毛茛科雄蕊結(jié)構(gòu)的分類學(xué)價值

程薪宇，劉玫＊，郭夢橋

（1.哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江省分子細(xì)胞遺傳與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150025；2.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶163319）

毛茛科（Ranunculaceae）為真雙子葉植物根部群［1］，全世界約60屬，2500種，主要分布于溫帶和寒溫帶［2－4］，中國有38屬，921種［3］。經(jīng)典分類學(xué)研究多以植物外形特征為參考依據(jù)［5－7］，而毛茛科亦是如此［8－11］，如 Hutchinson［12］根據(jù)果實(shí)特征將毛茛科分為金蓮花亞科（Helleboroideae）（具蓇葖果）和毛茛亞科（Ranunculoideae）（具瘦果）。但這一科后被分為4個亞科，芍藥亞科（Paeonioideae）（雄蕊離心發(fā)育，有花盤，蓇葖果），金蓮花亞科（雄蕊向心發(fā)育，無花盤，蓇葖，漿果或蒴果），唐松草亞科（Thalictroideae）（雄蕊向心發(fā)育，無花盤，蓇葖或蒴果），及毛茛亞科（雄蕊向心發(fā)育，無花盤，瘦果，稀漿果）［8－9］。Takhtajan［10］認(rèn)為芍藥亞科的一些特征（如雄蕊的發(fā)育方式及花的特征）與其他亞科區(qū)別較大，將其從毛茛科分出，另立為芍藥科（Paeoniaceae）。

Decraene和Smets［13］與Endress［14］曾指出毛茛科植物雄蕊的特征具有較高的系統(tǒng)學(xué)價值。一些研究顯示毛茛科不同類群雄蕊的排列方式不同，如驢蹄草屬（Caltha）、黃連屬（Coptis）及金蓮花屬（Trollius）的雄蕊螺旋狀排列［15－16］，耬斗菜屬（Aquilegia）等屬的雄蕊輪狀排列［17－18］。此外雄蕊的發(fā)育方式也有區(qū)別，如驢蹄草屬，金蓮花屬，側(cè)金盞屬（Adonis）及黃三七屬（Souliea）雄蕊向心發(fā)育［15，19－20］，耬斗菜屬雄蕊離心發(fā)育［17，21］。Wang［22］注意到花絲的特征，指出鐵線蓮屬（Clematis）對枝鐵線蓮組（sect.Brachiatae）的雄蕊花絲均為狹條形，被柔毛，花藥通常長圓形或狹長圓形，無毛，藥隔頂端通常不突出。然而，現(xiàn)有關(guān)于毛茛科雄蕊的研究，也僅限于對科內(nèi)少數(shù)幾個屬雄蕊早期發(fā)育形態(tài)的觀察［15－21］及成熟雄蕊外形的簡要描述［11，22］，未見有關(guān)花藥及花絲結(jié)構(gòu)的詳細(xì)報道。因此，本文深入研究了毛茛科部分類群幼嫩及成熟雄蕊的外部形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，旨在揭示雄蕊外形及顯微結(jié)構(gòu)在毛茛科分類學(xué)研究中的價值，并為進(jìn)一步研究毛茛科系統(tǒng)學(xué)提供形態(tài)學(xué)資料。

1 材料與方法

1.1 材料

研究材料為國產(chǎn)毛茛科18屬，37種，5變種的幼嫩及成熟雄蕊。憑證標(biāo)本存于哈爾濱師范大學(xué)植物標(biāo)本館（HANU）。材料名稱，憑證標(biāo)本及物種采集地信息見表1。

1.2 方法

雄蕊形態(tài)及其毛狀體的觀察：用Olympus SZX16觀察20朵成熟花中雄蕊的形態(tài)，并測量其花藥及花絲長度。將新鮮完整的雄蕊及撕去表皮的花絲分別置于載玻片上，各滴1～2滴50%甘油水溶液，蓋上蓋玻片。分別用Olympus SZX16及Olympus BX53觀察雄蕊表面毛狀體及花絲內(nèi)薄壁組織的特征，所有觀察結(jié)果用Olympus DP26成像系統(tǒng)照相。

