21种中国荚蒾属植物叶表皮微形态特征研究

赵廖成,于 宏,沈爱民,吴雪惠,唐 明*

(1 江西农业大学 林学院,南昌 330045; 2 上饶市林业科学研究所,江西上饶 334000)

荚蒾属(ViburnumL.)隶属于五福花科(Adoxaceae),该属植物一般为灌木或小乔木,落叶或常绿[1]。本属植物全世界约有 200 种,主要分布于南美洲(温带和亚热带地区)和亚洲,中国是荚蒾属植物主要分布区之一,原产 8 组 73 种(45 特有种)[2]。荚蒾属植物在药用[3]、观赏[4-5]及环境保护[6]等方面都具有较高的经济价值和开发价值。荚蒾属是由瑞典植物分类学家林奈在1753年建立。建立之初,荚蒾属隶属于忍冬科(Caprifoliaceae),中国分类学者徐柄声在《中国植物志》(第七十二卷)忍冬科[1]中采纳该观点,首次系统地描述了中国荚蒾属植物,并发表荚蒾属1新组和若干新种[7-8]。得益于分子数据库的扩张和测序技术的发展,人们对荚蒾属的系统发育位置有了更深刻的认识。1997年Backlund等通过rbcL基因对川续断目的系统发育关系进行了研究[9],认为忍冬科中的荚蒾属不属于川续断目而属于茜草目,且与五福花科具有紧密的亲缘关系,建议将荚蒾属并入五福花科。杨亲二同意将荚蒾属并入五福花科的观点,并于FloraofChina(第十九卷)五福花科中对中国荚蒾属进行全面修订[2]。但是,由于中国荚蒾属植物的形态特征及其复杂,且相关解剖学资料不足,相似种的鉴定工作依然存在困难,例如齿叶组中的宜昌荚蒾(ViburnumerosumThunb.)和茶荚蒾(V.setigerumHance)等。

植物分类群间的系统学关系在叶表皮形态(包括上下表皮细胞、气孔形态等)上能得到一定程度的反应,众多研究表明该性状在分类学上具有重要意义[10-13]。

目前,已有学者对荚蒾属植物叶表皮微形态进行了研究,如王建皓等[14]利用光学显微镜研究了台湾15种荚蒾属植物的叶表皮特征,结果表明荚蒾属植物的叶表皮细胞形态、气孔大小和密度及垂周壁式样在大部分种间有明显差异,可作为种间鉴定和分类的重要依据。Beyazoglu等[15]对土耳其3种荚蒾属植物的叶表皮进行研究,结果表明气孔均分布在下表皮,气孔器均为不规则型。邢全等[16-17]利用光学显微镜观察蒙古荚蒾Viburnummongolicum(Pall.) Rehd.和皱叶荚蒾V.rhytidophyllumHemsl.的叶片结构和解剖结构特征,得出蒙古荚蒾与皱叶荚蒾叶片形态和解剖结构与其生态适应性之间具有很强的相关性,为其引种驯化工作提供帮助。整体看来,荚蒾属叶表皮微形态的研究仅局限于光学显微镜,尚未涉及扫描电镜下的叶表皮微形态研究,该部分资料需要补充完善。本研究利用光学显微镜和扫描电子显微镜,对6组21种国产荚蒾属植物的叶表皮微形态进行观察和比较,进一步完善荚蒾属植物的微形态资料,为探讨荚蒾属的分类和系统发育关系提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

研究材料均为野外采样时封装于分子袋中的叶片干燥材料,包括中国荚蒾属植物6组21种(表1)。

表1 材料来源

1.2 方 法

1.2.1 叶表皮制片与观察

取材:每份材料取成熟叶片主脉附近的部分(方便撕取叶表皮),将叶片剪成1 cm2左右的小块。

水浴:将剪好的材料放进西林瓶中,加入蒸馏水使其没过叶片,放入水浴锅90 ℃加热约30 min。

透明:将水浴后的材料转入NaClO(5%)溶液浸泡 8～12 h,至叶肉变白后取出。

制片:将透明后的材料用蒸馏水漂洗2次,放置在体视镜下剥取叶片的上下表皮,最后用改良苯酚品红溶液染色,制成水装片。

镜检:水制片置于40倍光镜下观察并拍照。为了检查叶表皮形态性状的变化,每个材料都选择不同的个体上5枚叶片进行观察,并测量气孔的大小、统计的气孔数量。垂周壁式样、细胞形状以及气孔器形状和类型标准参考文献[21-23]。

