13種玉蘭亞屬植物花粉的觀察,植物學(xué)論文

13種玉蘭亞屬植物花粉的觀察,植物學(xué)論文內(nèi)容摘要：利用掃描電鏡對13種〔包括3品種〕玉蘭亞屬植物花粉進(jìn)行了觀察，根據(jù)花粉形態(tài)、紋飾、孔穴等級等特征用類平均法〔UPGMA〕對其進(jìn)行聚類分析，研究其親緣關(guān)系及類群。結(jié)果表示清楚：玉蘭、武當(dāng)木蘭、玉燈玉蘭的花粉外形、大小較為接近，花粉外表較光滑，呈現(xiàn)溝狀紋飾，且孔深孔徑相近；紫玉蘭、日本辛夷、黃鳥玉蘭的花粉外表紋飾存在較大的差異。聚類結(jié)果表示清楚：在類似距離6.13水平上，根據(jù)花粉大小和形狀將13個種〔品種〕聚類為兩大類群，在類似距離7.76水平上，根據(jù)花粉外表紋飾和孔穴特征聚類為4個類群。本文關(guān)鍵詞語：花粉形態(tài)；玉蘭亞屬；掃描電鏡；分類系統(tǒng)；Abstract:Thepollenof13species〔including3varieties〕ofMagnoliawereobservedbyscanningelectronmicroscopy〔SEM〕.Accordingtothecharacteristicsofpollenmorphology,ornamentationandholegrade,theclusteranalysiswasconductedbyUPGMAtostudytheirgeneticrelationshipandtaxa.ThepollenshapeandsizeofMagnoliadenudata,M.sprengeriandM.denudataLampwereclose.Pollensurfaceissmooth,showinggroove-likedecoration,andtheholediameterissimilar.PollensurfacedecorationPollensurfacedecorationofM.liliflora,M.YellowBirdandM.praecocissimaarequitedifferent.Byclustering,13species〔breeds〕wereclusteredintotwogroupsaccordingtopollensizeandshapeatthesimilardistanceof6.13.Atsimilardistanceof7.76,fourgroupswereclusteredaccordingtopollensurfacedecorationandporositycharacteristics.Keyword:Pollenmorphology;SubgenusYulania;Scanningelectronmicroscope;Taxonomy;玉蘭亞屬〔SubgenusYulania〔Spach〕Reichenbach〕,是ReichenbachHGL于1841年將玉蘭屬Yulaniaspach改級而來[1],與木蘭亞屬在木蘭科分類系統(tǒng)[2,3,4,5,6]中同屬于木蘭科〔Magnoliaceae〕木蘭屬〔MagnoliaL.〕,具有落葉、花先葉開放、花粉側(cè)向開裂等進(jìn)化特征[7].玉蘭亞屬的種數(shù)尚未有權(quán)威統(tǒng)計[8],且不斷有新種發(fā)表，而種與品種之間界線模糊，有待進(jìn)一步鑒定和驗證。木蘭科植物是被子植物中最為原始的類群之一[9],因而，玉蘭亞屬在科學(xué)研究領(lǐng)域具有極高的科學(xué)研究價值，在木蘭科進(jìn)化與分類系統(tǒng)方面具有重要研究意義。已有研究顯示，分布區(qū)不同種間存在雜交和形態(tài)多變等特征現(xiàn)象，重疊現(xiàn)象特別明顯[10,11],給該屬植物的分類鑒定帶來一定的困難。