雄蕊解剖結(jié)構(gòu)觀察：采取GMA（Glycol methacrylate，乙二醇甲基丙烯酸酯）半薄切片法觀察毛茛科雄蕊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即根據(jù)Feder和 O’Brien［23］的方法將幼嫩及成熟的花用FAA（Formalin－acetic acid－alcohol mixture，福爾馬林－醋酸－酒精混合液）固定24h以上，從不同的花上取幼嫩及成熟的雄蕊各3個，經(jīng)50%乙醇，100%乙醇，100%異丙醇和100%正丁醇脫水處理各2次（每次4h）。隨后，經(jīng)GMA滲透3次（第1～2次各1d，第3次3d）后，將材料及GMA裝入膠囊，置于60℃溫箱24h進(jìn)行聚合。用Leica Ultralcut R切片，厚度約1.5μm，同樣用Feder和O’Brien［23］的方法對切片進(jìn)行染色，切片干燥后用中性樹膠封片。用Olympus BX53觀察及O－lympus DP26照相。

2 結(jié)果與分析

本文深入研究了毛茛科一些類群（18屬，37種，及5變種）的幼嫩及成熟雄蕊形態(tài)，揭示了不同物種雄蕊的形狀，毛狀體特征，花絲及花藥的結(jié)構(gòu)（圖1，圖2），詳細(xì)特征見表2。

2.1 雄蕊外形及毛狀體

毛茛科一朵花中成熟雄蕊的花絲長度差異較大，如朝鮮白頭翁靠近花瓣的花絲為1.0mm，靠近雌蕊的為12.5mm（圖1A），或近等長，如貝加爾唐松草的花絲長3.6～4.7mm（圖1B）。不同屬的花絲形狀不盡相同，如耬斗菜屬的呈絲狀（圖1D），鐵線蓮屬為條形（圖1E，圖2C），唐松草屬部分物種的花絲為棒狀（圖1H，圖2D）。此外，

還有長三角形（即花絲基部條形，頂端絲狀，見于烏頭屬和翠雀屬，圖1F）和短柱狀（如水葫蘆苗，圖1G）花絲。除鐵線蓮屬的花藥長度變化較大外（約1.4～8.0mm，圖1E），其他屬變化較小。但花藥長度在不同屬中變化較大，如堿毛茛屬水葫蘆苗花藥長約0.8mm（圖1G），而金蓮花屬長瓣金蓮花長達(dá)4.5mm。花藥側(cè)面觀為∞形（僅見于烏頭屬，圖1C）、橢圓形（如貝加爾唐松草及耬斗菜，圖1H）、近圓形（如黑水銀蓮花及水葫蘆苗，圖1G）、條形（多見于鐵線蓮屬和金蓮花屬，圖1E）。多數(shù)物種雄蕊表面無毛（如水葫蘆苗，尖萼耬斗菜），少數(shù)物種具單細(xì)胞毛狀體，毛狀體分為非腺毛（如齒葉鐵線蓮及翠雀，圖1J），或乳頭狀腺毛（如寬苞翠雀花及翠雀，圖1I）。毛狀體著生于花藥（如寬苞翠雀花），花絲（如齒葉鐵線蓮）或整個雄蕊上（如翠雀）。

表1 毛茛科物種及其憑證標(biāo)本，采集地和采集時間Table 1 Taxa of Ranunculaceae，together with voucher specimen details and locality

續(xù)表1 Continued

2.2 花絲及花藥結(jié)構(gòu)

花絲結(jié)構(gòu)：絲狀，棒狀及短柱狀花絲橫切面為圓形或近圓形（如三角葉驢蹄草，圖2B，貝加爾唐松草，圖2D）；條形花絲較扁（如鐵線蓮屬，圖2C）；長三角形（如烏頭屬，圖1C）花絲基部較扁，頂端圓形或近圓形。花絲表皮細(xì)胞近方形（如寬葉蔓烏頭，圖2A）或圓形（如三角葉驢蹄草，圖2B），外切向壁明顯增厚（如寬葉蔓烏頭，圖2A）或輕微增厚（如三角葉驢蹄草，圖2B）。表皮以內(nèi)為多層薄壁細(xì)胞，長三角形花絲的薄壁組織無胞間隙，或胞間隙不發(fā)達(dá)（如寬葉蔓烏頭，圖2A）；絲狀、條狀及短柱狀花絲胞間隙不發(fā)達(dá)（如轉(zhuǎn)子蓮，圖2C）或發(fā)達(dá)（如三角葉驢蹄草，圖2B）；棒狀花絲胞間隙極發(fā)達(dá)（如唐松草屬部分物種，圖2D），且細(xì)胞排列成海綿狀（如狹裂瓣蕊唐松草，圖1K）?；ńz中央具1條外韌維管束，木質(zhì)部僅由少數(shù)導(dǎo)管組成（圖2B）。

