征 从表l 中也可发现香蒲科区别于黑三棱科的各种特征除雌花花被数外均为 较进化的表现。如果香蒲科雌花上的丝状结构并非对应一枚花被片而是由花被片 通过深裂演化而来，则丝状毛多而不定数这一点也将是次生和进化的特征。穗状 黑三棱的花被片不整齐排列及存在深裂现象提示的是香蒲属丝状毛分成多轮排 列的可能的起源途径。 陈耀东还注意到香蒲属中一个非常特殊的现象对于研究它与黑三棱属的关 系很重要，即同一枝上的穗状花序中夹杂大型苞片。所有香蒲属植物雄花序均有 一枚总苞生于雌雄花序之间。有的种雄花序内部也具有被雄花紧密包围的早落总 苞，陈耀东观察到这一现象也出现在香蒲( r y p h a o r i e n t a l i a p r e s l ) 的雌花序中。这 7 是两个属的花序同源性的强有力证据，也强烈暗示香蒲属貌似完整一体的花序尤 其是雄花序其实是由不同花序联合而成的。他认为按照m o r o n g 的“黑三棱属是 由香蒲属的花序被苞片分成若干部分而成”的观点，“苞片对于花序来说应该有 着非常重要的意义，他很可能是宿存的，或者至少也是晚落的”。很难想象在香 蒲属高度特化和极密集的适应风媒传粉的花序中间会出现大型的苞片；尤其是位 于花序内部被小花密集包围的苞片也根本起不到保护幼嫩花序的作用它们 都很短，包不住花序的任何部分。而如果将其作为原来分散花序的总苞的残留痕 迹很容易理解了。 1 3 拟解决的问题 对香蒲目的营养器官结构虽有大致的描述但无详细的报道。本文以黑三棱 科的黑三棱( s p a r g a n i u ms t o l o n i f e r u m ( g r e a b n ) b u c k - h a m e xj u z ) 和香蒲科 的水烛为材料通过常规石蜡切片法在显微水平上对此进行了解，尤其希望了解结 构较复杂而富含海绵质的叶片的发育过程。 利用扫描电子显微镜技术对鸭跖草目鸭跖草科( c o m m e l i n a c e a e ) 紫竹梅属 ( s e t c r e a s e a ) 的紫竹梅和香蒲目的水烛的花的发育过程进行观察。并通过与黑三棱 属花发育过程进行对比，提供与它们之问的演化关系有关的证据。 8 2 实验材料的采集和预处理 2 1 实验材料的采集 实验中选取的材料见表2 ，凭证标本保存于西北大学生科院植物标本馆 ( w n u ) 。 表1 材料来源 t a b l e lo r i g i no f m a t e r i a l s 黑三棱为多年生水生或沼生草本。有根状茎。地上茎直立，挺水。叶片线 形，具中脉，上部扁平，下部背面呈龙骨状凸起，或呈三棱形，基部鞘状。圆锥 花序开展，具3 7 个侧枝，每个侧枝着生7 1 1 个雄头状花序和l 2 个雌头状 花序，主轴顶端常具3 5 个雄头状花序，无雌花序。 水烛为多年生水生或沼生草本。有根状茎。地上茎直立，较细弱。叶片线 形，背面隆起。叶鞘通常具有叶耳，下部为圆筒状，具膜质边缘。雌及雄穗间距 离变化悬殊，一般在o 5 1 2 厘米之闻，雌下雄上。雌穗状花序长8 2 0 厘米， 深褐色或红褐色；可育花具梗，梗密生长毛；不育花花梗下部具长毛。雄穗状花 序较短小细瘦；花药2 3 个为一簇，生于分枝的花丝上。 紫竹梅为多年生草本，全体紫色，枝茎柔软，呈下垂状。叶片槽形，叶长 圆状披针形，长1 5 厘米，宽5 厘米，叶面具暗色脉纹，叶鞘边缘鞘口有睫毛， 苞片贝壳状，聚伞花序缩短生枝顶。