1.2.2 气孔器扫描电镜观察

用小刷子蘸取少量无水酒精擦拭叶片表面灰尘,然后使用双面刀片将具毛的叶片进行去毛处理,之后沿叶片中间的主脉两侧切成0.5 cm×0.5 cm左右的小块,置入瓶中加入蒸馏水使水没过叶片,放入超声波振荡清洗,1 h后取出材料,使其自然干燥后用双面胶粘贴于样品台上,经过10 min喷金,在扫描电镜下进行观察和拍照,观察气孔。利用分析软件 Image J 1.8(National Institutes of Health, http: //imagej.nih.gov/ij/)测量气孔的大小和密度,观察气孔形态,而后用Photoshop CS 5.1进行图片排版。气孔外拱盖内缘形态、外围角质纹饰等类型标准参考文献[18-20]。

2 观察结果

2.1 叶表皮形态特征

表2给出了所观察种叶表皮的细胞形状、垂周壁式样等具体数据。

表2 荚蒾属植物叶表皮细胞特征

2.1.1 叶表皮细胞形态

所观察的植物叶表皮细胞形状普遍呈多边形或无规则形,其中大部分种的上表皮细胞形状这2种形态皆有,以无规则形为主。其中,茶荚蒾(图版Ⅰ,A-C)、黑果荚蒾(图版Ⅰ,D-E)、桦叶荚蒾(图版Ⅰ,F)、琼花(图版Ⅰ,G)、荚蒾(图版Ⅰ,I)、珍珠荚蒾(图版Ⅰ,J)、臭荚蒾(图版Ⅰ,K)、和宜昌荚蒾(图版Ⅰ,L)、水红木(图版Ⅱ,A)、绣球荚蒾(图版Ⅱ,B)、金佛山荚蒾(图版Ⅱ,C)、球核荚蒾(图版Ⅱ,D)、皱叶荚蒾(图版Ⅱ,E)、红荚蒾(图版Ⅱ,F)、漾濞荚蒾(图版Ⅱ,G)、日本珊瑚树(图版Ⅱ,H)、蝴蝶戏珠花(图版Ⅱ,I)、蓝黑果荚蒾(图版Ⅱ,J)、厚绒荚蒾(图版Ⅱ,L)19种上表皮细胞形状为无规则形;金腺荚蒾(图版Ⅰ,H)和粉团(图版Ⅱ,K)2种上表皮细胞形状为多边形。21种荚蒾属植物叶下表皮细胞形状均为无规则形。

2.1.2 叶表皮垂周壁式样

如表2所示,所观察种的叶表皮垂周壁式样主要有平直状、浅波状、波状和深波状4种。上表皮的垂周壁式样有浅波状、波状和平直状3种,少数为深波状,下表皮的垂周壁式样有浅波状和深波状2种,少数为波状,无平直状。

(1)上表皮垂周壁式样

在齿叶组8种植物的上表皮垂周壁式样中,茶荚蒾(图版Ⅰ,A-C)和黑果荚蒾(图版Ⅰ,D-E)均观察到浅波状、波状和深波状3种式样;桦叶荚蒾(图版Ⅰ,F)观察到浅波状和波状2种式样;荚蒾(图版Ⅰ,I)观察到波状和深波状2种式样;臭荚蒾(图版Ⅰ,K)只观察到深波状2种式样;珍珠荚蒾(图版Ⅰ,J)和宜昌荚蒾(图版Ⅰ,L)均只观察到浅波状1种式样;金腺荚蒾(图版Ⅰ,H)只观察到平直状1种式样。

在裸芽组4种植物的上表皮垂周壁式样中,金佛山荚蒾(图版Ⅱ,C)、绣球荚蒾(图版Ⅱ,B)及其变型琼花(图版Ⅱ,G)均观察到浅波状和波状2种式样;皱叶荚蒾(图版Ⅱ,D)观察到平直状和浅波状2种式样。