幼嫩花藥結(jié)構(gòu)：幼嫩花藥具2對花粉囊，每對花粉囊由數(shù)層薄壁細(xì)胞組成的隔分開（圖2E1～J）?；ㄋ帣M切面形狀分為6種。（1，2）V形和Λ形：4個花粉囊大小相同，藥隔一側(cè)凹陷。V形的花粉囊朝向近軸面（即維管束木質(zhì)部一側(cè)）（僅烏頭屬，圖2E1），Λ形花粉囊朝向遠(yuǎn)軸面（即維管束韌皮部一側(cè)）（僅毛茛屬，圖2I1）。（3）∞形：藥隔處凹陷（見于耬斗菜屬和白頭翁屬等屬，圖2F1）。（4）橢圓形：藥隔處無凹陷（如銀蓮花屬和鐵線蓮屬部分物種，圖2G）。（5）方形：藥隔及2花粉囊交界處凹陷（如堿毛茛屬和唐松草屬，圖2J）。上述5種類型花藥的花粉囊體積相近。（6）蝶形：花粉囊大小不同，2個小花粉囊朝向近軸面，2個大的靠近遠(yuǎn)軸面（如扁果草屬，圖2H）。藥隔兩側(cè)的2花粉囊由數(shù)層薄壁細(xì)胞隔開（圖2E1～J），這些細(xì)胞在V和Λ形花藥中與花藥的橫切面形態(tài)相似（如烏頭屬及毛茛屬，圖2E1，I1），在∞形、橢圓形、方形花藥橫切面中呈直線形排列（如辣蓼鐵線蓮，圖2G），在蝶形花藥中排列成V形或直線形（如東北扁果草，圖2H）。藥隔均具1條維管束，維管束結(jié)構(gòu)同花絲（圖2E1，F(xiàn)1）。

圖1 毛茛科雄蕊外形Fig.1 The stamen shape of Ranunculaceae

圖2 毛茛科雄蕊結(jié)構(gòu)Fig.2 The stamen structures of Ranunculaceae

表2 毛茛科雄蕊的形態(tài)及結(jié)構(gòu)Table 2 The morphology and structure of Ranunculaceae stamens

續(xù)表2 Continued

成熟花藥結(jié)構(gòu)：成熟的花藥壁中層及絨氈層幾乎完全消失，僅具一層表皮細(xì)胞及一層木化細(xì)胞構(gòu)成的藥室內(nèi)壁（圖2L～M），木化細(xì)胞的外切向壁不木化（見于毛茛科多數(shù)屬，圖2L），或木化（僅見于烏頭屬和翠雀屬，圖2K）。每對花粉囊間的薄壁細(xì)胞隨著雄蕊的成熟解體并消失，成為2室花藥（圖2E2，F(xiàn)2，I2，K）。成熟花藥與幼嫩花藥的橫切面形態(tài)相似，如烏頭屬，毛茛屬和翠雀屬（圖2E1，E2，2I1，I2，2K），或變化較大，如驢蹄草屬和耬斗菜屬幼嫩花藥為∞形，成熟花藥為橢圓形（圖2F1，F(xiàn)2）。藥隔附近表皮細(xì)胞通常與其內(nèi)側(cè)的細(xì)胞連接緊密（如耬斗菜屬，圖2F1，F(xiàn)2），但烏頭屬、銀蓮花屬、側(cè)金盞屬和菟葵屬二者分離（圖2E1～E2）。藥隔通常由薄壁細(xì)胞組成（如尖萼耬斗菜，圖2F2），但翠雀屬的藥隔細(xì)胞木化（圖2K）。

