薹草屬少花薹草組（莎草科）小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)及其分類學(xué)意義

何 芳 魯益飛 劉永娣 褚文珂 金孝鋒

（1. 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，杭州 311121；2. 浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，杭州 310058；3. 浙江省森林芳香植物康養(yǎng)功能研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，臨安 311300）

薹草屬（Carex）是莎草科（Cyperaceae）中種類最多、分布最廣的屬，約2 000 種，也是世界上三大被子植物屬之一［1-3］。Kükenthal［4］根據(jù)小穗排列方式、小穗柄有無、柱頭數(shù)目和枝先出葉形態(tài)等特征將薹草屬劃分為4 個(gè)亞屬：原始薹草亞屬（subg.Primocarex，現(xiàn)用subg.Psyllophra）、復(fù)序薹草亞屬（subg.Indocarex，現(xiàn)用subg.Vigneastra）、薹草亞屬（subg.Carex）和二柱薹草亞屬（subg.Vignea）。隨著分子系統(tǒng)學(xué)的發(fā)展及更全面的樣品采集，薹草屬系統(tǒng)學(xué)框架更為清晰，研究認(rèn)為其主要包含寬葉 薹 草 支（Siderostictaeclade）、Schoenoxiphiumclade、Unispicateclade、Unciniaclade、二柱薹草支（Vigneaclade）和核心薹草支（coreCarexclade）6個(gè)分支［5］。

少花薹草組（sect.Paniceae）是薹草亞屬內(nèi)一個(gè)中等大小的組，現(xiàn)知約40種，為東亞—北美間斷分布，該組物種側(cè)生雌小穗具少數(shù)排列稀疏的花，直立或下垂，果囊無毛而具數(shù)條細(xì)脈，喙口斜截或具微2 齒，小堅(jiān)果先端無喙，花柱不增粗。Don 所界定的sect.Paniceaes.l.除側(cè)生雌小穗花稀疏易識(shí)別外，其他區(qū)別性狀極為混雜，本研究認(rèn)為是最廣義的，以致后來對(duì)本組的分類修訂和組的界定存在很大分歧。Kükenthal［4］將苞片具短鞘，雌小穗花稍密的C. livida和稀花薹草（C. laxa）歸于濕生薹草組（sect.Limosae），又將雌小穗直立、花稀疏，苞片具長(zhǎng)鞘的C.panicea、少花薹草（C.vaginata）等種歸于sect.Paniceae，還將東亞其他雌小穗下垂、花稀疏，苞片具長(zhǎng)鞘的種歸于菱形果薹草組（sect.Rhomboidales）?！吨袊?guó)植物志》［6］對(duì)這群植物用sect.Laxiflorae作組名，還收錄了如和平菱果薹草（C.macrandrolepis）和長(zhǎng)嘴薹草（C.longerostrata）等隱匿薹草組（sect.Infossae）或菱形果薹草組的種。Flora of China［7］則用組名sect.Careyanae，并對(duì)組作了重新界定，將長(zhǎng)嘴薹草、和平菱果薹草和銳果薹草（C. tatsutakensis）等種置于菱形果薹草組。Flora of North America［8］將果囊細(xì)脈不明顯，喙口截形或具微齒，植株叢生而葉片較寬（5 mm以上）界定為sect.Laxiflorae；而將果囊細(xì)脈明顯且具細(xì)乳突，喙口具2小齒，植株非叢生，葉片寬不超過5 mm的界定為sect.Paniceae，但兩者不好區(qū)分。日 本 的Illustrated Sedges of Japan［9］中 關(guān) 于sect.Paniceae的界定與Flora of North America相似。對(duì)薹草屬系統(tǒng)學(xué)研究表明，北美的sect.Bicolores為單系，嵌在sect.Laxiflorae中，兩者又嵌在sect.Paniceae里，形成了sect.Paniceaes.s.、sect.Laxiflorae和sect.Bicolore一大支［10］。sect.Bicolores的種柱頭2，小堅(jiān)果呈雙凸?fàn)睿黠@區(qū)別于sect.Laxiflorae和sect.Paniceaes.s.（柱頭3，小堅(jiān)果呈三棱形）。本研究中所界定的少花薹草組包括sect.Laxiflorae和sect.Paniceaes.s.。

