濒危植物大花杓兰（Cypripedium macranthos SW.）地下器官的形态解剖学研究

王长宝，徐增奇，王 鹤，唐 番

（佳木斯大学生命科学学院，黑龙江佳木斯154007）

濒危植物大花杓兰（Cypripedium macranthos SW.）地下器官的形态解剖学研究

王长宝，徐增奇，王 鹤，唐 番

（佳木斯大学生命科学学院，黑龙江佳木斯154007）

对濒危植物大花杓兰地下器官的形态进行了解剖观察.结果表明：根状茎皮层和髓部细胞储存有丰富的淀粉粒，周木维管束在中柱内散生排列；不定根皮层组织发达，没有发现共生真菌菌丝，内皮层木质化加厚细胞和通道细胞相间排列并分别与韧皮部和木质部对应；地下芽为混合芽，外被2～3层鳞叶和3～4层幼叶，顶部为花器官的芽体.大花杓兰地下器官既是营养物质的存贮场所又是越冬的繁殖体；地上器官的基本结构在上一年越冬的地下芽中已经形成；根部皮层细胞内没有发现共生真菌，可能与材料采集的季节有关.

大花杓兰；根状茎；不定根；地下芽

大花杓兰（Cypripedium macranthos SW.）是兰科（Orchidaceae）杓兰属（CypripediumL.）多年生草本植物，主要分布于我国东北、内蒙古、河北、山西、“台湾”等地，日本、朝鲜半岛、俄罗斯也有分布［1］.由于其花大而美丽、观赏价值高且野生种群日益减少，现已被列为国家濒危保护植物［2－3］.近年来，关于大花杓兰的研究多集中在濒危机制、生物学特性、种子萌发及组织培养等方面［4－7］，对其地下器官的研究较少.为此，本文对其地下器官根状茎、不定根及地下芽的形态进行了解剖观察，以为进一步认识大花杓兰的营养繁殖和进化适应性提供科学资料.

1 材料与方法

1.1 材料

实验材料于2013年9月30日采自黑龙江省伊春市晨明林场，采集地地理位置为129°30′E，46°58′N，海拔496m.该地位于小兴安岭南麓，属寒温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，气候干燥.极端最高气温38.2℃，最低气温－44.2℃，年均气温1℃；无霜期90～120d，降雨量550～670mm，干湿指数1.13～0.92.

1.2 方法

选取多年生植株的根状茎、不定根及地下芽，分别用撕片法、切片法制作水封片和亚甲基蓝（0.05%，0.1%）染色切片，利用Olympus-BH显微镜观察、测量、拍照.

滴加0.1%碘化钾-碘溶液验证淀粉的存在.导管分离用Jeffrey离析液（10%铬酸与10%硝酸等量混合液）在40℃条件下处理5h.

2 结果

2.1 根状茎的形态解剖

大花杓兰根状茎粗短，节密集且有分枝，直径4～7mm（见图1A）.由于根状茎每年不断产生芽体和分枝并向四周扩展，一个多年生的根状茎通常可达30cm以上.从外形上看，老的根状茎被有1～2层易脱落的栓质化细胞构成的外被结构，呈黑褐色.各分枝顶端为当年的越冬芽，中间部位常残留有历年地上茎基部枯萎后的痕迹.

根状茎横切面呈椭圆形，由外到内依次为表皮、皮层、中柱（见图1B）.表皮是一层紧密排列的砖形细胞，外切向壁加厚，无表皮毛（见图1C）.皮层由15～20层近圆形薄壁细胞构成，厚度约1mm，细胞间隙不发达，富含球状淀粉粒（见图1B，C）.内皮层细胞体积较小且排列紧密，没有发现凯氏带和细胞壁次生加厚现象（见图1D）.中柱内均匀分布有40～50个周木维管束，每个维管束的木质部围绕韧皮部一周，呈同心圆排列.经0.1%碘化钾处理后，维管束中的木质部呈白色（见图1B），滴加0.1%亚甲基蓝染色后木质部为蓝紫色（见图1D）.髓位于根状茎的中央，也是由一些富含淀粉粒的薄壁细胞组成，其中部分薄壁组织分散在维管束之间，呈辐射状分布（见图1B）.

2.2 不定根的形态解剖

大花杓兰的根是由根状茎产生的无分枝的不定根，一般每个节间5～6条，直径1～1.5mm，长度可达50cm.当年生不定根乳白色，多年生不定根呈黄褐色.由于根状茎短而密集，不定根簇生在一起呈须根系状.

