天星蕨“隆孔”的發(fā)現(xiàn)及其可能的形態(tài)演化關(guān)系

陳 曦，孫維悅，劉保東，*

(1 哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱150025；2 黑龍江省普通高等學(xué)校植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，哈爾濱150025)

具有氣孔(stomata)的植物包括苔蘚類(Bryophytes)、石松類(Lycophytes)、蕨類(Pteridophytes)、裸子植物(Gymnosperm)和被子植物(Angiosperm)[1]，氣孔又稱為氣孔器(stomatal apparatus)，是由2個保衛(wèi)細(xì)胞組成的中間有孔的結(jié)構(gòu)，有副衛(wèi)細(xì)胞的氣孔器稱為氣孔復(fù)合體(stomatal complex)[2]。非單子葉植物的氣孔都是由1對腎型保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成，單子葉植物的氣孔由1對啞鈴狀保衛(wèi)細(xì)胞及兩側(cè)的副衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成[3]。氣孔作為植物體進(jìn)行氣體交換[4]、水汽蒸騰和水分調(diào)節(jié)[5]等的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，歷來都是植物學(xué)各學(xué)科如生理、生態(tài)、系統(tǒng)演化等研究的重點(diǎn)，特別是近幾年，在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、離子傷害、分子調(diào)控、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的研究越來越深入，如Gao等發(fā)現(xiàn)Pb離子通過氣孔污染白菜，且孔徑越大所受毒害越嚴(yán)重[6]，Charlotte等認(rèn)為不同海拔高度的蒿屬(Artemisia)植物，其光合作用的效率受氣孔的影響程度不同[7]，Huang等報道在低鹽濃度脅迫下，氣孔是導(dǎo)致棉花葉片光合作用下降的因素之一[8]，在干旱時，擬南芥通過調(diào)控氣孔特異性基因的表達(dá)提高水分利用效率[9]。

從保衛(wèi)細(xì)胞的數(shù)量等特征來看，維管植物的氣孔可以分為三類：一是常見的雙保衛(wèi)細(xì)胞類，又可根據(jù)副衛(wèi)細(xì)胞的有無等分為無規(guī)則型、不等型、平裂型、橫裂型等[2]，其共同特點(diǎn)是都由2個保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成[10]；二是滿江紅(Azollapinnata)葉片特有的、在單個保衛(wèi)細(xì)胞上產(chǎn)生1個裂隙的氣孔[11-12]；三是槲蕨(Drynariaroosii)配子體中肋特有的前氣孔[12]。

苔蘚植物是最早登陸并具有氣孔的類群，氣孔的結(jié)構(gòu)備受關(guān)注。早在1975年，Sch?nherr J.等就用電子顯微鏡觀察了地錢目(Marchantiales)多種植物的特殊氣孔，即多細(xì)胞圍成的通氣結(jié)構(gòu)的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[13]；2016年Masaki[14]、2017年Lu等[15]在對地錢目的所謂氣孔進(jìn)行了亞顯微結(jié)構(gòu)等多方面研究的基礎(chǔ)上，均提出該類氣孔與一般意義上的雙保衛(wèi)細(xì)胞的氣孔有著本質(zhì)的區(qū)別，分別建議稱為“桶狀氣孔”(barrel air pore)、“杯狀氣孔”(cup-shaped air pore)，甚至不能稱為“氣孔”而另稱為“背孔”(dorsal pore)等；2019年P(guān)ressel S.進(jìn)一步提供了掃描電鏡下地錢類“單式氣孔”(single stomata)和“背孔”的內(nèi)部特征[16]。而本研究首次報道的天星蕨(Christenseniaassamica)通氣結(jié)構(gòu)與苔蘚植物的“單式氣孔”[14-17]相似，但又存在著諸多本質(zhì)的不同，為維管植物的呼吸代謝、水分調(diào)節(jié)、系統(tǒng)演化等研究提供了新素材的同時，初步討論了與地錢類“單式氣孔”之間可能存在的形態(tài)演化關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 材 料

實(shí)驗材料天星蕨(Christenseniaassamica)和石地錢(Rebouliahemisphaerica)的相關(guān)信息見表1。憑證標(biāo)本存于哈爾濱師范大學(xué)植物標(biāo)本室(HANU)。

