變豆菜屬11種植物的葉表皮微形態(tài)特征研究

姚雪瑩 陳志祥 王奇志

(華僑大學(xué)園藝系，廈門 361021)

變豆菜屬(SaniculaL.)隸屬于傘形科(Apiaceae)、變豆菜亞科(Saniculoideae)，其模式種為歐洲變豆菜(SaniculaeuropaeaL.)。該屬植物均為二年生或多年生草本，其葉片掌狀分裂、邊緣有明顯鋸齒，花白色、綠白色、淡黃色、紫色或淡藍(lán)色[1]，其果實(shí)近球形且果實(shí)表面密生皮刺，極易粘附于哺乳動(dòng)物的皮毛上或鳥類的羽毛上，利于該屬植物的傳播和擴(kuò)散[2]。目前，變豆菜屬植物全世界約有40種[3]，主要分布于北溫帶[4]，是典型的東亞—北美間斷分布屬[5]。中國和美國為該屬的兩個(gè)分布中心，其中中國有12種4變種特有種[6]，美國有13個(gè)特有種[7]。

變豆菜屬自17世紀(jì)中期建立以來[8]，已有許多學(xué)者采用不同的方法對(duì)該屬進(jìn)行了分類及系統(tǒng)學(xué)研究。在形態(tài)學(xué)方面，單人驊等[8]根據(jù)變豆菜屬果實(shí)和花的形態(tài)特征將該屬劃分為5個(gè)組(Tuberculatae、Pseudopetagnia、Sanicla、Sandwicenses和Sanicoria)，這是目前變豆菜屬廣為接受的分類系統(tǒng)。劉啟新等[9]通過對(duì)變豆菜亞科(變豆菜屬11種和刺芹屬2種)植物果實(shí)進(jìn)行了比較解剖學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)變豆菜屬較刺芹屬植物果實(shí)演化程度低。在化學(xué)成分方面，變豆菜屬的血清反應(yīng)極易與傘形科其他類群區(qū)分開[6]。在孢粉學(xué)方面，Phillippe[10]發(fā)現(xiàn)Sanicula組植物花粉粒形態(tài)基本相似，為橢圓形。在分子系統(tǒng)方面，Calvio等[11]根據(jù)葉綠體trnQ-trnK區(qū)域的數(shù)據(jù)，將Hacquetia屬并入了變豆菜屬。由此可見變豆菜屬屬間關(guān)系的研究較多，但屬下關(guān)系的研究報(bào)道卻很少，國內(nèi)僅有馬永紅等[12]對(duì)6種變豆菜屬植物葉表皮特征進(jìn)行了光學(xué)顯微觀察，認(rèn)為葉表皮特征對(duì)于變豆菜屬下種類的劃分和親緣關(guān)系的確定具有一定的分類學(xué)意義。植物葉表皮微形態(tài)特征不僅受環(huán)境影響[13]，同時(shí)也是物種遺傳特征的一個(gè)重要反映，具有一定的穩(wěn)定性，可用于屬下關(guān)系的研究[14]。近年來利用掃描電鏡研究傘形科葉表皮特征受到了關(guān)注[15～18]，但目前未見使用掃描電鏡研究變豆菜屬葉表皮特征的。本文使用掃描電鏡對(duì)11種變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)進(jìn)行觀察分析，可為探討該屬類群界定及種間關(guān)系提供新的證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為變豆菜屬11種(13個(gè)居群)的葉片，取自臘葉標(biāo)本。材料信息詳見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將葉片復(fù)水煮沸10～15 min后，經(jīng)酒精梯度脫水、室溫干燥以后，每個(gè)物種分上、下表皮在葉脈兩側(cè)中部各取5 mm×5 mm左右的小塊，將上、下表皮各自粘于樣品臺(tái)上，噴金鍍膜后，S-4800型掃描電鏡觀察并拍照。在相同的比例尺下，每個(gè)樣品隨機(jī)觀察5個(gè)視野，并取最具代表性的視野進(jìn)行拍照[19]。

