東北委陵菜屬植物葉形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究及其分類學(xué)價值的探討

孫天航，劉玫，孫雪芹，程薪宇，茹劍

（哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150025）

委陵菜屬（Potentilla）隸屬薔薇科（Rosaceae），全世界約有300余種，一年生或多年生草本，僅有少數(shù)為灌木。廣布于北溫帶，我國約90種，全國各地均有分布，東北產(chǎn)28種，16變種［1］。該屬植物莖直立，半匍匐或匍匐，能適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境，其中大部分物種（如翻白委陵菜P.discolor）對環(huán)境有極強的適應(yīng)性和抗逆性，可作為氣候干燥、土壤以鹽堿土為主的都市園林綠化物種［2］。

植物毛狀體類型、葉表皮形態(tài)可作為分類的依據(jù)［3-4］。中國委陵菜屬葉表皮毛分4種類型：單細胞直立毛、單細胞卷曲毛、腺毛及星狀毛，毛的長短和密度因植物成熟度及生境的不同有較大差異［5］。尤鳳麗等［6］揭示9種委陵菜屬植物（如鵝絨委陵菜P.anserina，翻白委陵菜）的氣孔均為無規(guī)則型。田麗等［7］指出委陵菜屬植物氣孔指數(shù)的變化與抗旱能力有關(guān)，如蔓委陵菜（P.flagellaris）、伏委陵菜（P.supina）、蛇含委陵菜（P.kleiniana）和三葉委陵菜（P.freyniana）氣孔指數(shù)小，具較強抗旱能力。葉柄的形態(tài)結(jié)構(gòu)對植物類群的劃分，屬及種的鑒定有著很大的參考價值［8-9］。Hare［10］認為在葉柄橫切面上的維管束排列是最重要的分類學(xué)依據(jù)。然而未見關(guān)于委陵菜屬的葉柄的解剖學(xué)研究。

本文旨在通過深入研究東北委陵菜屬23種植物的葉表皮附屬物、氣孔類型、托葉及葉柄形態(tài)結(jié)構(gòu)，完善委陵菜屬植物形態(tài)學(xué)研究，并探討其分類學(xué)價值，為進一步研究中國委陵菜屬以及薔薇科的分類及系統(tǒng)學(xué)提供形態(tài)學(xué)資料。

1 材料與方法

1.1 材料

研究材料為我國東北產(chǎn)薔薇科委陵菜屬，23種，1變種。野外采集的植物經(jīng)王臣教授鑒定，標本存放在哈爾濱師范大學(xué)標本館（Harbin Normal University，HANU）。材料的采集及實驗始于2011年。新鮮的成熟葉（包括葉片、葉柄及托葉）直接固定于FAA（福爾馬林5 m L，冰醋酸5 m L，70%酒精90 m L）并保存。部分材料分別取自HANU、黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所標本館（Heilongjiang Academy of Sciences-Institute of Natural Resources，HNR）、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物標本館（Northeast Agricultural University，NEAU）及東北林業(yè)大學(xué)植物標本館（Northeast Forestry University，NFFI）。實驗材料、憑證標本及采集地信息見表1，物種在中國植物志上的所屬組系見表2。

表1 東北委陵菜屬物種及其憑證標本、采集地和采集日期Table 1 Potentilla species in northeastern China，together with voucher specimen details and locality

1.2 方法

撕取葉表皮：用鑷子分別在2個葉片上撕取上、下表皮，新鮮及固定的材料可直接撕取，取自標本的葉片需經(jīng)吸水膨脹后撕取。將撕下的表皮置于載片上，用刀片輕輕刮去殘留在表皮上的葉肉，并用水沖去葉肉細胞，滴1～2滴50%甘油水溶液，蓋上蓋片。用Olympus BX51顯微鏡觀察表皮細胞、氣孔形態(tài)及毛狀體類型，Olympus DP70照相。

