東北地區(qū)李屬（Prunes L.）植物導(dǎo)管分子形態(tài)結(jié)構(gòu)研究

鄒子瑜 谷利偉 張大維*

（1. 哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱 150025；2. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

李屬（Prunes L.）隸屬于薔薇科（Rosaceae）李亞科（Prunoideae）。該屬植物全球約有150 余種，分布在除澳洲外各地，我國有50余種，全國均有分布；其中東北地區(qū)產(chǎn)10種，栽培15種［1］。李屬植物具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，桃（P.persica L.）、杏（P.vul?garis Lam.）、櫻 桃（P.pseudocerasus（Lindl.）G.Don）等都是生活中常見的水果。稠李（P.racemosa（Lam.）Gilib.）、榆葉梅（P.triloba（Lindl.）Ricker）、櫻花（P.yedoensis（Matsum.）Yu et Li）等具有較高的觀賞價(jià)值。李屬同時(shí)具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值：近年對(duì)李亞科各屬的分類標(biāo)準(zhǔn)一直存在分歧：一種是“大屬”分類法，1926 年由德國科學(xué)家A.Rehder提出，將核果類植物合并成李屬，并將李屬分為五個(gè)亞屬：李亞屬、扁桃亞屬、櫻亞屬、稠李亞屬與桂櫻亞屬，這種分類方法國內(nèi)外采用者很多［2］，本文也采用這種分類方法。另一種是由我國學(xué)者俞德浚提出的，將李亞科分為9 個(gè)小屬。其中桃屬（Amygdalus L.）最為進(jìn)化，稠李屬（Padus Mill.）與桂櫻屬（Laurocerasus Tourn. ex Duh.）相對(duì)最原始［3］。早期對(duì)李屬植物的形態(tài)學(xué)研究以木材解剖學(xué)為主：認(rèn)為李亞科和蘋果亞科是薔薇科中較為進(jìn)化的亞科，且李亞科獨(dú)立分支較早。并與蘋果亞科親緣較遠(yuǎn)［4～7］。隨著近年來分子生物學(xué)的發(fā)展，對(duì)李屬植物的分類研究也深入到了分子層面。Ma R.C.在對(duì)梨屬與李屬S-RNases cDNA 序列的研究中發(fā)現(xiàn)，扁桃仁（P.communis L.）與甜櫻桃（P.avi?um（L.）Moench.）的S-RNases 基因沒有特異性差異。這也可以成為李亞科大屬分類的分子生物學(xué)佐證［8］。由于李亞科分類學(xué)仍存在分歧，而導(dǎo)管分子既存在一定微觀分類學(xué)意義，又是反應(yīng)生境狀態(tài)的良好指標(biāo)。因此，對(duì)薔薇科植物導(dǎo)管分子的研究成為近年來的研究熱點(diǎn)。我國學(xué)者尹秀玲曾對(duì)薔薇科9 屬12 種代表植物的導(dǎo)管分子進(jìn)行觀察，并找出了薔薇科導(dǎo)管分子共性特征與屬間差異［9］。郭學(xué)民等人發(fā)現(xiàn)李屬砧木莖段到接穗莖段出現(xiàn)了導(dǎo)管寬度不匹配，說明即使為同屬植物，不同種植物的導(dǎo)管直徑在同生境下也存在著差異［10］。胡蓉在比較日本晚櫻與櫻桃導(dǎo)管分子的研究中發(fā)現(xiàn)，日本晚櫻較櫻桃更為進(jìn)化，但他們個(gè)各性狀在系統(tǒng)演化中不同步［11］。近年來對(duì)其他科屬植物導(dǎo)管分子的研究以導(dǎo)管分子生理結(jié)構(gòu)和不同植物導(dǎo)管分子形態(tài)結(jié)構(gòu)差異為主。高建平、王彥涵等通過導(dǎo)管分子形態(tài)特征研究與年降水量比較，得出其與導(dǎo)管分子長(zhǎng)度與直徑的比值相關(guān)［12］。張大維等在研究樺木科（Betulaceae）與槭樹科（Ac?eraceae）槭屬（Acer Linn.）植物導(dǎo)管分子的過程中發(fā)現(xiàn)同科同屬植物在結(jié)構(gòu)形態(tài)上有一定共性，并發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管分子的形態(tài)特征可能與環(huán)境因素有關(guān)［13～14］。

