基于形態(tài)和葉表皮微形態(tài)特征試論國產(chǎn)賴草屬屬下類群間的系統(tǒng)關(guān)系

李兆孟 周勇輝 劉玉萍 蘇 旭

(青海師范大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院,青藏高原藥用動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青藏高原環(huán)境與資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008)

基于形態(tài)和葉表皮微形態(tài)特征試論國產(chǎn)賴草屬屬下類群間的系統(tǒng)關(guān)系

李兆孟 周勇輝 劉玉萍 蘇 旭*

(青海師范大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院,青藏高原藥用動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青藏高原環(huán)境與資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008)

通過對先前學(xué)者報(bào)道的國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種、72個(gè)代表居群形態(tài)和葉表皮微形態(tài)性狀特征的觀測和研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)原國產(chǎn)賴草屬物種在旗葉長寬、葉片被毛狀況、花序直曲和長寬、穗軸每節(jié)小穗數(shù)、每小穗小花數(shù)、外稃和內(nèi)稃長度等15個(gè)外部形態(tài)學(xué)性狀上均存在不同程度的差異，可將參試物種區(qū)分為3個(gè)不同的組；大賴草、粗穗賴草、碩花賴草和柴達(dá)木賴草多穗組植物的穗狀花序粗壯呈圓錐狀、直立、密集，穗軸同節(jié)著生3-多枚小穗，每小穗常含3～10小花，穎線狀披針形等，致使其處于該屬最原始的地位；皮山賴草、若羌賴草和格爾木賴草單穗組物種的穗狀花序細(xì)弱呈線狀、直立、疏松，穗軸每節(jié)僅著生1枚小穗，每小穗往往含2～5小花，穎線狀披針形或錐形，這些較高級(jí)的外部形態(tài)特征使得該組植物隸屬于賴草屬中較高級(jí)的類群；而少穗組植物的外部形態(tài)性狀通常介于前兩組植物的中間過渡狀態(tài)，因而它的系統(tǒng)地位自然也應(yīng)處于多穗組和單穗組植物之間。同時(shí)，依據(jù)外部形態(tài)性狀的遞變趨勢分析顯示，3組植物具有直接的派生淵源。(2)國產(chǎn)賴草屬植物的葉表皮皆由長細(xì)胞、短細(xì)胞、氣孔器細(xì)胞和刺毛所組成，表現(xiàn)為典型的狐茅型；它們除在長細(xì)胞類型和壁的厚薄、氣孔器保衛(wèi)細(xì)胞的體積和類型等性狀上具有明顯重疊而顯示相似外，其它多數(shù)性狀如長細(xì)胞的長度和壁的波曲程度、短細(xì)胞的分布式樣、副衛(wèi)細(xì)胞的形狀及刺毛的類型等性狀上具有明顯差異，其可將賴草屬植物鑒分為與形態(tài)學(xué)界定結(jié)果完全相同的3個(gè)組。同時(shí)，根據(jù)3組植物及組內(nèi)物種葉表皮性狀的演化趨勢，對各組和組內(nèi)物種的演化關(guān)系和系統(tǒng)位置分析表明，多穗組植物最原始，少穗組植物較進(jìn)化，單穗組植物最高級(jí)；多穗組可能直接派生了較進(jìn)化的少穗組，并在少穗組的基礎(chǔ)上進(jìn)而產(chǎn)生了最高級(jí)的單穗組。賴草屬屬下類群的這一系統(tǒng)關(guān)系與利用外部形態(tài)特征所獲得的系統(tǒng)與進(jìn)化關(guān)系基本一致。

禾本科；賴草屬；形態(tài)性狀；葉表皮微形態(tài)；系統(tǒng)關(guān)系

賴草屬(LeymusHochst)是禾本科(Poaceae)、小麥族(Triticeae)中一個(gè)具有重要經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值的多年生屬[1]。現(xiàn)知，全世界共約有53種，從北極寒溫帶到南亞熱帶均有其分布；我國共有33種、4亞種和3變種[2]，其中僅有24種、4亞種和2變種被《Flora of China》[3]所記載，主要分布于西北、華北、東北及西南地區(qū)，通常生長于海拔500～5 000 m左右的干旱半干旱山坡、草地、林緣、路旁、河灘、墻腳等地，尤其是它們對干旱、寒冷、鹽堿等逆境條件具有高度的適應(yīng)性。同時(shí)，賴草屬中多數(shù)物種為優(yōu)良牧草，具有較高的飼用價(jià)值。另外，絕大多數(shù)賴草屬植物還具有穗大、粒多、粒大、抗病蟲、高光效等優(yōu)良特性[4]，是農(nóng)牧業(yè)上育種的重要基因資源。

