睡莲科(Nymphaeaceae)管状分子的研究进展

李红芳，张小卉

(1.渭南职业技术学院农学院，渭南714000;2.陕西师范大学生命科学学院，西安710062)

睡莲科是较原始的被子植物，其形态上复杂、多样并且极其特殊。水生，常为多年生，但在北方较多的是一年生。睡莲科的系统位置非常特殊，不仅分类有不同的观点，甚至它到底属于双子叶植物，还是单子叶植物都争论了很久。它的特殊位置使它在研究双子叶植物的起源和被子植物的进化中都非常重要，成为很多学者研究的方向。管状分子的特征在睡莲科非常特殊，它一直作为一个次生无导管的典型，使得它在管状分子的进化中变得非常重要。近年来，系统位置的变迁又使得无导管是次生还是原始的争论，重新变得重要起来［1］。

1 睡莲科的分类学变化与范围概念

睡莲科的系统位置一直是个有争议的问题。不同学者有不同的看法。常见的睡莲科分类有两大主流:一是归属于毛茛目(Ranales);二是归于睡莲目(Nymphaeales)［2-4］。不同的分类，自然所包含的范围也会有所不同。莲属(Nelumbo)，莼菜属(Brasenia)和水盾草属(Cabombo)都曾属于睡莲科［5-6］。例如:按照Engler系统［7］编制的《中国植物志》(现行版本)将睡莲科分为三个亚科:莲亚科(Subfam Nelumboideae)、睡莲亚科(Subfam.Nymphaeoideae)和莼菜亚科(Subfam.Cabomboideae)［8］。

现在大多数的学者已经公认莲属、莼菜属和水盾草属三个属应该独立成为二科［3-4］，即莲属独立成莲科(Nelumbonaceae)，而莼菜属和水盾草属二个属共同归属于莼菜科(Cabombaceae)。最新的研究结果表明，已经将这二科独立出来。如以分子数据为基础的APG系统中，已独立出莲科，置于真双子叶的基部，归于山龙眼目(Proteales)［9-11］;同样，在这个系统的两个版本中(APGI，1998;APGII，2003)，莼菜科都作为一个独立的科出现，直接置于被子植物的基部［9-10］，不属于任何一个目，但可以与睡莲科选择合并［9-10］。APGШ对莼菜科做了小小的改动，将上述两个科，即莲科和莼菜科，归为睡莲目，同时，原属于禾本目Poales的Hydatellaceae也一同归为睡莲目［11］。

本文以APG系统为依据，睡莲科是属于睡莲目的一科，包括了 6属:Barclaya、Ondinea、王莲属(Victoria)、芡属(Euryale)、萍蓬草属(Nuphar)和睡莲属(Nymphaea)。在睡莲科内的属间关系上，萍蓬草属被认为是其他属的姐妹群［7］。不包括莲属(莲科)、莼菜属和水盾草属(莼菜科)。

2 睡莲科管状分子研究现状

在19世纪初，研究者通过观察认为睡莲科是没有导管的。此后的相当长一段时间，学者们一直不断地争论睡莲科是原始无导管还是次生无导管的［12］。到19世纪后半期，看法已经基本一致，大多数的学者认为睡莲科是次生无导管的［12］，导管退化的原因是睡莲科植物生长于水生环境［12］。分子系统学的发展，使睡莲科再次进入人们的视线。睡莲科是被子植物最早的分支之一，是仅次于现有被子植物姊妹群Amborallaceae之后分支出来的［9-11，12-17］。那么，在这么原始的地位，无导管的特征是否为次生，也因此受到质疑。

虽然，曾经有人对于当时分类系统中属于睡莲科的莲属及莼菜属(现有莼菜科)的导管有无提出过疑问［1］。但现在分类系统中睡莲科的6个属，仅王莲属曾被提到的纵切面上存在穿孔。这个结果是Kosakai在他的学位论文中提出的，没有进一步的验证，也没有发表［16］。

所以，一直到20世纪90年代中期，睡莲科一直被描述为无导管的科。1995年开始，Schneider、Carlquist教授以及他们的同事们，利用扫描电镜，对该科6属的管状分子先后进行了再一次的研究［16-18］。

2.1 Barclaya

该属所用材料为Barclaya Rotundifolia Hotta。方法为传统的石蜡切片法和不完全离析法，分别利用光学显微镜和电子扫描显微镜观察。发现该种根中具圆到椭圆的穿孔，但因为电镜下端壁与侧壁不容易区分，端壁穿孔所占比例不好估计。总体来看，根中的端壁区的穿孔很丰富［16］。茎中没有发现有穿孔［16］。

