21種中國莢蒾屬植物葉表皮微形態(tài)特征研究

趙廖成,于 宏,沈愛民,吳雪惠,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)

莢蒾屬(ViburnumL.)隸屬于五?；?Adoxaceae),該屬植物一般為灌木或小喬木,落葉或常綠[1]。本屬植物全世界約有 200 種,主要分布于南美洲(溫帶和亞熱帶地區(qū))和亞洲,中國是莢蒾屬植物主要分布區(qū)之一,原產(chǎn) 8 組 73 種(45 特有種)[2]。莢蒾屬植物在藥用[3]、觀賞[4-5]及環(huán)境保護[6]等方面都具有較高的經(jīng)濟價值和開發(fā)價值。莢蒾屬是由瑞典植物分類學(xué)家林奈在1753年建立。建立之初,莢蒾屬隸屬于忍冬科(Caprifoliaceae),中國分類學(xué)者徐柄聲在《中國植物志》(第七十二卷)忍冬科[1]中采納該觀點,首次系統(tǒng)地描述了中國莢蒾屬植物,并發(fā)表莢蒾屬1新組和若干新種[7-8]。得益于分子數(shù)據(jù)庫的擴張和測序技術(shù)的發(fā)展,人們對莢蒾屬的系統(tǒng)發(fā)育位置有了更深刻的認(rèn)識。1997年Backlund等通過rbcL基因?qū)Υɡm(xù)斷目的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進行了研究[9],認(rèn)為忍冬科中的莢蒾屬不屬于川續(xù)斷目而屬于茜草目,且與五?；凭哂芯o密的親緣關(guān)系,建議將莢蒾屬并入五?；?。楊親二同意將莢蒾屬并入五?；频挠^點,并于FloraofChina(第十九卷)五福花科中對中國莢蒾屬進行全面修訂[2]。但是,由于中國莢蒾屬植物的形態(tài)特征及其復(fù)雜,且相關(guān)解剖學(xué)資料不足,相似種的鑒定工作依然存在困難,例如齒葉組中的宜昌莢蒾(ViburnumerosumThunb.)和茶莢蒾(V.setigerumHance)等。

植物分類群間的系統(tǒng)學(xué)關(guān)系在葉表皮形態(tài)(包括上下表皮細(xì)胞、氣孔形態(tài)等)上能得到一定程度的反應(yīng),眾多研究表明該性狀在分類學(xué)上具有重要意義[10-13]。

目前,已有學(xué)者對莢蒾屬植物葉表皮微形態(tài)進行了研究,如王建皓等[14]利用光學(xué)顯微鏡研究了臺灣15種莢蒾屬植物的葉表皮特征,結(jié)果表明莢蒾屬植物的葉表皮細(xì)胞形態(tài)、氣孔大小和密度及垂周壁式樣在大部分種間有明顯差異,可作為種間鑒定和分類的重要依據(jù)。Beyazoglu等[15]對土耳其3種莢蒾屬植物的葉表皮進行研究,結(jié)果表明氣孔均分布在下表皮,氣孔器均為不規(guī)則型。邢全等[16-17]利用光學(xué)顯微鏡觀察蒙古莢蒾Viburnummongolicum(Pall.) Rehd.和皺葉莢蒾V.rhytidophyllumHemsl.的葉片結(jié)構(gòu)和解剖結(jié)構(gòu)特征,得出蒙古莢蒾與皺葉莢蒾葉片形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)與其生態(tài)適應(yīng)性之間具有很強的相關(guān)性,為其引種馴化工作提供幫助。整體看來,莢蒾屬葉表皮微形態(tài)的研究僅局限于光學(xué)顯微鏡,尚未涉及掃描電鏡下的葉表皮微形態(tài)研究,該部分資料需要補充完善。本研究利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡,對6組21種國產(chǎn)莢蒾屬植物的葉表皮微形態(tài)進行觀察和比較,進一步完善莢蒾屬植物的微形態(tài)資料,為探討莢蒾屬的分類和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