賴草屬系由Hochstetter[5]于1958年基于歐濱麥(Leymusarenarius(L.) Hochst.)所建立。自該屬建立以來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對賴草屬的范圍、形態(tài)特征、生境、地理分布和細(xì)胞學(xué)進(jìn)行了一系列的研究[6～14]，取得了令人稱羨的成績。盡管前人的研究功不可沒，但它們卻具有一定的局限性，如有的學(xué)者僅采用單一的外部形態(tài)性狀來建立新物種，也有的學(xué)者僅采用單一的研究手段來確定物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，這種局部的、不完整的研究資料是不能代表整個(gè)國產(chǎn)賴草屬系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系的；同時(shí)，加之賴草屬是一個(gè)多型性、多變異的屬，屬內(nèi)部分近緣物種間性狀差異較小，種間界限模糊不清，往往給野外鑒定造成困難或?qū)е率覂?nèi)鑒定的張冠李戴。尤其是先前學(xué)者[15～16]依據(jù)少量代表種的葉表皮微形態(tài)特征確立的國產(chǎn)賴草屬的組群劃分和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系究竟是否正確?目前，國內(nèi)外均未見學(xué)者做過任何驗(yàn)證性研究報(bào)道。據(jù)此，本文以先前學(xué)者發(fā)表的24個(gè)國產(chǎn)賴草屬物種作為研究對象，以葉表皮微形態(tài)特征為依據(jù)，并結(jié)合外部形態(tài)特征，試圖探討國產(chǎn)賴草屬屬下類群間的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，這不僅可為先前確立的國產(chǎn)賴草屬系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系再次進(jìn)行合理性驗(yàn)證，而且也可為整個(gè)小麥族植物系統(tǒng)與進(jìn)化關(guān)系的研究提供一些基礎(chǔ)性資料。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

供試材料全部取自館藏副份臘葉標(biāo)本。整個(gè)葉表皮解剖和外部形態(tài)特征觀測材料共涉及168份，盡量選取不同緯度、不同海拔的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)類群葉片上表皮的形狀差異較小，實(shí)驗(yàn)效果不大，故本研究實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)放在葉片下表皮上。同時(shí)，根據(jù)類群分布范圍的大小對各個(gè)代表物種的具體份額再次進(jìn)行分配，即碩花賴草(L.pluriflorus)、大賴草(L.racemosus)、皮山賴草(L.pishanica)、青海賴草(L.qinghaicus)、伊吾賴草(L.yiunensis)、胎生賴草(L.viviparus)、刺狀賴草(L.spiniformis)和光潔賴草(L.mundus)分布范圍狹窄，選擇全部居群的材料進(jìn)行形態(tài)學(xué)和葉表皮微形態(tài)特征的觀察和測量；而羊草(L.chinensis)和賴草(L.secalinus)的分布范圍廣泛，主要分布于青藏高原及其毗鄰地區(qū)，故對其僅選擇分布于青海、西藏、新疆和甘肅等省區(qū)的共16個(gè)居群材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。每個(gè)代表物種的典型憑證標(biāo)本詳見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料名稱及來源

續(xù)表1Continuedtable1

種名Species采集地Locality憑證標(biāo)本?Voucher實(shí)驗(yàn)用途Experimentused天山賴草L．tianschanicus新疆烏魯木齊Urumqi，Xinjiang新疆隊(duì)(XinjiangExp．)80MO、LE新疆喀什Kashi，Xinjiang新疆隊(duì)(XinjiangExp．)1719MO、LE新疆布爾津Buerjin，Xinjiang新疆隊(duì)(XinjiangExp．)1838MO、LE新疆哈巴河Habahe，Xinjiang新疆隊(duì)(XinjiangExp．)2244MO、LE胎生賴草L．viviparus新疆葉城Yecheng，Xinjiang黃榮福(R．F．Huang)CG?86?058MO、LE西藏朗縣NangCounty，Xizang西藏科考隊(duì)(XizangExp．)3464MO、LE新疆賽力木湖Sailimuhu，Xinjiang新疆隊(duì)(XinjiangExp．)399MO、LE青海賴草L．qinghaicus青海西寧Xining，Qinghai張志和等(Z．H．Zhang，etal．)2957MO、LE寬穂賴草L．ovatus西藏阿里Ali，Xizang西藏科考隊(duì)(XizangExp．)3759MO、LE西藏晉南Jinnan，Xizang西藏科考隊(duì)(XizangExp．)3983MO、LE青?，斍鶰aqu，Qinghai陳世龍等(S．L．Chen，etal．)1068MO、LE青海西寧Xining，Qinghai植被地理組(VegetationGeographyExp．)997MO、LE新疆葉城Yecheng，Xinjiang吳玉虎(Y．H．Wu)871407MO、LE窄穎賴草L．a(chǎn)ngustus青海循化Xunhua，Qinghai王為義(W．Y．Wang)5MO、LE新疆若羌Ruoqiang，Xinjiang黃榮福(R．F．Huang)3895MO、LE河北陽原Yangyuan，Hebei黃河隊(duì)(HuangheExp．)47MO、LE青?，敹郙aduo，Qinghai吳玉虎(Y．H．Wu)913MO、LE羊草L．chinensis新疆沙灣Shawan，Xinjiang關(guān)可儉(K．J．Guan)778MO、LE青海興海Xinghai，Qinghai郭本兆(P．C．Kuo)523MO、LE河北保定Baoding，Hebei采集人不詳(Anonymous)4016MO、LE山西太原Taiyuan，Shanxi李華錫(H．X．Li)89MO、LE黑龍江嘉蔭Jiayin，Heilongjiang王光正(G．Z．Wang)64MO、LE陜西延安Yan’an，Shanxi梁一民(Y．M．Liang)804MO、LE纖細(xì)賴草L．tenuis西藏吉隆Jilong，Xizang青藏隊(duì)(Qinghai?XizangExp．)6250MO、LE西藏扎達(dá)Zhada，Xizang青藏隊(duì)(Qinghai?XizangExp．)76?7856MO、LE西藏多瑪Doma，Xizang青藏隊(duì)(Qinghai?XizangExp．)76?9068MO、LE西藏朗縣NangCounty，Xizang西藏科考隊(duì)(XizangExp．)3627MO、LE賴草L．secalinus西藏仲巴Zhongba，Xizang青藏隊(duì)(Qinghai?XizangExp．)6504MO、LE甘肅天水Tianshui，Gansu郭本兆(P．C．Kuo)3188MO、LE青海共和GongHe，Qinghai郭本兆，王生新(P．C．Kuo&S．X．Wang)6466MO、LE青海西寧Xining，Qinghai吳玉虎(Y．H．Wu)1923MO、LE細(xì)弱賴草L．leptostachyus青海海北Haibei，Qinghai楊福囤和趙瑞林(F．T．Yang&R．L．Zhao)69MO、LE新疆烏魯木齊Urumqi，Xinjiang李安仁等(A．R．Li，etal．)4128MO、LE青海西寧Xining，Qinghai植被地理組(VegetationGeographyExp．)92MO、LE褐穗賴草L．bruneostachyus山西五寨Wuzhai，Shanxi楊金祥(J．X．Yang．)3678MO、LE河北清河Qinhhe，Hebei采集人不詳(Anonymous)329MO、LE青海格爾木Geermu，Qinghai采集人不詳(Anonymous)45MO、LE西藏雙湖Shuanghu，Xinjiang青藏隊(duì)(Qinghai?XizangExp．)9920MO、LE刺狀賴草L．spiniformis新疆瑪納斯Manasi，Xinjiang關(guān)可儉(K．J．Guan)938MO、LE光潔賴草L．mundus西藏扎達(dá)Zhada，Xizang青藏隊(duì)(Qinghai?XizangExp．)7767MO、LE