小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)常作為薹草屬或莎草科其他屬分類研究的重要依據(jù)，諸多研究均證實(shí)其具有重要的系統(tǒng)分類學(xué)意義［11-13］。Wujek 等［14］對(duì)sect.Folliculatae及近緣組小堅(jiān)果表面形態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)種內(nèi)小堅(jiān)果微形態(tài)具有穩(wěn)定性，認(rèn)為其微形態(tài)特征對(duì)該屬的系統(tǒng)分類具有研究?jī)r(jià)值；張樹仁等［15］對(duì)復(fù)序薹草亞屬15種植物果皮微形態(tài)特征的觀察分析，結(jié)果表明果皮微形態(tài)在種內(nèi)具有穩(wěn)定性，種間存在一定差異；Tallent 等［16］通過觀察大量薹草屬小堅(jiān)果表皮細(xì)胞特征，發(fā)現(xiàn)種內(nèi)小堅(jiān)果微形態(tài)特征穩(wěn)定，對(duì)組級(jí)類群界定有一定意義；Jin等［17］對(duì)菱形果薹草組分類修訂時(shí)，將小堅(jiān)果微形態(tài)特征作為重要參考依據(jù)之一，根據(jù)它們將菱形果薹草組的種劃分成6種類型，能較為清晰地界定該組物種。據(jù)此，本研究通過對(duì)少花薹草組（東亞14 種、4 變種，北美13 種）成熟小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)的觀測(cè)，分析小堅(jiān)果形態(tài)與微形態(tài)在種內(nèi)和組內(nèi)種間的穩(wěn)定性，探討其在該組植物系統(tǒng)分類中的意義。

1 材料與方法

1.1 材料來源

選取少花薹草組27種、4變種，共40個(gè)樣品進(jìn)行研究，所有試驗(yàn)材料均取自臘葉標(biāo)本，依據(jù)《中國(guó)植物志》［6］、Flora of China［7］、Flora of North America［8］和Illustrated Sedges of Japan［9］鑒定。試驗(yàn)材料來源及憑證標(biāo)本詳見表1。

表1 材料來源Table 1 The sources of materials

小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)術(shù)語主要參考《中國(guó)植物志》［6］、魯益飛［13］、Jin等［17］。

1.2 試驗(yàn)方法

查閱文獻(xiàn)并結(jié)合以往觀察基礎(chǔ)上，對(duì)小堅(jiān)果形態(tài)性狀進(jìn)行篩選，最終確定小堅(jiān)果形狀、長(zhǎng)度和先端形態(tài)，表皮細(xì)胞形狀、垂周璧式樣、硅質(zhì)臺(tái)凹凸情況，以及中心體、衛(wèi)星體數(shù)目作為觀測(cè)性狀。其中，小堅(jiān)果長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，每個(gè)樣品隨機(jī)選取15粒成熟果囊，體視鏡下小心剖開果囊，取出小堅(jiān)果，用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄。小堅(jiān)果長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)采用IBM SPSS Statistics 20.0 軟件分析。

室溫下，用濃硫酸和醋酸酐（體積比為1∶9）混合溶液對(duì)小堅(jiān)果預(yù)處理16～18 h，取出后清水洗凈，轉(zhuǎn)入體積分?jǐn)?shù)50%乙醇溶液中，超聲波處理10 min，取出后洗凈，室溫下自然風(fēng)干；將處理干凈并干燥后的小堅(jiān)果樣品黏于樣品臺(tái)上，濺射式噴金后用GEMINI-300掃描電鏡觀察并拍照。

2 結(jié)果

2.1 小堅(jiān)果形狀與長(zhǎng)度

所有觀測(cè)樣品的小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)和顯微照片詳見表2、圖1～2。40 個(gè)小堅(jiān)果樣品形狀全為倒卵球形，鈍三棱狀，先端急尖，無喙，長(zhǎng)度為1.53～3.59 mm，其中，C. ormostachaya小堅(jiān)果較小，為（1.86±0.17）mm，而C.hendersonii最大，為（3.39±0.06）mm，同種不同居群間小堅(jiān)果長(zhǎng)度差異不大，如絲柄薹草（C. rouyana）稍有區(qū)別，有的居群小堅(jiān)果長(zhǎng)度為（2.96±0.04）mm，有的居群小堅(jiān)果長(zhǎng)度為（2.73±0.05）mm。sect.Paniceaes.s.（共12種、4 變種）小堅(jiān)果長(zhǎng)度為2.11～3.16 mm，sect.Laxiflorae（共15 種）長(zhǎng)度為1.53～3.59 mm，其變異范圍較sect.Paniceaes.s.的小堅(jiān)果大。2 個(gè)組小堅(jiān)果的長(zhǎng)度差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 少花薹草組sect.Paniceae s.s.12種、4變種小堅(jiān)果微形態(tài)A～B.C. arakiana-1；C.阿里山薹草；D.寶華山薹草；E.少囊薹草；F.線柄薹草；G.C. filipes var. kuzakaiensis；H.C. filipes var. oligostachys；I～J.C. filipes var. tremula；K.顯舌薹草；L～M.C. papulosa；N.C. parciflora；O.C. parciflora var. tsukoensis；P.毛緣薹草；Q.絲柄薹草；R.絲柄薹草；S.C.vanitoii；T.浙江薹草；A，I，L.小堅(jiān)果形狀；B～H，J～K，M～T.表皮特征Fig.1 Achenes micromorphology of 12 species and 4 vatieries in sect.Paniceae s.s.A-B.C.arakiana-1；C.C.arisanensis；D.C.baohuashanica；E.C.egena；F.C.filipes-1；G.C.filipes var.kuzakaiensis；H.C.filipes var.oligostachys；I-J.C.filipes var.tremula；K.C.macroglossa-1；L-M.C.papulosa；N.C.parciflora；O.C.parciflora var.tsukoensis；P.C.pilosa；Q.C.rouyana-1；R.C.rouyana-3；S.C.vanitoii；T.C.zhejiangensis；A，I，L.The shape of achenes；B-H，J-K，M-T.Epidermal characteristics

