西北大学结构植物学研究七十年回顾

结构植物学科已有300多年的发展历史,主要研究植物的细胞、组织和器官在个体发育、系统发育和不同生境条件下显微结构和超微结构的发生、发育规律,以及如何利用这些结构规律为生产实践服务。西北大学结构植物学科起始于1953年,由已故植物学家胡正海教授建立。初期研究主要集中在橡胶植物猫儿尿和生漆植物漆树,系统研究这两种植物体内产生和贮存橡胶和生漆的结构——乳汁管,阐明乳汁管的形态结构、发生发育、各器官的分布规律,及橡胶和生漆的产生、转运和贮存过程等。理论研究上,以我国特有植物独叶草和心叶草独有的原始形态特征为切入点,用比较形态学方法系统研究了它们形态发生,为被子植物的演化研究提供了新的资料。

植物花粉研究进展

花粉含有丰富的营养成分及生物学特性,近年来在花粉形态、花粉活性、花粉遗传、花粉药理等方面进行了深入研究,已取得大量的研究成果。

三江源地区小花棘豆表型多样性及其与环境因子的相关性

为了探究三江源地区野生小花棘豆(Oxytropis glabra DC.)表型多样性及其与环境因子的关系,对三江源地区6个主要且具代表性的小花棘豆天然居群的18个表型性状进行变异特征和主成分分析,基于这些表型性状对6个居群进行聚类分析,并对这些表型性状与经度、纬度、海拔、土壤pH值和土壤电导率进行相关性分析。结果表明:除单株花序数和种形指数外,其余表型性状的F值均达到显著(p<0.05)水平,其中,花序长的F值最大,叶形指数和种子千粒质量的F值较大。供试居群18个表型性状的变异系数为0.30%~53.79%,均值为14.99%,其中,叶形指数、单株花序数、花序长和单荚果种子数变异系数的均值均在20%以上,而种子千粒质量变异系数的均值最小(0.47%)。相关性分析结果表明:仅单叶鲜质量与纬度呈显著负相关,开花后株高和冠幅与海拔呈极显著(p<0.01)负相关,单叶鲜质量和种子千粒质量与土壤电导率分别呈极显著和显著负相关。主成分分析结果显示:前3个主成分的累计贡献率为92.960%,说明这3个主成分能够反映小花棘豆表型性状的绝大部分信息。聚类分析结果表明:供试居群被分成2组,其中,甘德县柯曲镇和天峻县木里镇居群为一组,其余居群为另一组。综上所述,三江源地区小花棘豆表型性状变异较为丰富,但仅个别表型性状受纬度、海拔和土壤电导率的影响显著。

植物腺毛分泌物研究进展

植物腺毛(Plant glandular trichomes,GTs)是具有分泌能力的植物表皮毛,分布在茎、叶、花器官甚至果实的表面,可产生具有抗生物胁迫和非生物胁迫能力的腺毛分泌物(Glandular trichomes secretions),被誉为“生物合成工厂”。植物腺毛分泌物属于次生代谢产物,在医疗保健、植物源农药及食品工业等行业具有重要的应用价值。本文主要综述了植物腺毛结构、腺毛分泌物种类、提取分离及其功能活性等方面的研究进展,并对存在的问题和应用前景进行了分析与展望,以期为植物腺毛分泌物在医药、农业及食品领域的开发与利用提供参考。

宽叶山蒿叶和艾叶的微形态鉴别

[目的]对宽叶山蒿叶和艾叶进行研究,为其鉴别提供微形态资料。[方法]利用数码相机、光学显微镜和扫描电子显微镜对其叶脉、叶表面和粉末特征进行研究。[结果](1)强光背景下,只有宽叶山蒿叶各级叶脉能清晰观察到。(2)腺毛只分布于宽叶山蒿叶的下表面,而艾叶上、下表面均有大量腺毛。(3)和艾叶相似,宽叶山蒿叶下表面也密被T形非腺毛,顶细胞有2种:一种顶细胞呈长梭形而弯曲,平均长度约1450μm(Ⅰ型);另一种顶细胞细长,扁平且扭曲,平均长度约2800μm(Ⅱ型)。(4)宽叶山蒿叶肉组织中草酸钙簇晶较少,且最大只有10μm。[结论]宽叶山蒿和艾的叶脉微形态特点及其叶上表面腺毛的有无特征可用于两者叶的快速鉴别。