本文部分術(shù)語參照李曼凌[15]、劉小林[20]的描述。

表1 實(shí)驗(yàn)材料來源

表2 變豆菜屬植物葉片上表皮微形態(tài)特征比較

表3 變豆菜屬植物葉片下表皮微形態(tài)特征比較

圖版Ⅰ 掃描電鏡下變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)特征 a.上表皮；b.下表皮氣孔 1.變豆菜；2.天藍(lán)變豆菜；3.長(zhǎng)序變豆菜；4.首陽變豆菜；5.鱗果變豆菜PlateⅠ Morphological characteristics of leaf epidermis of Sanicula L. under SEM a.Adaxial epidermis; b.Abaxial epidermis 1. S.chinensis; 2. S.coerulescens; 3. S.elongata; 4. S.giraldii; 5.S.hacquetioides

圖版Ⅱ 掃描電鏡下變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)特征 a.上表皮；b.下表皮氣孔 5.鱗果變豆菜；6.薄片變豆菜；7.S.odorata；8.直刺變豆菜(廣西全州)；9.直刺變豆菜(湖南新寧)PlateⅡ Morphological characteristics of leaf epidermis of Sanicula L. under SEM a.Adaxial epidermis; b.Abaxial epidermis 5. S.hacquetioide; 6. S.lamelligera; 7. S.odorata; 8. S.orthacantha(Quanzhou,Guangxi); 9. S.orthacantha(Xinning,Hunan)

圖版Ⅲ 掃描電鏡下變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)特征 a.上表皮；b.下表皮氣孔 10.直刺變豆菜(甘肅溫縣)；11.紅花變豆菜；12.鋸葉變豆菜；13.天目變豆菜PlateⅢ Morphological characteristics of leaf epidermis of Sanicula L. under SEM a.Adaxial epidermis; b.Abaxial epidermis 10. S.orthacantha(Wenxian,Gansu); 11. S.rubriflora; 12. S.serrata upper; 13. S.tienmuensis

2 觀察結(jié)果

2.1 變豆菜屬植物葉片上表皮微形態(tài)特征

根據(jù)電鏡下觀察結(jié)果，11種變豆菜屬植物具有豐富的上表皮微形態(tài)特征(表2)。上表皮細(xì)胞輪廓大多不清晰，僅直刺變豆菜廣西全州居群(圖版Ⅱ：8a)、湖南新寧居群(圖版Ⅱ：9a)和甘肅溫縣居群(圖版Ⅲ：10a)上表皮細(xì)胞輪廓清晰，且細(xì)胞形狀皆為不規(guī)則形。上表皮初級(jí)蠟質(zhì)紋飾均存在條狀紋飾，依據(jù)條狀紋飾寬度分為密集條狀(紋飾寬度<1 μm)和稀疏條狀(紋飾寬度>1 μm)兩類，具有密集條狀紋飾的有變豆菜(圖版Ⅰ：1a)、天藍(lán)變豆菜(圖版Ⅰ：2a)、長(zhǎng)序變豆菜(圖版Ⅰ：3a)、首陽變豆菜(圖版Ⅰ：4a)、鱗果變豆菜(圖版Ⅰ：5a)、薄片變豆菜(圖版Ⅱ：6a)、直刺變豆菜廣西全州居群、紅花變豆菜(圖版Ⅲ：11a)、鋸葉變豆菜(圖版Ⅲ：12a)、天目變豆菜(圖版Ⅲ：13a)，具有稀疏條狀紋飾的有S.odorata(圖版Ⅱ：7a)、直刺變豆菜湖南新寧居群、直刺變豆菜甘肅溫縣居群。在二級(jí)紋飾上變豆菜屬植物表現(xiàn)出多樣性，其中薄片變豆菜、直刺變豆菜湖南新寧居群以及直刺變豆菜甘肅溫縣居群二級(jí)紋飾為連續(xù)脊?fàn)?，直刺變豆菜廣西全州居群二級(jí)紋飾為連續(xù)雙層脊?fàn)?，其余種類二級(jí)紋飾均為不連續(xù)脊?fàn)睢１砥じ綄傥锓矫?，葉表皮上均有少量或大量的顆粒狀附屬物。在氣孔方面，僅有S.odorata上表皮存在氣孔。