在圆锥组4种植物的上表皮垂周壁式样中,该组2种植物上表皮垂周壁式样较为单一。

红荚蒾(图版Ⅱ,F)只观察到浅波状1种式样;漾濞荚蒾(图版Ⅱ,G)只观察到深波状1种式样。而日本珊瑚树(图版Ⅱ,H)观察到平直状和浅波状2种式样。

在蝶花组2种植物的上表皮垂周壁式样中,粉团(图版Ⅱ,K)只观察到平直状1种式样,而其变型蝴蝶戏珠花(图版Ⅱ,I)则观察到浅波状、波状2种式样。

在大叶组2种植物的上表皮垂周壁式样中,水红木(图版Ⅱ,A)观察到平直状和浅波状2种式样;厚绒荚蒾(图版Ⅱ,L)则观察到浅波状、波状2种式样。

在球核组2种植物的上表皮垂周壁式样中:球核荚蒾(图版Ⅱ,D)观察到平直状和浅波状2种式样;蓝黑果荚蒾(图版Ⅱ,J)只观察到波状1种式样。

(2)下表皮垂周壁式样

在齿叶组8种植物的下表皮垂周壁式样中:茶荚蒾(图版Ⅲ,A)、黑果荚蒾(图版Ⅲ,B)、荚蒾(图版Ⅲ,F)宜昌荚蒾(图版Ⅲ,I)均观察到波状和深波状2种式样;桦叶荚蒾(图版Ⅲ,C)和珍珠荚蒾(图版Ⅲ,G)均只观察到浅波状1种式样;金腺荚蒾(图版Ⅲ,E)和臭荚蒾(图版Ⅲ,H)只观察到深波状1种式样。

在裸芽组4种植物的下表皮垂周壁式样中:绣球荚蒾(图版Ⅲ,K)和金佛山荚蒾(图版Ⅲ,L)均观察到浅波状和波状2种式样;皱叶荚蒾(图版Ⅳ,B)只观察到浅波状1种式样;琼花(图版Ⅲ,D)则只观察到深波状1种式样。

在圆锥组3种植物的下表皮垂周壁式样中:漾濞荚蒾(图版Ⅳ,D)和日本珊瑚树(图版Ⅳ,E)均只观察到深波状式样;而红荚蒾(图版Ⅳ,C)只观察到波状1种式样。

在蝶花组2种植物的下表皮垂周壁式样中:粉团(图版Ⅳ,H)及其变型蝴蝶戏珠花(图版Ⅳ,F)均只观察到深波状1种式样。

在大叶组2种植物的下表皮垂周壁式样中:水红木(图版Ⅲ,J)只观察到浅波状1种式样;厚绒荚蒾(图版Ⅳ,I)观察到波状、深波状2种式样。

在球核组2种植物的下表皮垂周壁式样中:球核荚蒾(图版Ⅳ,A)和蓝黑果荚蒾(图版Ⅳ,G)均只观察到浅波状1种式样。值得一提的是,所观察材料的下表皮垂周壁式样均无平直状。

2.2 气孔形态特征

表3给出了所观察种气孔和气孔器的具体数据。包括气孔形态、大小、密度、气孔器类型和外围角质层纹饰等具体数据。

表3 荚蒾属植物叶的气孔特征

2.2.1 光学显微镜下气孔的形态特征

在光学显微镜下观察了荚蒾属植物叶片,发现气孔均只分布在下表皮,呈现为单个的不规则随机排列。由表3可知,荚蒾属植物气孔形状有近圆形和椭圆形2种类型,气孔器类型有无规则型、平列型和不等型3种类型,其中大多数为平列型,少数为无规则型和不等型,不等型仅1种为粉团(图版Ⅳ,H)。本次观察的种类中,气孔大小在个别种类间差异较明显,长度在17.90 μm～37.84 μm之间,宽度在14.57 μm～32.44 μm之间。中绣球荚蒾(图版Ⅲ,K)的气孔最大,为 36.89 μm×32.44 μm,气孔最小的为蝴蝶戏珠花(图版Ⅳ,F),只有19.74 μm×14.57 μm。本次观察的种类中,气孔密度大多在100～400个/mm2,少数种如黑果荚蒾(图版Ⅲ,B)、珍珠荚蒾(图版Ⅲ,G)和水红木(图版Ⅲ,J)均在400个/mm2以上。其中黑果荚蒾(图版Ⅲ,B)的气孔密度最大,为433个/mm2,气孔密度最小的种是粉团(图版Ⅳ,H),为125个/mm2。