植物花粉是由花器官產(chǎn)生，受基因控制，具有很強的遺傳保守性[12,13],且性狀較為穩(wěn)定，是植物的系統(tǒng)學(xué)研究中辨別物種、鑒別親緣關(guān)系的重要根據(jù)。有關(guān)玉蘭亞屬植物花粉形態(tài)的研究，固然國內(nèi)外已有報道[14,15,16,17,18,19],但尚不能得出統(tǒng)一的結(jié)果。為進(jìn)一步研究木蘭屬植物種〔品種〕與種〔品種〕之間的親緣關(guān)系，探究二喬玉蘭能否單獨設(shè)立分組及驗證前人分組能否科學(xué)等問題，本研究以玉蘭亞屬13個具有代表性和部分有爭議的種〔包含3品種〕作為試驗材料，華而不實，黃鳥玉蘭〔M.acuminataYellowBird〕、黃山木蘭〔M.cylindrica〕的花粉形態(tài)為初次研究，紅花玉蘭〔M.wufengensis〕為馬履一教授發(fā)現(xiàn)的新種[20].利用掃描電鏡對其花粉的形態(tài)、大小、紋飾、孔穴密度〔孔頻〕進(jìn)行觀測與測定，對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定種間親緣關(guān)系，進(jìn)而為木蘭屬植物系統(tǒng)分類提供重要根據(jù)和參考價值。1材料與方式方法供試材料于2021年3-4月份取自廣州華南植物園、浙江杭州植物園、陜西西安植物園、北京植物園，分別為13個玉蘭亞屬植物，即玉蘭〔M.denudata〕、望春玉蘭〔M.biondii〕、日本辛夷〔M.praecocissima〕、天目玉蘭〔M.amoena〕、玉燈玉蘭〔M.denudataLamp〕〔品種〕、紅花玉蘭、武當(dāng)木蘭〔M.sprengeri〕、黃山木蘭、二喬玉蘭〔M.soulangeana〕、飛黃玉蘭〔M.denudataFeihuang〕〔品種〕、星花木蘭〔M.stellata〕、紫玉蘭〔M.liliflora〕、黃鳥玉蘭〔M.acuminataYellowbird〕〔品種〕的成熟花粉。材料收集：采集花粉于09:00-12:00玉蘭散粉時間進(jìn)行。取自然開放的盛花期花朵，在室內(nèi)將花瓣摘去，花粉散落在硫酸紙上攤放至枯燥后放于10mL離心管中，并放入少量硅膠保持枯燥。將花粉放于冰箱4℃儲存?zhèn)溆?。掃描電鏡觀察：掃描前將少許枯燥的花粉直接撣落在黏有導(dǎo)電膠的樣品臺上，真空狀態(tài)下在離子濺射儀中噴鍍，再將處理好的樣品移到日立S-3400N型掃描電子顯微鏡下觀察。選取完好飽滿、外形和大小有代表性的花粉粒，在800~10000倍下拍照。用CAD軟件分別測量每個種〔品種〕花粉的赤道軸、極軸的大小，換算成實際長度后，用SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。聚類分析：聚類分析結(jié)果能夠反映品種和其親本之間的親緣關(guān)系。為了討論各分類單位花粉形態(tài)的差異，盡可能從花粉形態(tài)上獲取品種和種類親緣及演化關(guān)系的信息，本試驗以13個種〔品種〕作為分類運算單位，選取8個性狀，即P〔極軸長〕、E〔赤道軸長〕、P/E3個定量性狀，外表光滑程度、外壁紋飾類型、孔深等級、孔徑等級和孔穴密度5個定性性狀，利用NTSYS軟件將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，在SPSS19.0系統(tǒng)平臺下進(jìn)行聚類分析。華而不實，測得的數(shù)值為定量指標(biāo)，定性指標(biāo)按形態(tài)等級編號為1,2,3,，n,二元性狀編號為0、1,在SPSS19.0平臺下，采用類平均法〔UPGMA〕進(jìn)行聚類。華而不實，每種〔品種〕取花粉粒20粒，測得的數(shù)據(jù)取平均值。