研究材料均為野外采樣時封裝于分子袋中的葉片干燥材料,包括中國莢蒾屬植物6組21種(表1)。

表1 材料來源

1.2 方 法

1.2.1 葉表皮制片與觀察

取材:每份材料取成熟葉片主脈附近的部分(方便撕取葉表皮),將葉片剪成1 cm2左右的小塊。

水浴:將剪好的材料放進西林瓶中,加入蒸餾水使其沒過葉片,放入水浴鍋90 ℃加熱約30 min。

透明:將水浴后的材料轉(zhuǎn)入NaClO(5%)溶液浸泡 8～12 h,至葉肉變白后取出。

制片:將透明后的材料用蒸餾水漂洗2次,放置在體視鏡下剝?nèi)∪~片的上下表皮,最后用改良苯酚品紅溶液染色,制成水裝片。

鏡檢:水制片置于40倍光鏡下觀察并拍照。為了檢查葉表皮形態(tài)性狀的變化,每個材料都選擇不同的個體上5枚葉片進行觀察,并測量氣孔的大小、統(tǒng)計的氣孔數(shù)量。垂周壁式樣、細(xì)胞形狀以及氣孔器形狀和類型標(biāo)準(zhǔn)參考文獻[21-23]。

1.2.2 氣孔器掃描電鏡觀察

用小刷子蘸取少量無水酒精擦拭葉片表面灰塵,然后使用雙面刀片將具毛的葉片進行去毛處理,之后沿葉片中間的主脈兩側(cè)切成0.5 cm×0.5 cm左右的小塊,置入瓶中加入蒸餾水使水沒過葉片,放入超聲波振蕩清洗,1 h后取出材料,使其自然干燥后用雙面膠粘貼于樣品臺上,經(jīng)過10 min噴金,在掃描電鏡下進行觀察和拍照,觀察氣孔。利用分析軟件 Image J 1.8(National Institutes of Health, http: //imagej.nih.gov/ij/)測量氣孔的大小和密度,觀察氣孔形態(tài),而后用Photoshop CS 5.1進行圖片排版。氣孔外拱蓋內(nèi)緣形態(tài)、外圍角質(zhì)紋飾等類型標(biāo)準(zhǔn)參考文獻[18-20]。

2 觀察結(jié)果

2.1 葉表皮形態(tài)特征

表2給出了所觀察種葉表皮的細(xì)胞形狀、垂周壁式樣等具體數(shù)據(jù)。

表2 莢蒾屬植物葉表皮細(xì)胞特征

2.1.1 葉表皮細(xì)胞形態(tài)

所觀察的植物葉表皮細(xì)胞形狀普遍呈多邊形或無規(guī)則形,其中大部分種的上表皮細(xì)胞形狀這2種形態(tài)皆有,以無規(guī)則形為主。其中,茶莢蒾(圖版Ⅰ,A-C)、黑果莢蒾(圖版Ⅰ,D-E)、樺葉莢蒾(圖版Ⅰ,F)、瓊花(圖版Ⅰ,G)、莢蒾(圖版Ⅰ,I)、珍珠莢蒾(圖版Ⅰ,J)、臭莢蒾(圖版Ⅰ,K)、和宜昌莢蒾(圖版Ⅰ,L)、水紅木(圖版Ⅱ,A)、繡球莢蒾(圖版Ⅱ,B)、金佛山莢蒾(圖版Ⅱ,C)、球核莢蒾(圖版Ⅱ,D)、皺葉莢蒾(圖版Ⅱ,E)、紅莢蒾(圖版Ⅱ,F)、漾濞莢蒾(圖版Ⅱ,G)、日本珊瑚樹(圖版Ⅱ,H)、蝴蝶戲珠花(圖版Ⅱ,I)、藍(lán)黑果莢蒾(圖版Ⅱ,J)、厚絨莢蒾(圖版Ⅱ,L)19種上表皮細(xì)胞形狀為無規(guī)則形;金腺莢蒾(圖版Ⅰ,H)和粉團(圖版Ⅱ,K)2種上表皮細(xì)胞形狀為多邊形。21種莢蒾屬植物葉下表皮細(xì)胞形狀均為無規(guī)則形。

2.1.2 葉表皮垂周壁式樣

如表2所示,所觀察種的葉表皮垂周壁式樣主要有平直狀、淺波狀、波狀和深波狀4種。上表皮的垂周壁式樣有淺波狀、波狀和平直狀3種,少數(shù)為深波狀,下表皮的垂周壁式樣有淺波狀和深波狀2種,少數(shù)為波狀,無平直狀。