不同美味猕猴桃花粉萌发活力及形态学研究

为探究猕猴桃花粉萌发活力和花粉萌发前后的形态变化,以15份美味猕猴桃花粉为样本,采用离体培养方法测定花粉的萌发活力,利用扫描电镜观察离体培养前后5份雌株花粉和10份雄株花粉的形态变化。结果表明:15份花粉样本萌发率差异较大,5份雌株花粉均不萌发;10份雄株花粉中8号花粉样本的萌发率最高,为79.27%;9号花粉样本的萌发率最低,仅为22.85%。15份花粉样本离体培养前后扫描电镜观察发现:极面观基本相同,均为三裂圆形;赤道面观有差异,5份雌株花粉离体培养前后花粉形态不发生改变,均为近球形,而10份雄株花粉在萌发前为超长球形或长球形,萌发后均为近球形,极轴长度略有变小、赤道轴长变大、极轴长度与赤道轴长度比值变小、萌发沟宽度增宽,但萌发后的雄株花粉样本间各项形态学指标值差异较小。

不同种源香椿无性系苗期表型性状变异及其与地理-气候因子的相关性

以香椿〔Toona sinensis(A.Juss.)Roem.〕12个种源142个无性系为研究对象,研究了不同种源香椿无性系苗期的表型性状变异,探究其表型性状间及表型性状与地理-气候因子间的相关性。结果表明:香椿无性系苗期表型性状在种源间和种源内差异极显著(P<0.01),且种源内的变异大于种源间的变异。12个种源香椿无性系苗期表型性状的平均变异系数变幅为18.17%~26.34%,变异系数较大。聚类分析结果表明:在欧氏距离17处,供试的12个香椿种源被分成3类,3个类群之间具有明显的表型分化,但聚类结果与地理分布无明显相关性。相关性分析结果表明:香椿无性系苗期的树皮颜色与苗高、地径分别呈显著(P<0.05)和极显著负相关,与叶痕长和叶痕宽的相关性不显著;苗高与经度呈显著负相关,与海拔呈显著正相关;地径与平均气温日较差呈显著负相关,与等温性呈极显著负相关。综上所述,不同种源香椿无性系苗期表型性状变异丰富,表型性状变异主要来源于种源内,具有优良种质资源的选择潜力,且在所收集的种源范围内,苗高的地理变异模式以经度和海拔变异为主。

濒危植物峨眉含笑种子发育的形态解剖研究

【目的】探究峨眉含笑种子发育过程中的形态解剖特征变化,解析其种子繁殖的生物学机制和濒危原因,为濒危植物的生态保育提供理论依据。【方法】以不同发育阶段的峨眉含笑种子为实验材料,采用石蜡切片法在显微镜下观测形态学变化和解剖结构特征,并用植物生理学方法对营养物质含量进行测定。【结果】种子发育初期为黄绿色圆球形,成熟后圆形子弹头状。外种皮红色革质,由3~4层表皮细胞构成;中种皮为橘红色肉质,由薄壁组织构成,细胞内后含物丰富,油脂感显著;内种皮中的扁平细胞分化成厚壁细胞,逐渐坚硬木质化,颜色由白色变为黑色。胚乳由薄壁细胞组成,胞内染成红色的后含物越来越多,形态从透明液态逐渐发育为坚实凝固态。种胚经历了球形胚、心形胚、鱼雷形胚和子叶形胚4个阶段,种子掉落时子叶形胚已发育完全。可溶性糖含量随种子发育呈先上升后下降的变化;淀粉和可溶性蛋白含量初期缓慢上升,中后期逐渐稳定;粗脂肪含量前期快速上升、后期积累放缓。【结论】种子发育过程中出现外种皮色彩鲜艳、中种皮油脂含量高、内种皮通透性差、种子早期停止生长、中后期胚乳发育异常和含胚率低等问题,导致峨眉含笑种子质量低下,限制了种子自然萌发和天然更新进程,是种群衰退甚至濒危的重要原因之一。