P/E表示花粉粒的形狀〔P/E2.00,表示花粉粒為長橢球形；P/E為1.20~2.00,表示花粉粒為橢球形〕.2結(jié)果與分析2.1花粉的形態(tài)特征掃描電鏡觀察結(jié)果如表1所示，所觀察的花粉均為單粒，具有遠(yuǎn)極單萌發(fā)溝，直達(dá)兩端；左右對稱，異極，側(cè)面觀為舟形，極面觀為近圓形，赤道面觀為橢圓形或近橢圓形，兩端較尖。根據(jù)花粉大小與形狀和花粉萌發(fā)孔特點，比照Erdtman[21]的NPC分類系統(tǒng)，本試驗測試的花粉粒為N1P3C3類型〔具一條〔N1〕遠(yuǎn)極〔P3〕溝〔C3〕〕.外壁外表紋飾以小穴狀或網(wǎng)紋狀為主，遠(yuǎn)極面、遠(yuǎn)極面和側(cè)面的紋飾一致或存在差異。表113種玉蘭亞屬花粉形態(tài)特征注：〔〕中為相應(yīng)指標(biāo)的最小值到最大值的變化范圍?；ǚ蹣O軸長由大到小依次為玉燈玉蘭、黃鳥玉蘭、武當(dāng)木蘭、玉蘭、二喬玉蘭、紫玉蘭、飛黃玉蘭、紅花玉蘭、天目玉蘭、望春玉蘭、黃山木蘭、日本辛夷；花粉的赤道軸長由大到小依次為玉燈玉蘭、天目玉蘭、二喬玉蘭、紅花玉蘭、武當(dāng)木蘭、黃鳥玉蘭、飛黃玉蘭、玉蘭、紫玉蘭、望春玉蘭、黃山木蘭、星花木蘭、日本辛夷。根據(jù)P/E結(jié)果可知，花粉粒由橢球形到長橢球形的順序依次為天目玉蘭、星花木蘭、紅花玉蘭、黃山木蘭、望春玉蘭、二喬玉蘭、日本辛夷、飛黃玉蘭、玉燈玉蘭、武當(dāng)木蘭、黃鳥玉蘭、玉蘭、紫玉蘭。花粉外壁紋飾分為3種類型，即溝狀、腦紋狀、網(wǎng)狀和網(wǎng)瘤狀。華而不實，溝狀紋飾的有玉蘭、紅花玉蘭、黃鳥玉蘭〔圖1-a3、1-f3、1-m3〕;腦紋狀紋飾的有望春玉蘭、日本辛夷、武當(dāng)木蘭、黃山木蘭〔圖1-c3、1-d3、1-g3、1-h3〕;網(wǎng)狀紋飾的有飛黃玉蘭、星花木蘭〔圖1-k3、1-l3〕,網(wǎng)瘤狀紋飾的有天目玉蘭、玉燈玉蘭、二喬玉蘭和紫玉蘭〔圖1-c3、1-e3、1-i3、1-l3〕.圖1玉蘭亞屬花粉掃描電鏡圖片a.玉蘭；b.望春玉蘭；c.天目玉蘭；d.日本辛夷；e.玉燈玉蘭；f.紅花玉蘭；g.武當(dāng)木蘭；h.黃山木蘭；i.二喬玉蘭；j.飛黃玉蘭；k.星花木蘭；l.紫玉蘭；m.黃鳥玉蘭；a1、b1、c1、d1、f1、g1、h1、i1、j1、k1、l1、m1為花粉群體圖；a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、i2、j2、k2、l2、m2為單個花粉圖；a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3、k3、l3、m3為花粉局部紋飾圖。圖1玉蘭亞屬花粉掃描電鏡圖片a.玉蘭；b.望春玉蘭；c.天目玉蘭；d.日本辛夷；e.玉燈玉蘭；f.紅花玉蘭；g.武當(dāng)木蘭；h.黃山木蘭；i.二喬玉蘭；j.飛黃玉蘭；k.星花木蘭；l.紫玉蘭；m.黃鳥玉蘭；a1、b1、c1、d1、f1、g1、h1、i1、j1、k1、l1、m1為花粉群體圖；a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、i2、j2、k2、l2、m2為單個花粉圖；a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3、k3、l3、m3為花粉局部紋飾圖。2.2花粉的聚類分析將上述數(shù)據(jù)及數(shù)量性狀特征賦值后，種〔品種〕間數(shù)據(jù)利用SPSS19.0軟件，采用類平均法〔UPG-MA〕進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如此圖2所示。從圖2中能夠看出，在類似距離系數(shù)7.76水平上，13個玉蘭亞屬的種〔品種〕分為兩大類群。