注：*憑證標(biāo)本存放于中國科學(xué)院西北高原生物研究所青藏高原生物標(biāo)本館(QTPMB)。 MO.用于形態(tài)學(xué)觀察；LE.用于葉表皮觀察

Note:*Vouchers are conserved in QTPMB. MO.Used for morphological observation; LE.Used for leaf epidermal observation

1.2 研究方法

1.2.1 外部形態(tài)觀察

對國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種、不同來源的72個(gè)代表居群的168份館藏臘葉標(biāo)本分別進(jìn)行了旗葉長度、旗葉寬度、葉片被毛狀況、穗狀花序直曲、花序長度、花序?qū)挾?、小穗?shù)、小穗長度、每小穗小花數(shù)、穎體形狀、穎體長度、穎脈數(shù)、第一外稃長度、第一外稃脈數(shù)、第一內(nèi)稃長度等15個(gè)外部形態(tài)性狀的觀察和測量。每個(gè)代表居群取4～5株，個(gè)別居群只選取1～2株觀察的平均數(shù)，再將每個(gè)物種不同代表居群的觀察資料平均，以對各個(gè)物種進(jìn)行相互比較；同時(shí)，對于分類價(jià)值較大的外部形態(tài)性狀矩陣，應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析(principal component analysis,PCA)。

1.2.2 葉表皮微形態(tài)觀察

用于葉表皮微形態(tài)觀察的材料均取自花序下第2葉片的中間部段，共24個(gè)物種72個(gè)代表居群。按常規(guī)葉表皮解剖法操作，即先將葉片用沸水軟化15～20 min，材料軟化后置于塑料板上用單面刀片輕輕刮削，使其保留葉片上、下表皮薄膜層，然后清水洗凈薄膜，用1%的番紅染色1 min，再置于光鏡下觀察，同時(shí)進(jìn)行描述、繪圖、拍照等工作，最后以常規(guī)永久制片法脫水封固保存。長細(xì)胞測其絕對長度，每個(gè)代表居群取3個(gè)視野，每個(gè)視野取10個(gè)細(xì)胞，取平均值；氣孔器大小測其長寬比，每個(gè)代表居群取3個(gè)視野，每個(gè)視野取5個(gè)氣孔器，取平均值。葉表皮特征用Metcalfe[17]的微形態(tài)術(shù)語進(jìn)行描述。

2 結(jié)果與分析

2.1 外部形態(tài)性狀差異分析

國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種、72個(gè)代表居群15個(gè)性狀的觀測、統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2。從表2可以明顯看出，國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值基本符合中國一些植物志書上記載的該類植物各對應(yīng)性狀的數(shù)值，即使是毛穗賴草、褐穗賴草及格爾木賴草與原始描述相比，也僅在植株高矮、花序長短、兩穎片長度等少數(shù)性狀上有微小差異，這可能與觀察標(biāo)本的數(shù)量、區(qū)域、生境有關(guān)，但并未超出該類群的性狀變異范圍。顯然，這些外部形態(tài)性狀特征均在前人描述的小麥族范疇內(nèi)，隸屬于小麥族類群無疑。同時(shí)，在表2所列的性狀數(shù)據(jù)中，有些性狀如旗葉長度和寬度、葉片被毛狀況、穎脈數(shù)在參試物種間具有一定差異，但在組間則表現(xiàn)重疊，差異皆不明顯；而其它絕大多數(shù)性狀在國產(chǎn)賴草屬的組間存在明顯差異，至少可將先前界定的3個(gè)組群的外部形態(tài)間隔大小顯示出來，表明國產(chǎn)賴草屬劃分為3個(gè)不同組群的合理性和正確性。此外，我們還對花序長度、花序直曲、小穗數(shù)、每小穗小花數(shù)、第一穎穎體長度、第一外稃長度等15個(gè)具有較大分類價(jià)值形態(tài)性狀特征構(gòu)成的矩陣進(jìn)行了主成分分析。依據(jù)主成分做二維散點(diǎn)圖，結(jié)果顯示國產(chǎn)賴草屬所有參試居群呈現(xiàn)3個(gè)明顯不同的分布區(qū)，它們可以將不同物種的代表居群明顯區(qū)分開來，與先前界定的3個(gè)組群完全相符，再次表明國產(chǎn)賴草屬隸屬于3個(gè)獨(dú)立的組群(圖1)。

