睡蓮科(Nymphaeaceae)管狀分子的研究進展

李紅芳，張小卉

(1.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)學(xué)院，渭南714000;2.陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安710062)

睡蓮科是較原始的被子植物，其形態(tài)上復(fù)雜、多樣并且極其特殊。水生，常為多年生，但在北方較多的是一年生。睡蓮科的系統(tǒng)位置非常特殊，不僅分類有不同的觀點，甚至它到底屬于雙子葉植物，還是單子葉植物都爭論了很久。它的特殊位置使它在研究雙子葉植物的起源和被子植物的進化中都非常重要，成為很多學(xué)者研究的方向。管狀分子的特征在睡蓮科非常特殊，它一直作為一個次生無導(dǎo)管的典型，使得它在管狀分子的進化中變得非常重要。近年來，系統(tǒng)位置的變遷又使得無導(dǎo)管是次生還是原始的爭論，重新變得重要起來［1］。

1 睡蓮科的分類學(xué)變化與范圍概念

睡蓮科的系統(tǒng)位置一直是個有爭議的問題。不同學(xué)者有不同的看法。常見的睡蓮科分類有兩大主流:一是歸屬于毛茛目(Ranales);二是歸于睡蓮目(Nymphaeales)［2-4］。不同的分類，自然所包含的范圍也會有所不同。蓮屬(Nelumbo)，莼菜屬(Brasenia)和水盾草屬(Cabombo)都曾屬于睡蓮科［5-6］。例如:按照Engler系統(tǒng)［7］編制的《中國植物志》(現(xiàn)行版本)將睡蓮科分為三個亞科:蓮亞科(Subfam Nelumboideae)、睡蓮亞科(Subfam.Nymphaeoideae)和莼菜亞科(Subfam.Cabomboideae)［8］。

現(xiàn)在大多數(shù)的學(xué)者已經(jīng)公認蓮屬、莼菜屬和水盾草屬三個屬應(yīng)該獨立成為二科［3-4］，即蓮屬獨立成蓮科(Nelumbonaceae)，而莼菜屬和水盾草屬二個屬共同歸屬于莼菜科(Cabombaceae)。最新的研究結(jié)果表明，已經(jīng)將這二科獨立出來。如以分子數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的APG系統(tǒng)中，已獨立出蓮科，置于真雙子葉的基部，歸于山龍眼目(Proteales)［9-11］;同樣，在這個系統(tǒng)的兩個版本中(APGI，1998;APGII，2003)，莼菜科都作為一個獨立的科出現(xiàn)，直接置于被子植物的基部［9-10］，不屬于任何一個目，但可以與睡蓮科選擇合并［9-10］。APGШ對莼菜科做了小小的改動，將上述兩個科，即蓮科和莼菜科，歸為睡蓮目，同時，原屬于禾本目Poales的Hydatellaceae也一同歸為睡蓮目［11］。

本文以APG系統(tǒng)為依據(jù)，睡蓮科是屬于睡蓮目的一科，包括了 6屬:Barclaya、Ondinea、王蓮屬(Victoria)、芡屬(Euryale)、萍蓬草屬(Nuphar)和睡蓮屬(Nymphaea)。在睡蓮科內(nèi)的屬間關(guān)系上，萍蓬草屬被認為是其他屬的姐妹群［7］。不包括蓮屬(蓮科)、莼菜屬和水盾草屬(莼菜科)。

2 睡蓮科管狀分子研究現(xiàn)狀

在19世紀初，研究者通過觀察認為睡蓮科是沒有導(dǎo)管的。此后的相當長一段時間，學(xué)者們一直不斷地爭論睡蓮科是原始無導(dǎo)管還是次生無導(dǎo)管的［12］。到19世紀后半期，看法已經(jīng)基本一致，大多數(shù)的學(xué)者認為睡蓮科是次生無導(dǎo)管的［12］，導(dǎo)管退化的原因是睡蓮科植物生長于水生環(huán)境［12］。分子系統(tǒng)學(xué)的發(fā)展，使睡蓮科再次進入人們的視線。睡蓮科是被子植物最早的分支之一，是僅次于現(xiàn)有被子植物姊妹群Amborallaceae之后分支出來的［9-11，12-17］。那么，在這么原始的地位，無導(dǎo)管的特征是否為次生，也因此受到質(zhì)疑。

