胡桃科6個樹種花粉形態(tài)的掃描電鏡觀察

毛 霞， 李曉春， 劉晶晶， 洑香香,①

(南京林業(yè)大學: a. 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， b. 林學院， 江蘇 南京210037)

胡桃科6個樹種花粉形態(tài)的掃描電鏡觀察

毛 霞a,b， 李曉春a,b， 劉晶晶a,b， 洑香香a,b,①

(南京林業(yè)大學: a. 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， b. 林學院， 江蘇 南京210037)

胡桃科; 花粉; 形態(tài)特征; 掃描電鏡; 演化地位

中國有胡桃科(Juglandaceae)植物約7屬27種1變種，南方和北方均有分布[1]；該科植物通常為落葉或半常綠喬木或小喬木，大部分種類具有藥用、材用和食用等價值，其中，青錢柳〔Cyclocaryapaliurus(Batal.) Iljinsk.〕為重要的藥用植物，其葉的多糖復合物可增強糖尿病小鼠對葡萄糖的耐受力[2-3]；胡桃(JuglansregiaLinn.)和美國山核桃〔Caryaillinoinensis(Wangenh.) K. Koch〕為重要的干果和油料作物，前者也是重要的硬木產(chǎn)品，果皮可用于制造活性炭[4]；楓楊(PterocaryastenopteraC. DC.)是優(yōu)良的家具用材，其樹皮富含纖維[5]。隨胡桃科應用價值的不斷挖掘，人們對胡桃科植物潛在資源的研究也不斷深入。

在植物世代相傳過程中，花粉因能保持其固有的形態(tài)特征而成為物種進化研究的重要證據(jù)，也成為鑒別植物種的重要依據(jù)之一，通過掃描電鏡觀察花粉形態(tài)的差異可在一定程度上闡釋園藝植物種或品種的分類和系統(tǒng)進化關(guān)系[6-7]。目前，已有研究者采用孢粉及其化石證據(jù)對胡桃科山核桃屬(CaryaNutt.)、胡桃屬(JuglansLinn.)和化香樹屬(PlatycaryaSieb. et Zucc.)的系統(tǒng)演化地位進行了探討[8-9]，但對胡桃科各屬代表性種類的花粉形態(tài)特征尚無系統(tǒng)的研究報道。鑒于此，作者采用掃描電鏡觀察胡桃科4屬6個主要栽培樹種花粉的亞顯微特征，并據(jù)此初步探討各屬種的系統(tǒng)演化地位。

1 材料和方法

1.1 材料

供試樹種包括楓楊屬(PterocaryaKunth)的楓楊，胡桃屬的胡桃、華東野核桃〔Juglanscathayensisvar.formosana(Hayata) A. M. Lu et R. H. Chang〕和美國黑核桃(JuglansnigraLinn.)，青錢柳屬(CyclocaryaIljinsk.)的青錢柳及山核桃屬的美國山核桃，均種植于南京林業(yè)大學校園內(nèi)。于2010年3月至5月從各樹種成年植株上采集盛花期的雄花序，置于室內(nèi)進行水培，收集花粉并置于0 ℃～4 ℃條件下保存、備用。

1.2 方法

1.2.1 掃描電鏡觀察 供試6個樹種花粉用質(zhì)量體積分數(shù)4%戊二醛固定12 h以上，隨后用0.1 mol·L-1磷酸緩沖液漂洗3次，每次5 min；然后用質(zhì)量體積分數(shù)1%鋨酸固定2～3 h，隨后用0.1 mol·L-1磷酸緩沖液漂洗3次；經(jīng)無水乙醇脫水，隨后依次用體積分數(shù)50%和100%丙酮溶液各置換1次，每次5 min；用EMITECH K850型臨界點干燥儀(英國EMITECH公司)干燥4 h，隨后用E-1010型離子濺射鍍膜儀(日本HITACHI公司)在花粉表面噴金屬銀膜(厚度15 nm)，然后用QUANTA-200型掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)觀察花粉形態(tài)的亞顯微特征并拍照。

1.2.2 數(shù)據(jù)測定和分析 每個樹種隨機選取20粒花粉，分別測量極軸長(P)和赤道軸長(E)，并計算極軸長與赤道軸長的比值(P/E，表示花粉形狀)及極軸長與赤道軸長的乘積(P×E，表示花粉大小)[10-11]?；ǚ坌螒B(tài)描述術(shù)語參見文獻[12]。采用EXCEL 2010和SAS 18.1軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結(jié)果和分析

