17種李屬(廣義)植物果實(shí)表皮微形態(tài)

石文婷，吳保歡，黃文鑫，劉朝玉，崔大方*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.東莞植物園，廣東 東莞 523079)

李屬(廣義)(Prunus sensu lato)植物在以往的分類(lèi)系統(tǒng)中隸屬于薔薇科扁桃亞科(Subfam.Amygdaloideae)，如今在新提出的薔薇科分類(lèi)系統(tǒng)中被歸入繡線菊亞科(Subfam.Spiraeoideae)桃族(tribe Amygdaleae)，包括狹義李屬(Prunus sensu stricto)、扁桃屬(Amygdalus)、杏屬(Armeniaca)、櫻屬(Cerasus)、稠李屬(Padus)、桂櫻屬(Laurocerasus)、臭櫻屬(Maddenia)和臀果木屬(Pygeum)等類(lèi)群，由200～250個(gè)種組成，多為核果類(lèi)落葉喬木或灌木，廣泛分布于北半球溫帶地區(qū)，以北美、歐洲和亞洲北部為主要分布地，但也有常綠的熱帶種類(lèi)[1—2]。其生境多樣，從氣候干燥的溫帶地區(qū)到較為濕潤(rùn)的亞熱帶、熱帶地區(qū)，從寒冷的高山地帶到氣候溫和的低海拔區(qū)域皆有分布[3]。

李屬(廣義)植物分類(lèi)最早可追溯到 1700年，Tournefort和Jussieu[4]基于果實(shí)形態(tài)記錄了Prunus、Armeniaca、Cerasus、Amygdalus、Persica 和Laurocerasus 等6個(gè)屬。1737年Linnaeus[5]在其著作Hortus Cliffortianus中將該類(lèi)群劃分為4個(gè)屬：Amygdalus(包括 Persica)，Prunus(包括 Armeniaca)，Cerasus和 Padus(包括 Laurocerasus)；1753年又重新調(diào)整為 2個(gè)屬[6]：Amygdalus和 Prunus(包括Armeniaca、Cerasus、Padus和 Laurocerasus)。1865年，Bentham 和 Hooker[7]首先提出李屬(廣義)的概念，將薔薇科所有核果類(lèi)植物合并為李屬(廣義，Prunus sensu lato)，而在屬以下分為 7個(gè)組。1893年，Koehne[8]則將這個(gè)大屬下分為7個(gè)亞屬。

兩百多年來(lái)，一些學(xué)者選擇沿用 Tournefort和Linnaeus 的小屬概念，將扁桃亞科核果類(lèi)群劃分為3～8個(gè)屬，但每個(gè)屬的范圍也存在差異[9—15]；有一些學(xué)者則傾向于使用大屬的概念，如Rehder[16]主要基于花序和內(nèi)果皮特征將桃族除臭櫻屬(Maddenia)和臀果木屬(Pygeum)以外的其他種類(lèi)都置于李屬(廣義)，下分李亞屬(subg.Prunophora)、桃亞屬(subg.Amygdalus)、櫻亞屬(subg.Cerasus)、稠李亞屬(subg.Padus)和桂櫻亞屬(subg.Laurocerasus)，這種分類(lèi)處理廣為歐美學(xué)者接受。1965年，Kalkman[17]進(jìn)一步擴(kuò)大了李屬(廣義)的范圍，將在熱帶廣泛分布的臀果木屬也納入桂櫻亞屬內(nèi)。

隨著分子系統(tǒng)學(xué)的深入研究[18—23]，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)李屬(廣義)在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上形成單系，李屬(廣義)所包含的范圍也逐漸確定，現(xiàn)在被一致認(rèn)同的類(lèi)群有單花類(lèi)群(桃、杏、李類(lèi))、傘形花序類(lèi)群(典型櫻類(lèi))以及總狀花序類(lèi)群(臭櫻、稠李、桂櫻、臀果木類(lèi))。