图1 根状茎和根的形态解剖

根的横切面近圆形，表皮是1层排列紧密的方形细胞，外切向壁栓质化加厚（见图1E，F）.皮层由7～10层薄壁细胞组成，占据根部的绝大部分体积，细胞体积较大，富含球形淀粉粒，但没有观察到真菌菌丝（见图1E，H）.其中，内、外皮层细胞体积较小且扁平，排列紧密；内皮层次生加厚细胞和通道细胞相间排列，并与中柱内的韧皮部和木质部分别对应（见图1F，G）.0.05%亚甲基蓝染色后，可观察到皮层细胞具有大而明显的细胞核（见图1F）.中柱所占比例较小，木质部为八原型和九原型，外始式发育，原生木质部导管小且在外侧，后生木质部导管大排列在中央.韧皮部与木质部相间排列，也是外始式发育（0.05%和0.1%亚甲基蓝染色后呈淡黄色和浅蓝色，见图1G）.离析处理后发现木质部导管主要有螺纹导管和梯纹导管两种类型（见图1I）.

2.3 地下芽的形态解剖

地下芽位于根状茎分枝的顶端，直径3～5mm，长3～4.5cm，五年生以上的植株越冬芽有5～7个，次年春天可产生丛生的小群体（见图1A，图2A）.大花杓兰的地下芽是一种混合芽，芽体由外到内依次为2～3层鳞叶、3～4层幼叶、芽轴和顶端的花芽（见图2B—D）.

图2 地下芽的形态解剖特征

每年9月底至10月初，地下芽内已经形成了地上器官的雏形，特别是对花器官的解剖发现，花部的各组成结构已经发育完备（见图2E—F）.从鳞叶的横切面观察，外侧为排列紧密的上、下表皮细胞；叶肉无栅栏组织和海绵组织的分化，属于等面叶；叶脉均匀分布其中（见图2G）.大部分叶肉细胞富含淀粉颗粒，少数转化为气腔或针晶后含物的储存场所（见图2H）.外侧鳞叶表皮细胞内也含有大量淀粉粒，无气孔发育（见图2I）.内侧鳞叶的表皮细胞较小，宽大于长，已分化出气孔器，保卫细胞的排列与叶片伸长生长方向一致（见图2J）.幼叶的结构与鳞叶基本一致，但在上下表皮分布有不分枝的多细胞非腺毛，叶缘处更加密集（见图2K）.芽轴4～6节，节间明显，将来发育成地上茎.从芽轴横切面可明显区分出表皮、基本组织和维管束3部分（见图2L）.表皮层细胞较小，排列紧密，皮层细胞5～7层，外皮层细胞与表皮区别不明显.髓部处于芽轴的中央位置，由贮藏淀粉颗粒的薄壁组织构成，少数细胞内积累有晶体后含物.外韧型维管束70～90个，散生在皮层与髓之间的基本组织中.

3 讨论

大花杓兰主要分布在北温带、特别是我国东北地区，这里冬季漫长，冰雪覆盖长达4～5个月.大花杓兰每年5月初开始萌动，5月中旬抽茎、展叶，6月进入花期，8—9月果实成熟，9月底地上部分开始枯萎［5］.因此，一年中绝大部分时间处于休眠期，而地下器官则成为越冬的方式，具有横走的根状茎和较粗的纤维状不定根是其适应自然环境的重要特征.大花杓兰地上器官经过短短一个月的营养生长期就很快转入生殖生长阶段，这似乎不符合一般植物的生长规律.野外调查发现，每年春天，在上一年的地下芽伸出地面转化为地上器官的同时，当年的隐芽也开始发育，并在地上部分枯萎之前形成新的越冬芽.即大花杓兰的地上和地下部分同时进行着营养生长和生殖生长，这也得到了本研究解剖结果的证实：（1）根状茎和不定根的薄壁组织富含大量淀粉颗粒，成为营养物质的储存场所，且每年不断向四周扩展；（2）越冬前，地下芽特别是花器官的基本结构已经发育完成.大花杓兰的上述特性是其长期适应营养繁殖的进化结果：首先，在自然条件下它的结实率很低，种子极小，难萌发，野外实生苗个体数量极少，营养繁殖在种群繁衍中占有重要位置［4］；其次，作为一种温带兰科植物，生长季节相对较短，地下芽中已经形成的花器官减轻了地上器官从营养生长到生殖生长花芽分化所需的时间压力和营养供应矛盾.生殖成功是植物适应环境条件的重要组成部分，为了保证后代的生存，生物往往进化出一整套必要的生殖补偿机制，保证物种繁衍的顺利进行［8］.大花杓兰较长的寿命和完善的地下器官保证了高效率的营养繁殖，植物体在营养物质的分配上也就更倾向于地下部分.

大花杓兰不定根内皮层的通道细胞数目较多且与木质部脊直接对应，这种结构使根表皮吸收的水分经过皮层后直接进入到木质部导管，提高了水分的运输效率.与韧皮部对应的加厚细胞则起到了对皮层和中柱之间物质交流进行调控的功能.大花杓兰根状茎中较为进化的周木型维管束，在其他杓兰属植物中也得到了证实，这与兰科被普遍认为是植物界最进化类群的观点是一致的［9］.与李柏年报道的甘肃居群五原型大花杓兰不同［10］，本实验中大花杓兰不定根的木质部为八原型和九原型.钱鑫等在扇脉杓兰根中发现了四原型、五原型、六原型和八原型木质部；梁天干报道的3种武夷兰花中分别为五原型、九原型和十一原型［9，11］.据此推测，木质部脊数存在的种间和种内差异与不同物种自身的遗传特征有关，同时也可能受到环境中水、光照等生态因子的影响.

