臺灣水青岡和米心水青岡葉表皮微形態(tài)特征的比較

王 東， 張雪梅*， 吳定軍， 章世鵬， 何顯湘， 陳 堅， 史清茂

(1. 西華師范大學(xué)，西南野生動植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川南充 637009；2.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川南充 637009；3. 四川省旺蒼縣米倉山自然保護(hù)區(qū)管理局，四川旺蒼 628200)

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臺灣水青岡和米心水青岡葉表皮微形態(tài)特征的比較

王 東1,2， 張雪梅1,2*， 吳定軍3， 章世鵬3， 何顯湘3， 陳 堅3， 史清茂3

(1. 西華師范大學(xué)，西南野生動植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川南充 637009；2.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川南充 637009；3. 四川省旺蒼縣米倉山自然保護(hù)區(qū)管理局，四川旺蒼 628200)

摘要[目的]比較水青岡屬2種植物間的葉片微形態(tài)特征和生態(tài)學(xué)適應(yīng)性，并探討米倉山自然保護(hù)區(qū)水青岡屬植物種類的劃分和親緣關(guān)系。[方法]在光學(xué)顯微鏡下，對四川廣元米倉山自然保護(hù)區(qū)2種水青岡屬植物臺灣水青岡和米心水青岡的葉表皮微形態(tài)特征進(jìn)行觀察，并測定了相應(yīng)的數(shù)量指標(biāo)。[結(jié)果]2種植物葉表皮形態(tài)的一致性表現(xiàn)為：上表皮細(xì)胞形狀幾乎為不規(guī)則形，下表皮細(xì)胞形狀多為多邊形，下表皮垂周壁多為近平直；2種植物均只在下表皮分布有氣孔器，排列方式均為無規(guī)則型。2種植物的葉表皮形態(tài)的差異則主要表現(xiàn)在表皮細(xì)胞垂周壁式樣、表皮毛的有無，角質(zhì)膜附屬物等方面，依此可以區(qū)分2個物種。[結(jié)論]葉表皮特征對于水青岡屬植物種類的劃分和親緣關(guān)系的確定具有一定的分類學(xué)意義。

關(guān)鍵詞臺灣水青岡；米心水青岡；形態(tài)學(xué)；葉表皮； 分類學(xué)

Micromorphological Characteristics Comparison of Leaf Epidermis ofFagushayataeandFagusengleriana

WANG Dong1,2, ZHANG Xue-mei1,2*, WU Ding-jun3et al

(1. Key Laboratory of Southwest China Wildlife Resources Conservation, Ministry of Education, China West Normal University, Nanchong, Sichuan 637009; 2. College of Life Sciences, China West Normal University, Nanchong, Sichuan 637009; 3. MiCangShan Nature Reserve Administration, Wangcang, Sichuan 628200 )

Abstract[Objective] To compare the leaf micromorphological features and ecological adaptability ofFagusenglerianaandFagushayatae, and to discuss the classification and affinity of Fagus plant species in MiCangShan Nature Reserve. [Method] Under optical microscope, leaf epidermis ofF.englerianaandF.hayataewas observed and researched in MiCangShan Nature Reserve. Corresponding quantitative index was detected. [Result] Morphology consistency of leaf epidermis was as follows: epidermal cell shape was mostly irregular; while epidermal cells were almost polygonal. Anticlinal wall of lower epidermis was almost straight. The two plants both had stomatal apparatuses in lower epidermis with irregular arrangement. Differences of leaf epidermis morphology were manifested in anticlinal wall type of the epidermal cells, the existence of epidermal hairs, appurtenance of cuticular membrane and so on, which could be used to distinguish the two species. [Conclusion] Characteristics of leaf epidermis have certain taxonomical significance to the classification and genetic relationship ofFagusplants.

Key wordsFagushayatae;Fagusengleriana; Morphological characteristics; Leaf epidermis; Botany

葉表皮的形態(tài)具有一定的穩(wěn)定性，特別是氣孔器及葉表皮紋飾等形體特征往往具有種級或?qū)偌壦缴系牟町?，且不受雌雄同株或雌雄異株的影響，其性狀表現(xiàn)能作為植物分類學(xué)的依據(jù)，被植物學(xué)家認(rèn)為在分類學(xué)上或系統(tǒng)學(xué)上都具有潛在的價值[1-2]，因此對葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可用于分類群的鑒定[3-4]。近10多年來，葉表皮性狀的研究受到越來越多的重視[5-7]，其系統(tǒng)學(xué)意義已被許多試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)：葉表皮特征在屬內(nèi)較為穩(wěn)定，如表皮細(xì)胞形狀和垂周壁式樣、氣孔器類型等在各屬內(nèi)的分布也有一定的系統(tǒng)學(xué)意義[8-10]。