圖1 主要外部形態(tài)性狀主成分的散點(diǎn)圖 若羌賴草；皮山賴草；格爾木賴草；芒穎賴草；多枝賴草；毛穗賴草；伊吾賴草；彎曲賴草；天山賴草；胎生賴草；青海賴草；寬穂賴草；窄穎賴草；羊草；纖細(xì)賴草；賴草；褐穗賴草；刺狀賴草；光潔賴草；細(xì)弱賴草；大賴草；粗穗賴草；柴達(dá)木賴草；碩花賴草Fig.1 2D PCA scatter plot of principal component in main external morphological characters L.ruoqiangensis; L.pishanica; L.golmudensis; L.aristiglumus; L.multicaulis; L.paboanus; L.yiunensis; L.flexus; L.tianschanicus; L.viviparus; L.qinghaicus; L.ovatus; L.angustus; L.chinensis; L.tenuis; L.secalinus; L.bruneostachyus; L.spiniformis; L.mundus; L.leptostachyus; L.racemosus; L.crassiusculus; L.pseudoracemosus; L.pluriflorus

故下面將3組植物的外部形態(tài)特征概總?cè)缦拢?/p>

多穗組(Sect.Racemosus)：穗狀花序常直立，密集；小穗通常3-多枚生于穗軸每節(jié)，每小穗含3～12小花；第一穎穎體狹長，介于9～20 mm，呈披針形或狹披針形；外稃先端漸尖，具5～7脈；植株一般高80～110 cm。

少穗組(Sect.Leymus)：穗狀花序直立，稀彎曲或下垂；小穗常2～3枚生于穗軸每節(jié)，每小穗含3～7小花；第一穎穎體較長，長度介于3～16 mm，呈狹披針形或錐刺形；外稃無芒或具2～7 mm長的短芒，常具5脈；植株一般高20～100 cm。

單穗組(Sect.Anisopyrum)：穗狀花序直立，疏松；小穗通常單生(偶雙生)于穗軸每節(jié)，每小穗含3～5小花；第一穎穎體稍長，介于5～11 mm，呈線狀披針形或錐刺形；外稃無芒或具短尖頭，常具5脈；植株一般高10～70 cm。

2.2 葉表皮微形態(tài)性狀差異分析

光鏡下觀察了國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種、72個(gè)代表居群的葉表皮微觀特征，發(fā)現(xiàn)它們的葉表皮皆由長細(xì)胞、氣孔器細(xì)胞、短細(xì)胞和刺毛4類結(jié)構(gòu)細(xì)胞所組成(圖版Ⅰ～Ⅳ)。長細(xì)胞普遍分布于各個(gè)參試物種中，呈長方形縱向相接成行，大致水平排列于脈間和脈上，通常脈上著生1～5列，脈間著生4～27列，長度為75～600 μm，寬度為16～45 μm，細(xì)胞壁常厚且呈波狀彎曲；短細(xì)胞孿生或單生，稀不著生，與長細(xì)胞相間排列，呈馬鞍形、狹馬鞍形、新月形、圓球形；氣孔器細(xì)胞為橢圓形，常帶狀分布于表皮區(qū)域或1～2列生于脈間，長45～238 μm，寬28～70 μm，保衛(wèi)細(xì)胞啞鈴形，副衛(wèi)細(xì)胞呈高圓頂形、低圓頂形或平邊形；刺毛主要著生于脈上，少數(shù)生于脈間，且脈上多刺，脈間多鉤。

圖版Ⅰ 國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種的葉片下表皮光學(xué)顯微照片 1.大賴草；2.柴達(dá)木賴草；3.粗穗賴草；4.碩花賴草；5.賴草；6.疏節(jié)賴草PlateⅠ Light microscopic micrographs on the lower epidermises of leaf blades of 24 Leymus species from China 1.L.racemosus; 2.L.pseudoracemosus; 3.L.crassiusculus; 4.L.pluriflorus; 5.L.secalinus; 6.L.laxinodis

圖版Ⅱ 國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種的葉片下表皮光學(xué)顯微照片 1.毛穗賴草；2.窄穎賴草；3.天山賴草；4.寬穗賴草；5.羊草；6.多枝賴草Plate Ⅱ Light microscopic micrographs on the lower epidermises of leaf blades of 24 Leymus species from China 1.L.paboanus; 2.L.angustus; 3.L.tianschanicus; 4.L.ovatus; 5.L.chinensis; 6.L.multicaulis

圖版Ⅲ 國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種的葉片下表皮光學(xué)顯微照片 1.伊吾賴草；2.芒穎賴草；3.褐穗賴草；4.青海賴草；5.纖細(xì)賴草；6.細(xì)弱賴草Plate Ⅲ Light microscopic micrographs on the lower epidermises of leaf blades of 24 Leymus species from China 1.L.yiunensis; 2.L.aristiglumus; 3.L.bruneostachyus; 4.L.qinghaicus; 5.L.tenuis; 6.L.leptostachyus