花辐射对称，3 基数。花被萼冠异形；萼片 3 ，绿色；花瓣3 ，淡紫色。雄蕊6 枚，排成两轮。心皮三，合生成复合、上位、 3 室的子房。 9 2 2 营养器官 根在f a a 固定液固定之前切成4 m m 左右的小段。 茎在形态上均分为根状茎和地上茎，结构有所不同，需要分别固定。水烛 的两种茎都比较粗大，必须分别切成两部分方可固定。由于根状茎富含海绵质， 切割时必须手持材料。若将材料放在桌面上切则质地柔软的茎会因挤压而显著变 形。另外刀口必须迅速切入，否则切面不整齐。 两种植物的叶片均富含海绵质，幼嫩部分与成熟部分结构区别明显，因此 须从叶片的最基部附近开始将叶片分成数个部分分别固定，并在标签上按顺序区 分。切割时叶片保留宽度应大于总宽度的一半。在靠近基部的地方许多叶片紧密 嵌合，因此可以将其整体固定。 营养器官均用7 0 e o 浓度的乙醇配制的f a a 固定液固定。 2 3 花 紫竹梅与水烛分别代表了开花习性的两个不同类型。紫竹梅花期非常长， 为5 9 月。整个芘期新的花原基持续不断的分化出来，可以见到处于不同发育 阶段的花。难以凭肉眼分辨花原基发育的阶段，所以须通过大量采集的方式尽量 的覆盖各个时期。 水烛的花从花原基出现到花发育完成的整个过程发生在5 月中上旬，总共 约两周时间。不同植株的花发育在时间上一致性极强，3 天采一次为宜。花序的 发生是在莲座状生长停止、节间伸长后很快开始进行的。由于叶基部有很长一段 紧密嵌合部分，因此必须将其剥开方可判断花序的发育情况。花序形成后较长一 段时间里仍被叶基部包围，当花序从叶基部中抽出时，花发育早己进行很久，因 此容易造成错过花发育的早期。 花芽幼嫩而富含承分，应固定在5 0 浓度的乙醇溶液配制的固定液中，若 用7 0 的固定液则易脱水造成材料柔软，不利以后的剥离处理。 1 0 3 实验方法 3 1 营养器官的石螬切片制作 以乙醇系列脱水并用二甲苯透明( 8 5 乙醇_ 9 5 乙醇无水乙醇卜 一无水乙醇田【- 一l ，2 无水乙醇+ 1 陀二甲苯二甲苯，除无水乙醇脱水外均为 2 小时) ，6 0 0 c 浸蜡，石蜡包埋，常规切片法切片( 厚度为8 微米) 。番红固 绿对染法染色，用l e i c a - d m l b 显微镜观察并照相。 浸入固定液以前的材料要先进行抽气处理，赶出材料中的气体使固定液尽快 渗入材料内部使内部结构保持原状，也有利于切片时蜡膜保持完整。由于叶和茎 普遍的海绵质化，材料中的气体多且难以排除净，解决方法除增加抽气次数外， 也可适当缩短材料长度或厚度。 脱水过程中有两部震要过无水乙醇。由于其脱水作用强烈。过分脱水可导 致材料收缩变形，脱水不足又会影响蜡膜质量，因此这两部的时间长短控制很关 键。根据材料形状和质地的不同，每一部可控制在1 2 小肘之间。本实验中根 的每步1 0 0 乙醇脱水时问只需l 小对即可。 脱水和透明之间的衔接步骤为二分之一乙醇二分之一二甲苯。如果在 其中溶解少数番红则可令材料着色，在以后修蜡块时就可以很清晰的分辨出材料 韵位置和形状。即使是绿色箭叶片，在经历乙醇作用后色素也会溶液殆尽，所以 着色也是必要的。 