15種鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征的研究

高曉雯 王夢穎 徐 斌 陸丹妮 戴錫玲

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234)

鐵角蕨科(Aspleniaceae)為蕨類植物中最自然的一個(gè)分類群，也是最大類群之一。鐵角蕨科約有10屬，700余種，廣布于世界各地，主產(chǎn)熱帶。其中，鐵角蕨屬(AspleniumL.)為種類最多、形體變化最大的1個(gè)屬，為本科的中心屬，其他各屬的種類很少或只有一二種，分布區(qū)較為局限或呈現(xiàn)洲際間斷分布[1]。這個(gè)類群有豐富的代表種，卻未見活著的近親族，它是處于進(jìn)化活躍狀態(tài)的高度進(jìn)化的一個(gè)科，屬的界線仍然處于分化的過程中，其種間甚至近緣屬間都存在著廣泛的雜交能育性[2]。秦仁昌和吳兆洪把我國的鐵角蕨屬(Asplenium)劃分為四個(gè)組：鐵角蕨組(Sect.Asplenium)、單葉組(Sect.Holophyllum)、蕃葉組(Sect.Darea)及叉葉組(Sect.Acropteris)；鐵角蕨組(Sect.Asplenium)是其中最大的組，又分為5個(gè)系：變異葉系(Ser.Variantia)、鐵角葉系(Ser.Trichomanoidea)、半邊羽系(Ser.Unilateralia)、披針羽系(Ser.Wrightiana)及隆脈系(Ser.Falcata)[3～4]。

研究表明，真蕨目氣孔形態(tài)及其相關(guān)性狀在每屬中是相對穩(wěn)定的，即葉表皮形態(tài)特征可作為屬間劃分的依據(jù)之一[5]。鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征的多樣性可用于其種間、屬間甚至科間的分類和系統(tǒng)演化關(guān)系方面的探討[6～9]。王任翔等[6]利用光學(xué)顯微鏡對我國西南地區(qū)12種鐵角蕨科植物的葉表皮微形態(tài)進(jìn)行了觀察比較，其結(jié)果指出鐵角蕨組、單葉組及蕃葉組具有代表性的氣孔器類型，不同組氣孔器類型差別明顯，這與組的劃分相吻合，在一定意義上支持秦仁昌、吳兆洪對鐵角蕨屬的分組處理。梁曉華等[7]利用光學(xué)顯微鏡對鐵角蕨科鐵角蕨屬4種植物與巢蕨屬4種植物的葉表皮細(xì)胞特征、氣孔器類型，氣孔指數(shù)和氣孔密度進(jìn)行對比研究，結(jié)果顯示8種植物之間有一定的共同特征，同時(shí)在某些特征上具有屬間差異。鄧晰朝等[8]對廣西產(chǎn)9種鐵角蕨屬植物葉表皮微形態(tài)進(jìn)行觀察。徐成東等[9]對云南分布的2種鐵角蕨科植物葉表皮特征進(jìn)行研究，結(jié)果顯示同屬蕨類植物的下表皮細(xì)胞的形態(tài)穩(wěn)定，但垂周壁樣式不一定相同，且鐵角蕨科具有集中表現(xiàn)的氣孔器類型。

本文利用光鏡對15種鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征(如葉表皮細(xì)胞形狀和大小、氣孔器的大小和類型以及氣孔密度、氣孔指數(shù)等)進(jìn)行詳細(xì)的觀察，旨在為進(jìn)一步探討鐵角蕨科植物的分類和系統(tǒng)演化研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料取自15種鐵角蕨科植物新鮮葉或臘葉標(biāo)本的成熟葉片，植物標(biāo)本保存在上海師范大學(xué)生物系蕨類植物標(biāo)本室，材料來源詳見表1。

1.2 方法

取植物葉中部小羽片，刮去其孢子囊群后，浸泡在30%過氧化氫—醋酸溶液中，根據(jù)不同葉片的質(zhì)地，分別在60℃烘箱內(nèi)放置1～2 h。待葉肉組織和表皮細(xì)胞分離，用蒸餾水小心清洗3遍后，把材料取出浸泡在清水中。觀察葉片上表皮時(shí)，取處理過的葉片于載玻片上，把葉片的下表皮朝上，用刀片刮去下表皮和葉肉組織，直至載玻片上只留下一層上表皮為止；反之，觀察葉片下表皮時(shí)，把葉片的上表皮朝上，刮去上表皮和葉肉組織，只留下表皮。將刮好的葉表皮制成臨時(shí)水封片并編號，以便觀察記錄。每種植物的上、下表皮分別制備5個(gè)樣品，每個(gè)樣品隨機(jī)觀察4個(gè)視野。