表1 材料來源一覽表

1.2 方 法

石蠟切片材料制備：選取天星蕨成熟葉片及石地錢葉狀體部位，用FAA固定液固定，梯度酒精脫水，石蠟切片厚度為8 μm，番紅-固綠對染，中性樹膠封片，用Olympus BX53顯微鏡成像系統(tǒng)觀察并照相。

掃描電鏡材料制備：取上述樣品，用2.5%戊二醛固定并抽氣，4 h后無菌水沖洗3次，然后以梯度酒精分級脫水(30%、 50%、70%、80%、90%、95%、100%各脫水1次，每次15 min)，乙酸異戊酯處理30 min后臨界點(diǎn)干燥，將干燥樣品用導(dǎo)電膠粘臺后，使用Hitachi E-1010離子濺射儀進(jìn)行110 s的噴金處理，最后在Hitachi S-4800型掃描電鏡下觀察并選取典型部位拍照。

2 結(jié)果與分析

天星蕨(Christenseniaaesculifolia)為廣卵形寬大復(fù)葉，3枚羽片合生，長20～25 cm，寬6～17 cm，生于陰濕環(huán)境中(圖版Ⅰ，1)。其成熟葉片(圖版Ⅰ，2)遠(yuǎn)軸面有明顯的主脈(MV)及側(cè)脈(LV)，以及肉眼可見的頭垢狀紅棕色短毛絨(F)和均勻分布的細(xì)小隆孔，隆孔經(jīng)石蠟切片呈“八”字形(圖版Ⅰ，2，右上切片圖)。隆孔(圖版Ⅰ，3，RP)的孔徑為200～250 μm，隆孔之間的距離(孔距)是孔徑的4-5倍。盡管隆孔壁的基部細(xì)胞(圖版Ⅰ，4，短箭頭)與葉片下表皮細(xì)胞(圖版Ⅰ，4，EC)之間沒有明顯的界限，但從細(xì)胞形狀、排列方向以及縱切片(圖版Ⅰ，2，右上切片圖)來看，仍可斷定隆孔側(cè)壁高度是由4-5層條形細(xì)胞構(gòu)成。隆孔內(nèi)有數(shù)個分支管狀的光合細(xì)胞(圖版Ⅰ，4，PC)。天星蕨葉片為等面葉，在其隆孔處橫切，可見是由上下表皮、葉肉組織等三部分構(gòu)成，總厚度約600 μm(圖版Ⅰ，5)，條形細(xì)胞中空，橫切面近圓形(短箭頭)，孔內(nèi)光合細(xì)胞(PC)呈分支管狀。條形細(xì)胞近氣室的表面及氣室內(nèi)分支管狀光合細(xì)胞(圖版Ⅰ，6，PC)的表面，均分布有致密的、高約2 μm的微絨毛(M)。非隆孔處可見葉片表皮由1層細(xì)胞構(gòu)成，葉肉組織由近管狀的光合細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞表面密被微絨毛，接近葉肉組織的細(xì)胞表面，微絨毛則逐漸演變?yōu)槲⒗w絲(圖版Ⅰ，7，Mi)，微纖絲長數(shù)微米至數(shù)十微米。在遠(yuǎn)離氣室的細(xì)胞表面，微絨毛演變?yōu)槲⒗w絲，進(jìn)而密集粘連形成條狀斑塊(圖版Ⅰ，8)?？拷~脈處的光合細(xì)胞含有數(shù)十枚直徑為數(shù)微米、扁球狀的葉綠體(圖版Ⅰ，9，Ch)。小脈(圖版Ⅰ，10，V)橫斷面近圓形，其周圍的光合細(xì)胞表面有微纖絲或條狀斑塊分布。石地錢(Rebouliahemisphaerica)葉狀體由多層細(xì)胞構(gòu)成，沒有維管束，長1～4 cm，寬5～7 mm，表面有肉眼可見、均勻分布的棱形單式氣孔(圖版Ⅰ，11)，單式氣孔縱切結(jié)構(gòu)也呈“八”字形(模式圖[17])。石地錢表皮細(xì)胞(圖版Ⅰ，12，EC)呈多邊型，表皮上均勻分布著孔徑為80～100 μm的單式氣孔(SS)，單式氣孔之間的距離(孔距)也是孔徑的4-5倍。

