台湾水青冈和米心水青冈叶表皮微形态特征的比较

2016-04-23张雪梅吴定军章世鹏何显湘史清茂

安徽农业科学 2016年6期

王东，张雪梅*，吴定军，章世鹏，何显湘，陈坚，史清茂

(1. 西华师范大学，西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，四川南充 637009；2.西华师范大学生命科学学院，四川南充 637009；3. 四川省旺苍县米仓山自然保护区管理局，四川旺苍 628200)

王东1,2，张雪梅1,2*，吴定军3，章世鹏3，何显湘3，陈坚3，史清茂3

摘要[目的]比较水青冈属2种植物间的叶片微形态特征和生态学适应性，并探讨米仓山自然保护区水青冈属植物种类的划分和亲缘关系。[方法]在光学显微镜下，对四川广元米仓山自然保护区2种水青冈属植物台湾水青冈和米心水青冈的叶表皮微形态特征进行观察，并测定了相应的数量指标。[结果]2种植物叶表皮形态的一致性表现为：上表皮细胞形状几乎为不规则形，下表皮细胞形状多为多边形，下表皮垂周壁多为近平直；2种植物均只在下表皮分布有气孔器，排列方式均为无规则型。2种植物的叶表皮形态的差异则主要表现在表皮细胞垂周壁式样、表皮毛的有无，角质膜附属物等方面，依此可以区分2个物种。[结论]叶表皮特征对于水青冈属植物种类的划分和亲缘关系的确定具有一定的分类学意义。

关键词台湾水青冈；米心水青冈；形态学；叶表皮；分类学

Micromorphological Characteristics Comparison of Leaf Epidermis ofFagushayataeandFagusengleriana

WANG Dong1,2, ZHANG Xue-mei1,2*, WU Ding-jun3et al

(1. Key Laboratory of Southwest China Wildlife Resources Conservation, Ministry of Education, China West Normal University, Nanchong, Sichuan 637009; 2. College of Life Sciences, China West Normal University, Nanchong, Sichuan 637009; 3. MiCangShan Nature Reserve Administration, Wangcang, Sichuan 628200 )

Abstract[Objective] To compare the leaf micromorphological features and ecological adaptability ofFagusenglerianaandFagushayatae, and to discuss the classification and affinity of Fagus plant species in MiCangShan Nature Reserve. [Method] Under optical microscope, leaf epidermis ofF.englerianaandF.hayataewas observed and researched in MiCangShan Nature Reserve. Corresponding quantitative index was detected. [Result] Morphology consistency of leaf epidermis was as follows: epidermal cell shape was mostly irregular; while epidermal cells were almost polygonal. Anticlinal wall of lower epidermis was almost straight. The two plants both had stomatal apparatuses in lower epidermis with irregular arrangement. Differences of leaf epidermis morphology were manifested in anticlinal wall type of the epidermal cells, the existence of epidermal hairs, appurtenance of cuticular membrane and so on, which could be used to distinguish the two species. [Conclusion] Characteristics of leaf epidermis have certain taxonomical significance to the classification and genetic relationship ofFagusplants.

Key wordsFagushayatae;Fagusengleriana; Morphological characteristics; Leaf epidermis; Botany

叶表皮的形态具有一定的稳定性，特别是气孔器及叶表皮纹饰等形体特征往往具有种级或属级水平上的差异，且不受雌雄同株或雌雄异株的影响，其性状表现能作为植物分类学的依据，被植物学家认为在分类学上或系统学上都具有潜在的价值[1-2]，因此对叶片的结构进行分析可用于分类群的鉴定[3-4]。近10多年来，叶表皮性状的研究受到越来越多的重视[5-7]，其系统学意义已被许多试验结果所证实：叶表皮特征在属内较为稳定，如表皮细胞形状和垂周壁式样、气孔器类型等在各属内的分布也有一定的系统学意义[8-10]。

水青冈属是温带落叶阔叶林的主要建群种之一[11]。目前，国内外关于水青冈属植物的形态学研究主要集中于孢粉学、核型等方面。曹小燕等[12]通过对水青冈属5种植物叶脉结构特征的研究，认为水青冈属二级脉与更高级脉序形成的结构稳定且存在种间差异，具有重要的分类学价值。方精云等[11]对浙江产水青冈属植物的木材和叶片的解剖学进行了研究，结果表明木材和叶片的解剖特征在种间和种内差异较为显著, 叶表面结构特征和叶解剖特征的种间变化显示了一定的规律性。孢粉学研究方面，对壳斗科植物的花粉形态在国内较早的研究有《中国植物花粉形态》[13]，而《壳斗科植物花粉形态及生物地理》则全面系统地介绍了壳斗科各属的花粉形态及超微结构,对科下系统、亚科划分、属间亲缘关系及系统演化等问题进行了探讨，论述了壳斗科的早期分化、生物多样性和生物地理[14]。迄今为止，对水青冈属植物的研究都比较零散，不全面，形态学研究尤其缺乏，目前关于叶表皮的微形态特征及其系统学意义的研究尚鲜见报道。笔者对米仓山自然保护区12个采集地的水青冈属植物台湾水青冈和米心水青冈的叶表皮形态进行比较观察与研究，以期为该地区2种植物的系统分类和演化研究提供微形态学资料。