然而現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)李屬植物導(dǎo)管的分子的研究基本都停留于種間結(jié)構(gòu)對(duì)比，并且同種植物沒有在不同生境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)與形態(tài)的分析。因此，本文選取了東北地區(qū)10 種當(dāng)?shù)刈匀簧L(zhǎng)的李屬植物，并在不同生境多點(diǎn)采樣。利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，在研究導(dǎo)管分子結(jié)構(gòu)的同時(shí)分析了生境因素對(duì)導(dǎo)管的影響，提供了微形態(tài)學(xué)證據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料均采自中國東北地區(qū)自然環(huán)境生長(zhǎng)的李屬植物枝條（見表1）。選取一年生枝條的節(jié)間。每種植物分別采集自3個(gè)不同地理位置的生境下。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用植物導(dǎo)管樹脂鑄型法對(duì)導(dǎo)管分子內(nèi)壁形態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察和測(cè)量。1 年生枝條自然干燥后，將周皮處理干凈，切成10 mm×5 mm大小，浸泡于苯乙烯中放于真空抽氣泵中抽出存留在輸導(dǎo)組織中的空氣，再浸泡4～6 周。滲透過苯乙烯的實(shí)驗(yàn)材料于70℃溫箱中進(jìn)行高溫聚合，直到完全凝固為止。取出凝固好的材料，浸泡在以下2種溶液中使有機(jī)材料分解：①30%的過氧化氫和99.5%的冰醋酸1∶1的混合液。在60℃下浸泡1～2 h。②浸泡在98%的濃硫酸中10 min。更換溶液時(shí)需用蒸餾水沖洗后再浸泡在另一溶液中。兩步驟輪流操作3～5 次，直至復(fù)型材料充分分散。暴露出的復(fù)型材料在70%的酒精中保存以待使用。樣品材料經(jīng)過完全處理后，稀釋在70%的酒精中。

1.3 觀察與測(cè)量

在解剖鏡下用牙簽、解剖針等較尖的用具將處理好的導(dǎo)管離析材料粘貼于掃描電鏡的樣品臺(tái)上。再置于離子濺射儀中進(jìn)行噴金導(dǎo)電處理，并在HITACHI S-4800 型掃描電子顯微鏡下（加速電壓20 kV）觀察。隨機(jī)在掃描電鏡的樣品臺(tái)上選擇30個(gè)導(dǎo)管分子管長(zhǎng)、尾長(zhǎng)、寬度及端壁長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)端壁長(zhǎng)度與導(dǎo)管寬度計(jì)算傾斜角正弦值，根據(jù)正弦值換算成角度（即角度數(shù)值越大面積越小）。

表1 實(shí)驗(yàn)材料信息Table 1 Experimental material information

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

本文利用spss 軟件對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析與標(biāo)準(zhǔn)差分析。

2 觀察結(jié)果

不同生境下的李屬植物導(dǎo)管分子的管腔長(zhǎng)度、寬度及端壁斜度角有較大的差別（見圖1）。端壁傾斜角為端壁與直徑的夾角度數(shù)。角度數(shù)值越小，說明端壁越傾斜，端壁面積越大。李屬植物導(dǎo)管分子的類型有網(wǎng)紋、孔紋及螺紋3種形態(tài)；紋孔排列方式出現(xiàn)2 種分別是：對(duì)列、互列同時(shí)存在和僅存在互列式。李屬植物導(dǎo)管分子均存在由管分子次生壁內(nèi)側(cè)具有螺旋狀隆起的螺紋加厚（見表2）。由于同種植物不同生境下導(dǎo)管類型與結(jié)構(gòu)特征并沒有變化，故不區(qū)分采集地，僅以種名分類列表。

