马蹄纹天竺葵叶斑变异的解剖学观察
马蹄纹天竺葵叶斑变异的解剖学观察1
李明银
绵阳师范学院园林科学研究所，四川绵阳（621000）
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摘 要：植物叶斑是由两种或者两种以上基因型细胞组成的特殊的组织结构，在植物发育研究和提高观赏植物经济性方面具有十分重要的意义。本研究以天竺葵（Pelargonium zonal ）‘Ms.Pollock’ 银边绿心型变型新鲜叶组织为材料，研究了斑块结构切片及不同质体细胞的分布，以探索叶斑异化变型解剖机制。结果表明：银边天竺葵‘Ms.Pollock’的斑块组织含不同质体的细胞， 即质体突变型白色细胞和原型绿色细胞改变了分裂方向，部分表皮绿色细胞进入第二层，排挤第二层白色细胞，而第二层白色细胞则转轨进入第三层，导致细胞类型的移位，从而形成异型斑。即银边天竺葵‘Ms.Pollock’叶斑变型不是由于细胞突变形成，而是由于质体突变型白色细胞和原型绿色细胞在生长发育过程中相互竞争转轨所致。
关键词：马蹄纹天竺葵；质体突变型；细胞转轨
植物的花、叶和果实上具有的不同斑纹，可以大大地提高植物的观赏性和观赏价值，如紫茉莉(Mirabilis jalapa) 、金边吊兰(Chlorophytum comosum var. margunarum) ，兰花艺草等。一个植物个体通常只含有一种基因型细胞，植物叶斑含有两种或者两种以上基因型细胞，因此叶斑结构可以用于不同基因型细胞间信息交流的研究和植物抗性育种（Szymkowiak and Sussex 1996；Session et al. 2000；李明银&何云晓，2005）。据研究，两种不同基因型细胞类型叶斑在生长发育过程中, 通过多次性细胞转移可以形成8种不同的基因型组合，4种表现型，从而增加观赏植物的花色品种(李明银&何云晓2005) 。因此，叶斑植物的遗传早就引起欧洲学者极大的重视（Bauer 1909； Marcotrigiano 1997；Li 2005)。目前大量的叶斑观赏植物已被引进中国市
场，广泛地受到消费者的亲睐。因此加强我国叶斑植物资源的收集、整理和利用开发具有十分重要的意义。 植物叶绿体基因突变，叶绿素形成受阻，会导致细胞白化。当白化组织与绿色组织相间分布，则呈现出叶斑。 叶斑常见的有两种类型，即块状斑和嵌合斑。银皇后(Aglaonema‘Silver Queen') 等不规
金边吊兰(Chlorophytum comosum var. margunarum) 、金边六月雪(Serissa japonica 则性叶斑属块斑，
cv.`Variegata`)等规则性叶斑属嵌合斑。
Stewart and Dermen (1979)、Bowman & Eshed (2000)和Simon(2001)的研究指出：大多数双子叶植物的花、叶、茎由生长点原基(SAM)的3层相互独立的细胞发育形成。第1层细胞（L1）形成植物的表皮组织，毛及气孔细胞，同时确定大多数植物的花色表现；第2层细胞（L2）形成植物栅栏组织及发育成生殖细胞(花粉细胞，卵细胞) ，同时影响花色的表现和并在决定叶的形状中起主要作用（Poethig, 1997) ；第3层细胞（L3）则发育成植物内层薄壁组织及形成扦插植物的根，并可影响花序的状态及花数（Carles & Fletcher 2003）。 不同层次细胞的分裂取向是不同的：最外两层`tunica`细胞进行垂周分裂，平周扩展；而内层`corpus`细胞是垂周和平周分裂的混合, 进行多向扩展。这一学说被称为tunica-corpus-理论（原体-原套学说）。当1层或2层或部分叶细胞发生突变时，即形成嵌合型叶斑（Marcotrigiano 1997;Burge et al.2002；李明银&何云晓 2005）。
对于嵌合型叶斑的变型机制，一些学者在不同的植物研究中得出了不同的结果，并提出了不同的假设，其中主要的有细胞突变说、细胞转移说和基因转座说三种(Carpenter and Coen 1995；Pohlheim 2003)。本研究以天竺葵‘MS. Pollock’银边绿心嵌合型中发现的变型株为材料进行切片观察，以确定植物嵌合型叶斑出现变型的解剖结构原因。
1. 材料和方法 1本课题得到四川省教育厅（2006C-048）和绵阳师范学院科技处（MA2005008）的资助。
天竺葵（Pelargonium zonale），属牻牛儿苗科天竺葵属，叶面有明显的暗红色马蹄形环纹，花叶俱赏，深受人们喜爱，是一种市场销售量很大的盆栽观赏植物。研究材料马蹄纹天竺葵（Pelargonium zonale）‘Ms Pollock’银边绿心，2004年采自德国柏林洪堡大学植物育种所温室。原型株叶片叶缘为白色（W ），中心为绿色（G ）（图1A ）, 在繁殖过程中个别植株斑型出现变异：由银边绿心变为绿边金心，进一步变为纯绿色（图1，B ）；或变为白色，成为白化株（如图1C ）。