光果姜大小孢子发生与雌雄配子体发育的研究

光果姜[Zingiber montanum(J.Koenig)Link ex A.Dietr]为姜科姜属多年生草本植物,具有殷红的锥形花序,极具观赏价值,其花序轴较短且柔软易断,可通过杂交手段进行品种改良。此外,姜科植物的系统进化关系一直存在争议,目前关于光果姜生殖生物学研究相对缺乏。为了促进杂交育种工作的顺利进行以及为姜科植物系统进化提供新的证据,该研究以石蜡切片法为主要研究方法,进一步结合整体压片法和半薄切片法,观察了姜科姜属植物光果姜的大小孢子和雌雄配子体的发育过程,旨在深入了解光果姜的生殖生物学解剖学特征,为姜科植物保育工作提供理论依据。结果表明:①光果姜花药包含2室,花药壁的形成方式属于基本型,具有变形绒毡层;②小孢子母细胞减数分裂类型为连续型,四分体包含左右对称型,直线型和T型,成熟花粉粒为2-细胞型;③胚珠的类型为倒生胚珠,具有双珠被和厚珠心,雌配子体发育类型为蓼型;④揭示了雌雄配子体发育的对应关系,二者成熟时间同步,但雄蕊进入减数分裂时期比雌蕊早。首次发现光果姜花药壁中的绒毡层类型为变形绒毡层,这与前人报道的其他姜科植物的特征不同。研究结果可为姜科植物繁育工作及其系统分类提供有力的科学依据。

核桃花粉饼干研制及品质分析

为研究核桃花粉在饼干中的较优配比,分析了核桃花粉的总膳食纤维和可溶性膳食纤维含量等。以饼干的质构、延展因子、感官评分为评价指标,探究了核桃花粉、山茶油、水和泡打粉添加量对饼干品质的影响,通过正交试验优化了核桃花粉饼干的配方。结果表明,核桃花粉富含膳食纤维含量高达18.6 g/100 g,可溶性膳食纤维含量高达2.48 g/100 g。核桃花粉饼干的较优配方为:核桃花粉添加量3.5%,山茶油添加量14%,水添加量24%,泡打粉添加量3%。此研究为进一步开发核桃花粉功能性饼干提供了借鉴。

凤眼果的生药学研究

凤眼果具有温胃、杀虫等功效,其名称和性状易与苹婆属其他物种混淆,然而其相关研究基础比较薄弱。该研究对凤眼果性状、微性状、种子横切面及粉末显微特征进行观察;利用双向测序获取凤眼果DNA条形码序列ITS2、psb A-trn H、mat K、rbc L,计算Kimura 2-Parameter(K2P)遗传距离,建立邻接系统进化树并进行聚类分析。结果表明:(1)凤眼果性状特征为外被深红色果皮,种子表面红褐色或暗栗色,质硬,内含浅黄色肥厚胚乳2片。(2)微性状特征为外种皮红褐色,极薄,质脆;中种皮黑褐色,较厚,质硬;内种皮浅黄色,质软。(3)显微特征为外种皮石细胞结构和排列方式、中种皮栅状细胞结构、内种皮细胞壁呈连珠状增厚、草酸钙簇晶。(4)基于ITS2序列可将凤眼果与苹婆属其他植物有效区分,mat K序列可将假苹婆与苹婆属其他植物有效区分。该研究获取的凤眼果性状、微性状及显微特征数据,结合ITS2条形码序列可有效鉴别凤眼果,为其资源开发及质量标准制定提供了科学依据。

