高晓雯 王梦颖 徐 斌 陆丹妮 戴锡玲

(上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234)

铁角蕨科(Aspleniaceae)为蕨类植物中最自然的一个分类群，也是最大类群之一。铁角蕨科约有10属，700余种，广布于世界各地，主产热带。其中，铁角蕨属(AspleniumL.)为种类最多、形体变化最大的1个属，为本科的中心属，其他各属的种类很少或只有一二种，分布区较为局限或呈现洲际间断分布[1]。这个类群有丰富的代表种，却未见活着的近亲族，它是处于进化活跃状态的高度进化的一个科，属的界线仍然处于分化的过程中，其种间甚至近缘属间都存在着广泛的杂交能育性[2]。秦仁昌和吴兆洪把我国的铁角蕨属(Asplenium)划分为四个组：铁角蕨组(Sect.Asplenium)、单叶组(Sect.Holophyllum)、蕃叶组(Sect.Darea)及叉叶组(Sect.Acropteris)；铁角蕨组(Sect.Asplenium)是其中最大的组，又分为5个系：变异叶系(Ser.Variantia)、铁角叶系(Ser.Trichomanoidea)、半边羽系(Ser.Unilateralia)、披针羽系(Ser.Wrightiana)及隆脉系(Ser.Falcata)[3～4]。

研究表明，真蕨目气孔形态及其相关性状在每属中是相对稳定的，即叶表皮形态特征可作为属间划分的依据之一[5]。铁角蕨科植物叶表皮形态特征的多样性可用于其种间、属间甚至科间的分类和系统演化关系方面的探讨[6～9]。王任翔等[6]利用光学显微镜对我国西南地区12种铁角蕨科植物的叶表皮微形态进行了观察比较，其结果指出铁角蕨组、单叶组及蕃叶组具有代表性的气孔器类型，不同组气孔器类型差别明显，这与组的划分相吻合，在一定意义上支持秦仁昌、吴兆洪对铁角蕨属的分组处理。梁晓华等[7]利用光学显微镜对铁角蕨科铁角蕨属4种植物与巢蕨属4种植物的叶表皮细胞特征、气孔器类型，气孔指数和气孔密度进行对比研究，结果显示8种植物之间有一定的共同特征，同时在某些特征上具有属间差异。邓晰朝等[8]对广西产9种铁角蕨属植物叶表皮微形态进行观察。徐成东等[9]对云南分布的2种铁角蕨科植物叶表皮特征进行研究，结果显示同属蕨类植物的下表皮细胞的形态稳定，但垂周壁样式不一定相同，且铁角蕨科具有集中表现的气孔器类型。

本文利用光镜对15种铁角蕨科植物叶表皮形态特征(如叶表皮细胞形状和大小、气孔器的大小和类型以及气孔密度、气孔指数等)进行详细的观察，旨在为进一步探讨铁角蕨科植物的分类和系统演化研究提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 材料

实验材料取自15种铁角蕨科植物新鲜叶或腊叶标本的成熟叶片，植物标本保存在上海师范大学生物系蕨类植物标本室，材料来源详见表1。

1.2 方法

取植物叶中部小羽片，刮去其孢子囊群后，浸泡在30%过氧化氢—醋酸溶液中，根据不同叶片的质地，分别在60℃烘箱内放置1～2 h。待叶肉组织和表皮细胞分离，用蒸馏水小心清洗3遍后，把材料取出浸泡在清水中。观察叶片上表皮时，取处理过的叶片于载玻片上，把叶片的下表皮朝上，用刀片刮去下表皮和叶肉组织，直至载玻片上只留下一层上表皮为止；反之，观察叶片下表皮时，把叶片的上表皮朝上，刮去上表皮和叶肉组织，只留下表皮。将刮好的叶表皮制成临时水封片并编号，以便观察记录。每种植物的上、下表皮分别制备5个样品，每个样品随机观察4个视野。

文中的表皮细胞大小、气孔器大小、气孔器类型、气孔密度及气孔指数等数据均为随机测量20个视野材料的数据或平均值。其中，气孔指数=气孔数/(气孔数+表皮细胞数)×100%，气孔密度=气孔个数·mm-2。气孔器类型的命名采用《The Botanical Review》[10]中的名称。

