獼猴桃屬植物葉表皮毛微形態(tài)特征及其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

獼猴桃屬植物葉表皮毛微形態(tài)特征及其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

草莓是植物區(qū)系的一種分布在亞洲東部和南部的亞熱帶和溫帶地區(qū)。1911年,Dunn確認(rèn)該屬全世界有24種,可分為凈果組和斑果組。李惠林認(rèn)為該屬為36個(gè)種和一些變種(Li1952)。梁疇芬(1983,1982a,1982b,1980,1975)發(fā)表了若干新的分類群,并重新整理該屬為53種和一些變種(梁疇芬等1984)。隨著新分類群的不斷發(fā)現(xiàn),目前一般認(rèn)為該屬約有63種,其中59種原產(chǎn)于我國(guó)(崔致學(xué)1993)。該屬植物以染色體基數(shù)為29、花雌雄異株、雌蕊和雄蕊以及種子多數(shù)等性狀區(qū)別于其他近緣植物,是一個(gè)自然類群。由于該屬中普遍存在自發(fā)的種間雜交和種內(nèi)多倍化現(xiàn)象,使得雜交種具有一系列形態(tài)和倍性上的過(guò)渡類型,加之某些物種在發(fā)表時(shí)缺乏部分必要的形態(tài)特征描述,因而不同學(xué)者對(duì)該屬植物種的界定、組的劃分及其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系存在不同的看法。植物葉表皮毛微形態(tài)特征在分類學(xué)研究中發(fā)揮著重要的作用(方炎明等1993,梁紅平等1990,馬義倫1987,Hardin1979,安爭(zhēng)夕1975)。獼猴桃屬現(xiàn)有分類系統(tǒng)中(梁疇芬等,1984)的4個(gè)組(凈果組、斑果組、糙毛組和星毛組)的劃分則以其表皮毛的宏觀形態(tài)學(xué)特征為主要依據(jù)的(崔致學(xué)1993,梁疇芬等1984)。例如,凈果組和斑果組是以葉表皮無(wú)毛或具少量糙狀毛和髯毛劃分的,而糙毛組具硬毛、糙毛或刺毛。然而,人們對(duì)該屬植物葉表皮毛形態(tài)特征的認(rèn)識(shí)卻十分有限,尤其缺乏嚴(yán)格的劃分標(biāo)準(zhǔn),因此,深入觀察獼猴桃屬葉表皮毛微形態(tài)特征,并據(jù)此探討該屬植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及其性狀進(jìn)化是十分必要的。本文選取我國(guó)獼猴桃屬植物35個(gè)分類群(包括種、變種和多倍體)的代表植株,利用光鏡對(duì)其新鮮葉表皮毛的微形態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分布密度和存留特征等性狀進(jìn)行了觀察和測(cè)量。在此基礎(chǔ)上,建立觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣,應(yīng)用Wagner法和UPGMA聚類法分別進(jìn)行分支分析和表征分析,以期對(duì)研究獼猴桃屬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、葉表皮毛微形態(tài)特征的進(jìn)化以及部分種的系統(tǒng)位置提供新的佐證。1材料和方法1.1中華獼猴桃及其他山梨獼猴桃植株的篩選和表征實(shí)驗(yàn)材料均采自中國(guó)科學(xué)院武漢植物研究所獼猴桃組種質(zhì)資源圃。