雖然，曾經(jīng)有人對于當時分類系統(tǒng)中屬于睡蓮科的蓮屬及莼菜屬(現(xiàn)有莼菜科)的導(dǎo)管有無提出過疑問［1］。但現(xiàn)在分類系統(tǒng)中睡蓮科的6個屬，僅王蓮屬曾被提到的縱切面上存在穿孔。這個結(jié)果是Kosakai在他的學(xué)位論文中提出的，沒有進一步的驗證，也沒有發(fā)表［16］。

所以，一直到20世紀90年代中期，睡蓮科一直被描述為無導(dǎo)管的科。1995年開始，Schneider、Carlquist教授以及他們的同事們，利用掃描電鏡，對該科6屬的管狀分子先后進行了再一次的研究［16-18］。

2.1 Barclaya

該屬所用材料為Barclaya Rotundifolia Hotta。方法為傳統(tǒng)的石蠟切片法和不完全離析法，分別利用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察。發(fā)現(xiàn)該種根中具圓到橢圓的穿孔，但因為電鏡下端壁與側(cè)壁不容易區(qū)分，端壁穿孔所占比例不好估計。總體來看，根中的端壁區(qū)的穿孔很豐富［16］。莖中沒有發(fā)現(xiàn)有穿孔［16］。

Barclaya根中存在導(dǎo)管，但是端壁比較原始，端壁與側(cè)壁形態(tài)沒有明顯分化［16］。

2.2 芡屬與王蓮屬

研究材料分別為Euryale Ferox Salisb.和 Victoria Cruziana d'Orb。此兩屬中，根的管狀分子端壁橫隔間隔(Space)與側(cè)壁不同，說明端壁與側(cè)壁已經(jīng)出現(xiàn)了分化［17］。

王蓮屬中，管狀分子端壁上有穿孔;芡屬中，管狀分子端壁上沒有穿孔。因此，芡屬、王蓮屬都可以說根中是有導(dǎo)管的［17］。

2.3 萍蓬草屬、睡蓮屬和Ondinea

萍蓬草屬與睡蓮屬根中的管狀分子，端壁與側(cè)壁出現(xiàn)了分化。有小穿孔，但不普遍，也就是說比較少［18］?？梢哉f，萍蓬草屬和睡蓮屬根中具有了初始的導(dǎo)管。而Ondinea根中的管狀分子上雖然沒有穿孔，但端壁與側(cè)壁出現(xiàn)了分化［18］。

2009年，該實驗室再次對萍蓬草屬研究，結(jié)果相同，結(jié)論不同。認為上述結(jié)果［18］是無導(dǎo)管的類群［19］。原因是，萍蓬草莖中的穿孔太小了，因而不足以稱之為導(dǎo)管分子［19］。而這些屬中，端壁的多孔紋孔膜的存在，只是獲得導(dǎo)管的基本過程［19］。

3 存在的問題

3.1 導(dǎo)管判斷的依據(jù)

管狀分子研究過程中，睡蓮科是否存在導(dǎo)管，其判斷是來源于一個論述:導(dǎo)管判斷有兩個關(guān)鍵特征。1)端壁與側(cè)壁是否出現(xiàn)分化;2)端壁上是否有穿孔;3)比未穿孔的管狀分子粗。第三個特征僅僅出現(xiàn)在木本植物中。這三個特征可以單獨出現(xiàn)。哪個特征更重要?有些人認為，第一個特征重要;而另外的人則可能認為第二個特征才更加重要。因此，穿孔的出現(xiàn)是導(dǎo)管分子進化的一個方面;同樣，端壁與側(cè)壁出現(xiàn)分化，則是導(dǎo)管分子進化的另一方面［17］。