(1)上表皮垂周壁式樣

在齒葉組8種植物的上表皮垂周壁式樣中,茶莢蒾(圖版Ⅰ,A-C)和黑果莢蒾(圖版Ⅰ,D-E)均觀察到淺波狀、波狀和深波狀3種式樣;樺葉莢蒾(圖版Ⅰ,F)觀察到淺波狀和波狀2種式樣;莢蒾(圖版Ⅰ,I)觀察到波狀和深波狀2種式樣;臭莢蒾(圖版Ⅰ,K)只觀察到深波狀2種式樣;珍珠莢蒾(圖版Ⅰ,J)和宜昌莢蒾(圖版Ⅰ,L)均只觀察到淺波狀1種式樣;金腺莢蒾(圖版Ⅰ,H)只觀察到平直狀1種式樣。

在裸芽組4種植物的上表皮垂周壁式樣中,金佛山莢蒾(圖版Ⅱ,C)、繡球莢蒾(圖版Ⅱ,B)及其變型瓊花(圖版Ⅱ,G)均觀察到淺波狀和波狀2種式樣;皺葉莢蒾(圖版Ⅱ,D)觀察到平直狀和淺波狀2種式樣。

在圓錐組4種植物的上表皮垂周壁式樣中,該組2種植物上表皮垂周壁式樣較為單一。

紅莢蒾(圖版Ⅱ,F)只觀察到淺波狀1種式樣;漾濞莢蒾(圖版Ⅱ,G)只觀察到深波狀1種式樣。而日本珊瑚樹(圖版Ⅱ,H)觀察到平直狀和淺波狀2種式樣。

在蝶花組2種植物的上表皮垂周壁式樣中,粉團(圖版Ⅱ,K)只觀察到平直狀1種式樣,而其變型蝴蝶戲珠花(圖版Ⅱ,I)則觀察到淺波狀、波狀2種式樣。

在大葉組2種植物的上表皮垂周壁式樣中,水紅木(圖版Ⅱ,A)觀察到平直狀和淺波狀2種式樣;厚絨莢蒾(圖版Ⅱ,L)則觀察到淺波狀、波狀2種式樣。

在球核組2種植物的上表皮垂周壁式樣中:球核莢蒾(圖版Ⅱ,D)觀察到平直狀和淺波狀2種式樣;藍(lán)黑果莢蒾(圖版Ⅱ,J)只觀察到波狀1種式樣。

(2)下表皮垂周壁式樣

在齒葉組8種植物的下表皮垂周壁式樣中:茶莢蒾(圖版Ⅲ,A)、黑果莢蒾(圖版Ⅲ,B)、莢蒾(圖版Ⅲ,F)宜昌莢蒾(圖版Ⅲ,I)均觀察到波狀和深波狀2種式樣;樺葉莢蒾(圖版Ⅲ,C)和珍珠莢蒾(圖版Ⅲ,G)均只觀察到淺波狀1種式樣;金腺莢蒾(圖版Ⅲ,E)和臭莢蒾(圖版Ⅲ,H)只觀察到深波狀1種式樣。

在裸芽組4種植物的下表皮垂周壁式樣中:繡球莢蒾(圖版Ⅲ,K)和金佛山莢蒾(圖版Ⅲ,L)均觀察到淺波狀和波狀2種式樣;皺葉莢蒾(圖版Ⅳ,B)只觀察到淺波狀1種式樣;瓊花(圖版Ⅲ,D)則只觀察到深波狀1種式樣。

在圓錐組3種植物的下表皮垂周壁式樣中:漾濞莢蒾(圖版Ⅳ,D)和日本珊瑚樹(圖版Ⅳ,E)均只觀察到深波狀式樣;而紅莢蒾(圖版Ⅳ,C)只觀察到波狀1種式樣。

在蝶花組2種植物的下表皮垂周壁式樣中:粉團(圖版Ⅳ,H)及其變型蝴蝶戲珠花(圖版Ⅳ,F)均只觀察到深波狀1種式樣。

在大葉組2種植物的下表皮垂周壁式樣中:水紅木(圖版Ⅲ,J)只觀察到淺波狀1種式樣;厚絨莢蒾(圖版Ⅳ,I)觀察到波狀、深波狀2種式樣。

在球核組2種植物的下表皮垂周壁式樣中:球核莢蒾(圖版Ⅳ,A)和藍(lán)黑果莢蒾(圖版Ⅳ,G)均只觀察到淺波狀1種式樣。值得一提的是,所觀察材料的下表皮垂周壁式樣均無平直狀。