3 2 花发育的扫描电子显微镜观察 3 2 1 基本过程 用于在扫描电镜下观察的材料，在体视显微镜下按需要剥去幼叶、苞片或 花被片，暴露需要观察的部分，以乙醇和乙酸异戊酯浓度梯度系列脱水( s 5 乙 醇9 5 乙醇无水乙醇卜一无水乙醇屯，3 无水乙醇+ l ，3 乙酸异戊酯 l 2 无水乙醇+ l ，2 乙酸异戊酯l ，3 无水乙醇+ 2 3 乙酸异戊酯乙酸异 戊酯卜一乙酸异戊酯l l ，除无水乙醇脱水外均为2 0 分钟) ，c 0 2 临界点干燥， 粘台，真空喷金镀膜，在h i t a c h i s - 5 7 0 型电子显微镜下观察照相。 3 2 2 剥花工具制备 观察花的整个结构或雌蕊、雄蕊需要剥除覆盖在外面的幼叶和花被片由于 没有专门的剥花工具可供选购，因此需要手工制作。将最小号的缝衣针插入烤至 半融状态的牙刷柄一端，凝固后即可。对于微小的鸭跖草花原基来说这样的针仍 显粗笨，可以用细油石将其磨至足够尖细。磨制过程每枚针大约需要3 4 小时。 然后在乙醇灯下用镊子将其慢慢弯曲。在这个过程中针尖不可距离灯焰太近，否 则针尖将很容易被烧掉。制作用来进行切除多余部分的工具可以将针尖磨成锐利 的扁平状，用同样的方法将其弯曲。缝衣针可直接作为用来稳定材料的工具，也 可根据需要略微磨制。 3 2 3 关于如何防止材料收缩的两个问题 由于材料小且质地幼嫩，极易在操作过程收缩。如何防止材料收缩是扫描 前准备工作最需注意的。 本实验中体积小而嫩材的料对无水乙醇十分敏感，因此掌握好无水乙醇脱 水时间。尽管通常认为以每一步2 0 r a i n 为宜，但在本实验中这显然过长了，最终 很可能造成材料收缩至严重影响观察甚至根本无法观察的程度。经摸索发现，试 验中以每步l l m i n 为最佳，这样既可保证脱水彻底又可防止材料收缩。 c 0 2 临界点干燥之前换纸片是容易导致材料收缩的另一步骤。对于本实验 的材料来说不宜采用常规方法将材料移至新纸片上。由于材料过小，转移起来困 难、易破损、耗时长。材料在空气中暴露时间稍长则容易导致乙酸异戊酯的过分 挥发而引起材料收缩。较好的做法是去除网扣后先用滤纸将网扣外表擦过，打开 后用尖镊子小心取出两面的纸片，迅速将网扣上的残留乙酸异戊酯拭干( 用干纸 片拭两次即可，不必像一般情况那样拭到完全干燥) ，再在网口两面分别铺上一 个纸片，最后将原来带有材料的纸片放回网扣。这样每个网扣就有四张纸片。经 调整的这一步骤有两个优点：一是不转移材料和不彻底拭干网扣可压缩暴露时间 从而有效防止材料收缩，而是四张纸片可以更有效的防止材料丢失( 细小材料很 容易在操作中丢失) ，也可能起到减缓乙酸异戊酯挥发的作用。 4 观察结果 4 1 根 黑三棱和水烛的根的结构无显著差别( 图版i ：l 3 ) 。它们的根由表皮、 皮层和中柱组成。黑三棱皮层接近表皮的约2 层细胞完整而排列紧密。水烛约有 5 层这样的细胞。皮层细胞大部分解体，形成了大的气腔。这些气腔之间被解离 了的薄壁细胞的残余细胞壁和残存薄壁细胞所构成的薄片隔开。靠近中柱鞘的约 3 层皮层薄壁细胞仍然多少保留。内皮层为一圈大小、排列均整齐的细胞构成， 具有单子叶植物常见的内切向壁及径向壁增厚的现象。维管束是典型的初生结 构。中央的髓细胞壁本质化增厚。 4 2 根状茎 4 2 1 黑三棱的根状堇 表皮及其以下约4 层皮层细胞趋于解体，纤维细胞束排成一圈分布其中( 图 版：l 3 ) 。向内是约4 层排列紧密、略呈长方形的薄壁细胞。皮层的大部分 均解体，仅剩余细胞壁残片，亦即肉眼所见的白色海绵质，有少量纤维细胞束分 布其中( 图版：4 ) 海绵质中残留一些呈圆形并被染为紫色的细胞。皮层最 内3 层围绕中柱的细胞不解体，直径小且排列紧密。