基于數(shù)字化標本和種群形態(tài)變異特征試論塊莖堇菜的分類地位

蘇　雪　侯云云,2　高　婷　王亞莉　孫　坤*

(1.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州　730070； 2.富平中學(xué)，渭南　711700)

塊莖堇菜(ViolatuberiferaFranchet.)和鱗莖堇菜(V.bulbosaMaxim.)為堇菜科(Violaceae)堇菜屬(ViolaL.)合生托葉組(Sect. Adnatae)的兩種多年生草本植物，主要分布于青藏高原及其毗鄰的高山地區(qū)，也是該地區(qū)兩種特有植物[1]。塊莖堇菜和鱗莖堇菜不僅具有相似的地理分布，而且在形態(tài)結(jié)構(gòu)上也較為相似，尤其是它們具有相同的花部特征和繁殖特性，均可通過形成開放花、地上閉鎖花以及著生于地下匍匐莖上的閉鎖花和鱗莖進行繁殖[1～2]，這也致使Stapf[3]在比較兩者模式標本后認為它們是同一種植物。然而，由于塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉片形態(tài)存在差異，塊莖堇菜葉片通常為腎形、基部心形、先端鈍，而鱗莖堇菜葉片為長圓狀卵形、基部楔形或淺心形、先端急尖，因此Becker W[4]和王慶瑞[1]均將塊莖堇菜和鱗莖堇菜作為兩個不同的種處理。葉片作為最可塑的器官，易受環(huán)境飾變的影響[5]，因此，陳又生等[6]在編寫《Flora of China》時，將塊莖堇菜重新歸入鱗莖堇菜?？梢?，塊莖堇菜的分類地位一直以來都存在較大爭議。

盡管葉片形態(tài)的可塑性使其在分類上存在一定局限性，但葉片形態(tài)作為植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，仍廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)植物分類學(xué)中[7～9]。雖然，孫坤等[10]在堇菜屬數(shù)量分類研究中認為塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉片形態(tài)性狀存在差異，應(yīng)作為兩個不同的種處理，但迄今對于塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉片形態(tài)特征的變異規(guī)律并不清楚。因此，本文擬通過對數(shù)字化標本和同域分布的鱗莖堇菜和塊莖堇菜種群葉片形態(tài)變異的深入研究，探討塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉片形態(tài)的分類學(xué)價值，以期為揭示塊莖堇菜的分類地位提供證據(jù)。

1　材料和方法

1.1　材料

研究材料分為兩部分：(1)對中國科學(xué)院植物研究所標本館(PE)、中國科學(xué)院昆明植物所標本館(KUN)、中國科學(xué)院西北高原生物研究所標本館(QTPMB)和中國科學(xué)院成都生物研究所標本館(CDBI)等標本館內(nèi)現(xiàn)存塊莖堇菜和鱗莖堇菜所有葉形完整的數(shù)字化標本植株進行測量和統(tǒng)計；(2)在塊莖堇菜和鱗莖堇菜同域分布的青藏高原東緣甘肅省合作市，分別選取塊莖堇菜和鱗莖堇菜各3個種群，包括合作草原站附近(各80株)、合作扎油溝(各30株)和合作完冒鄉(xiāng)(各30株)，每個種群選取大小基本一致的個體，每個個體選取4～6片葉測量。

1.2　方法

利用Adobe photoshop軟件中的標尺對數(shù)字標本館下載獲得的標本圖片進行葉片形態(tài)參數(shù)的測量和統(tǒng)計。由于塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉形差異主要集中于葉片基部和先端形狀處，故我們選取以下反映葉片形態(tài)性狀的特征作為統(tǒng)計指標：最大葉片長度(L)、最大葉片寬度(W)、葉柄長(PL)和長寬比(LWR)、葉片最寬處到頂部距離(AL)、葉片最寬處到基部距離(BL)。塊莖堇菜和鱗莖堇菜自然種群的葉片形態(tài)參數(shù)采用游標卡尺測量。為更好地反映葉片形態(tài)特征，在數(shù)字化標本測量指標基礎(chǔ)上多選取以下參數(shù)：1/5最大葉片長度處葉片寬度(W′)、△L(L-L′)、△W(W-W′)。塊莖堇菜和鱗莖堇菜的基本形態(tài)及測量參數(shù)見圖1。

