花楸属(
Sorbus)为蔷薇科(Rosaceae)苹果亚科(Maloideae)的落叶乔灌木,单叶或奇数羽状复叶,花白或红色,果红、白、黄或杂色,具有观赏、材用、药用等多种用途
[1-4]。该属主要分布于北温带地区,其多样性中心为喜马拉雅地区和中国西南山区。花楸属有100
[5]至260
[1]种;中国有67种,其中特有种43种
[5]。
花楸属的物种界定和属下分类存在一定争议。一方面源于分类学者对该属大量生殖隔离不彻底、形态分化不显著的杂交和多倍体类群分类地位认知的分歧
[6-7];另一方面是由于研究资料相对匮乏、物种界定歧义较大,尤其是中国产单叶花楸
[8-10]。俞德浚和关克俭
[8]依据叶片种类、子房位置、心皮数目、果实上萼片宿存或脱落等特征,将中国产花楸属植物分为3个组:单叶、花萼宿存的置于冠萼组(sect.
Aria),单叶、花萼脱落的置于落萼组(sect.
Micromeles),复叶的置于复叶组(Sect.
Sorbus)。Lu和Spongberg
[5]在《Flora of China》(FOC)中,记录中国产单叶花楸31种7变种;Phipps等
[1]在苹果亚科植物名录整理中,将冠萼组和落萼组提升为subg.
Aria和subg.
Micromeles,记录的中国产单叶花楸34种中的6种在FOC中被作为异名、1种作为变种处理;Aldasoro等
[9]在世界单叶花楸的分类修订中,将中国产单叶花楸均置于subg.
Aria,FOC记录的仅21种被认可,其他被作为异名和不确定种处理,本研究中涉及的毛背花楸(
S. aronioides)被作为滇缅花楸(
S. thomsonii)的异名、广东美脉花楸(
S. caloneura var.
kwangtungensis)被作为美脉花楸(
S. caloneura)的异名。Rushforth
[10]于2018年将中国产单叶花楸分为7个属,其中5个为新属;同年,Mezhenska等
[11]将中国产冠萼组花楸全部转移至水榆属(
Micromeles)。
叶表皮微形态
[12-13]、气孔特征
[14-15]、表皮毛
[16]等是植物本身遗传特性的表达,具有分类学研究价值。叶表皮特征为苹果亚科的苹果属(
Malus)
[17]、山楂属(
Crataegus)
[18]、梨属(
Pyrus)
[19]以及蔷薇科其他亚科
[20-21]的物种识别、分类和系统演化分析提供了有价值的依据。Koehne
[22]和郗连连等
[23]的研究表明叶表皮特征可为花楸属复叶组物种鉴定提供参考。邱靖等
[24]的研究表明叶表皮微形态特征可为单叶花楸物种鉴定和分类歧义的解决提供依据。
物种界定不仅是分类学者的关注重点,也是种质资源保护和开发利用的基础。本研究利用光学和电子显微镜对11种1变种中国产单叶花楸的叶表皮细胞和气孔特征进行观察测量和比较分析,进一步完善单叶花楸的叶表皮微形态资料,为探讨花楸属单叶类群的分类和系统发育提供基础资料。
1 材料与方法
1.1 植物材料
以冠萼组6种及落萼组5种1变种共12个分类群单叶花楸为研究对象,于2016至2020年,在我国云南、贵州、四川、西藏、湖北、湖南、江西等地,每个分类群选择1个野生居群并采集3个成年健康单株的果期标本,单株间距50 m以上。凭证标本保存于南京林业大学标本馆(NF),具体采集信息见
表1。
1.2 方法
叶表皮制片方法参照醋酸-过氧化氢法