中柱由薄壁细胞及散生的维 管束组成( 图版i v ；5 6 ) 。维管束鞘显著，为纤维细胞。 4 2 2 水烛的根状茎 水烛幼茎表皮细胞为一层整齐的横切面上呈方形的细胞；表皮以内的几层 细胞为较小而排列紧密、无明显间隙的薄壁细胞；继续向内是较大而有明显细胞 间隙的细胞；接着就是排列整齐无间隙呈同心圆状的几层细胞；内皮层以内为无 显著细胞间隙的薄壁细胞( 图版v ：1 3 ) 。除同心圆状细胞层以外，整个茎都 散布着较小的、排列紧密的细胞束，将来发育成维管束或纤维束。 成熟茎中表皮细胞趋于脱落，邻近的约3 层薄壁细胞依然排列紧密而完整， 起到保护的作用( 图版v ：4 6 ) 。这3 层细胞以内的区域细胞普遍的死亡瓦解， 只留下细胞壁残片、内皮层和散布的维管束、纤维束。内皮层以内多维管束，残 片多而密集。以外则多纤维束，残片较少而稀疏( 图版：v 1 ：7 i o ) 4 3 地上茎 4 3 1 黑三棱的地上茎 最外层为表皮；表皮下有约2 层排列紧密、无叶绿体的薄壁细胞；向内为 数层排列琉松、细胞间隙甚大的薄壁细胞，其中最外2 _ _ 4 层含有叶绿体；紧接 着是约6 层直径极小的纤维细胞；纤维细胞层向内为薄壁细胞，是茎的主要部分 ( 图版v i i ：l 2 ) 纤维细胞层内外两侧的薄壁组织中均散布着维管柬，靠近 纤维细胞层的维管束较靠近中央有更发达的纤维。内侧薄壁细胞除紧贴纤维细胞 层的几层外，直径明显比外侧薄壁细胞大( 图版v i i ：2 3 ) ，排列紧密，有气 腔星散分布气腔愈靠近中央愈多且愈大( 图版v i i ：3 4 ) 。 4 3 2 水烛地上茎 最外一层为表皮；表皮下为数层排列紧密的薄壁细胞，其中散布着维管束 和纤维束；向内为约5 层直径极小的纤维细胞( 图版v i i i ：1 2 ) ；纤维细胞层 以内为散布着维管束的薄壁组织，是茎的主要部分。靠近纤维细胞层的维管束较 靠近中央的有更发达的纤维( 图版v i i i ：3 4 ) 。表皮与纤维细胞层之间排列着 一圈气腔。少量的气腔散布在纤维细胞层以内临近处。 4 4 叶 4 4 1 黑三棱叶片结构 黑三棱的叶结构从发育初期到成熟变化很大( 图版；图版x ；图版) 。 叶片基部进行居间生长，使得叶片不断伸长。成熟叶片最基部呈三角。在三角形 结构中，由于细胞活动不同形成了格子形结构( 图版：1 2 ) 。这些格子除与 中央横隔和表皮接触的外均呈现规则的六角形蜂窝状。格子的框架是由排列紧 密、细胞核大的细胞构成。这些细胞有的出现双核现象，显然它们处于生命活动 活跃的状态，正活跃地进行分裂。框架以外是一些细胞核小、排列稀疏、呈多臂 形或星形的细胞，它们相互之问靠臂的端部接触，并在臂与臂之间形成了空腔。 它们似乎已经处于生命活动逐渐停止的状态，由于随着生长横切面逐渐扩大它们 不分裂或分裂速度慢而逐渐被拉伸成这种形态。在格子框架与背腹两面接触的地 方可以看到维管束，背面维管束发育早于腹面( 图版x i i ：3 4 ) 。在叶片基部， 大部分格子结构钓角上可以看弱染色较深、排歹l j 密集鲍细胞团，岔时片基都囱上， 大部分格子结构的角上都有一个维管束或纤维束；多臂形的细胞逐渐解体，这样 就形成了大的气腔，气腔内仍可见大量的解体细胞的残片；构成格子结构框架的 细胞的活动也逐渐趋于停止和解俸，由开始时的多剜逐渐减少到1 歹d ，并且规妫 的六角形格子也开始变形；叶片上部格子框架细胞彻底解体，仅残余细胞壁( 图 版i x ：3 6 ：图板x ：图板) 。 