[DOC]豆科木本植物根部特征与结瘤的关系

豆科木本植物根部特征与结瘤的关系
豆科木本植物根部特征与结瘤的关系
张洪娟韩素芬韩正敏
(南京林业大学森林资源与环境学院)
摘要:选取了I1种豆科木本植物,比较了它们的根部外部形态和解剖结构特点,分析这些特点与结瘤的关系.
结果表明,结瘤豆科植物的根系松软,颜色较浅,为白色或土黄色;不能结瘤的植物根系坚硬,颜色较深,为黑色或
深褐色.石蜡切片观察,结瘤豆科植物和非结瘤豆科植物在根的表皮部分存在着明显差并,而在皮层和中柱部分
差异不明显.非结瘤豆科植物的表皮细胞排列致密且整齐;而结瘤豆科植物表皮细胞较薄,切片时容易收缩破损.
非结瘤豆科植物的根表皮细胞外切向壁的厚度比结瘤豆科植物的要厚,颜色也较深.豆科植物的表皮细胞外切向
壁厚度似乎能够反映豆科植物从不结瘤到结瘤的进化过程.
关键词:豆科植物;结瘤;外部形态;解剖结构;进化
,nIeRelationshipbetweentheRootStructureofWoodLegumePlantsandThe irNodulalion//ZHANGHong-
juan,HANSu-feng,HANZhen-mlng
Abstract:Elevenwoodlegumeplantswereselectedandtheirmorphologican
danatomicalcharacteristicswerecomparedinorderto analysistherelationshipbetweentherootstructureandtheirnodulation,Ther esultsindicatedthattherootsofnoduleslegume
~antsaresoftandtintincolor,whereastherootsofno-noduleslegume~antsare firmandfuseous,Comparingtheirrootanatomic
structurewithpara~nslice,theevidencedifferenceexistedinthepartsofepide rmis,butnodifferenceinthecortexandstele,
Theepidemiccellsofno-noduleslegumeplantsarrangecompactandorderlin ess,however,theceHsofnoduleslegumeplantsare thinanddestroyedeasilywhenslice,Theoutertangentialwallofno-nodulesle gume~antsepidermalcellsisthickeranddarker thanthatofnodulelegumeplants,Itmayreflectanevolutionaryprocessfromn o-noduleslegumeplantstonoduleslegumeplants.
Keywords:Legume;Nodulation;Morphology;Anatomy;Evolution Firstauthor’Saddress:CollegeofForestResourcesandEnvironment,Nanjin gForestryUniversity,210037,Nanjing,China
豆科植物有748属近2万种,但观察过结瘤或者
有结瘤报道的仅3000多种,占全部豆科植物的16%.
在观察过结瘤的豆科植物3个亚科中,以蝶形花亚科
结瘤率最高,达98%;含羞草亚科次之,为9o%;而苏
木亚科结瘤率最低,仅28%【,.也就是说,大多数
豆科植物是不能结瘤的,而苏木亚科植物的结瘤率就
更低.一般认为,3个亚科中以蝶形花亚科进化程度
最高,含羞草亚科居中,苏木亚科最为原始l.这些
情况说明,豆科植物的结瘤与否可能与其进化程度有
一
定的联系,而豆科植物根的外部特征,能最直接地
反映它们在进化上的变化.所以了解不同进化程度
的豆科植物根部的变化,对于揭示固氮共生体系建立
的奥秘,可能具有一定的意义.本研究在豆科植物3
个亚科中选取了一些有代表性的植物,对它们根部的
形态和解剖结构特点进行了比较研究,分析了这些特
收稿日期:20o6—04.一06修回日期:2006—04.一26
基金项目:国家自然科学基金资助项目”非结瘤豆科树种不结瘤原因的研究”(30170765).
第一作者简介:张洪娟(1976一),女,助教,硕士,主要从事豆科树种
根瘤菌研究.
点与结瘤的关系.
1材料与方法
1.1植物材料
在豆科植物的3个亚科中,各选取一定比例的植
物.选取植物遵循的原则是,在分类上跨度范围大,
具有一定的代表性;以木本植物为主;以苏木亚科为
主;并带有一定的随机性.选取的植物种类,来源和
报道结瘤情况见表1.
1.2根瘤菌菌株和接种体制备
因为有些豆科植物和根瘤菌之间存在一定的专
化性,单一的根瘤菌菌株接种往往不易成功.所以在
本研究中选取了26个根瘤菌菌株(南京林业大学韩素芬教授保存)进行复合接种.这些菌株分别分离自合欢,木豆,刺槐等26种木本植物.
分别将保存在冰箱中的26个根瘤菌菌株接到YEMA斜面培养基上_6J,28~(2恒温培养活化后,再次转接培养至对数生长期.取以上培养好的菌株各5 管,刮取斜面上的菌苔,加入无菌水,26个菌株混合
到一起.调节细菌液浓度为1×10个/mL供接
种用.