[25]。每号标本选取3片成熟叶片,沿中脉两侧切取约 1 cm×1 cm的小块,置于沸水中煮40 min将其软化,而后浸泡于30%的醋酸-过氧化氢等比混合液中,在60 ℃下水浴加热14~16 h,待叶表皮与叶肉组织分离后取出,用1%番红染液染色20 min,洗去浮色,用中性树胶封片。用Nikon Eclipse Ci-S光学显微镜观察和拍照。随机选取不同视野下的上、下表皮细胞及气孔各50个,用ImageJ 1.4.8软件进行测量。统计单位视野内气孔数和表皮细胞数,计算气孔密度(
SD)和气孔指数(
SI)。计算方法遵循以下公式:
,
式中:S为单位视野面积大小;N为单位视野面积上的气孔数目;E为相同面积内的表皮细胞数目。
用于扫描电镜观察的叶片先用95%乙醇擦去叶片两面的杂质,于中脉两侧切取0.5 cm×0.5 cm左右的小块,分别将叶片的背面和腹面粘在样品台上,在FEI-Quanta 200扫描电子显微镜下观察、拍照及记录。毛被特征描述参照中国植物志
[3]并结合野外及电镜观察。气孔术语描述参考Dilcher
[26]、王宇飞和陶君容
[27],叶片蜡质纹饰描述参考Barthlott等
[28]的文献。
1.3 数据分析
采用Excel进行数据统计,计算平均值和标准差;利用SPSS 22.0进行ANOVA方差分析和皮尔逊相关性分析。
2 结果与分析
2.1 单叶花楸12个分类群的叶表皮细胞特征
光镜下,单叶花楸12个分类群的叶表皮细胞均呈多边形或不规则形;多边形细胞的垂周壁平直或弧状,不规则形细胞的垂周壁弧状或波状(见图
1~
3,
表2)。根据表皮细胞形状可将12个分类群分为3类。(1)上、下表皮细胞均为不规则形,仅见于冠萼组的大果花楸(
S. megalocarpa)1种(见
图1:E1~2)。(2)上表皮细胞为多边形和不规则形、下表皮细胞为不规则形,出现在冠萼组的江南花楸(
S. hemsleyi;见
图1:C1~2)和落萼组的毛背花楸(见
图1:G1~2)、毛序花楸(
S. keissleri;见
图1:K1~2)3种中。(3)上、下表皮细胞均兼具多边形和不规则形,出现在其余8个分类群,包括来自冠萼组的冠萼花楸(
S. coronata;见
图1:A1~2)、开云花楸 (
S. guanii;见
图1:B1~2)、藏南花楸(
S. heseltinei;见
图1:D1~2)、雷公山花楸(
S. needhamii;见
图1:F1~2),来自落萼组的美脉花楸(见
图1:H1~2)、广东美脉花楸(见
图1:I1~2)、棕脉花楸(
S. dunnii;见
图1:J1~2)和泡吹叶花楸(
S. meliosmifolia;见
图1:L1~2)。
表皮细胞面积在分类群间差异显著(见
表3;
P<0.05),上表皮细胞面积介于428.7~1 083.48 μm
2,最小的是开云花楸,最大的是大果花楸,均来自冠萼组;下表皮细胞面积介于363.84~713.18 μm
2,最小的是冠萼组的雷公山花楸,最大的是落萼组的毛背花楸。
扫描电镜下,叶表皮细胞垂周壁隆起或凹陷,表面纹饰有皱褶、脊状、条状、次生加厚、局部加厚5种类型;蜡质纹饰主要有壳状、颗粒状、片状、线状等(见图
2~
3)。表面纹饰种间差异较大,尤其是下表皮。根据下表皮细胞表面纹饰类型,可将研究对象分为4类。(1)下表皮具皱褶,包括冠萼组的冠萼花楸(见
图2:A5)、江南花楸(见
图2:C3~5)和藏南花楸(见
图2:D3~5)3种;冠萼花楸上表皮垂周壁凹陷、被较密的线状、颗粒状、片状蜡质,下表皮由于毛被较厚,仅见皱褶;江南花楸和藏南花楸的上、下表皮垂周壁均隆起;江南花楸下表皮兼具脊状,藏南花楸下表皮兼具脊状和条状纹饰。(2)具条状、不具皱褶纹饰,共有6个分类群,冠萼组仅有雷公山花楸1种,其余均来自落萼组;雷公山花楸(见
图2:F3~5)、毛背花楸(见
图2:G3~5)和美脉花楸(见
