突脈金絲桃的花器官發(fā)生及其系統(tǒng)學(xué)意義

趙 祥 蘇 雪 吳海燕 張 輝 孫 坤

（西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

金絲桃屬（Hypericum）是被子植物中最大的100 個屬之一［1］，全世界約有496 種［2］，除南北兩極地或荒漠地及大部分熱帶低地外，在世界各地廣布［3］。該屬植物花最主要的特征為雄蕊多數(shù)，聯(lián)合成束［3］。近年來有關(guān)金絲桃屬分類地位的研究出現(xiàn)了不同的觀點，傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為金絲桃屬隸屬于廣義藤黃科（Clusiaceae（Guttiferae））金絲桃亞科（Hypericoideae）［3］，而現(xiàn)有的分子系統(tǒng)學(xué)研究表明，廣義的藤黃科并不是一個單系［4］，因此APGⅢ系統(tǒng)將金絲桃屬所屬的金絲桃亞科從藤黃科中分出，獨立為金絲桃科（Hypericaceae）［5］。根據(jù)分子系統(tǒng)學(xué)的研究，金絲桃科隸屬于核心真雙子葉植物薔薇分支的金虎尾目［6］。

具有聯(lián)合成束的雄蕊是金絲桃科的典型特征之一［7～9］，然而這一特殊花部結(jié)構(gòu)—雄蕊束的起源問題還存在著爭議［10］。花部發(fā)育式樣的研究以及不同類群某個性狀演化系列的比較可以使我們更加準(zhǔn)確地理解被子植物花的演化式樣和推斷類群間的演化關(guān)系［11］，因此進(jìn)行相關(guān)類群的花器官發(fā)生研究極為必要。目前，關(guān)于藤黃科［12～13］植物花器官發(fā)生的研究已有報道，但除早期的解剖學(xué)觀察［14～15］外，金絲桃科植物的花器官發(fā)生發(fā)育仍缺乏研究。因此，為了揭示金絲桃科植物的花器官發(fā)育式樣，探索其多數(shù)雄蕊及成束雄蕊結(jié)構(gòu)的起源，本文以突脈金絲桃（Hypericum przewalskii）為研究材料，運用掃描電子顯微鏡對其花的形態(tài)發(fā)生和發(fā)育進(jìn)行了觀察，以期為從花器官發(fā)生的角度為揭示金絲桃科與藤黃科的系統(tǒng)關(guān)系提供證據(jù)。

1 材料和方法

研究材料采自甘肅省漳縣，采集突脈金絲桃植株不同發(fā)育階段的花芽及花蕾，置于FAA 固定液中固定保存，在室內(nèi)經(jīng)70%乙醇轉(zhuǎn)入95%乙醇過夜后在解剖鏡下將多余的花器官剝?nèi)?，露出需觀察的原基，經(jīng)各級乙酸異戊酯梯度脫水處理，最后于真空CO2臨界點干燥，噴金鍍膜后置于HITACHIS-450掃描電鏡下拍照觀察［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 突脈金絲桃成熟花的結(jié)構(gòu)

突脈金絲桃為兩性花，花直徑2～4 cm，開展，下方有2 枚葉狀小苞片。萼片5。花瓣5，金黃色至檸檬黃色，長圓形。雄蕊多數(shù)，聯(lián)合成不明顯的5 束。合生雌蕊，子房卵球形，5 室，光滑；花柱5，自中部以上分離。

2.2 突脈金絲桃花部器官的發(fā)生

掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，2 枚小苞片最先發(fā)生，呈對生排列，大小幾乎一樣?；ㄔ诎陌型瓿煞只^程，呈球形（圖版Ⅰ：1～2）。萼片原基的發(fā)生是緊接著苞片原基的發(fā)育進(jìn)行的，萼片原基以2/5 的圓周相繼發(fā)生（圖版Ⅰ：3～5）。位于與苞片互生位置的第1 枚萼片原基首先開始發(fā)生，緊接著第2 枚萼片在距第1 枚萼片2/5圓周的位置發(fā)生，隨后第3 枚萼片在距第2 枚2/5圓周的位置發(fā)生，第4 枚、第5 枚以同樣的距離和方向最后發(fā)生（圖版Ⅰ：4～5）。萼片原基發(fā)生時呈隆起的橢球型，后漸漸發(fā)育成舌狀，包裹花原基的頂部。

