蠟梅科植物次生木質(zhì)部導(dǎo)管分子形態(tài)特征

李紅芳，薛 成，張小玲

（1.咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 712000；2.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；3.中國科學(xué)院植物研究所 系統(tǒng)與進(jìn)化植物學(xué)國家重點實驗室，北京 100093；4.清華大學(xué)附屬中學(xué)秦漢學(xué)校，陜西咸陽712000）

蠟梅科（Calycanthaceae）是第三紀(jì)孑遺植物，該科植物是著名的觀花樹種，且具有藥用價值，為落葉或常綠灌木或小喬木，主要分布于溫帶，僅兩屬，7 ～9 種[1-2]。其中，蠟梅屬（Chimonanthus）植物和夏蠟梅屬（Calycanthus）的夏蠟梅（Calycanthus chinensis）為中國特有植物，也是我國二級重點保護(hù)植物。

蠟梅科的系統(tǒng)位置一直存在爭議。恩格勒（Engler）系統(tǒng)將蠟梅科置于毛茛目（Ranales），《中國植物志》[1]采用這種分類方式；克郎奎斯特（Cronquist）系統(tǒng)中，蠟梅科隸屬于樟目（Laurales）[3]；哈欽松（Hutchison）系統(tǒng)將蠟梅科置于薔薇目（Rosales）[4]；在根據(jù)分子數(shù)據(jù)建立的APG 系統(tǒng)中，蠟梅科歸屬于樟目（Laurales），屬基部被子植物的木蘭分支[5-6]，在基部被子植物中演化程度較高，目前這種分類方式得到普遍認(rèn)可。

蠟梅科的系統(tǒng)學(xué)研究多依據(jù)早期的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)和孢粉學(xué)等證據(jù)[7-10]。雖然近年來有一些基因研究[2，5]，但其解剖學(xué)數(shù)據(jù)依然發(fā)揮著不可忽視的作用。導(dǎo)管作為被子植物的特征之一，其形態(tài)是系統(tǒng)學(xué)研究的重要部分。對于蠟梅科木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)的研究不多，曾有一些對Idiospermum植物的研究[11-12]；對蠟梅屬植物和夏蠟梅的研究較少，僅Metcalfe[12]對其進(jìn)行了報道。近年來，掃描電子顯微鏡（SEM）開始應(yīng)用于導(dǎo)管研究，越來越多導(dǎo)管分子特征被發(fā)現(xiàn)，如紋孔膜、原本無導(dǎo)管類群的植物中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管[13-15]等。因此，有必要對蠟梅科植物的導(dǎo)管分子進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本研究選擇兩個中國特有種，即蠟梅（Chimonanthus praecox）（蠟梅屬）和夏蠟梅（夏蠟梅屬），利用掃描電鏡對其次生木質(zhì)部導(dǎo)管分子進(jìn)行觀察，并將結(jié)果進(jìn)行展示，以期為蠟梅科植物的解剖學(xué)和系統(tǒng)學(xué)研究提供更多的資料和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取蠟梅和夏蠟梅3年生以上枝。蠟梅取自陜西師范大學(xué)校園（108°95′E，34°20′N），夏蠟梅取自西安市植物園（108°96′E，34°20′N），均為人工栽培植株。憑證標(biāo)本存放于陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物標(biāo)本室（SANU）。

1.2 方法

離析法：將材料用FAA 固定，切成1 cm 長、火柴棍粗細(xì)的細(xì)條，用Jeffrey 離析液（10%鉻酸∶10%硝酸= 1∶1），40 ℃下離析約48 h。離析后噴金鍍膜，在Hitachi S-570掃描電子顯微鏡下觀察。

石蠟切片法：材料進(jìn)行石蠟包埋后，石蠟切片機(jī)切片，脫蠟，CO2臨界點干燥，噴金鍍膜后在Hitachi-700掃描電子顯微鏡下觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在顯微鏡下測量導(dǎo)管分子的長度與直徑。采用SPSS Version 22.0 軟件進(jìn)行以下分析：計算均值和變異系數(shù)；采用Student's t-test對數(shù)量性狀進(jìn)行差異顯著性分析；采用Pearson相關(guān)性檢驗對數(shù)量性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

導(dǎo)管作為被子植物的特征之一，在解剖學(xué)和系統(tǒng)學(xué)上均有重要意義。普遍認(rèn)為單穿孔板、直徑變大和長度變短是導(dǎo)管演化的方向，網(wǎng)狀或梯狀穿孔板、細(xì)而長是導(dǎo)管相對原始的性狀[16-18]。導(dǎo)管和穿孔板的形態(tài)特征一定程度上可顯示一個類群的演化水平，也是系統(tǒng)學(xué)分類的重要形態(tài)學(xué)證據(jù)之一。

2.1 導(dǎo)管分子形態(tài)特征

2.1.1 蠟梅導(dǎo)管分子形態(tài)觀察

蠟梅次生木質(zhì)部中，導(dǎo)管分子端壁均為單穿孔板（圖1）。穿孔板傾斜角度不同，多數(shù)穿孔板較傾斜（圖1a ～g），極少數(shù)穿孔板較平截（圖1h）。