第一類群包含玉燈玉蘭、武當(dāng)木蘭、玉蘭、二喬玉蘭、飛黃玉蘭、天目玉蘭、紅花玉蘭、紫玉蘭、黃鳥玉蘭9個種；第二類群包含望春玉蘭、黃山木蘭、日本辛夷、星花木蘭4個種。從對應(yīng)的測量指標(biāo)得出，分類的主要根據(jù)是極軸長、赤道軸長和P/E值，第一類比第二類在形態(tài)上更長，第二類比第一類更小。在類似距離系數(shù)6.13水平上，兩大類群又各自分類，13個種〔品種〕被分為4個類群，華而不實，玉燈玉蘭、武當(dāng)木蘭、玉蘭、二喬玉蘭、飛黃玉蘭、天目玉蘭、紅花玉蘭為第一類；紫玉蘭、黃鳥玉蘭為第二類；望春玉蘭與黃山木蘭為第三類；星花木蘭與日本辛夷為第四類。從對應(yīng)的形態(tài)特征可知，第一類因其孔深和孔徑等級聚類在一起，第二類因其外壁光滑程度特征和孔穴最早聚類在一起，隨后與第一類聚合在一起。第三類是因外壁紋飾類型聚在一起，第四類是因外壁光滑程度和孔穴密度聚類而成。圖213種玉蘭亞屬植物花粉形態(tài)的類平均聚類圖圖中編號與表1中編號逐一對應(yīng)。2.3系統(tǒng)分類學(xué)分析聚類結(jié)果在遺傳距離為7.76時將望春玉蘭、黃山木蘭、日本辛夷、星花木蘭聚為一組，玉蘭、二喬玉蘭、天目玉蘭、武當(dāng)木蘭、紅花玉蘭、紫玉蘭、飛黃玉蘭、玉燈玉蘭、黃鳥玉蘭為一組；紫玉蘭、黃鳥在遺傳距離為6.13時歸類為一組，這與Dandy[2]和劉玉壺[3]系統(tǒng)將玉蘭亞屬劃分的望春玉蘭組、玉蘭組和紫玉蘭組吻合。二喬玉蘭〔也稱朱砂玉蘭〕,具有光滑的花粉外壁外表，孔穴兩端分布較多，深淺不一，在聚類結(jié)果中表現(xiàn)出與玉蘭組植物具有較近的親緣關(guān)系，故應(yīng)歸與玉蘭組，因此不支持方大鳳[22]、田國行等[23]將二喬玉蘭單獨歸為一組的觀點。飛黃玉蘭、玉燈玉蘭為玉蘭〔M.denudata〕的品種，花部數(shù)量性狀就有極大差異。其花粉與玉蘭花粉相比，具有孔穴分布不均，兩端密度大，孔徑較深的一樣點，但飛黃玉蘭與玉蘭花粉外壁外表光滑，玉燈玉蘭花粉外壁較粗糙，且玉蘭為較淺的溝狀紋飾，玉燈玉蘭花粉外壁為密集的網(wǎng)瘤狀紋飾，飛黃玉蘭花粉外壁只要隱約網(wǎng)狀紋飾。另外，飛黃玉蘭花瓣為淡黃色，而玉燈玉蘭與玉蘭花瓣都為白色，且花型更為相近，與花粉聚類結(jié)果一樣，證實玉燈玉蘭和玉蘭的親緣關(guān)系較近。在兩大分類群中，黃鳥玉蘭是漸尖玉蘭〔M.acuminata〕的品種，起源于美洲，在聚類結(jié)果中與紫玉蘭近期，與其他種均較遠(yuǎn)，這恰好符合了Dandy系統(tǒng)和劉玉壺系統(tǒng)中將紫玉蘭與漸尖玉蘭同歸為紫玉蘭組的分類方式方法。紅花玉蘭根據(jù)花粉形態(tài)聚類到玉蘭組，與望春玉蘭、紫玉蘭相比，與玉蘭、武當(dāng)玉蘭、二喬玉蘭的遺傳關(guān)系近期，與前人的分析結(jié)果一致[24].3結(jié)束語根據(jù)Walker花粉外表紋飾演化趨勢理論[25],花粉進(jìn)化表現(xiàn)為外表光滑外表具小孔穴、溝狀雕紋粗糙具疣狀雕紋外表顆粒狀、瘤狀、棒狀、紡錘狀、刺狀外表皺狀、網(wǎng)狀、條紋狀。玉蘭亞屬13個種〔品種〕的花粉形態(tài)特征表現(xiàn)存在差異，表示清楚能夠通過觀察和分析花粉形態(tài)異同判定鑒別其進(jìn)化程度：玉蘭、日本辛夷、二喬玉蘭、飛黃玉蘭的花粉外表光滑，相對較原始；天目玉蘭、紅花玉蘭、黃山木蘭、紫玉蘭、黃鳥玉蘭的花粉外表較粗糙，進(jìn)化程度更高層次。研究支持將玉蘭亞屬分為玉蘭組、望春玉蘭組和紫玉蘭組，玉蘭組包含天目玉蘭、二喬玉蘭、玉蘭、武當(dāng)木蘭、紅花玉蘭、玉燈玉蘭、飛黃玉蘭；望春玉蘭組包含望春玉蘭、日本辛夷、黃山木蘭、星花木蘭；紫玉蘭組包含紫玉蘭、黃鳥玉蘭?？傊?，玉蘭亞屬的系統(tǒng)進(jìn)化研究對于物種鑒定、瀕危物種的保衛(wèi)以及中藥學(xué)[26]的發(fā)展具有極高的科學(xué)價值和宏大的生產(chǎn)實踐意義。