试验取用新鲜叶片进行徒手切片，将植物不同斑块过渡区段组织固定在黄瓜组织内，在解剖镜下仔细切片，切片放入试管清水中，并用微型抽气泵震荡抽气5-10分钟，直至切片沉入管底。然后取出切片置于载玻片水滴中，调整好切片方向，盖上盖玻片，于显微镜下观察，摄影系统为Laica 相机。
A B C
图1 天竺葵‘Ms Pollock’不同的异型株。A ，‘Ms. Pollock’银边绿心原型植株; B. 银边绿心原型向绿边-白心
型及绿色型过渡; C.白边-绿心型向白色型过渡。
Figure 1 Mutations of leave types of Pelargonium zonale `Ms. Pollock`. A，Original white Margin type; B ，
Leaf type transition from original white margin to white inner and green leaf. C, Leaf type transition from
original white margin to white leaf.
2. 结果与分析
2.1 嵌合体变型叶中不同细胞类型的分布
切片图2显示: 天竺葵叶具有两层栅栏层细胞。白边绿心原型植株表皮保卫细胞含叶绿体，第一栅栏层细胞而无叶绿体存在，第二栅栏层细胞及其它内层细胞则可见叶绿体（图2A ），即银边绿心株为绿-白-绿（GWG ）嵌合斑。绿边白心变异型保卫细胞和切片中第一栅栏层细胞可见叶绿体，而第二栅栏层细胞则未见叶绿体（图2B ），故为绿-绿-白型（GGW ）。白色叶保卫细胞未见叶绿体，切片中所有叶肉细胞也未见叶绿体（图2C ），因此，白色叶应该是纯白型（WWW) 结构。
A B C
图 2 天竺葵Ms Pollock不同变型叶切面图 A, 原型株银边绿心型叶切片。 B ，绿边白心叶切片。 C ，
白色叶切片
Figure 2 The leaf sections of the different chimeral types of P. zonale `Ms. Pollock`。 A ，Different cell distribution of the leaf section of the original chimera with white margin。 B ，Different cell distribution of the leaf section of the chimera with white inner。 C ，Different cell distribution of the section of the white mutation leaf.
2.2 变型叶过渡区不同细胞类型的分布
不同类型叶斑的过渡区切片图3显示：由白边绿心型向绿边白心型的转型过程。图片3A 左边组织为GWG 型，而右边组织则为GGW 型，从第一栅栏层到第二栅栏层间明显可见一白色弯
道。这表明了不同类型细胞在生长发育过程中存在着转轨现象，即白边嵌合斑中第二层白色质体突变型细胞在生长发育竞争中被绿色细胞排挤而进入第三层。说明其变型不是由第一栅栏层白色细胞突变绿化或第二栅栏层绿色细胞突变白化形成，而是由于不同类型细胞层的竞争转移所致。图3B 则显示白色突变型细胞在内层组织中的发展轨迹，即第三层中白色突变型细胞排挤绿色细胞，使原有的绿色细胞位置逐渐被白色突变型细胞代替。图3C 显示白色突变型细胞向两侧发展以至白-绿-白型成为纯白色叶片。
A B C 图3，天竺葵不同叶型界面切片细胞类型变化图: A， GWG叶与GGW 叶过渡区细胞类型变化。B ， GGW
叶过渡区细胞类型变化。 C ，白色细胞在GGW 叶型中的发展图，
Figure 3 Cell types changes of transitional leaf sections of differential leaf type by P. zonale ‘ Ms. Pollock’。 A ， Cell type changes of the transition zone from GWG to GGW。 B ，Expansion of the mutated white cell in leaf of
the GGW。 C ，White cell type expanded to WWW in leaf of the GGW.
