基于葉柄基部鱗片形態(tài)特征分析大膜蓋蕨屬的系統(tǒng)位置

苗馨元， 李春香

(1. 中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所 現(xiàn)代古生物學(xué)和地層學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210008；2. 中國(guó)科學(xué)院生物演化與環(huán)境卓越創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210008； 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京100049)

21世紀(jì)以來(lái)，分子系統(tǒng)學(xué)的快速發(fā)展改變了人們對(duì)蕨類植物某些類群系統(tǒng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)。大膜蓋蕨屬(LeucostegiaC. Presl)一直歸于骨碎補(bǔ)科(Davalliaceae)[1]78，[2，3]，[4]472，直至分子系統(tǒng)學(xué)研究支持大膜蓋蕨屬?gòu)墓撬檠a(bǔ)科分離，并與腫足蕨屬(HypodematiumKunze)有較近的親緣關(guān)系[5]。在基于分子系統(tǒng)學(xué)最新研究成果的蕨類植物分類系統(tǒng)中，大膜蓋蕨屬與腫足蕨屬組成腫足蕨科(Hypodematiaceae)[6-9]，[10]535。大膜蓋蕨屬含2種，分布于亞洲南部和東南部及太平洋的一些島嶼上，中國(guó)僅分布大膜蓋蕨(LeucostegiaimmersaC. Presl)1種[10]539。腫足蕨屬的系統(tǒng)位置也存有爭(zhēng)議：此屬曾經(jīng)被置于鱗毛蕨科(Dryopteridiaceae)[1]138、金星蕨科(Thelypteridaceae)[11]、Aspidiaceae[12]、蹄蓋蕨科(Athyriaceae)[13]或Athyroids[14]，皆因其形態(tài)解剖特征及細(xì)胞學(xué)的部分特征與上述植物類群相似。秦仁昌[15]將腫足蕨屬單列為腫足蕨科。大膜蓋蕨屬歸入腫足蕨科主要依據(jù)分子系統(tǒng)學(xué)證據(jù)[5]，在形態(tài)學(xué)上，腫足蕨屬與大膜蓋蕨屬除了具有相似的根狀莖特征和相同的染色體數(shù)目(n=41)外，尚無(wú)其他明顯的相似性狀[10]535。在孢子囊與葉脈的關(guān)系及囊群蓋的特征方面，2個(gè)屬間存在明顯差別[4]84-87。葉表皮微形態(tài)及氣孔器的特征[16]也不支持腫足蕨屬與大膜蓋蕨屬近緣，反而支持將腫足蕨屬歸于金星蕨科[11]。在孢子形態(tài)上，大膜蓋蕨屬孢子呈線形(linear)，表面具疣狀突起(verrucate)[17]374；而腫足蕨屬孢子呈橢圓形(ellipsoidal)，表面具脊(rugae)[17]492。因此，大膜蓋蕨屬的系統(tǒng)演化關(guān)系仍存在爭(zhēng)議，需要其他形態(tài)解剖性狀的支持。

鱗片為蕨類植物的表皮附屬物，在蕨類分類中具有十分重要的意義[4]33，已為某些類群的分類歸屬提供了形態(tài)解剖學(xué)證據(jù)[18]10-42，[19]29-33，[20-22]。通過(guò)對(duì)鱗片的觀察和比較，柯勇男[18]15根據(jù)腫足蕨屬具有特殊的紅棕色單細(xì)胞分支特征，將其從廣義鱗毛蕨科[1]138中分離出來(lái)并單列成科，該研究結(jié)果支持分子系統(tǒng)學(xué)的研究結(jié)果。對(duì)中國(guó)烏毛蕨科(Blechnaceae)的分類學(xué)修訂[22]發(fā)現(xiàn)鱗片可作為分屬的分類性狀，但不宜作為分種的依據(jù)。鑒于此，本文在現(xiàn)有研究[18]21-42，[19]72-73，91-92的基礎(chǔ)上，對(duì)大膜蓋蕨屬及相關(guān)類群葉柄基部鱗片著生方式(著生點(diǎn)位置)、鱗片鄰接細(xì)胞壁(側(cè)面細(xì)胞的細(xì)胞壁)特點(diǎn)、鱗片邊緣及邊緣突起物類型進(jìn)行了觀察和比較，為大膜蓋蕨屬的系統(tǒng)位置提供了鱗片形態(tài)學(xué)證據(jù)，以期為進(jìn)一步探討傳統(tǒng)分類與分子系統(tǒng)分類的統(tǒng)一和形態(tài)解剖性狀的演化提供研究資料。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料包括腫足蕨科的大膜蓋蕨屬1種、腫足蕨屬2種以及骨碎補(bǔ)科的7種。憑證標(biāo)本保存在上海辰山植物標(biāo)本館(CSH)和中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所標(biāo)本室(NPA)，各憑證標(biāo)本的基本信息見(jiàn)表1。本文采用《Flora of China》[10]749的骨碎補(bǔ)科概念，即骨碎補(bǔ)科分為小膜蓋蕨屬(AraiostegiaCop.)、骨碎補(bǔ)屬(DavalliaSmith)、陰石蕨屬(HumataCav.)和假鉆毛蕨屬(ParadavallodesChing)。