2.2 氣孔形態(tài)特征

表3給出了所觀察種氣孔和氣孔器的具體數(shù)據(jù)。包括氣孔形態(tài)、大小、密度、氣孔器類型和外圍角質(zhì)層紋飾等具體數(shù)據(jù)。

表3 莢蒾屬植物葉的氣孔特征

2.2.1 光學(xué)顯微鏡下氣孔的形態(tài)特征

在光學(xué)顯微鏡下觀察了莢蒾屬植物葉片,發(fā)現(xiàn)氣孔均只分布在下表皮,呈現(xiàn)為單個的不規(guī)則隨機排列。由表3可知,莢蒾屬植物氣孔形狀有近圓形和橢圓形2種類型,氣孔器類型有無規(guī)則型、平列型和不等型3種類型,其中大多數(shù)為平列型,少數(shù)為無規(guī)則型和不等型,不等型僅1種為粉團(圖版Ⅳ,H)。本次觀察的種類中,氣孔大小在個別種類間差異較明顯,長度在17.90 μm～37.84 μm之間,寬度在14.57 μm～32.44 μm之間。中繡球莢蒾(圖版Ⅲ,K)的氣孔最大,為 36.89 μm×32.44 μm,氣孔最小的為蝴蝶戲珠花(圖版Ⅳ,F),只有19.74 μm×14.57 μm。本次觀察的種類中,氣孔密度大多在100～400個/mm2,少數(shù)種如黑果莢蒾(圖版Ⅲ,B)、珍珠莢蒾(圖版Ⅲ,G)和水紅木(圖版Ⅲ,J)均在400個/mm2以上。其中黑果莢蒾(圖版Ⅲ,B)的氣孔密度最大,為433個/mm2,氣孔密度最小的種是粉團(圖版Ⅳ,H),為125個/mm2。

2.2.2 掃描電鏡下氣孔器特征

在掃描電鏡下觀察本次研究的21種中國莢蒾屬植物,氣孔器外拱蓋內(nèi)緣的形態(tài)有三類:近平滑、波狀和淺波狀。其中,茶莢蒾(圖版Ⅴ,A)、黑果莢蒾(圖版Ⅴ,B)、珍珠莢蒾(圖版Ⅴ,G)、紅莢蒾(圖版Ⅵ,B)、漾濞莢蒾(圖版Ⅵ,C)和瓊花(圖版Ⅴ,J)6種植物的氣孔外拱蓋內(nèi)緣為近平滑;繡球莢蒾(圖版Ⅴ,K)、皺葉莢蒾(圖版Ⅵ,A)、厚絨莢蒾(圖版Ⅵ,G-H)和藍(lán)黑果莢蒾(圖版Ⅵ,L)4種植物的氣孔外拱蓋內(nèi)緣為波狀;其他種均為淺波狀。茶莢蒾、黑果莢蒾、珍珠莢蒾、瓊花(圖版Ⅴ,J)、繡球莢蒾、金佛山莢蒾(圖版Ⅴ,L)等9種植物的氣孔器周圍具有明顯的環(huán)狀外緣角質(zhì)紋飾,而樺葉莢蒾(圖版Ⅴ,C)、金腺莢蒾(圖版Ⅴ,D-E)、莢蒾(圖版Ⅴ,F)、臭莢蒾(圖版Ⅴ,H)、宜昌莢蒾(圖版Ⅴ,I)等11種植物的氣孔器環(huán)狀外緣不明顯。