林业科技开发2006年第20卷第4期
表1豆科木本植物的来源及报道结瘤情况
1.3水培苗的培养和根瘤菌的接种
选取饱满有活力的各植物种子,先用浓硫酸处
理,根据种皮坚硬程度,处理15～30min不等.清水
冲洗,0.1%升汞表面消毒15～20S,无菌水冲洗5～6 次,无菌水浸种,置于25℃恒温箱中过夜.将吸胀的
种子移人无菌滤纸培养皿中,25℃恒温催芽.将滤纸
卷成小筒整齐排列在烧杯中,加水至滤纸的4/5处, 用牛皮纸封口湿热灭菌.待种子胚根长至1cm左右时,将其移人滤纸卷筒烧杯的卷筒空隙中,25℃恒温条件下使之继续生长.
无菌幼苗的胚根长至2～3cm时,用根瘤菌混合
菌株洗脱液接种体浸根接菌2～3h.对照用灭菌水
浸根.后移至灭过菌的盛有NF无氮培养液l9J的广口瓶中(胚根须接触培养液),后置于温度为25℃,光照为2000～3000lx的恒温培养室培养,定时观察各植物根部变化.
1.4盆栽苗的培养和接种
分别选取饱满有活力的种子,先用浓硫酸处理,
清水冲洗干净后浸泡过夜.将吸胀的种子转入湿滤纸培养皿内,置于25℃恒温培养箱催芽.待种子芽
长为1～2cm时,再将已经发芽的种子移人盆中育苗.选直径为40cm的大盆钵,装入苗圃地沙壤土.
加入催好芽的种子,覆土,放在自然光下培养.待幼
苗出土2周后,将培养至对数生长期的上述根瘤菌混合成混合菌液对盆钵苗接菌.每个盆钵均匀接种混合细菌液50n1L.对照盆钵不接菌.
1.5石蜡切片的制作和观察
组织块的脱水,包埋与切片:取出组织块,进行逐
步的脱水,透明,浸蜡和包埋.切片使用手摇轮转式
切片机,切取厚度为10～15tan的蜡片,进行对比观察.选取最佳厚度的蜡片,经43℃温水展片后,用明
胶粘贴剂把蜡片粘贴于洁净的载玻片上.置50%烘俅土科技开-【2OO6年第2o卷第4期
干箱中5h,充分烘干蜡片.蜡片的染色与封片:蜡片
的染色采用番红,固绿染色法,将蜡片逐步复水.使
用番红水染色液和番红酒精染色液对比染色,脱水至83%乙醇后,再用固绿酒精染色液染色.完全脱水后,放人二甲苯中浸洗2次,用中性树胶封片,制成永久装片.
2结果与分析
2.1不同豆科木本植物结瘤情况比较
水培苗在3个月以后,盆栽苗半年后,拔出检查
各种豆科植物根部的结瘤情况,记录根部的颜色,质地和须根的多少等.记录结果见表2.
表2不同豆科木本植物结瘤状况及根部外形比较
植物根的根的须根须根接种结瘤状况
名称质地颜色多少长度水培苗盆栽苗
对叶豆中等深褐色多中一一
节果决明中等深褐色中中一一
望江南中等深褐色多长一一
铁刀木坚硬深褐色中短一一
泰国甜角中等深褐色多中一一
伞房决明坚硬黑色多长一一
银荆松软白色少短++
木豆松软土黄色多长++
马占相思松软土黄色多中++
刺槐松软土黄色多长++++++
合欢松软土黄色多长++++++
注:一表示不结瘤;+表示少量结瘤;+++表示结瘤较多. 从表2可以看出,不管是水培苗还是盆栽苗,诱
导结瘤情况基本一致.即对叶豆,节果决明,望江南,
铁刀木,泰国甜角和伞房决明都不结瘤,银荆,木豆,
马占相思,刺槐和合欢能够结瘤.结瘤情况和须根长度,须根多少没有关系,但与根的颜色,根的质地存在密切关系.结瘤植物的根部颜色较浅,为土黄色或白色;表皮比较疏松,质地较为柔软.不能结瘤的植物
根部颜色较深,为深褐色或黑色;须根细,坚硬如
铁丝.
21
-j皇f,.口■-口『■了1————
2.2根部横切面结构比较
选取直径基本相同的根作石蜡切片,观察各根部
横切面,显示结瘤豆科植物和非结瘤豆科植物在根的表皮部分存在明显差异,皮层和中柱部分差异不明显.非结瘤豆科植物表皮细胞排列致密,细胞间隙小,不容易收缩破损.除望江南外,其他非结瘤豆科
植物表皮细胞外切向壁的颜色多呈黑色,增厚明显. 望江南的表皮细胞壁外切向壁的颜色和厚度不均匀; 有的区段颜色深,呈黑色;有的区段颜色比较浅,厚度也较薄.结瘤豆科植物在切片中容易收缩破损,完整的表皮细胞壁外切向壁的颜色呈现染色剂固绿的颜色,厚度比较薄.
