兩個品種人參菜形態(tài)、解剖結構比較與核型分析

嚴文一，謝永東，仰路希，陳 延，王海霞，孫 勃，賀忠群

(四川農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，四川 成都 611130)

人參菜[Talinumcrassifolium(Jacq.) Gaertn.]，又名菜用土人參、綠蘭菜、玉蘭菜，為馬齒莧科土人參屬多年生熱帶草本植物，原產(chǎn)熱帶美洲，分布于西非、拉美、南美等熱帶地區(qū)[1]。在我國分布于貴州松桃、凱里、遵義、畢節(jié)、興義、織金等地，其他地區(qū)也有少量分布[2]。人參菜具有豐富的營養(yǎng)價值，其可食用部位主要為嫩葉、嫩梢[3]。人參菜還具有藥用價值，民間以根入藥，為貴州苗族習用藥材[1]，有補氣潤肺、止咳、調(diào)經(jīng)之功效，可用于治療氣虛乏力、體虛自汗、脾虛泄瀉、肺癆咳血、眩暈、月經(jīng)不調(diào)、乳汁稀少等。

目前，對于人參菜的研究主要集中在其栽培技術[4]、使用價值[5]，對其微觀結構和品種間差異比較研究基本沒有。不同品種的植物在外形和顯微結構上存在差異。比如空氣鳳梨與其他植物葉片有明顯差異，其不同品種之間葉片結構也有差異[6]；錦葵科花粉的形態(tài)特征在科、族、亞族和屬的劃分上有較大的分類學意義，從花粉形態(tài)特征角度支持將錦葵科植物劃分為4個族[7]；不同鐵線蓮屬植物的花部構成上存在種間差異，柱頭作為實現(xiàn)授粉成功的決定因素之一，與其他花部特征達成了傳粉功能上的一致[8]；川西高原不同山海棠的根莖解剖結構也有差異[9]。各種生物染色體的數(shù)目、結構和形態(tài)都是相對穩(wěn)定的，染色體具有種的特異性，核型分析對植物種質(zhì)資源的鑒定、分類、起源與進化研究具有重要意義[10]。王偉濤等[11]就不同品種梅花進行核型分析，這些指標具有一定分類學意義。本論文主要對2個人參菜品種進行形態(tài)解剖，觀測2個品種的差別，以期為人參菜品種鑒別和優(yōu)良品種選育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

用于試驗的2種人參菜材料由四川農(nóng)業(yè)大學園藝學院設施系賀忠群教授提供。試驗選取葉片、莖稈、花朵、花軸、柱頭、花粉粒和蒴果作為觀測材料。取材時間從人參菜開花至種子成熟。葉片為生長健壯、無病蟲害植株的成熟功能葉，葉片采集方位盡量保持一致；莖稈與葉片選取相同植株；選取花瓣完全展開時候完整無損壞的柱頭和花藥。將所采集的樣品及時帶回實驗室，按不同試驗要求與方法進行處理。

1.2 方法

1.2.1 形態(tài)指標

花朵完全展開時，隨機選取2個品種人參菜各10株，使用直尺測量植株基部到頂端的最大自然高度作為株高；從每個植株取完全展開葉片3片，使用LA-S系列植物根系分析儀掃描測定其葉片面積，winRHIZO根系掃描分析軟件處理掃描結果，取其平均值作為葉片的面積；葉片厚度使用游標卡尺。選取2個品種人參菜各18株，用游標卡尺對其植株中部的莖粗進行測量；每個植株取完全展開花朵18朵，測量花的直徑。待種子成熟時，隨機選取2個品種人參菜各10株，每個植株取蒴果5個，稱量種子千粒重(TKE)。各數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel進行處理。

1.2.2 葉片表皮結構觀測

采用表皮撕片法，對2個品種人參菜植株的葉片表皮顯微結構進行觀測。花朵完全展開時，取相同部位葉片中部，采用透明指甲油印跡法撕取上下表皮[12]。觀測上下表皮細胞和氣孔，氣孔長、寬度為15個氣孔平均值，氣孔數(shù)量為3個視野平均值，計算氣孔密度[13]，數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel進行處理。

