22種楓屬植物花粉形態(tài)及其分類學意義

林 立，祝志勇

(1.寧波城市職業(yè)技術(shù)學院、寧波市園林植物開發(fā)重點實驗室，浙江 寧波 315100；2.南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院，江蘇 南京 210037)

花粉在植物生長發(fā)育過程中受環(huán)境因素影響小，常被用于植物科、屬、種甚至種下分類和系統(tǒng)學研究[1-2]。盡管也有研究表明花粉形態(tài)在植物分類中存在局限性[3]，但更多研究證實花粉形態(tài)在植物種屬鑒定、種間(種下)關(guān)系推斷中具有重要作用[4]?；ǚ墼S多重要特征，如大小、形狀、外壁紋飾、萌發(fā)孔類型等，對于推斷植物的起源、演化也具有重要意義[5-7]。

近年來，隨著顯微技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)于花粉形態(tài)的研究也越來越多。武海霞等[5]觀察了20個桉樹(Eucalyptusspecies)樣品的花粉結(jié)構(gòu)，指出花粉形態(tài)可作為桉樹種間鑒別、雜交親子代關(guān)系推斷的重要指標。陳常頌等[6]發(fā)現(xiàn)不同茶樹品種(Camelliasinensiscultivars)的花粉外壁紋飾能夠穩(wěn)定遺傳，可作為種下分類依據(jù)。洪欣等[7]研究了報春苣苔屬(Primulina)花粉形態(tài)，證實了將該屬作為廣義報春苣苔屬的合理性。據(jù)統(tǒng)計，我國裸子植物、被子植物中分別已有三分之二、三分之一的科進行過花粉形態(tài)學研究[8]。

楓屬(AcerLinn.)是一個分類和系統(tǒng)發(fā)育研究十分困難的屬[9-12]。前人基于形態(tài)特征[10-12]、遺跡化石[13]、同工酶[14]、分子標記[15-16]等方面數(shù)據(jù)對楓屬的分類和系統(tǒng)發(fā)育進行了大量研究，但該屬的系統(tǒng)發(fā)育、屬下分類以及部分種的系統(tǒng)位置仍未完全明確。2008年，徐廷志等在《Flora of China》(FOC)中對我國楓屬進行了較大程度修訂，將該屬修訂為14組99種[11]。但是，該系統(tǒng)還未得到有效驗證，并且許多種的歸并尚存在爭議[17]。

國內(nèi)外許多學者開展過楓屬孢粉學研究[18-21]。Erdtman觀察到楓屬花粉粒具3溝或3擬孔溝[18]。幾瀨則發(fā)現(xiàn)楓屬16種和2變種的花粉粒都為3孔溝型[19]。我國1960年出版的《中國植物花粉形態(tài)(第一版)》記載了3種楓屬植物的花粉粒具三溝[20]。此后，王伏雄等[21]在增訂版《中國植物花粉形態(tài)(第二版)》中記錄了金錢楓(Dipteroniasinensis)為三孔溝型花粉。Biesboer[22]利用掃描電鏡觀察了41種楓樹的花粉形態(tài)，發(fā)現(xiàn)花粉粒的表面雕紋在各組間具有差異性。Pozhidaev[23]用同樣方法觀察了楓屬31種的花粉形態(tài)，發(fā)現(xiàn)花粉粒的孔徑排列非常規(guī)律。張靜敏等[24]觀察到楓屬花粉粒外壁多為條紋狀雕紋，發(fā)現(xiàn)只有復葉楓具網(wǎng)狀雕飾。曹偉等[25]觀察了東北楓屬植物的孢粉形態(tài)并將花粉分為兩種類型。趙先貴等[26]基于花粉外壁特征探討了楓屬組間的親緣關(guān)系。田欣等[27]發(fā)現(xiàn)楓屬植物的花粉多為3溝型，外壁主要呈條紋狀排列。由此可見，楓屬花粉的一些特征，如外壁雕紋、萌發(fā)孔類型等，可作為屬種間分類依據(jù)，并且對于楓屬系統(tǒng)發(fā)育研究有參考意義。

1 材料與方法

1.1 研究材料

供試材料于2020年采自寧波溪口楓樹基地、浙江天目山和杭州植物園等地，共22種(亞種)(表1)，經(jīng)中科院昆明植物園周元教授鑒定并借助中國數(shù)字植物標本館(http：//www.cvh.org.cn/)核對，種名按照《Flora of China》[11]。爭議種如橄欖楓(A.olivaceum)仍根據(jù)《中國植物志》[12]命名?；ǚ鄄牧嫌貌蓸哟占髱Щ貙嶒炇疫M行后續(xù)試驗。

表1 22種楓屬植物供試材料

1.2 研究方法

光學顯微鏡觀察：采用Erdtman[1]醋酸酐分解法處理制片。在光學顯微鏡下測量[L3]楓屬各種植物花粉大小，每種花粉取20粒，測最大值、最小值和平均值。

掃描電鏡觀察：將樣品放在XD-1型CO2臨界點干燥器(日本Eiko公司)中干燥，抖落花粉后撒在粘有導電膠的樣品臺上，用洗耳球吹掃粘在表面的樣品，真空噴金鍍膜后在JSM-840(日本JEOL公司)掃描電鏡下觀察。