2.1 導(dǎo)管類型與穿孔板類型

研究中李屬植物導(dǎo)管分子的導(dǎo)管形態(tài)類型共有3 種，網(wǎng)紋導(dǎo)管與孔紋導(dǎo)管普遍存在。僅山杏、歐李、東北李3種李屬植物的導(dǎo)管分子中沒有發(fā)現(xiàn)螺紋導(dǎo)管（見圖版Ⅰ：1）。李屬植物中普遍存在較為進(jìn)化的孔紋導(dǎo)管。單穿孔板在該屬孔紋導(dǎo)管中普遍存在，僅在櫻亞屬的黑櫻桃、毛櫻桃與郁李中發(fā)現(xiàn)梯狀穿孔板。

2.2 紋孔的排列方式

李屬植物導(dǎo)管分子紋孔排列方式為互列式的情況在所觀察的植物中普遍存在，其中山杏、稠李、東北李以及毛櫻桃為對(duì)列式、互列式同時(shí)存在（見圖版Ⅰ：5～7）。其余6 種僅存在對(duì)列式（見圖版Ⅰ：8～9）。

表2 東北地區(qū)植物導(dǎo)管分子形態(tài)特征Table 2 morphological characteristics of vessel elements from Northeast of China

2.3 導(dǎo)管管壁的螺紋加厚

所觀察的李屬植物導(dǎo)管分子的內(nèi)表面均呈螺紋加厚（見圖版Ⅰ：2）。螺紋型加厚會(huì)增加導(dǎo)管內(nèi)壁的表面積，這可以提高導(dǎo)管對(duì)水分的附著力，從而提高水分運(yùn)輸效率，但不同生境下李屬植物均存在螺紋加厚（見圖版Ⅰ：4），且尾端也具有螺紋加厚與紋孔對(duì)（見圖版Ⅰ：3）。

2.4 李屬植物導(dǎo)管分子長(zhǎng)度、端壁斜度角、寬度及尾端長(zhǎng)度

所觀察的10 種李屬植物分別選擇3 個(gè)不同的地區(qū)取樣，共計(jì)30組樣本。從數(shù)據(jù)分析可知，導(dǎo)管長(zhǎng)度、端壁傾斜角與海拔和緯度正相關(guān)。并且在對(duì)榆葉梅、歐李、郁李跟山杏4 種植物的觀察中發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在長(zhǎng)白山1 500 m 左右海拔的植物，緯度低于黑龍江地區(qū)，但導(dǎo)管長(zhǎng)度與端壁角度與黑龍江地區(qū)的植物無顯著差異，甚至高于黑龍江地區(qū)。導(dǎo)管寬度與海拔緯度呈負(fù)相關(guān)，即海拔、緯度越高導(dǎo)管寬度（即直徑）越小。在對(duì)東北李的觀察中發(fā)現(xiàn)，在海拔相對(duì)一致，緯度相對(duì)靠近的情況下，管長(zhǎng)、寬度與端壁傾斜角度均無顯著差異。在所觀察不同生境下的李屬植物中，尾端長(zhǎng)度在種內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，無顯著差異，但種間仍存在差異。

