黃獨(dú) (D ioscorea bu lbifera L.)不同居群葉表皮微形態(tài)特征的比較觀察

彭 斌,周義峰,舒 璞,杭悅宇

〔江蘇省·中國(guó)科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園)江蘇省植物遷地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210014〕

黃獨(dú) (DioscoreabulbiferaL.)隸屬于薯蕷科(D ioscoreaceae)薯蕷屬 (DioscoreaL.)基生翅組 (Sect.OpsophytonU line),廣布于東南亞、大洋洲、非洲和美洲[1],屬于古熱帶種 (白堊紀(jì)至第三紀(jì)),是基生翅組的祖先型[2]?；峤M全世界共僅有 5～6種,廣布于亞洲、非洲及南美洲。Prain等[3]認(rèn)為：分布在中國(guó)的基生翅組包含有 1種 3變種,即黃獨(dú)及其變種雷公薯 (D.bulbiferavar.deltoideaPrain etBurkill)(分布于中國(guó)廣東)、大花黃獨(dú) (D.bulbiferavar.simbhaPrain et Burkill)(分布于中國(guó)云南騰沖 )和D. bulbiferavar.veraPrain etBurkill(分布于中國(guó)四川茂汶)。然而,《Flora of China》[4]一書正式收載的基生翅組僅包含黃獨(dú) 1種,分布于中國(guó)黃河以南地區(qū),僅將 Prain等提出的 3個(gè)變種作為文獻(xiàn)提及,并沒(méi)有認(rèn)可這些變種。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)黃獨(dú)種下類群的系統(tǒng)學(xué)進(jìn)行了大量研究。Zhou等[5]將分布于中國(guó)云南的根莖斷面白色的黃獨(dú)變種定名為白金山藥 (D.bulbiferavar.albotuberosaY.F.Zhou,Z.L.Xu et Y.Y. Hang),并認(rèn)為在中國(guó)新分布的黃獨(dú)變種有雷公薯和大花黃獨(dú)等；另外,周義峰[6]認(rèn)為有少花黃獨(dú) (D. bulbiferavar.pauciflorumY.F.Zhou et Y.Y.Hang)和枝花黃獨(dú) (D.bulbiferavar.ramiflorusY.F.Zhou et Y.Y.Hang)等新擬變種存在 (未正式發(fā)表)。Terauchi等[7-8]以分布于非洲的黃獨(dú)變種D. bulbiferavar.anthropo-phagorun(A.Chev.)Summ erh為材料,繪制了黃獨(dú)葉綠體基因組圖譜,并采用RFLP分子標(biāo)記對(duì)來(lái)自非洲、亞洲和大洋洲的 6個(gè)黃獨(dú)及其變種共 15個(gè)樣品的親緣關(guān)系進(jìn)行了研究。鄭玉紅等[9]則利用 ISSR分子標(biāo)記方法對(duì)國(guó)產(chǎn)黃獨(dú) 14個(gè)居群的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。

形態(tài)學(xué)特征在薯蕷屬的分類學(xué)研究中具有重要的作用[10],葉表皮結(jié)構(gòu)特征 (如氣孔、表皮毛及其他附屬物的特征)被認(rèn)為是較穩(wěn)定的演化特征[11-16],在植物分類學(xué)或系統(tǒng)學(xué)研究方面具有重要意義。近年來(lái),葉表皮結(jié)構(gòu)特征在薯蕷屬周生翅組 (Sect.EnantiophyllU line)、復(fù) 葉 組 〔Sect.Botryosicyos(Hochst.)U line〕及根狀莖組 (Sect.StenophoraU line)等類群的系統(tǒng)學(xué)研究中得到了很好的應(yīng)用[17-21],而有關(guān)黃獨(dú)葉表皮形態(tài)特征方面的研究報(bào)道卻較少,僅凌萍萍等[22]利用光學(xué)顯微鏡對(duì)黃獨(dú)葉片表皮細(xì)胞及細(xì)胞壁的形態(tài)、腺體毛及非腺體毛的有無(wú)等進(jìn)行了觀察及簡(jiǎn)要的描述。

由于黃獨(dú)的種下變異并不僅僅體現(xiàn)在遺傳差異上,僅采用分子標(biāo)記并不完全適用于黃獨(dú)種下類群的區(qū)分,因此,尋找合適的形態(tài)特征對(duì)黃獨(dú)的系統(tǒng)分類具有重要意義。作者以國(guó)產(chǎn)黃獨(dú)的 11個(gè)野生居群及2個(gè)栽培居群為研究對(duì)象,并以 2個(gè)引自美國(guó)的栽培居群為外類群,應(yīng)用掃描電子顯微鏡對(duì)葉表皮的微形態(tài)特征(包括氣孔器、表皮毛和氣孔周圍表皮細(xì)胞的微形態(tài)特征)進(jìn)行了觀察,探討了黃獨(dú)及其種下變異類型的葉表皮微形態(tài)特征差異,并據(jù)此編制了 15個(gè)居群的分類檢索表,以期為黃獨(dú)及其種下類群的系統(tǒng)分類研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