1.2.3 花粉粒觀測

在花朵完全閉合時、花朵未完全展開時、花朵完全展開時分別取樣，用FAA固定液將2個品種人參菜不同時期花藥樣品固定，常溫下，用蒸餾水清洗3次，然后將樣品浸入1 mol·L-1NaOH溶液中軟化8 h，用蒸餾水沖洗3次后將樣品置于載玻片上，置于顯微鏡下觀察。

1.2.4 花柱顯微結構觀測

在現(xiàn)蕾時期、初開放時期、花朵完全展開時期分別取2個品種人參菜的柱頭，用FAA固定樣品。常溫下，用蒸餾水清洗3次后將樣品浸入1 mol·L-1NaOH溶液中軟化8 h左右，再用蒸餾水沖洗3次后將樣品置于載玻片上，滴上數(shù)滴0.01%苯胺藍溶液后用蓋玻片蓋上，約5 min后在熒光顯微鏡下觀察花粉在花柱上的萌發(fā)部位，及花粉管生長情況[14-15]，用電腦連接顯微鏡進行系統(tǒng)拍照。

1.2.5 莖橫截面顯微結構觀測

石蠟切片法觀察莖橫截面[16-17]。在花朵完全展開時，將人參菜新鮮莖用FAA固定，經(jīng)乙醇脫水、二甲苯透明，用石蠟包埋。切片厚度10 μm，用番紅-固綠染色，用于觀測2個品種人參菜莖的外形特點。

1.2.6 染色體制片與核型分析

采用根尖壓片法對2種人參菜植株的染色體進行制片[18]。切取人參菜根尖約1.0 cm，放入0.002 mol·L-1的8-羥基喹啉溶液內(nèi)4 ℃預處理4 h，然后在卡諾氏Ⅰ液(乙醇與冰乙酸的體積比為3∶1)、4 ℃下固定24 h，用乙醇溶液保存，再加入1 mol·L-1HCl于60 ℃水浴中解離17 min，然后采用卡寶品紅染液染色制片，在顯微鏡下觀察，找出染色體分散好的中期細胞分裂相進行拍照。

核型分析采用李懋學等[19]提出的標準，確定著絲粒位置，根據(jù)染色體的大小和形態(tài)特征對染色體核型進行配對分析。染色體的相對長度、臂比與類型按照Levan等[20]的命名法則計算，著絲粒指數(shù)和染色體相對長度系數(shù)參照李懋學等[19]的標準計算，核型不對稱系數(shù)采用Arano[21]的方法計算，核型類型按照Stebbins[22]的標準劃分。

2 結果與分析

2.1 形態(tài)學分析

2個品種的人參菜在外形上有較大差異。品種2具有分枝，而品種1沒有；品種2株高(P<0.01)極顯著大于品種1，品種2株高為83.87 cm，品種1株高為43.73 cm；品種1莖粗約為5.29 mm，極顯著小于(P<0.01)品種2(8.55 mm)。與品種2相比，品種1葉片厚度大且葉片面積小，品種1葉片厚度為0.42 mm，葉面積為23.86 cm2，品種2葉片厚度為0.35 mm，葉面積為28.39 cm2。品種1葉片呈橢圓形，品種2葉片較狹長。2種人參菜花色均呈粉紅色，品種2花朵極顯著(P<0.01)大于品種1；2個品種的千粒重無顯著差異(P>0.05)(圖1，表1)。

2.2 顯微結構形態(tài)

2.2.1 葉片表皮顯微結構

由圖2可見，2個品種人參菜上下表皮細胞均緊密排列，細胞大小形狀不規(guī)則，垂周壁形狀呈波浪形，但下表皮細胞較上表皮細胞更為狹長。2個品種人參菜上下表皮均有氣孔，氣孔由氣孔、保衛(wèi)細胞及副衛(wèi)細胞組成。上表皮氣孔比下表皮氣孔大、密度小。品種1上表皮氣孔明顯小于品種2，但氣孔密度大；品種1下表皮氣孔大于品種2，但氣孔密度小。2個品種上下表皮氣孔的長軸方向不固定，方向隨機。

2.2.2 花粉粒顯微結構

2個品種人參菜的花粉粒顯微結構存在較大差異。品種1的花粉粒較大，花粉粒平均直徑約為42.16 μm，極顯著(P<0.01)高于品種2(54.44 μm)。2個品種花粉粒均為近球形，在100倍顯微鏡放大觀察發(fā)現(xiàn)，品種1人參菜花粉粒外壁無明顯紋飾，而品種2花粉粒外壁紋飾可見近似正六邊形緊密排列。