表1 供試10個(gè)種類憑證標(biāo)本的基本信息

1.2 方法

1.2.1 鱗片觀察 用解剖針輕輕從每個(gè)種類葉柄基部取完整鱗片約10個(gè)，置于含體積分?jǐn)?shù)70%乙醇的離心管中保存。用解剖針取出鱗片置于有適量甘油膠的載玻片上；用實(shí)驗(yàn)爐烤制甘油膠裝片。使用Zeiss Axio Imager Z2全自動(dòng)熒光顯微鏡(德國(guó)Zeiss公司)觀察和拍照。依據(jù)相關(guān)研究選取鱗片性狀[18]21-42，[23]，包括鱗片著生方式、鱗片鄰接細(xì)胞壁特點(diǎn)、鱗片邊緣及邊緣突起物類型。通過(guò)觀察和比較，對(duì)最終確定的10個(gè)性狀編碼(表2)以進(jìn)行支序分析。每個(gè)種類觀察3～5個(gè)鱗片。

表2 供試10個(gè)種類的鱗片性狀及其編碼

1.2.2 支序分析 使用PAUP*4.0 Beta10軟件[24]進(jìn)行支序分析。依據(jù)最新的PPG Ⅰ分類系統(tǒng)[9]選擇外類群，腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科隸屬真水龍骨類Ⅰ(Eupolypods Ⅰ)，選取真水龍骨類Ⅱ (Eupolypods Ⅱ)的宿蹄蓋蕨(AthyriumanisopterumChrist)和耳羽巖蕨(WoodsiapolystichoidesEaton)為外類群，這2個(gè)外類群的鱗片性狀來(lái)源于柯勇男[18]26，30的研究結(jié)果。采用最大簡(jiǎn)約法(maximum parsimony method，MP)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。在進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析時(shí)，采用啟發(fā)式搜索策略(heuristic search)，將每個(gè)性狀設(shè)定為無(wú)序(unord)，用自展支持率(bootstrap value)對(duì)生成的系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估。

2 結(jié)果和分析

2.1 鱗片觀察結(jié)果

對(duì)腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科10個(gè)種類葉柄基部的鱗片形態(tài)特征進(jìn)行觀察。結(jié)果(圖1和表3)顯示：從鱗片的著生方式看，供試10個(gè)種類葉柄基部的鱗片分為2種類型。腫足蕨科大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬植物鱗片的著生點(diǎn)均位于鱗片基部底端(圖1-A1～C1)，為基部著生類型；而骨碎補(bǔ)科植物鱗片的著生點(diǎn)均位于鱗片基部之上(圖1-D1～J1)，為盾狀或假盾狀著生類型。

表3 供試10個(gè)種類葉柄基部鱗片性狀

供試10個(gè)種類葉柄基部鱗片鄰接細(xì)胞壁有差異。腫足蕨科大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬植物葉柄基部鱗片鄰接細(xì)胞壁為直邊(圖1-A2～C2)；而骨碎補(bǔ)科植物葉柄基部鱗片鄰接細(xì)胞壁為曲邊(圖1-D2～J2)。

除了杯蓋陰石蕨〔Humatagriffithiana(Hook.) C. Chr.〕和馬來(lái)陰石蕨〔H.pectinata(Smith) Desvaux〕葉柄基部的鱗片邊緣為基部全緣(圖1-G1～H1)外，其余種類的鱗片邊緣均為非全緣，具突起物，這些突起物分為3種類型：1)僅由單細(xì)胞或單列細(xì)胞組成的毛(圖1-A2～C2)；2)鱗片邊緣相鄰兩細(xì)胞的相鄰處突出，形成齒狀刺(圖1-D2，E2)或稍長(zhǎng)的齒狀毛(圖1-F2)；3)鱗片邊緣線不清晰，邊緣為嚙蝕狀或單細(xì)胞球狀突起(圖1-G2～J2)。其中，假鉆毛蕨〔Paradavallodesmultidentatum(Hooker) Ching〕葉柄基部鱗片邊緣的單細(xì)胞突起(圖1-J2)與大膜蓋蕨葉柄基部鱗片邊緣的單細(xì)胞毛(圖1-C2)不同，盡管二者均由單細(xì)胞組成，但假鉆毛蕨葉柄基部鱗片邊緣的單細(xì)胞突起較短小，微凸成球狀。