果實(shí)表皮微形態(tài)特征在種子植物分類(lèi)和系統(tǒng)演化研究中具有一定的參考價(jià)值[24—27]。基于對(duì) 5000種種子植物表皮特征的掃描電鏡觀察，Barthlott[24]認(rèn)為植物表皮特征受環(huán)境飾變小，其高度的結(jié)構(gòu)多樣性可為種間和科級(jí)水平分類(lèi)提供依據(jù)。張勇等[25]對(duì)薔薇科委陵菜屬(Potentilla) 32種及變種的果實(shí)形態(tài)進(jìn)行解剖研究，發(fā)現(xiàn)電鏡下的果皮表面紋飾對(duì)該屬植物分類(lèi)具有較重要的價(jià)值。章黎黎等[26]探討了蘋(píng)果屬(Malus)植物果實(shí)表皮微形態(tài)特征及其系統(tǒng)演化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果屬植物果實(shí)表皮細(xì)胞大小、細(xì)胞間隙、表皮細(xì)胞紋飾等性狀具有不同程度的種間或組間差異，尤其是表皮細(xì)胞紋飾在各組間差異明顯，說(shuō)明果實(shí)表皮微形態(tài)特征能對(duì)蘋(píng)果屬植物分類(lèi)及系統(tǒng)評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的信息。目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)廣義李屬植物果實(shí)表皮微形態(tài)的研究。為此，本研究基于 17 種李屬(廣義)植物果實(shí)表皮微形態(tài)特征的觀察，尋求有分類(lèi)學(xué)意義的果皮微形態(tài)特征，為進(jìn)一步研究該屬植物分類(lèi)和系統(tǒng)演化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

果實(shí)表皮材料共17種(品種)，其中10種取自臘葉標(biāo)本的干燥果實(shí)，另外7種取自栽培果樹(shù)的新鮮果實(shí)(每個(gè)分類(lèi)單位盡可能選取2份或以上不同采集地的標(biāo)本，表1中只列舉其中一份，每份標(biāo)本取 3枚果實(shí))。憑證標(biāo)本存放于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院樹(shù)木標(biāo)本室(CANT)，材料信息見(jiàn)表1。

1.2 方法

將干燥果實(shí)置于60 ℃恒溫水中浸泡1～3 h，待果實(shí)吸水發(fā)脹后，用離析法制作果實(shí)表皮裝片[28]。切割3～4片1 cm×0.5 cm大小的果皮(果實(shí)太小的則剝?nèi)≌麄€(gè)外果皮)，投入1 mL過(guò)氧化氫(30%)和1 mL冰醋酸等量混合離析液中，置于60 ℃恒溫箱中離析2～48 h(具體時(shí)間視材料而定)，待果肉與表皮分離時(shí)，用毛筆掃除殘留的果肉及洗盡酸液，挑選完整不帶果肉的透明表皮置于載玻片上，用1%番紅酒精溶液染色10～15 min，經(jīng)50%酒精脫色后，用50%甘油封片，在光學(xué)顯微鏡下觀察，選用染色效果良好的裝片用指甲油封片。在熒光倒置顯微鏡(Zeiss Axio Observer.Z1)下觀察拍照，物鏡20×和40×下各拍攝至少10張不同視野的照片，用蔡司Axio Vision圖像分析軟件處理圖片。表皮細(xì)胞和氣孔復(fù)合體等定性性狀描述參考Dilcher[29]的方法。定量性狀中，氣孔密度為物鏡20×下10個(gè)不同視野的均值，細(xì)胞面積和間隙、氣孔大小為物鏡40×下10個(gè)不同視野的均值。定量數(shù)據(jù)利用Digimizer程序測(cè)量。

表1 李屬(廣義)植物實(shí)驗(yàn)材料及憑證標(biāo)本Table 1 Species of investigation and voucher specimens of Prunus sensu lato