水青岡屬是溫帶落葉闊葉林的主要建群種之一[11]。目前，國內(nèi)外關(guān)于水青岡屬植物的形態(tài)學(xué)研究主要集中于孢粉學(xué)、核型等方面。曹小燕等[12]通過對水青岡屬5種植物葉脈結(jié)構(gòu)特征的研究，認(rèn)為水青岡屬二級脈與更高級脈序形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且存在種間差異，具有重要的分類學(xué)價值。方精云等[11]對浙江產(chǎn)水青岡屬植物的木材和葉片的解剖學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明木材和葉片的解剖特征在種間和種內(nèi)差異較為顯著, 葉表面結(jié)構(gòu)特征和葉解剖特征的種間變化顯示了一定的規(guī)律性。孢粉學(xué)研究方面，對殼斗科植物的花粉形態(tài)在國內(nèi)較早的研究有《中國植物花粉形態(tài)》[13]，而《殼斗科植物花粉形態(tài)及生物地理》則全面系統(tǒng)地介紹了殼斗科各屬的花粉形態(tài)及超微結(jié)構(gòu),對科下系統(tǒng)、亞科劃分、屬間親緣關(guān)系及系統(tǒng)演化等問題進(jìn)行了探討，論述了殼斗科的早期分化、生物多樣性和生物地理[14]。迄今為止，對水青岡屬植物的研究都比較零散，不全面，形態(tài)學(xué)研究尤其缺乏，目前關(guān)于葉表皮的微形態(tài)特征及其系統(tǒng)學(xué)意義的研究尚鮮見報道。筆者對米倉山自然保護(hù)區(qū)12個采集地的水青岡屬植物臺灣水青岡和米心水青岡的葉表皮形態(tài)進(jìn)行比較觀察與研究，以期為該地區(qū)2種植物的系統(tǒng)分類和演化研究提供微形態(tài)學(xué)資料。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)所用的2種12個居群的材料來源見表1，試驗(yàn)材料均采自四川廣元米倉山自然保護(hù)區(qū)，憑證標(biāo)本存于西華師范大學(xué)。

1.2試驗(yàn)方法取成熟的葉片置于燒杯中，在酒精燈上適量煮沸排氣3 min后取出葉片，冷卻后擦凈水分，用刀片從成熟葉片中脈兩側(cè)剪取若干1 cm×1 cm的小塊，用蒸餾水沖洗后風(fēng)干，在55%的次氯酸鈉溶液中離析。離析時間2～4 h，泡至角質(zhì)層與葉肉分離，用刀片刮去不需要的上層或下層表皮，用毛筆輕輕刷去殘留葉肉組織，然后進(jìn)行染色，用蒸餾水漂洗制成臨時裝片，在顯微數(shù)碼照相機(jī)上拍照。

氣孔指數(shù)計算方法：在同一倍數(shù)下(100×)隨機(jī)測量視野的氣孔指數(shù)和細(xì)胞數(shù)，各取其平均值，按照以下公式計算氣孔指數(shù)：氣孔指數(shù)I=[S/(S+P)]×100，其中S為氣孔的數(shù)目，P為視野內(nèi)的細(xì)胞數(shù)。

掃描電鏡下觀察的材料先用毛筆將葉片輕輕擦拭，去除灰塵，剪成0.5 cm×0.5 cm的小方塊，再用雙面膠固定在樣品臺上，噴鍍后在掃描電鏡下觀察拍照。

表1　試驗(yàn)材料來源

2結(jié)果與分析

注：a～f：臺灣水青岡；g～l：米心水青岡。Note:a-f：Fagus hayatae；g-l：Fagus engleriana.圖1　光鏡下臺灣水青岡和米心水青岡的上表皮微形態(tài)特征(40×)Fig. 1　adaxial epidermis features in light microscopy of Fagus hayatae and Fagus engleriana(40×)