圖1　塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉片形態(tài)及測量參數(shù)L.最大葉片長度；L′.從基部到頂部的葉片長度；W.最大葉片寬度；W′.1/5最大葉片長度處的葉片寬度；BL.葉片最寬處到基部的距離；AL.葉片最寬處到頂部的距離；PL.葉柄長度Fig.1　Leaf morphology and measurement parameters of V.bulbosa and V.tuberiferaL. Maximum blade length; L′. Blade length from base to top; W. Maximum blade width; W′. Blade width from the base to the point of 1/5 maximum blade length; BL. Blade length form the base to the point of maximum width; AL. Apex length from the base to the point of maximum width; PL. Petiole length

1.3　數(shù)據(jù)處理

測量所得葉片形態(tài)數(shù)據(jù)利用Excel統(tǒng)計分析其最大值、最小值、平均值、標準差和變異系數(shù)，用SPSS20.0進行單因素方差分析(ANOVA)，在9個葉片形態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上進行主成分分析(PCA)，用Origin 9.0軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　基于數(shù)字化標本葉片形態(tài)特征對塊莖堇菜和鱗莖堇菜的主成分分析

主成分分析結(jié)果表明，所有數(shù)字化標本按照葉形特征明顯分為兩大葉形不同的集群，一個集群為葉片腎形，基部心形，先端鈍，符合塊莖堇菜的葉片形態(tài)；另一個集群為葉片長圓狀卵形，基部楔形或淺心形，先端急尖，符合鱗莖堇菜的葉形特征(圖2)。第一主成分貢獻的葉片特征主要是L、W、BL和LWR值，貢獻率為73.375%；第二主成分貢獻的葉片特征主要是AL和PL值，貢獻率為19.298%，這些葉片形態(tài)參數(shù)可基本反映塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉片形態(tài)差異。

2.2　基于數(shù)字化標本塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉片形態(tài)變異特征

對不同地區(qū)塊莖堇菜和鱗莖堇菜數(shù)字化標本葉片形態(tài)變異的分析發(fā)現(xiàn)，各地區(qū)塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉片形態(tài)存在一定變異，反映葉片大小的形態(tài)參數(shù)，如L、W、AL、BL、PL等在各個地區(qū)變異系數(shù)均較大(21.66%～76.85%)，但反映葉形的參數(shù)LWR值在各個地區(qū)的變異系數(shù)均相對較小(7.99%～17.80%)。葉片形態(tài)特征參數(shù)差異性分析表明，W、BL和LWR在不同地區(qū)的同種堇菜間沒有顯著性差異，但在塊莖堇菜和鱗莖堇菜間卻存在顯著性差異，其中LWR在兩種堇菜間差異極顯著(P<0.01)(表1)。因此，塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉形特征是一個相對穩(wěn)定且受環(huán)境影響較小的性狀，可用作其分類的依據(jù)，其中W、BL和LWR的分類價值較大，特別是LWR作為反映葉片的基本形狀的葉形參數(shù)，能反映出塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉形差異。

圖2　基于數(shù)字化標本葉片形態(tài)對塊莖堇菜和鱗莖堇菜的主成分分析Fig.2　The PCA of V.bulbosa and V.tuberifera based on leaf morphology of digital specimen

