中國菊科一新歸化屬
——軟金菀屬

趙廖成,汪濤涌,肖梓暄,趙尊康,周春火,唐 明*

(1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,南昌 330045;2 上饒市林業(yè)科學(xué)研究所,江西上饒 334000;3 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院,南昌 330045)

軟金菀屬(BradburiaTorr. &A.Gray)于1842年正式建立,最初僅包括1個(gè)種,即B.hirtellaTorr. &A.Gray[1]。1991年Nesom[2]將軟金菀屬并入金菀屬,當(dāng)作屬下的1個(gè)組,即C.sect.Bradburia。直到1996年,Semple[3]通過細(xì)胞學(xué)研究認(rèn)為軟金菀屬是1個(gè)獨(dú)立的屬,并將C.pilosaNutt.并入軟金菀屬,作為柔毛軟金菀[B.pilosa(Nutt.) Semple]的基原異名。軟金菀屬是北美洲的本地種,主要分布于美國各州,其中柔毛軟金菀分布于美國中南部沿海地區(qū)——阿肯色州、堪薩斯州、路易斯安那州、密西西比州和密蘇里州等地[4]。

2015年,作者于江西省南昌市昌北機(jī)場附近草坪中發(fā)現(xiàn)了1種較為特殊的菊科植物,該種全株被柔毛,葉柄近無,花金黃色,極為顯眼。經(jīng)過進(jìn)一步的解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)其總苞片有3層,且舌狀花和管狀花均具有2層冠毛,異于國內(nèi)菊科植物。經(jīng)與機(jī)場人員交流,得知2015年曾有北美的飛機(jī)臨時(shí)經(jīng)停昌北機(jī)場,初步推斷該種為應(yīng)為此飛機(jī)攜帶而來。因其葉互生、不分裂,頭狀花序輻射狀,3層總苞片覆瓦狀排列等特征,初步判定其極可能隸屬于紫菀族植物。經(jīng)過充分的標(biāo)本研究和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[2-5],并結(jié)合形態(tài)學(xué)和分子系統(tǒng)學(xué)研究內(nèi)容,作者最終將其鑒定為Bradburiapilosa(Nutt.) Semple,中國目前尚無該物種的分布記載。因“pilosa”在拉丁文中是“被細(xì)柔毛”的意思,因此作者將其中文名稱新擬為“柔毛軟金菀”。

1 材料和方法

1.1 形態(tài)學(xué)研究

研究材料采集于江西省南昌市昌北機(jī)場附近,標(biāo)本經(jīng)標(biāo)本烘干機(jī)干燥后保存于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)標(biāo)本館(JXAU)。參照菊科紫菀族植物花部形態(tài)特征,對(duì)柔毛軟金菀花部結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖,并在微距相機(jī)(OLYMPUS TG-6)下拍攝其花正面和側(cè)面、總苞和苞片、舌狀花和管狀花及瘦果等形態(tài)特征。

1.2 分子系統(tǒng)學(xué)研究

1.2.1 材料選取

野外采集的柔毛軟金菀新鮮幼嫩葉片,硅膠干燥后帶回江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,-20 ℃保存?；谇叭岁P(guān)于紫菀族的研究結(jié)果[3-4,6-8],從NCBI數(shù)據(jù)庫下載紫菀族各屬植物的核基因ITS序列,共27屬30種,其中中國本土種選取了11屬12種,北美洲種選取了16屬18種。參考Li等[6]關(guān)于紫菀族的分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果,將春黃菊族菊屬(ChrysanthemumL.)的Ch.coronariumL.、金盞花族金盞花屬(CalendulaL.)的金盞花Ca.officinalisL.及千里光族千里光屬(SenecioL.)的Se.hoggariensisBatt. &Trab.與合耳菊屬[Synotis(C. B. Clarke) C. Jeffrey &Y. L. Chen]的華合耳菊[Sy.sinica(Diels) C. Jeffrey et Y. L. Chen]作為外類群構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。材料來源如表1所示。

表1 材料來源

1.2.2 DNA提取與測序

采用改良的CTAB法[9]從約20 mg干燥葉片中提取總DNA,1%瓊脂糖凝膠電泳檢測后送往天津諾禾致源科技股份有限公司進(jìn)行全基因組片段文庫構(gòu)建。利用 Illumina高通量測序平臺(tái)NovaSeq 6000進(jìn)行長度為150 bp的雙端測序,獲得下機(jī)數(shù)據(jù)(raw reads)。使 用 Fast QC V. 0.11.8[10]和Trimmomatic V. 0.39[11]對(duì)下機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和篩選,獲得高質(zhì)量的序列數(shù)據(jù)(clean reads)供后續(xù)分析。