2.2.2 扫描电镜下气孔器特征

在扫描电镜下观察本次研究的21种中国荚蒾属植物,气孔器外拱盖内缘的形态有三类:近平滑、波状和浅波状。其中,茶荚蒾(图版Ⅴ,A)、黑果荚蒾(图版Ⅴ,B)、珍珠荚蒾(图版Ⅴ,G)、红荚蒾(图版Ⅵ,B)、漾濞荚蒾(图版Ⅵ,C)和琼花(图版Ⅴ,J)6种植物的气孔外拱盖内缘为近平滑;绣球荚蒾(图版Ⅴ,K)、皱叶荚蒾(图版Ⅵ,A)、厚绒荚蒾(图版Ⅵ,G-H)和蓝黑果荚蒾(图版Ⅵ,L)4种植物的气孔外拱盖内缘为波状;其他种均为浅波状。茶荚蒾、黑果荚蒾、珍珠荚蒾、琼花(图版Ⅴ,J)、绣球荚蒾、金佛山荚蒾(图版Ⅴ,L)等9种植物的气孔器周围具有明显的环状外缘角质纹饰,而桦叶荚蒾(图版Ⅴ,C)、金腺荚蒾(图版Ⅴ,D-E)、荚蒾(图版Ⅴ,F)、臭荚蒾(图版Ⅴ,H)、宜昌荚蒾(图版Ⅴ,I)等11种植物的气孔器环状外缘不明显。

此次所观察的植物气孔器外围角质层纹饰的多样化程度较高,因此根据其角质层纹饰特点将其分为4类:(1)具脊状隆起,包括珍珠荚蒾、红荚蒾、水红木(图版Ⅵ,I-J)、厚绒荚蒾、球核荚蒾(图版Ⅵ,K)和蓝黑果荚蒾;(2)具条状隆起,包括黑果荚蒾和漾濞荚蒾;(3)具少量条状或脊状隆起,包括金腺荚蒾、荚蒾、臭荚蒾、宜昌荚蒾、日本珊瑚树(图版Ⅵ,D)、蝴蝶戏珠花(图版Ⅵ,E)和粉团(图版Ⅵ,F);(4)同时具脊状和条状隆起,包括茶荚蒾、桦叶荚蒾、琼花、绣球荚蒾、金佛山荚蒾、皱叶荚蒾。

3 讨 论

由以上结果可知,荚蒾属植物叶片微形态特征变化大。种与种之间在叶表皮细胞形状、垂周壁式样、气孔大小及密度和气孔器外围角质层纹饰等几个方面差别明显,这些特征对荚蒾属植物种间鉴定具有重要作用。

3.1 荚蒾属植物叶表皮细胞的分类学意义

许多研究表明,植物叶表皮特征是种间鉴定的重要依据,在某些分类关系不确定的类群中具有重要的分类学意义[21-22]。本研究结果显示,在21种供试材料中,只有金腺荚蒾和粉团上表皮细胞形状为多边形,其余19种均为无规则形;而下表皮细胞形状则全为不规则形,且垂周壁式样较上表皮更加稳定。王建皓等[14]利用光学显微镜对台湾荚蒾属15种植物的叶表皮微形态进行研究,认为荚蒾属植物叶表皮细胞均为无规则形,垂周壁式样为平直或波状。综合来看,2次试验都表明表皮细胞垂周壁式样为平直或波状,下表皮细胞为无规则形,但本次研究表明荚蒾属植物叶上表皮细胞存在多边形,如粉团和金腺荚蒾,这2种植物不在王建皓等人的研究范围。本试验材料涉及荚蒾属6组21种,更为全面地对荚蒾属植物叶表皮微形态特征进行了研究,为荚蒾属植物系统发育研究提供了重要的理论依据。例如,在种内关系最复杂的齿叶组中,8种植物材料只有金腺荚蒾的上表皮细胞形状为多边形、垂周壁式样为平直状,可以很好地与本组其他种区分。皱叶荚蒾叶上表皮垂周壁式样为平直状,和金佛山荚蒾的波状式样差别非常大,这一特征可以区分这2个相似种。此外,叶表皮垂周壁式样在个别种内也具有分类价值,如臭荚蒾的上下表皮细胞垂周壁式均为深波状,而其变种珍珠荚蒾则均为浅波状,前者表皮细胞波状更加明显,根据这一特征可以较好划分其种内关系。因此,荚蒾属植物叶表皮特征可作为该属种间鉴定的依据。