3 討論

植物導(dǎo)管分子形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果表明，同種植物在不同生境下形態(tài)（長(zhǎng)度、寬度、端壁面積）上存在差異。但管壁螺紋加厚、尾端長(zhǎng)度、導(dǎo)管類型，穿孔板類型以及紋孔式并沒有出現(xiàn)變化。其中孔紋、網(wǎng)紋導(dǎo)管、螺紋加厚、互列紋孔式與單穿孔板是李屬植物普遍存在的結(jié)構(gòu)特征。梯狀穿孔板僅在櫻亞屬植物中被觀察到。但相對(duì)原始的螺紋導(dǎo)管存在在3種不同亞屬的植物中。因此，我們認(rèn)為導(dǎo)管分子的各結(jié)構(gòu)的進(jìn)化程度有所不同。對(duì)尾端長(zhǎng)度的觀察發(fā)現(xiàn)，同種植物尾端在不同生境下長(zhǎng)度無變化，這說明尾端長(zhǎng)度僅與進(jìn)化程度相關(guān)。螺紋加厚在李屬中普遍存在。內(nèi)壁螺紋加厚是一種次生壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的規(guī)則性凸出，它可以增強(qiáng)管壁對(duì)水的附著力，從而提高植物對(duì)水分的利用效率［15～16］。由于所觀察的李屬植物無論生境如何均存在螺紋加厚，所以推測(cè)這一形態(tài)應(yīng)該是李屬植物長(zhǎng)期適應(yīng)旱生環(huán)境而演化出來的，但這仍需要進(jìn)一步研究。在對(duì)長(zhǎng)度、寬度與端壁面積的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，李屬植物在不同生境下導(dǎo)管分子會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的適應(yīng)性變化。緯度與海拔越高，長(zhǎng)度越長(zhǎng)、寬度越小、端壁面積越小。這種變化是個(gè)體植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的反饋，并不是適應(yīng)環(huán)境而演化的結(jié)果。因此，我們認(rèn)為李屬植物導(dǎo)管分子的微形態(tài)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義，既可以研究李屬的系統(tǒng)學(xué)地位，又可以為李亞科的分類方法提供佐證。同時(shí)在對(duì)導(dǎo)管分子的環(huán)境適應(yīng)性方面提供重要的參考依據(jù)。