1.3 分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 花粉形態(tài)特征

22種楓屬植物的花粉形態(tài)特征見表2、圖1。

2.1.1 花粉形狀與大小 花粉形狀從近球形到超長球形變化，赤道面觀為近圓形或橢圓形至窄橢圓形。所有材料中，近球形有5種，分布于楓屬4個組；近長球形8種，主要為雞爪楓組類群(5種)；超長球形1種，為雞爪楓組的三峽楓；長球形種類最多(9種)，分布于雞爪楓組(3種)、桐狀楓組(3種)、大花楓組(1種)、堅果楓組(1種)、三小葉楓組(1種)和全緣葉楓組(1種)。

花粉粒極軸長(P)在19.84～38.93 μm之間，其中建始楓極軸最短，毛果楓極軸最長。赤道軸長(E)在14.27～28.44 μm之間，其中葛羅楓赤道軸最短，毛果楓赤道軸最長。所有楓屬植物中，葛羅楓花粉粒最小，體積大小指數(shù)為17.59；毛果楓最大，體積大小指數(shù)為33.35。

2.1.2 萌發(fā)孔類型 花粉萌發(fā)孔有3溝和3孔溝2種。3孔溝主要出現(xiàn)于雞爪楓組和大花楓組。22種供試材料中，萌發(fā)溝最長的為毛果楓(32.87 μm)，最短的為臨安楓(14.42 μm)，萌發(fā)溝長度與極軸長度比值(L/P)在0.55(元寶楓)～0.97(光葉楓)之間。萌發(fā)溝溝緣多為不整齊，長可達極面。

2.1.3 外壁紋飾 供試22種楓屬植物花粉外壁都為條狀紋飾，并且條紋大多平行排列，僅葛羅楓花粉條紋排列較不規(guī)則。葛羅楓屬大花楓組，田欣等[27]對該組其它類群的觀察也發(fā)現(xiàn)花粉外壁條紋排列不規(guī)則，表明該特征在大花楓組中具有特異性。

表2 楓屬植物花粉特征

表2(續(xù))

2.2 花粉形態(tài)的主成分分析

為研究供試花粉的主要特征差異，并獲取楓屬種間界別的花粉形態(tài)證據(jù)，將該屬22個種(亞種)的花粉作為分析單位，對9個形態(tài)指標進行主成分分析(PCA)，結(jié)果見表3、表4。

PCA結(jié)果表明，前4個主成分貢獻率分別為36.668%、27.106%、14.081%、11.203%，累計貢獻率為89.057%，表明前4個主成分可以代表原始變量絕大部分信息[28]。根據(jù)4個主成分得分系數(shù)(表4)可知：第1主成分主要受體積指數(shù)影響；第2主成分主要受P/E值影響；第3主成分主要受外壁紋飾影響；第4主成分主要受L/P值影響?？偠灾?，體積指數(shù)、P/E值、孔溝形態(tài)和溝末端距是影響較大的性狀特征。

1為A.olivaceum 6000×；2為A.elegantulum 6000×；3為A.japonicum 6000×；4為A.palmatum 7000×；5為A.pubinerve 8000×；6為A.wilsonii 5000×；7為A.oliverianum 5000×；8為A.linganense 8000×；9為A.davidii subsp.momo 8000×；10為A.laevigatum 6500×；11為A.fabri 5000×；12為A.campestre 5000×；13為A.truncatum 7000×；14為A.acutum 5000×；15為A.paxii 7000×；16為A.buergerianum.6000×；17為A.sinopurpurascens 6000×；18為A.cordatum 8000×；19為A.davidii subsp.grosseri 5000×；20為A.henryi 6000×；21為A.pentaphyllum 7500×；22為A.nikoense 5000×。圖1 22種楓屬植物的花粉電鏡圖

2.3 花粉形態(tài)的聚類分析

根據(jù)PCA結(jié)果選擇4個主成分指標(體積指數(shù)、P/E值、孔溝形態(tài)和溝末端距)，采用平方歐氏距離法對22種楓屬植物進行Q聚類分析。結(jié)果(圖2)表明，在遺傳距離為10時，22種楓屬植物被劃分為3個類群：類群Ⅰ，包含a、b、c 3個亞類群，共有14種楓樹；類群Ⅱ，僅包含亞類群d，有5種楓樹；類群Ⅲ，包含e、f 2個亞類群，共有3種楓樹。