2.1在光鏡下觀察到的臺灣水青岡和米心水青岡表皮細(xì)胞形態(tài)和垂周壁式樣 通過光鏡顯微鏡所觀察的米心水青岡和臺灣水青岡的上表皮細(xì)胞形狀是無規(guī)則型(圖1)，下表皮為無規(guī)則形或多邊形(圖2)，葉下表皮細(xì)胞比上表皮小(表2)。葉表皮細(xì)胞垂周壁式樣大致可分為近平直、淺波狀和深波狀3種類型(圖1、2)。2.2在光鏡下觀察到的米心水青岡和臺灣水青岡的氣孔器特征通過光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，氣孔器普遍存在于下表皮, 上表皮未見氣孔器分布,氣孔器主要由保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成, 其表面為寬橢圓形、 長橢圓形，類型均為無規(guī)則型(圖2)。2種水青岡屬植物的氣孔器的分布不均勻,但12個居群中臺灣水青岡和米心水青岡的氣孔指數(shù)和保衛(wèi)細(xì)胞的形狀在種間的差別不大。臺灣水青岡幾個居群的氣孔指數(shù)范圍為10.93～17.02，米心水青岡幾個類群的氣孔指數(shù)范圍為11.12～13.67。臺灣水青岡幾個類群的氣孔平均長度范圍為12.242 0～16.543 6 μm，米心水青岡幾個類群的氣孔平均長度范圍為12.598 8～13.899 5 μm，臺灣水青岡的氣孔指數(shù)明顯要高于米心水青岡(表2)。

注：a～f.臺灣水青岡；g～l.米心水青岡?！ote：a-f：Fagus hayatae；g-l：Fagus engleriana.圖2　光鏡下臺灣水青岡和米心水青岡的下表皮微形態(tài)特征(40×)Fig. 2　Abaxial epidermis features in light microscopy of Fagus hayatae and Fagus engleriana(40×)

編號Code表皮細(xì)胞形狀Shapeofepidermalcell上表皮Upperepidermis下表皮Lowerepidermis垂周壁式樣Modeofanticlinalwall上表皮Upperepidermis下表皮Lowerepidermis下表皮Lowerepidermis氣孔長度范圍Rangeofstomatallength∥μm氣孔平均長度Averagelengthofstoma∥μm氣孔指數(shù)Stomataindex1不規(guī)則不規(guī)則深波狀近平直14.5147～17.126415.358814.132不規(guī)則多邊形深波狀近平直10.8820～13.121512.342015.963不規(guī)則不規(guī)則深波狀近平直13.3089～15.446114.140517.024不規(guī)則不規(guī)則深波狀淺波狀13.4486～15.917414.476012.795不規(guī)則不規(guī)則深波狀近平直15.8019～17.635416.543614.676不規(guī)則不規(guī)則深波狀近平直14.8712～17.334716.367110.937不規(guī)則多邊形淺波狀近平直12.3251～15.281913.631812.968不規(guī)則不規(guī)則淺波狀近平直12.7245～14.666213.411411.299不規(guī)則不規(guī)則淺波狀淺波狀12.2631～14.926713.855411.1210不規(guī)則多邊形淺波狀近平直12.5957～15.217813.899512.7311不規(guī)則多邊形淺波狀近平直11.4084～14.174012.598812.3112不規(guī)則多邊形淺波狀淺波狀10.3569～13.844213.197013.67

2.3在掃描電鏡下觀察到的葉表皮細(xì)胞的特征從圖3和圖4可以看出，臺灣水青岡和米心水青岡的上下表皮細(xì)胞角質(zhì)層紋飾均表現(xiàn)為有條紋狀突起，并分布有稀疏的顆粒或致密的鱗片。2種植物葉表皮的氣孔器外拱蓋內(nèi)緣近平滑；保衛(wèi)細(xì)胞兩極加厚；但米心水青岡的氣孔被密集的鱗片所覆蓋(圖4)。掃描電鏡下還觀察到2種水青岡下表皮具表皮毛,毛基部表皮細(xì)胞輪廓不清晰,表皮毛細(xì)胞扁平；但是臺灣水青岡僅葉脈處有毛(圖3)，而米心水青岡則下表皮都被有疏散的柔毛(圖4)。