GMA（乙二醇甲基丙烯酸酯，glycol methacrylate）切片：取靠近托葉處的葉柄，長度為3～5 mm。根據(jù)Feder和O’Brien［11］的方法，材料（新鮮的葉柄及取自標本的經(jīng)過吸水膨脹后的葉柄）經(jīng)FAA（福爾馬林－醋酸－酒精混合液，formalin-acetic acid-alcohol mixture）固定，時間不少于24 h。固定后的材料經(jīng)50%酒精（2次，每次4～6 h），100%酒精（2次，每次4～6 h），異丙醇（2次，每次6 h）及正丁醇脫水（2次，每次6 h），之后進入GMA滲透3次。第1和2次各為1 d，第3次不少于5 d，之后將材料及GMA裝入膠囊，并將其置于60℃溫箱24 h。用Leica Ultralcut R切片，厚度約2.5μm，同樣采用Feder和O’Brien［11］的方法，用考馬斯亮藍染色，中性樹膠封片。切片經(jīng)Olympus BX51顯微鏡觀察，Olympus DP70照相。此外，利用亞鐵鹽對細胞內(nèi)單寧物質(zhì)進行鑒定［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉的形態(tài)

東北委陵菜屬植物具有3種葉型（表3）：三出復(fù)葉，如蛇莓委陵菜和狼牙委陵菜（圖1B）；掌狀復(fù)葉，如蔓委陵菜和蛇含委陵菜（圖1C）；羽狀復(fù)葉，如鵝絨委陵菜和光叉葉委陵菜（圖1A）。小葉邊緣有鋸齒（圖1B）或有裂（圖1A）。葉均具葉柄，葉柄長度為3～10 cm。托葉通常為2枚，位于葉柄基部的兩側(cè)，如光叉葉委陵菜（圖1A），僅鵝絨委陵菜具1枚膜質(zhì)的托葉（圖1D）。托葉分為披針形，如蛇含委陵菜及莓葉委陵菜等植物（圖1E）；卵狀披針形，如三葉委陵菜和狼牙委陵菜（圖1B）；卵圓形，如紅莖委陵菜（圖1F）或呈葉狀，如伏委陵菜和灰白委陵菜（圖1G）。

表2 東北委陵菜屬物種的分類地位（中國植物志）Table 2 The classification status of Potentilla in northeastern China

圖1 東北委陵菜屬植物葉的繪圖Fig.1 Sketch of leaves of Rosaceae in northeastern ChinaA.光叉葉委陵菜葉The leaf of P.bifurca；B.狼牙委陵菜葉The leaf of P.cryptotaeniae；C.蛇含委陵菜葉The leaf of P.kleiniana；D.鵝絨委陵菜托葉The stipule of P.anserina；E.莓葉委陵菜托葉The stipule of P.fragarioides；F.紅莖委陵菜托葉The stipule of P.nudicaulis；G.灰白委陵菜托葉The stipule of P.strigosa。比例尺Scale：A，B，C，F(xiàn)，G＝10 mm；D＝5 mm；E＝15 mm.

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2.2 氣孔及表皮附屬物

所研究物種的氣孔均為無規(guī)則型，即保衛(wèi)細胞四周的細胞與表皮細胞大小，形狀相同，排列無規(guī)則且數(shù)量多大于3個（圖2D），氣孔廣泛分布在下表皮，上表皮氣孔數(shù)量相對較少。毛狀體包括單細胞非腺毛及多細胞腺毛。研究的物種均具單細胞非腺毛，分布在葉的上、下表皮。一些物種，如蛇莓委陵菜及光叉葉委陵菜的非腺毛直立生長（圖2A），而在另一些物種，如鵝絨委陵菜和委陵菜的非腺毛則呈卷曲狀。部分物種具腺毛，腺毛由3個柄細胞和2個腺細胞構(gòu)成，如粘委陵菜和蛇含委陵菜（圖2B，C），而這種腺毛在其他物種不存在。

2.3 葉柄的結(jié)構(gòu)