文中的表皮細(xì)胞大小、氣孔器大小、氣孔器類型、氣孔密度及氣孔指數(shù)等數(shù)據(jù)均為隨機(jī)測量20個(gè)視野材料的數(shù)據(jù)或平均值。其中，氣孔指數(shù)=氣孔數(shù)/(氣孔數(shù)+表皮細(xì)胞數(shù))×100%，氣孔密度=氣孔個(gè)數(shù)·mm-2。氣孔器類型的命名采用《The Botanical Review》[10]中的名稱。

2 觀察結(jié)果

2.1 15種鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征

對鐵角蕨科15種植物葉表皮形態(tài)特征進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，它們的葉片上、下表皮細(xì)胞形狀均為不規(guī)則型，其上、下表皮垂周壁呈深波狀、波狀及淺波狀3種類型；上表皮細(xì)胞的長寬比1.3～2.6，下表皮細(xì)胞的長寬比1.3～4.1(表2)；氣孔的長寬比1.12～2.81，氣孔密度16.4～105.1 個(gè)·mm-2，氣孔指數(shù)為5.7%～21.1%(表3)；在15種鐵角蕨科植物中共觀察到7種氣孔器類型，依據(jù)副衛(wèi)細(xì)胞的數(shù)目及其與保衛(wèi)細(xì)胞排列方式的不同觀察到腋下細(xì)胞型(Axillocytic type)、不等細(xì)胞型(Aisocytic type)、無規(guī)則四細(xì)胞型(Anomotetracytic type)、無規(guī)則型(Anomocytic type)、極細(xì)胞型(Polocytic type)、聚合極細(xì)胞型(Copolocytic type)和聚腋下細(xì)胞型(Coaxillocytic type)，每種植物具有2～5種氣孔器類型(表4)，氣孔均勻分布在葉片下表面，即下生型氣孔，多為橢圓形，一般散生且沿著葉片長軸方向排列，偶有取向不規(guī)則現(xiàn)象。

表1 材料來源Table 1 Source of materials

表2 鐵角蕨科15種植物葉上表皮形態(tài)特征Table 2 Characteristics of upper leaf epidermis of 15 Aspleniaceae species

種名Species氣孔器類型Type of stomatal apparatus腋下細(xì)胞型Axillocytic type不等細(xì)胞型Aisocytic type無規(guī)則四細(xì)胞型Anomotetracytic type無規(guī)則型Anomocytic type極細(xì)胞型Polocytic type聚合極細(xì)胞型Copolocytic type聚腋下細(xì)胞型Coaxillocytic type圖版Plate線裂鐵角蕨Asplenium coenobiale+++++++Ⅱ:1虎尾鐵角蕨A.incisum+++++++++Ⅱ:2華中鐵角蕨A.sarelii+++++++++Ⅱ:3變異鐵角蕨A.varians+++++++++++Ⅱ:4云南鐵角蕨A.yunnanense++++++Ⅱ:5鐵角蕨A.trichomanes++++++Ⅱ:6三翅鐵角蕨A.tripteropus++++++++Ⅱ:7毛軸鐵角蕨A.crinicaule++++++++Ⅱ:8齒果鐵角蕨A.cheilosorum++++++Ⅱ:9切邊鐵角蕨A.excisum++++++Ⅱ:10劍葉鐵角蕨A.ensiforme+++++++++Ⅱ:11狹翅鐵角蕨A.wrightii+++++++Ⅱ:12網(wǎng)脈鐵角蕨A.finlaysonianum++++++Ⅱ:13長葉鐵角蕨A.prolongatum++++++Ⅱ:14巢蕨Neottopteris nidus++++++++++Ⅱ:15

表4 鐵角蕨科15種植物的氣孔器類型Table 4 Percentage of each stomatal apparatus of 15 Aspleniaceae species