在叶片的先端，这种气腔仅出现在叶片的中央部分趋于篌近消失，边缘部 分则呈现另种结构( 图版：1 5 ，1 8 ) 。这里的厚度要比叶片中央窄的多。由 一个维管束及周围的数个薄壁细胞组成连接叶片上下两面的隔，每相邻两个隔的 中间是一个窄而长的气腔。另外在气腔的中央位置叶片的上下_ 两面上分别有一个 小的维管束。从极幼嫩叶片的横切可以看到这时横切面是接近线型面非心形的 ( 图版：1 2 ) 。在线性结构中薄壁组织分为明区和暗区，相间排列成一排。 暗区发育出维管柬，维管束问逐渐形成空腔。这实际上恰好就是成熟叶子先端的 结构的雏形。也就是说叶子在刚开始发育时横切面并不是心形结构，心形结构是 随着叶片的伸长而逐渐形成的。从叶片基部向上，格子数目逐渐减少，气腔结构 越来越简单并向中央集中。叶片的外观也反映了这个转变过程，由叶片先端向下 叶片的三棱状越来越明显，扁平的边缘越来越少，最终过渡到三棱柱状( 横切面 过渡到三强彤) 。 从叶片的基部横切面可以观察到明显的延伸成尾状的膜质边缘，无气腔结 构( 图版：1 ) 在外部形态上它是一层透明的膜状物，使叶片在基部互相紧 密结合 4 4 2 水烛的叶片结构 水烛叶片的内部构造形成过程相对简单( 图版x i i i ；图版x i v ) 叶片刚开 始发育野横甥面也是线型。以后 痞着缁魏分裂，曾数增多雨交厚接下来弱绩形 与黑三梭叶片发育初期相似，出现明暗相间的分区。暗的部分细胞更密集，将来 发育成并排的多个大小不等的维管柬和纤维束及其附近的薄壁细胞，也就是气腔 韵纵编，在叶片背面维管束发育比腹面和中同更旱些。明的部分缅胞大而稀疏， 将来发育成气腔。与黑三棱叶片前端类似，每个气腔中部的上下两面叶肉细胞中 分别有一个小型的维管束。在成熟结构中叶片由背腹两面、气腔和气腔纵隔组成， 每一部分靠近表皮的约4 层细胞为栅栏组织细胞，纤维细胞柬分布其中( 图版 x i v ：1 2 ) 。在叶片的边缘气腔纵隔缩短，其中的维管束和纤维束由多递减到1 个( 图版x v g5 ) 。 水烛叶片中气腔形成过程与黑三棱完全相同，也是由细胞停止分裂和逐渐 解体造成的。在成熟部分这些解体细胞的的残迹成为网状小片结构零散分布于气 腔内，即所谓“连接上下表皮的横裂片”( 张宏达，2 0 0 4 ) 。与黑三棱叶片不同的 是，其构成气腔间隔的薄壁细胞始终都保持完整而不趋于解体 水烛部分气腔中存在纤维束，这是与黑三棱气腔的区别。叶片发育到一定 时期，在发生气腔的位置零散地出现些直径很小的细胞聚成的细胞团，与周围 的大细胞形成鲜明对比，此即纤维束。在叶片上部从横切面上这些纤维柬悬空在 气腔中，并且由叶片基部向上其数量逐渐减少。这就是将香蒲叶片撕裂后气腔中 肉眼可见的细丝状物。 水烛叶片基部也具有膜质边缘，作用亦为令叶片结合在一起( 图版x v ：l 4 ) 。有气腔的部分的腹面仅有一层解体的细胞。膜质边缘向外延伸逐渐过渡到仅 具l 3 层细胞的结构。 4 5 花 4 5 1 紫竹梅的花 紫竹梅的花序为简单的聚伞花序( 图版x v i - 1 ) 。首先花原基边缘出现3 枚萼片原基，其中l 枚发育比其他2 枚稍早( 图版x v i - 2 3 ) 萼片发育结束 后，花原基中央呈正三角形( 图版x v i ：4 5 ) 。