图3:H3~5)上、下表皮垂周壁均隆起,泡吹叶花楸(见
图3:L3~5)上、下表皮均隆起,广东美脉花楸(见
图3:I3~5)和毛序花楸(见
图3:K3~5)上表皮隆起、前者下表皮不可见、后者下表皮凹陷;雷公山花楸和广东美脉花楸下表皮具覆被的条状纹饰,致使其细胞边界不可见,前者上表皮具次生加厚和线状、壳状、颗粒状蜡质,后者上表皮仅具线状和颗粒状蜡质;毛背花楸、美脉花楸、毛序花楸和泡吹叶花楸4种的下表皮条状纹饰仅限于脉间区,于气孔外围呈放射状,毛背花楸的上表皮次生加厚和局部加厚、密被颗粒状蜡质,美脉花楸的上表皮具次生加厚和壳状、颗粒状蜡质,毛序花楸和泡吹叶花楸上表皮垂周壁凹陷且被壳状和颗粒状蜡质。(3)具次生加厚和局部加厚、不具皱褶和条状,仅冠萼组大果花楸(见
图2:E3~5)1种,其上、下表皮垂周壁均隆起且纹饰一致。(4)下表皮密被毛致使纹饰不可见,有冠萼组的开云花楸(见
图2:B3~5)和落萼组的棕脉花楸(见
图3:J3~5)2种,前者上表皮垂周壁凹陷,后者隆起;前者上表皮具壳状、颗粒状、片状蜡质,后者具线状和颗粒状蜡质。
2.2 单叶花楸12个分类群的毛被特征
单叶花楸成熟叶片的表皮被毛或光滑。冠萼花楸(见
图2:A3~5)、开云花楸(见
图2:B3~5)和棕脉花楸(见
图3:J3~5)叶背密被白毛,后2种脉上被棕色毛;3种的表皮细胞和气孔均需将毛被处理后才可见。江南花楸(见
图3:C3~5)和藏南花楸(见
图2:D3~5)被较疏的白毛,泡吹叶花楸(见
图3:L3~4)被极疏的白毛;3种的表皮细胞及气孔均可见。上述6种除藏南花楸具带状扭曲和圆柱状弯曲2种类型的毛被外,其他均仅具带状扭曲的毛被。雷公山花楸、毛背花楸和毛序花楸3种均在不同时期或位置被有白毛,由于取样原因未见。12个分类群中,仅大果花楸、美脉花楸和广东美脉花楸叶背光滑无毛。
2.3 单叶花楸12个分类群的气孔特征
12个分类群单叶花楸的气孔均分布于叶片下表皮脉间区,由2个肾形保卫细胞组合而成,无副卫细胞,为无规则型气孔(见
表2,图
2~
3)。气孔均具环形外缘,冠萼组的保卫细胞均凸起;落萼组除泡吹叶花楸(见
图3:L4~5)保卫细胞凸起外,其余均水平。冠萼组的开云花楸(见
图2:B5)和大果花楸(见
图2:E4~5),落萼组的毛背花楸(见
图2:G4~5)、广东美脉花楸(见
图3:I4~5)、泡吹叶花楸(见
图3:L4~5)5个分类群的气孔两极T型加厚。毛背花楸(见
图2:G5)、美脉花楸(见
图3:H5)、棕脉花楸(见
图3:J5)和毛序花楸(见
图3:K5)4种植物的气孔具壳状和颗粒状纹饰,其他分类群的气孔均近光滑。
气孔呈椭圆形至近圆形,其长、宽、面积、密度和气孔指数在分类群间差异显著(见
表3;
P<0.05)。大果花楸的气孔长(19.17 μm)、宽(16.29 μm) 和面积(288.41 μm
2)均最小,气孔密度最大(435.19 个/mm
2),其气孔指数(0.24)同广东美脉花楸(0.24)和毛序花楸(0.23)相近、显著高于其他物种。广东美脉花楸的气孔最长(26.4 μm)、美脉花楸的气孔最宽(20.95 μm)、毛背花楸的气孔面积最大(539.52 μm
2)、江南花楸的气孔密度最低(167.38个/mm
2),冠萼花楸、开云花楸、江南花楸和藏南花楸的气孔指数显著低于其他物种。
2.4 相关性分析
表皮特征各性状之间的相关性分析结果如
表4。由
表4可见,上表皮细胞面积与下表皮细胞面积、气孔密度和气孔指数之间均呈极显著正相关(
P<0.01),而与气孔长和面积呈极显著负相关(
P<0.01),与气孔宽呈显著负相关(