委陵菜屬葉柄橫切面多為心形，如光叉葉委陵菜和委陵菜（圖3B，C）；近圓形，如蔓委陵菜和金露梅（圖3G）；馬蹄形，如狼牙委陵菜和伏委陵菜（圖3I）和近三角形，如蛇莓委陵菜和匍枝委陵菜（圖3L）。在不同的物種中馬蹄形葉柄近軸面的凹陷程度不同，如三葉委陵菜、伏委陵菜（圖3I）凹陷較深，匍枝委陵菜、金露梅（圖3G）凹陷較淺。個別種葉柄具明顯的多細胞突起，如莓葉委陵菜（圖3E）、銀露梅（圖2F）。

圖2 東北委陵菜屬植物表皮微形態(tài)及維管束Fig.2 The micro morphology of epidermis and vascular bundle of Rosaceae in northeastern China示毛狀體、氣孔、表皮、維管束、纖維等結(jié)構(gòu)。Showing the structures of trichomes，stomata，epidermis，vascular bundle，fiber etc.A.粘委陵菜毛The trichomes of P.longifolia；B.蛇含委陵菜非腺毛Nonglandular trichome of P.kleiniana；C.蛇含委陵菜腺毛Glandular trichome of P.kleiniana；D.蛇含委陵菜氣孔Stomata of P.kleiniana；E.光叉葉委陵菜表皮Epidermis of P.bifurca；F.銀露梅表皮Epidermis of P.glabra；G.三葉委陵菜維管束Vascular bundle of P.freyniana；H.粘委陵菜維管束Vascular bundle of P.longifolia；I.蔓委陵菜維管束Vascular bundle of P.flagellaris。比例尺Scale：A＝2500μm；B，G＝50μm；C＝10μm；D，E，F(xiàn)＝25μm；H，I＝100μm.

圖3 東北委陵菜屬植物葉柄橫切面Fig.3 The transverse sections of petioles of Rosaceae in northeastern China示橫切面形狀、維管束分布。Showing the shapes of transverse sections and distribution of vascular bundles.A.鵝絨委陵菜P.anserina；B.光叉葉委陵菜P.bifurca；C.委陵菜P.chinensis；D.翻白委陵菜P.discolor；E.莓葉委陵菜P.fragarioides；F.三葉委陵菜P.freyniana；G.金露梅P.fruticosa；H.銀露梅P.glabra；I.伏委陵菜P.supina；J.蒿葉委陵菜P.tanacetifolia；K.粘委陵菜P.longifolia；L.匍枝委陵菜P.yokusaiana。比例尺Scale：A，B，C，D，F(xiàn)，I，J，K，L＝200μm；E＝400μm；G，H，J＝100μm.

表皮細胞排列緊密，細胞外壁通常平滑，如三葉委陵菜及光叉葉委陵菜（圖2E），僅少數(shù)物種細胞外壁有絨毛狀突起，如粘委陵菜及銀露梅（圖2F）。表皮下具1或2層細胞組成的厚角組織，少數(shù)個別物種在靠近維管束的角隅處厚角組織細胞可達3～5層，如深齒匍匐委陵菜和光叉葉委陵菜（圖3B）。部分物種緊挨表皮的1層細胞與表皮細胞的形狀及大小相似，如莓葉委陵菜及光叉葉委陵菜（圖2E），而這層細胞在其他物種中明顯大于表皮細胞，是表皮細胞的2～3倍，如鵝絨委陵菜及銀露梅（圖2F）。木本植物金露梅和銀露梅表皮及維管束之間的細胞極大且形狀不規(guī)則（圖3G，H），這種特征在草本植物不明顯。大的胞間隙存在于鵝絨委陵菜及匍枝委陵菜（圖3A，L），而其他物種，如鉤葉委陵菜及莓葉委陵菜（圖3E），無大的胞間隙。匍枝委陵菜葉柄中央具發(fā)達的通氣組織（圖3L），少數(shù)物種的通氣組織不明顯，如狼牙委陵菜和粘委陵菜（圖3K）。