2.3表皮细胞外切向壁的厚度比较
显微测微尺测量根表皮细胞外切向壁的厚度.
每种植物随机取3个切片,每个切片随机测5个值, 计算平均值,并进行新复极差多重对比检验.结果显示,结瘤豆科植物的较薄,平均仅1.1fan;而非结瘤
豆科植物的根表皮细胞外切向壁厚度总体较厚,平均为4.8/an,它们之间存在明显差异.不同结瘤豆科
植物比较,其根表皮细胞外切向壁厚度差异不明显, 除马占相思较厚外,其他均在1/an左右.不同的非
结瘤豆科植物之间,其外切向壁厚度存在明显差异. 外切向壁最厚的为伞房决明,最薄的为望江南,二者
的外切向壁厚度相差3.4(表3,图1,2).
表3不同豆科植物根表皮细胞外切向壁厚度//an
结
瘤
豆
科
木
本
植
物
1.9c
1.0
0.5
1.0
0.5
0.5
0.5
o.8
o.8o.8c
0.8
注:部分相同字母之间为显着性差异;字母不相同的为极显着性差异. 秣业科技开|c2006年第2o卷第4期
69l ll2 55O l22 O5O ll2 OO5 l22 OOO 222 55O 2l2 l23 思
相
占
马OOO }
5O5 OlO OOO
}
l23
荆
银
应用砷究
‘
囊④◇霸囊对叶豆铁刀木伞房决明望江南节果决明泰国甜角图16种非结瘤豆科木本植物根段横切面显微结构图
合欢马占相思刺槐木豆
图25种结瘤豆科木本植物根段横切面显微结构图
3讨论
(1)苏木亚科植物能够结瘤固氮的很少,仅有少
数种能够结瘤固氮,如含羞草决明,龙须藤,格木和仪
花等E6,8j.也有一些种的结瘤情况还有争议,如望江
南,泰国甜角,紫荆,苏木,毛荚决明等.但总的来说,
苏木亚科植物是3个亚科中最原始的一个亚科,在苏
木亚科植物中,也有一个明显的从不结瘤到结瘤的进
化过程.
(2)豆科植物根的颜色和质地,似乎是一种”质”
的概念.即柔软且颜色较浅的根,能够结瘤;而坚硬
色深的根,不能结瘤.所以可以从这一指标,来判断
其他豆科植物结瘤固氮的可能性.豆科植物根表皮
细胞外切向壁的厚度似乎是一种”量”的概念,进化程
度越高,外切向壁的厚度越薄;进化程度越低,外切向
壁就越厚.所以,根表皮细胞外切向壁的厚度是衡量
豆科植物进化程度的一个标志.
(3)本研究接种试验中,望江南没有结瘤,被归入
了非结瘤豆科植物.但从表皮细胞外切向壁的厚度
来分析,望江南接近于结瘤豆科植物.从以前的报道
中也显示,望江南既有结瘤的报道,也有不结瘤的报
道_8j.说明望江南属于从结瘤到不结瘤的一种过渡
类型.另外,马占相思也存在同样的情况,不管是本
研究的接种试验或者是以前的报道,都显示马占相思
可以结瘤固氮E5,6].但马占相思表皮细胞外切向壁
比其他几种结瘤豆科植物要厚的多,说明马占相思也
属于一种过渡类型,但马占相思在进化上较望江南
要高.
棕业.}技开式2006年第20卷第4期
银荆
参考文献
【1JAllenON,AllenEK,TheLq;umm0sae,aSOUl’eebookofcharacter- isitics,UsesandNodulationlMJ.TheUnivofWisconsinPress,madisen, 198l,
[2]周湘泉.豆类植物共生固氮研究近况和展望[J],南京林产工业学院,1983(4):88—99,
[3]周湘泉,韩素芬.豆科木本植物根瘤菌共生体系研究进展[J].林业科学,1989,25(3):243—246,
[4]康丽华,李素翠.相思苗木接种根瘤菌的研究[J],林业科学研究, 1998,11(4):343—349.
[5]丁明懋,蚁伟民,廖兰玉,等.生态条件对马占相思结瘤固氮的影响[J],热带亚热带植物,1994,2(2):15—21,
[6]韩素芬,固氮豆科树种和豆科树种根瘤菌资源的研究[J],林业科学,1996,32(5):434-44o,
[7]韩素芬,我国豆科木本植物结瘤情况的补充资料[J]南京林业大学,1995,19(4):89—92,
[8]周湘泉,韩素芬,我国豆科树种结瘤情况[J]南京林业大学, 1990.14(3):84—90,
[9]吴均章,韩素芬,塑料半薄切片法观察豆科植物根表面的传递细胞[J],南京林业大学,2003,27(2):65—68,
(通讯地址:210037,南京市龙蟠路159号)。