2001年至 2009年,分別采集 11個(gè)野生居群和 4個(gè)栽培居群材料(表 1),其中的 2個(gè)栽培居群引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納 (經(jīng)鑒定為黃獨(dú)變種D.bulbiferavar.sativaPrain etBurkill),共 15個(gè)供試居群,憑證標(biāo)本信息見表 1。

1.2 方法

分別采集各居群植株中部葉片,于葉片中脈處取4mm×4mm的小塊,置于體積分?jǐn)?shù) 95％乙醇中超聲波振蕩清洗 10m in,再用無(wú)水乙醇脫水,揮干后用雙面膠將葉片小塊平整黏貼于樣品臺(tái)上,置于 IB-3型離子濺射儀(日本 Eiko公司生產(chǎn))中進(jìn)行導(dǎo)電處理,導(dǎo)電膜厚 20 nm；然后置于 H itachi S-800型掃描電子顯微鏡(日本日立公司生產(chǎn))下觀察氣孔器 (包括外拱蓋內(nèi)緣類型、旋轉(zhuǎn)方向、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、密度及深度)、表皮毛 (包括主脈和二級(jí)脈表皮毛類型以及葉肉腺毛的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度及腺毛密度)以及氣孔周圍表皮細(xì)胞(包括平周壁表面紋飾及擴(kuò)散方式、平周壁上附屬顆粒形狀及垂周壁形狀)的微形態(tài)特征；每個(gè)性狀觀察 5～10個(gè)視野并選取合適部位進(jìn)行拍照,每份材料均重復(fù) 3次。相關(guān)術(shù)語(yǔ)均參照 Harris等[23]和Baranova[24]的描述。

表 1 供試 15個(gè)黃獨(dú)居群的憑證標(biāo)本基本信息Tab le 1 Basic in form a tion of voucher specim en sof fifteen popu la tion s of D iosco rea bu lbifera L.for tested

2 結(jié)果和分析

2.1 黃獨(dú)各居群葉表皮微形態(tài)特征

2.1.1 氣孔器的微形態(tài)特征 供試的 15個(gè)黃獨(dú)居群的氣孔器均為不定型,副衛(wèi)細(xì)胞多數(shù)為 3～5個(gè)且與周圍細(xì)胞界線模糊。除云南景洪居群的氣孔器外拱蓋內(nèi)緣為光滑型外 (圖版Ⅰ-1),其余居群的氣孔器外拱蓋內(nèi)緣均為淺波狀(圖版Ⅰ-2)。表 2結(jié)果顯示：云南蒙自居群的氣孔器旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椴欢ㄏ?(即左旋和右旋同時(shí)存在,見圖版Ⅰ-3),廣西田林和龍州、云南景洪和麗江 4個(gè)居群的氣孔器旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮?圖版Ⅰ-4),其余居群的氣孔器旋轉(zhuǎn)方向均為右旋(圖版Ⅰ-5)；15個(gè)居群氣孔長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的變化幅度為18.59～31.93μm,其中四川汶川居群的氣孔長(zhǎng)軸長(zhǎng)度最短,云南蒙自居群的氣孔長(zhǎng)軸長(zhǎng)度最長(zhǎng)；15個(gè)居群的氣孔密度變化幅度為 86～356 mm-2,其中四川峨眉山居群和引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納的編號(hào) 14的栽培居群的氣孔密度最小,而海南吊羅山居群的氣孔密度最大；各居群間的氣孔深度也有明顯的差異。

2.1.2 表皮毛的微形態(tài)特征 黃獨(dú)葉片的表皮毛均存在于下表皮,主要有乳突和多細(xì)胞頭單細(xì)胞柄腺毛2種類型。乳突主要分布于主脈 (圖版Ⅰ-6),而腺毛則主要分布于二級(jí)脈 (圖版Ⅰ-7)及葉肉 (圖版Ⅰ-8)。表 3結(jié)果顯示：云南景洪、蒙自和麗江 3個(gè)居群葉片同時(shí)具有乳突和腺毛 2種類型的表皮毛；海南吊羅山和廣西龍州 2個(gè)居群葉片的主脈和二級(jí)脈沒(méi)有表皮毛,引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納的編號(hào) 15的栽培居群葉片的主脈和二級(jí)脈也沒(méi)有表皮毛；廣西田林、臺(tái)灣、廣東韶關(guān)和重慶南川 4個(gè)居群的葉片有乳突但沒(méi)有腺毛,其余居群葉片的主脈和二級(jí)脈沒(méi)有乳突僅有腺毛。