圖版Ⅳ 國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種的葉片下表皮光學(xué)顯微照片 1.皮山賴草；2.格爾木賴草；3.若羌賴草；4.彎曲賴草；5.胎生賴草；6.光潔賴草Plate Ⅳ Light microscopic micrographs on the lower epidermises of leaf blades of 24 Leymus species from China 1.L.pishanica; 2.L.golmudensis; 3.L.ruoqiangensis; 4.L.flexus; 5.L.viviparus; 6.L.mundus

然而，在國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種中，上述這幾類結(jié)構(gòu)細(xì)胞的形態(tài)、數(shù)量和葉面的組合式樣是不盡相同的，尤其是長細(xì)胞的長短和寬窄，氣孔器的大小與分布、副衛(wèi)細(xì)胞的形狀，以及短細(xì)胞的豐缺和著生方式上具有較為明顯的差異(表3～4和圖版Ⅰ～Ⅳ)。這些差異不僅可以作為屬下次級(jí)類群劃分的參考依據(jù)，而且還可以作為本文推斷屬下類群間系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系的重要依據(jù)。若就先前發(fā)表的國產(chǎn)賴草屬3個(gè)組而言，多穗組植物通常長細(xì)胞短闊、細(xì)胞壁薄且平直，短細(xì)胞多呈孿生、馬鞍形和圓球形，氣孔器細(xì)胞體積小、副衛(wèi)細(xì)胞多呈高圓頂形偶呈低圓頂形，刺毛主要分布于脈間、多呈鉤，脈帶接近脈間帶；少穗組植物長細(xì)胞較長、細(xì)胞壁厚并呈疏波狀彎曲，短細(xì)胞單生、常呈馬鞍形偶呈圓球形，氣孔器體積大、副衛(wèi)細(xì)胞多呈低圓頂形或趨于平邊形，刺毛多分布于脈上和脈間，脈帶明顯窄于脈間帶；而單穗組植物的長細(xì)胞狹長、細(xì)胞壁厚多呈密波狀彎曲，短細(xì)胞單生呈新月形和圓球形，氣孔器細(xì)胞體積小、副衛(wèi)細(xì)胞多呈平邊形，無刺毛著生，脈帶明顯窄于脈間帶。這些差異特征充分表明，先前界定的賴草屬3個(gè)組群間具有明顯的間斷，理應(yīng)隸屬于不同的類群。同理，國產(chǎn)賴草屬24個(gè)參試物種在上述這4類結(jié)構(gòu)細(xì)胞上也存在著一定程度的差異，它們同樣也具有類群劃分和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系推斷的作用和意義。

3 討論

3.1 國產(chǎn)賴草屬屬內(nèi)次級(jí)類群鑒分

就國產(chǎn)賴草屬24個(gè)物種、72個(gè)居群外部形態(tài)特征的研究結(jié)果看，生殖器官的多數(shù)性狀在類群間可以形成諸多間斷，它們不僅造就了賴草屬不同組的劃分，而且還將該屬分隔成了不同的物種?，F(xiàn)綜觀國產(chǎn)賴草屬的各種間斷，我們發(fā)現(xiàn)較大的間斷主要體現(xiàn)在花序直曲、小穗數(shù)、每小穗小花數(shù)等，這些性狀具有較為重要的分類價(jià)值，完全可以將國產(chǎn)賴草屬植物鑒分為不同的組群；相應(yīng)，其它性狀如花序長度、第一穎穎體長度、第一外稃長度及營養(yǎng)器官的一些性狀，只能用于賴草屬種級(jí)類群的區(qū)分。正是這樣，本文仍然將國產(chǎn)賴草屬劃分為3組、24種，這與先前學(xué)者[2]報(bào)道的研究結(jié)果是一致的。

從國產(chǎn)賴草屬參試物種葉表皮微形態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，長細(xì)胞的長度、細(xì)胞壁的厚度和波曲程度，氣孔器的體積和形狀，以及刺毛的數(shù)量在參試類群間具有較大差異存在，并且這些性狀在類群間所形成的最大間斷與前面依據(jù)外部形態(tài)特征形成的類群間斷極其相似，可以直接將國產(chǎn)賴草屬區(qū)分為3個(gè)不同的組群；同樣，國產(chǎn)賴草屬所擁有的其它一些性狀如長細(xì)胞細(xì)胞壁的厚度、短細(xì)胞的分布式樣及氣孔器的列數(shù)等，差異較小，與外部形態(tài)上的花序長度、第一穎穎體長度、第一外稃長度、葉片被毛狀況等相似，只可用于種級(jí)水平類群的鑒分，據(jù)此本文對國產(chǎn)賴草屬種級(jí)階元?jiǎng)澐值慕Y(jié)果依然不變，與形態(tài)學(xué)研究結(jié)果完全相同。