2 結(jié)果與分析

2.1 果實(shí)表皮細(xì)胞及表皮毛特征

通過(guò)觀察與測(cè)量數(shù)據(jù)，得到李屬(廣義)植物果實(shí)表皮細(xì)胞及表皮毛特征(表2，圖版Ⅰ、Ⅱ)?？梢钥闯隼顚?廣義)植物的果實(shí)表皮細(xì)胞形狀大多是較為規(guī)則的六邊形、五邊形、四邊形，少數(shù)為近圓形、半圓形或扇形。表皮細(xì)胞面積在屬下各類(lèi)群之間存在一定的差異，如：油桃(Prunus persica var.nectarina)和毛櫻桃(Prunus tomentosa)、沼生矮櫻(Prunus jingningensis)、歐洲甜櫻桃(Prunus avium)的細(xì)胞面積較大，達(dá) 1000 μm2左右；其次是長(zhǎng)圓臀果木(Prunus oblongum)，約 570 μm2；接著是杏組和李組的種類(lèi)，在 200～400 μm2之間；銳齒臭櫻(Prunus incisoserrata)、臭櫻(Prunus hypoleuca)的細(xì)胞面積為242 μm2和 286 μm2；最后是2種稠李和2種桂櫻，均在160～190 μm2之間。細(xì)胞間隙、垂周壁式樣、細(xì)胞形狀三者之間均有一定的聯(lián)系。總體來(lái)說(shuō)，較規(guī)則的多邊形細(xì)胞垂周壁多平直，排列較為緊密，不規(guī)則的近圓形細(xì)胞垂周壁多弓形，排列較為疏松。果表皮細(xì)胞的角質(zhì)層紋飾在屬下各類(lèi)群中出現(xiàn)分化。桃組、杏組和李組的種類(lèi)中均有較厚的角質(zhì)層，在桃組和李組中大多均勻分布，只有櫻桃李(Prunus cerasifera)為不均勻加厚。水蜜桃(Prunus persica)表皮毛周?chē)谋砥ぜ?xì)胞出現(xiàn)條紋狀紋飾；杏(Prunus armeniaca)因密集的表皮毛而呈現(xiàn)更加明顯的條紋狀紋飾；李廣杏(Prunus armeniaca ‘Liguangxing’)的角質(zhì)層也較為均勻，但不完全覆蓋表皮細(xì)胞。2種矮櫻和歐洲甜櫻桃的角質(zhì)層紋飾為不均勻分布，點(diǎn)狀、局部嚼爛狀或條紋狀。2種稠李的角質(zhì)層較薄，也不均勻，其中短梗稠李(Prunus brachypoda)還出現(xiàn)小長(zhǎng)方塊狀的晶體。2種桂櫻和長(zhǎng)圓臀果木沒(méi)有明顯的角質(zhì)層紋飾，大葉桂櫻(Prunus zippeliana)部分氣孔器周邊有稀疏的點(diǎn)狀突起。另外，在17份材料中，只有水蜜桃、杏以及毛櫻桃存在表皮毛，均為單細(xì)胞毛。

表2 李屬(廣義)植物果實(shí)表皮細(xì)胞及表皮毛特征Table 2 The characteristics of the fruit epidermal cells and trichome of Prunus sensu lato

2.2 氣孔復(fù)合體特征

李屬(廣義)植物果實(shí)表皮氣孔復(fù)合體特征如表3及圖版Ⅰ、Ⅱ。李屬(廣義)植物的氣孔復(fù)合體多為無(wú)規(guī)則型至環(huán)狀圍繞型(僅長(zhǎng)圓臀果木為平列型)；氣孔器為圓球形、寬橢球形或橢球形，氣孔器長(zhǎng)寬比在1.0～1.6之間。氣孔器大小在屬下各類(lèi)群之間的差異不大，只有2種桃與其他各類(lèi)群之間差異明顯，其大小是其他各類(lèi)群氣孔器的1～2倍。氣孔密度也存在一定的差異，2種杏的果表皮氣孔密集，29～35個(gè)·mm-2；桃組、李組的種類(lèi)和歐洲甜櫻桃較為一致，為3～5個(gè)·mm-2；2種矮櫻、2種稠李和2種桂櫻表現(xiàn)出多樣性；長(zhǎng)圓臀果木的果表皮氣孔密度只有1個(gè)·mm-2。氣孔周?chē)y飾在屬下各類(lèi)群中也出現(xiàn)分化。桃組和李組種類(lèi)中氣孔器及周?chē)采w嚼爛狀蠟質(zhì)，歐洲李的蠟質(zhì)較少，且較為獨(dú)特的是其氣孔器兩側(cè)副衛(wèi)細(xì)胞的角質(zhì)加厚較為明顯。2種杏部分氣孔覆蓋蠟質(zhì)，保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)緣稍加厚，氣孔器周?chē)哂信c表皮細(xì)胞同類(lèi)型的角質(zhì)紋飾，但程度有所加深。2種矮櫻和歐洲甜櫻桃氣孔周?chē)胁煌秶慕琴|(zhì)加厚，較為獨(dú)特的是毛櫻桃和歐洲甜櫻桃兩端有T形加厚，而沼生矮櫻個(gè)別氣孔中出現(xiàn)觸角狀蠟質(zhì)。2種臭櫻中保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)側(cè)加厚，氣孔周?chē)c表皮細(xì)胞一樣有點(diǎn)狀突起，2種稠李的保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)側(cè)也有不同程度的加厚。大葉桂櫻個(gè)別氣孔器周?chē)猩倭康木植考雍?，腺葉桂櫻(P.phaeosticta)部分氣孔器周?chē)歇?dú)特的花環(huán)狀加厚。長(zhǎng)圓臀果木氣孔器兩側(cè)副衛(wèi)細(xì)胞有不均勻加厚，與表皮細(xì)胞有所區(qū)別但區(qū)別不大。