依據(jù)上述結(jié)論，芡屬、王蓮屬和Barclaya這三個屬導(dǎo)管都是存在的［17］?？墒?，在隨后的萍蓬草屬的研究［19］中，對于上述研究結(jié)果［18］提出了完全不同的看法:認為萍蓬草屬是沒有導(dǎo)管的。同樣的研究者，在不同的時間，卻出現(xiàn)了自相矛盾的判斷。原因在于，導(dǎo)管最初的定義是在光鏡下做出的，而并沒有隨著電鏡有進一步的發(fā)展。

那么，在技術(shù)進步以后，我們到底用什么標準來判斷是不是存在導(dǎo)管?對于過渡態(tài)的管狀分子來說，無疑是個全新的命題。

3.2 睡蓮科有導(dǎo)管嗎?

睡蓮科到底有沒有導(dǎo)管呢?從以上自相矛盾的判斷中，我們發(fā)現(xiàn)，對于睡蓮科有沒有導(dǎo)管的判斷 并不是簡單的問題。

1)上述研究結(jié)果中，管狀分子上的穿孔都很少，甚至有些屬只是少量存在(如萍蓬草屬和睡蓮屬)。那么，存在少量的穿孔，是否可以認為存在導(dǎo)管?或者說，是不是導(dǎo)管的一個必要(或充分)條件?是否有必要對穿孔的比例限定?

2)在電鏡下，端壁與側(cè)壁不容易看出來［16］，尤其是石蠟切片所處理的材料。所以，現(xiàn)有對該科的研究并不能充分說明其端壁與側(cè)壁是否出現(xiàn)分化——橫隔間隔的不同，并不能完全說明端壁與側(cè)壁是否分化。解決這個問題，也許用離析法處理是最好的方法。

3)導(dǎo)管的判斷。如上所述，如果我們用上面所講的兩個關(guān)鍵特征來定義導(dǎo)管，即，端壁與側(cè)壁出現(xiàn)分化以及存在穿孔，那么，要這兩點全部具備還是僅僅具有其中的一點便可以定義為導(dǎo)管?這是一個值得探討的問題。

作為世界上導(dǎo)管研究的主力，Carlquist和他的同事們也在后來的研究中對于這點產(chǎn)生了不同的想法［18］(如上所述)。

假定前述6個屬的研究結(jié)果完全正確，用符合兩個關(guān)鍵特征來判斷是否是導(dǎo)管的話，那么最起碼應(yīng)該有三個屬是不能稱為導(dǎo)管的(芡屬、王蓮屬、Ondinea)。假如兩個條件中，穿孔太少的不能成為導(dǎo)管;而端壁與側(cè)壁又沒有出現(xiàn)分化的話，那么睡蓮科導(dǎo)管的存在是不成立的。

另外，在不同的研究條件(如電鏡和光鏡)下，是否還有其他成為導(dǎo)管的充分條件也必須考慮，是值得我們思考的問題。

4 結(jié)論

有沒有導(dǎo)管或者說是不是導(dǎo)管的判斷問題，不僅僅存在于睡蓮科，對于其他無導(dǎo)管的木本植物(例如，金粟蘭科(Chloranthaceae)的草珊瑚屬(Sarcandra)和昆欄樹科(Trochodendraceae)或各種過渡態(tài)的管狀分子，也存在同樣的問題，例如，Carlquist and Schneider曾就草珊瑚莖的初生木質(zhì)部發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管便提出過疑問［20］。

綜上所述，現(xiàn)有的研究并不能充分說明睡蓮科是不是有導(dǎo)管，這一點還需要有更多的研究來證明。同時，對于導(dǎo)管研究者來講，也需要更多明確的判斷標準。對于睡蓮科管狀分子的重新研究，不僅僅在于確定其有沒有導(dǎo)管，更重要的是對于導(dǎo)管的起源和演化，甚至整個被子植物的演化都有重要的意義。

［1］Kosakai M F，Moseley J R，Cheadle V I.Morphological studies of the Nymphaeaceae.V.Does Nelumbo have vessels?［J］Amer J Bot，1970，57(5):487-494.

