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確認該屬全世界有24種,可分為凈果組和斑果組。李惠林認為該屬為36個種和一些變種(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),目前一般認為該屬約有63種,其中59種原產(chǎn)于我國(崔致學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)和倍性上的過渡類型,加之某些物種在發(fā)表時缺乏部分必要的形態(tài)特征描述,因而不同學者對該屬植物種的界定、組的劃分及其系統(tǒng)發(fā)育關系存在不同的看法。植物葉表皮毛微形態(tài)特征在分類學研究中發(fā)揮著重要的作用(方炎明等1993,梁紅平等1990,馬義倫1987,Hardin1979,安爭夕1975)。獼猴桃屬現(xiàn)有分類系統(tǒng)中(梁疇芬等,1984)的4個組(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)學特征為主要依據(jù)的(崔致學1993,梁疇芬等1984)。例如,凈果組和斑果組是以葉表皮無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,人們對該屬植物葉表皮毛形態(tài)特征的認識卻十分有限,尤其缺乏嚴格的劃分標準,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)育關系及其性狀進化是十分必要的。本文選取我國獼猴桃屬植物35個分類群(包括種、變種和多倍體)的代表植株,利用光鏡對其新鮮葉表皮毛的微形態(tài)、細胞結構、分布密度和存留特征等性狀進行了觀察和測量。在此基礎上,建立觀測數(shù)據(jù)矩陣,應用Wagner法和UPGMA聚類法分別進行分支分析和表征分析,以期對研究獼猴桃屬的系統(tǒng)發(fā)育關系、葉表皮毛微形態(tài)特征的進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驗材料均采自中國科學院武漢植物研究所獼猴桃組種質資源圃。各分類群的名稱和縮寫詳見表1,其中,32個種和變種原產(chǎn)于我國,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體植株進行觀察、比較。對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(定型后至少生長兩個月以上的葉片)表皮毛,用Olympus顯微鏡觀察、測量和拍照。每個分類群選取代表植株2～3株,不同發(fā)育時期葉片各選5枚,每枚至少觀察10個視野。1.2獼猴桃屬的分類統(tǒng)計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)則明確將水東哥屬從獼猴桃科中分出,獨立為水東哥科Saurauiaceae。張芝玉(1987)根據(jù)孢粉學研究結果并結合3個屬的外部形態(tài)、花部結構、染色體數(shù)目以及分布區(qū)方面的比較分析,支持將水東哥屬獨立為科的觀點。因而,我們在本項研究中選取獼猴桃屬的29個種(部分種用一個變種代表)為分類運算單位(OTU),藤山柳Clematoclethralasioclada作為獼猴桃屬分支分析的外類群;運用外類群比較法,對19個葉表皮毛的微形態(tài)性狀進行了極性化,即區(qū)分祖征和衍征。各性狀及其狀態(tài)編碼見表2,原始數(shù)據(jù)矩陣見附錄。應用PHYLIP3.572c軟件包(Felsenstein1997)中的FACTOR程序,將原始數(shù)據(jù)矩陣轉換為二元數(shù)據(jù)矩陣(見附錄);應用MIX程序(Wagner法)對二元數(shù)據(jù)矩陣構建最簡約樹(mostparsimonioustree,MPT)(Farris1971);應用CONSENSE程序獲得一個嚴格一致樹(strictconsensustree)(鐘揚等1994,Sokaletal.1981)。1.3原始數(shù)據(jù)及聚類分析用于表征分析的43個性狀及其性狀狀態(tài)編碼見表3,其中數(shù)量性狀均取最大觀測值。選取獼猴桃屬的35個種、變種和多倍體作為分類運算單位,對應的數(shù)據(jù)矩陣見附錄。對原始數(shù)據(jù)矩陣進行正規(guī)化(normalization)處理后,采用平均歐氏距離系數(shù)和UPGMA法進行聚類分析(鐘揚等1990,Sneath&Sokal1973);應用結合線法(鐘揚1990,徐克學等1983),對樹系圖進行了進一步分劃。全部計算采用自行編制的C語言程序,在中國科學院武漢植物研究所計算機室完成。2結果和分析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)和細胞結構可歸為以下6大類型(其中4個類型還可進一步細分)。