表 2 15個(gè)黃獨(dú)居群氣孔器微形態(tài)特征比較Tab le 2 Com par ison ofm icro-m orpholog ica l characters of stom a ta lappara tusof D iosco rea bu lbifera L.from fifteen popu la tion s

表 3 15個(gè)黃獨(dú)居群葉片各部位表皮毛的微形態(tài)特征1)Tab le 3 M icro-m orpho log ica l characters of tr ichom e on d ifferen t par ts of D iosco rea bu lbifera L.lea f from fifteen popu la tions1)

15個(gè)供試居群葉片的葉肉部位均具有腺毛,但各居群葉肉腺毛的特征有一定的差異(表 3)。15個(gè)供試居群葉肉腺毛長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度變化幅度分別為25.00～55.00和 24.86～44.29μm；大部分居群腺毛密度(圖版Ⅰ-9)的變化幅度為 6～29mm-2,其中四川峨眉山居群葉肉腺毛密度最小,重慶南川和海南吊羅山居群葉肉腺毛密度最大；此外,因廣西龍州、廣東韶關(guān)和云南麗江居群葉肉腺毛極少,故沒(méi)有統(tǒng)計(jì)這 3個(gè)居群葉肉腺毛的密度。

2.1.3 氣孔周圍表皮細(xì)胞的微形態(tài)特征 黃獨(dú)不同居群葉片氣孔周圍表皮細(xì)胞的形態(tài)特征明顯不同(表 4)。15個(gè)居群葉片氣孔周圍表皮細(xì)胞垂周壁形狀有平直 (圖版Ⅰ-10)、平直隆起 (圖版Ⅰ-11)、平直脊?fàn)盥∑?圖版Ⅰ-12)、彎曲 (圖版Ⅱ-1)、彎曲脊?fàn)盥∑?(圖版Ⅱ-2)和彎曲拱狀隆起 (圖版Ⅱ-3)等 6種形態(tài)類型,各居群無(wú)特殊規(guī)律。

表 4 15個(gè)黃獨(dú)居群葉片氣孔周圍表皮細(xì)胞的微形態(tài)特征Tab le 4 M icro-m orpho log ica l characters of ep iderm is cellsaround stom a ta on lea f of D iosco rea bu lb ifera L.from fifteen popu la tion s

15個(gè)居群葉片氣孔周圍平周壁表面紋飾有具瘤條紋和光滑條紋 2種形態(tài),其中,來(lái)自美國(guó)北卡羅來(lái)納的 2個(gè)居群為具瘤條紋 (圖版Ⅱ-4),其余各居群均為光滑條紋(圖版Ⅱ-5,6)。氣孔周圍平周壁條紋的擴(kuò)散方式也有 2種形式：一種為不環(huán)繞氣孔且四方擴(kuò)散(圖版Ⅱ-5),氣孔兩端的條紋與氣孔長(zhǎng)軸平行,兩側(cè)的條紋與氣孔長(zhǎng)軸垂直,引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納的 2個(gè)居群以及產(chǎn)自廣東韶關(guān)、云南景洪、四川峨眉山、四川汶川、四川都江堰、重慶南川、廣西田林、臺(tái)灣和海南吊羅山的居群均屬于該類型；另一種為環(huán)繞氣孔 2～3周后擴(kuò)散,但擴(kuò)散方向不定 (圖版Ⅱ-6),產(chǎn)自廣西龍州、云南麗江和蒙自及湖南衡山的居群屬于這種形態(tài)類型。

15個(gè)黃獨(dú)居群葉片表皮細(xì)胞平周壁上的顆粒形狀有簇晶狀、屑狀、密集粉狀、粉狀、粒狀和片狀 6種形態(tài)(圖版Ⅱ-7～12)。其中,湖南衡山、廣西龍州及云南麗江 3個(gè)居群為密集粉狀,云南蒙自居群為粉狀,海南吊羅山居群為粒狀,引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納的 2個(gè)居群為片狀,廣東韶關(guān)和云南景洪 2個(gè)居群為簇晶狀,其余 6個(gè)居群均為屑狀。