表3 李屬(廣義)植物果實(shí)表皮氣孔復(fù)合體特征Table 3 The characteristics of stomatal complex on the fruit epidermis of Prunus sensu lato

3 討論與結(jié)論

3.1 果實(shí)表皮微形態(tài)在屬內(nèi)關(guān)系上的應(yīng)用

李屬(廣義)屬內(nèi)各類(lèi)群在果實(shí)表皮某些性狀中存在一定的共性或表現(xiàn)出各自獨(dú)立的特征，如表皮細(xì)胞形狀和氣孔復(fù)合體類(lèi)型。在氣孔復(fù)合體類(lèi)型中，長(zhǎng)圓臀果木出現(xiàn)了其他類(lèi)群沒(méi)有的平列型。在氣孔形狀中，稠李類(lèi)是一致的圓球形。在氣孔大小中，桃類(lèi)的氣孔明顯較大。在氣孔密度中，杏類(lèi)的氣孔更為密集。在氣孔周?chē)y飾上，桂櫻類(lèi)有獨(dú)特的花環(huán)狀加厚。這些果實(shí)表皮微形態(tài)特征可為李屬(廣義)植物果實(shí)的識(shí)別提供依據(jù)。

3.2 果實(shí)表皮微形態(tài)多樣性及其演化特征

李屬(廣義)植物的果實(shí)表皮微形態(tài)多樣，在屬內(nèi)各亞屬之間表現(xiàn)出過(guò)渡性和連續(xù)性。本研究所選的性狀中，表皮細(xì)胞垂周壁式樣和氣孔復(fù)合體類(lèi)型表現(xiàn)出溫帶落葉類(lèi)群(李亞屬、櫻亞屬及稠李亞屬的臭櫻類(lèi)、稠李類(lèi)等)的垂周壁式樣有從多弓形、少平直到平直或弓到多平直、少弓形的變化趨勢(shì)；氣孔復(fù)合體有從無(wú)規(guī)則到近環(huán)狀圍繞型到環(huán)狀圍繞型的變化趨勢(shì)，而亞熱帶、熱帶的常綠類(lèi)群(稠李亞屬桂櫻類(lèi)、臀果木類(lèi))中，桂櫻類(lèi)的垂周壁更為平直，且極少為弓形，氣孔復(fù)合體為無(wú)規(guī)則至環(huán)狀圍繞型；然而長(zhǎng)圓臀果木的垂周壁平直或弓，且有少數(shù)淺波狀，氣孔復(fù)合體出現(xiàn)平列型，明顯不同于其他類(lèi)群。另外，果實(shí)表皮細(xì)胞角質(zhì)層在屬內(nèi)各類(lèi)群中也出現(xiàn)分化規(guī)律，表現(xiàn)在溫帶落葉種類(lèi)的角質(zhì)層較多或較厚，而亞熱帶、熱帶常綠種類(lèi)的較少或較薄，較厚的角質(zhì)層可以降低植物表皮水分蒸發(fā)并適應(yīng)低溫干燥的環(huán)境，這是一種適應(yīng)溫帶氣候的特征，亞熱帶、熱帶地區(qū)的氣候較為濕潤(rùn)，因而角質(zhì)層也逐漸變薄，這也是對(duì)生活環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。