1.2.3 構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹

使用GetOrganelle V. 1.7.7(http://github.com/Kinggerm/GetOrganelle)處理Clean reads,提取柔毛軟金菀的核DNA序列(18S-ITS1-5.8S-ITS2-26S)。使用ITSx V1.1.3[12]處理柔毛軟金菀的核DNA序列,提取核DNA片段ITS序列(ITS1-5.8S-ITS2)。將柔毛軟金菀ITS序列與紫菀族各屬及外類群的ITS序列使用MAFFT V.7.5.2[13]進(jìn)行多序列比對(duì),再通過RAxML V.8.2.1.2[14],使用最大似然法(maximum likelihood, ML)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。進(jìn)化樹的可靠性通過Ultrafast Bootstrap法[15]進(jìn)行檢驗(yàn)(重復(fù)1 000次)。系統(tǒng)發(fā)育樹用Figtree V. 1.4.3可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)學(xué)

2.1.1 軟金菀屬

軟金菀屬BradburiaTorr. &A. Gray, Fl. N. Amer. 2: 250. 1842[1].Chrysopsis(Nuttall) Elliot sect.Bradburia(Torr. &A. Gray) G.L. Nesom, Phytologia. 71: 112. 1991[2].

一年生或多年生草本植物,株高15～80 cm,直根系。莖直立,通常不分枝(一年生)或基部分支(多年生),莖上近無毛或被柔毛。

葉基生或莖生,其中基生葉具葉柄或近無葉柄,莖生葉無葉柄;基生葉倒披針形(基部漸狹),邊緣全緣或頂部具齒,正面粗糙且具剛毛(先端銳尖);莖生葉線形披針形到橢圓形至長圓形,全緣或頂部具不明顯齒,正面具柔毛。

花序軸長1.5～10 cm,具短柔毛或短剛毛;總苞鐘狀,寬6～9 mm,長6～17 mm,總苞片3～5層,苞片線形或線狀披針形,不等長,邊緣干膜質(zhì),正面疏被或密被柔毛;花托平坦至略微凸起,中央具窩孔和凸點(diǎn);舌狀花黃色,7～25朵,雌花,可育;管狀花黃色,11～60朵,兩性花,可育,或具功能性雄花,不育;花冠黃色,直徑2～3.5 cm,上部呈狹膨大的喉道,裂片5,直立,三角形;花柱分枝附屬物線狀三角形。瘦果黃色至褐色,表面具短硬毛,倒圓錐形或倒卵球形;具2層冠毛,內(nèi)層冠毛狹長狀,外層冠毛鱗片狀。

本屬目前共2種,主要分布于美國各州[4],中國為新分布記錄。

軟金菀屬植物分種檢索表如下。

2.1.2 柔毛軟金菀(新擬,圖1)

A.生境;B.體態(tài);C.根;D.莖,a.示莖生柔毛;E.葉正面和背面;F.花正面;G.花側(cè)面解剖結(jié)構(gòu);H.總苞,示總苞片層數(shù);I.總苞片,b.示苞片柔毛及腺毛;J.舌狀花,c.內(nèi)部線形冠毛,d.外部鱗片狀冠毛;K:管狀花,e.外部鱗片狀冠毛,f.內(nèi)部線形冠毛;L.成熟瘦果,g.表面短硬毛。

柔毛軟金菀Bradburiapilosa(Nuttall) Semple, Univ. Waterloo Biol. Ser. 37: 7. 1996[3].ChrysopsispilosaNuttall, J. Acad. Nat. Sci. Philadelphia. 7: 66. 1834.DiplogonnuttalliiKuntze, Revis. Gen. 334. 1891.C.nuttallianumBritton, Mem. Torrey Bot. Club, 5: 316.1894.Heterothecapilosa(Nuttall) Shinners, Field &Lab. 19: 68. 1951.

Type: United States of America, Eastern Texas, 1872,ElihuHall314 (syntype: GH [GH00004836!]) (圖2,A). United States of America, Arkansas,ThomasNuttalls.n.(syntype: BM [BM000799856!]) (圖2,B).

A.德克薩斯州東部,美國,Elihu Hall 314(GH00004836);B.阿肯色州,美國,Thomas Nuttall s.n.(BM000799856)。

一年生草本植物,株高15～80 cm,直根系。莖直立,上部分枝(很少在基部),疏生至密被柔毛?；~倒披針形,長1.5～4 cm,寬1～1.5 cm,葉柄近無,全緣至頂部具齒,正面被柔毛,先端銳尖;莖生葉橢圓形,長1 cm,寬0.5 cm,開花時(shí)退化?；ㄐ蜉S長1.5～7 cm,被柔毛。頭狀花序直徑2～3 cm。花托平坦至略微凸起,中央具窩孔和凸點(diǎn);總苞密被柔毛;總苞片3～4層,不等長,密被短到長柔毛;苞片葉面狀,線形,密被柔毛;舌狀花黃色具冠毛,11～24朵;管狀花黃色具冠毛,11～60朵,兩性花,可育。

軟金菀屬植物分種檢索表

1. 一年生或多年生;開花時(shí)基生葉退化;冠狀花為雄花;管狀花和舌狀花被2層冠毛,外層冠毛1～2.5 mm,內(nèi)層冠毛2～3 mm;染色體數(shù)目2n= 6(一年生)或8(多年生)。