掃描電鏡下胡桃科6個樹種花粉的形態(tài)特征見圖1，各樹種花粉的相關(guān)形態(tài)參數(shù)見表1。

由圖1可見：6個樹種的花粉均為單?；ǚ?，表面紋飾均為分布均勻的顆粒狀雕紋，且較為密集。萌發(fā)孔為復式萌發(fā)孔，主要分布在赤道面上；萌發(fā)孔稍凸出于花粉表面，外壁2層在萌發(fā)孔處分離形成孔室，且變化復雜。6個樹種的花粉直徑為25～50 μm，根據(jù)花粉分級標準，皆屬于中等型花粉[13]。

由表1可見：供試6個樹種花粉的極軸長(P)為25.00～37.61 μm，赤道軸長(E)為21.90～36.55 μm，其中，美國山核桃花粉的極軸長和赤道軸長均最大，楓楊花粉均最小。根據(jù)花粉P/E值可將6個樹種花粉形狀劃分為3類：扁球形(胡桃、美國黑核桃、華東野核桃和美國山核桃)、扁五角形(青錢柳)和扁多角形(楓楊)，3類花粉對應的極面觀分別為圓形、五角形和多邊形；楓楊花粉P/E值變異系數(shù)最大，達12%，說明楓楊種內(nèi)花粉形狀差異較大；而其余5個樹種花粉P/E值變異系數(shù)為2%～4%，說明它們的花粉形狀在種內(nèi)差異較小。6個樹種花粉的P×E值由小至大依次為楓楊、華東野核桃、青錢柳、美國黑核桃、胡桃、美國山核桃，其中，美國黑核桃與華東野核桃、華東野核桃與青錢柳間花粉的P×E值無顯著差異；楓楊花粉P×E值的變異系數(shù)最大，青錢柳次之，其余4個樹種花粉P×E值的變異系數(shù)為3%～6%，表明楓楊種內(nèi)花粉大小差異較大，青錢柳次之，而其他樹種的花粉大小差異較小。

由表1還可見：美國黑核桃、胡桃和華東野核桃的花粉萌發(fā)孔數(shù)較多(8～26)，均為散孔類型；青錢柳、楓楊和美國山核桃的花粉萌發(fā)孔數(shù)均較少(3～6)，均為赤道孔類型；其中，美國山核桃花粉萌發(fā)孔數(shù)最少(具3個萌發(fā)孔)，美國黑核桃花粉萌發(fā)孔數(shù)最多(平均值為22)。此外，根據(jù)花粉對稱型可將6個樹種花粉分為2類：左右對稱型(楓楊、青錢柳和美國山核桃)和完全對稱型(胡桃、美國黑核桃和華東野核桃)。

1-3. 楓楊PterocaryastenopteraC. DC.： 1. 極軸長Polar axis length; 2. 赤道軸長Equatorial axis length; 3. 表面紋飾Exine ornamentation. 4-6. 胡桃JuglansregiaLinn.: 4. 極軸長Polar axis length; 5. 赤道軸長Equatorial axis length; 6. 表面紋飾Exine ornamentation. 7-9. 華東野核桃Juglanscathayensisvar.formosana(Hayata) A. M. Lu et R. H. Chang: 7. 極軸長Polar axis length; 8. 赤道軸長Equatorial axis length; 9. 表面紋飾Exine ornamentation. 10-12. 美國山核桃Caryaillinoinensis(Wangenh.) K. Koch: 10. 極軸長Polar axis length; 11. 赤道軸長Equatorial axis length; 12. 表面紋飾Exine ornamentation. 13-15. 美國黑核桃JuglansnigraLinn.: 13. 極軸長Polar axis length; 14. 赤道軸長Equatorial axis length; 15. 表面紋飾Exine ornamentation. 16-18. 青錢柳Cyclocaryapaliurus(Batal.) Iljinsk: 16. 極軸長Polar axis length; 17. 赤道軸長Equatorial axis length; 18. 表面紋飾Exine ornamentation.

圖1 掃描電鏡下胡桃科6個樹種的花粉形態(tài)

Fig. 1 Morphology of pollen of six tree species in Juglandaceae under scanning electron microscope

表1 胡桃科6個樹種花粉的相關(guān)形態(tài)參數(shù)
Table 1 Related morphological parameters of pollen of six tree species in Juglandaceae

種類SpeciesP/μmE/μmP×E/μm2P/E萌發(fā)孔數(shù)Germinalaperturenumber楓楊Pterocaryastenoptera25.00±1.83a21.90±2.74a549.97e(17%)1.14(12%) 6胡桃Juglansregia32.84±0.67b32.40±0.49b1052.19b(3%)1.01(2%) 13(10-14)美國黑核桃Juglansnigra31.60±1.32c30.30±0.81d957.48c(6%)1.04(4%) 22(18-26)華東野核桃Juglanscathayensisvar.formosana30.43±0.78bc29.52±0.74bc898.29cd(5%)1.03(1%) 9(8-10)美國山核桃Caryaillinoinensis37.61±0.75cd36.55±1.09cd1374.64a(4%)1.03(3%) 3青錢柳Cyclocaryapaliurus31.30±2.12d29.02±1.24e908.33d(12%)1.08(3%) 4(4-5)

1)P: 極軸長 Polar axis length; E: 赤道軸長 Equatorial axis length; P×E: 極軸長與赤道軸長的乘積 The product of polar axis length and equatorial axis length; P/E: 極軸長與赤道軸長的比值 Ratio of polar axis length to equatorial axis length. 同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference (P<0.05). 括號中的百分數(shù)為變異系數(shù) Percentages in brackets are the coefficient of variance.