維管束通常為3個，1大2小，呈三角形排列，近軸面2個小維管束，遠軸面1個大維管束，如細葉委陵菜和翻白委陵菜（圖3D），少數(shù)物種具5個維管束，呈V形排列，如委陵菜和伏委陵菜（圖3C，I）。維管束形狀可為：橢圓形，如細葉委陵菜和光叉葉委陵菜（圖3B）；圓形或近圓形，如蛇含委陵菜和匍枝委陵菜（圖3L）；半圓形，如灰白委陵菜和蒿葉委陵菜（圖3J）。維管束中具發(fā)達的韌皮纖維，在橫切面上這些纖維細胞壁厚腔小。纖維發(fā)達程度在不同物種有變化，如莓葉委陵菜和翻白委陵菜纖維細胞可達到7～9層（圖3D），蔓委陵菜為3或4層（圖2I），少數(shù)物種（如三葉委陵菜）未見韌皮纖維（圖3F）。此外，在一些物種維管束周圍的1圈細胞含有單寧類物質(zhì)，如粘委陵菜、莓葉委陵菜和翻白委陵菜（圖2 H），而單寧類物質(zhì)在某些物種，如光叉葉委陵菜及委陵菜，僅存在于部分包圍在維管束的薄壁細胞中（圖3B，C）。

2.4 檢索表

根據(jù)委陵菜屬23種植物的形態(tài)特征（包括葉片、葉柄及托葉的結(jié)構(gòu)），制作檢索表如下：

1.木本。

2.葉柄橫切面近圓形 ………………………………………………………………… 金露梅Potentilla fruticosa

2.葉柄橫切面心形 ……………………………………………………………………………… 銀露梅P.glabra

1.草本。

3.三出復(fù)葉或掌狀葉。

4.三出復(fù)葉。

5.葉柄有通氣組織。

6.葉柄橫切面為馬蹄形 …………………………………………………… 狼牙委陵菜P.cryptotaeniae

6.葉柄橫切面為心形或近三角形

7.無腺毛……………………………………………………………………… 蛇莓委陵菜P.centigrana

7.有腺毛。

8.具有韌皮纖維 ………………………………………………………… 匍枝委陵菜P.yokusaiana

8.無韌皮纖維…………………………………………………………………… 假雪委陵菜P.nivea

5.葉柄無通氣組織 ………………………………………………………………… 三葉委陵菜P.freyniana

4.掌狀復(fù)葉。

本研究所在區(qū)域位于南方某區(qū)域低山丘陵地區(qū)，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，海拔180～260 m。該區(qū)域具有較高的溫度和濕度（年平均濕度81%，年平均溫度在19℃左右），且降雨量相對較大（年平均降雨量1 668.3 mm）。此區(qū)域的土壤較肥沃，土層較厚，以山地紅壤為主。