從上述的觀察和分析結(jié)果可見：黃獨(dú)不同居群葉表皮微形態(tài)特征的多態(tài)性較高。地理位置相近的居群相似性較高。如產(chǎn)自四川的 3個(gè)黃獨(dú)野生居群在葉表皮毛特征、表皮細(xì)胞顆粒形狀及平周壁表面紋飾、氣孔器旋轉(zhuǎn)方向等特征上存在高度相似性,僅在葉肉腺毛密度、氣孔深度和密度等方面有一定的差異；引自美國(guó)北卡羅來(lái)納的 2個(gè)居群也高度相似,僅在二級(jí)脈有無(wú)腺毛這一特征上存在差異。氣孔周圍表皮細(xì)胞平周壁上的顆粒類型在各居群間有著較大的、穩(wěn)定的差異。

2.2 基于葉表皮微形態(tài)特征的 15個(gè)黃獨(dú)居群的分類檢索表

根據(jù)葉表皮微形態(tài)特征 (主要包括氣孔器、表皮毛和表皮細(xì)胞的微形態(tài)特征),編制出供試 15個(gè)黃獨(dú)居群的分類檢索表。

基于葉表皮微形態(tài)特征的 15個(gè)黃獨(dú)居群的檢索表

3 討 論

目前,相關(guān)研究者對(duì)黃獨(dú)的分類問(wèn)題還存在一定的爭(zhēng)議?！禙lora of China》[4]正式收載的黃獨(dú)僅 1種；而 Prain等[3]則認(rèn)為：除黃獨(dú)外,廣東、云南騰沖及四川茂汶地區(qū)還分布有黃獨(dú)的 3個(gè)變種；周義峰等[5-6]認(rèn)為：中國(guó)不但分布有白金山藥、雷公薯和大花黃獨(dú)等變種,還分布有少花黃獨(dú)和枝花黃獨(dú)等新擬變種。因此,對(duì)黃獨(dú)的種下分類研究需要借助于多學(xué)科的證據(jù)。

15個(gè)供試黃獨(dú)居群的外部形態(tài)特征有明顯差異,主要區(qū)別特征如下：湖南衡山、廣西龍州、云南麗江和云南蒙自 4個(gè)居群植株的雄花有穗狀花序 3～6個(gè),生于葉腋,其中 1枝突化為花序枝；廣東韶關(guān)居群和云南景洪栽培居群植株的零余子少而小,雌雄花序少而短；引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納的 2個(gè)栽培居群的零余子大,表面白色而光滑；海南吊羅山居群植株的葉基平截或三角狀深心形,果實(shí)較短；其余居群形態(tài)特征與黃獨(dú)原變種基本相同,即：零余子紫棕色、表面有圓形斑點(diǎn),雄花花序穗狀、下垂、常數(shù)個(gè)叢生于葉腋,葉片寬卵狀心形或卵狀心形[1]。

依據(jù)植株的形態(tài)特征可以將供試的 15個(gè)黃獨(dú)居群分為 5種形態(tài)類型。其中,廣東韶關(guān)和云南景洪居群為一類,特征為零余子少而小,雌雄花序少而短；湖南衡山、廣西龍州、云南麗江和云南蒙自居群為一類,特征為雄花有穗狀花序 3～6個(gè)、生于葉腋,其中 1枝突化為花序枝。這 2個(gè)類型的黃獨(dú)分別被周義峰等[6]擬定為黃獨(dú)變種,擬定名為少花黃獨(dú)和枝花黃獨(dú)。海南吊羅山黃獨(dú)植株的葉基平截或三角狀深心形,果實(shí)較短,周義峰等[5-6]認(rèn)為應(yīng)該為中國(guó)分布的變種雷公薯。15個(gè)居群植株葉片表皮細(xì)胞平周壁上的顆粒有簇晶狀、屑狀、密集粉狀和粉狀、粒狀、片狀等6種形態(tài),分別對(duì)應(yīng)于少花黃獨(dú) (擬)、黃獨(dú)原變種、枝花黃獨(dú)(擬)、雷公薯和引種自美國(guó)北卡羅來(lái)納的變種D.bulbiferavar.sativa。因此,葉表皮微形態(tài)特征揭示了這些黃獨(dú)種下類群存在的可能性,可為黃獨(dú)的種下分類提供科學(xué)的依據(jù)。

黃獨(dú) 15個(gè)居群植株葉片的氣孔器、表皮毛和表皮細(xì)胞微形態(tài)特征的綜合分析結(jié)果表明：地理分布相近的居群葉表皮微形態(tài)特征相似程度較高,一定程度上反映出環(huán)境的飾變作用。根據(jù)葉表皮微形態(tài)特征的多樣性可對(duì)供試的 15個(gè)黃獨(dú)居群加以區(qū)分,表明葉表皮微形態(tài)特征對(duì)黃獨(dú)種下類群的劃分具有一定的幫助。但這些形態(tài)特征是否穩(wěn)定?是否還具有更為穩(wěn)定且特異的形態(tài)特征?這些疑問(wèn)則有待進(jìn)一步深入研究。

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