3 討論和結(jié)論

在植物世代遺傳過程中，由于花粉形態(tài)的遺傳保守性，其形態(tài)特征受外界環(huán)境的影響較少且相對穩(wěn)定，為研究物種的親緣關(guān)系和系統(tǒng)演化提供了依據(jù)。Wodehouse[14]認為，進化程度高的花粉調(diào)節(jié)功能強，而花粉的調(diào)節(jié)功能則隨其體積和表面積比值的減小而增強。一般認為，較原始的被子植物花粉體積較大，花粉體積從大向小演化。據(jù)此推測：在供試的6個樹種中，楓楊(楓楊屬)的演化程度最高，青錢柳(青錢柳屬)及胡桃屬的3個樹種(華東野核桃、美國黑核桃、胡桃)均處于中等演化水平，美國山核桃(山核桃屬)的演化程度最低。劉成運[15]認為，周孔類花粉最進化，3孔花粉次之，3孔溝花粉則較原始。本研究中，美國山核桃花粉為3孔型，相對于胡桃、青錢柳和楓楊較為原始。原始植物花粉均具有光滑且無定型的外壁，花粉表面紋飾的演化趨勢為表面光滑→表面具小穴、小溝狀雕紋→粗糙并具疣狀紋飾→表面顆粒狀→表面網(wǎng)狀[16]。本研究中，供試的6種胡桃科植物的花粉均為單?；ǚ郏砻婕y飾均為密集分布的顆粒狀并分布在整個花粉表面，由此可以推測胡桃科植物進化較快。

韓麗娟等[17]對胡桃科植物次生木質(zhì)部導管分子的解剖研究結(jié)果表明：在胡桃科中，山核桃屬最進化，核桃屬和楓楊屬均處于中等進化水平，且楓楊屬比核桃屬稍進化，與本文結(jié)果存在差異。Manning[18]根據(jù)胡桃科的花序形態(tài)推斷胡桃屬、山核桃屬和楓楊屬較進化，與本文觀點相一致。由此可見，僅以單一性狀判斷植物的演化順序具有一定局限性，需依據(jù)多學科研究證據(jù)分析胡桃科植物的演化關(guān)系。

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(責任編輯： 郭嚴冬)

Scanning electron microscope observation on pollen morphology of six tree species in Juglandaceae

MAO Xiaa,b， LI Xiaochuna,b， LIU Jingjinga,b， FU Xiangxianga,b,①

(Nanjing Forestry University: a. Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, b. College of Forestry, Nanjing 210037, China),J.PlantResour. &Environ., 2016, 25(4): 104-106

Pollen morphology of six tree species belonging to four genera in Juglandaceae was observed by scanning electron microscope. The results show that pollens of six tree species are all single grain with medium size, the exine ornamentation is densely distributed by granular glyph with compound germinal apertures scattering or along equatorial; there are great differences in number of germinal apertures (average 3-22), number of germinal apertures ofJuglansnigraLinn. is the most, while that ofCaryaillinoinensis(Wangenh.) K. Koch is the least. Polar axis length of pollen is 25.00-37.61 μm, equatorial axis length is 21.90-36.55 μm. The order of pollen size from small to big isPterocaryastenopteraC. DC.,Juglanscathayensisvar.formosana(Hayata) A. M. Lu et R. H. Chang,Cyclocaryapaliurus(Batal.) Iljinsk.,J.nigra,J.regiaLinn. andC.illinoinensis. Pollen shape ofC.paliurusandP.stenopterais flat pentagonal and flat polygonal, respectively, while that of other four tree species is flat spheroid. According to pollen size, exine ornamentation and germinal aperture morphology, evolutionary relationships of six tree species are discussed.

Juglandaceae; pollen; morphological characteristics; scanning electron microscope; evolutionary status

2015-11-25

國家自然科學基金資助項目(31470637； 31270673)； 江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(PAPD)

毛 霞(1991—)，女，江蘇南京人，博士研究生，主要從事花芽分化機制的研究。

①通信作者E-mail: xxfu@njfu.edu.cn

Q944.571; Q949.735

A

1674-7895(2016)04-0104-03

10.3969/j.issn.1674-7895.2016.04.13