2 观察结果

2.1 15种铁角蕨科植物叶表皮形态特征

对铁角蕨科15种植物叶表皮形态特征进行观察发现，它们的叶片上、下表皮细胞形状均为不规则型，其上、下表皮垂周壁呈深波状、波状及浅波状3种类型；上表皮细胞的长宽比1.3～2.6，下表皮细胞的长宽比1.3～4.1(表2)；气孔的长宽比1.12～2.81，气孔密度16.4～105.1 个·mm-2，气孔指数为5.7%～21.1%(表3)；在15种铁角蕨科植物中共观察到7种气孔器类型，依据副卫细胞的数目及其与保卫细胞排列方式的不同观察到腋下细胞型(Axillocytic type)、不等细胞型(Aisocytic type)、无规则四细胞型(Anomotetracytic type)、无规则型(Anomocytic type)、极细胞型(Polocytic type)、聚合极细胞型(Copolocytic type)和聚腋下细胞型(Coaxillocytic type)，每种植物具有2～5种气孔器类型(表4)，气孔均匀分布在叶片下表面，即下生型气孔，多为椭圆形，一般散生且沿着叶片长轴方向排列，偶有取向不规则现象。

表1 材料来源Table 1 Source of materials

表2 铁角蕨科15种植物叶上表皮形态特征Table 2 Characteristics of upper leaf epidermis of 15 Aspleniaceae species

种名Species气孔器类型Type of stomatal apparatus腋下细胞型Axillocytic type不等细胞型Aisocytic type无规则四细胞型Anomotetracytic type无规则型Anomocytic type极细胞型Polocytic type聚合极细胞型Copolocytic type聚腋下细胞型Coaxillocytic type图版Plate线裂铁角蕨Asplenium coenobiale+++++++Ⅱ:1虎尾铁角蕨A.incisum+++++++++Ⅱ:2华中铁角蕨A.sarelii+++++++++Ⅱ:3变异铁角蕨A.varians+++++++++++Ⅱ:4云南铁角蕨A.yunnanense++++++Ⅱ:5铁角蕨A.trichomanes++++++Ⅱ:6三翅铁角蕨A.tripteropus++++++++Ⅱ:7毛轴铁角蕨A.crinicaule++++++++Ⅱ:8齿果铁角蕨A.cheilosorum++++++Ⅱ:9切边铁角蕨A.excisum++++++Ⅱ:10剑叶铁角蕨A.ensiforme+++++++++Ⅱ:11狭翅铁角蕨A.wrightii+++++++Ⅱ:12网脉铁角蕨A.finlaysonianum++++++Ⅱ:13长叶铁角蕨A.prolongatum++++++Ⅱ:14巢蕨Neottopteris nidus++++++++++Ⅱ:15

表4 铁角蕨科15种植物的气孔器类型Table 4 Percentage of each stomatal apparatus of 15 Aspleniaceae species

2.2 14种铁角蕨属植物的叶表皮形态特征分析

根据叶表皮形态特征，将所观察的14种铁角蕨属植物分为3个类型：

类型1：它们的上、下表皮细胞形状为无规则型；上表皮垂周壁为深波状，细胞长宽比在1.6～2.6；下表皮垂周壁为深波状或波状，细胞长宽比在1.3～4.1，气孔密度均大于32.2 个·mm-2，气孔器类型集中表现为腋下细胞型、不等细胞型及无规则四细胞型，如线裂铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：1)、虎尾铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：2)、华中铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：3)、变异铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：4)及云南铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：5)。

类型2：它们的上、下表皮细胞形状为无规则型；上表皮垂周壁为波状，下表皮垂周壁为深波状或波状，且观察的5种植物中有4种表现为深波状，如毛轴铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：8)。根据该组内植物上、下叶表皮细胞长、宽、长宽比及气孔器集中表现类型等特征又分两种：

上表皮细胞长60.3～67.5 μm，宽32.5～38.1 μm，长宽比1.8～1.9，下表皮细胞长75.2～90.2 μm，长宽比为1.7，气孔长宽比1.12～1.47，气孔指数13.4%～20.1%，气孔密度45.8～52.8 个·mm-2，气孔器集中表现类型为腋下细胞型及无规则四细胞型，如铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：6)和三翅铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：7)。

上表皮细胞长89.4～125.4 μm，宽34.5～53.3 μm，长宽比2.4～2.5，下表皮细胞长94.2～118.2 μm，长宽比为2.1～2.2，气孔长宽比2.01～2.81，气孔指数9.7%～9.8%，气孔密度20.1～21.3 个·mm-2，气孔器集中表现类型为聚合极细胞型和聚腋下细胞型，如齿果铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：9)和切边铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：10)。