各分類群的名稱和縮寫(xiě)詳見(jiàn)表1,其中,32個(gè)種和變種原產(chǎn)于我國(guó),1種(山梨獼猴桃)引自日本。此外,選取中華獼猴桃種內(nèi)多倍體系列中的二倍體和四倍體植株,以及美味獼猴桃六倍體及其十二倍體原生質(zhì)體植株進(jìn)行觀察、比較。對(duì)上述各分類群的幼葉(未定型葉片)、成熟葉(大小和形態(tài)發(fā)育基本定型的葉片)和老葉(定型后至少生長(zhǎng)兩個(gè)月以上的葉片)表皮毛,用Olympus顯微鏡觀察、測(cè)量和拍照。每個(gè)分類群選取代表植株2～3株,不同發(fā)育時(shí)期葉片各選5枚,每枚至少觀察10個(gè)視野。1.2獼猴桃屬的分類統(tǒng)計(jì)Cont.Cont.廣義獼猴桃科包括獼猴桃屬、藤山柳屬Clematoclethra、水東哥屬Saurauia和毒藥樹(shù)屬Sladenia共4屬(Gilgetal.1925)。狹義的獼猴桃科僅包括獼猴桃屬、藤山柳屬和水東哥屬(Dahlgren1983,Cronquist1981)。Takhtajan(1969)和Hutchinson(1969)則明確將水東哥屬?gòu)墨J猴桃科中分出,獨(dú)立為水東哥科Saurauiaceae。張芝玉(1987)根據(jù)孢粉學(xué)研究結(jié)果并結(jié)合3個(gè)屬的外部形態(tài)、花部結(jié)構(gòu)、染色體數(shù)目以及分布區(qū)方面的比較分析,支持將水東哥屬獨(dú)立為科的觀點(diǎn)。因而,我們?cè)诒卷?xiàng)研究中選取獼猴桃屬的29個(gè)種(部分種用一個(gè)變種代表)為分類運(yùn)算單位(OTU),藤山柳Clematoclethralasioclada作為獼猴桃屬分支分析的外類群;運(yùn)用外類群比較法,對(duì)19個(gè)葉表皮毛的微形態(tài)性狀進(jìn)行了極性化,即區(qū)分祖征和衍征。各性狀及其狀態(tài)編碼見(jiàn)表2,原始數(shù)據(jù)矩陣見(jiàn)附錄。應(yīng)用PHYLIP3.572c軟件包(Felsenstein1997)中的FACTOR程序,將原始數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換為二元數(shù)據(jù)矩陣(見(jiàn)附錄);應(yīng)用MIX程序(Wagner法)對(duì)二元數(shù)據(jù)矩陣構(gòu)建最簡(jiǎn)約樹(shù)(mostparsimonioustree,MPT)(Farris1971);應(yīng)用CONSENSE程序獲得一個(gè)嚴(yán)格一致樹(shù)(strictconsensustree)(鐘揚(yáng)等1994,Sokaletal.1981)。1.3原始數(shù)據(jù)及聚類分析用于表征分析的43個(gè)性狀及其性狀狀態(tài)編碼見(jiàn)表3,其中數(shù)量性狀均取最大觀測(cè)值。選取獼猴桃屬的35個(gè)種、變種和多倍體作為分類運(yùn)算單位,對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)矩陣見(jiàn)附錄。對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行正規(guī)化(normalization)處理后,采用平均歐氏距離系數(shù)和UPGMA法進(jìn)行聚類分析(鐘揚(yáng)等1990,Sneath&Sokal1973);應(yīng)用結(jié)合線法(鐘揚(yáng)1990,徐克學(xué)等1983),對(duì)樹(shù)系圖進(jìn)行了進(jìn)一步分劃。