毛竹种子形成过程中形态解剖学特征

为揭示毛竹(Phyllostachys edulis)种子生长过程中胚、胚乳、果皮及种皮的发育规律,以桂林海洋山一带的开花毛竹为材料,采集并固定不同时期的开花毛竹种子,使用石蜡制片法制片,显微镜观察胚、胚乳、果皮与种皮的结构变化。结果表明:(1)毛竹花后1 d完成受精并形成合子,合子休眠时长约为5 d。经过原胚阶段、胚芽鞘阶段、幼胚生长阶段及成熟胚阶段,花后40 d的胚发育基本成熟,其发育类型为禾本型。(2)胚乳发育早于胚的发育,其发育类型为核型胚乳,历经游离核、细胞化、细胞分化及成熟4个阶段。在细胞分化阶段胚乳细胞分化形成淀粉胚乳细胞以及糊粉层细胞,淀粉胚乳细胞主要积累淀粉粒,糊粉层细胞主要积累矿质元素、脂类及蛋白质等。(3)花后1 d的果皮细胞及珠被细胞形状规则、内含物丰富、结构完整;花后10~20 d,内、外果皮及珠被细胞层数递减,形状发生改变,中果皮细胞开始出现淀粉粒;花后20~60 d,随着胚乳细胞营养物质的积累及体积的增大,向外产生机械压力,中果皮细胞逐步消解仅剩残留的细胞壁;外果皮细胞呈长条形,细胞壁加厚,与残留的中果皮细胞壁组成保护结构;皮层在种子发育过程中主要起到合成、运输营养物质以及保护胚和胚乳发育的作用。该研究结果为完善毛竹生殖生物学相关内容以及了解竹类植物胚和胚乳的发育提供了理论依据。

5种杜鹃花叶片生理特性对海拔高度适应性初探

目的:探究杜鹃花属(Rhododendron L.)植物在低海拔地区生长的适应性响应机制。方法:本研究选取5种杜鹃花属植物为研究对象,分别通过统计分析其叶片长宽比、光合色素含量、花青素含量、丙二醛含量差异及其与海拔之间的关系,初步探究了杜鹃花属植物在低海拔地区的形态、生理适应性响应机制。结果:(1)5种杜鹃花叶片的长宽比随海拔高度变化无显著变化规律;(2)5种杜鹃花叶片中叶绿素a、叶绿素b、花青素含量整体上随海拔的升高呈减少趋势;(3)白花杜鹃、杜鹃、锦绣杜鹃的丙二醛含量随海拔高度的增加而降低,鹿角杜鹃和猴头杜鹃的丙二醛含量随海拔的升高而增加,但鹿角杜鹃在两个海拔地的丙二醛含量均较低。结论:5种杜鹃花属植物在两种海拔栽培地均具有一定的生境适应性。

5种藁本属近缘药用植物花粉的形态特征

为了探究5种藁本属近缘药用植物(川芎、西芎、辽藁本、藁本、丽江藁本)花粉的亲缘关系,利用扫描电子显微镜对5种藁本属近缘种花粉的形态大小、表面纹饰等进行观测,并统计其形态学参数。同时,对5种藁本属近缘药用植物的花粉性状进行相关性分析、主成分分析、系统聚类分析。结果表明:5种藁本属花粉的形状相似,均为超长球形,有3个萌发孔沟,而5种藁本属花粉在极面观、赤道面观、外壁纹饰、萌发孔沟的形态上均存在差异。5种藁本属花粉的极轴长为26.34~41.20μm、赤道轴长为10.40~15.83μm、极赤比为2.36~2.76、外壁弧形宽度为5.36~9.24μm、外壁弧形高度为3.31~4.47μm、极面弧形弯曲率为0.47~0.61、极面直径为8.22~14.13μm、赤道面直径为18.52~28.51μm,其中川芎花粉极面弧形弯曲率指标为中度变异。在比较花粉形态时发现,川芎、西芎畸形比例较高,多数花粉出现明显皱缩、扭曲。由主成分分析可知,影响藁本属近缘种花粉分类的主要形态指标为赤道轴长、极赤比、极面弧形弯曲率;对5种藁本属花粉进行聚类分析发现,当欧氏距离为20时,共分为两种类群,其中川芎与辽藁本更接近,西芎与藁本更接近。

榔榆木质部细胞构造特征的季节变化规律研究

为了探究榔榆木质部形成中细胞形态与壁层组分变化规律,以1个生长季内木质部细胞产生过程为主线,联合解剖学技术与光谱学技术,初步研究了木质部细胞形态、细胞尺寸及细胞壁主要化学组成的变化规律。结果表明4月出现2排早材管孔,以单管孔为主,5月开始大量产生木纤维细胞,纤维细胞壁厚,直至9月形成宽约2 mm的木质部;导管与木纤维细胞从4—6月处于伸长阶段,大小随后略有降低;2类细胞的直径则呈不同的季节变化规律;导管细胞壁纤维素和半纤维素的沉积过程在季节内稳定;而木纤维细胞中纤维素和半纤维素的沉积具有季节差异,生长季早期相对含量较低,晚期相对含量明显增加,说明2类细胞间主要组分沉积存在不同步性。