2.3 变型株茎柄过渡区不同细胞类型的分布
原型银边绿心植株茎柄区细胞类型分布如图4A ，植株茎柄过度区细胞分布与上述叶片结果相似：第二层细胞未见叶绿体，而第三层细胞含有叶绿体。由于茎柄组织外层白色细胞排挤内层绿色细胞而形成了白色区、交错区和绿色区（图4B ）。
图4 天竺葵变型植株茎柄切片中不同的细胞分布图。 A. 原型株茎柄切片，B 。变型株茎柄过渡区切片。 Figure 4: Cell type distribution of petiole section of Pelargonium zonale `Ms. Pollock`. A，Cell type distribution of the petiole section of original chimera， B ， Cell type distribution of the transition zone of petiole section of
variegate 。
3. 讨论
3.1 变型体形成的可能途径
细胞新突变所引起的异化型通常在细胞间或细胞层间产生间断，不会在层间形成连接通道。而转座子是基因组中一段可移动的DNA 序列, 可以通过切割重新整合等一系列过程从基因组的一个位置跳跃到另一个位置，它的特性是既具有跳动性又具有控制其它基因开闭的作用（李军等 2005）。因此转座子基因产生的异化型变异像杂色玉米一样显现不规则性，形成许多间断型的斑点（Federoff 1984，Kempken and Kempken 2004）。本研究在Ms.Pollock 叶型组织发育变异中观察到不同细胞类型变异过渡通道，未见间断区域的存在。因此天竺葵‘Ms.Pollock’银边绿心叶的斑型变异不是由于细胞基因转座突变形成，而是细胞在生
长发育竞争中导致扩展方向改变形成。
3.2 不同类型细胞的发育竞争
不同类型的细胞在生长发育的过程中的竞争力是不同的。含有叶绿素的绿色型细胞能够进行光合作用，并产生植物生长发育所需要的能量物质和生理活性物质，具有较强的自身活力. 而纯白色芽往往生长缓慢，甚至会逐渐停止生长直至死亡。但这并不意味着绿色细胞比白色突变型细胞更具有发育优势。在本研究中, 天竺葵‘Ms Pollock’白色突变型细胞在第二层受到绿色细胞的排挤进入第三层，但它却排挤了第三层的绿色细胞，并扩大了白色空间，因此白色细胞在生长发育过程中也表现出竞争趋势。本研究认为：不同类型细胞的转移发展方向与细胞的遗传性及生长竞争态势强弱有关，即与植株生长发育状态、细胞所处的环境有关。
致谢
本研究得到了德国柏林洪堡大学 Pohlheim 教授和Plashil 博士的支持, 胥文诗女士对本文的写作提出了有益的修改意见, 在此一并表示感谢。
参考资料
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Researches on the anatomy of the Leave Variegation of the
Pelargonium zonale
Li Mingyin
Institute of Garden Science,Mianyang Normal University, Mianyang, Sichuan (621000)
Abstract
Plant variegation on the leaf is specifical constitutions consisting of two and more different genetic cells. They have economic and scientific importance for horticulture. In this paper, the freshe tissues of the variegated plant of Pelargonium zonal‘Ms. Pollock’were investigated for mechanism of variegate type changes. The results showed that the changes of the variegeted types of ‘Ms. Pollock’were not new cell mutation, but translocation of the different cell types of the variegate.
Keywords: Pelargonium zonale，plastidmutation ，cell translocation
作者简介：李明银，德国洪堡大学园艺学博士，研究方向：观赏植物遗传育种。