2.2 14種鐵角蕨屬植物的葉表皮形態(tài)特征分析

根據(jù)葉表皮形態(tài)特征，將所觀察的14種鐵角蕨屬植物分為3個(gè)類型：

類型1：它們的上、下表皮細(xì)胞形狀為無規(guī)則型；上表皮垂周壁為深波狀，細(xì)胞長寬比在1.6～2.6；下表皮垂周壁為深波狀或波狀，細(xì)胞長寬比在1.3～4.1，氣孔密度均大于32.2 個(gè)·mm-2，氣孔器類型集中表現(xiàn)為腋下細(xì)胞型、不等細(xì)胞型及無規(guī)則四細(xì)胞型，如線裂鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：1)、虎尾鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：2)、華中鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：3)、變異鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：4)及云南鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：5)。

類型2：它們的上、下表皮細(xì)胞形狀為無規(guī)則型；上表皮垂周壁為波狀，下表皮垂周壁為深波狀或波狀，且觀察的5種植物中有4種表現(xiàn)為深波狀，如毛軸鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：8)。根據(jù)該組內(nèi)植物上、下葉表皮細(xì)胞長、寬、長寬比及氣孔器集中表現(xiàn)類型等特征又分兩種：

上表皮細(xì)胞長60.3～67.5 μm，寬32.5～38.1 μm，長寬比1.8～1.9，下表皮細(xì)胞長75.2～90.2 μm，長寬比為1.7，氣孔長寬比1.12～1.47，氣孔指數(shù)13.4%～20.1%，氣孔密度45.8～52.8 個(gè)·mm-2，氣孔器集中表現(xiàn)類型為腋下細(xì)胞型及無規(guī)則四細(xì)胞型，如鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：6)和三翅鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：7)。

上表皮細(xì)胞長89.4～125.4 μm，寬34.5～53.3 μm，長寬比2.4～2.5，下表皮細(xì)胞長94.2～118.2 μm，長寬比為2.1～2.2，氣孔長寬比2.01～2.81，氣孔指數(shù)9.7%～9.8%，氣孔密度20.1～21.3 個(gè)·mm-2，氣孔器集中表現(xiàn)類型為聚合極細(xì)胞型和聚腋下細(xì)胞型，如齒果鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：9)和切邊鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：10)。

類型3：它們的上、下表皮細(xì)胞形狀為無規(guī)則型；上表皮垂周壁為淺波狀，下表皮垂周壁為波狀或淺波狀，氣孔器主要表現(xiàn)類型為腋下細(xì)胞型、不等細(xì)胞型、無規(guī)則四細(xì)胞型及無規(guī)則型，如劍葉鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：11)和長葉鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：14)；另外，狹翅鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：12)和網(wǎng)脈鐵角蕨(圖版Ⅰ～Ⅱ：13)在氣孔器類型上集中表現(xiàn)為無規(guī)則四細(xì)胞型。

3 討論

3.1 葉表皮形態(tài)特征在鐵角蕨科植物分類中的應(yīng)用

本文對15種鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征進(jìn)行詳細(xì)觀察，其中線裂鐵角蕨、虎尾鐵角蕨、華中鐵角蕨、變異鐵角蕨、云南鐵角蕨、鐵角蕨、三翅鐵角蕨、毛軸鐵角蕨、切邊鐵角蕨、狹翅鐵角蕨及網(wǎng)脈鐵角蕨等11種植物的葉表皮形態(tài)特征為首次報(bào)道。

圖版Ⅰ 光學(xué)顯微鏡下15種鐵角蕨科植物葉上表皮形態(tài) 1.線裂鐵角蕨；2.虎尾鐵角蕨；3.華中鐵角蕨；4.變異鐵角蕨；5.云南鐵角蕨；6.鐵角蕨；7.三翅鐵角蕨；8.毛軸鐵角蕨；9.齒果鐵角蕨；10.切邊鐵角蕨；11.劍葉鐵角蕨；12.狹翅鐵角蕨；13.網(wǎng)脈鐵角蕨；14.長葉鐵角蕨；15.巢蕨PlateⅠ The morphology of upper leaf epidermis of 15 Aspleniaceae species under LM 1. Asplenium coenobiale; 2. A.incisum; 3. A.sarelii; 4. A.varians; 5. A.yunnanense; 6. A.trichomanes; 7. A.tripteropus; 8. A.crinicaule; 9. A.cheilosorum; 10. A.excisum; 11. A.ensiforme; 12. A.wrightii; 13. A.finlaysonianum; 14. A.prolongatum; 15. Neottopteris nidus