峨眉拟单性木兰雄性不育的细胞形态学及生理生化特性研究

峨眉拟单性木兰(Parakmeria omeiensis)是木兰科(Magnoliaceae)拟单性木兰属(Parakmeria)的常绿乔木,属于国家Ⅰ级保护的极度濒危植物。为探究峨眉拟单性木兰两性花中雄性败育发生的时期及花药不同发育时期的生理生化特性,以两性花中的不育雄蕊和雄花中的可育雄蕊为材料,利用石蜡切片观察2种雄蕊的花药发育过程,并测定不同发育时期的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸的含量,分析过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)的活性。结果表明:(1)不育雄蕊与可育雄蕊在减速分裂时期出现明显差异,不育雄蕊的绒毡层致密、没有发育,四分体未形成,随后解体,花粉囊中无花粉;可育雄蕊的绒毡层和小孢子母细胞发育正常,成熟时花粉囊开裂,花粉粒溢出。(2)不育雄蕊的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量,在减数分裂时期、单核期和花粉成熟期都显著低于可育雄蕊。(3)不育雄蕊POD活性整体呈上升趋势,在减数分裂时期、单核期和花粉成熟期都显著高于可育雄蕊;不育雄蕊CAT活性整体呈下降趋势,显著低于同时期的可育雄蕊。综上认为,两性花中雄性败育发生在减速分裂时期,其败育的主要原因是物质能量代谢降低,绒毡层没有进一步发育,不能给小孢子母细胞提供营养物质;过氧化氢酶及过氧化物酶的活性异常,造成细胞内不能及时清除自由基,使小孢子母细胞的减数分裂受阻,无法形成四分体。该研究结果为深入开展峨眉拟单性木兰雄性不育的分子机制、性系统演化机制研究奠定了基础。

山茶属瘤果茶组10种植物的花粉和叶表皮微形态研究

为探究瘤果茶组10种植物叶表皮微形态和花粉形态,该研究利用光学显微镜和扫描电镜对花粉和叶表皮微形态进行观测,并分别依据花粉特征和叶表皮特征进行聚类分析,为该组植物的系统演化、分类鉴定等提供依据,其中10种植物的花粉形态为首次报道。结果表明:(1)10种植物的花粉形态和大小差异不大,为近球形、长球形或扁球形;极面观为三裂近圆形或三裂近三角形;赤道面观为椭圆形或梭形,极赤比(P/E)为0.85~1.16,萌发沟类型为三孔沟;外壁纹饰特征差异较显著,为颗粒状、皱沟状或皱波状至颗粒状形态,有较为重要的分类价值。(2)通过对测量指标提取主成分聚类分析,当欧氏距离为4.5时,得到4个分类群,部分分类结果和宏观形态学分类一致。(3)10种植物的叶表皮细胞为无规则形和多边形,种间形态差异较大;曾氏瘤果茶和荔波红瘤果茶的上下表皮均有腺体;气孔器仅分布在下表皮,均为环列型;垂周壁样式呈现出浅波状、波状、直曲形和深波状。(4)叶表皮微形态的细胞大小和气孔器特征(大小、密度)在种间有显著差异。该研究结果表明花粉形态和叶表皮微形态在瘤果茶组中类型多样,可作为区分部分近缘种类群的依据。

春季开花植物膜苞鸢尾的花部综合征与繁育系统研究

膜苞鸢尾(Iris scariosa)为鸢尾科鸢尾属的多年生春季开花植物,具有重要的观赏价值。为了探究该物种的花部综合征和繁育系统特性,促进其杂交选育和种质资源挖掘利用,该研究以膜苞鸢尾为研究材料,采用野外观测和控制性实验相结合的方法,对其开花物候、花部综合征、繁育系统及传粉特性等方面进行了研究。结果表明:(1)该物种于5月初进入始花期,5月中旬进入盛花期,5月下旬进入末花期,开花持续时间为16 d。(2)花为蓝紫色,具有特殊气味和少量花蜜,单花花期为2.5~3.0 d。(3)人工授粉实验结果表明,该物种属于专性异交的繁育系统,不存在无融合生殖和自主自交能力。(4)该物种属于泛化传粉系统,意大利蜜蜂、中华蜜蜂、隧蜂是主要传粉者,访花频率分别为(0.57±0.05)、(0.42±0.04)、(0.19±0.03)times·flower^(-1)·h^(-1)。膜苞鸢尾花具有的艳丽颜色、较大的花展示、昆虫访花高峰期与花粉活力最高时期及柱头最佳授粉期相吻合,外花被片中脉上的黄色须毛状附属物等特征对保证其传粉过程的顺利完成并促进异交繁殖成功具有重要意义。该研究结果为膜苞鸢尾的资源利用与种质创新提供了重要的理论资料。