東亞地區(qū)是李屬(廣義)植物的多樣性中心，化石證據(jù)表明李屬首先于始新世早期在亞洲和北美相繼出現(xiàn)，我國(guó)山東于始新世早期的粘土礦中發(fā)現(xiàn)了李屬植物內(nèi)果皮的化石[30]，這是李屬植物最早的化石記錄，而北美西部的溫帶地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了李屬植物的葉化石[31]。Chin等[22]對(duì)李屬(廣義)開(kāi)展分子系統(tǒng)學(xué)和生物地理學(xué)研究，應(yīng)用 Bayes-DIVA方法推算得出，現(xiàn)代李屬在東亞已經(jīng)出現(xiàn)了大約6100萬(wàn)年，而各主要譜系的分化可能是由始新世早期全球變暖所引發(fā)的，認(rèn)為溫帶落葉種類(lèi)較亞熱帶、熱帶常綠種類(lèi)古老，但這一推論似乎與 Shi等[20]的研究結(jié)果相沖突。在 Shi等[20]構(gòu)建的廣義李屬系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中，包含熱帶常綠種類(lèi)和溫帶落葉種類(lèi)的總狀花序類(lèi)群先于傘形花序類(lèi)群和單花類(lèi)群分化出來(lái)，而后兩個(gè)類(lèi)群由溫帶落葉種類(lèi)組成。黃文鑫等[32]研究了廣義李屬植物的葉脈序特征，發(fā)現(xiàn)溫帶地區(qū)的廣義李屬植物葉片偏小，四、五級(jí)脈較密，游離端小脈較少，而亞熱帶–熱帶地區(qū)的桂櫻類(lèi)和臀果木類(lèi)葉片較大，四、五級(jí)脈不規(guī)則且較稀疏，游離端小脈較多。結(jié)合Chin等[22]的推測(cè)，認(rèn)為桂櫻類(lèi)為廣義李屬植物從溫帶類(lèi)型向熱帶類(lèi)型演化的過(guò)渡類(lèi)群，推測(cè)廣義李屬植物在由北溫帶向亞熱帶–熱帶遷移的過(guò)程中，葉脈密度逐漸減小，游離端小脈分支逐漸增加。結(jié)合地理分布來(lái)看，本研究也表現(xiàn)出李屬(廣義)植物在不同氣候帶之間存在過(guò)渡性演化特征。誠(chéng)然，廣義李屬各譜系的演化方向尚無(wú)定論。但可以肯定的是，李屬(廣義)植物在不同氣候帶演化的進(jìn)程中，其果實(shí)表皮微形態(tài)也發(fā)生了相應(yīng)的形態(tài)適應(yīng)。

本研究對(duì)李屬(廣義)植物的果實(shí)表皮微形態(tài)特征進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示，果實(shí)表皮微形態(tài)多樣，氣孔復(fù)合體類(lèi)型、氣孔器形狀、氣孔大小、氣孔密度及氣孔周?chē)y飾等在李屬(廣義)植物不同類(lèi)群中表現(xiàn)出各自獨(dú)立的特點(diǎn)；一些性狀如表皮細(xì)胞垂周壁式樣、角質(zhì)層紋飾和氣孔復(fù)合體類(lèi)型在屬內(nèi)各類(lèi)群中出現(xiàn)分化規(guī)律，在各亞屬之間表現(xiàn)出過(guò)渡性和連續(xù)性。果實(shí)表皮微形態(tài)特征部分性狀可作為李屬(廣義)植物識(shí)別的依據(jù)。果實(shí)表皮微形態(tài)特征在各類(lèi)群之間變化，反映出不同類(lèi)群對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)。

圖版Ⅰ 李屬(廣義)植物果實(shí)表皮微形態(tài)Plate Ⅰ Micro-morphology of fruit epidermis of Prunus

圖版Ⅱ 李屬(廣義)植物果實(shí)表皮微形態(tài)Plate Ⅱ Micro-morphology of fruit epidermis of Prunus