三角形的每个角延长并逐濒向 上弯曲，形成花瓣原基，同时在三角形的每条边上出现一个凸起，为外轮雄蕊原 基( 图版x v i ；6 ；图版x v i i ：7 ) 。随后在每个花瓣原基内侧出现内轮雄蕊原基 ( 图版x v i i ：8 ，9 ) 。接着在中央再次形成正三角形凸起( 图版x v ：1 0 1 2 ) ； 3 个边向上生长，每条边的中部向内凸起，即子房的隔膜；3 个角逐渐变为半圆 形，为3 枚心皮；以后心皮的边缘逐渐向内生长，子房闭合( 图版x v i i i * 1 3 1 4 ) 。 4 5 2 水烛的花 1 6 每年5 月5 日前后水烛莲座状生长结束，节问伸长开始花序原基随之形 成，但在一段时间内表面完全光滑，无任何花原基出现( 图版x g x ：1 ) ，与节问 无区别。5 月2 0 日前后雌花和雄花均发育结束。 4 5 2 1 雌花 水烛的花极小，密集地排列在圆柱形花序轴上，每朵花有一枚苞片。原基 发生是从花序轴表面凸起开始的( 图版x i x ：2 5 ) 这些突起有的是大块，有 的面积较小，弥散分布在花序上。小的凸起直接发育成花和苞片，即花和苞片共 同起源于复合原基；大的凸起则会进一步分化出新的复合原基，复合原基出现伴 随着它的一侧的一个尖角的出现，即苞片原基，而主体部分顶面观则仍呈现圆形 ( 图版x i x ：6 ；图版x x ：7 1 0 ) 。以后苞片迅速长大，最终发育成相对雌花 来说是大型的狐尾状外形( 图版x x ：1 1 1 2 ) ，完全遮盖了雌花。 雌花原基在向上突起时，其外围会出现排列成约4 轮的整齐的凸起，这些 凸起上会发生小的凸起，它们逐渐发育成雌花的丝状毛( 图版x x ：图版x x i ) 。 从侧面可以发现最外轮丝状毛基部联合，其余完全分散，但仍然是整齐的一轮( 图 版x x i ：1 3 ，1 4 ) 。原基的顶端会逐渐在中心凹陷，边缘隆起，从而成为碗状， 即雌蕊原基( 图版x x ：1 0 ，1 2 ；图舨x x i ；1 5 ) 。以后这个琬状结构的一边生 长加速，形成一个尖的隆起。这个隆起越来越大，使得整个心皮由凹陷发展成凹 槽状，并且凹槽的部位逐渐外翻平展( 图版) c j ：1 6 1 7 ) 。 水烛雌花发育中一个显著特点是不同花之间发育不同步，并且这种不同步 性是无规律的，并不与花在花序上的着生位置有关。标志花发育开始的圆柱状的 花序表面凸起在整个花序上是同步进行的。小的凸起本身就是一个复合原基，并 且是最早发育的。大的凸起则逐渐的向外分裂出一个个复合原基，越早分裂出的 发育越快( 图版x i x ：6 ；图版x x ：8 ) ，这样就在花序表面一定时期内形成了 处于发育不同阶段的花。 4 5 2 2 雄花 雄花原基的出现也是从花序轴表面的大小、形状和排列不规则凸起开始的 ( 图版) d 口吸；图版x x i v ) 。与雌花发育不同，雄花发育不存在大凸起分裂现象。 凸起出现不久即可辨认出较小的花被片原基和较大的雄蕊原基。与雌花显著不同 的是，雄花之间界限难以区分，花被片与雄蕊排列无序( 图版x x i i i ：4 6 ) 。 1 7 每个雄蕊原基约有3 4 枚花被片围绕，雄蕊原基逐渐分化为2 或3 个雄蕊( 图 版x x h i ：5 6 ；国版x x l v ：1 ) 。 图版x x i i i ：1 所示为一小段雄花序。b 字母所示为夹杂在雄花原基中的大 型苞片。 1 8 5 1 关于根、根状茎和地上茎 5 讨论 黑三棱属和香蒲属的根、根状茎和地