在萼片原基發(fā)生完成后，在花原基位于萼片原基之間角隅處形成花瓣-雄蕊共同原基（圖版Ⅰ：5～6），5 枚雄蕊—花瓣共同原基近同時發(fā)生。共同原基發(fā)生后，其下部逐漸向外伸展，形成一個月牙形的花瓣原基，之后發(fā)育速度漸緩，上部向上形成凸起，形成與花瓣原基相對的雄蕊原基（圖版Ⅰ：7）?；ò臧l(fā)生時，5 枚花瓣原基沒有明顯的先后的順序，幾乎是同時發(fā)生的。5枚雄蕊原基的發(fā)生和花瓣原基的發(fā)生類似，幾乎同時發(fā)生且無明顯大小之分（圖版Ⅰ：8～10）。隨著雄蕊原基的向上延伸膨大，多數(shù)次生雄蕊原基開始由內(nèi)向外依次發(fā)生（圖版Ⅰ：11～12），發(fā)生方式為離心發(fā)生（圖版Ⅱ：13～15）。隨著次生雄蕊原基的發(fā)育和數(shù)目的增多，可以明顯觀察到5 束雄蕊的形成（圖版Ⅱ：16～19，22）。

在次生雄蕊原基開始發(fā)生的同時，花原基頂端出現(xiàn)五個突起，心皮原基開始發(fā)生，原基之間的基部組織與突起一起發(fā)育使得每一心皮都在基部連成整體，而中部凹陷（圖版Ⅰ：10）。之后由于心皮原基與基部組織的進(jìn)一步向上延伸，心皮原基的凹陷逐漸加深使每一角呈V 字形狀，心皮邊緣沿著凹陷向中間靠攏，呈對折狀，隨著對折的加深，每一心皮原基的邊緣逐漸愈合，發(fā)育為子房（圖版Ⅰ：10～12，圖版Ⅱ：13～19），而心皮頂端離生部分繼續(xù)生長，形成花柱和柱頭，在心皮還未完全愈合時就可觀察到柱頭乳突細(xì)胞的形成（圖版Ⅱ：22～24）。在心皮原基進(jìn)一步向上突起的過程中，次生雄蕊原基頂端出現(xiàn)人字形凹痕，逐漸分化出花藥，而基部進(jìn)一步延伸，形成花絲（圖版Ⅱ：19～21）。

圖版Ⅰ 掃描電鏡下突脈金絲桃花器官的形態(tài)發(fā)生1～2. 花原基、苞片的發(fā)育及位置；3. 第1枚及第2枚萼片原基沿2/5圓周相繼發(fā)生；4. 剩余3枚花萼原基的發(fā)生位置及形態(tài)；5～6. 雄蕊—花瓣共同原基開始發(fā)生；7. 雄蕊、花瓣原基近同時發(fā)生；8～10. 雄蕊、花瓣原基進(jìn)一步發(fā)生，心皮原基開始發(fā)生；11～12. 次生雄蕊原基開始發(fā)生 B. 苞片；S. 萼片；P. 花瓣；A. 雄蕊；SA. 次生雄蕊；C. 心皮（字母后的數(shù)字代表發(fā)生順序） 下同。PlateⅠ SEM photomicrographs of floral development in H.przewalskii1-2. Initiation of floral primordium and development and position of bract；3. Initiation position and shape of first pair of sepal primodia；4.Initiation position and shape of remaining sepal primodia；5-6. Initiation position and shape of androecium-petal common primordia；7. Initiation position and shape of petal primordia and stamen primordia；8-10. Further development of stamen and petal primordia and initiation of the carpel primordia；11-12. Initiation and development of the secondary stamen primordia B. Bract；S. Sepal；P. Petal；A. Androecium；SA. Secondary androecium；C.Carpe（lThe number indicates the initiation sequence of the floral organs after the letters） The same as below.

