5種水東哥屬 (獼猴桃科) 植物的花粉形態(tài)及分類學意義*

李 璐 楊晨璇 羅 艷 向建英

(1. 西南林業(yè)大學云南生物多樣性研究院，云南 昆明 650224；2. 中國科學院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學重點實驗室，云南 西雙版納 666303)

水東哥屬 (SaurauiaWilld.) 是獼猴桃科 (Actinidiaceae) 3個屬中最大的一個屬，約有300種，主要分布在亞熱帶、熱帶亞洲和美洲，自錫金、不丹、尼泊爾、緬甸、印度、中國西南部和南部、越南、印度尼西亞至美洲均有分布[1-2]。其中，我國有13種，主產(chǎn)云南和廣西，稀分布于四川、貴州、廣東和臺灣[3]。

水東哥屬的系統(tǒng)位置不穩(wěn)定，長期頗有爭議[4]。它曾被放在第倫桃科 (Dilleniaceae)[5]、獼猴桃科[6-9]，或自成水東哥科 (Saurauiaceae)[10-11]，但近年來的分子系統(tǒng)學支持把它放在獼猴桃科[12-13]。南美[14-15]和越南[16]關(guān)于水東哥屬的分類學研究主要集中在局部地區(qū)的水東哥屬分類學修訂，雖然水東哥屬的研究資料不多，但現(xiàn)有研究表明該屬為亞洲和美洲間斷分布，物種數(shù)目較多，其物種多樣性研究值得廣泛開展。如細胞學研究認為水東哥屬為染色體數(shù)目變異較大的古多倍體類群，表現(xiàn)出一定的細胞地理分化[17-19]胚胎學方面，尼泊爾水東哥 (S.napaulensis) 具有胚囊極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[20]，這在被子植物胚胎學發(fā)育中極為少見[21]?；ǚ坌螒B(tài)學方面，研究報道的水東哥屬種類較少，零星加起來不到20種[22-24]。本實驗選擇了5種水東哥屬植物為研究對象 (4種產(chǎn)自中國，1種為來自南美)，利用掃描電鏡觀察了它們的花粉形態(tài)特征，包括形狀大小和外壁紋飾等，通過與近緣類群的花粉形態(tài)比較，闡明水東哥屬花粉形態(tài)的分類學意義。

1 研究材料與方法

材料均取自于中國科學院昆明植物所標本館 (KUN) 的館藏臘葉標本 (表1)。用鑷子輕輕破碎花粉囊后，用解剖針撥出花粉灑在貼好導電膠的樣品臺上，噴金鍍膜后，利用日立S4800掃描電鏡觀察拍攝，所有花粉微觀結(jié)構(gòu)描述術(shù)語參考文獻 [24-26]。

表1 5種水東哥屬花粉的材料來源Table 1 Materials for pollen observation in 5 species of Saurauia

2 5種水東哥屬植物的花粉形態(tài)特征

5種水東哥屬植物的花粉形態(tài)數(shù)據(jù)見表2，掃描電鏡下花粉超微形態(tài)特征見圖1。5種水東哥的花粉形態(tài)很相似，均為長球形，花粉大小屬于小?；ǚ鄯秶?(10～25 μm)[24]。最小的花粉出現(xiàn)在紅果水東哥，大小為12.06～13.36 μm × 8.25～9.47 μm；最大的花粉為水東哥，大小為20.20～21.09 μm × 14.29～14.36 μm，大小相差近一倍?？诇蠟槿诇匣蛉龜M孔溝型，內(nèi)孔不明顯或內(nèi)孔明顯呈矩形，溝膜明顯被粗顆粒狀突起；外壁紋飾具穴狀、細穿孔、或粗網(wǎng)紋穿孔的皺波狀。成熟花粉的極面觀為三裂圓形，敗育花粉的極面觀為三裂三角形。具體描述如下。

2.1 綿毛水東哥

從圖1-1～4可以看出：花粉形狀為長球形，極軸與赤道軸比值為1.42；極面觀為三裂圓形，等極，極面截平；小?；ǚ郏ǚ鄞笮?3.27～15.70 μm × 9.36～10.64 μm；三孔溝型，溝較寬，溝長占極軸的65%～72%，內(nèi)孔明顯，矩形；外壁在溝邊光滑，無溝橋，溝膜表面具顆粒；外壁紋飾淺波狀，具細穿孔。

2.2 墨西哥水東哥

從圖1-5～8可以看出：花粉長球形或近長球形，極軸與赤道軸比值1.19；極面觀為三裂圓形，等極；小?；ǚ郏ǚ鄞笮?6.67～20.42 μm × 14.08～16.90 μm；三擬孔溝型，溝較寬，兩端漸尖，溝長占極軸的85%～87%，內(nèi)孔不明顯，外壁在溝邊光滑，稍隆起呈溝橋，溝膜表面具小顆粒狀物，不甚明顯；外壁紋飾皺波狀，具細穿孔。