P<0.05);下表皮细胞面积与气孔密度呈负相关,与其他指标间呈极显著正相关;气孔长、宽及面积两两之间呈极显著正相关,气孔长、宽及面积均与气孔密度和气孔指数呈负相关,气孔密度和气孔指数则呈极显著正相关。
3 讨论
叶表皮作为植物叶片的保护结构,具有一定的保守性和稳定性,可在一定程度上反映分类群间的关系,为物种鉴定及分类争议解决提供依据
[29-30]。花楸属单叶类群的叶表皮在细胞形状和大小、垂周壁式样、表面纹饰、毛被和气孔特征等方面差异明显,同花楸属复叶组
[22-23]、蔷薇科苹果亚科的山楂属、苹果属、梨属
[17-19]的研究结果相似,可为物种鉴定提供有价值的参考。
单叶花楸叶表皮具多边形和不规则形的细胞,平直、弧状、波状的垂周壁,这些特征与前期单叶花楸的研究结果
[24]一致。植物叶表皮的垂周壁式样从平直到弧状到波状的进化程度逐渐升高
[31-32]。但表皮细胞形状的3种组合形式在冠萼组和落萼组物种中均有出现,组间未表现出明确的规律性,同蔷薇属的研究结果
[21]一致。叶表皮细胞形状和大小种间差异显著。大果花楸最为特殊,上、下表皮细胞均为不规则形,具弧状或波状垂周壁;该种3月下旬即开花展叶,是花楸属中花期最早的
[33],气孔是本研究中最小的、果实是花楸属中最大的,但是否是最进化的类群还需要进一步研究。
单叶花楸的细胞表面纹饰与蜡质纹饰种类较为丰富,本研究观察到的纹饰类型在复叶花楸中均有出现,但未见复叶花楸中较为常见的乳突纹饰
[22-24]。花楸属植物分布的高海拔地区,湿度高、空气稀薄、太阳光辐射强,脊状、条状、皱褶等粗糙纹饰可增加表皮的防水性,使水滴易于滑落,同时带走真菌孢子和污染颗粒
[34]。表皮蜡质还有利于限制气孔以外的水分损失和气体交换,同时使植物免受极端温度、紫外线辐射的影响,增强了植物的环境适应性
[35]。
毛被在花楸属的经典分类上具有重要价值
[8]。本研究的12个分类群中9个分类群被毛。开云花楸和棕脉花楸叶背被白毛、脉上被棕毛,其余均仅被白毛。藏南花楸被2种类型的毛,雷公山花楸新叶密被白毛、老叶光滑无毛,毛背花楸和毛序花楸叶背中脉上和侧脉基部具稀疏绒毛,泡吹叶花楸脉腋间具绒毛。可见,毛被的颜色、疏密、位置、类型可为单叶花楸鉴定提供重要的形态学依据。同时,毛被具有对抗生物和非生物胁迫的作用,增强了花楸属植物对高海拔环境的适应性。
气孔是植物进行气体交换的主要场所,是植物进化的关键因素,具有分类学上的潜在价值,同时也反映了植物对环境的适应
[36-37]。单叶花楸的气孔均为无规则形,同复叶花楸
[22-24]一致。本研究物种的气孔均具有环形外缘,这种结构有利于调节气孔运动和气孔开放时的孔径大小
[15],促进高湿环境下的气体交换
[38],增强花楸属植物对高海拔地区高湿环境的适应性。单叶花楸的气孔位置有凸起和水平、两极有或无T型加厚,气孔的长、宽、面积、密度和气孔指数等指标在种间差异显著,可为物种鉴定提供依据。
中国产单叶花楸根据形态形状分为宿萼组和落萼组,但基于nrITS
[39]和叶绿体基因组
[40]的研究结果显示这2个组各自未形成单系,支持将2个组合并成水榆属。本研究结果显示,叶表皮微形态特征在种间差异显著,在组间存在性状交叉,可为物种界定和鉴定提供参考,但不适宜作为属下系统分类的依据。本研究中,广东美脉花楸上表皮垂周壁凹陷、下表皮除气孔外均被密集的条状纹饰覆盖、气孔两极T型加厚;而美脉花楸上表皮垂周壁隆起、下表皮的条状纹饰仅见气孔外围、气孔两极无T型加厚。模式标本和野外观察显示广东美脉花楸侧脉对数较少、叶柄较长、果实较大,易于同原变种区分。植物表型性状和叶表皮微形态特征均不支持Aldasoro等
[9]将广东美脉花楸作为原变种的异名处理,但其分类位置还有待于进一步研究。