此次所觀察的植物氣孔器外圍角質(zhì)層紋飾的多樣化程度較高,因此根據(jù)其角質(zhì)層紋飾特點將其分為4類:(1)具脊?fàn)盥∑?包括珍珠莢蒾、紅莢蒾、水紅木(圖版Ⅵ,I-J)、厚絨莢蒾、球核莢蒾(圖版Ⅵ,K)和藍(lán)黑果莢蒾;(2)具條狀隆起,包括黑果莢蒾和漾濞莢蒾;(3)具少量條狀或脊?fàn)盥∑?包括金腺莢蒾、莢蒾、臭莢蒾、宜昌莢蒾、日本珊瑚樹(圖版Ⅵ,D)、蝴蝶戲珠花(圖版Ⅵ,E)和粉團(圖版Ⅵ,F);(4)同時具脊?fàn)詈蜅l狀隆起,包括茶莢蒾、樺葉莢蒾、瓊花、繡球莢蒾、金佛山莢蒾、皺葉莢蒾。

3 討 論

由以上結(jié)果可知,莢蒾屬植物葉片微形態(tài)特征變化大。種與種之間在葉表皮細(xì)胞形狀、垂周壁式樣、氣孔大小及密度和氣孔器外圍角質(zhì)層紋飾等幾個方面差別明顯,這些特征對莢蒾屬植物種間鑒定具有重要作用。

3.1 莢蒾屬植物葉表皮細(xì)胞的分類學(xué)意義

許多研究表明,植物葉表皮特征是種間鑒定的重要依據(jù),在某些分類關(guān)系不確定的類群中具有重要的分類學(xué)意義[21-22]。本研究結(jié)果顯示,在21種供試材料中,只有金腺莢蒾和粉團上表皮細(xì)胞形狀為多邊形,其余19種均為無規(guī)則形;而下表皮細(xì)胞形狀則全為不規(guī)則形,且垂周壁式樣較上表皮更加穩(wěn)定。王建皓等[14]利用光學(xué)顯微鏡對臺灣莢蒾屬15種植物的葉表皮微形態(tài)進行研究,認(rèn)為莢蒾屬植物葉表皮細(xì)胞均為無規(guī)則形,垂周壁式樣為平直或波狀。綜合來看,2次試驗都表明表皮細(xì)胞垂周壁式樣為平直或波狀,下表皮細(xì)胞為無規(guī)則形,但本次研究表明莢蒾屬植物葉上表皮細(xì)胞存在多邊形,如粉團和金腺莢蒾,這2種植物不在王建皓等人的研究范圍。本試驗材料涉及莢蒾屬6組21種,更為全面地對莢蒾屬植物葉表皮微形態(tài)特征進行了研究,為莢蒾屬植物系統(tǒng)發(fā)育研究提供了重要的理論依據(jù)。例如,在種內(nèi)關(guān)系最復(fù)雜的齒葉組中,8種植物材料只有金腺莢蒾的上表皮細(xì)胞形狀為多邊形、垂周壁式樣為平直狀,可以很好地與本組其他種區(qū)分。皺葉莢蒾葉上表皮垂周壁式樣為平直狀,和金佛山莢蒾的波狀式樣差別非常大,這一特征可以區(qū)分這2個相似種。此外,葉表皮垂周壁式樣在個別種內(nèi)也具有分類價值,如臭莢蒾的上下表皮細(xì)胞垂周壁式均為深波狀,而其變種珍珠莢蒾則均為淺波狀,前者表皮細(xì)胞波狀更加明顯,根據(jù)這一特征可以較好劃分其種內(nèi)關(guān)系。因此,莢蒾屬植物葉表皮特征可作為該屬種間鑒定的依據(jù)。

3.2 莢蒾屬植物氣孔器特征的分類學(xué)意義

氣孔是植物體與外界環(huán)境進行氣體和水分交換的重要器官,對植物的光合作用和蒸騰作用具有重要的意義,許多研究人員也將氣孔器特征運用到植物的分類中,并得到廣泛認(rèn)可[23-24]。本研究表明,莢蒾屬植物葉片上表皮無氣孔分布,均分布在下表皮,形狀為橢圓形或近圓形;氣孔器類型為不定型、平列型和無規(guī)則型,這與王建皓等人的研究結(jié)果[14]一致,但他們并沒有利用掃描電鏡觀察氣孔器的形態(tài)特征。

