5種石杉屬植物葉表皮特征研究

吳燕笛 韓乾奇 何美娜 白壯東 郭 斌 尉亞輝*

(1.西北大學(xué)生命科學(xué)院西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，西安 710069； 2.陜西省生物技術(shù)重點實驗室，西安 710069)

5種石杉屬植物葉表皮特征研究

吳燕笛1,2韓乾奇1,2何美娜1,2白壯東1,2郭 斌1,2尉亞輝1,2*

(1.西北大學(xué)生命科學(xué)院西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，西安 710069；2.陜西省生物技術(shù)重點實驗室，西安 710069)

利用光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡對石杉科(Huperziaceae)石杉屬(Huperzia)5種植物：蛇足石杉(Huperziaserrata(Thunb. ex Murray) Trev.)、皺邊石杉(Huperziacrispata(Ching) Ching.)、四川石杉(Huperziasutchueniana(Herter)Ching.)、南嶺石杉(Huperziananlingensis)和長柄石杉(Huperziajavaensis)的葉片微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與研究。結(jié)果顯示：這5種石杉均無葉表面附屬物，具無規(guī)則四細(xì)胞型和不規(guī)則型兩種類型的氣孔，不規(guī)則型為主要氣孔類型。這5種石杉在氣孔組成上具多型現(xiàn)象，氣孔多為下生型，分布方式及大小多樣；葉表皮細(xì)胞在不同類型中有大小差異但均呈不規(guī)則狀，表皮細(xì)胞垂周壁呈波紋狀(深波狀、淺波狀)。上述研究結(jié)果為石杉屬植物的進(jìn)一步分類與研究提供依據(jù)。

石杉；氣孔器；葉表皮；微形態(tài)特征

蕨類植物為古老物種，在漫長的歷史演化中其系統(tǒng)發(fā)生信息被大量丟失，因此該類植物系統(tǒng)演化關(guān)系的重建和物種的分類是植物學(xué)家面臨的重要任務(wù)之一[1]。蕨類植物的表皮微特征及其附屬物是分類的依據(jù)之一[2～3]。對葉表皮的微形態(tài)如氣孔器類型、表皮細(xì)胞類型的研究于植物分類系統(tǒng)有重要意義[4～6]。近年來，植物分類學(xué)家越來越重視對植物葉表皮微形態(tài)特征的研究[7]。張浩等人利用光學(xué)顯微鏡對武安國家森林公園14種觀賞蕨類植物葉表皮細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)幾種蕨類植物不同種屬間具有一定的共性，表現(xiàn)為氣孔器全部為下生氣孔。但在葉表皮細(xì)胞的大小、形態(tài)、垂周壁式樣及氣孔器的類型、保衛(wèi)細(xì)胞的長寬、氣孔指數(shù)等特征上存在一定的差異，這一研究結(jié)果為它們劃分親緣關(guān)系遠(yuǎn)近的提供新的參考依據(jù)[8]；梁曉華、金銀寶、徐成東等利用光學(xué)顯微鏡對鱗毛蕨科6種鱗毛蕨屬植物和2種耳蕨屬植物葉表皮特征進(jìn)行比較觀察和分析，發(fā)現(xiàn)這8種蕨類植物的共性在于葉片表面無附屬物，氣孔器類型具多型現(xiàn)象，氣孔密度差異不大。主要區(qū)別在于鱗毛蕨屬的氣孔器類型以不等細(xì)胞型和極細(xì)胞型為主而耳蕨屬植物氣孔器類型多為無規(guī)則四細(xì)胞型。鱗毛蕨屬植物氣孔器較耳蕨屬狹長，表皮細(xì)胞為不規(guī)則型，垂周壁呈波狀或不規(guī)則凹凸?fàn)?，耳蕨屬植物表皮?xì)胞狹長，垂周壁為淺波狀；耳蕨屬氣孔器指數(shù)總體上小于6種鱗毛蕨。由此得出表皮的微特征可以作為劃分鱗毛蕨科植物依據(jù)的結(jié)論，為進(jìn)一步分類鑒定鱗毛蕨屬植物的提供了新的形態(tài)學(xué)依據(jù)[9]；還有一些其他類似研究報告[10～13]。

而石杉類植物，在分類學(xué)上，是否分科分屬和如何分科分屬，在植物分類學(xué)界一直沒有統(tǒng)一的意見。1981年秦仁昌先生接受了捷克植物學(xué)家Holub的觀點[14]并在此基礎(chǔ)上建立了中國的石松類植物的分類系統(tǒng)，改變了我國過去長期以來科屬不分，把石松類植物統(tǒng)稱石松的混亂狀態(tài)，這一系統(tǒng)在我國一直沿用至今[15]，但在其屬下分類的問題上，仍存在爭議[16]。本文希望通過對石杉屬5個不同種的鮮活葉片表皮微結(jié)構(gòu)的觀察研究為石杉科石杉屬的進(jìn)一步細(xì)分提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