类型3：它们的上、下表皮细胞形状为无规则型；上表皮垂周壁为浅波状，下表皮垂周壁为波状或浅波状，气孔器主要表现类型为腋下细胞型、不等细胞型、无规则四细胞型及无规则型，如剑叶铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：11)和长叶铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：14)；另外，狭翅铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：12)和网脉铁角蕨(图版Ⅰ～Ⅱ：13)在气孔器类型上集中表现为无规则四细胞型。

3 讨论

3.1 叶表皮形态特征在铁角蕨科植物分类中的应用

本文对15种铁角蕨科植物叶表皮形态特征进行详细观察，其中线裂铁角蕨、虎尾铁角蕨、华中铁角蕨、变异铁角蕨、云南铁角蕨、铁角蕨、三翅铁角蕨、毛轴铁角蕨、切边铁角蕨、狭翅铁角蕨及网脉铁角蕨等11种植物的叶表皮形态特征为首次报道。

图版Ⅰ 光学显微镜下15种铁角蕨科植物叶上表皮形态 1.线裂铁角蕨；2.虎尾铁角蕨；3.华中铁角蕨；4.变异铁角蕨；5.云南铁角蕨；6.铁角蕨；7.三翅铁角蕨；8.毛轴铁角蕨；9.齿果铁角蕨；10.切边铁角蕨；11.剑叶铁角蕨；12.狭翅铁角蕨；13.网脉铁角蕨；14.长叶铁角蕨；15.巢蕨PlateⅠ The morphology of upper leaf epidermis of 15 Aspleniaceae species under LM 1. Asplenium coenobiale; 2. A.incisum; 3. A.sarelii; 4. A.varians; 5. A.yunnanense; 6. A.trichomanes; 7. A.tripteropus; 8. A.crinicaule; 9. A.cheilosorum; 10. A.excisum; 11. A.ensiforme; 12. A.wrightii; 13. A.finlaysonianum; 14. A.prolongatum; 15. Neottopteris nidus

图版Ⅱ 光学显微镜下15种铁角蕨科植物叶下表皮形态 1.线裂铁角蕨；2.虎尾铁角蕨；3.华中铁角蕨；4.变异铁角蕨；5.云南铁角蕨；6.铁角蕨；7.三翅铁角蕨；8.毛轴铁角蕨；9.齿果铁角蕨；10.切边铁角蕨；11.剑叶铁角蕨；12.狭翅铁角蕨；13.网脉铁角蕨；14.长叶铁角蕨；15.巢蕨PlateⅡ The morphology of lower leaf epidermis of 15 Aspleniaceae species under LM 1. Asplenium coenobiale; 2. A.incisum; 3. A.sarelii; 4. A.varians; 5. A.yunnanense; 6. A.trichomanes; 7. A.tripteropus; 8. A.crinicaule; 9. A.cheilosorum; 10. A.excisum; 11. A.ensiforme; 12. A.wrightii; 13. A.finlaysonianum; 14. A.prolongatum; 15. Neottopteris nidus

通过本文观察的14种及前人报道的13种铁角蕨属(Asplenium)植物[6～9]发现，该属植物叶片上表皮垂周壁样式有3种类型，即深波状、波状及浅波状；细胞长59.8～125.4 μm，细胞宽29.3～64.3 μm，细胞长宽比1.3～2.6。下表皮垂周壁样式同样观察到这3种类型，下表皮细胞长75.2～137.6 μm，细胞宽31.1～57.9 μm，细胞长宽比1.3～4.1，气孔长36.7～74.2 μm，气孔宽18.3～52.2 μm，气孔长宽比1.12～2.81，气孔指数为5.7%～21.1%，气孔密度为16.4～105.1 个·mm-2。另外，在这27种植物中共观察到9种类型气孔器，每种植物具2～5种气孔器类型，分别为腋下细胞型、不等细胞型、无规则四细胞型、无规则型、极细胞型、聚合极细胞型、聚腋下细胞型、横裂型(Diacytic type)及辐射状细胞型(Aotinocytic type)，邓晰朝等[8]从8种铁角蕨属植物中观察到7种气孔器类型，其中除横列型外，其余6种与本文所观察结果相符；王任翔等[6]除在江南铁角蕨(Aspleniumloxogrammoides)中观察到了辐射状细胞型外，其余观察结果也与本文相一致，进一步证实了铁角蕨属的基本气孔器类型为腋下细胞型[6～9]。