LWALBLPLLWRX(mm)CV(%)X(mm)CV(%)X(mm)CV(%)X(mm)CV(%)X(mm)CV(%)X(mm)CV(%)塊莖堇菜V.tuberifera青海Qinghai21.42±5.04a23.5425.20±6.11a24.267.14±2.23ab31.2314.08±3.22a23.8657.91±24.93a43.050.85±0.07a7.99甘肅Gansu20.94±6.75ac32.2224.52±7.50a30.607.04±2.65ab37.6413.69±4.52a33.0134.15±16.99b49.770.85±0.07a8.50西藏Xizang22.96±7.83a34.0927.53±9.14a33.187.34±1.82a24.7915.28±3.31a21.6645.60±30.84ab67.630.84±0.08a9.26云南Yunnan23.46±8.29a35.3328.02±9.73a34.748.36±3.58a42.8214.89±7.41a49.7651.72±30.01ab58.010.84±0.10a12.36四川Sichuan19.76±6.78b34.3124.18±8.63a35.716.16±1.36b22.0713.28±3.31b24.9233.35±25.63B76.850.82±0.07a9.09鱗莖堇菜V.bulbosa青海Qinghai12.24±6.27C51.258.31±5.50B66.135.03±1.55ab30.817.19±3.11b43.2514.73±11.22C76.151.59±0.28B17.83甘肅Gansu20.87±6.16ab29.5413.60±5.02B36.898.80±2.72a30.9012.58±3.62a28.7728.08±17.46BC62.191.58±0.25B15.85

注：同一列同一字母代表差異不顯著；不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母代表差異極顯著(P<0.01)X.平均值±標準差；CV.變異系數(shù)下同。

Note:The same column of the same letter represents no significant difference,different lowercase letters represent significant differences(P<0.05) different uppercase letter represent extremely significant differences(P<0.01)X. Mean±Standard deviation; CV. Coefficient of variationThe same as below.

2.3　種群水平上塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉片形態(tài)變異

為進一步了解塊莖堇菜和鱗莖堇菜間的葉片形態(tài)變異特征，我們以小地理尺度的幾個同域種群為例，分析了種群水平的葉片形態(tài)變異特征(表2)。結(jié)果表明，塊莖堇菜和鱗莖堇菜種群內(nèi)的葉片形態(tài)存在一定變異，其中△L和PL變異系數(shù)相對較高，但反映葉片基部和先端形狀的葉形參數(shù)△W、AL和BL的變異系數(shù)較低，特別是反映葉片基本形狀的參數(shù)LWR，其種群內(nèi)變異系數(shù)均小于7%。這一結(jié)果說明兩種堇菜的葉片大小雖存在一定變異，但其葉片形態(tài)卻沒有明顯變化。種群間的變異分析表明，鱗莖堇菜或塊莖堇菜不同種群間的W、△W、AL、BL和LWR差異不顯著，而且在種群內(nèi)或種群間相對穩(wěn)定的葉形參數(shù)在兩種堇菜間也差異顯著，如合作扎油溝地區(qū)的塊莖堇菜和鱗莖堇菜間的葉片形態(tài)參數(shù)L、W、W′、△L、AL、BL和LWR值在兩種堇菜間均是差異極顯著(P<0.01)，△W差異顯著(P<0.05)，完冒鄉(xiāng)和草原站結(jié)果也與扎油溝類似?？梢?，兩種堇菜葉片形態(tài)的主要差異是存在于種間而并非種群間或種群內(nèi)部。

表2　種群水平上塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉片形態(tài)變異

2.4　種群水平上基于葉片形態(tài)的塊莖堇菜和鱗莖堇菜的主成分分析

塊莖堇菜和鱗莖堇菜幾個同域自然種群葉片形態(tài)變異特征主成分分析結(jié)果顯示，所有自然種群個體根據(jù)葉片形態(tài)分為兩個集群，塊莖堇菜聚集在一處，鱗莖堇菜聚集在另一處，沒有混雜現(xiàn)象(圖3)，說明沒有中間葉形的存在，這與數(shù)字化標本的分析結(jié)果完全一致。可見，同域生長的塊莖堇菜和鱗莖堇菜其葉片形態(tài)在種內(nèi)不同種群間的分化不大，主要表現(xiàn)為種間的差異。