2.3 紅果水東哥

從圖1-9～12可以看出：花粉形狀長球形，極軸與赤道軸比值1.43；花粉敗育，極面觀為三裂正三角形，亞等極；小?；ǚ?，花粉大小12.06～13.36 μm × 8.25～9.47 μm；三擬孔溝型，溝較寬，溝長占極軸的71%～75%，內(nèi)孔不明顯，外壁在溝邊傾斜呈坡面，溝膜表面具密集大顆粒；外壁紋飾皺波狀，具細穿孔。

2.4 尼泊爾水東哥

從圖1-13～16可以看出：花粉形狀長球形，極軸與赤道軸比值1.48；花粉敗育，極面觀三角形，亞等級；小?；ǚ郏ǚ鄞笮?2.55～15.57 μm × 9.24～10.45 μm；三擬孔溝型，溝較寬，溝長占極軸的75%～85%，內(nèi)孔不明顯，外壁在溝邊傾斜呈坡面，溝膜表面具密集大顆粒；外壁紋飾皺波狀，具深穴狀或粗網(wǎng)狀穿孔。

表2 5種水東哥屬植物的花粉形態(tài)Table 2 Pollen morphology in 5 species of Saurauia

1～4為綿毛水東哥；5～8為墨西哥水東哥；9～12為紅果水東哥；13～16為尼泊爾水東哥；17～20為水東哥。

示赤道面，極面觀和外壁紋飾。

圖1掃描電鏡下5種水東哥屬植物的花粉形態(tài)
Fig.1 Pollen morphology under SEM in 5 species ofSaurauia

2.5 水東哥

從圖1-17～20可以看出：花粉形狀長球形，極軸與赤道軸比值1.47，極面觀三裂圓形，亞等級；小?；ǚ?，花粉大小20.20～21.09 μm × 14.29～14.36 μm；三擬孔溝形，溝較寬，溝長占極軸的70%～75%，內(nèi)孔不明顯，外壁在溝邊光滑；外壁紋飾皺波狀，具深穴狀穿孔。

3 水東哥屬花粉形態(tài)的系統(tǒng)分類學意義

3.1 花粉形態(tài)

本研究的觀察結(jié)果中，4種水東哥的花粉萌發(fā)溝的內(nèi)孔都不明顯，為三擬孔溝花粉，只有綿毛水東哥的花粉萌發(fā)溝的內(nèi)孔明顯，呈矩形，屬于三孔溝型花粉。5種水東哥的花粉外壁紋飾近光滑，但在紋飾類型方面差異明顯。綿毛水東哥為淺波狀紋飾具細孔狀穿孔，其余4種為皺波狀紋飾。其中，墨西哥水東哥和紅果水東哥的具細穿孔，尼泊爾水東哥和水東哥具網(wǎng)狀或穴狀穿孔。因此，花粉孔溝類型和外壁紋飾特征可以作為水東哥屬物種劃分依據(jù)之一。

花粉外壁紋飾上[22-27]，獼猴桃屬和藤山柳屬的皆為顆粒狀或皺波狀突起；而水東哥屬的花粉外壁紋飾近光滑，為細孔狀或粗網(wǎng)狀穿孔的皺波狀紋飾。換言之，花粉形態(tài)特征支持獼猴桃屬和藤山柳屬的親緣關(guān)系較近，屬于姐妹群；而水東哥屬與這2個屬的親緣關(guān)系較遠，這也許是水東哥屬被處理為單型的水東哥科或水東哥亞科 (Saurauioideae) 的一個佐證[22-23]。同時，水東哥屬一些花粉形態(tài)特征在獼猴桃科內(nèi)及其近緣類群 (第倫桃科、山茶科、厚皮香科等) 中也很少見。如萌發(fā)孔類型 (矩形或圓形，或無)、萌發(fā)溝數(shù)目 (3-孔溝或多溝)、花粉敗育 (是否來自功能性的雌株) 以及花粉為單?；蛩暮匣ǚ鄣?。

萌發(fā)孔是花粉萌發(fā)生長的器官，孔的數(shù)目、位置和形狀在不同的植物類群中都各不相同，具有重要的分類學意義[23,26]。本研究觀察到綿毛水東哥具有明顯的矩形內(nèi)孔，為三孔溝花粉；其他4種水東哥的內(nèi)孔不明顯，為三擬孔溝花粉。矩形內(nèi)孔在張芝玉研究的3種水東哥中都有描述[23]，但Dickenson等研究過的9種水東哥都沒有觀察到矩形內(nèi)孔，而是描述為具圓形或卵圓形內(nèi)孔的三孔溝花粉[23]；其中，包括本文觀察的尼泊爾水東哥和水東哥。然而，本實驗觀察到的這2種水東哥的花粉內(nèi)孔不明顯，為三擬孔溝。這也許是不同研究中觀察的材料處在不同發(fā)育時期或來自不同居群所致，需進一步澄清。在廣義獼猴桃科中，矩形內(nèi)孔目前僅出現(xiàn)在水東哥屬[23]，其他3個屬及其近緣類群如山茶科、第倫桃科、山柳科等尚未有報道[22-28]。其他被子植物中，矩形內(nèi)孔在薔薇科 (Rosaceae) 的3個亞科中也很普遍，可以作為該科的鑒定特征之一[29-30]。

