四種繡球?qū)僦参锶~表面特征的比較研究

彭盡暉, 范 適, 陳海霞*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421005)

四種繡球?qū)僦参锶~表面特征的比較研究

彭盡暉1, 范 適2, 陳海霞1*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421005)

采用電子掃描電鏡(SEM)對(duì)四種繡球?qū)僦参锶崦C球、臘蓮繡球、圓錐繡球和八仙花的葉表面特征進(jìn)行了研究,主要研究結(jié)果為:四種繡球?qū)僦参锏臍饪酌芏群托誀罹幌嗤?圓錐繡球、臘蓮繡球和八仙花的氣孔為長(zhǎng)橢圓形,而柔毛繡球的氣孔為卵圓形;柔毛繡球的氣孔密度最大,達(dá)到819.43個(gè)/mm2,圓錐繡球的氣孔密度最小,僅為286.05個(gè)/mm2;表皮毛的長(zhǎng)度、寬度、密度、形狀和附屬部件的特征也各不相同,臘蓮繡球的表皮毛為線(xiàn)狀,表面有許多丘狀突起,柔毛繡球表皮毛呈薄片狀,表面密布乳突狀突起,圓錐繡球的圓錐狀表皮毛上有很多星狀附件,八仙花沒(méi)有明顯的表皮毛,但是其表面有顆粒狀的附屬物.由以上四種繡球?qū)僦参锉砥の⒂^形態(tài)的比較結(jié)果可知,表皮特征可作為植物分類(lèi)的一個(gè)依據(jù).圖2,表2,參25.

繡球?qū)?掃描電鏡;氣孔;表皮毛

繡球?qū)偈抢C球花科中最大的屬,可分為10個(gè)組,73個(gè)種,主要分布區(qū)域?yàn)槟蟻啞⒛厦篮捅泵乐?其中原產(chǎn)中國(guó)的有47個(gè)種和11個(gè)變種,占世界總數(shù)的63%[1].八仙花是重要的觀賞植物,它不僅具有很高的觀賞價(jià)值,而且還有很重要的藥用價(jià)值.在1867年,Maximowicz根據(jù)其離瓣特征和生長(zhǎng)習(xí)性,將繡球?qū)僦参锓譃槔C球組和蓋冠組.基于其外部形態(tài),繡球?qū)僦参锷L(zhǎng)特性差異很大,如花粉的形態(tài)特征不同,以及其葉脈有很多的類(lèi)型[2-3].近年來(lái),繡球?qū)僦参锏姆诸?lèi)也基于子房位置、蒴果頂端特征和花瓣分離和連合等特性,鄭萬(wàn)鈞將繡球?qū)俜譃閮山M,分別為繡球組和藤八仙組,其中繡球組又分為繡球花系、掛苦樹(shù)系和臘蓮系三個(gè)[4].課題組收集了很多繡球?qū)僦参?SRAP標(biāo)記結(jié)果表明,在湖南廣泛分布的四種繡球?qū)僦参?即圓錐繡球?qū)儆趻炜鄻?shù)系,臘蓮繡球和柔毛繡球?qū)儆谂D蓮系,八仙花屬于繡球花系[5-6].

表皮是研究植物親緣關(guān)系的重要器官.氣孔和表皮毛是表皮的重要組成部分.近年來(lái),通過(guò)分子遺傳學(xué)的方法研究擬南芥的毛狀體發(fā)現(xiàn)了許多控制植物毛狀體發(fā)育的基因[7].隨著掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展,植物的表皮特征也被認(rèn)為是分類(lèi)的依據(jù)之一,現(xiàn)已成功應(yīng)用于殼斗科[8]、風(fēng)車(chē)藤屬[9-10]和櫟屬[11-12]等,然而對(duì)繡球?qū)僦参锶~片表皮特征的報(bào)道較少.本文采用掃描電鏡通過(guò)對(duì)四種繡球?qū)僦参锏谋砥っ卣鬟M(jìn)行觀察,旨在闡明表皮毛特征在繡球?qū)僦参锓诸?lèi)中的重要作用,為繡球科的系統(tǒng)分類(lèi)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 植物材料

四種繡球?qū)僦参锇讼苫?、臘蓮繡球、柔毛繡球和圓錐繡球均采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地.