表3 22種楓屬植物花粉形態(tài)前4個主要成分貢獻率

亞類群a共包含4種楓樹；其中3種為雞爪楓組的橄欖楓、羽扇楓和三峽楓，該3種楓樹花序類型、花粉形態(tài)相似，但其它諸如葉型、果型等特征則差異明顯，并且分布區(qū)域也不盡相同，可能是應(yīng)對不同生態(tài)條件的適應(yīng)性輻射的結(jié)果。亞類群b包含雞爪楓組5種、桐狀楓組3種及堅果楓組1種；該9種楓樹雖然在葉型、株型等方面差異較大，但均生活在溫暖潮濕的低海波森林地帶，表現(xiàn)出了與高濕度環(huán)境的適應(yīng)性。亞類群c僅有三角楓1種。亞類群d包含5種楓樹，分別屬于雞爪楓組(2種)、大花楓組(1種)、全緣葉楓組(1種)和復葉楓組(1種)，5種楓樹自然分布范圍都較廣，生境條件較為相似。亞類群e來源于桐狀楓組，花粉形狀較為相似。亞類群f由三小葉楓組的毛果楓構(gòu)成，毛果楓花粉粒較大，與花粉粒同樣較大的亞類群e構(gòu)成了類群Ⅲ?？梢?，由代表花粉形狀的4個主成分指標構(gòu)建的聚類關(guān)系不能作為種間區(qū)分的標準，但可以在一定程度上反應(yīng)花粉形態(tài)與生境條件的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 22種楓屬植物基于4個花粉形態(tài)指標的聚類圖

3 討論

3.1 楓屬植物花粉形態(tài)特征

供試楓樹花粉許多特征具有一致性，如：為輻射對稱的單?；ǚ郏怀嗟烂嬗^為近圓形或橢圓形，極面觀呈三裂圓形；萌發(fā)溝細長，溝緣多為不整齊，長可達極面。楓屬大多組都只具有3溝而不具內(nèi)孔，為3溝型，3孔溝只出現(xiàn)于雞爪楓組和大花楓組，并且楓屬物種的花粉外壁條紋具有較豐富的多樣性。

3.2 孢粉學特征在楓屬分類中的應(yīng)用

楓屬組間甚至組下類群的花粉形態(tài)具有異質(zhì)性，其中花粉大小、形狀、萌發(fā)溝長等特征最明顯，如雞爪楓組，花粉粒極軸最長的三峽楓(P=33.66 μm)為最短的光葉楓(P=20.16 μm)的1.67倍，最大體積(羽扇楓)為最小體積(光葉楓)的1.45倍，并且存在近球形、近長球形、長球形及超長球形等多種花粉形狀。相比而言，花粉孔溝形態(tài)和外壁紋飾在楓屬組(系)內(nèi)具有遺傳穩(wěn)定性。因此，孔溝形態(tài)和外壁紋飾可作為楓屬組(系)分類的依據(jù)，而花粉大小、形狀等特征則可用于種級分類。

橄欖楓和秀麗楓性狀相似，分布區(qū)域高度重疊，前人基于翅果角度、柱頭形態(tài)等特征將兩者處理為不同物種[10，12]。2008年，新版《Flora of China》將橄欖楓修訂為秀麗楓。本研究發(fā)現(xiàn)兩者的外壁紋飾和萌發(fā)孔類型相似，僅在花粉大小、萌發(fā)溝長等特征方面存在微小差異。結(jié)合分子證據(jù)[17]，兩者在5條DNA條形碼序列上都高度相似，表明兩者關(guān)系極近。但是，在杭州植物園實地觀察表明橄欖葉片略小，柱頭反卷，并且花期比秀麗楓晚14 d左右。鑒于此，建議將橄欖楓處理為秀麗楓的一個亞種。

3.3 基于孢粉特征推測楓屬的系統(tǒng)發(fā)育

有研究認為現(xiàn)代被子植物花粉的一般演化規(guī)律為3溝到3孔溝[26]。本研究中，觀察到楓屬3個組為3孔溝類型?；畔13]和分子證據(jù)[15-16]證明金錢楓比楓屬更為原始，并且無患子科其它屬大多表現(xiàn)為3孔溝形態(tài)[29]。因此，認為楓屬類群中花粉萌發(fā)孔(3孔溝)的消失是進化的表現(xiàn)。楓屬類群既有3溝型也有3孔溝型的花粉，表明該屬存在處于不同進化水平的2種類型，其中雞爪楓組和大花楓組具3孔溝，屬于楓屬較原始類群。此外，花粉形態(tài)特征在推測雞爪楓組的起源和演化上也具有重要參考意義。雞爪楓組為楓屬中物種數(shù)量最豐富的一組，同時也是唯一一個在北美第三紀地層中未發(fā)現(xiàn)化石記錄的現(xiàn)存組[13]。從雞爪楓組花粉具內(nèi)孔可以推斷該組較原始，但該組最早的化石記錄直到早中新世才在歐亞中緯度地區(qū)出現(xiàn)[30]，因此推測該組可能由早期擴散至亞歐大陸的楓屬原始類群(如古穗花楓組)演化而來。同時，雞爪楓組在花粉大小、形狀等特征上表現(xiàn)出高度的種間差異性，結(jié)合該組物種分布區(qū)域(喜馬拉雅地區(qū)-我國西南)的氣候和生境異質(zhì)條件進行分析，推測該組在歷史上經(jīng)歷了輻射進化，導致該組物種“爆發(fā)式”發(fā)生并具有豐富的種間多樣性。