3.2 四合花粉

水東哥屬的花粉多為單粒[22-24]，有研究表明菲律賓產(chǎn)的S.elegans具有四合花粉的現(xiàn)象[22]。本實驗觀察的5種水東哥的花粉也為單粒，沒有觀察到四合花粉。四合花粉是指花粉成熟散粉時，二細胞型花粉粒沒有從胼脂質(zhì)中釋放出來，而是呈四分體的形式散粉[21]。在獼猴桃科中，四合花粉僅出現(xiàn)在水東哥屬[22,25]，其他2個屬 (藤山柳屬和獼猴桃屬) 皆為單粒[22,27]。在被子植物中，四合花粉出現(xiàn)在番荔枝科 (Annonaceae)、羅摩科 (Asclepiadaceae)、夾竹桃科 (Apocynaceae)、杜鵑花科 (Ericaceae) 以及蘭科 (Orchidaceae)，花粉聚合成塊是植物與傳粉生物協(xié)同進化的一種適應(yīng)性機制[21,28]。有意思的是，現(xiàn)在分子系統(tǒng)學把獼猴桃科歸為廣義杜鵑花目的核心類群[12-13]。因此，獼猴桃科的水東哥屬出現(xiàn)了四合花粉也許證實了它和杜鵑花科在系統(tǒng)進化上的某種聯(lián)系。隨著資料的不斷積累，水東哥屬四合花粉的系統(tǒng)演化意義將會得到更好的理解。

3.3 敗育花粉

本研究觀察到2種水東哥的花粉顆粒干癟，極面觀為三角形，呈敗育狀，這與美洲具有雄花-兩性花異株的S.veraguensis產(chǎn)生的敗育花粉很相似[[27]?；ǚ蹟∮侵钢参锏挠行苑敝尺^程中，出現(xiàn)了雄配子體發(fā)育不正常的現(xiàn)象，即沒有產(chǎn)生正常形態(tài)和功能的二細胞型花粉，影響了雙受精的繁殖過程[21]。然而，水東哥屬的敗育花粉并不影響植物的有性繁殖，而是為吸引傳粉昆蟲的一種策略[27]。在南美洲分部的一些水東哥屬植物中，存在著雄花-兩性花異株現(xiàn)象[15]。生長在哥斯達黎加的水東哥表現(xiàn)為雄花-兩性花異株的形態(tài)特征，但實際功能卻分化為雌雄異株[27]。雄株產(chǎn)生的花粉顆粒大而飽滿，具有萌發(fā)溝，落在兩性花的柱頭上可正常萌發(fā)生長；相反，兩性花花藥中產(chǎn)生的花粉顆粒小且干癟，沒有萌發(fā)溝，落在柱頭上不能萌發(fā)。類似的雌雄異株的花粉功能分化現(xiàn)象在同科的獼猴桃屬也存在，中華獼猴桃 (Actinidiachinensis) 的雄花植株產(chǎn)生正常的花粉粒，而兩性花植株的花粉生產(chǎn)敗育花粉，功能分化為雌株[29]。研究表明，被子植物中的雌雄異株的功能分化[28,31-32]和進化途徑大約有5種[31]，水東哥屬雌雄異株現(xiàn)象也許是通過雄性-兩性花異株演化而來[27]。目前，水東哥屬中，雄花-兩性花異株現(xiàn)象僅見于南美洲的部分種類，在熱帶亞洲分布的種類尚未有類似報道。因此，本實驗觀察到的產(chǎn)敗育花粉的2種水東哥是否也存在著相似的雌雄異株功能分化現(xiàn)象，需要繼續(xù)開展野外調(diào)查和繁殖生物學研究進一步澄清。

綜上所述，水東哥屬的花粉形態(tài)特征具有重要的分類學價值，可作為劃分屬內(nèi)種間和科內(nèi)屬級水平的劃分依據(jù)。其次，水東哥屬表現(xiàn)出來的矩形內(nèi)孔、四合花粉等在近緣類群中較為少見，具有重要的系統(tǒng)演化意義。此外，花粉敗育現(xiàn)象在水東哥屬的性別分化和適應(yīng)性進化方面的科學意義值得進一步研究。

致謝：本研究依托西南林業(yè)大學云南生物多樣性研究院科研實驗平臺完成，中國科學院昆明植物研究所標本館支持花粉材料，中國科學院昆明植物研究所任宗昕博士協(xié)助掃描電鏡觀察。