圖版Ⅱ 掃描電鏡下突脈金絲桃花器官的形態(tài)發(fā)生13. 次生雄蕊原基發(fā)生側(cè)面觀；14. 次生雄蕊原基的發(fā)生方式，箭頭示次生雄蕊原基的離心發(fā)生；15. 心皮原基進(jìn)一步發(fā)生，次生雄蕊原基數(shù)目增多；16～17. 心皮原基的進(jìn)一步發(fā)生及雄蕊束形成；18. 雄蕊束形成側(cè)面觀；19～21. 次生雄蕊原基頂端出現(xiàn)人字形凹痕，花藥開始形成，心皮對折加深；22～24. 分化出花柱和柱頭，示柱頭乳突細(xì)胞PlateⅡ SEM photomicrographs of floral development in H.przewalskii13.Lateral view of development of secondary androecia；14.Initiation position and mode of occurrence of the secondary androecium primordia. The arrow shows the centrifugation of the secondary androecium primordia；15. Further development of carpel primordia. Number of secondary androecium primordia increases；16-17. Further development of carpel primordia and fascicled stamen formation；18. Lateral view of fascicled stamen formation；19-21. Herringbone dents appear at the top of the stamen primordia，anther formation and the carpel folds deeper；22-24. Style and stigma differentiated，showing stigma mastoid cells

3 討論

3.1 突脈金絲桃雄蕊束的發(fā)生與金絲桃屬植物雄蕊束的起源

本研究發(fā)現(xiàn)突脈金絲桃的多數(shù)雄蕊是由次生雄蕊原基離心發(fā)生而來的，即5 枚雄蕊原基首先發(fā)生，待雄蕊原基隆起后，次生雄蕊原基由內(nèi)向外依次發(fā)生，隨著次生雄蕊原基的發(fā)育和數(shù)目的增多，可以觀察到5 束雄蕊束逐步形成。此種發(fā)生方式還存在于金絲桃科及藤黃科的其他屬中［15～16］，與Leins［15］基于解剖學(xué)研究提出的金絲桃屬植物雄蕊是離心發(fā)生的觀點一致，也支持了雄蕊多數(shù)時，雄蕊呈離心發(fā)生的觀點［17］。關(guān)于被子植物雄蕊束的起源前人進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要有三種觀點：①聚合學(xué)說（Aggregation Theory）：該學(xué)說認(rèn)為多數(shù)的離生雄蕊是原始類型，離生雄蕊中有部分雄蕊不育而形成了間斷的正常雄蕊簇生分區(qū)，然后由分區(qū)的雄蕊簇（Stamens cluster）聚合形成雄蕊束［18］；②倍增學(xué)說（Dédoublement Theory）：該學(xué)說認(rèn)為固定基數(shù)的單輪雄蕊是原始的，而雄蕊束是由少數(shù)離生雄蕊經(jīng)過分化加倍而形成的［19］；③頂枝學(xué)說（Telome Theory）：該學(xué)說認(rèn)為雄蕊結(jié)構(gòu)中的原始類型每組都是具有分支結(jié)構(gòu)的，在進(jìn)化的過程中每組分支結(jié)構(gòu)的共同主干消失而形成了簇生的雄蕊束［20～22］。突脈金絲桃雄蕊束的發(fā)生過程表明，突脈金絲桃的雄蕊束起源于5 基數(shù)單輪雄蕊，支持了倍增學(xué)說的觀點［19］。植物的花是不同進(jìn)化階段特征的混合體，花的發(fā)生和發(fā)育過程可以反映早期進(jìn)化的軌跡，即研究個體發(fā)育可以為系統(tǒng)發(fā)育提供重要的線索［23］。Ronse Decraene 等［16］通過研究Harungana madagascariensis（金絲桃科）后提出廣義藤黃科（包括金絲桃科）的雄蕊束可能起源于兩輪雄蕊結(jié)構(gòu)，雄蕊束起源于內(nèi)輪雄蕊的分化加倍，而由于內(nèi)輪雄蕊及花瓣的快速發(fā)育造成了外輪的雄蕊缺乏發(fā)育成熟的時間而退化為蜜腺。解剖學(xué)研究表明金絲桃屬植物也存在著與Harungana 屬相似的蜜腺結(jié)構(gòu)［10，15］，但Leins［15］認(rèn)為金絲桃屬植物的蜜腺是由花托二次發(fā)育而非退化雄蕊形成的。本研究在突脈金絲桃的花器官發(fā)生過程中也未觀察到外輪對萼雄蕊原基的發(fā)生。因此本文認(rèn)為金絲桃屬植物的雄蕊束可能起源于單輪雄蕊而非二輪雄蕊。不過上述的結(jié)論僅僅基于金絲桃屬的少數(shù)類群的研究得出，還缺乏整個金絲桃屬花器官發(fā)生發(fā)育的證據(jù)，要真正解決金絲桃屬雄蕊束的起源問題，還需進(jìn)一步補充更多該屬植物花器官發(fā)生的數(shù)據(jù)。