［2］Ito M.Phylogenetic systematics of the Nymphaeaceae［J］.The Bot Mag(Tokyo)，1987，100(1):17-35.

［3］Les D H，Schneider E L，Padgett D J，et al.Phylogeny，classification，and floral evolution of waterlilies(Nymphaeaceae;Nymphaeales):a synthesis of nonmolecular，rbcL，matK，and 18S rDNA data［J］.Syst Bot，1999，24(1):28-46.

［4］倪學(xué)明，於 炳，周遠捷，等.睡蓮科的屬間關(guān)系研究［J］.武漢植物學(xué)研究，1994，12(4):311-320.

［5］索志立.睡蓮科系統(tǒng)位置評述［J］.武漢植物學(xué)研究，2006，24(2)，173-182.

［6］韋平和，陳維培，陳瑞陽.睡蓮科的核型分析及其分類學(xué)位置的探討［J］. 植物分類學(xué)報，1994，32(4):293-300.

［7］Engler A.Syllabus der Pflanzenfamilien［M］.Band 2.Berlin:Gebruder Borntrager，1964，143-145.

［8］關(guān)克儉.睡蓮科［Α］.中國植物志［M］.北京:科學(xué)出版社，1979，27:3-14.

［9］The Angiosperm Phylogeny Group(APG).An ordinal classification for the families of flowering plants［J］.Ann.Missouri Bot Gard，1998，85(4):531-553.

［10］The Angiosperm Phylogeny Group.An update of the angiosperm phylogeny group classification for the orders and families of flowering plants:APGII［J］.Bot J Linn Soc，2003，141:399-436.

［11］The Angiosperm Phylogeny Group.An update of the angiosperm phylogeny group classification for the orders and families of flowering plants:APGIII［J］，Bot J Linn Soc，2009，161:105-121.

［12］李紅芳，田先華，任 毅.維管植物導(dǎo)管及其穿孔板的研究進展［J］.西北植物學(xué)報，2005，259(2):419-424.

［13］Qiu Y L，Lee J，Bernasconi-Quadroni F，et al.The earliest angiosperms:evidence from mitochondrial，plastid and nuclear genomes［J］.Nature，1999，402(25):404-407.

［14］Qiu Y L，Lee J，Bernasconi-Quadroni F，et al.Phylogeny of basal angiosperms:analysis of five genes from three genomes［J］.Int J Plant Sci，2000，161(6):S3-S27.

［15］Soltis D E，Soltis P S，Chase M W，et al.Angiosperm phylogeny inferred from 18S rDNA，rbc L，and atpB sequences［J］.Bot J Lin Soc，2000，133:381-461.

［16］Schneider E L，Carlquist S.Vessels in the roots of barclaya rotundifolia(Nymphaeaceae)［J］.Amer J Bot，1995a，82(11):1343-1349.

［17］Schneider E L，Carlquist S.Vessel origins in Nymphaeaceae:Euryale and Victoria［J］.Bot J Linn Soc，1995b，119(3):185-193.

［18］Schneider E L，Carlquist S，Beamer K，et al.Vessels in Nymphaeaceae:Nuphar，Nymphaea，and Ondinea［J］.Int J Plant Sci，1995，156(6):857-862.

［19］Carlquist S，Schneider E L，Barre Hellquist C.Xylem of early angiosperms:Nuphar(Nymphaeaceae)has novel tracheid microstructure［J］.Amer J Bot，2009，96(1):207-215.

［20］Carlquist S，Schneider E L.The tracheid-vessel element transition in angiosperms involves multiple independent features:cladistic consequences［J］.Amer J Bot，2002，89(2):185-195.