河谷內(nèi)外特殊生境對接骨草形態(tài)與細胞的影響*

徐 亮，陳功錫，張 潔，張代貴，朱群英

(1.吉首大學植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南吉首 416000;2.吉首市林業(yè)局，湖南吉首 416000)

河谷內(nèi)外特殊生境對接骨草形態(tài)與細胞的影響*

徐 亮1，2，陳功錫1，張 潔1，張代貴1，朱群英1

(1.吉首大學植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南吉首 416000;2.吉首市林業(yè)局，湖南吉首 416000)

選擇河谷內(nèi)外廣泛分布的接骨草為研究對象，探討河谷特殊生境對植物形態(tài)與細胞的影響.(1)河谷內(nèi)外分布的接骨草除棱數(shù)、側(cè)枝數(shù)、節(jié)數(shù)、最長節(jié)間長和小葉數(shù)目無明顯差異外，不孕花數(shù)目、小葉長/寬、果實顏色和托葉形狀均存在顯著差異;(2)河谷內(nèi)外分布的接骨草上、下表皮細胞形狀和垂周壁式樣均呈無規(guī)則和淺波狀，河谷內(nèi)居群的氣孔密度為(37.6±7.47)個/mm2，明顯大于河谷外居群的(26.8±5.81)個/mm2，但氣孔指數(shù)河谷外居群(31.38%)略高于河谷內(nèi)(29.17%);(3)河谷內(nèi)外接骨草的體細胞染色體數(shù)目實為2n=36，與之前報道的染色體數(shù)目不一致.河谷內(nèi)居群核型公式為2n =36=16m+14sm+2st+4t，河谷外為2n=36=22m+14sm，均屬于“2B”型，但核型不對稱系數(shù)卻相差較大，河谷內(nèi)Ask= 67.76%，河谷外Ask=61.97%，表明前者更為進化.

形態(tài)學;細胞學;接骨草;進化;河谷

接骨草(Sambucus chinensisLindl)為忍冬科接骨木屬高大草本或半灌木狀植物，是常用藥用植物與觀賞植物.其小葉2至3對，互生或?qū)ι?，復傘形花序頂生，大而疏散，總花梗基部托以葉狀總苞片，杯形不孕性花不脫落，可孕性花小，萼筒杯狀，萼齒三角形，花冠白色，僅基部聯(lián)合，花藥黃色或紫色，果實紅色，近圓形，核2～3粒，卵形，表面有小疣狀突起，花期4—5月，果熟期8—9月［1］.接骨草廣泛生于溝谷、田野、路邊等生境，外部形態(tài)隨生境的變化較大，這種差異的規(guī)律性及其機制值得深入探討.

植物的生長環(huán)境變化直接影響著植物內(nèi)部器官結(jié)構(gòu)和生理特征變化，植物器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)最能反映植物對環(huán)境的適應特征［2］.為探討河谷特殊生境對植物形態(tài)及細胞學的影響以及植物對河谷特殊生境的適應性及機制，文中特選擇在河谷內(nèi)外廣為分布的接骨草為研究對象，對其外部形態(tài)結(jié)構(gòu)和細胞染色體進行初步比較，研究該物種的河谷生態(tài)適應性基本規(guī)律，同時也為進一步驗證和闡明“河谷生態(tài)效應”(Valley ecological effect)積累基礎(chǔ)資料.

1 研究方法

1.1 形態(tài)學統(tǒng)計

在河谷內(nèi)外隨機各選取3個接骨草居群，采樣點環(huán)境因子見表1.對各居群的株高、地徑、棱數(shù)、側(cè)枝數(shù)、節(jié)數(shù)、葉片長/寬、不孕花數(shù)量、結(jié)實數(shù)等一系列數(shù)量性狀進行了測定，同時對托葉形、果實顏色等進行觀察.運用方差分析比較各形態(tài)性狀的變化幅度，每個居群統(tǒng)計不低于20個植株.

表1 各采樣地環(huán)境因子

1.2 葉表皮觀察

根據(jù)潘開玉等［3］的實驗方法和具體步驟，先將葉片放入質(zhì)量濃度為20%次氯酸鈉溶液中，在35℃左右的溫箱中浸泡4～5 h，取出葉片用蒸餾水沖洗干凈后，用油嘴鑷子撕下葉片中部或近中部中脈附近的表皮，常規(guī)壓片;后用光鏡下觀察測量，測量氣孔大小時，上下表皮均測20個氣孔，取其平均值.計算氣孔指數(shù)時，隨機選取20個視野計數(shù).計算公式為I=S/E+S.其中:I為氣孔指數(shù);S為1個視野內(nèi)的氣孔數(shù);E為同一視野內(nèi)的表皮細胞數(shù).氣孔器描述參照文獻［3-5］所用術(shù)語.

