很小很復(fù)雜！石斛種子竟這樣萌發(fā)
科技日?qǐng)?bào)記者 趙漢斌
蘭科是被子植物最大科之一，全世界約有700屬2.8萬(wàn)種，不少種類是重要的觀賞花卉和珍貴藥材，具有較高的價(jià)值。
記者5月7日從中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園獲悉，該園研究人員近期成功解析了蘭科石斛屬鼓槌石斛種子萌發(fā)的發(fā)育模式，著名國(guó)際園藝學(xué)期刊《Horticulturae》發(fā)表了這一研究成果，不僅增進(jìn)了人們對(duì)蘭花進(jìn)化的理解，也為進(jìn)一步研究蘭花與真菌共生的機(jī)制，以及蘭科珍稀瀕危物種的保護(hù)、繁育提供了重要見(jiàn)解。
蘭科植物緣何珍稀又瀕危？
蘭科是被子植物中最古老的15個(gè)科之一，起源于1億多年前到7600萬(wàn)年前的晚白堊紀(jì)，曾與恐龍“同框”。
蘭科廣泛分布在除兩極和極端干旱沙漠地區(qū)以外的各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中，是生物多樣性鏈條中的重要環(huán)節(jié)和組成部分，它們與動(dòng)物的協(xié)同進(jìn)化，對(duì)人類認(rèn)識(shí)生命演化的規(guī)律具有重要意義。同時(shí)，以石斛、天麻等為例，作為特化的類群，蘭科也是中外生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。
雖然蘭科植物分布十分廣泛，但往往每個(gè)物種分布又十分狹窄，只分布在極小的區(qū)域，有些甚至只局限在一丘一壑之間，它們對(duì)于小環(huán)境的要求往往更高。
由于人類活動(dòng)的影響，使不少蘭科植物的生境萎縮或喪失；而早期過(guò)度采集和部分蘭科植物自身遺傳多樣性較低等原因，導(dǎo)致不少致生蘭科植物處于瀕危狀態(tài)。全世界所有的野生蘭科植物均被列為《野生動(dòng)植物瀕危物種國(guó)際貿(mào)易公約》(CITES)的保護(hù)范圍，占該公約保護(hù)植物的90%以上，是植物保護(hù)中的“旗艦”類群。
與大多數(shù)被子植物不同，蘭科植物的種子幾乎是同類中最小的，如同粉塵般微小，被認(rèn)為是未分化的胚性結(jié)構(gòu)，沒(méi)有胚乳。因此蘭科植物在萌發(fā)中，往往不能為自己提供營(yíng)養(yǎng)。因此，離開原有棲息地，沒(méi)有共生菌的加持，蘭科植物也很難快速生存和繁殖，這也是蘭科“嬌貴”和易陷于瀕危境地的原因。
值得一提的是，蘭科在幼苗形成之前，通常要經(jīng)歷原球莖的發(fā)育階段。原球莖最初指蘭花種子萌發(fā)過(guò)程中的形態(tài)學(xué)構(gòu)造，可理解為呈珠粒狀由胚性細(xì)胞組成的、類似嫩莖的原器官。
“原球莖，是蘭科植物特有的發(fā)育階段，是幼苗建成及構(gòu)建菌根共生關(guān)系的關(guān)鍵時(shí)期，決定了種子能否順利發(fā)育形成幼苗�！敝袊�(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園植物多樣性與保護(hù)研究組羅艷研究員介紹，研究原球莖的發(fā)育特點(diǎn)及功能，對(duì)理解蘭科植物與真菌的相互關(guān)系具有重要意義。
但由于原球莖微小，鮮有人深入研究其內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，關(guān)于原球莖的屬性及結(jié)構(gòu)一直存在較大爭(zhēng)議：一些研究人員認(rèn)為原球莖是胚胎發(fā)育的延伸，而另一些研究人員則認(rèn)為原球莖更類似于發(fā)育不全的幼苗，但長(zhǎng)期未有定論。
6個(gè)步驟解析蘭科種子復(fù)雜萌發(fā)過(guò)程
原球莖的組織分化過(guò)程是怎樣的？它在蘭花種子萌發(fā)過(guò)程中有哪些生理功能？為解決這一問(wèn)題，研究人員找到了理想的“模特”和協(xié)作“伙伴”。
瀕臨滅絕的附生植物鼓槌石斛，因可開出成串明艷的黃色花朵，是叢林中“明星”，具有藥用和觀賞價(jià)值。然而，對(duì)于這種蘭花的共生種子發(fā)芽、原球莖解剖和發(fā)育形態(tài)的認(rèn)知，幾乎還是空白。
研究人員小心地從鼓槌石斛果莢中取出種子，并在零下20℃儲(chǔ)存，好喚醒它們用于實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，還用上了能促進(jìn)種子發(fā)芽的膠膜菌�！斑@種真菌，是蘭花種子發(fā)芽的重要‘伴侶’，需培養(yǎng)7-9天，再把活躍的菌絲接種到蘭花種子之上�！闭撐牡谝蛔髡摺⑽麟p版納熱帶植物園碩士研究生高鑫禎介紹。
“我們利用解剖技術(shù)和掃描電子顯微鏡，觀察到鼓槌石斛與膠膜菌GC-15共生發(fā)芽過(guò)程中原球莖的發(fā)育過(guò)程�！备喏蔚澱f(shuō)，根據(jù)形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征，鼓槌石斛種子的萌發(fā)過(guò)程可分為6個(gè)階段。
他們發(fā)現(xiàn)，原來(lái)原球莖形成發(fā)生在較前階段，并在中間階段有了明顯的組織分化，頂部的胚性細(xì)胞發(fā)育形成子葉，中上部的中心位置，則分化出莖頂端分生組織。
“在種子開始吸水膨脹的初始階段，膠膜菌菌絲就通過(guò)種孔侵入種胚，后期則通過(guò)假根進(jìn)入，在原球莖中下部特定的薄壁細(xì)胞中增殖，但菌絲最終會(huì)被原球莖消解，作為多糖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，給原球莖發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)�！蔽麟p版納熱帶植物園副研究員邵士成說(shuō)，他們還發(fā)現(xiàn)，種子的成熟種胚事先已規(guī)劃好發(fā)育“藍(lán)圖”，種胚會(huì)明顯分化形成兩個(gè)功能區(qū)，分別發(fā)育形成子葉和莖頂端分生組織以及共生真菌定殖區(qū)，分別行使光合作用、幼苗營(yíng)養(yǎng)體建成和供給營(yíng)養(yǎng)的功能。
看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的種胚，通過(guò)借助共生真菌“伙伴”，完成了復(fù)雜的發(fā)育過(guò)程，獲得了子葉、莖頂端分生組織、假根以及菌根等組織器官，形成“原球莖”這一功能體，從而開啟蘭科植物幼苗的生命旅程。
“這項(xiàng)研究，闡明了原球莖發(fā)育過(guò)程中的形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)變化，為深入了解石斛屬與真菌生物之間的共生關(guān)系，以及蘭花原球莖的結(jié)構(gòu)形成和功能機(jī)制提供了新的見(jiàn)解�！绷_艷說(shuō)，這對(duì)瀕危蘭科植物保護(hù)和園藝蘭科植物助萌都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
(圖片由中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園提供)