圖3　種群水平上基于葉片形態(tài)的塊莖堇菜和鱗莖堇菜的主成分分析　T-W.完冒鄉(xiāng)塊莖堇菜；T-Z.扎油溝塊莖堇菜；T-C.草原站塊莖堇菜；B-W.完冒鄉(xiāng)鱗莖堇菜；B-Z.扎油溝鱗莖堇菜；B-C.草原站塊莖堇菜Fig.3　The PCA of the populations of V.bulbosa and V.tuberifera based on leaf morphological characters　T-W. Represents V.tuberifera in Wan Mao-Xiang; T-Z. Represents V.tuberifera in Zha You-Gou; T-C. Represents V.tuberifera in Cao Yuan-Zan; B-W. Represents V.bulbosa in Wan Mao-Xiang; B-Z. Represents V.bulbosa in Zha You-Gou; B-C. Represents V.bulbosa in Cao Yuan-Zan

3　討論

葉片形態(tài)，包括形狀和大小，葉緣、葉基和先端形狀，葉片分裂程度，葉脈分布式樣等因植物種類不同而不同，這些形態(tài)特征在植物分類學(xué)上具有較大意義[11]，系統(tǒng)研究葉片形態(tài)特征差異可為植物分類鑒定提供證據(jù)[12～13]。然而，葉片作為植物進化過程中最具可塑性器官，其形態(tài)也易受環(huán)境的影響[14]，如Hovenden & Schoor[15]對山毛櫸葉形態(tài)研究表明海拔是影響葉形態(tài)的重要因素。因此，深入研究植物的葉片形態(tài)變異特征及其與環(huán)境的關(guān)系可以為揭示葉片性狀的分類學(xué)價值提供依據(jù)。數(shù)字化標本館為研究不同地區(qū)植物形態(tài)變異提供了一個重要的便利平臺[16]。我們利用數(shù)字化標本對塊莖堇菜和鱗莖堇菜整個分布區(qū)標本葉片形態(tài)變異的主成分分析結(jié)果表明，所有標本按葉形分為兩個集群，分別對應(yīng)不同的葉形。對塊莖堇菜和鱗莖堇菜葉片形態(tài)變異特征的比較分析發(fā)現(xiàn)，同一種內(nèi)反映葉形的W、BL和LWR值在各地區(qū)內(nèi)或不同地區(qū)間均相對穩(wěn)定、但在兩種堇菜間卻存在顯著性差異，這說明兩種堇菜間的葉形差異可能并非由于環(huán)境條件導(dǎo)致的環(huán)境飾變，而是由遺傳因素決定的。

植物受相同環(huán)境因子的驅(qū)動會表現(xiàn)出相似的形態(tài)特征[17～18]。本文的數(shù)字標本信息雖然來自塊莖堇菜和鱗莖堇菜的整個分布區(qū)，但因標本數(shù)量有限，因而在種群水平分析同域分布兩種堇菜的葉片形態(tài)變異可以進一步揭示其葉片變異特征和葉片形態(tài)作為其分類依據(jù)的可靠性。我們對小地理尺度同域分布的兩種堇菜自然種群葉片形態(tài)變異的研究表明，反映葉片基部和先端特征及葉形的參數(shù)△W、AL、BL以及LWR值在種群內(nèi)的變異系數(shù)較低。兩種堇菜種內(nèi)種群間在葉片形態(tài)上雖存在一定變異，但存在于種間的葉形差異更加顯著，如在種群內(nèi)或種群間相對穩(wěn)定的葉形參數(shù)W、△W、AL、BL和LWR值，在塊莖堇菜和鱗莖堇菜間卻表現(xiàn)出了極顯著差異。主成分分析結(jié)果也表明兩種堇菜的葉片形態(tài)在種內(nèi)分化不大，主要表現(xiàn)為種間的差異。這與孫坤等[10]基于數(shù)量分類學(xué)的研究和蘇雪[19]對同一地區(qū)塊莖堇菜和鱗莖堇菜遺傳結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果一致。綜上可見，塊莖堇菜和鱗莖堇菜的葉片形態(tài)差異在種間相對穩(wěn)定，W、△W、AL、BL和LWR等反映其葉片形態(tài)特征的參數(shù)有一定分類價值。分析表明，塊莖堇菜葉片通常為腎形，先端鈍、基部心形，而鱗莖堇菜葉片則通常為長圓狀卵形，先端急尖、基部楔形或淺心形。因此，建議將塊莖堇菜作為鱗莖堇菜的亞種或獨立的種處理。

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