全部計(jì)算采用自行編制的C語(yǔ)言程序,在中國(guó)科學(xué)院武漢植物研究所計(jì)算機(jī)室完成。2結(jié)果和分析2.1曲壁毛thick方面觀察表明,獼猴桃屬植物葉表皮毛按其形態(tài)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)可歸為以下6大類型(其中4個(gè)類型還可進(jìn)一步細(xì)分)。類型Ⅰ單細(xì)胞毛(single-cellhairs)。由單細(xì)胞組成,細(xì)長(zhǎng)、壁厚、漸尖。僅見(jiàn)于星毛組的浙江獼猴桃葉下表皮(圖版Ⅰ:1)。類型Ⅱ單列毛(uniseriatehairs)。由多細(xì)胞線形排列組成,或直或彎?？煞譃?類。(a)線形毛。毛細(xì),由3～7個(gè)細(xì)胞組成,毛先端圓,常見(jiàn)于凈果組部分植株(圖版Ⅰ:2)。(b)泡狀毛。由多個(gè)泡狀細(xì)胞組成,基足細(xì)胞小,僅見(jiàn)于斑果組的山梨獼猴桃、金花獼猴桃和中越獼猴桃(圖版Ⅰ:3～5)。(c)扭曲毛。毛體扭轉(zhuǎn)360°以上,多為單列,少二列,僅見(jiàn)于星毛組的粉毛獼猴桃和斑果組的網(wǎng)脈獼猴桃(圖版Ⅰ:6)。(d)直壁毛。相鄰細(xì)胞壁直,頂端細(xì)胞長(zhǎng)而漸尖,一般散生,見(jiàn)于部分斑果組和部分星毛組植物(圖版Ⅰ:7～9)。其中若干物種的直壁毛可數(shù)枚至數(shù)十枚,因其基部細(xì)胞壁連合而形成束狀毛(圖版Ⅰ:10～12)。(e)曲壁毛。與直壁毛的區(qū)別在于其部分或全部相鄰細(xì)胞壁彎曲,常見(jiàn)于部分星毛組植株(圖版Ⅰ:13～15)。其中圖版Ⅰ:13顯示出未成熟的曲壁毛成直壁狀,說(shuō)明曲壁毛可能由直壁毛發(fā)育而來(lái)。類型Ⅲ多列漸尖毛和急尖毛(graduallyandsuddenlysharpeningmultiseriatehairs)?；考?xì)胞2列以上(最多可達(dá)20列以上,因物種而異),細(xì)胞列數(shù)由基部向頂端逐漸減少至單列,毛體漸尖,頂端細(xì)胞長(zhǎng)而漸尖?？煞譃?類。(a)多列直壁漸尖毛。細(xì)胞壁直,毛體漸成單列,常見(jiàn)于部分斑果組和部分星毛組植物(圖版Ⅰ:16.圖版Ⅱ:1)。(b)多列曲壁漸尖毛。細(xì)胞壁部分或全部彎曲,毛體漸成單列(圖版Ⅱ:2～6)。其中圖版Ⅱ:6顯示美味獼猴桃(基部細(xì)胞20列以上)的漸尖毛發(fā)育過(guò)程。而多列曲壁漸尖毛分有二叉的現(xiàn)象僅見(jiàn)于美麗獼猴桃(圖版Ⅱ:7)。(c)多列直壁急尖毛。細(xì)胞壁直,毛體急劇收縮成單列,僅見(jiàn)于星毛組的黃毛獼猴桃。(d)多列曲壁急尖毛。細(xì)胞壁部分或全部彎曲,毛體急劇收縮成單列(圖版Ⅱ:8～9)。其中圖版Ⅱ:8顯示了美味獼猴桃多列曲壁急尖毛的發(fā)育過(guò)程。類型Ⅳ多列粗毛(multiseriatethickhairs)?；考?xì)胞多列,頂端細(xì)胞2列以上稱為粗毛?？煞譃?類。(a)柱狀毛。毛柱狀,細(xì)胞壁直,排列緊密,常見(jiàn)于凈果組和部分斑果組植物(圖版Ⅱ:10～11)。(b)漸尖粗毛。毛長(zhǎng)而漸尖,僅見(jiàn)于星毛組的黃毛獼猴桃(圖版Ⅱ:12)和糙毛組的美麗獼猴桃(圖版Ⅱ:13)。(c)急尖粗毛。毛基部10列以上,急劇收縮為2～3列,僅見(jiàn)于星毛組的粉毛獼猴桃上表皮。類型Ⅴ星狀毛(stellatehairs)。所有分枝都出于同一平面,輻射狀排列,分枝基部連合,大部分游離,部分有柄?？煞譃?類。(a)薄壁星狀毛。