3.2 國產(chǎn)賴草屬屬下類群演化關(guān)系

3.2.1 國產(chǎn)賴草屬3組植物間的演化關(guān)系

在外部形態(tài)上，盡管能用于國產(chǎn)賴草屬類群劃分的性狀較多，但具有演化意義且能較易確定演化趨勢方向的性狀卻較少。我們發(fā)現(xiàn)，唯有花序的形狀，穗軸同節(jié)小穗的數(shù)目、穎和外稃的形狀及葉片的寬度上呈現(xiàn)一定的演化趨勢，可以反映類群間的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)賴草屬多穗組植物穗狀花序粗壯、外觀呈錐形，穗軸同節(jié)常著生3-多枚小穗，穎呈寬披針形或披針形，外稃細(xì)狹、無芒或具芒尖；少穗組植物穗狀花序細(xì)狹呈條狀，穗軸同節(jié)著生2～3枚小穗，穎多呈窄披針形，外稃常寬闊、具芒尖或短芒；單穗組植物穗狀花序細(xì)弱呈線狀，穗軸各節(jié)僅著生1枚小穗，穎通常錐刺形，外稃略寬、常具短芒。因此，若按照小麥族植物穗狀花序可以由繁到簡演變的理論[18]，則不難看出多穗組應(yīng)是國產(chǎn)賴草屬中最原始的組群，少穗組應(yīng)是多穗組之上較高級(jí)的組群，而單穗組應(yīng)是屬中最高級(jí)的組群。其次，在類群親緣上，多穗組與少穗組物種的穗狀花序均較密集，穗軸同節(jié)著生2枚以上小穗，穎均顯披針形等，示意兩者具有較近的親緣關(guān)系，尤其是它們的穗狀花序較粗這一獨(dú)有特征暗示兩者可能具有直接的派生淵源；相應(yīng)，少穗組和單穗組植物的穗狀花序較狹窄、穗軸先端和基部均著生1枚小穗等特征，也同樣表明兩者可能存在直接的淵源關(guān)系；相反，多穗組和單穗組植物則具有較遠(yuǎn)的親緣關(guān)系，原因在于其除了在外稃先端芒長、穎片和外稃脈數(shù)上類似外，其余形態(tài)特征相差較遠(yuǎn)。此外，我們認(rèn)為少穗組可能處于性狀演化的中間狀態(tài)，充當(dāng)了多穗組和單穗組演化的過渡橋梁。

國產(chǎn)賴草屬3植物的這一系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系若是印證在葉表皮微形態(tài)上，其關(guān)系也是十分清楚。先前學(xué)者[16,19]研究曾認(rèn)為，賴草屬中壁薄、平直、短銼的長細(xì)胞是初生類型，壁厚、波曲、展長的長細(xì)胞是次生類型；初生類群短細(xì)胞通常成排聯(lián)生，演化趨勢為馬鞍形→新月形→圓球形；氣孔器副衛(wèi)細(xì)胞按照高圓頂副衛(wèi)細(xì)胞→低圓頂副衛(wèi)細(xì)胞→平邊形副衛(wèi)細(xì)胞方向而演化；刺是刺毛中的初生類型，鉤是刺毛中的較高級(jí)類型，鉤狀毛是刺毛中的最高級(jí)類型。印證在類群演化上，長細(xì)胞短闊、細(xì)胞壁平直，短細(xì)胞孿生、呈馬鞍形和圓球形，副衛(wèi)細(xì)胞常為高圓頂形，脈間刺毛多為鉤的多穗組原始；長細(xì)胞較長、細(xì)胞壁疏波狀彎曲，短細(xì)胞單生、常呈馬鞍形，副衛(wèi)細(xì)胞為低圓頂形或趨于平邊形，表皮具刺毛少穗組應(yīng)是多穗組之上較進(jìn)化的組群；而長細(xì)胞狹長、細(xì)胞壁密波狀彎曲，短細(xì)胞單生、呈新月形和圓球形，副衛(wèi)細(xì)胞多呈平邊形，表皮無刺毛的單穗組最進(jìn)化。在類群親緣上，演化居中的少穗組在長細(xì)胞延伸、短細(xì)胞類型和著生方式以及脈帶與脈間帶相對寬度上均與單穗組相近，特別是短細(xì)胞單生這一獨(dú)有特征暗示兩者間可能具有直接的派生淵源；同時(shí)，其與多穗組僅在長細(xì)胞細(xì)胞壁的波曲、副衛(wèi)細(xì)胞形狀上具有某些相似，表明兩者間可能具有相對較近的親緣關(guān)系，尤其是多穗組長細(xì)胞細(xì)胞壁平直，少穗組植物長細(xì)胞細(xì)胞壁往往微彎，也進(jìn)而暗示兩者可能存在直接的派生關(guān)系。這與上述利用外部形態(tài)特征獲得的演化結(jié)論基本一致。

3.2.2 國產(chǎn)賴草屬部分物種間的演化關(guān)系

我們的研究還發(fā)現(xiàn)，上述國產(chǎn)賴草屬外部形態(tài)和葉表皮微形態(tài)特征還可進(jìn)一步推證屬下參試物種間的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，尤其是對物種演化級(jí)次上的確認(rèn)是較為容易的。對實(shí)驗(yàn)過的物種而言，多穗組中大賴草穗軸同節(jié)著生4～6枚小穗，每小穗含3～5小花，穎線狀披針形，長細(xì)胞短闊、細(xì)胞壁平直，短細(xì)胞呈狹馬鞍形和圓球形，顯然以性狀的演化趨勢來判斷，大賴草應(yīng)是該組最原始的類群；相反，柴達(dá)木賴草穗軸同節(jié)著生3～5枚小穗，每小穗含5～10小花，穎狹披針形，長細(xì)胞稍長、細(xì)胞壁稍彎曲，短細(xì)胞呈馬鞍形或圓球形，可能是該組最高級(jí)的類群；而多穗組中碩花賴草和粗穗賴草穗軸同節(jié)常著生3～6枚小穗，每小穗常含4～7小花，穎線狀披針形，長細(xì)胞細(xì)胞壁平直或微彎，短細(xì)胞呈狹馬鞍形或圓球形，這些性狀多少處于初生與次生的中間狀態(tài)，其演化水平自然應(yīng)介于前兩者之間。在類群親緣上，柴達(dá)木賴草和粗穗賴草除僅在外稃長度，外稃脈數(shù)目，長細(xì)胞長寬和氣孔器體積上稍微差異外，其余特征基本相似或類同，足以表明兩者的親緣關(guān)系可能較近；而大賴草和粗穗賴草的主要區(qū)別也僅僅體現(xiàn)在第一穎穎體長短，長細(xì)胞長寬等極少數(shù)性狀特征上，這也同樣揭示了它們可能具有極為密切的親緣關(guān)系。