3.2 荚蒾属植物气孔器特征的分类学意义

气孔是植物体与外界环境进行气体和水分交换的重要器官,对植物的光合作用和蒸腾作用具有重要的意义,许多研究人员也将气孔器特征运用到植物的分类中,并得到广泛认可[23-24]。本研究表明,荚蒾属植物叶片上表皮无气孔分布,均分布在下表皮,形状为椭圆形或近圆形;气孔器类型为不定型、平列型和无规则型,这与王建皓等人的研究结果[14]一致,但他们并没有利用扫描电镜观察气孔器的形态特征。

双子叶植物的气孔器类型稳定,在植物分类方面具有一定鉴定价值[25]。结合王建皓等人和本次试验研究结果,笔者认为荚蒾属植物气孔器类型较为稳定,如荚蒾、琼花、绣球荚蒾和蝴蝶戏珠花的气孔器类型均为无规则型,粉团则为不等型,其他16种植物的气孔器类型均为平列型。荚蒾属植物的气孔器外拱盖内缘在种内较为稳定,如臭荚蒾及其变种珍珠荚蒾,前者气孔器外拱盖内缘为浅波状,后者为近平滑;绣球荚蒾的气孔器外拱盖内缘为波状,而其变型琼花为近平滑状。荚蒾属植物的气孔器外围角质层纹饰也可以将个别种区分开来,如齿叶组中的相似种茶荚蒾和宜昌荚蒾,前者气孔器环状外缘明显、具明显条状和脊状隆起,而后者环状外缘不明显、具少量条状隆起。此外,荚蒾属各个种间的气孔大小和密度都各不相同,例如气孔最小的种是蝴蝶戏珠花(19.74 μm×14.57 μm),最大的种是绣球荚蒾(36.89 μm×32.44 μm),气孔密度最小的种是粉团(125个/mm2),最大的种是黑果荚蒾(433个/mm2)。这些都说明荚蒾属植物种间气孔特征差异是明显的,可以作为该属种间鉴定的重要标准。

3.3 荚蒾属植物叶表皮微形态特征反映的种间亲缘关系

从研究的21种中国荚蒾属植物的叶表皮微形态特征反映的种间亲缘关系来看,有些和以外部形态特征为基础的传统分类学结果一致,但也存在相悖的情况。如荚蒾、琼花、绣球荚蒾和蝴蝶戏珠花,它们的上下表皮细胞形状均为无规则形、气孔器类型均为不规则型,但它们的外部形态特征差异非常大,和传统分类结果不一致。Yang在FloraofChina中将蝴蝶戏珠花从粉团的变种降级为变型[2],根据本研究结果,蝴蝶戏珠花上表皮细胞为无规则形、气孔器类型为无规则型,粉团上表皮细胞为多边形、气孔器类型为不等型,二者的气孔器大小和密度和粉团差异也很大,说明它们的叶表皮形态特征差异明显,因此不支持将蝴蝶戏珠花降级为变形,这和传统分类结果不一致。一些学者[24]认为植物叶表皮细胞垂周壁式样的演化趋势是由平直到浅波状再到深波状。根据本次试验结果,球核组在本属应分化较早,较为原始,而齿叶组则为较进化的组,这也与Clement等[26]和Donoghue等[27]的结论一致,说明叶表皮微形态特征与外部形态特征和分子证据之间具有相似性。狄维忠等[28]在对荚蒾属的孢粉学研究中,认为皱叶荚蒾和金佛山荚蒾的花粉表面纹饰为不明显网状,较为平坦,而在二者的叶表皮特征中,皱叶荚蒾上表皮垂周壁式样为平直状,而金佛山荚蒾为浅波状和波状,且它们的气孔大小和密度也有差异,说明花粉形态特征和叶表皮形态特征进化程度不一致。总体而言,荚蒾属叶表皮形态特征在某些程度上还不能全面揭示类群内部的分类关系,但是其在种间较为稳定,能够弥补传统分类水平上所不能解释的种间亲缘关系问题,具有重要的分类学意义。