高倩等在对4种杓兰的菌根结构及其周年动态的研究中认为，杓兰属植物根中存在着真菌入侵—消解的循环现象，看不到菌丝的根段，细胞内有较多淀粉粒，推测是正好处于两个循环的间隙［12］.本研究中没有发现地生兰根中常见的共生真菌菌丝，薄壁细胞内富含大量淀粉粒，这可能是由于采集材料的时间处于枯萎期，上一循环入侵的菌丝已被消解吸收并转化为越冬芽所需的营养物质，而下一次的入侵尚未发生.

地下芽伸出地面后，芽轴将发育成地上茎，芽轴的结构也就决定了茎的结构.大花杓兰的芽轴横切面绝大部分是细胞内富含淀粉颗粒的基本组织，为地上部分的生长发育提供了物质基础.在近表皮的皮层组织没有发现起加强和巩固茎支持功能的厚壁细胞分化，但数目众多的散生维管束外面被机械组织的鞘所包围，为大花杓兰提供了抵抗外力、避免倒伏的韧性与刚性.这种分布型的维管束既提高了物质的运输能力又加强了茎的支持功能，是大多数单子叶植物茎的特点之一.

［1］ 郎楷永，陈心启，罗毅波，等.中国植物志，第17卷［M］.北京：科学出版社，1997：34-35.

［2］ 陈心启，吉占和.中国兰花全书［M］.北京：中国林业出版社，1998：14-115.

［3］ 罗毅波，贾建生，王春玲.中国兰科植物保育的现状和展望［J］.生物多样性，2003，11（1）：70-77.

［4］ 刘祥君，马汉喜.大花杓兰濒危机制研究［J］.国土与自然资源研究，1998（1）：67-69.

［5］ 李志清，潘晓茹，汤君，等.长白山区大花杓兰资源调查及生物学特征研究［J］.林业实用技术，2010（6）：54-55.

［6］ 王艳丽，林昊，赵洪颜，等.大花杓兰的组织培养与快速繁殖［J］.植物生理学通讯，2009，45（2）：155-156.

［7］ 张毓，张启翔，赵世伟，等.大花杓兰种子形态特征与生活力测定［J］.北京林业大学学报，2010，32（1）：69-73.

［8］ 张丙林，穆春生，王颖，等.五脉山黧豆开花动态及有性繁育系统的研究［J］.草业学报，2006，15（2）：68-73.

［9］ 钱鑫，李全健，连静静，等.珍稀植物扇脉杓兰营养器官的解剖学研究［J］.植物研究，2013，33（5）：540-545.

［10］ 李柏年，高金城.大花杓兰根结构的扫描电镜研究［J］.甘肃科学学报，1993，17（2）：64-67.

［11］ 梁天干，郑伸坤.三种武夷兰花营养器官的形态解剖［J］.福建农学院学报，1984，13（2）：147-155.

［12］ 高倩，李树云，胡虹.四种杓兰的菌根结构及其周年动态［J］.广西植物，2009，29（2）：187-191.

Morphological and anatomical study on underground organs of endangered plant Cypripedium macranthos SW.

WANG Chang-bao，XU Zeng－qi，WANG He，TANG Fan
（School of Life Sciences，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

Morphology and anatomical structure of underground organs of endangered plant Cypripedium macranthos were studied in the present paper.The work showed that：large numbers of starch granules exist in cortex and pith，and amphivasal bundles distribute compactly in vascular cylinder.The root has well developed cortex，but mycorrhizal fungi were not observed in the cortical cells.Thickening cells and passage cells in endodermis arranged alternately with each other as that of xylem and phloem in vascular cylinder.Underground bud is a mixed bud which covered by 2～3layers of scale leaves and 3～4layers of young leaves with the flower bud at the top.Conclusion：underground organ is not only a locus where food materials saved but also a kind of propagule.Overground organs of C.macranthos has basically taken shape in its overwintering bud.Mycorrhizal fungi were not found in the cortical cells maybe the result of inappropriate collecting time.

Cypripedios macranthos；rhizome；adventitious root；underground bud

Q 944.3 ［学科代码］ 180·5125

A

（责任编辑：方 林）

1000-1832（2015）03-0111-05

10.16163／j.cnki.22-1123／n.2015.03.023

2014-04-03

国家自然科学基金资助项目（81441132）；科技部国家科技基础条件平台国家标本平台教学标本子平台运行服务项目（2005DKA21403－JK）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541808）；佳木斯大学基础研究重点资助项目（Sjz－2012－18）.

王长宝（1972—），男，博士，讲师，主要从事植物分类与资源学研究.