國產(chǎn)賴草屬少穗組種數(shù)較多，性狀差異較大，演化水平參差不齊。其中，青海賴草穗軸同節(jié)著生3～4枚小穗，每小穗含4～7小花，穎線狀披針形，長細(xì)胞稍短、壁波狀彎曲，副衛(wèi)細(xì)胞高圓頂形，應(yīng)是該組最原始的類群；相反，纖細(xì)賴草穗軸同節(jié)著生2～3枚小穗，每小穗含2～3小花，穎錐形，長細(xì)胞稍長、細(xì)胞壁密波狀彎曲，副衛(wèi)細(xì)胞平邊形，則可能是該組演化層次最高的類群；而另外其它類群如芒穎賴草、多枝賴草、褐穗賴草、青海賴草、賴草、羊草、寬穂賴草、窄穎賴草、光潔賴草及刺狀賴草等，它們的性狀多處于初生與次生的兩極之間，應(yīng)是該組演化層次居中的類群。在親緣關(guān)系上，從類群相互間所具的性狀來看，一些類群親緣關(guān)系較近，如多枝賴草和彎曲賴草同具微彎、疏松的穗狀花序，穗軸同節(jié)著生2～3枚小穗，長細(xì)胞較長、細(xì)胞壁密波狀彎曲，副衛(wèi)細(xì)胞平邊形等，說明兩者具有較近的親緣關(guān)系；毛穗賴草和胎生賴草的花序直立、密集，穗軸同節(jié)著生2～3枚小穗，穎呈錐狀，長細(xì)胞明顯延長、壁波狀彎曲，短細(xì)胞單生，也表明兩者的親緣關(guān)系可能較近；同樣，窄穎賴草與芒穎賴草、細(xì)弱賴草與纖細(xì)賴草、天山賴草與胎生賴草、光潔賴草與細(xì)弱賴草等各對類群間，形態(tài)和葉表皮微形態(tài)性狀極為相似，暗示這些類群間理應(yīng)具有相對較近的親緣關(guān)系。

盡管單穗組僅含3種國產(chǎn)賴草屬植物，但這3個(gè)物種的性狀并非完全相同，從而致使它們的演化水平各有上下。其中，格爾木賴草每小穗常含3小花，穎體和稃體相對較短，長細(xì)胞較短、細(xì)胞壁波狀彎曲，脈帶窄于或等于脈間帶，可能是該組中最原始的類群；皮山賴草每小穗含2～3小花，穎體和稃體相對較長，長細(xì)胞最長、細(xì)胞壁密波狀彎曲，脈帶顯著窄于脈間帶，應(yīng)是該組中最進(jìn)化的類群；若羌賴草所具性狀，多少處于上述兩者之間，它的演化水平自然居中。在親緣關(guān)系上，格爾木賴草和若羌賴草的穗狀花序直立、疏松，穗軸同節(jié)僅著生1枚小穗，每小穗含3～5小花，長細(xì)胞較長、細(xì)胞壁密波狀彎曲，副衛(wèi)細(xì)胞平邊形，說明兩者的親緣關(guān)系可能較近；同樣，若羌賴草和皮山賴草具有直立、疏松的穗狀花序，穗軸同節(jié)僅著生1枚小穗，穎常呈錐形，內(nèi)稃近等于外稃，葉片正面和邊緣粗糙或被柔毛、背面平滑無毛，長細(xì)胞較長、細(xì)胞壁密波狀彎曲，短細(xì)胞單生、新月形和圓球形，副衛(wèi)細(xì)胞平邊形，脈帶窄于脈間帶，預(yù)示兩者在該組內(nèi)可能具有相對較近的親緣關(guān)系；相反，格爾木賴草和皮山賴草所擁有的外部形態(tài)和葉表皮微形態(tài)的共同性狀特征相對較少，僅在穗狀花序的直曲，穗軸同節(jié)小穗的數(shù)目，長細(xì)胞的長度與細(xì)胞壁的彎曲程度等少數(shù)性狀上相同，其余多數(shù)性狀特征存在著某種差異，這進(jìn)而表明它們之間的親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)。

1.楊瑞武.賴草屬植物的系統(tǒng)與進(jìn)化研究[D].成都:四川農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

2.蔡聯(lián)炳,蘇旭.國產(chǎn)賴草屬的分類修訂[J].植物研究,2007,27(26):652-660.

3.陳守良,李德銖,朱光華,等.《Flora of China》[M].Beijing:Science Press,2006,22:387-394.

4.楊瑞武,周永紅,鄭有良,等.賴草屬三個(gè)八倍體和兩個(gè)十二倍體物種的核型研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2004,13(2):99-105.

5.Hoehstetter C F.Nachtraglicher Commentar zu meiner Abhandlung:“Aufbau der Graspflanze etc.”[J].Flora,1848,7:105-118.

6.Nevski S A.Agrostologische Studien IV.Uber das System der Hordeeae Benth.[J].Trudy Bot Inst Akad Nauk SSSR,Ser 1,FI Sist Vyss Rast,1933,1:9-32.