微毛軟金菀Bradburiahirtella

1.一年生;開花時(shí)莖生葉退化;冠狀花為兩性花;管狀花和舌狀花被2層冠毛,外層冠毛0.5～1.1 mm,內(nèi)層冠毛5～6 mm;染色體數(shù)目2n= 8(一年生)。

柔毛軟金菀B.pilosa

瘦果棕色,表面具硬毛,倒圓錐形;具2層冠毛,外層冠毛鱗片狀,長0.5～1.1 mm,黃色至鐵銹色,內(nèi)層冠毛線形,長5～6 mm,白色至棕褐色?；ü?-10月。

分布:中國江西(南昌);美國(阿肯色州、堪薩斯州、路易斯安那州、密蘇里州、俄克拉荷馬州、田納西州和德克薩斯州)[4]。原產(chǎn)北美洲,中國為新分布記錄。

2.2 分子系統(tǒng)學(xué)

柔毛軟金菀的核DNA片段ITS序列長度為629 bp。基于ITS序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹結(jié)果顯示(圖3),金菀屬2個(gè)種Chrysopsisgossypina和C.mariana與軟金菀屬的柔毛軟金菀聚在一支,且具有較高的支持率(LP=79)。

柔毛軟金菀以藍(lán)色字體顯示,軟金菀屬和金菀屬共在的一支以紅色顯示,— 表示引導(dǎo)值LP小于50%。

3 討 論

20世紀(jì)以來,外來入侵植物對(duì)中國生物多樣性產(chǎn)生了嚴(yán)重危害,直接影響了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。菊科是中國種子植物最大的科,約230屬,2 300余種[5],同時(shí)也是中國外來入侵植物的主體之一[16-18]。由于菊科植物具有種子數(shù)量多、易傳播,繁殖方式多樣和化感作用強(qiáng)等生物學(xué)特性[19],近幾年中國又陸續(xù)報(bào)道了多種菊科植物新記錄[20-23]。

軟金菀屬是北美洲菊科紫菀族的本地植物,全屬只有2個(gè)種。此前,該屬植物在分子系統(tǒng)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)展幾乎為零,前人對(duì)其分類依據(jù)多是形態(tài)學(xué)證據(jù)。本次研究對(duì)柔毛軟金菀葉片材料進(jìn)行高通量測序,提取其核DNA及ITS序列,并結(jié)合紫菀族多個(gè)屬植物的ITS序列,共同構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,摸清了軟金菀屬的系統(tǒng)發(fā)育位置?；诤薉NA片段ITS序列構(gòu)建的最大似然樹顯示,軟金菀屬和金菀屬聚在一支,且支持率較高(LP=79),互為近緣屬。本次分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果與Nesom[2]、Semple[3]的形態(tài)學(xué)研究結(jié)果一致,均認(rèn)為軟金菀屬和金菀屬互為近緣屬,這2個(gè)屬在形態(tài)特征上差別較大。

柔毛軟金菀隸屬于軟金菀屬,具有瘦果數(shù)量多、個(gè)體小,外側(cè)具有長條形冠毛等特征,可借助氣流輕易傳播到其他地方。2015年9月,課題組于南昌市昌北機(jī)場發(fā)現(xiàn)柔毛軟金菀,之后幾年在南昌市多個(gè)城區(qū)內(nèi)亦有發(fā)現(xiàn),可見柔毛軟金菀已呈現(xiàn)穩(wěn)定入侵態(tài)勢,制定相關(guān)防治措施極為重要。

依據(jù)軟金菀屬和金菀屬的形態(tài)特征編制了分類檢索表。

目前,中國外來入侵植物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管理措施方面較為薄弱,尤其對(duì)于新入侵植物更是難以開展有效防護(hù)和監(jiān)測工作,因此摸清外來入侵植物的生物學(xué)特征,可為研制防治方法與技術(shù)提供理論上的依據(jù)。前人針對(duì)外來菊科植物的化學(xué)和生物防控研究已取得良好防治效果[24-25],但鮮見對(duì)柔毛軟金菀的相關(guān)研究,化學(xué)和生物防控工作難以開展。因此,作者建議暫時(shí)采取物理防治辦法,即結(jié)合其生物學(xué)特性(如低矮草本、瘦果量多和花果期4-10月等),在其花果期前及時(shí)拔除和焚燒。但由于物理防除費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且成本高,需要植物保護(hù)領(lǐng)域?qū)＜已芯肯嚓P(guān)內(nèi)容,研制高效環(huán)保的化學(xué)和生物防控辦法,完善防治體系。

軟金菀屬和金菀屬分類檢索表

1.一年生草本植物,莖具柔毛或糙毛,基生葉具柄或近無柄,頭狀花序單生。

軟金菀屬Bradburia

1.二年生、多年生草本或極少為亞灌木,莖近無毛,基生葉無柄,頭狀花序圓錐狀或傘房狀排列。

金菀屬Chrysopsis