部分花楸屬植物的花粉形態(tài)特征及聚類分析

楊利歡， 吳雨涵， 裴 鑫， 關(guān)雪蓮， 鄭 健

(北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 102206)

花楸屬(SorbusLinn.)具有高度變異性，占據(jù)蘋果亞科(Maloideae)較原始的中心地位[1]?；ㄩ睂僭S多種類具有花繁、色美、枝秀、葉茂和芳香等特點，被廣泛用于園林建設(shè)。中國是花楸屬植物的分化和分布中心[2]，該屬植物因經(jīng)濟、環(huán)保且具有園林觀賞價值而受到廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，關(guān)于花楸屬植物的研究主要包括繁育技術(shù)[3]、藥用價值[4]和引種馴化[5]等方面，然而該屬的分類地位尚未清楚，有學(xué)者認為全世界花楸屬植物約有80種，主要分布在北半球的亞洲、歐洲和北美洲，中國花楸屬植物有50余種[6]283-343，還有學(xué)者認為全世界花楸屬植物超過100種，遍布亞洲、歐洲和北美洲，中國花楸屬植物有67種(含43個特有種)[7]。明確花楸屬植物分類能夠為該屬植物的演化趨勢及親緣關(guān)系研究提供參考依據(jù)，并為該屬植物的深入研究奠定基礎(chǔ)。

花粉是一種高度簡化的雄配子體，其體積較小但遺傳信息豐富；并且，花粉是植物個體發(fā)育的產(chǎn)物，屬于生殖器官的一部分，具有很高的遺傳保守性，不易受環(huán)境因子的影響[8]1-2，因此，利用花粉探討植物的系統(tǒng)演化問題具有重要的學(xué)術(shù)價值。研究花楸屬植物的花粉形態(tài)可為該屬植物分類提供參考依據(jù)，并為明確該屬植物的分類地位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然而，目前關(guān)于花楸屬植物花粉形態(tài)的研究尚屬空白。

鑒于此，作者利用掃描電子顯微鏡(SEM)對13種花楸屬植物的花粉形態(tài)特征(包括形狀、大小、萌發(fā)孔溝和外壁紋飾)進行了觀察和統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上對供試13種花楸屬植物進行了聚類分析，以期深入了解花楸屬不同種類的花粉形態(tài)特征差異，為花楸屬植物種間分類研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為花楸屬植物的種間親緣關(guān)系研究提供可靠依據(jù)，同時為該屬植物的深入研究和全面開發(fā)利用奠定研究基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試13種花楸屬植物包括落萼組(Sect.Micromeles)種類秦嶺花楸(S.tsinlingensisC. L. Tang)、石灰花楸〔S.folgneri(C. K. Schneid.) Rehd.〕和水榆花楸〔S.alnifolia(Sieb. et Zucc.) K. Koch〕，冠萼組(Sect.Aria)種類大果花楸(S.megalocarpaRehd.)以及復(fù)葉組(Sect.Sorbus)種類陜甘花楸(S.koehneanaSchneid.)、北京花楸〔S.discolor(Maxim.) Maxim.〕、太白花楸(S.tapashanaSchneid.)、西伯利亞花楸(S.sibiricaHedl.)、歐洲花楸(S.aucupariaLinn.)、朝鮮花楸(S.commixtaHedl.)、花楸樹〔S.pohuashanensis(Hance) Hedl.〕、湖北花楸(S.hupehensisSchneid.)和華西花楸(S.wilsonianaSchneid.)。上述13種花楸屬植物花粉的采集信息見表1。