導(dǎo)管的出現(xiàn)，是植物為適應(yīng)陸地生境的一個(gè)重要標(biāo)志。目前，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管分子的形態(tài)結(jié)構(gòu)具有較重要的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)地位，導(dǎo)管分子中穿孔板的形態(tài)特征、導(dǎo)管類型及尾端長(zhǎng)度是顯示類群演化地位的重要微觀指標(biāo)［17～18］。梯狀穿孔板作為較原始的穿孔板類型，常出現(xiàn)在較為原始的植物類群中，如毛茛科（Ranunculaeeae）等［19］。但在薔薇科中較為進(jìn)化的李屬中仍有少數(shù)種存在梯狀穿孔板（黑櫻桃、毛櫻桃與郁李）。且這些種都隸屬于李屬的櫻亞屬，但櫻亞屬的植物也存在較為進(jìn)化的單穿孔板。因此，我們認(rèn)為櫻亞屬的導(dǎo)管是東北地區(qū)李屬中相對(duì)進(jìn)化，但最為原始。由于導(dǎo)管分子管壁發(fā)育的先后和導(dǎo)管分子次生壁增厚的位置、方式不同，從而形成了不同類型的導(dǎo)管。螺紋、環(huán)紋導(dǎo)管常出現(xiàn)在植物發(fā)育的早期，而網(wǎng)紋與孔紋導(dǎo)管則出現(xiàn)在較為成熟的植物發(fā)育時(shí)期。并且國內(nèi)外研究也表明導(dǎo)管類型也是分類學(xué)與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的重要指征［5，9，19］：環(huán)紋導(dǎo)管與螺紋導(dǎo)管較原始；網(wǎng)紋、孔紋導(dǎo)管則相對(duì)進(jìn)化；梯紋導(dǎo)管則是較為原始類型的導(dǎo)管分子向孔紋導(dǎo)管進(jìn)化的過渡類型。并且在所觀察的植物中發(fā)現(xiàn)：不同生境下的同種植物導(dǎo)管類型相同，這與前人的研究相符合［20］。所觀察的李屬植物均存在孔紋導(dǎo)管與網(wǎng)紋導(dǎo)管；絕大多數(shù)李屬植物均存在螺紋導(dǎo)管（僅東北李、歐李與山杏中沒有）。這說明李屬植物的導(dǎo)管類型以最進(jìn)化的孔紋導(dǎo)管為主。多數(shù)種仍保留著較為原始、輸水功能較弱的螺紋導(dǎo)管。歐李中既不存在螺紋導(dǎo)管，又沒有發(fā)現(xiàn)梯狀穿孔板。因此，我們認(rèn)為歐李在李屬中相對(duì)進(jìn)化。本研究測(cè)量的尾端長(zhǎng)度也支持這一結(jié)果。從導(dǎo)管類型與穿孔板類型來看李亞屬與杏亞屬相對(duì)較為進(jìn)化，這也符合前人的結(jié)論。但他們?nèi)源嬖谙鄬?duì)過渡類型的紋孔式，即對(duì)、互列同時(shí)存在的紋孔排列方式?？准y導(dǎo)管的紋孔式演化方式是由對(duì)列式向互列式方向進(jìn)行的［21］。李屬植物孔紋導(dǎo)管的演化已經(jīng)處于較為進(jìn)化的階段，但尚存少許互列式紋孔同時(shí)說明著仍處于較為初級(jí)的進(jìn)化階段。綜合來看，櫻亞屬的郁李中觀察到了所有的原始結(jié)構(gòu)特征，這顯示著郁李是李屬最原始的種。因此，我們認(rèn)為李屬植物的導(dǎo)管分子處于相對(duì)進(jìn)化但較為初級(jí)的階段。即已經(jīng)普遍存在單穿孔板，孔紋導(dǎo)管等進(jìn)化的標(biāo)志，但仍存留如螺紋導(dǎo)管、梯狀穿孔板等相對(duì)原始的結(jié)構(gòu)。并且在相對(duì)進(jìn)化的桃亞屬中仍存在螺紋導(dǎo)管。但由于東北地區(qū)本地產(chǎn)的桃亞屬植物相對(duì)較少，無法進(jìn)行亞屬內(nèi)的比較，有待進(jìn)一步研究。在之前的研究中，對(duì)導(dǎo)管分子尾端的研究基本停留在長(zhǎng)度的相對(duì)性上：即尾端相對(duì)較長(zhǎng)的導(dǎo)管分子較為原始，尾端較短的相對(duì)進(jìn)化［13～14，22］。本研究則對(duì)李屬植物導(dǎo)管分子的尾端長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量，認(rèn)為李屬植物導(dǎo)管分子尾端長(zhǎng)度在24～36 μm，屬于相對(duì)短的尾端長(zhǎng)度。并且發(fā)現(xiàn)在不同生境下同種植物尾端差異不顯著，長(zhǎng)度較為穩(wěn)定。