1.2 葉片氣孔器觀察

采用過(guò)氧化氫一冰醋酸離析法.以成熟葉片為試材,取其中部面積約1 cm2的小葉片,投入沸水中煮5～10 min,然后轉(zhuǎn)入30%過(guò)氧化氫與冰醋酸體積比為1∶1的離析液中浸泡,在60℃溫箱中放12 h;當(dāng)觀察至表皮與葉肉組織分離后,用水洗凈,然后用1%番紅酒精溶液染色15 min進(jìn)行制片,最后采用 Motic BR300電子顯微鏡觀察和拍照.

1.3 氣孔、氣孔器大小與形狀觀測(cè)

利用數(shù)碼顯微鏡攝像系統(tǒng)(Motic BR300; Motic, 中國(guó))觀測(cè)氣孔和氣孔器的長(zhǎng)軸、短軸以及氣孔的形狀.在40倍物鏡下觀察拍照,每一樣品隨機(jī)選取10個(gè)視野進(jìn)行統(tǒng)計(jì).圖像處理系統(tǒng)采用Motic Images Advanced3.2軟件.

1.4 氣孔密度測(cè)定

在40倍物鏡下觀察,每一樣品隨機(jī)選取10個(gè)視野,統(tǒng)計(jì)每個(gè)視野內(nèi)的氣孔數(shù)量,求其平均值;隨后用物鏡測(cè)微尺量取視野直徑(r),計(jì)算視野面積.用視野中氣孔的平均數(shù)除以視野面積,即可求出氣孔密度(個(gè)/mm2).

1.5 氣孔面積測(cè)定

根據(jù)上方法所測(cè)氣孔器的長(zhǎng)軸和短軸值,通過(guò)公式S=a×b×π×l/4計(jì)算得到.

1.6 表皮毛掃描電鏡觀察

材料處理方法參照文獻(xiàn)[13],采用掃描電鏡(Jeol JSM-T3000)進(jìn)行觀察,在100倍目鏡下觀測(cè)毛狀體的大小和密度,在2000倍目鏡下觀察毛狀體的附屬物.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣孔器的特征

氣孔器由氣孔和兩個(gè)腎形的保衛(wèi)細(xì)胞組成,保衛(wèi)細(xì)胞是用來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉氣孔,調(diào)節(jié)蒸騰和氣體交換[14].氣孔的密度是指每平方毫米中氣孔的數(shù)量,根據(jù)植物物種和環(huán)境條件的變化,植物典型的氣孔特征也能改變;氣孔的大小和形狀也因物種和環(huán)境條件的不同而不同.如表1所示,柔毛繡球的氣孔器為不規(guī)則形狀,大多數(shù)為卵圓形,面積為446 μm2(22.41 μm × 19.90 μm) ,氣孔密度最大,達(dá)到819.43個(gè)/mm2,但是氣孔面積僅為54 μm2(11.19 μm × 4.84 μm),占整個(gè)氣孔器的12.11%.圓錐繡球的氣孔器為中等大小的長(zhǎng)橢圓形,面積為878 μm2(37.27 μm × 23.55 μm),氣孔密度是四種繡球?qū)僦参镏凶钚〉?僅為286.05個(gè)/mm2,氣孔面積約 190 μm2(21.33 μm × 8.92 μm),占?xì)饪灼鞯?21.6%.

表1 四種繡球?qū)僦参餁饪灼魈卣鱐ab.1 The characteristic of Stomatal apparatus of four Hydrangea species

2.2 表皮毛的特征

表皮毛是毛發(fā)狀的附屬物,是由表皮細(xì)胞發(fā)展而成的[15].毛狀體的常見(jiàn)類(lèi)型包括毛發(fā)狀、鱗片狀和腺體狀等等.植物毛可能是單細(xì)胞或多細(xì)胞、分支或無(wú)支鏈的,多細(xì)胞毛可能有一個(gè)或數(shù)層細(xì)胞,支毛可以樹(shù)突(樹(shù)形),簇絨或星狀(星狀)[7].本研究中,四種繡球植物的表皮毛特征各異,如圖1和表2所示,柔毛繡球的毛狀體呈毛發(fā)狀,且密集,基部寬,呈片狀,向頂端逐漸延伸縮小,頂端銳尖;臘蓮繡球的表皮毛最多且密集,基部扭曲,為狹長(zhǎng)的線(xiàn)狀;圓錐繡球的表皮毛稀疏,呈圓錐狀;八仙花無(wú)明顯的表皮毛.四種植物表皮毛的密度大小為臘蓮繡球>柔毛繡球>圓錐繡球>八仙花.