表1 供試13種花楸屬植物花粉的采集信息

Table 1 Collection information of 13 species inSorbusLinn. tested

種類Species采集地Collection site采集人Collector采集日期Collection date(CCYY-MM-DD)秦嶺花楸 S. tsinlingensis太白山 Taibai Mountain楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-05-07石灰花楸 S. folgneri太白山 Taibai Mountain楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-05-07水榆花楸 S. alnifolia太白山 Taibai Mountain楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-05-07大果花楸 S. megalocarpa梵凈山 Fanjing Mountain楊利歡,裴鑫 YANG Lihuan, PEI Xin2018-04-26陜甘花楸 S. koehneana太白山 Taibai Mountain楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-06-12北京花楸 S. discolor太白山 Taibai Mountain楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-06-12太白花楸 S. tapashana太白山 Taibai Mountain楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-06-18西伯利亞花楸 S. sibirica中俄合作園區(qū) China-Russia Coperation Park楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-23歐洲花楸 S. aucuparia黑龍江植物園 Heilongjiang Botanical Garden楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-22朝鮮花楸 S. commixta黑龍江植物園 Heilongjiang Botanical Garden楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-22花楸樹 S. pohuashanensis黑龍江植物園 Heilongjiang Botanical Garden楊利歡,吳雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-22湖北花楸 S. hupehensis梵凈山 Fanjing Mountain楊利歡,裴鑫 YANG Lihuan, PEI Xin2018-04-26華西花楸 S. wilsoniana梵凈山 Fanjing Mountain楊利歡,裴鑫 YANG Lihuan, PEI Xin2018-04-26

1.2 方法

1.2.1 花粉采集 參照彭向永等[9]的方法，在采集當(dāng)日9：00至12：00選取自然開放且開放程度基本一致的花序，放入塑封袋中帶回；除去花瓣，將花粉裝入硫酸紙袋中，置于玻璃干燥器中自然干燥。每個種類隨機選取3株植株，每株采集5～6個花序。

1.2.2 花粉形態(tài)觀察 使用導(dǎo)電膠帶將干燥的花粉固定在掃描電子顯微鏡樣品臺上；使用EM SCD050高級冷濺射鍍膜儀(德國Leica公司)鍍膜，并采用Quanta 450鎢燈絲環(huán)境掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)對典型花粉進行觀察和拍照。每個種類隨機選取20?；ǚ郏褂肧MILE VIEW軟件測量花粉的極軸長(P)和赤道軸長(E)，并計算極赤比(P/E)。參照《中國木本植物花粉電鏡掃描圖志》[8]1-2，根據(jù)P/E值判斷各種類的花粉形狀。P/E>2.00，花粉為超長球狀；1.33

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用EXCEL 2007和SPSS 19.0軟件對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；利用SPSS 19.0軟件中的系統(tǒng)聚類法對13個種類進行聚類分析，并采用組間聯(lián)接法繪制聚類圖。聚類分析以P值、E值、P/E值和外壁紋飾類型為指標，并對各外壁紋飾類型進行賦值。條紋狀、具穿孔賦值為“1”，條紋狀、無穿孔賦值為“2”，條紋狀、模糊、具穿孔賦值為“3”，條網(wǎng)狀、具穿孔賦值為“4”，穴狀賦值為“5”。

2 結(jié)果和分析

2.1 部分花楸屬植物的花粉形態(tài)特征

2.1.1 花粉的形狀和大小 掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果(圖版Ⅰ和圖版Ⅱ)表明：供試13種花楸屬植物的花粉均為單粒花粉，極面觀呈三角形，赤道面觀呈長橢圓形。根據(jù)不同種類花粉的P/E值統(tǒng)計結(jié)果(表2)，石灰花楸、大果花楸、西伯利亞花楸、歐洲花楸、朝鮮花楸和花楸樹的花粉為超長球狀，而秦嶺花楸、水榆花楸、陜甘花楸、北京花楸、太白花楸、湖北花楸和華西花楸的花粉為長球狀。

由表2可見：13種花楸屬植物的花粉極軸長28.94～39.03 μm，赤道軸長14.50～20.16 μm?？傮w來看，秦嶺花楸、石灰花楸、水榆花楸、大果花楸、北京花楸、太白花楸、西伯利亞花楸、歐洲花楸、朝鮮花楸和花楸樹10個種類花粉的極軸和赤道軸均較長，極軸長34.09～39.03 μm，赤道軸長大多在17.00 μm以上；而陜甘花楸、湖北花楸和華西花楸3個種類花粉的極軸和赤道軸均較短，極軸長28.94～30.92 μm，赤道軸長均在17.00 μm以下。比較而言，陜甘花楸、湖北花楸和華西花楸花粉偏小，其余10個種類的花粉偏大。

2.1.2 花粉的萌發(fā)孔溝 掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果(圖版Ⅰ和圖版Ⅱ)表明：供試13種花楸屬植物的花粉均具3條萌發(fā)孔溝，且萌發(fā)孔溝閉合并直達花粉的兩端。在赤道面上，3條萌發(fā)孔溝并沒有交匯，且邊緣較整齊。