雙子葉植物的氣孔器類型穩(wěn)定,在植物分類方面具有一定鑒定價值[25]。結(jié)合王建皓等人和本次試驗研究結(jié)果,筆者認(rèn)為莢蒾屬植物氣孔器類型較為穩(wěn)定,如莢蒾、瓊花、繡球莢蒾和蝴蝶戲珠花的氣孔器類型均為無規(guī)則型,粉團則為不等型,其他16種植物的氣孔器類型均為平列型。莢蒾屬植物的氣孔器外拱蓋內(nèi)緣在種內(nèi)較為穩(wěn)定,如臭莢蒾及其變種珍珠莢蒾,前者氣孔器外拱蓋內(nèi)緣為淺波狀,后者為近平滑;繡球莢蒾的氣孔器外拱蓋內(nèi)緣為波狀,而其變型瓊花為近平滑狀。莢蒾屬植物的氣孔器外圍角質(zhì)層紋飾也可以將個別種區(qū)分開來,如齒葉組中的相似種茶莢蒾和宜昌莢蒾,前者氣孔器環(huán)狀外緣明顯、具明顯條狀和脊?fàn)盥∑?而后者環(huán)狀外緣不明顯、具少量條狀隆起。此外,莢蒾屬各個種間的氣孔大小和密度都各不相同,例如氣孔最小的種是蝴蝶戲珠花(19.74 μm×14.57 μm),最大的種是繡球莢蒾(36.89 μm×32.44 μm),氣孔密度最小的種是粉團(125個/mm2),最大的種是黑果莢蒾(433個/mm2)。這些都說明莢蒾屬植物種間氣孔特征差異是明顯的,可以作為該屬種間鑒定的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 莢蒾屬植物葉表皮微形態(tài)特征反映的種間親緣關(guān)系

從研究的21種中國莢蒾屬植物的葉表皮微形態(tài)特征反映的種間親緣關(guān)系來看,有些和以外部形態(tài)特征為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)分類學(xué)結(jié)果一致,但也存在相悖的情況。如莢蒾、瓊花、繡球莢蒾和蝴蝶戲珠花,它們的上下表皮細(xì)胞形狀均為無規(guī)則形、氣孔器類型均為不規(guī)則型,但它們的外部形態(tài)特征差異非常大,和傳統(tǒng)分類結(jié)果不一致。Yang在FloraofChina中將蝴蝶戲珠花從粉團的變種降級為變型[2],根據(jù)本研究結(jié)果,蝴蝶戲珠花上表皮細(xì)胞為無規(guī)則形、氣孔器類型為無規(guī)則型,粉團上表皮細(xì)胞為多邊形、氣孔器類型為不等型,二者的氣孔器大小和密度和粉團差異也很大,說明它們的葉表皮形態(tài)特征差異明顯,因此不支持將蝴蝶戲珠花降級為變形,這和傳統(tǒng)分類結(jié)果不一致。一些學(xué)者[24]認(rèn)為植物葉表皮細(xì)胞垂周壁式樣的演化趨勢是由平直到淺波狀再到深波狀。根據(jù)本次試驗結(jié)果,球核組在本屬應(yīng)分化較早,較為原始,而齒葉組則為較進化的組,這也與Clement等[26]和Donoghue等[27]的結(jié)論一致,說明葉表皮微形態(tài)特征與外部形態(tài)特征和分子證據(jù)之間具有相似性。狄維忠等[28]在對莢蒾屬的孢粉學(xué)研究中,認(rèn)為皺葉莢蒾和金佛山莢蒾的花粉表面紋飾為不明顯網(wǎng)狀,較為平坦,而在二者的葉表皮特征中,皺葉莢蒾上表皮垂周壁式樣為平直狀,而金佛山莢蒾為淺波狀和波狀,且它們的氣孔大小和密度也有差異,說明花粉形態(tài)特征和葉表皮形態(tài)特征進化程度不一致。總體而言,莢蒾屬葉表皮形態(tài)特征在某些程度上還不能全面揭示類群內(nèi)部的分類關(guān)系,但是其在種間較為穩(wěn)定,能夠彌補傳統(tǒng)分類水平上所不能解釋的種間親緣關(guān)系問題,具有重要的分類學(xué)意義。