2.2 支序分析結(jié)果

基于腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科10個(gè)種類以及宿蹄蓋蕨和耳羽巖蕨2個(gè)外類群葉柄基部的鱗片性狀矩陣編碼進(jìn)行支序分析，運(yùn)算得到樹長(zhǎng)為15、一致性指數(shù)為0.67、保持性指數(shù)為0.75的系統(tǒng)發(fā)育樹。結(jié)果(圖2)顯示：除了2個(gè)外類群外，腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科10個(gè)種類聚成2支，大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬的2個(gè)種類聚為一支，自展支持率為74%；骨碎補(bǔ)科的7個(gè)種類聚為另一支，此分支內(nèi)部的系統(tǒng)關(guān)系解析度較弱(自展支持率較低)，陰石蕨屬2個(gè)種類的自展支持率僅為57%。

分支上的數(shù)值代表1 000次重復(fù)的自展支持率(僅標(biāo)出大于50數(shù)值)Numbers on branches represent bootstrap values based on 1 000 replications (only showing values greater than 50).

3 討 論

在生長(zhǎng)環(huán)境上，腫足蕨科植物以土生和石生為主[10]535，而骨碎補(bǔ)科植物以附生為主[10]749。研究結(jié)果[25]表明：盾狀著生的鱗片類型是蕨類植物對(duì)附生生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)結(jié)果，由基部著生類型的鱗片演化而來(lái)。有學(xué)者基于植物的生長(zhǎng)型[25]以及分子系統(tǒng)學(xué)研究[26，27]提出大膜蓋蕨屬不屬于骨碎補(bǔ)科，支持大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬的近緣關(guān)系。最新的PPG Ⅰ系統(tǒng)發(fā)育樹[9]顯示：盡管腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科均屬于真水龍骨類Ⅰ分支，但是腫足蕨科位于真水龍骨類Ⅰ分支的基部，比骨碎補(bǔ)科起源分化早。最新的蕨類植物時(shí)間樹[28]顯示：腫足蕨科的起源可追溯到侏羅紀(jì)，而骨碎補(bǔ)科最早起源分化開(kāi)始于白堊紀(jì)。本文鱗片著生方式、鱗片鄰接細(xì)胞壁特點(diǎn)、鱗片邊緣及突起物類型均支持大膜蓋蕨屬歸于腫足蕨科，尤其是鱗片著生方式，大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬植物葉柄基部鱗片均為基部著生，而骨碎補(bǔ)科葉柄基部鱗片為盾狀或假盾狀著生，這一特征可以區(qū)分腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科植物，同時(shí)也與蕨類植物鱗片的形態(tài)特征演化趨勢(shì)相一致，對(duì)于大膜蓋蕨屬的分類和系統(tǒng)演化研究具有十分重要的意義。另外，鱗片的邊緣及邊緣突起物類型在腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科間也存在一定差異，同樣支持大膜蓋蕨屬不屬于骨碎補(bǔ)科，而屬于腫足蕨科。大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬植物的鱗片邊緣均具單細(xì)胞或單列細(xì)胞組成的毛，而骨碎補(bǔ)科植物的相鄰兩細(xì)胞的相鄰處突出，形成齒狀刺或稍長(zhǎng)的齒狀毛或者為邊緣線不清晰的嚙蝕狀。有關(guān)鱗片邊緣及邊緣突起物類型在蕨類植物系統(tǒng)分類和演化中的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道，其演化趨勢(shì)尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

鱗片形態(tài)特征的支序分析結(jié)果顯示：腫足蕨科和骨碎補(bǔ)科10個(gè)種類聚成2支，大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬的2個(gè)種類聚為一支，自展支持率為74%，支持大膜蓋蕨屬和腫足蕨屬具有較近的親緣關(guān)系，支持大膜蓋蕨屬歸于腫足蕨科，與分子系統(tǒng)學(xué)的研究結(jié)果一致。由于本文觀察的種類有限，各分支的自展支持率較低，今后應(yīng)增加樣品量進(jìn)行系統(tǒng)分析，同時(shí)選取不同的分類群作為外類群進(jìn)行比較分析。