穿孔板大多具尾，尾普遍較長，尾長度與形狀有差異。尾長度變化較大，形狀不一（圖1a ～h）。有的穿孔板尾很短（圖1a）；有的穿孔板尾很長（圖1b），單側(cè)尾長度通常接近導(dǎo)管分子的主體長度，即尾長度占整個導(dǎo)管分子的1/2 ～2/3。除少數(shù)很短的尾（圖1a）外，穿孔板尾的形狀大致分為兩種，一種前端較尖（圖1d ～f），數(shù)量較多；另一種前端較圓（圖1b，g）。也有穿孔板不具尾（圖1h，j），通常較平截（圖1h），數(shù)量很少。

導(dǎo)管分子兩端的穿孔板形態(tài)可能相同（圖1a），也可能不同（圖1 c，g ～h）。穿孔板形態(tài)不同時，表現(xiàn)為一端穿孔板具尾，另一端不具尾（圖1h），或一端穿孔板具長尾，另一端具短尾（圖1 c，g）。

圖1 蠟梅導(dǎo)管分子電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM photos of vessel elements in C.praecox

觀察中還發(fā)現(xiàn)有穿孔板位于導(dǎo)管側(cè)壁（圖1i），即側(cè)壁穿孔板。導(dǎo)管內(nèi)壁具螺紋加厚（圖1k ～l），從導(dǎo)管內(nèi)部切片上可更清楚地看到其形態(tài)（圖1k）。

2.1.2 夏蠟梅導(dǎo)管分子形態(tài)觀察

夏蠟梅導(dǎo)管分子端壁均為單穿孔板（圖2），多數(shù)側(cè)壁不具有明顯螺紋加厚。穿孔板不具尾（圖2a ～d）或具尾（圖2e ～k）。不具尾的穿孔板通常較平截（圖2a），有些有不同程度傾斜（圖2b ～d）。穿孔板口部邊緣內(nèi)斂（圖2a），石蠟切片法也觀察到這種情況（圖2c）。不具尾的穿孔板數(shù)量較多。

穿孔板尾的長度多數(shù)中等，形態(tài)較一致（圖2g ～j）。少數(shù)穿孔板具短尾（圖2e ～f）或長尾（圖2k），這些穿孔板傾斜，但角度不大。導(dǎo)管分子兩端的穿孔板形態(tài)可能相同（圖2l），也可能不同（圖2m）。石蠟切片法可觀察到完整的穿孔板（圖2n），其內(nèi)部紋飾可見輕微加厚的較細(xì)螺紋（圖2p）。

2.2 兩種植物導(dǎo)管分子形態(tài)特征比較

蠟梅和夏蠟梅的導(dǎo)管分子均為單穿孔板，但兩者有明顯差異（圖1 ～2，表1）。

夏蠟梅導(dǎo)管分子中，不具尾穿孔板占比較大，約為37%；穿孔板的尾普遍比蠟梅短，僅少數(shù)穿孔板具長尾；蠟梅導(dǎo)管分子中，穿孔板的尾普遍較長，形態(tài)各異，僅少數(shù)穿孔板不具尾。

蠟梅導(dǎo)管分子中的穿孔板多數(shù)傾斜，極少數(shù)平截；夏蠟梅導(dǎo)管分子中的穿孔板傾斜角度小，且較一致，平截的穿孔板較多。

導(dǎo)管內(nèi)壁上，蠟梅具有明顯的螺紋加厚，與木蘭科（Magnoliaceae）的螺紋加厚較相似[19-20]。夏蠟梅的螺紋加厚不明顯；在石蠟切片上，可觀察到其內(nèi)部紋飾不呈螺旋形。

2.3 統(tǒng)計分析

蠟梅導(dǎo)管分子長度為257 ～471 μm，平均為367.0μm，變異系數(shù)為15.9%（小于20%），變異幅度小，離散程度低；直徑為21 ～60 μm，平均為40.4μm，變異系數(shù)為27.0%（大于20%），變異幅度較大，離散程度高（表1）。

表1 導(dǎo)管分子特征及統(tǒng)計分析Tab.1 Characters of vessel elements and statistical analysis

夏蠟梅導(dǎo)管分子長度為273 ～394 μm，平均為340.6μm，變異系數(shù)為13.3%（小于20%），變異幅度小，離散程度低；直徑為34 ～61 μm，平均為51.1μm，變異系數(shù)為32.6%（大于20%），變異幅度較大，離散程度高。

單因素方差分析t檢驗結(jié)果顯示，兩種植物導(dǎo)管分子的平均長度差異不顯著，平均直徑差異顯著（P＜0.05）。

長度與直徑的相關(guān)性檢驗結(jié)果顯示，兩種植物導(dǎo)管分子的長度與直徑均呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）。李紅芳等[21]關(guān)于番荔枝科（Annonaceae）植物導(dǎo)管分子長度與直徑的研究結(jié)果顯示，導(dǎo)管分子的直徑與長度不相關(guān)。導(dǎo)管分子的直徑與長度是平行演化，各自獨立進(jìn)行，還是有相關(guān)性的共同演化，還需進(jìn)行更多的研究來證實。