分枝毛長(zhǎng)、由多個(gè)單列薄壁細(xì)胞聚集于一點(diǎn),有細(xì)長(zhǎng)柄、2～3細(xì)胞組成,易枯萎和脫落,僅見(jiàn)于星毛組的粉毛獼猴桃未成熟葉的下表皮(圖版Ⅱ:16.圖版Ⅲ:1～2)。(b)厚壁星狀毛。一般由2個(gè)以上的單毛聚合而成,分枝毛少有2細(xì)胞(圖版Ⅲ:8)。分枝毛一般呈簇生狀態(tài)(圖版Ⅲ:3～12),其中部分有柄。星狀毛特化成疊生狀態(tài)的稱為疊生星狀毛(overlopping-stellatehairs),僅見(jiàn)于星毛組的大花獼猴桃(圖版Ⅲ:4);分枝毛短,較寬,基部愈合少,無(wú)柄,形同蓮花狀,稱為蓮座(星狀)毛(rosulatehairs),僅見(jiàn)于斑果組的異色獼猴桃(圖版Ⅲ:5);中央愈合部分直徑與分枝毛游離部分的長(zhǎng)度幾乎相等的,稱為盾狀星狀毛(peltate-stellatehairs),僅見(jiàn)于斑果組的京梨獼猴桃(圖版Ⅲ:6)。類型Ⅵ二歧分枝毛(dichotomoushairs)。在單列毛上出現(xiàn)分枝現(xiàn)象,偶見(jiàn)于斑果組的異色獼猴桃和星毛組的繁花獼猴桃(圖版Ⅱ:13)。2.2獼猴桃屬分類系統(tǒng)中單系和復(fù)系的組成基于附錄1中的數(shù)據(jù)矩陣及轉(zhuǎn)換后的二元數(shù)據(jù)矩陣,應(yīng)用簡(jiǎn)約性分析中的Wagner方法,獲得最簡(jiǎn)約分支樹(shù)(MPT)。這些MPT的一個(gè)嚴(yán)格一致樹(shù)見(jiàn)圖1。從圖1中可以發(fā)現(xiàn),獼猴桃屬現(xiàn)有分類系統(tǒng)中的凈果組sect.Leiocarpae的6個(gè)分類群構(gòu)成單系類群(monophyleticgroup),而其它3個(gè)組均構(gòu)成單系類群。以斑果組sect.Maculatae為例,本研究中的8個(gè)類群分布于分支樹(shù)的幾個(gè)分支上,構(gòu)成了復(fù)系類群(polyphyleticgroup)?？傊?基于葉表皮毛微形態(tài)特征的分支分析結(jié)果支持獼猴桃屬現(xiàn)有分類系統(tǒng)中凈果組的劃分,但不支持斑果組、糙毛組和星毛組的劃分。2.3第類ded1表征分析獲得的樹(shù)系圖見(jiàn)圖2。應(yīng)用結(jié)合線法(L=0.8982),將35個(gè)分類群劃分為5大類(忽略單個(gè)分類群組成的類)。第Ⅰ類,包含3個(gè)分類群(IN,CR,RU),全為斑果組中具泡狀毛的成員。第Ⅱ類,包含7個(gè)分類群(AR,ME,PO,MAA,KO,VA,MAU),全為凈果組成員。第Ⅲ類,包含10個(gè)分類群,為星毛組和斑毛組中具多列曲壁漸尖毛和厚壁星狀毛的成員?？蛇M(jìn)一步分為3個(gè)小類。(a)包含5個(gè)分類群(DED6,DED12,CH2,CH4,DEC),為中華獼猴桃和美味獼猴桃的變種及多倍體系列,其多列毛的列數(shù)均為10以上。然而,美味獼猴桃一變種(綠果獼猴桃)與中華獼猴桃多倍體的距離比與美味獼猴桃原變種的距離還要近。(b)包含3個(gè)分類群(PE,GR,HU),其多列毛的列數(shù)為5～9,且星狀毛具柄。(c)包含2個(gè)分類群(LI,GLA),其毛的列數(shù)分別為1和4,星狀毛具較長(zhǎng)的柄。第Ⅳ類,包含4個(gè)分類群(RGL,ST,ERE,ERC),全為星毛組中具曲壁毛和厚壁星狀毛的成員,曲壁毛列數(shù)為1或4,星狀毛無(wú)柄。第Ⅴ類,包含2個(gè)分類群(LA,CAD),為星毛組和斑果組中具單列直壁毛的成員。上述表征分析的結(jié)果反映若干葉表皮毛的微形態(tài)特征(如星狀毛、柱狀毛、泡狀毛和多列漸尖毛的列數(shù)等)具有一定的規(guī)律性,可以考慮作為該屬的分類依據(jù)。