1.3 細胞學觀察

分別從德夯和吉首大學沙子坳校園移栽接骨草幼苗至實驗苗圃，于每天上午9:00—10:00取其根尖放入質(zhì)量濃度為0.1%的秋水仙素預處理4 h，然后轉(zhuǎn)入卡諾固定液中固定2 h，后用清水漂洗2～3 min，接著用1 mol/L的HCI解離5 min，最后用卡寶品紅染色30 min，常規(guī)壓片鏡檢，DM2000拍照.用Motic Digiclass 1.2測量染色體的長臂(L)、短臂(S)的長度后，計算染色體的相對長度比，并排列染色體，對染色體及其核型進行分類，每個居群至少測量5個細胞.其中，染色體相對長度=染色體長度/染色體組總長度× 100%;臂比值(R)=長臂(L)/短臂(S);染色體長度比=最長染色體/最短染色體.染色體分類按Levan的命名法，核型分析按李懋學和陳瑞陽［6］建議的統(tǒng)一標準進行.依據(jù)Stebbins提出的原則進行染色體核型分類，核型不對稱系數(shù)(Ask)按A.ran的方法計算，Ask=長臂總長/全組染色體總長×100%.

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)比較

文中發(fā)現(xiàn)無論是河谷內(nèi)外，接骨草多呈高大草本.河谷內(nèi)外接骨草形態(tài)性狀比較見表2.河谷內(nèi)株高平均為(1.59±0.3)m，最高可達2.12 m，有的甚至為半灌木狀，地徑為(0.95±0.12)cm;河谷外的平均株高略低(1.30±0.12)m，地徑略小(0.75±0.05)cm.統(tǒng)計分析表明，兩地點的接骨草植株高度和地徑差異顯著(P＜0.05)，但棱數(shù)、側(cè)枝數(shù)、節(jié)數(shù)和最長節(jié)間長則無顯著差異.葉方面，小葉數(shù)目差異不大，但葉長/寬相差異顯著(P＜0.05);托葉的形狀也相差甚遠，河谷內(nèi)為葉片狀，河谷外為棍棒狀.此外，河谷外分布的接骨草單個圓錐花序不孕花數(shù)為(105±31.9)個，而河谷內(nèi)僅為(44.67±12.86)個，有的植株甚至沒有不孕花形成.果實顏色差異也十分明顯，河谷內(nèi)、外分別為黑色和紅色(見圖1).

表2 河谷內(nèi)外接骨草形態(tài)性狀比較

圖1 河谷內(nèi)外接骨草的植株形態(tài)

2.2 葉表皮比較

光學顯微鏡下接骨河谷內(nèi)外接骨草的葉表皮細胞和氣孔器特征見表3.由表3知:兩地接骨草葉表皮特征中，上、下表皮細胞性狀和垂周壁式樣均呈無規(guī)則和淺波狀，但吉首大學沙子坳校園居群上表皮具表皮毛(見圖2)，而德夯居群上表皮無表皮毛分布;氣孔均分布在下表皮上，德夯居群的氣孔密度高于吉首大學居群，分別為(37.6±7.47)個/mm2和(26.8±5.81)個/mm2，但吉首大學沙子坳校園居群的氣孔指數(shù)為31.38%，高于德夯居群的29.17%.

圖2 光學顯微鏡下河谷內(nèi)外接骨草的葉表皮形態(tài)(400×)

表3 光學顯微鏡下接骨河谷內(nèi)外接骨草的葉表皮細胞和氣孔器特征

2.3 染色體比較

對18個細胞進行染色體數(shù)目統(tǒng)計，染色體數(shù)均為36條，因此得出接骨草德夯居群的細胞染色體數(shù)目為2n=2x=36(見圖3)，未發(fā)現(xiàn)染色體非倍性細胞、B染色體及隨體.