四種繡球?qū)僦参锉砥っ细綄傥镄螤钊鐖D2所示,蠟蓮繡球表皮毛上有丘狀突起的附屬物;而柔毛繡球表皮毛附屬物則為乳突狀;圓錐繡球表皮毛上有密集的星狀附屬物;八仙花無(wú)明顯表皮毛,表皮上覆蓋了粗糙的顆粒狀物質(zhì),可能為蠟被物[16].綜上所述蠟蓮繡球和柔毛繡球的附屬物均呈突起狀,有一定的相似性,這可能二者親緣關(guān)系較近;圓錐繡球和八仙花外形則存在明顯差別.

表2 四種繡球?qū)僦参锉砥っ卣鱐ab.2 The characteristic of trichomes of four Hydrangea species

圖1 表皮毛特征圖a.柔毛繡球; b.臘蓮繡球; c.圓錐繡球; d.八仙花Fig.1 The character of trichomesa. H.Villosa;b. H.strigosa;c. H.Paniculata;d. H.macrophylla

圖2 表皮毛附屬物圖a.柔毛繡球; b.臘蓮繡球; c.圓錐繡球; d.八仙花Fig.2 The character of trichome appearance.a. H.villosa;b.H.strigosa;c. H.Paniculata; d. H.macrophylla

3 討 論

3.1 表皮的微觀形態(tài)在植物分類(lèi)中的價(jià)值

葉片表皮的特殊器官,如蠟質(zhì)層、毛狀體和氣孔都是從表皮細(xì)胞進(jìn)化而來(lái).氣孔在葉和莖的表皮均有分布,用于氣體交換,氣孔和氣孔器是研究植物親緣關(guān)系的重要器官,它在木本植物分類(lèi)和進(jìn)化的研究中有很重要的意義,如蘋(píng)果、葡萄、柑橘和梨中均有報(bào)道,認(rèn)為葉片氣孔密度、大小、結(jié)構(gòu)可以作為研究植物起源、進(jìn)化和分類(lèi)的重要指標(biāo)[17-18].Metcalfe (1987)指出氣孔器的形態(tài)與系統(tǒng)發(fā)生之間沒(méi)有直接相關(guān)性,但是在一個(gè)限定的分類(lèi)單元(如屬級(jí))結(jié)合其它演化特征,不同類(lèi)型的氣孔特征具有重要的系統(tǒng)發(fā)生的研究意義[19].表皮微觀特征被用來(lái)區(qū)分松屬和落葉松屬[20-21].植物表皮的毛狀體種類(lèi)多,其形態(tài)和密度因植物種類(lèi)不同而不同,也可能有種群和個(gè)體的差異,因此不同器官上的毛狀體功能也有差異[15,22].毛狀體出現(xiàn)在幾乎所有的陸地植物上,在植物保護(hù)方面扮演著重要角色,特別對(duì)昆蟲(chóng)取食、抗干旱和抗紫外線(xiàn)輻射等起作用[23],表皮毛的分布也能作為分類(lèi)的依據(jù)之一[24].