闽南花岗岩堡状峰乌冈栎种群的表型变异

堡状峰是类似城堡外貌而凸出于周围环境之上的特殊山峰,位于中国闽南乌山风景区堡状峰地貌上的乌冈栎(壳斗科)种群的表型发生了变异,其与原类型的显著不同在于叶背具宿存性黄褐色星状毛。为解释这一现象,该研究对堡状峰顶部的乌冈栎种群分布进行调查,包括其中的变异型、原始型、过渡型,以及堡状峰山脚、另一异域的典型原始型种群被研究,基于叶表皮解剖,利用方差分析统计显微性状的差异,结合生态因子,探究变异的原因及演化的可能途径。结果表明:(1)变异型在山顶西侧形成以其为优势种的常绿阔叶灌丛群落,东侧的小片灌丛以原始型为主,后者内部还有少量过渡型。(2)各种群单细胞毛状体基(STB)与复合毛状体基(CTB)在叶上表皮的密度很小甚至小于每平方毫米1个,宏观的表现为无毛。原始型、过渡型、变异型的STB密度均值在叶下表皮递增。变异型种群与原始种群相比,叶下表皮CTB或典型星状毛(Tst)的密度由每平方毫米0.481~1.122个变异至每平方毫米57.2个,宏观表现为形成密毛。气孔长宽比在原始型(1.187~1.205)至变异型(1.258)间递增。(3)方差分析结果显示,变异型叶下表皮STB与CTB密度及气孔长宽比较原始型显著增加(大)(P<0.01),但气孔密度与尺寸在种群间未表现出规律与差异性(P>0.05)。乌山堡状峰顶的土壤贫瘠、水热条件差。综合生境与统计的结果表明,变异型乌冈栎叶背毛状体及气孔长宽比的变异具抵抗干旱或极端气温的功能。由于花粉流未曾间断,因此相比于地理隔离,特殊生境促使乌冈栎发生适应性演化应是该变异产生的主要原因。该研究为亚热带特殊花岗岩地貌促进种群分化和物种形成提供了直接的证据。

湖北省楠属植物叶表皮微形态特征及其分类学意义

【目的】楠属(Phoebe)各物种在形态学方面差异甚微,种间界限模糊,物种的识别鉴定较为困难,尤其在缺少花、果的时期。叶微形态特征对植物种间界定具有重要价值,但目前楠属植物叶显微特征的研究仍然较少。【方法】利用体视显微镜、光学显微镜对湖北省楠属8种及1变种的叶形态和微形态进行观察,并测定分析各物种气孔、表皮毛的质量和数量性状,以期为楠属植物的识别和鉴定提供必要依据。【结果】楠属植物叶形态有大型叶、中型叶、小型叶和不规则叶4种类型;毛被类型有粗短柔毛、细短柔毛、长柔毛、混生短柔毛和长柔毛(脉上被长柔毛)4种。毛密度在湘楠(200根/mm^(2))与闽楠、浙江楠、紫楠(低于100根/mm^(2))之间差异显著。表皮细胞类型为多边形或不规则形,垂周壁为平直-弓形、浅波或波状。气孔除披针叶楠、闽楠、裂叶白楠为近圆形外,其余物种均为宽椭圆形。气孔密度以紫楠最高,山楠和湘楠最低。此外,气孔大小与气孔密度之间,毛长度与毛密度之间存在负相关关系。【结论】叶形态和微形态的特征组合可作为9种楠属植物鉴定和区分的必要依据,可为楠属植物识别和种间界定提供参考。