3討論

圖3　電鏡下臺灣水青岡的葉表皮形態(tài)特征Fig.3　Epidermal features in SEM of Fagus hayatae

圖4　電鏡下米心水青岡的葉表皮形態(tài)特征Fig.4　Epidermal features in SEM of Fagus engleriana

3.1臺灣水青岡和米心水青岡的葉表皮形態(tài)學(xué)比較前人對葉表皮形態(tài)學(xué)的研究結(jié)果表明植物葉表皮微形態(tài)特征在種間存在較大的差異，其中表皮細(xì)胞形狀、氣孔類型和細(xì)胞角質(zhì)膜特征等是較為穩(wěn)定的演化特征，不受環(huán)境等的影響，可以作為物種分類與鑒別的依據(jù)[15]。該研究也呈現(xiàn)出相同的結(jié)論，從光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察結(jié)果看, 葉表皮微形態(tài)表現(xiàn)出較高的多態(tài)性; 在屬的范疇中, 又表現(xiàn)為一定的一致性, 使得微形態(tài)特征可以成為探討水青岡屬內(nèi)分類群的分類和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的依據(jù)?？傮w來看，物種內(nèi)不同的居群間沒有較大的差異，但是物種間則差異顯著，主要表現(xiàn)為以下方面：①葉表皮被毛。臺灣水青岡僅葉片主脈分布有密集的柔毛；而米心水青岡則是整個葉片都被有稀疏的柔毛。 ②葉表皮細(xì)胞。臺灣水青岡上表皮細(xì)胞垂周壁式樣皆為深波狀, 垂周壁在細(xì)胞壁尖端加厚；米心水青岡上表皮細(xì)胞垂周壁式樣多為淺波狀。臺灣水青岡和米心水青岡上表皮細(xì)胞垂周壁式樣的明顯不同可以作為區(qū)別這2種植物的鑒別特征。③角質(zhì)膜特點(diǎn)。臺灣水青岡的角質(zhì)膜具條紋狀突起和少量鱗片顆粒；米心水青岡的角質(zhì)層具條紋狀突起和大量密集鱗片。與臺灣水青岡相比，米心水青岡鱗片較多，突起較彎曲，臺灣水青岡突起較平穩(wěn)。④從氣孔形態(tài)來看，米心水青岡氣孔上有較多鱗片覆蓋，而臺灣水青岡則沒有；2種水青岡的氣孔形態(tài)較為一致，形狀為長寬相差不大的橢圓形或近圓形，氣孔外拱蓋為單層，外拱蓋內(nèi)緣平滑，保衛(wèi)細(xì)胞外壁光滑或有蠟質(zhì)鱗片覆蓋，兩個保衛(wèi)細(xì)胞高于開口，成一圓環(huán)狀包圍開口；臺灣水青岡和米心水青岡都有較顯著的蠟質(zhì)覆蓋。

作為同一屬的植物，它們的葉表皮特征的一致性則表現(xiàn)為表皮細(xì)胞的形態(tài)和氣孔器的類型上。該試驗(yàn)結(jié)果表明,無論是用作光學(xué)顯微鏡材料的新鮮標(biāo)本,還是用作掃描電鏡的蠟葉標(biāo)本,同種植物的葉表皮細(xì)胞、氣孔器等特征是一致的,但是同一屬下面的2種植物雖外部形態(tài)大致相似，但仍然可以通過葉表皮微形態(tài)的差別區(qū)分出2個物種。由此可見,結(jié)合外部形態(tài)特點(diǎn),葉表皮的微形態(tài)特征對研究水青岡的分類鑒定具有一定的參考價值。

3.2葉表皮形態(tài)學(xué)的系統(tǒng)演化意義從表皮細(xì)胞垂周壁波狀彎曲程度這個進(jìn)化角度來看，細(xì)胞之間鑲嵌越緊密，保護(hù)效果越明顯，應(yīng)處于更進(jìn)化的地位[16]，而該研究中臺灣水青岡6個居群的垂周壁式樣基本一致，呈現(xiàn)為深波狀；而米心水青岡則多呈淺波狀。據(jù)此推測，在表皮細(xì)胞進(jìn)化上，臺灣水青岡處于相對進(jìn)化的地位。

陳之端等[5]認(rèn)為氣孔器應(yīng)由無規(guī)則型向短平列型發(fā)育。呂海亮等[17]則認(rèn)為單就氣孔形態(tài)而言，演化模式可能為無規(guī)則型→不等型→橫列或平列型→等位橫列型。該試驗(yàn)中的2種水青岡屬植物的12個居群的氣孔器類型都為無規(guī)則型，說明該試驗(yàn)中2種植物在氣孔器類型的進(jìn)化上相似，都為較原始的類型。

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中圖分類號Q 944

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-026-05

收稿日期2016-01-26

作者簡介王東(1990- )，男，陜西禮泉人，碩士研究生, 研究方向：植物與資源保護(hù)利用。*通訊作者，講師，博士，碩士生導(dǎo)師，從事植物系統(tǒng)與進(jìn)化研究。

基金項目四川米倉山自然保護(hù)區(qū)水青岡屬植物種質(zhì)資源調(diào)查項目；西華師范大學(xué)博士科研啟動基金項目(412532)。