7.Pilger R.Addimenta Agrostologica.I.Triticeae(Hordeae)[J].Botanisehe Jahrbticher,1949,74:1-27.

8.Tzvelev N N.Tribe 3.Triticeae Dumort[M].// Fedorov A A.Poaceae URSS.Leningrad:Navka Publishing House,1976:176-189.

9.L?ve A.Conspectus of the Triticeae[J].Feddes Repertorium,1984,95(7):425-521.

10.Dewey D R.The Genomic System of Classification as a Guide to Intergeneric Hybridization with the Perennial Triticeae[M].//Gustafson J P.Gene Manipulation in Plant Improvement.New York:Plenum Press,1984:209-279.

11.耿以禮.中國主要植物圖說——禾本科[M].北京:科學(xué)出版社,1959:429-434.

12.郭本兆.中國植物志:第9卷,第3分冊[M].北京:科學(xué)出版社,1987:15-22.

13.劉尚武.青海植物志:第4卷[M].西寧:青海人民出版社,1999:103-108.

14.顏濟(jì),楊俊良.中國賴草屬新植物[J].云南植物研究,1983,5(3):275-276.

15.蔡聯(lián)炳,張梅紐.國產(chǎn)賴草屬的葉表皮特征與組群劃分[J].植物研究,2005,25(4):400-405.

16.劉玉萍,蘇旭,何懿涵,等.國產(chǎn)賴草屬3組植物葉表皮解剖特征及其系統(tǒng)關(guān)系[J].植物研究,2013,33(6):644-652.

17.Metcalfe C R.Anatomy of the Monocotyledons Vol.1 Gramineae [M].London:Oxford Clarendon Press,1960:1-713.

18.郭本兆,王世金.我國小麥族的花序形態(tài)演化及其屬間親緣關(guān)系的探討[J].西北植物研究,1981,1(1):12-19.

19.智麗.賴草屬(禾本科)的分類、演化及地理分布的研究[D].西寧:中國科學(xué)院研究生院,2000.

BiosystematicRelationshipsamongTaxabelowLeymus(Poaceae)fromChinaBasedontheExternalMorphologyandMicromorphologicalCharacteristicsofLeafEpidermis

LI Zhao-Meng ZHOU Yong-Hui LIU Yu-Ping SU Xu*

(Key Laboratory of Medicinal Animal and Plant Resource in the Qinghai-Tibetan Plateau,Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process in Qinghai Province,Key Laboratory of Education Ministry on Environments and Resources in the Qinghai-Tibetan Plateau,School of Geography and Life Science,Qinghai Normal University,Xining 810008)

We analyzed the main character differences of seventy-two reprehensive populations from twenty fourLeymusspecies previously reported by scholars by morphological observation and anatomical analysis of leaf epidermises. There are different degrees of difference in fifteen morphological characters including length and width of flag leaves, hairs of leaf blades, straight/curve and length/width of inflorescence, spikelet No. of each inflorescence, floret No. of each spikelet, length of lemma and palea. The tested species can be divided into three sections according to them. The sect. Racemosus species ofL.racemosus,L.crassiusculus,L.pluriflorusandL.pseudoracemosus, with sturdy, erect and thick spike, 3-number of spikelets per rachis node, 3-10 florets each spikelet, linear lanceolate glume, etc., is the most primitive one in genusLeymus. Due to the sect. Anisopyrum species includingL.pishanica,L.golmudensisandL.ruoqiangensis, having thin, erect and loose spike, only one spikelet per rachis node, usually 2-5 florets each spikelet, linear lanceolate or cone glume, etc., so it is the most advanced of them. Meanwhile, because the external morphological characters of the sect.Leymusspecies usually lie in the intermediate transition state between the first two groups, naturally its systematics position should also be between the sect. Racemosus and sect. Anisopyrum species. At the same time, based on the evolutionary trends of the external morphological characters of three above sections, we deduced that the sect. Racemosus might produce immediately the sect.Leymus, whereas the sect. Anisopyrum might derive immediately form the sect.Leymus. The leaf epidermis ofLeymusfrom China consists of long cell, stomatal cell, short cell and prickle hair. It belongs to the typical festucoid type. Except that some characters, such as the type of long-cells and thick/thin of cell walls, the volume and type of guard cells from stomatal apparatus, have obvious overlap and show similar, other characters, including the length of long-cells and curve extent of cell walls, distribution pattern of short-cells, shape of subsidiary cells, and type of prickle-hairs, have obvious differences. They can delimitateLeymusspecies into three sections identical with the morphology. According to the evolutionary trends of leaf epidermal characteristics of three sections and species within each section, their evolutionary positions and relationships were inferred. The results show that the sect. Racemosus is the most primitive one among three sections, the sect.Leymusis slightly more advanced than the former, and the sect. Anisopyrum is the most advanced of them. The sect. Racemosus might produce immediately the sect.Leymus, whereas the sect. Anisopyrum might derive immediately form the sect.Leymus. The biosystematic relationships of taxa below the genus are corroborated by the evolutionary trend of external morphology.

Poaceae;Leymus;morphological character;morphological of leaf epidermis;biosystematic relationship

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260052)；青海省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014-ZJ-947Q)；青藏高原藥用動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2015-Z-Y0b)資助

李兆孟(1988—)，男，碩士研究生，主要從事植物系統(tǒng)進(jìn)化與分子生態(tài)學(xué)研究。

* 通信作者：E-mail:xusu8527972@126.com

2015-09-10

Q949.71

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.003