圖3 接骨草德夯居群的染色體及核型(1 000×)

根據(jù)文獻［6］的核型分析標準，對接骨草德夯居群的染色體核分析表明(見表4)，18對染色體中居中部著絲粒的染色體為第6，7，8，12，15，16，17，18對，近中部著絲點染色體為第1，2，3，4，5，9，13對，近端著絲粒染色體為第14對，端部著絲粒染色體為第10，11對，其核型公式為2n=36=16m+14sm+2st+4t，染色體絕對長度范圍為(1.03～2.39)μm，最長與最短染色體比值為8.15，核型不對稱系數(shù)Ask=6 7.76%，核型屬于“2B”型，為較不對稱型核型.

表4 接骨草德夯居群染色體參數(shù)

對10個細胞進行染色體數(shù)目統(tǒng)計，染色體數(shù)均為36條，因此得出接骨草吉首大學居群的細胞染色體數(shù)目為2n=2x=36(見圖4)，未發(fā)現(xiàn)染色體非倍性細胞、B染色體及隨體.

圖4 接骨草吉首大學沙子坳校園居群的染色體及核型(1 000×)

該居群18對染色體中，具中部著絲點的為第7，8，9，11～18對，具近中部著絲點的為第1，2，3，4，5，6，10對，其核型公式為2n=36=22m+14sm(見表5)，染色體絕對長度范圍為(1.82～2.99)μm，最長與最短染色體比值為1.64，核型不對稱系數(shù)Ask=61.97%，核型屬于“2B”型.

表5 接骨草吉首大學沙子坳校園居群染色體參數(shù)

3 討論

(1)接骨草為廣泛適應的物種，無論河谷內(nèi)外均有分布，是研究物種適應性進化的良好材料之一.比較形態(tài)學研究表明，河谷內(nèi)外分布的接骨草除棱數(shù)、側(cè)枝數(shù)、節(jié)數(shù)、最長節(jié)間長和小葉數(shù)目無明顯差異外，其他形態(tài)特征均存在顯著差異，表明接骨草對外界環(huán)境的反應較為敏感，這種差異體現(xiàn)出該植物種對不同環(huán)境的適應策略.河谷內(nèi)水熱豐富，土壤肥沃，致使接骨草營養(yǎng)生長的投入較多，故植株高大，不孕花數(shù)量減少，果實為黑色.此外，其葉尖明顯，托葉呈葉片狀，則更能反映該區(qū)水量充沛，較長的葉尖和葉表面積均有利于排出多余的水分.果實顏色通常被看作是一種“廣告”，以吸引靠視覺尋找食物的食果脊椎動物的注意從而達到其種子傳播的目的［7］.紅色和黑色都是鳥類偏好取食的果實顏色［8-10］，但紅色果實在綠色背景下顏色反差形成的突出醒目性，可能會使得果實取食者能夠較快的發(fā)現(xiàn)較遠距離的果實，從而更容易被取食［11］.對河谷外生長的接骨草而言，其受到的人為干擾要遠大于河谷內(nèi)，推測是其通過改變種子的顏色來吸引更多(或更遠)取食者的注意，從而達到傳播種子的目的.但果實顏色也可能是生理適應的結(jié)果，因為暗色調(diào)果實的顏色較之淺色調(diào)也許可以吸收更多的太陽輻射能(可見光范圍)，以提高代謝與發(fā)育速率從而縮短果實暴露于攻擊者的時間［12］，故接骨草河谷內(nèi)外分布居群果實顏色差異的原因還有待進一步探討.

(2)葉是植物暴露在地面環(huán)境中最多的器官，因此植物對環(huán)境的反應通常較多的反映在葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)上［13］.河谷內(nèi)外分布的接骨草葉上、下表皮細胞性狀和垂周壁式樣均呈無規(guī)則和淺波狀，較為穩(wěn)定.接骨草葉表皮的氣孔器一般分布在下表皮，這與大多數(shù)雙子葉植物氣孔器的分布規(guī)律一致［14］.據(jù)文獻［15］可知，同種植物的氣孔，生長在長久潮濕環(huán)境里的植物，要比生長在干燥環(huán)境里的植物氣孔數(shù)量要多，但形狀要小.河谷內(nèi)接骨草居群的氣孔密度為(37.6±7.47)個/mm2，明顯大于河谷外居群的(26.8±5.81)個/ mm2.一般認為，表皮毛能有效地反射強光照射引起的植物灼傷，防止水分蒸發(fā)和動物嚙食的功能［16］，河谷內(nèi)水熱豐富，因而沒有表皮毛分布，而河谷外水分相對較少，居群則有表皮毛分布.氣孔指數(shù)常作為氣孔分化強度的指標，同一種植物的氣孔指數(shù)會隨著濕潤系數(shù)的減小而增加，而不同植物間的變化趨勢可能不一樣，這與種間的適應閾值存在差異有關(guān)［17-18］.對接骨草而言，吉首大學沙子坳校園居群(31.38%)的氣孔指數(shù)略高于德夯居群(29.17%)，這也與其生長的環(huán)境是分不開的.