圖1 兩種人參菜形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species

表1 兩種人參菜的形態(tài)特征比較

Table 1 Comparison of morphological characteristics of twoTalinumcrassifolium(Jacq.)Gaertn. species

品種Species株高Plant height/cm莖粗Stem diameter/mm葉厚度Leaf thickness/mm葉面積Leaf area/cm2花直徑Flower diameter/cm千粒重1 000-seedweight/g143.73±1.81 bB5.29±0.42 bB0.42±0.03 bB23.86±2.03 bB 0.75±0.05 bB0.25±0.00 aA283.87±2.76 aA8.55±0.61 aA0.35±0.02 aA28.39±2.18 aA2.02±0.12 aA0.28±0.00 aA

同列數(shù)據(jù)后無相同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，無相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data in the same column marked without the same uppercase letter indicated significant differences atP<0.01， data in the same column marked without the same lowercase letter indicated significant differences atP<0.05. The same as below.

表2 兩種人參菜葉表皮氣孔特征

Table 2 Stomatal characteristics of the leaves epidermis of twoTalinumcrassifolium(Jacq.)Gaertn. species

品種Species上表皮氣孔Upper epidermis stomata密度Density/mm-2長度Length/μm寬度Width/μm下表皮氣孔Lowr epidermis stomata密度Density/mm-2長度Length/μm寬度Width/μm138.33±2.52 aA33.18±1.25 bB16.88±1.35 bB76.19±5.50 bB26.88±2.04 aA12.99±1.02 aA233.57±4.00 bB35.66±2.51 aA19.18±1.18 aA96.91±1.15aA25.05±2.31 bA9.78±1.31 bB

A，品種1上表皮；B，品種2上表皮；C，品種1下表皮；D，品種2下表皮。A， Upper epidermis of species 1; B， Upper epidermis of species 2; C， Lower epidermis of species 1; D， Lower epidermis of species 2.圖2 兩種人參菜葉表皮結構Fig.2 Leaf epidermal structure of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species

2.2.3 花柱的熒光顯微結構

如圖3所示，2種人參菜的柱頭均呈三瓣羽毛狀，表面有無數(shù)柱狀凸起，每一瓣羽狀柱頭中間都有一條狹長通道。觀察發(fā)現(xiàn)，2個品種人參菜在花瓣呈閉合狀態(tài)未開放時，花柱上無花粉粒附著；花瓣完全展開時柱頭上附著許多花粉粒，且花粉粒萌發(fā)出花粉管，經(jīng)柱頭的狹長通道到達子房?；ǚ酃苓M入柱頭后未見停止伸長的情況，也未見花粉粒在柱頭表面萌發(fā)花粉管后沒有進入柱頭的情況。

2.2.4 莖的顯微結構

由圖4可以看出，2個品種人參菜的莖在外形上有明顯區(qū)別，品種1的莖橫截面近似圓形，品種2的莖橫截面呈不規(guī)則形狀，有4個棱角，其中3個棱角為銳角，1個棱角為鈍角。2個品種人參菜莖均有表皮、皮層、維管柱，其中，皮層部分可見厚角組織和薄壁組織，品種1的莖中皮層所占整體比例比品種2小，維管柱所占比例大于品種2，且維管束排列更為緊湊；品種2的厚角組織更為明顯；兩者維管柱均包括維管束、髓射線和髓；維管束均呈閉合環(huán)狀，與莖橫截面形狀貼合，且都具有韌皮部、形成層、木質(zhì)部。

A，品種1花瓣完全閉合；B，品種1花瓣未全部展開；C，品種1花瓣完全展開；D，品種2花瓣完全閉合；E，品種2花瓣未全部展開；F，品種2花瓣完全展開。A， Petals of species 1were completely closed; B， Petals of species 1 were not fully unfolded; C， Petals of species 1 were fully expanded; D， Petals of species 2 were completely closed; E， Petals of species 2 were not fully unfolded; F， Petals of species 2 were fully expanded.圖3 兩種人參菜不同時期花柱熒光顯微圖像Fig.3 Fluorescence microscopic images of stigma of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species at different stages