结合本文观察的1种及之前报道的5种巢蕨属(Neottopteris)植物[6～7]，其叶片上表皮垂周壁样式表现为波状或浅波状，较铁角蕨属波形弯曲得较浅，且过往研究认为巢蕨属植物上表皮垂周壁样式较铁角蕨属更为统一[7]；上表皮细胞长73.5～96.2 μm，宽37.4～44.2 μm，细胞长宽比1.6～2.2；下表皮垂周壁样式均为深波状，下表皮细胞长41.2～80.7 μm，细胞宽29.3～49.2 μm，细胞长宽比1.4～1.6，本文观察的巢蕨(Neottopterisnidus)气孔密度为32.3 个·mm-2，这与以往所报道的“巢蕨属气孔密度较小，且均在15以下”的结果不一致[7]。在已观察的6种巢蕨属植物中，共观察到6种类型的气孔器，分别为极细胞型、腋下细胞型、不等细胞型、无规则四细胞型、无规则型及聚合极细胞型，气孔器基本表现类型为腋下细胞型和不等细胞型。

另外，王任翔等[6]对齿果铁角蕨、剑叶铁角蕨及巢蕨的叶表皮形态特征有过报道，结果显示齿果铁角蕨叶上表皮垂周壁为浅波状，下表皮垂周壁为波状，其集中表现的气孔器类型为极细胞型和腋下细胞型；巢蕨上表皮垂周壁为近平直；而本文观察结果表明，齿果铁角蕨叶上表皮垂周壁为波状，下表皮垂周壁为深波状，集中表现的气孔器类型为聚合极细胞型及聚腋下细胞型；巢蕨叶上表皮垂周壁为波状，与其观察结果不一致。但对剑叶铁角蕨的观察与其基本一致。另外，梁晓华等[7]指出长叶铁角蕨叶片上表皮垂周壁为深波状，这与本文观察结果“其上表皮垂周壁类型为浅波状”的结果不一致。本文观察结果表明，铁角蕨科不同属植物叶上表皮细胞垂周壁类型及下表皮气孔密度、气孔器类型等叶表皮形态特征具有一定的属内稳定性，可作为铁角蕨科属间分类的依据[5,7,11～12]。

3.2 铁角蕨属的属下分组及组内分系问题

过往研究认为，铁角蕨属植物按其形态特征可分铁角蕨组、单叶组、蕃叶组及叉叶组4个组[3]，其中每种植物都有多种气孔器类型，并且它们所属的气孔器类型并不完全与它们所属的组和系相一致[8]，但都具有稳定的气孔器代表类型[4]；而并未就叶表皮其他特征对铁角蕨组下5系做出划分；本研究根据叶表皮的形态特征将所观察的14种铁角蕨属植物分为3个类型，这3个类型的划分支持秦仁昌和吴兆洪对我国铁角蕨属做的四个组中铁角蕨组的5个系(即变异叶系、铁角叶系、半边羽系、披针羽系及隆脉系)划分[3]。类型Ⅰ中根据其植物叶上表皮垂周壁样式为深波状即可划分出来的5种具有相对稳定特征的铁角蕨属植物，支持其变异叶系的划分；类型Ⅱ在上表皮垂周壁样式为波状的基础上，再根据组内对比其上、下叶表皮细胞长、宽、长宽比，尤其是气孔器集中表现类型的不同，从而划分出铁角蕨、三翅铁角蕨，齿果铁角蕨、切边铁角蕨及毛轴铁角蕨三组，支持其铁角蕨组内铁角蕨系、半边羽系及隆脉系的划分；类型Ⅲ中也根据气孔器集中表现类型划分出狭翅铁角蕨及网脉铁角蕨，支持披针羽系的划分[3]。

因此，本研究也认为在铁角蕨科中叶上表皮垂周壁样式相较下表皮而言更具有种属分类指导意义。现根据叶表皮形态特征将12种铁角蕨组植物编制一个检索表，为该组的分类学及组下5个系的鉴定提供有益的资料。

铁角蕨科孢子壁的纹饰形态变化大，特征重叠，在属及属下分类方面应用困难[13～15]；而铁角蕨属叶表皮形态特征，如叶表皮细胞形状、细胞长宽比、细胞垂周壁样式、气孔指数范围、气孔密度范围及气孔器主要表现类型等具有科间稳定性及属内差异明显等特点，可作为铁角蕨科及铁角蕨属分类鉴定的依据之一[7,16]。目前，铁角蕨科植物叶表皮形态特征的研究仍然较少，还需对铁角蕨科植物叶表皮形态特征进行更多的观察，以得出更进一步的结论。