(3)植物染色體的數(shù)目、形態(tài)等是最穩(wěn)定的細胞學特征之一［19］.文中研究表明，接骨草的體細胞染色體數(shù)目實為2n=36，這與匡鵬［20］報道的染色體數(shù)目2n=34不相符合.在核型分析方面，核型公式體現(xiàn)了各類染色體在核型中的數(shù)，但各個種所包含的m，sm和st等各類染色體的數(shù)量不相同，德夯居群的核型公式為2n=36=16m+14sm+2st+4t，吉首大學沙子坳校園居群為2n=36=22m+14sm.高等植物核型進化的基本趨勢是由對稱向不對稱方向發(fā)展，系統(tǒng)演化上處于比較古老或原始的植物，往往具有較對稱的核型，而不對稱的核型則通常出現(xiàn)在較進化或特化的植物中［21］.雖然兩居群的核型類別均屬于“2B”型，但核型不對稱系數(shù)卻相差較大，德夯居群Ask=67.76%，吉首大學沙子坳校園居群Ask=61.97%，表明前者更為進化或者特化.鄧濤等［22］對分布于同一地區(qū)的峽谷專性種鳳凰蜘蛛抱蛋(Aspidistra fenghuangensis)的研究也認為，鳳凰蜘蛛抱蛋的核型不對稱性較四川蜘蛛抱蛋(A.sichuanensis)大，并且其隨體缺失，鳳凰蜘蛛抱蛋極有可能為四川蜘蛛抱蛋往東南方向遷移和擴散過程中，長期適應湘西北河谷特殊生境逐漸分化和適應進化的結(jié)果.由此可以推斷，河谷特殊生境為不僅為植物提供了廣闊生存空間，更為植物的進化創(chuàng)造了條件.

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(責任編輯 易必武)

Influence of Habitat Inside and Outside Valley on Morphology and Cytology of Sambucus Chinensis

XU Liang1，2，CHEN Gong-xi1，ZHANG Jie1，ZHANG Dai-gui1，ZHU Qun-ying1
(1.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization，College of Hunan Province，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China;2.Forestry Bureau of Jishou County，Jishou 416000，Hunan China)

Sambucus chinensis Lindl，a large herb widely distributed inside and outside valley in northwestern Hunan province were selected for the exploring study on the influence of on valley special-habitat cytology and plant morphology.(1)Morphological comparison ofSambucus chinensisoutside valley and inside valley indicates the difference in number of unfertile flowers，long/wide of leaflets，fruit color and stipule shape，but there are no obvious differences in the number of arris，the number of lateral branches，number of pitches，length of longest internodes and number of leaflets;(2)The leaf epidermal cells are usually irregular bearing with the anticlinal walls undulate;the stomatal density ofS.chinensisof inside population is obviously higher than that of the outside one，37.6±7.47 per mm2and 26.8±5.81 per mm2，respectively;while the stomatal index ofS.chinensisof outside population(31.38%)is slightly higher than that of the inside one(29.17%);(3)Mitotic chromosome numbers ofS.chinensisoutside and inside valley are diploidy with 2n=36 reality，and is incompatible with previous reference.Karyotype ofS.chinensisis 2B and inside population with a karyotype formula of 2n=36=16m+14sm+ 2st+4t，and 2n=36=22m+14sm for outside population.Besides，the population inside valley appears more advanced than the outside population for theirAskvalues are 67.76%and 61.97%，respectively.

morphology;cytology;Sambucus chinensis;evolution;valley

S567.239

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.017

1007-2985(2013)02-0077-07

2013-02-10

湖南省教育廳重點課題資助項目(09A073);國家自然科學基金資助項目(30770157)

徐 亮(1986-)，男(土家族)，吉首大學植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室碩士研究生，主要從事植物區(qū)系及生態(tài)學研究

陳功錫(1966-)，男(土家族)，湖南桑植人，吉首大學植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室教授，主要從事植物分類學、植物區(qū)系學及植物生態(tài)學研究;E-mail:chengongxi2011@163.com.