1材料与方法

1.1试验材料试验所用的2种12个居群的材料来源见表1，试验材料均采自四川广元米仓山自然保护区，凭证标本存于西华师范大学。

1.2试验方法取成熟的叶片置于烧杯中，在酒精灯上适量煮沸排气3 min后取出叶片，冷却后擦净水分，用刀片从成熟叶片中脉两侧剪取若干1 cm×1 cm的小块，用蒸馏水冲洗后风干，在55%的次氯酸钠溶液中离析。离析时间2～4 h，泡至角质层与叶肉分离，用刀片刮去不需要的上层或下层表皮，用毛笔轻轻刷去残留叶肉组织，然后进行染色，用蒸馏水漂洗制成临时装片，在显微数码照相机上拍照。

气孔指数计算方法：在同一倍数下(100×)随机测量视野的气孔指数和细胞数，各取其平均值，按照以下公式计算气孔指数：气孔指数I=[S/(S+P)]×100，其中S为气孔的数目，P为视野内的细胞数。

扫描电镜下观察的材料先用毛笔将叶片轻轻擦拭，去除灰尘，剪成0.5 cm×0.5 cm的小方块，再用双面胶固定在样品台上，喷镀后在扫描电镜下观察拍照。

表1　试验材料来源

2结果与分析

注：a～f：台湾水青冈；g～l：米心水青冈。Note:a-f：Fagus hayatae；g-l：Fagus engleriana.图1　光镜下台湾水青冈和米心水青冈的上表皮微形态特征(40×)Fig. 1　adaxial epidermis features in light microscopy of Fagus hayatae and Fagus engleriana(40×)

2.1在光镜下观察到的台湾水青冈和米心水青冈表皮细胞形态和垂周壁式样通过光镜显微镜所观察的米心水青冈和台湾水青冈的上表皮细胞形状是无规则型(图1)，下表皮为无规则形或多边形(图2)，叶下表皮细胞比上表皮小(表2)。叶表皮细胞垂周壁式样大致可分为近平直、浅波状和深波状3种类型(图1、2)。2.2在光镜下观察到的米心水青冈和台湾水青冈的气孔器特征通过光学显微镜观察发现，气孔器普遍存在于下表皮, 上表皮未见气孔器分布,气孔器主要由保卫细胞构成, 其表面为宽椭圆形、长椭圆形，类型均为无规则型(图2)。2种水青冈属植物的气孔器的分布不均匀,但12个居群中台湾水青冈和米心水青冈的气孔指数和保卫细胞的形状在种间的差别不大。台湾水青冈几个居群的气孔指数范围为10.93～17.02，米心水青冈几个类群的气孔指数范围为11.12～13.67。台湾水青冈几个类群的气孔平均长度范围为12.242 0～16.543 6 μm，米心水青冈几个类群的气孔平均长度范围为12.598 8～13.899 5 μm，台湾水青冈的气孔指数明显要高于米心水青冈(表2)。

注：a～f.台湾水青冈；g～l.米心水青冈。　Note：a-f：Fagus hayatae；g-l：Fagus engleriana.图2　光镜下台湾水青冈和米心水青冈的下表皮微形态特征(40×)Fig. 2　Abaxial epidermis features in light microscopy of Fagus hayatae and Fagus engleriana(40×)

编号Code表皮细胞形状Shapeofepidermalcell上表皮Upperepidermis下表皮Lowerepidermis垂周壁式样Modeofanticlinalwall上表皮Upperepidermis下表皮Lowerepidermis下表皮Lowerepidermis气孔长度范围Rangeofstomatallength∥μm气孔平均长度Averagelengthofstoma∥μm气孔指数Stomataindex1不规则不规则深波状近平直14.5147～17.126415.358814.132不规则多边形深波状近平直10.8820～13.121512.342015.963不规则不规则深波状近平直13.3089～15.446114.140517.024不规则不规则深波状浅波状13.4486～15.917414.476012.795不规则不规则深波状近平直15.8019～17.635416.543614.676不规则不规则深波状近平直14.8712～17.334716.367110.937不规则多边形浅波状近平直12.3251～15.281913.631812.968不规则不规则浅波状近平直12.7245～14.666213.411411.299不规则不规则浅波状浅波状12.2631～14.926713.855411.1210不规则多边形浅波状近平直12.5957～15.217813.899512.7311不规则多边形浅波状近平直11.4084～14.174012.598812.3112不规则多边形浅波状浅波状10.3569～13.844213.197013.67