這說明尾端長(zhǎng)度可能僅與物種相關(guān)，與生境無關(guān)。由于櫻亞屬在李屬中相對(duì)原始，但觀察結(jié)果中櫻亞屬的毛櫻桃尾端最長(zhǎng)、同亞屬的歐李、郁李卻最短。推測(cè)櫻亞屬植物的導(dǎo)管分子不同特征可能在進(jìn)化程度上不一致。但由于李屬植物導(dǎo)管分子尾端長(zhǎng)度整體相對(duì)穩(wěn)定，因此本研究也支持將尾端長(zhǎng)度作為衡量植物系統(tǒng)學(xué)地位佐證。但這也需要進(jìn)一步測(cè)量薔薇科其他各屬植物后再進(jìn)行比較分析。并且我們?cè)谟^察中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管分子尾端也有功能性結(jié)構(gòu)（螺紋加厚與紋孔對(duì)），這也推測(cè)李屬植物的尾端并不是無功能的盲端結(jié)構(gòu)，而是可以參與橫向水分運(yùn)輸?shù)墓δ苄越Y(jié)構(gòu)。在環(huán)境適應(yīng)性方面，導(dǎo)管為植物各個(gè)器官運(yùn)輸水分與無機(jī)鹽，而植物導(dǎo)管其輸水能力和導(dǎo)管分子的形態(tài)結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。端壁斜度角度大小直接影響管腔端壁截面的面積，端壁截面面積越大，運(yùn)輸水分阻力越大，輸水效率越低。導(dǎo)管分子越長(zhǎng)，單位長(zhǎng)度內(nèi)端壁數(shù)量越少，在增加管腔壓力（即提高根系吸水能力）的同時(shí)，減少了端壁對(duì)水的阻力。導(dǎo)管直徑越大，輸水量越大，但越容易出現(xiàn)栓塞與空穴化［23～24］。但環(huán)境對(duì)長(zhǎng)度與寬度的影響則有很多理解：Steven J.發(fā)現(xiàn)由寒帶到亞熱帶植物導(dǎo)管分子的紋孔發(fā)生率明顯上升。V.E.Ben?kova 在對(duì)西伯利亞的薔薇科植物的木材解剖研究中發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在亞北極地帶的植物擁有較高的導(dǎo)管頻率與較細(xì)的導(dǎo)管分子。劉樹煥等則認(rèn)為導(dǎo)管分子較長(zhǎng)，端壁面積較小是導(dǎo)管分子適應(yīng)高海拔等干旱條件的結(jié)果［22，25～26］。從導(dǎo)管分子的長(zhǎng)度、寬度和端壁斜度角度數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，李屬植物在高緯度高海拔地區(qū)為了適應(yīng)生境提高了導(dǎo)管長(zhǎng)度（即減少了單位長(zhǎng)度穿孔板數(shù)量），減小了管腔直徑（即降低了栓塞的發(fā)生率），從而提高了輸水能力（即提高了水分利用率）。生長(zhǎng)在吉林與遼寧的東北李，由于海拔與緯度變化幅度不大，所以在導(dǎo)管長(zhǎng)度、寬度等形態(tài)上并沒有顯著差異，這也推測(cè)生境的緯度與海拔變化相對(duì)大時(shí)，導(dǎo)管分子形態(tài)會(huì)出現(xiàn)變化。但對(duì)比生長(zhǎng)在黑龍江與遼寧的李時(shí)發(fā)現(xiàn)：在緯度相對(duì)較高的地區(qū)，到緯度高于一定程度時(shí)小幅度的緯度增加導(dǎo)管分子結(jié)構(gòu)也可能出現(xiàn)差異。東北地區(qū)除長(zhǎng)白山外，海拔均低于700 m，屬于地平地帶。比較適合同種植物在不同緯度下的生境比較。由于長(zhǎng)白山均海拔1 500 m 以上，屬于亞高山帶。所以生長(zhǎng)在長(zhǎng)白山亞高山帶的榆葉梅、歐李、郁李和山杏與生境在更高緯度的同種植物相比較，其導(dǎo)管長(zhǎng)度相同甚至更長(zhǎng)，寬度幾乎相同，端壁面積相同甚至更小。因此，我們認(rèn)為在高緯度、高海拔的生境下，植物為了更適應(yīng)生境，導(dǎo)管分子形態(tài)會(huì)根據(jù)生境做出反饋：為提高輸水效率，增加了導(dǎo)管長(zhǎng)度進(jìn)而減少了穿孔板數(shù)量。為降低空穴化發(fā)生率，降低了導(dǎo)管寬度，從而減少了導(dǎo)管栓塞的發(fā)生率。但成熟導(dǎo)管分子的寬度似乎存在最小極限，以至于高海拔情況下寬度并沒有更大幅度的變小，但這仍需要進(jìn)一步研究。