本實驗所用材料，南嶺石杉(Huperziananlingensis)采自云南金平，蛇足石杉(Huperziaserrata(Thunb.ex Murray) Trev.)，皺邊石杉(Huperziacrispata(Ching) Ching.)，四川石杉(Huperziasutchueniana(Herter) Ching.)及長柄石杉(Huperziajavaensis)均采自湖北恩施。材料系據(jù)中科院植物所標(biāo)本館張憲春老師鑒定。這5種石杉屬植物中，蛇足石杉、皺邊石杉和四川石杉均屬蛇足石杉組。

1.2 方法

取要觀察的五種石杉屬植物葉片標(biāo)本，清洗干凈后置于濾紙上吸干表面水分，用手術(shù)刀片刮取表皮。刮去葉片下表皮及葉肉得到上表皮，刮去上表皮及葉肉得到下表皮。切取所刮出的表皮，置于載玻片上制成水封片，分別用OLYMPUS BX50型光學(xué)顯微鏡和Leica DMI3000B型電子顯微鏡進(jìn)行觀察及拍照。每種葉型上下表皮各制5個樣品，每樣品隨機(jī)觀察5個視野。利用軟件粒徑分布計算1.2對照片中的表皮細(xì)胞和氣孔進(jìn)行測量及統(tǒng)計。文中所得各項數(shù)據(jù)均是隨機(jī)選取的25個視野中表皮細(xì)胞及氣孔的平均值。氣孔器的命名均參考Dilche[18]，F(xiàn)ryns-Claessens[19]中相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分類。在無規(guī)則型氣孔中，又存在分別有5個，6，7和8個不同副衛(wèi)細(xì)胞數(shù)目的4類氣孔，下文中略寫為5副衛(wèi)無規(guī)則型，6副衛(wèi)無規(guī)則型，7副衛(wèi)無規(guī)則型和8副衛(wèi)無規(guī)則型氣孔進(jìn)行統(tǒng)計。

氣孔指數(shù)=氣孔數(shù)/(表皮細(xì)胞數(shù)+氣孔數(shù))×100

2 觀察結(jié)果

在對這5種石杉屬植物葉表皮的觀察研究中發(fā)現(xiàn)，它們均葉片光滑，無表皮附屬物。每種植物具有4～5種類型的氣孔器；在長柄石杉與四川石杉中發(fā)現(xiàn)了氣孔聚集的現(xiàn)象。蛇足石杉的上表皮每5片葉子種平均出現(xiàn)2個氣孔，其它4種的上表皮未發(fā)現(xiàn)氣孔器或氣孔器出現(xiàn)頻率過小而認(rèn)為其氣孔器為下生型；保衛(wèi)細(xì)胞與表皮細(xì)胞處于同一水平面，氣孔呈分散排列，較為均勻，分布方向與葉長軸方向一致。表皮細(xì)胞為不規(guī)則型，上表皮細(xì)胞垂周壁為深波或淺波狀，下表皮均為深波狀。

從3種蛇足石杉組植物的外觀及其在張麗兵等[17]的分類中看，蛇足石杉與皺邊石杉親緣關(guān)系較近，均為邊緣具粗齒的披針形葉，區(qū)別在于皺邊石杉邊緣皺曲而蛇足石杉邊緣不皺曲；四川石杉的葉型與前兩者差別較大，主要在于四川石杉葉片長寬比明顯大于前兩者。南嶺石杉和長柄石杉兩者在分類上獨立于蛇足石杉組植物，它們從形態(tài)也與蛇足石杉組植物有較大差別。

3 討論

(1)在對這5種石杉屬植物葉表皮特征的研究中發(fā)現(xiàn)，這5種石杉屬植物的氣孔器可細(xì)分為5種(圖版Ⅱ)，多分布于下表皮上，上表皮上極少或沒有，氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞與葉表皮細(xì)胞分布于同一水平面上，氣孔統(tǒng)一朝向葉長軸方向，分布較為均勻。每種葉片上有時會同時出現(xiàn)多種不同的氣孔器類型，每種葉型均存在4～5種不同型氣孔。這些氣孔主要有不規(guī)則型，無規(guī)則四細(xì)胞型兩種，其余4種(5副衛(wèi)不規(guī)則型，6副衛(wèi)不規(guī)則型，7副衛(wèi)不規(guī)則型和8副衛(wèi)不規(guī)則型)均屬于不規(guī)則型。每種中各類氣孔出現(xiàn)的頻率不同，蛇足石杉和皺邊石杉中6副衛(wèi)不規(guī)則型占多數(shù)，南嶺石杉，長柄石杉和四川石杉中5副衛(wèi)不規(guī)則型占多數(shù)(表1)。