2.2 變豆菜屬植物葉片下表皮微形態(tài)特征

通過對(duì)11種變豆菜屬植物下表皮微形態(tài)特征的觀察，可知下表皮均存在氣孔，且氣孔大部分向外隆起。氣孔周圍紋飾呈輻射狀或環(huán)繞狀，紋飾均勻或局部分布在氣孔周圍和葉表皮細(xì)胞上。氣孔大小方面，氣孔長(zhǎng)軸最長(zhǎng)的是長(zhǎng)序變豆菜(圖版Ⅰ：3b)，最短的是直刺變豆菜廣西全州居群(圖版Ⅱ：8b)，氣孔短軸最長(zhǎng)的是S.odorata(圖版Ⅱ：7b)，最短的是鱗果變豆菜(圖版Ⅱ：5b)。根據(jù)氣孔的長(zhǎng)、寬比值，可將氣孔的形狀分為橢圓形(長(zhǎng)寬比<2)和梭形(長(zhǎng)寬比>2)兩類，大部分種類的氣孔形狀為橢圓形，僅有鱗果變豆菜和長(zhǎng)序變豆菜兩個(gè)種的氣孔形狀為梭形。在氣孔外拱蓋表面紋飾方面，變豆菜(圖版Ⅰ：1b)、鋸葉變豆菜(圖版Ⅲ：12b)氣孔外拱蓋表面光滑無紋飾，其他種或多或少氣孔外拱蓋表面存在顆粒狀紋飾，其中天藍(lán)變豆菜(圖版Ⅰ：2b)、長(zhǎng)序變豆菜、紅花變豆菜(圖版Ⅱ：8b)氣孔外拱蓋還存在隆起脊?fàn)睢饪淄夤吧w內(nèi)緣紋飾表現(xiàn)出極大的差異性，變豆菜(圖版Ⅲ：11b)、天藍(lán)變豆菜、薄片變豆菜(圖版Ⅱ：6b)、S.odorata、直刺變豆菜甘肅溫縣居群(圖版Ⅲ：10b)、鋸葉變豆菜、天目變豆菜(圖版Ⅲ：13b)氣孔外拱蓋內(nèi)緣為淺波狀，首陽變豆菜(圖版Ⅰ：4b)、鱗果變豆菜氣孔外拱蓋內(nèi)緣平滑，直刺變豆菜廣西全州居群、直刺變豆菜湖南新寧居群(圖版Ⅲ：9b)氣孔外拱蓋內(nèi)緣近平滑，僅長(zhǎng)序變豆菜氣孔外拱蓋內(nèi)緣有顆粒狀紋飾。

3 討論

3.1 變豆菜屬葉表皮微形態(tài)特征及系統(tǒng)進(jìn)化意義

掃描電鏡觀察結(jié)果表明，變豆菜屬11種(13居群)葉表皮微形態(tài)特征在屬內(nèi)具有較高的共性，其上表皮細(xì)胞輪廓大多不清晰，初級(jí)蠟質(zhì)紋飾均存在條狀紋飾，表皮上均粘附著顆粒物，上表皮大部分無氣孔；下表皮均存在氣孔且氣孔形狀大多是橢圓形，氣孔周圍存在均勻分布的紋飾，氣孔外拱蓋表面大多有顆粒狀紋飾。上述特征在屬內(nèi)較穩(wěn)定統(tǒng)一，表明變豆菜屬是一個(gè)自然的分類類群，支持馬永紅等[12]研究結(jié)果。

11種變豆菜屬植物在二級(jí)紋飾類型、氣孔周圍紋飾、氣孔外拱蓋內(nèi)緣紋飾等葉表皮微形態(tài)特征上有明顯的差異。如直刺變豆菜廣西全州居群二級(jí)紋飾為連續(xù)雙層脊?fàn)睢⒓t花變豆菜氣孔蓋內(nèi)緣紋飾為波狀、長(zhǎng)序變豆菜氣孔蓋內(nèi)緣紋飾為顆粒狀，這些獨(dú)特的特征使得該種區(qū)別于其他種類，是變豆菜屬種間分類鑒定的重要參考指標(biāo)。