3 討 論

天星蕨的通氣結(jié)構(gòu)特征為：葉片背面均勻分布、肉眼可見、由約二十個條形細(xì)胞共同拱起、呈倒置碗狀且頂部有一個巨大的不能開閉的圓孔，條形細(xì)胞近氣室的表面及氣室內(nèi)分支管狀光合細(xì)胞表面，均分布有致密的、高約2 μm的微絨毛。迄今為止，在維管植物中發(fā)現(xiàn)的氣孔可以歸納為三類，一是絕大多數(shù)植物都具有的非均勻分布且有開閉功能的雙保衛(wèi)細(xì)胞類，二是滿江紅(Azollapinnata)特有的、具有開閉功能的單保衛(wèi)細(xì)胞類[11]，三是目前僅在槲蕨(Drynariaroosii)配子體上發(fā)現(xiàn)的疑似為雙保衛(wèi)細(xì)胞氣孔的前身，即前氣孔(prestoma)[12]。從分布范圍、形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞數(shù)量及開閉功能綜合來看，這三類都和天星蕨的通氣結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)差別。因此，本研究認(rèn)為天星蕨的通氣結(jié)構(gòu)應(yīng)該是維管植物新的通氣類型，特稱為“隆孔”(raised pore)。

由于地錢類是常見且重要的植物系統(tǒng)學(xué)研究材料[2,17]，早在1975年Sch?nherr J.等就用掃描顯微鏡和透射電鏡詳細(xì)研究了該類全部氣孔的形態(tài)結(jié)構(gòu)[13]，結(jié)合近年掃描電鏡的研究成果[14-15]，與天星蕨隆孔形態(tài)特征最相似的是地錢類的單式氣孔(single stomata)：都是肉眼可見(圖版Ⅰ，2，11)、均勻分布、孔距是孔徑的4-5倍(圖版Ⅰ，3，12)、由約二十個條形細(xì)胞共同拱起、呈倒置碗狀、頂部有一個不能開閉的圓孔等特征。但單式氣孔的氣室內(nèi)壁及氣室內(nèi)光合細(xì)胞表面都沒有微絨毛、光合細(xì)胞(營養(yǎng)絲)都不是分支管狀，而且缺乏氣室與葉脈的過渡聯(lián)系等，與天星蕨隆孔的結(jié)構(gòu)和功能都相差較大。比較地錢類的單式氣孔和天星蕨的隆孔亞顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)合系統(tǒng)地位和生態(tài)環(huán)境，二者的關(guān)系似乎存在兩種可能：①隆孔是由單式氣孔進(jìn)化而來的，單式氣孔沒有微絨毛，而隆孔微絨毛通過增加表面積提高呼吸效率、水分調(diào)節(jié)和防御功能，這種假設(shè)在2019年P(guān)ressel S.的研究成果，即地錢屬氣孔內(nèi)側(cè)也有極少量的類似微絨毛的結(jié)構(gòu)[16]中能得到過渡性支持。②隆孔位于維管植物天星蕨孢子體葉片的背光面，而單式氣孔則位于非維管植物地錢類配子體的向光面，那么隆孔與單式氣孔就具有系統(tǒng)演化上的本質(zhì)區(qū)別，氣孔類型與植物生長型有一定的相關(guān)性，這種推測在Muir CD[18]、Haworth M.等[19]的研究成果中能找到相應(yīng)的理論支持?？紤]到二者的生境都是蔭蔽潮濕的，生態(tài)環(huán)境或許是造成二者相似的主要原因，即陰濕環(huán)境所造成的趨同演化[2]的結(jié)果。但難以解釋的是：同樣生態(tài)的其他眾多植物為什么沒有隆孔或單式氣孔？二者的關(guān)系問題或許值得進(jìn)行分子生物學(xué)研究。

氣溫、降水等環(huán)境因素的變化能引起氣孔形態(tài)變化[20]，隨著生境由潮濕到干旱的過渡[21]或海拔的升高[22]，同一物種的氣孔密度都會越來越大，氣孔大小在阻礙細(xì)小顆粒進(jìn)入植物體中起關(guān)鍵作用[6]。普通氣孔開口較小，且能通過改變保衛(wèi)細(xì)胞的膨大程度來調(diào)節(jié)氣孔開度[23]，對于孔徑較大且不能開閉的隆孔而言，可能限制了天星蕨必須生存在特定的陰濕環(huán)境，我們認(rèn)為天星蕨氣孔的防御功能，可能是通過隆孔內(nèi)致密的微絨毛或微纖絲實(shí)現(xiàn)的，微絨毛和微纖絲等不僅能提高氣體交換效率，其分泌物可能具有抑菌殺菌等作用。