圖2 疏花薹草組sect.Laxiflorae 13種小堅(jiān)果微形態(tài)A～B.C. albursina；C.白馬薹草；D.C. blanda；E.C. crebriflora；F.C. gracilescens；G.C. hendersonii；H.C. kraliana；I.疏花薹草；J.C. leptonervia；K.C.ormostachya；L.C.purpurifera-2；M.C.radfordii；N.C.striatula；O.C.styloflexa；P.云嶺薹草；A.小堅(jiān)果形狀；B～P.表皮特征Fig.2 Achenes micromorphology of 13 species in sect.Laxiflorae A-B.C.albursina；C.C.baimaensis；D.C.blanda；E.C.crebriflora；F.C.gracilescens；G.C.hendersonii；H.C.kraliana；I.C.laxiflora；J.C.leptonervia；K.C. ormostachya；L.C. purpurifera-2；M.C. radfordii；N.C. striatula；O.C. styloflexa；P.C. yunlingensis；A.The shape of achenes；B-P.Epidermal characteristics

表2 小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)特征觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)Table 2 SEM observation and statistics of nutlet morphology and micromorphology

2.2 表皮細(xì)胞形態(tài)

sect.Paniceaes.s.有12 種、2 變種的小堅(jiān)果表皮細(xì)胞形狀為五至七邊形，有C. filipesvar.oligostachys和C.filipesvar.tremula2變種的表皮細(xì)胞偶為四邊形或八邊形。sect.Laxiflorae有14 種的小堅(jiān)果表皮細(xì)胞形狀也為5～7 邊形，僅C. albursina1 種偶可見四邊形。同種不同居群間小堅(jiān)果表皮細(xì)胞形狀僅在絲柄薹草不同居群間存在差異，其余各種內(nèi)均表現(xiàn)穩(wěn)定（見圖1～2）。

sect.Paniceaes.s.的所有材料小堅(jiān)果表皮細(xì)胞垂周璧均為直。sect.Laxiflorae的小堅(jiān)果小堅(jiān)果表皮細(xì)胞垂周璧有的直，如C. albursina、C.blanda和C. gracilescens等10 種，也有微波狀的，如C. albursina、C. crebriflora、C. hendersonii、C. ormostachaya和C.purpurifera5 種（見圖1～2）。同種不同居群間的小堅(jiān)果表皮細(xì)胞垂周璧式樣穩(wěn)定，如C. purpurifera的2 個(gè)樣品均顯示為微波狀，浙江薹草（C. zhejiangensis）和絲柄薹草不同樣品顯示均為直。

表皮細(xì)胞的硅質(zhì)臺(tái)在所觀測(cè)40個(gè)樣品中大多為平坦，僅少囊薹草（C. egena）、白馬薹草（C. baimaensis）和C. radfordii3 種硅質(zhì)臺(tái)凹，C. filipesvar.tremula、毛緣薹草（C.pilosa）和絲柄薹草等硅質(zhì)臺(tái)略凸，共9 種3 變種。同種不同居群間的硅質(zhì)臺(tái)凹凸情況相同。表皮細(xì)胞中心體大多1 個(gè)，無衛(wèi)星體，其中C. filipes var. kuzakaiensis 和C. filipes var.tremula偶見2個(gè)中心體（見圖1～2）。

3 討論

通過對(duì)少花薹草組27 種、4 變種（40 個(gè)樣品）小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)研究，發(fā)現(xiàn)該組植物具有以下特征：（1）小堅(jiān)果形狀為倒卵球形、三棱狀，先端急尖，無喙，同種內(nèi)小堅(jiān)果形狀穩(wěn)定；（2）小堅(jiān)果長(zhǎng)度為1.53～3.59 mm，同種小堅(jiān)果長(zhǎng)度差異不大；（3）表皮細(xì)胞形狀常為五至七邊形，偶有四和八邊形，種內(nèi)有變異；（4）垂周璧式樣直或微波狀，硅質(zhì)臺(tái)平坦，偶見凹或略凸，具單一中心體，無衛(wèi)星體，不同居群內(nèi)穩(wěn)定。