9.葉柄表皮細胞角質(zhì)層厚（與表皮細胞外壁厚度相似）… ………………………… 蔓委陵菜P.flagellaris

9.葉柄表皮細胞角質(zhì)層?。楸砥ぜ毎獗诤穸鹊?／2）。

10.有通氣組織…………………………………………………………………… 蛇含委陵菜P.kleiniana

10.無通氣組織 …………………………………………… 深齒匍匐委陵菜P.repens var.sericophylla

3.羽狀復(fù)葉。

11.葉柄表皮細胞平滑。

12.表皮細胞角質(zhì)層厚（為表皮細胞外壁厚度的1／2）。

13.維管束數(shù)量為5。

14.有單寧類物質(zhì) ……………………………………………………………………… 委陵菜P.chinensis

14.無單寧類物質(zhì)……………………………………………………………………… 伏委陵菜P.supina

12.表皮細胞角質(zhì)層厚（為表皮細胞外壁厚度的1～1.5倍）。

15.無腺毛 ……………………………………………………………………… 蒿葉委陵菜P.tanacetifolia

15.具有腺毛。

16.具有通氣組織。

17.維管束為圓形 ……………………………………………………………… 粘委陵菜P.longifolia

17.維管束為半圓形 ……………………………………………………… 莓葉委陵菜P.fragarioides

16.不具有通氣組織……………………………………………………………… 光叉葉委陵菜P.bifurca

11.葉柄表皮細胞有突起。

18.葉表皮具有卷曲的非腺毛。

19.托葉1片 ………………………………………………………………………… 鵝絨委陵菜P.anserina

19.托葉2片。

20.葉表皮具腺毛 ………………………………………………………………… 翻白委陵菜P.discolor

20.葉表皮不具腺毛 ………………………………………………………… 輪葉委陵菜P.verticillaris

18.葉表皮具有直立的非腺毛。

21.具有單寧類物質(zhì) ……………………………………………………………… 細葉委陵菜P.multifida

21.不具有單寧類物質(zhì)。

22.維管束為半圓形 ………………………………………………………… 鉤葉委陵菜P.ancistrifolia

22.維管束為橢圓形 ……………………………………………………………… 灰白委陵菜P.strigosa

3 討論

委陵菜屬葉毛狀體類型在不同種間存在差異，而在同一種中具有穩(wěn)定性［3］。張曼曼等［13］認為委陵菜屬表皮毛形態(tài)上的細微差異可用于鑒別同一花柱組中形態(tài)相似的種，并探討種間親緣關(guān)系，但這樣的差異不能作為該屬中組間分類的依據(jù)，葉表皮微形態(tài)的特征對于屬下分組有一定的局限性［14］，需結(jié)合其他性狀特征進行組水平上的分類及鑒定。本研究顯示釘狀花柱組中莓葉系的5種委陵菜毛狀體性狀相同，均具腺毛及直立非腺毛，而其他組系的物種的毛狀體形態(tài)有明顯變化，如同處在錐狀花柱組羽葉系中的蒿葉委陵菜和粘委陵菜雖然均具直立的非腺毛，但腺毛僅存在于前者，因而，認為毛狀體完全可以作為鑒別委陵菜屬物種的特征，而不僅僅用于組及系的劃分。張勇和尹祖棠［5］觀察到委陵菜屬植物毛的長短、密度隨葉片成熟程度及生境的不同存在較大差異。幼嫩葉片被毛比成熟葉片多，而生于干旱或半干旱環(huán)境中的類群比生于潮濕或中生環(huán)境下的類群被毛多而且長，同一種下表皮毛要比上表皮多［1］。在本研究的物種中也可以觀察到這一現(xiàn)象。如鵝絨委陵菜幼時密被灰白色絹毛，成長后漸脫落，生長在潮濕條件的蛇莓委陵菜毛狀體較少，而生長在干旱條件下的翻白委陵菜毛狀體較多。

金露梅和銀露梅同處在棒狀花柱組木本系內(nèi)［15］。張勇等［16］將金露梅等木本植物作為獨立屬處理。本研究顯示2個木本植物金露梅及銀露梅葉柄中的皮層細胞特征（如細胞大且形狀不規(guī)則）不同于草本植物，其他特征（如維管束數(shù)量及纖維等）與草本植物的結(jié)構(gòu)相同，故認為將二者從委陵菜屬中劃分出來是不合適的。

鄭玲和程彥偉［17］指出維管束數(shù)量越多對惡劣環(huán)境（如干旱）的抵抗越強。本屬植物葉柄通常具3個維管束（1大2?。哂?個維管束的伏委陵菜和委陵菜都采自于較干旱的地帶，顯然較多的維管束可以增加植物的支持及輸導(dǎo)功能，有利于它們在干旱的環(huán)境下生長。植物體會響應(yīng)多種機制抵御干旱帶來的脅迫［18］，下表皮的氣孔數(shù)量增多，表皮密被毛，誘導(dǎo)或加速通氣組織的形成等，都是植物面對干旱不利條件下的適應(yīng)策略［4，19-20］。委陵菜屬葉的相關(guān)特征反映了物種具有適應(yīng)高溫、干旱的惡劣生境的生物學(xué)特性。

本研究通過對委陵菜屬植物葉形態(tài)結(jié)構(gòu)的深入探討，揭示出葉表皮附屬物，葉柄維管束數(shù)量，纖維的分布等特征可作為屬內(nèi)類群的劃分及屬下分類的依據(jù)，為進一步深入研究委陵菜屬其他物種及薔薇科提供了形態(tài)學(xué)資料。