夏蠟梅導(dǎo)管分子的平均長度小于蠟梅，但差異不顯著；蠟梅最短的導(dǎo)管分子比夏蠟梅短，最長的比夏蠟梅長，導(dǎo)管分子長度的變異系數(shù)大于夏蠟梅，離散程度比夏蠟梅高。夏蠟梅導(dǎo)管分子的最大直徑與最小直徑均大于蠟梅，導(dǎo)管分子直徑的平均值顯著大于蠟梅（P＜0.05）。Metcalfe[12]研究中，蠟梅的直徑和長度與本試驗結(jié)果接近，直徑稍大；美國夏蠟梅（Calycanthus floridus）的長度更長，直徑比蠟梅小。

從以上蠟梅與夏蠟梅導(dǎo)管分子的比較可以看出，夏蠟梅的導(dǎo)管分子演化水平高于臘梅；兩種植物導(dǎo)管分子端壁均為單穿孔板，具有種間或?qū)匍g差異，穿孔板形態(tài)和導(dǎo)管的直徑均有明顯區(qū)別。這些解剖學(xué)特征具有分類學(xué)意義，一定程度上有助于進(jìn)行種類鑒定。

3 討論與結(jié)論

關(guān)于蠟梅科的系統(tǒng)位置，有很多爭議，現(xiàn)在普遍認(rèn)可其歸屬于樟目。在APG 系統(tǒng)中，蠟梅科的系統(tǒng)位置位于基部被子植物中的木蘭分支[5]，在基部類群中是較進(jìn)化的類群。蠟梅與夏蠟梅導(dǎo)管分子端壁均為單穿孔板，為穿孔板演化的最高水平，該結(jié)果與蠟梅科在基部被子植物中的系統(tǒng)位置一致。

蠟梅科通常被認(rèn)為包含2 ～4 屬[22]。Takhtajan、Thome 和Dahlgren 等學(xué)者認(rèn)為，蠟梅科包含4個屬，分別為蠟梅屬（Chimonanthus）、美國夏蠟梅屬（Calycanthus）、中國夏蠟梅屬（Sinocalycanthus）和Idiospermum[10，23-26]。其中，Idiospermum被一些學(xué) 者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)獨立成科[3，27]，但更多的人認(rèn)為其應(yīng)歸屬于蠟梅科[12，23，28-29]，主張將其歸入美國夏蠟梅屬[12，23]。

另一個有爭議的地方為中國夏蠟梅屬（Sinocalycanthus）是否應(yīng)當(dāng)獨立成屬。Thome、Dahlgren、Mabberley 和吳征鎰等學(xué)者根據(jù)解剖學(xué)特征認(rèn)為，中國夏蠟梅屬應(yīng)獨立成屬[23-25，30-31]；有些學(xué)者不支持獨立成屬，認(rèn)為應(yīng)將其并入美國夏蠟梅屬[12，28-29]。APG系統(tǒng)將蠟梅科分為蠟梅屬和夏蠟梅屬。本研究根據(jù)APG 系統(tǒng)，按照《中國植物志》的分類方式，將中國夏蠟梅屬歸入美國夏蠟梅屬，并按中國習(xí)慣稱之為夏蠟梅屬（Calyanthus）。

多數(shù)觀點認(rèn)為夏蠟梅屬（包括美國夏蠟梅屬（Calycanthus）和中國夏蠟梅屬（Sinocalycanthus））較原始，蠟梅屬較進(jìn)化；形態(tài)學(xué)和孢粉學(xué)等特征表明夏蠟梅在演化上處于較原始的位置[7，28，32]。李燁等[33]研究發(fā)現(xiàn)，蠟梅屬植物的葉脈類型較原始；李燁等[10]對蠟梅科的葉表皮細(xì)胞進(jìn)行研究，認(rèn)為蠟梅屬植物的氣孔器較原始，夏蠟梅屬（Sinocalycanthus）和美國夏蠟梅屬植物的氣孔器較進(jìn)化。本研究中，夏蠟梅的導(dǎo)管分子比蠟梅短且粗，穿孔板傾斜角度比蠟梅小，且穿孔板中不具尾的比例較高，顯示夏蠟梅導(dǎo)管分子的演化水平比蠟梅更高，此結(jié)論與李燁等研究結(jié)果一致。

原始性狀與進(jìn)化性狀可能在同一物種中并不統(tǒng)一，可能互相嵌合，不能單純依據(jù)導(dǎo)管或其他木質(zhì)部特征去推論夏蠟梅和蠟梅的演化水平，但這些特征可為系統(tǒng)學(xué)研究提供重要的參考。蠟梅科作為被子植物的基部類群，其穿孔板的相關(guān)特征對于導(dǎo)管的演化研究也有重要意義。