A、B為品種1的莖橫截面顯微圖像；C、D為品種2的莖橫截面顯微圖像。1，表皮；2，薄壁組織；3，髓射線；4，韌皮部；5，形成層；6，木質(zhì)部；7，髓；8，厚角組織。A and B， Stem cross section of species 1; C and D， Stem cross section of species 2. 1， Epidermis; 2， Parenchyma; 3， Pith ray; 4， Phloem; 5， Cambium; 6， Xylem; 7， Pith; 8， Collenchyma.圖4 兩種人參菜莖的顯微結構圖像Fig.4 Microscopic structure images of stem of two Talinum crassifolium(Jacq.) Gaertn. species

2.3 核型分析

2.3.1 兩種人參菜染色體數(shù)目形態(tài)比較

2種人參菜的染色體如圖5所示：品種1的染色體數(shù)目是40條，可配對成20對同源染色體，為二倍體，染色體基數(shù)x=20；品種2的染色體數(shù)目是24條，可以配對成12對同源染色體，為二倍體，染色體基數(shù)x=12。

2.3.2 兩種人參菜的核型分析

核型分析結果(表3)顯示：品種1核型公式為2n=2x=38m+2M(n表示物種配子體的染色體個數(shù)；x表示該1個染色體組中染色體數(shù)，即染色體基數(shù))，38條為中部著絲粒染色體(m)，2條為正中部著絲粒染色體(M)；品種2的核型公式為2n=2x=18m+6sm，其中18條為中部著絲粒染色體(m)，6條為近中部著絲粒染色體(sm)。品種1的染色體相對長度組成為8L+14M2+12M1+6S，包含4對長染色體(L)，7對中長染色體(M2)，6對中短染色體(M1)和3對短染色體(S)；品種2的染色體相對長度組成為6L+4M2+8M1+6S，包含3對長染色體(L)，2對中長染色體(M2)，4對中短染色體(M1)和3對短染色體(S)。由表3和圖6可知，2個人參菜的相對長度和臂比都存在明顯差異，品種1的染色體相對長度為2.52%～8.46%，染色體相對長度最長與最短的比值為3.36，且沒有臂比值大于2∶1的染色體；品種2的染色體相對長度為2.24%～6.56%，染色體相對長度最長與最短的比值為2.93，且臂比值大于2∶1的染色體百分比為16.67%。

3 結論與討論

2個品種人參菜在外形上差異大，葉片、花粉粒和莖顯微結構差異較大，柱頭和花粉管萌發(fā)伸長差異不大，這是因為2個品種人參菜同屬不同種，且生長環(huán)境也不同造成的。品種2更粗壯，葉片厚度、葉片面積、莖粗、花直徑均極顯著大于品種1。高大的品種2相對于矮小的品種1，周圍環(huán)境空氣流動大，光照更足，更易進行蒸騰作用，因此品種2葉片增厚可以減小水分蒸騰[23]。

2個品種葉片表皮細胞排列緊密，形狀大小不規(guī)則，垂周壁形狀均呈波浪狀，下表皮細胞比上表皮細胞更為狹長；上下表皮氣孔長軸方向隨機，與膝柄木一樣[24]，氣孔具有1個細胞的間距，這種單細胞間距與Bergmann等[25]的結論一致。姚兆華等[26]提出氣孔的大小與密度具有分類學意義，尤其是氣孔大小種間差異明顯。2個品種人參菜上表皮氣孔密度小于下表皮，品種1葉片上表皮氣孔小于品種2，下表皮氣孔大于品種2。可能是由于品種1植株矮小，被其他高大植物遮擋，氣孔密度大可以增強葉片空氣交換能力。

A，品種1；B，品種2。A， Species 1; B， Species 2.圖5 兩種人參菜染色體數(shù)目形態(tài)Fig.5 Chromosome number and morphology of two Talinum crassifolium (Jacq.) Gaertn. species

表3 兩種人參菜染色體核型參數(shù)