圖1 基于rbcL序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹［4］Fig.1 Phylogenetic tree constructed on the basis of complete rbcL gene sequences

圖2 花瓣及雄蕊束的發(fā)生方式簡圖A. 藤黃科；B. 金絲桃科；G. 心皮原基的位置Fig.2 Diagrammatic representation of the development of petal and fascicled stamensA.Clusiaceae；B.Hypericaceae；G.Position of carpal primordia

3.2 突脈金絲桃花器官發(fā)生的系統(tǒng)學(xué)意義

隨著分子系統(tǒng)學(xué)的發(fā)展，有關(guān)金絲桃屬分類學(xué)地位的研究出現(xiàn)了不同的觀點。根據(jù)分子系統(tǒng)學(xué)的研究，APG Ⅲ系統(tǒng)將金絲桃屬所屬的金絲桃亞科從藤黃科中分出，獨立為金絲桃科（見圖1）［4～5］。成束的雄蕊是以上兩科植物共同的花部特征之一［5］。本研究表明，突脈金絲桃的花瓣和雄蕊原基是由雄蕊-花瓣共同原基近同時分化發(fā)生的，其5 枚花瓣原基和雄蕊原基也為近同時發(fā)生（見圖2）。此種發(fā)生方式也存在于金絲桃科的Harungana 屬［16］。而Leins 等［12］研究發(fā)現(xiàn)藤黃科Garcinia volkensii 花瓣的發(fā)生過程與萼片類似，都是沿著2/5 的圓周相繼發(fā)生，雄蕊原基在5 枚花瓣原基都隆起后才開始發(fā)生，發(fā)生方式與花瓣原基類似，但不同之處在于雄蕊原基的發(fā)生是在花瓣原基基部開始的（首先隆起的花瓣原基基部的雄蕊原基先開始發(fā)育），而花瓣原基卻是在萼片原基之間的角隅處開始發(fā)生的（圖2）。Hochwallner［24］在藤黃科書帶木屬（Clusia）中也發(fā)現(xiàn)了這種發(fā)生方式。雖然金絲桃科和藤黃科都存在成束雄蕊的結(jié)構(gòu)，但二者花瓣原基及雄蕊原基的發(fā)生方式上卻有著顯著的不同，這也說明花成熟的結(jié)構(gòu)只不過是發(fā)育過程中一個階段的反映，形態(tài)學(xué)的研究應(yīng)該樹立動態(tài)的觀點［11］。金絲桃科與藤黃科植物花瓣及雄蕊原基發(fā)生方式的顯著不同，支持了APG Ⅲ系統(tǒng)將金絲桃亞科從藤黃科獨立為金絲桃科的觀點［5］。