圖版Ⅱ 光學(xué)顯微鏡下15種鐵角蕨科植物葉下表皮形態(tài) 1.線裂鐵角蕨；2.虎尾鐵角蕨；3.華中鐵角蕨；4.變異鐵角蕨；5.云南鐵角蕨；6.鐵角蕨；7.三翅鐵角蕨；8.毛軸鐵角蕨；9.齒果鐵角蕨；10.切邊鐵角蕨；11.劍葉鐵角蕨；12.狹翅鐵角蕨；13.網(wǎng)脈鐵角蕨；14.長葉鐵角蕨；15.巢蕨PlateⅡ The morphology of lower leaf epidermis of 15 Aspleniaceae species under LM 1. Asplenium coenobiale; 2. A.incisum; 3. A.sarelii; 4. A.varians; 5. A.yunnanense; 6. A.trichomanes; 7. A.tripteropus; 8. A.crinicaule; 9. A.cheilosorum; 10. A.excisum; 11. A.ensiforme; 12. A.wrightii; 13. A.finlaysonianum; 14. A.prolongatum; 15. Neottopteris nidus

通過本文觀察的14種及前人報(bào)道的13種鐵角蕨屬(Asplenium)植物[6～9]發(fā)現(xiàn)，該屬植物葉片上表皮垂周壁樣式有3種類型，即深波狀、波狀及淺波狀；細(xì)胞長59.8～125.4 μm，細(xì)胞寬29.3～64.3 μm，細(xì)胞長寬比1.3～2.6。下表皮垂周壁樣式同樣觀察到這3種類型，下表皮細(xì)胞長75.2～137.6 μm，細(xì)胞寬31.1～57.9 μm，細(xì)胞長寬比1.3～4.1，氣孔長36.7～74.2 μm，氣孔寬18.3～52.2 μm，氣孔長寬比1.12～2.81，氣孔指數(shù)為5.7%～21.1%，氣孔密度為16.4～105.1 個(gè)·mm-2。另外，在這27種植物中共觀察到9種類型氣孔器，每種植物具2～5種氣孔器類型，分別為腋下細(xì)胞型、不等細(xì)胞型、無規(guī)則四細(xì)胞型、無規(guī)則型、極細(xì)胞型、聚合極細(xì)胞型、聚腋下細(xì)胞型、橫裂型(Diacytic type)及輻射狀細(xì)胞型(Aotinocytic type)，鄧晰朝等[8]從8種鐵角蕨屬植物中觀察到7種氣孔器類型，其中除橫列型外，其余6種與本文所觀察結(jié)果相符；王任翔等[6]除在江南鐵角蕨(Aspleniumloxogrammoides)中觀察到了輻射狀細(xì)胞型外，其余觀察結(jié)果也與本文相一致，進(jìn)一步證實(shí)了鐵角蕨屬的基本氣孔器類型為腋下細(xì)胞型[6～9]。

結(jié)合本文觀察的1種及之前報(bào)道的5種巢蕨屬(Neottopteris)植物[6～7]，其葉片上表皮垂周壁樣式表現(xiàn)為波狀或淺波狀，較鐵角蕨屬波形彎曲得較淺，且過往研究認(rèn)為巢蕨屬植物上表皮垂周壁樣式較鐵角蕨屬更為統(tǒng)一[7]；上表皮細(xì)胞長73.5～96.2 μm，寬37.4～44.2 μm，細(xì)胞長寬比1.6～2.2；下表皮垂周壁樣式均為深波狀，下表皮細(xì)胞長41.2～80.7 μm，細(xì)胞寬29.3～49.2 μm，細(xì)胞長寬比1.4～1.6，本文觀察的巢蕨(Neottopterisnidus)氣孔密度為32.3 個(gè)·mm-2，這與以往所報(bào)道的“巢蕨屬氣孔密度較小，且均在15以下”的結(jié)果不一致[7]。在已觀察的6種巢蕨屬植物中，共觀察到6種類型的氣孔器，分別為極細(xì)胞型、腋下細(xì)胞型、不等細(xì)胞型、無規(guī)則四細(xì)胞型、無規(guī)則型及聚合極細(xì)胞型，氣孔器基本表現(xiàn)類型為腋下細(xì)胞型和不等細(xì)胞型。