種類 SpeciesP/μmE/μmP/E外壁紋飾 Exine ornamentation秦嶺花楸 S. tsinlingensis37.00±4.1519.77±2.501.87±0.08條紋狀、具穿孔 Striped with perforations石灰花楸 S. folgneri39.03±5.9519.56±3.252.01±0.07條網(wǎng)狀、具穿孔 Striped-reticulate with perforations水榆花楸 S. alnifolia36.46±8.4020.16±2.501.81±0.22條紋狀、無穿孔 Striped without perforation大果花楸 S. megalocarpa38.33±2.7018.92±1.402.03±0.05條網(wǎng)狀、具穿孔 Striped-reticulate with perforations陜甘花楸 S. koehneana30.92±3.5516.92±4.051.84±0.13條紋狀、模糊、具穿孔 Striped and fuzzy with perfora-tions北京花楸 S. discolor36.94±3.9519.80±2.651.87±0.07穴狀 Foveolate太白花楸 S. tapashana36.03±5.1019.16±1.951.88±0.11條紋狀、模糊、具穿孔 Striped and fuzzy with perfora-tions西伯利亞花楸 S. sibirica34.49±2.1516.89±2.002.05±0.12條紋狀、無穿孔 Striped without perforation歐洲花楸 S. aucuparia34.09±2.8016.78±2.102.04±0.09條紋狀、具穿孔 Striped with perforations朝鮮花楸 S. commixta34.86±3.0016.48±1.002.12±0.06條紋狀、具穿孔 Striped with perforations花楸樹 S. pohuashanensis35.83±3.1517.21±2.902.09±0.17條紋狀、具穿孔 Striped with perforations湖北花楸 S. hupehensis28.94±6.0014.50±2.702.00±0.15條紋狀、具穿孔 Striped with perforations華西花楸 S. wilsoniana29.95±3.9016.00±1.401.88±0.13條紋狀、具穿孔 Striped with perforations

1)P： 極軸長 Polar axis length； E： 赤道軸長 Equatorial axis length.

2.1.3 花粉的外壁紋飾 掃描電子顯微鏡觀察和統(tǒng)計結(jié)果(圖版Ⅰ、圖版Ⅱ和表2)表明：供試13種花楸屬植物花粉的外壁紋飾有5種類型，分別為條紋狀、具穿孔，條紋狀、無穿孔，條紋狀、模糊、具穿孔，條網(wǎng)狀、具穿孔以及穴狀。其中，秦嶺花楸、歐洲花楸、朝鮮花楸、花楸樹、湖北花楸和華西花楸6個種類花粉的外壁紋飾屬于條紋狀、具穿孔類型，水榆花楸和西伯利亞花楸2個種類花粉的外壁紋飾屬于條紋狀、無穿孔類型，陜甘花楸和太白花楸2個種類花粉的外壁紋飾屬于條紋狀、模糊、具穿孔類型，石灰花楸和大果花楸2個種類花粉的外壁紋飾屬于條網(wǎng)狀、具穿孔類型，僅北京花楸花粉的外壁紋飾屬于穴狀類型。

2.2 部分花楸屬植物的聚類分析

聚類分析結(jié)果(圖1)表明：在組間距離15.0處，供試13種花楸屬植物被分成2類，第1類包含西伯利亞花楸、歐洲花楸、朝鮮花楸、花楸樹、北京花楸、太白花楸、石灰花楸、大果花楸、秦嶺花楸和水榆花楸10個種類，第2類包含湖北花楸、華西花楸和陜甘花楸3個種類。結(jié)合花粉的形態(tài)特征，第1類中各種類花粉的極軸長、赤道軸長和P/E值總體上大于第2類，說明第1類中各種類的花粉更長、更大。在組間距離10.0處，第1類中各種類進一步分成2個亞類，其中，西伯利亞花楸、歐洲花楸、朝鮮花楸和花楸樹為第1亞類，北京花楸、太白花楸、石灰花楸、大果花楸、秦嶺花楸和水榆花楸為第2亞類。結(jié)合花粉的形態(tài)特征，第1亞類中各種類花粉的外壁紋飾及形狀相近，第2亞類中各種類花粉的極軸長相近。