2.3在扫描电镜下观察到的叶表皮细胞的特征从图3和图4可以看出，台湾水青冈和米心水青冈的上下表皮细胞角质层纹饰均表现为有条纹状突起，并分布有稀疏的颗粒或致密的鳞片。2种植物叶表皮的气孔器外拱盖内缘近平滑；保卫细胞两极加厚；但米心水青冈的气孔被密集的鳞片所覆盖(图4)。扫描电镜下还观察到2种水青冈下表皮具表皮毛,毛基部表皮细胞轮廓不清晰,表皮毛细胞扁平；但是台湾水青冈仅叶脉处有毛(图3)，而米心水青冈则下表皮都被有疏散的柔毛(图4)。

3讨论

图3　电镜下台湾水青冈的叶表皮形态特征Fig.3　Epidermal features in SEM of Fagus hayatae

图4　电镜下米心水青冈的叶表皮形态特征Fig.4　Epidermal features in SEM of Fagus engleriana

3.1台湾水青冈和米心水青冈的叶表皮形态学比较前人对叶表皮形态学的研究结果表明植物叶表皮微形态特征在种间存在较大的差异，其中表皮细胞形状、气孔类型和细胞角质膜特征等是较为稳定的演化特征，不受环境等的影响，可以作为物种分类与鉴别的依据[15]。该研究也呈现出相同的结论，从光学显微镜和电子显微镜观察结果看, 叶表皮微形态表现出较高的多态性; 在属的范畴中, 又表现为一定的一致性, 使得微形态特征可以成为探讨水青冈属内分类群的分类和系统发育关系的依据。总体来看，物种内不同的居群间没有较大的差异，但是物种间则差异显著，主要表现为以下方面：①叶表皮被毛。台湾水青冈仅叶片主脉分布有密集的柔毛；而米心水青冈则是整个叶片都被有稀疏的柔毛。 ②叶表皮细胞。台湾水青冈上表皮细胞垂周壁式样皆为深波状, 垂周壁在细胞壁尖端加厚；米心水青冈上表皮细胞垂周壁式样多为浅波状。台湾水青冈和米心水青冈上表皮细胞垂周壁式样的明显不同可以作为区别这2种植物的鉴别特征。③角质膜特点。台湾水青冈的角质膜具条纹状突起和少量鳞片颗粒；米心水青冈的角质层具条纹状突起和大量密集鳞片。与台湾水青冈相比，米心水青冈鳞片较多，突起较弯曲，台湾水青冈突起较平稳。④从气孔形态来看，米心水青冈气孔上有较多鳞片覆盖，而台湾水青冈则没有；2种水青冈的气孔形态较为一致，形状为长宽相差不大的椭圆形或近圆形，气孔外拱盖为单层，外拱盖内缘平滑，保卫细胞外壁光滑或有蜡质鳞片覆盖，两个保卫细胞高于开口，成一圆环状包围开口；台湾水青冈和米心水青冈都有较显著的蜡质覆盖。

作为同一属的植物，它们的叶表皮特征的一致性则表现为表皮细胞的形态和气孔器的类型上。该试验结果表明,无论是用作光学显微镜材料的新鲜标本,还是用作扫描电镜的蜡叶标本,同种植物的叶表皮细胞、气孔器等特征是一致的,但是同一属下面的2种植物虽外部形态大致相似，但仍然可以通过叶表皮微形态的差别区分出2个物种。由此可见,结合外部形态特点,叶表皮的微形态特征对研究水青冈的分类鉴定具有一定的参考价值。

3.2叶表皮形态学的系统演化意义从表皮细胞垂周壁波状弯曲程度这个进化角度来看，细胞之间镶嵌越紧密，保护效果越明显，应处于更进化的地位[16]，而该研究中台湾水青冈6个居群的垂周壁式样基本一致，呈现为深波状；而米心水青冈则多呈浅波状。据此推测，在表皮细胞进化上，台湾水青冈处于相对进化的地位。

陈之端等[5]认为气孔器应由无规则型向短平列型发育。吕海亮等[17]则认为单就气孔形态而言，演化模式可能为无规则型→不等型→横列或平列型→等位横列型。该试验中的2种水青冈属植物的12个居群的气孔器类型都为无规则型，说明该试验中2种植物在气孔器类型的进化上相似，都为较原始的类型。

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