3討論3.1獼猴桃屬植物間的形態(tài)結(jié)構(gòu)我們對(duì)中國(guó)獼猴桃屬35個(gè)分類群和藤山柳(作為分支分析外類群)的葉表皮毛微形態(tài)特征進(jìn)行了觀測(cè)和比較,將大約17個(gè)特征劃分為6個(gè)類型。其中,對(duì)單列毛、多列漸尖毛和多列急尖毛的定量觀測(cè)表明,這些毛的基部細(xì)胞列數(shù)、相鄰細(xì)胞壁的曲直程度以及毛長(zhǎng)度在該屬內(nèi)的組間乃至不同物種間具有較為明顯的差異,列數(shù)較為穩(wěn)定,長(zhǎng)度變異幅度則較大。星狀毛、多列直壁漸尖毛和多列曲壁急尖毛對(duì)研究獼猴桃屬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系最為重要。需要說(shuō)明的是,梁疇芬等(1984)系統(tǒng)中斑果組成員的毛類型極為復(fù)雜。普通單列毛(如直壁毛、曲壁毛)和特殊單列毛(泡狀毛、扭曲毛),以及普通星狀毛和特殊星狀毛(蓮座毛,盾狀毛)等都出現(xiàn)在該組的不同物種中。而且,這些物種間毛被組成差異也較大,如京梨獼猴桃同時(shí)具有5種類型:盾狀星狀毛、束狀毛、柱狀毛、單列直壁毛和多列直壁毛,上下表皮毛類型不一致;中越獼猴桃和金花獼猴桃僅有一種泡狀毛,革葉獼猴桃僅有一種單列直壁毛,它們的上下表皮毛一致。從葉表皮毛類型來(lái)看,該組可能是凈果組和星毛組的一個(gè)中間過(guò)渡類型?？傊?獼猴桃屬葉表皮毛微形態(tài)結(jié)構(gòu)的類型、大小、分布與存留能在一定程度上反映出物種間的相似性與相異性。其中,一些重要的類型對(duì)該屬植物間的系統(tǒng)發(fā)育和親緣關(guān)系研究具有特殊的意義,亦可作為物種鑒別的證據(jù)。然而,由于葉表皮毛的發(fā)生與發(fā)育容易受外部環(huán)境的影響,因此應(yīng)注意選擇發(fā)育良好的成熟毛狀體進(jìn)行微形態(tài)特征研究。3.2近緣物種組成的變化本文基于國(guó)產(chǎn)獼猴桃屬35個(gè)分類群的葉表皮毛微形態(tài)特征,對(duì)該屬進(jìn)行了分支分析和表征分析。上述兩個(gè)結(jié)果均支持梁疇芬等(1984)系統(tǒng)中關(guān)于凈果組的劃分,但不支持其它3個(gè)組。因而,對(duì)該屬植物的各種性狀及其系統(tǒng)學(xué)意義進(jìn)行全面、綜合的研究仍是十分必要的。關(guān)于中華獼猴桃和美味獼猴桃間的親緣關(guān)系,熊治廷(1991)根據(jù)形態(tài)特征和染色體數(shù)目,以毛花獼猴桃作為外類群,進(jìn)行了分支分析。結(jié)果認(rèn)為兩者應(yīng)屬同一物種復(fù)合體的兩個(gè)近緣物種。李瑞高等(1996)通過(guò)對(duì)綠果獼猴桃的形態(tài)特征和地理分布的研究,認(rèn)為它可能是美味獼猴桃和中華獼猴桃的自然雜交后代,且正處于不斷分化之中。何子燦等(1998)觀察了綠果獼猴桃的染色體數(shù)目,認(rèn)為其四倍性可能是六倍體美味獼猴桃和二倍體中華獼猴桃的自然雜交結(jié)果。本項(xiàng)研究中表征分析的結(jié)果也反映了中華獼猴桃和美味獼猴桃具有較近的關(guān)系,同時(shí)支持綠果獼猴桃為美味獼猴桃和中華獼猴桃的自然雜交后代的推測(cè)。關(guān)于硬齒獼猴桃的兩個(gè)變種(京梨獼猴桃CAH和異色獼猴桃CAD)的關(guān)系,從分支分析的結(jié)果看,由于兩者和清風(fēng)藤獼猴桃(SA)都具有多列直壁毛而構(gòu)成一個(gè)單