3.2 葉表皮特征作為繡球?qū)僦参锓诸?lèi)依據(jù)的意義

繡球?qū)僦参餅闇貛?shù)種,主要分布在中國(guó)長(zhǎng)江以南和秦嶺山脈一帶.大多數(shù)種類(lèi)分布在低海拔的山腳和樹(shù)林的下層.在中國(guó)植物志中,將繡球?qū)俜譃槔C球組和藤八仙組,其中繡球組又分為三個(gè)系[4],通過(guò)SRAP標(biāo)記表明,本試驗(yàn)中的四種繡球?qū)僦参锓謩e屬于不同的組[6].本研究中發(fā)現(xiàn)它們氣孔器在形狀和大小上也有差異,臘蓮繡球和柔毛繡球氣孔器特征相近,八仙花和圓錐繡球的氣孔器相類(lèi)似.氣孔器密度可能與其生長(zhǎng)環(huán)境相關(guān),四種植物差異很大.據(jù)課題組前期研究表明,圓錐繡球和八仙花主要用于城市園林綠化,主要分布在低海拔地區(qū);而臘蓮繡球和柔毛繡球分布在海拔為1000 m左右的山區(qū),呈灌叢狀,目前還未用于城市綠化.因此,基于以上結(jié)果說(shuō)明氣孔密度與分布的海拔高度有相關(guān)性,光照強(qiáng)度也隨著海拔高度的變化而變化,因此植物氣孔器密度的改變是為了適應(yīng)這一環(huán)境的變化.繡球?qū)僦参餁饪酌芏鹊淖兓匦耘c珙桐有相似性[25].

在本研究中,四種繡球?qū)僦参锉砥っ拿芏纫膊煌?其中臘蓮繡球密度最大,而八仙花則無(wú)毛發(fā)狀組織,而是大量片狀蠟質(zhì)層堆積;從表皮的形狀分析,臘蓮系繡球和柔毛繡球?yàn)楸馄骄€(xiàn)狀,有一定的相似性.

綜合以上研究結(jié)果,在這四種繡球?qū)僦参镏?臘蓮繡球和柔毛繡球具有很近的親緣關(guān)系,圓錐繡球和八仙花分屬于不同的系,該研究結(jié)果與前期的SRAP標(biāo)記結(jié)果一致[6].因此,本研究結(jié)果說(shuō)明葉表皮特征如氣孔器大小和密度、表皮毛形狀與密度等均可以作為繡球?qū)僦参锓诸?lèi)的依據(jù).

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Biography：PENG Jin-hui, female, born in 1968, associate professor, major in molecular biology of ornamental plants.

Comparative Study on the Leaf Surface Features of Four Hydrangea Species

PENG Jin-hui1, FAN Shi2, CHEN Hai-xia1*

(1. College of Horticulture and Landscape, Hunan Agriculture University, Changsha 410128,China ;2.Landscape Department, Hunan Polytechnic of Environment and Biology, Hengyang 421005,China )

The leaf surface features of four hydrangea species in China were studied under scanning electron microscopy (SEM) for the first time. The leaf surfaces of Hydrangea villosa,H.strigosa,H.paniculata, andH.macrophyllawere observed by using a light microscope and SEM. The results indicate that the four hydrangea species are different in terms of stomatal shape and density. The stomata ofH.macrophylla,H.strigosa, andH.paniculataare long and ellipsoid, whereas those ofH.villosaare oval. The stomatal density ofH.villosais 819.43 units per square millimeter, which is the highest, whereasH.paniculatahas the lowest at 286.05 units per square millimeter. The appearance of the trichomes differs in length, width, density, shape, appendages, and so on.H.strigosahas long and narrow linear trichomes, and many buninoid protuberances are distributed on its surface. The trichomes of H. villosa are flaky with papillose appendages.H.paniculatahas cylindrical-conical trichomes and stellate appendages.H.macrophylladoes not have trichomes but its cuticular appendages are granuliform. The cuticular micromorphology of four hydrangeas supports the taxonomic assignment in “The Flora of China.” 2figs.,2tabs.,25refs.

Hydrangea; scanning electron microscopy(SEM); stomatal apparatus; trichome

2016-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(編號(hào):31201656);湖南省教育廳青年基金資助(編號(hào):14B093);湖南省林業(yè)廳科技計(jì)劃資助(項(xiàng)目編號(hào):XLK201338)

彭盡暉(1968-),女,湖南岳陽(yáng)人,博士,副教授,研究方向:觀賞植物分子生物學(xué). *通訊作者,E-mail:377817046@qq.com

2095-7300(2016)04-028-05

Q949

A