圖版Ⅱ 5種石杉葉片中的氣孔 1.無規(guī)則四細(xì)胞型；2. 5副衛(wèi)不規(guī)則型；3. 6副衛(wèi)不規(guī)則型；4. 7副衛(wèi)不規(guī)則型；5. 8副衛(wèi)不規(guī)則型；6.氣孔簇PlateⅡ Stomatals of five species Huperzia 1.Anomotetracytic; 2. 5-subsidiary cells Anomocytic; 3. 6-subsidiary cells Anomocytic; 4. 7-subsidiary cells Anomocytic; 5. 8-subsidiary cells Anomocytic; 6.Multi-type phenomena

葉型Leafspecies氣孔器類型Typeofstomatalapparatus(%)無規(guī)則四細(xì)胞型Anomotetrac?ytic(PlateⅡ：1)5副衛(wèi)不規(guī)則型Anomocytic(5?subsidiarycells)(PlateⅡ：2)6副衛(wèi)不規(guī)則型Anomocytic(6?subsidiarycells)(PlateⅡ：3)7副衛(wèi)不規(guī)則型Anomocytic(7?subsidiarycells)(PlateⅡ：4)8副衛(wèi)不規(guī)則型Anomocytic(8?subsidiarycells)(PlateⅡ：5)長柄石杉H．javaensis23．0844．6224．624．620南嶺石杉H．nanlingensis31．4348．5717．142．860四川石杉H．sutchueniana23．9138．0423．915．430皺邊石杉H．crispata23．0825．6442．317．691．28蛇足石杉H．serrata26．5629．6940．633．130

5種石杉?xì)饪椎拈L寬比在1.7～2.3的范圍內(nèi)，長柄石杉的氣孔最大，四川石杉的氣孔最小；氣孔分布最密的是皺邊石杉，最疏的是蛇足石杉，兩者的氣孔密度相差一倍。不同種石杉屬植物的氣孔大小、長寬比和密度存在較明顯差異(表2)，因此可以作為分類學(xué)依據(jù)之一。

在長柄石杉和四川石杉中發(fā)現(xiàn)了氣孔的聚集現(xiàn)象(圖版Ⅱ:6)，在自然界中已報導(dǎo)有20科60余種植物存在氣孔聚集分布現(xiàn)象[20～21]，這些氣孔成簇植物多半生活在干旱，鹽堿或水分供應(yīng)條件較差的環(huán)境里，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，氣孔簇的出現(xiàn)可能與植物對環(huán)境變化的適應(yīng)有關(guān)[22]。

(2)從表皮細(xì)胞的觀察結(jié)果來看，這5種石杉的表皮細(xì)胞呈不規(guī)則狀，細(xì)胞大小差異較大，除長柄石杉、南嶺石杉與四川石杉上表皮的垂周壁為淺波狀，下表皮為深波狀外，其余種的上下表皮垂周壁均為深波狀。從反映表皮細(xì)胞與氣孔在葉表皮所占比例的氣孔指數(shù)來看長柄石杉與四川石杉?xì)饪字笖?shù)相近且最大，其余3種的氣孔指數(shù)相差較大，其中蛇足石杉的氣孔指數(shù)最小(表3)。

表2 5種石杉屬植物氣孔器特征

表3 5種蛇足石杉葉表皮特征

通過本文研究，不同種石杉屬植物的氣孔及表皮細(xì)胞間存在差異，可依此為石杉屬植物的進(jìn)一步分類提供參考。另外，石杉屬植物中氣孔聚集現(xiàn)象可為不同生境的石杉分類提供依據(jù)。

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LeafEpidermalFeaturesofFiveSpeciesPlantsofHuperzia

WU Yan-Di1,2Han Qian-Qi1,2HE Mei-Na1,2BAI Zhuang-Dong1,2GUO Bin1,2WEI Ya-Hui1,2*

(1.Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China, Ministry of Education,College of Life Science,Northwest University,Xi’an 710069；2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Biotechnology,Xi’an 710069)

We studied the microscopic characters of the leaves ofHuperziaserrata(Thunb. ex Murray) Trev,Huperziacrispata(Ching) Ching,Huperziasutchueniana(Herter) Ching,HuperziananlingensisandHuperziajavaensis. with optical microscope and electron microscope. There are no trichome in the leaves of five species. We observed two types of stomatal apparatu(anomotetracytic and anomocytic) in the leaves of the five species. Anomocytic type is a typical stomata of these five species. The stomatal apparatus have multi-type phenomena, most of the stamatal are hypostomatic types, while their distributive modes and size also varies. There are obvious differences of leaf epidermal cell size and shape in five kinds of Huperzia plant, and the anticlinal walls of the epidermal cell are corrugated(undulate and sinuate).

Huperzia;stomatal apparatus;epidermis;micromorphological feature

國家自然科學(xué)基金項目(31000144)，陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(14JS099)

吳燕笛(1994—)，女，本科，主要從事植物解剖學(xué)的研究。

* 通信作者：E-mail:weiyahui@nwu.edu.cn

2015-07-28

S682.35

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.002