Carolina等[11]通過trnQ-trnK序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)現(xiàn)，S.odorata、變豆菜、直刺變豆菜3個(gè)種親緣關(guān)系近，聚為平行支(BS值100%)，難以區(qū)分，而在本研究中，S.odorata上表皮存在氣孔且細(xì)胞輪廓不清晰，二級(jí)紋飾為不連續(xù)脊?fàn)睿瑲饪淄夤吧w表面紋飾為顆粒狀，內(nèi)緣紋飾為淺波狀；直刺變豆菜上表皮無氣孔且細(xì)胞輪廓清晰，二級(jí)紋飾為連續(xù)脊?fàn)?，氣孔外拱蓋表面紋飾為顆粒狀，內(nèi)緣紋飾近平滑；變豆菜上表皮無氣孔且細(xì)胞輪廓不清晰，二級(jí)紋飾為不連續(xù)脊?fàn)睿瑲饪淄夤吧w表面紋飾光滑，內(nèi)緣紋飾為淺波狀。上述3個(gè)種葉表皮微形態(tài)特征存在差異，可以明確的區(qū)分開。由此可見，葉表皮微形態(tài)特征可作為分子數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，為變豆菜屬種間分類研究提供新的證據(jù)。

在居群水平上，直刺變豆菜3個(gè)居群存在部分差異。3個(gè)居群細(xì)胞輪廓皆清晰，僅湖南新寧居群上表皮細(xì)胞呈下陷狀；廣西全州居群初級(jí)蠟質(zhì)紋飾為密集條狀，而湖南新寧居群和甘肅溫縣居群為稀疏條狀；廣西全州居群上表皮二級(jí)紋飾為連續(xù)雙層脊?fàn)?，而湖南新寧居群和甘肅溫縣居群為連續(xù)脊?fàn)?。甘肅溫縣居群氣孔外拱蓋內(nèi)緣紋飾為淺波狀，而廣西全州和湖南新寧居群皆為近平滑。居群間的差異表明生長(zhǎng)環(huán)境的變化可能會(huì)影響一個(gè)物種的表型特征，故在選擇葉表皮作為分類依據(jù)時(shí)還應(yīng)該結(jié)合其他分類學(xué)資料。

3.2 葉表皮微形態(tài)特征與環(huán)境的關(guān)系

觀察上表皮初級(jí)蠟質(zhì)紋飾的特點(diǎn)，僅為稀疏或密集條狀紋飾兩種類型。一般認(rèn)為初級(jí)蠟質(zhì)紋飾是植物為適應(yīng)逆境演化而成的結(jié)構(gòu)，可以反射強(qiáng)光，降低葉溫度，對(duì)葉表皮起到保護(hù)作用[13,15]。鱗果變豆菜初級(jí)蠟質(zhì)紋飾為密集條紋，且條紋凸起呈顆粒狀，相較其他種類鱗果變豆菜初級(jí)蠟質(zhì)紋飾更粗糙。根據(jù)《中國植物志》[1]記載，鱗果變豆菜生長(zhǎng)于高海拔地區(qū)(海拔2 650～3 800 m)，我們查閱了來自中國27所高等院校和研究單位的2537份變豆菜屬植物的采集記錄，發(fā)現(xiàn)鱗果變豆菜均采集于海拔3 000 m以上的地區(qū)。本研究鱗果變豆菜同樣采自高海拔地區(qū)(海拔4 000 m)，海拔越高，大氣層越稀薄，太陽輻射就越強(qiáng)，由此我們可以推測(cè)鱗果變豆菜上表皮為了反射高海拔地區(qū)較強(qiáng)的紫外線進(jìn)化出了更為粗糙的紋飾結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到自我保護(hù)的目的。而S.odorata采集地海拔為721 m，相較而言海拔低，不被過多的強(qiáng)光所照射，因此這很可能是其上表皮較平坦僅有稀疏條狀紋飾的原因。

綜上所述，11種變豆菜屬植物在上表皮細(xì)胞輪廓、初級(jí)蠟質(zhì)紋飾、表皮附著物、氣孔形狀、氣孔周圍紋飾、氣孔外拱蓋紋飾等葉表皮特征上較一致，但在二級(jí)紋飾、氣孔、氣孔內(nèi)外緣紋飾等葉表皮特征上存在差異，支持變豆菜屬是一個(gè)自然的分類類群的觀點(diǎn)，并且葉表皮微形態(tài)特征的差異可為探究變豆菜屬種間的分類及關(guān)系提供新的證據(jù)。