3 討論

Decraene和Smets［13］指出雄蕊特征具有重要的系統(tǒng)學(xué)價值，且其外部形態(tài)特征可作為毛茛科部分類群組或亞組的劃分依據(jù)。如Wang［24］曾依據(jù)成熟雄蕊表面是否被毛等特征將鐵線蓮屬的菝葜葉鐵線蓮組（sect.Naraveliopsis）分為菝葜葉鐵線蓮亞組（subsect.Smilacifoliae）（雄蕊無毛），荔波鐵線蓮亞組（subsect.Liboenses）（雄蕊具毛）和Macgregorianae亞組（雄蕊無毛）。本研究顯示，毛茛科物種花藥的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，可作為種特征。而且幼嫩花藥結(jié)構(gòu)常比成熟花藥結(jié)構(gòu)具有更高的分類學(xué)價值，如位于不同屬的側(cè)金盞花和翠雀的成熟花藥橫切面雖均為∞形，但前者幼嫩花藥為蝶形。這種變化是由花藥發(fā)育過程中，花粉囊間的薄壁細(xì)胞逐漸變形，破裂并最終消失，以及藥隔形態(tài)變化所致。

花藥形態(tài)及結(jié)構(gòu)可作為毛茛科多數(shù)屬的分類特征，如烏頭屬花絲均為長三角形，花藥側(cè)面觀∞形，幼嫩及成熟花藥橫切面V形；銀蓮花屬花絲均為絲狀，花藥側(cè)面觀近圓形或橢圓形，幼嫩及成熟花藥橫切面橢圓形。但鐵線蓮屬雄蕊的結(jié)構(gòu)僅可作為亞組劃分的依據(jù)，如 Wang［25］，王文采和李良千［26］將短尾鐵線蓮及棉團(tuán)鐵線蓮分別位于威靈仙組（sect.Clematis）的歐洲鐵線蓮亞組（subsect.Clematis）和棉團(tuán)鐵線蓮亞組（subsect.Angustifoliae），二者花絲均為條形，但前者幼嫩花藥橫切面蝶形，花粉囊間薄壁細(xì)胞V形排列，成熟花藥橫切面∞形，后者幼嫩及成熟花藥橫切面為橢圓形，花粉囊間薄壁細(xì)胞排成直線形。花藥結(jié)構(gòu)支持 Wang［25］，王文采和李良千［26］分類觀點(diǎn)。

雄蕊特征不僅可作為屬的鑒別依據(jù)，還可為系統(tǒng)學(xué)研究提供新的形態(tài)學(xué)證據(jù)。如水毛茛屬、堿毛茛屬和毛茛屬的親緣關(guān)系一直存在較大爭議［2，27－30］。Benson［27］曾將前兩個屬作為毛茛屬的亞屬。另外一些學(xué)者也認(rèn)為水毛茛屬應(yīng)作為毛茛屬亞屬［2，28－30］。但 Wang等［3］，Takhtajan［4］依據(jù)果實(shí)及花的特征認(rèn)為應(yīng)保留水毛茛屬、堿毛茛屬和毛茛屬的分類地位。本研究顯示這3屬的花絲雖均為短柱狀，成熟花藥橫切面為∞形（水毛茛屬及堿毛茛屬）或Λ形（毛茛屬），但幼嫩花藥切面完全不同，水毛茛屬為蝶形，堿毛茛屬為方形，而毛茛屬則為Λ形，支持Wang等［3］和 Takhtajan［4］的觀點(diǎn)。唐松草屬唐松草組（sect.Tripterium）所有物種及叉枝唐松草組（sect.Leptostigma）部分物種的花絲呈棒狀［8］，基本組織呈海綿狀，其內(nèi)薄壁組織的細(xì)胞排列多呈分支狀，細(xì)胞間隙極大。這些特征不存在于其他物種。白新祥［31］認(rèn)為基本組織細(xì)胞間具較大間隙使入射光線在花瓣內(nèi)多次折射，令花瓣呈現(xiàn)白色。推測這也許是唐松草屬部分物種棒狀花絲呈現(xiàn)白色的原因。

本文首次揭示了毛茛科雄蕊的形態(tài)特征，幼嫩及成熟花藥結(jié)構(gòu)的變化，表明了雄蕊結(jié)構(gòu)特別是幼嫩花藥的特征可以作為屬的分類依據(jù)，完善了毛茛科花的形態(tài)學(xué)研究，為進(jìn)一步研究毛茛科分類及系統(tǒng)學(xué)提供了新的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。

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