以孢粉學(xué)作為討論玉蘭亞屬植物系統(tǒng)進(jìn)化演變歷程，研究13個種〔包括3品種〕具有代表性的玉蘭亞屬植物展示了玉蘭亞屬花粉的重要特征，鑒別了其親緣關(guān)系遠(yuǎn)近和系統(tǒng)進(jìn)化順序，有利于進(jìn)一步摸清玉蘭亞屬演化脈絡(luò)，遵循進(jìn)化道路，開掘更多雜交新品種可能性。然而，花粉形態(tài)特征與花葉形態(tài)、基因組信息有一定程度的相關(guān)性，從單一孢粉學(xué)分析并不能排除基因變異、生長環(huán)境等干擾，因而，還需要進(jìn)一步結(jié)合形態(tài)學(xué)、基因組學(xué)綜合分析。以下為參考文獻(xiàn)[1]傅大立。玉蘭屬的研究[J].武漢植物學(xué)研究，2001,19〔3〕:191-198.[2]DANDYJE.MagnoliaceaeⅠ[M]//HUTCHINSONJ.Thegeneraoffloweringplants.Oxford:ClarendonPress,1964:50-57.[3]劉玉壺。木蘭科分類系統(tǒng)的初步研究[J].植物分類學(xué)報，1984,22〔2〕:89-109.[4]CHENBL,NOOTEBOOMHP.NotesonMagnoliaceaeIII:theMagnoliaceaeofChina[J].AnnalsoftheMissouriBotanicalGarden,1993,80〔4〕:999-1104.[5]CALLAWAYDJ.Theworldofmagnolias[M].Oregon:TimberPress,1994.[6]傅大立。辛夷植物資源分類及新品種選育研究[D].長沙：中南林學(xué)院，2001.[7]王亞玲。玉蘭亞屬的研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2004.[8]劉秀麗。中國玉蘭種質(zhì)資源調(diào)查及親緣關(guān)系的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2020.[9]司馬永康，陸樹剛，韓明躍，等。木蘭科系統(tǒng)分類學(xué)研究動態(tài)[J].西部林業(yè)科學(xué)，2020,41〔1〕:116-127.[10]林小涵。銀杏和木蘭屬植物的轉(zhuǎn)錄組、葉綠體基因組及其相關(guān)研究[D].北京：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2018.[11]LIJ.Acladisticanalysisofmagnoliaceae[J].ActaBotanicaYunnanica,1996,19〔4〕:342-356.[12]王峻鵬。木蘭屬一些植物的形態(tài)解剖與園林應(yīng)用討論[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2008.[13]王延秀，陳佰鴻，王淑華，等。11個觀賞海棠品種花粉形態(tài)掃描電鏡觀察[J].植物研究，2020,34〔6〕:751-757.[14]CANRIGHTJE.ThecomparativemorphologyandrelationshipsoftheMagnoliaceaeII:Significanceofpollen[J].Phytomorphology,1953〔3〕:355-365.[15]AGABABIANVS.PollenmorphologyofthefamilyMagnoliaceae[J].Grana,1972,12〔3〕:166-176.[16]PRAGLOWSKIJ.Worldpollenandsporeflora[M].Stockholm:AlmqvistWid