Table 3 Karyotype parameters of twoTalinumcrassifolium(Jacq.) Gaertn. species

品種Species染色體編號Chromosomenumber相對長度(S+L=T)Relative length/%相對長度系數(shù)Relative lengthcoefficient著絲粒指數(shù)Centromereindex臂比Armratio/%類型Type114.03+4.43=8.461.410.481.10m23.83+4.03=7.861.310.491.05m33.09+4.76=7.851.310.391.54m43.51+4.28=7.791.300.451.22m53.29+3.58=6.871.140.471.09m63.26+3.34=6.591.100.491.02m73.26+3.26=6.521.090.501.00M83.01+3.51=6.521.090.461.17m92.86+3.58=6.441.070.441.25m103.01+3.41=6.421.070.471.13m112.76+3.29=6.051.010.461.19m122.57+3.29=5.850.970.441.28m132.76+3.04=5.800.970.481.10m142.51+3.26=5.760.960.431.30m152.51+2.66=5.170.860.491.06m162.14+2.77=4.900.820.441.30m172.11+2.80=4.900.820.431.33m181.77+2.76=4.530.750.391.56m191.26+2.06=3.320.550.381.64m201.24+1.28=2.520.420.491.03m212.52+4.04=6.561.510.381.60m22.51+3.53=6.041.370.421.41m32.76+3.27=6.031.370.461.18m42.24+2.29=4.531.030.501.02m51.27+3.26=4.521.030.282.57sm61.58+2.76=4.340.990.361.75sm71.58+2.63=4.210.960.381.66m81.51+2.51=4.020.920.381.66m91.11+2.76=3.870.880.292.50sm101.52+1.77=3.290.750.461.16m111.51+1.52=3.030.690.501.01m121.07+1.18=2.240.510.481.10m

S，短臂；L，長臂；T，全長；m，中部著絲粒染色體；M，正中部著絲粒染色體；sm，近中部著絲粒染色體。

S， Short arm; L， Long arm; T， Total length; m， Metacentric chromosome; M， Choromosome structure of median poin; sm， Submetacentric chromosome.

花粉形態(tài)的演化主要表現(xiàn)在外壁紋飾和萌發(fā)孔上[27]，花粉形態(tài)特征受基因型控制而不受外界條件影響，是探討植物起源、演化、親緣關系的重要特征之一，可根據(jù)花粉形態(tài)進行植物品種間的鑒定、分類。2個品種的花粉粒形狀無較大差異，都是近球形。但在大小和外壁紋飾上有極大差異，品種2花粉粒比品種1大，并且其外壁有明顯可分辨的近正六邊形緊密排列紋飾，品種1表面無明顯紋飾。2個品種的花柱形態(tài)相似，均呈三瓣羽毛狀，表面有無數(shù)柱狀凸起，每一瓣羽狀柱頭中間都有一條狹長通道。2個品種人參菜雖然是雌雄同花，但由于花瓣完全閉合時未見花粉粒附著柱頭，在花瓣完全展開時才有花粉粒附著柱頭，因此2個品種人參菜可能不僅進行自花授粉，還通過風、昆蟲等媒介進行異花授粉。

圖6 兩種人參菜染色體核型模式圖Fig.6 Karyotype pattern of chromosomes of two Talinum crassifolium (Jacq.) Gaertn. species

2個品種人參菜莖的組成部分無較大差別。品種1的莖中皮層所占比例比品種2小，維管柱所占比例大于品種2，排列更為緊湊。品種2的厚角組織更為明顯，使得品種2的莖稈更為堅挺，起到很好的機械支撐作用。

品種2染色體數(shù)目與陳瑞陽等[28]的測定結果一致，但是染色體的具體核型參數(shù)有差異，這說明品種2的染色體的數(shù)目比較穩(wěn)定，但染色體大小可能受環(huán)境等因素影響。品種1的染色體數(shù)目與陳瑞陽等[28]的報道不一致；美國得克薩斯州的一個馬齒莧科物種(Claytoniavirginica)居群中就發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目可從2n=12變化到2n=42[29]，品種2和品種1的核型公式與相對對長度系數(shù)組成差別都比較明顯，在其他種的染色體研究中也有不同品種染色核型差異的報道[30-32]。根據(jù)Stebbins的不對稱核型分析的分類標準，品種1的核型屬于1B型，核型不對稱系數(shù)為54.50%；品種2的核型屬于2B型，核型不對稱系數(shù)為59.37%。核型不對稱系數(shù)越接近50 %，核型的對稱程度越高，進化程度越原始[22]，品種2和品種1的核型不對稱系數(shù)都比較低，在系統(tǒng)演化中具有較強的原始性。綜上所述，可能染色體核型不同使2個人參菜植株性狀表現(xiàn)出差異，品種1和品種2可能是同種不同屬的2種處于半野生狀態(tài)的植株。