少花薹草組中一些近緣種小堅(jiān)果微形態(tài)特征區(qū)別明顯，可作為區(qū)分種下或某些近緣種的重要依據(jù)。譬如，線柄薹草（C. filipes）及其變種C. filipesvar.kuzakaiensis、C. filipesvar.oligostachys、C.filipesvar.tremula外形上通過葉片寬度和雄小穗長(zhǎng)度來區(qū)別［9］，但彼此存在交叉過渡，小堅(jiān)果的表皮細(xì)胞形狀、硅質(zhì)臺(tái)凹凸情況和中心體個(gè)數(shù)存在差異。C.filipes表皮細(xì)胞為五至七邊形，硅質(zhì)臺(tái)平坦，具1 個(gè)中心體；C.filipesvar.kuzakaiensis表皮細(xì)胞硅質(zhì)臺(tái)略凸，中心體偶見2 個(gè)；C.filipesvar.oligostachys表皮細(xì)胞為四至八邊形，硅質(zhì)臺(tái)略凸；C.filipesvar.tremula表皮細(xì)胞為四至八邊形，硅質(zhì)臺(tái)略凸，中心體偶見2 個(gè)。再則C. blanda和C. hendersonii小堅(jiān)果形態(tài)相似，但后者垂周璧式樣為微波狀且硅質(zhì)臺(tái)平坦，可將兩者區(qū)分。再如，通過表皮細(xì)胞垂周璧式樣可將C.albursina、C.crebriflora、C. hendersonii、C. ormostachaya和C. purpurifera與其他種區(qū)分。Flora of China［7］將絲柄薹草并入C.filipesvar. oligostachys，但兩者硅質(zhì)臺(tái)和表皮形狀上略有差異，其余性狀一致，筆者同意歸并處理。

少花薹草組小堅(jiān)果形態(tài)和微形態(tài)具有較高一致性，種內(nèi)特征變異較小，微形態(tài)性狀表現(xiàn)出高度的一致性。這與Wujek 等［14］、Toivonen 等［18］、Walter［19］和馬萬里等［20］研究結(jié)果相似，組內(nèi)不同種間小堅(jiān)果表面微形態(tài)表現(xiàn)出較大的相似性。Kükenthal［4］曾將線柄薹草、C. jackianasubsp.parciflora、C.papulosa等歸入sect.Rhomboidales中，Jin 等［12，17］觀測(cè)了菱形果薹草組及少花薹草組中8個(gè)種（包括變種）的小堅(jiān)果形態(tài)，認(rèn)為少花薹草組小堅(jiān)果無喙且花柱基部不增粗與菱形果薹草組區(qū)別明顯，本研究在對(duì)少花薹草組廣泛取樣的基礎(chǔ)上也得到了相同結(jié)果，支持少花薹草組的獨(dú)立地位。近年來，分子生物學(xué)研究結(jié)果顯示sect.Paniceaes.s.、sect.Laxiflorae和sect.Bicolore在同一大支中，將3 組合并為1 個(gè)組，統(tǒng)稱為廣義少花薹草組sect.Paniceae［10］，本研究結(jié)果表明sect.Paniceaes.s.和sect.Laxiflorae小堅(jiān)果形態(tài)、長(zhǎng)度及微形態(tài)特征具有較高一致性，沒有明顯區(qū)別，支持將二者合并。此外，以往被認(rèn)為屬于少花薹草組的白馬薹草實(shí)為菱形果薹草組成員［10］，白馬薹草小堅(jiān)果表皮細(xì)胞硅質(zhì)臺(tái)凹陷，與少花薹草組其他種有別，不可否認(rèn)，小堅(jiān)果微形態(tài)對(duì)于其正確歸屬處理具有參考價(jià)值。

致謝 日本京都大學(xué)綜合研究博物館（KYO）、日本東京大學(xué)綜合研究博物館（TI）、中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所（CDBI）為查閱標(biāo)本提供方便，并提供部分實(shí)驗(yàn)材料；浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李攀博士幫助收集美國(guó)威斯康星大學(xué)標(biāo)本館（WIS）和哈佛大學(xué)標(biāo)本館（GH）北美實(shí)驗(yàn)材料；浙江大學(xué)分析測(cè)試中心戎念杭老師協(xié)助拍攝掃描電鏡照片，在此一并致謝。