1： 秦嶺花楸 S. tsinlingensis C. L. Tang； 2： 石灰花楸 S. folgneri (C. K. Schneid.) Rehd.； 3： 水榆花楸 S. alnifolia (Sieb. et Zucc.) K. Koch； 4： 大果花楸 S. megalocarpa Rehd.； 5： 陜甘花楸 S. koehneana Schneid.； 6： 北京花楸 S. discolor (Maxim.) Maxim.； 7： 太白花楸 S. tapashana Schneid.； 8： 西伯利亞花楸 S. sibirica Hedl.； 9： 歐洲花楸 S. aucuparia Linn.； 10： 朝鮮花楸 S. commixta Hedl.； 11： 花楸樹 S. pohuashanensis (Hance) Hedl.； 12： 湖北花楸 S. hupehensis Schneid.； 13： 華西花楸 S. wilsoniana Schneid.圖1 基于花粉形態(tài)特征的13種花楸屬植物的聚類圖Fig. 1 Cluster diagram of 13 species in Sorbus Linn. based on pollen morphological characteristics

由圖1還可見：在組間距離5.0處，供試13種花楸屬植物被分成5類，第1類包括西伯利亞花楸、歐洲花楸、朝鮮花楸和花楸樹，第2類包括北京花楸和太白花楸，第3類包括石灰花楸、大果花楸、秦嶺花楸和水榆花楸，第4類包括湖北花楸和華西花楸，第5類僅陜甘花楸。結(jié)合花粉的形態(tài)特征和地理分布，第1類中的各種類均屬于復(fù)葉組且花粉的外壁紋飾及形狀相近，第2類中的各種類也屬于復(fù)葉組且均采自太白山，第3類中的各種類均屬于落萼組和冠萼組，第4類中的各種類也屬于復(fù)葉組且均采自梵凈山，第5類中的種類屬于復(fù)葉組且采自太白山。

3 討論和結(jié)論

利用表型性狀研究植物的親緣關(guān)系簡便易行，能夠為植物的鑒別和分類提供依據(jù)[10]。觀察結(jié)果顯示：供試13種花楸屬植物花粉均為單?；ǚ郏书L球狀或超長球狀，極面觀呈三角形，赤面觀呈長橢圓形；極軸長28.94～39.03 μm，赤道軸長14.50～20.16 μm，屬于小至中型花粉；外壁紋飾以條紋狀為主，還有條網(wǎng)狀和穴狀，部分種類具穿孔；赤道面具3條萌發(fā)孔溝，萌發(fā)孔溝均為溝孔形，根據(jù)NPC分類系統(tǒng)[11]，供試13種花楸屬植物花粉均屬于N3P4C5型，與梨屬(PyrusLinn.)[12]、蘋果屬(MalusMill.)[13]及山楂屬(CrataegusLinn.)[14]的花粉類型一致。杜婉[15]認為前人早就意識到花楸屬與梨屬、蘋果屬和山楂屬關(guān)系密切，本研究結(jié)果也表明13種花楸屬植物的花粉形態(tài)和類型與梨屬、蘋果屬和山楂屬花粉的形態(tài)和類型較接近。

本研究結(jié)果顯示：供試13種花楸屬植物的花粉形狀差異較小，但各種間的花粉大小和表面紋飾存在一定差異，可作為種間分類的重要依據(jù)?！吨袊参镏尽穂6]283根據(jù)花楸屬的單葉或復(fù)葉情況及單葉類群果實是否具宿存萼片分為冠萼組、落萼組和復(fù)葉組3組，其中，前2組為單葉類群，后1組為復(fù)葉類群。聚類分析結(jié)果表明：石灰花楸、大果花楸、秦嶺花楸和水榆花楸首先聚在一起，這些種類均屬于單葉類群；隨后，這4個種類又與北京花楸和太白花楸聚在一起，說明這4個種類與復(fù)葉類群的北京花楸和太白花楸親緣關(guān)系較近；湖北花楸、華西花楸和陜甘花楸也聚在一起，說明這3個種類的親緣關(guān)系也較近，且花粉均偏小；而歐洲花楸、朝鮮花楸和西伯利亞花楸3個外來種的花粉粒較大，與花楸樹的親緣關(guān)系較近。然而，值得注意的是，陜甘花楸的花粉形態(tài)與《中國木本植物花粉電鏡掃描圖志》[8]283存在差異，這可能與種內(nèi)不同個體間差異或取樣有關(guān)，具體原因有待進一步研究。

綜上所述，花楸屬植物的花粉形態(tài)特征可作為其種間分類的依據(jù)，對探討其種間親緣關(guān)系具有一定的研究意義。