另外，王任翔等[6]對齒果鐵角蕨、劍葉鐵角蕨及巢蕨的葉表皮形態(tài)特征有過報(bào)道，結(jié)果顯示齒果鐵角蕨葉上表皮垂周壁為淺波狀，下表皮垂周壁為波狀，其集中表現(xiàn)的氣孔器類型為極細(xì)胞型和腋下細(xì)胞型；巢蕨上表皮垂周壁為近平直；而本文觀察結(jié)果表明，齒果鐵角蕨葉上表皮垂周壁為波狀，下表皮垂周壁為深波狀，集中表現(xiàn)的氣孔器類型為聚合極細(xì)胞型及聚腋下細(xì)胞型；巢蕨葉上表皮垂周壁為波狀，與其觀察結(jié)果不一致。但對劍葉鐵角蕨的觀察與其基本一致。另外，梁曉華等[7]指出長葉鐵角蕨葉片上表皮垂周壁為深波狀，這與本文觀察結(jié)果“其上表皮垂周壁類型為淺波狀”的結(jié)果不一致。本文觀察結(jié)果表明，鐵角蕨科不同屬植物葉上表皮細(xì)胞垂周壁類型及下表皮氣孔密度、氣孔器類型等葉表皮形態(tài)特征具有一定的屬內(nèi)穩(wěn)定性，可作為鐵角蕨科屬間分類的依據(jù)[5,7,11～12]。

3.2 鐵角蕨屬的屬下分組及組內(nèi)分系問題

過往研究認(rèn)為，鐵角蕨屬植物按其形態(tài)特征可分鐵角蕨組、單葉組、蕃葉組及叉葉組4個(gè)組[3]，其中每種植物都有多種氣孔器類型，并且它們所屬的氣孔器類型并不完全與它們所屬的組和系相一致[8]，但都具有穩(wěn)定的氣孔器代表類型[4]；而并未就葉表皮其他特征對鐵角蕨組下5系做出劃分；本研究根據(jù)葉表皮的形態(tài)特征將所觀察的14種鐵角蕨屬植物分為3個(gè)類型，這3個(gè)類型的劃分支持秦仁昌和吳兆洪對我國鐵角蕨屬做的四個(gè)組中鐵角蕨組的5個(gè)系(即變異葉系、鐵角葉系、半邊羽系、披針羽系及隆脈系)劃分[3]。類型Ⅰ中根據(jù)其植物葉上表皮垂周壁樣式為深波狀即可劃分出來的5種具有相對穩(wěn)定特征的鐵角蕨屬植物，支持其變異葉系的劃分；類型Ⅱ在上表皮垂周壁樣式為波狀的基礎(chǔ)上，再根據(jù)組內(nèi)對比其上、下葉表皮細(xì)胞長、寬、長寬比，尤其是氣孔器集中表現(xiàn)類型的不同，從而劃分出鐵角蕨、三翅鐵角蕨，齒果鐵角蕨、切邊鐵角蕨及毛軸鐵角蕨三組，支持其鐵角蕨組內(nèi)鐵角蕨系、半邊羽系及隆脈系的劃分；類型Ⅲ中也根據(jù)氣孔器集中表現(xiàn)類型劃分出狹翅鐵角蕨及網(wǎng)脈鐵角蕨，支持披針羽系的劃分[3]。

因此，本研究也認(rèn)為在鐵角蕨科中葉上表皮垂周壁樣式相較下表皮而言更具有種屬分類指導(dǎo)意義?，F(xiàn)根據(jù)葉表皮形態(tài)特征將12種鐵角蕨組植物編制一個(gè)檢索表，為該組的分類學(xué)及組下5個(gè)系的鑒定提供有益的資料。

鐵角蕨科孢子壁的紋飾形態(tài)變化大，特征重疊，在屬及屬下分類方面應(yīng)用困難[13～15]；而鐵角蕨屬葉表皮形態(tài)特征，如葉表皮細(xì)胞形狀、細(xì)胞長寬比、細(xì)胞垂周壁樣式、氣孔指數(shù)范圍、氣孔密度范圍及氣孔器主要表現(xiàn)類型等具有科間穩(wěn)定性及屬內(nèi)差異明顯等特點(diǎn)，可作為鐵角蕨科及鐵角蕨屬分類鑒定的依據(jù)之一[7,16]。目前，鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征的研究仍然較少，還需對鐵角蕨科植物葉表皮形態(tài)特征進(jìn)行更多的觀察，以得出更進(jìn)一步的結(jié)論。