Barclaya根中存在导管，但是端壁比较原始，端壁与侧壁形态没有明显分化［16］。

2.2 芡属与王莲属

研究材料分别为Euryale Ferox Salisb.和 Victoria Cruziana d'Orb。此两属中，根的管状分子端壁横隔间隔(Space)与侧壁不同，说明端壁与侧壁已经出现了分化［17］。

王莲属中，管状分子端壁上有穿孔;芡属中，管状分子端壁上没有穿孔。因此，芡属、王莲属都可以说根中是有导管的［17］。

2.3 萍蓬草属、睡莲属和Ondinea

萍蓬草属与睡莲属根中的管状分子，端壁与侧壁出现了分化。有小穿孔，但不普遍，也就是说比较少［18］。可以说，萍蓬草属和睡莲属根中具有了初始的导管。而Ondinea根中的管状分子上虽然没有穿孔，但端壁与侧壁出现了分化［18］。

2009年，该实验室再次对萍蓬草属研究，结果相同，结论不同。认为上述结果［18］是无导管的类群［19］。原因是，萍蓬草茎中的穿孔太小了，因而不足以称之为导管分子［19］。而这些属中，端壁的多孔纹孔膜的存在，只是获得导管的基本过程［19］。

3 存在的问题

3.1 导管判断的依据

管状分子研究过程中，睡莲科是否存在导管，其判断是来源于一个论述:导管判断有两个关键特征。1)端壁与侧壁是否出现分化;2)端壁上是否有穿孔;3)比未穿孔的管状分子粗。第三个特征仅仅出现在木本植物中。这三个特征可以单独出现。哪个特征更重要?有些人认为，第一个特征重要;而另外的人则可能认为第二个特征才更加重要。因此，穿孔的出现是导管分子进化的一个方面;同样，端壁与侧壁出现分化，则是导管分子进化的另一方面［17］。

依据上述结论，芡属、王莲属和Barclaya这三个属导管都是存在的［17］。可是，在随后的萍蓬草属的研究［19］中，对于上述研究结果［18］提出了完全不同的看法:认为萍蓬草属是没有导管的。同样的研究者，在不同的时间，却出现了自相矛盾的判断。原因在于，导管最初的定义是在光镜下做出的，而并没有随着电镜有进一步的发展。

那么，在技术进步以后，我们到底用什么标准来判断是不是存在导管?对于过渡态的管状分子来说，无疑是个全新的命题。

3.2 睡莲科有导管吗?

睡莲科到底有没有导管呢?从以上自相矛盾的判断中，我们发现，对于睡莲科有没有导管的判断 并不是简单的问题。

1)上述研究结果中，管状分子上的穿孔都很少，甚至有些属只是少量存在(如萍蓬草属和睡莲属)。那么，存在少量的穿孔，是否可以认为存在导管?或者说，是不是导管的一个必要(或充分)条件?是否有必要对穿孔的比例限定?

2)在电镜下，端壁与侧壁不容易看出来［16］，尤其是石蜡切片所处理的材料。所以，现有对该科的研究并不能充分说明其端壁与侧壁是否出现分化——横隔间隔的不同，并不能完全说明端壁与侧壁是否分化。解决这个问题，也许用离析法处理是最好的方法。

3)导管的判断。如上所述，如果我们用上面所讲的两个关键特征来定义导管，即，端壁与侧壁出现分化以及存在穿孔，那么，要这两点全部具备还是仅仅具有其中的一点便可以定义为导管?这是一个值得探讨的问题。

作为世界上导管研究的主力，Carlquist和他的同事们也在后来的研究中对于这点产生了不同的想法［18］(如上所述)。

假定前述6个属的研究结果完全正确，用符合两个关键特征来判断是否是导管的话，那么最起码应该有三个属是不能称为导管的(芡属、王莲属、Ondinea)。假如两个条件中，穿孔太少的不能成为导管;而端壁与侧壁又没有出现分化的话，那么睡莲科导管的存在是不成立的。

另外，在不同的研究条件(如电镜和光镜)下，是否还有其他成为导管的充分条件也必须考虑，是值得我们思考的问题。

4 结论

有没有导管或者说是不是导管的判断问题，不仅仅存在于睡莲科，对于其他无导管的木本植物(例如，金粟兰科(Chloranthaceae)的草珊瑚属(Sarcandra)和昆栏树科(Trochodendraceae)或各种过渡态的管状分子，也存在同样的问题，例如，Carlquist and Schneider曾就草珊瑚茎的初生木质部发现导管便提出过疑问［20］。

综上所述，现有的研究并不能充分说明睡莲科是不是有导管，这一点还需要有更多的研究来证明。同时，对于导管研究者来讲，也需要更多明确的判断标准。对于睡莲科管状分子的重新研究，不仅仅在于确定其有没有导管，更重要的是对于导管的起源和演化，甚至整个被子植物的演化都有重要的意义。

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