類型Ⅰ單細胞毛(single-cellhairs)。由單細胞組成,細長、壁厚、漸尖。僅見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)。由多細胞線形排列組成,或直或彎?？煞譃?類。(a)線形毛。毛細,由3～7個細胞組成,毛先端圓,常見于凈果組部分植株(圖版Ⅰ:2)。(b)泡狀毛。由多個泡狀細胞組成,基足細胞小,僅見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360°以上,多為單列,少二列,僅見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。相鄰細胞壁直,頂端細胞長而漸尖,一般散生,見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胞壁彎曲,常見于部分星毛組植株(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,說明曲壁毛可能由直壁毛發(fā)育而來。類型Ⅲ多列漸尖毛和急尖毛(graduallyandsuddenlysharpeningmultiseriatehairs)。基部細胞2列以上(最多可達20列以上,因物種而異),細胞列數(shù)由基部向頂端逐漸減少至單列,毛體漸尖,頂端細胞長而漸尖?？煞譃?類。(a)多列直壁漸尖毛。細胞壁直,毛體漸成單列,常見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(基部細胞20列以上)的漸尖毛發(fā)育過程。而多列曲壁漸尖毛分有二叉的現(xiàn)象僅見于美麗獼猴桃(圖版Ⅱ:7)。(c)多列直壁急尖毛。細胞壁直,毛體急劇收縮成單列,僅見于星毛組的黃毛獼猴桃。(d)多列曲壁急尖毛。細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)育過程。類型Ⅳ多列粗毛(multiseriatethickhairs)?；考毎嗔?頂端細胞2列以上稱為粗毛?？煞譃?類。(a)柱狀毛。毛柱狀,細胞壁直,排列緊密,常見于凈果組和部分斑果組植物(圖版Ⅱ:10～11)。(b)漸尖粗毛。毛長而漸尖,僅見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、由多個單列薄壁細胞聚集于一點,有細長柄、2～3細胞組成,易枯萎和脫落,僅見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個以上的單毛聚合而成,分枝毛少有2細胞(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,無柄,形同蓮花狀,稱為蓮座(星狀)毛(rosulatehairs),僅見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度幾乎相等的,稱為盾狀星狀毛(peltate-stellatehairs),僅見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)中單系和復系的組成基于附錄1中的數(shù)據(jù)矩陣及轉換后的二元數(shù)據(jù)矩陣,應用簡約性分析中的Wagner方法,獲得最簡約分支樹(MPT)。這些MPT的一個嚴格一致樹見圖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個分類群構成單系類群(monophyleticgroup),而其它3個組均構成單系類群。以斑果組sect.Maculatae為例,本研究中的8個類群分布于分支樹的幾個分支上,構成了復系類群(polyphyleticgroup)?？傊?基于葉表皮毛微形態(tài)特征的分支分析結果支持獼猴桃屬現(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表征分析獲得的樹系圖見圖2。應用結合線法(L=0.8982),將35個分類群劃分為5大類(忽略單個分類群組成的類)。第Ⅰ類,包含3個分類群(IN,CR,RU),全為斑果組中具泡狀毛的成員。第Ⅱ類,包含7個分類群(AR,ME,PO,MAA,KO,VA,MAU),全為凈果組成員。第Ⅲ類,包含10個分類群,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一步分為3個小類。(a)包含5個分類群(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個分類群(LI,GLA),其毛的列數(shù)分別為1和4,星狀毛具較長的柄。第Ⅳ類,包含4個分類群(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,星狀毛無柄。第Ⅴ類,包含2個分類群(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)結構我們對中國獼猴桃屬35個分類群和藤山柳(作為分支分析外類群)的葉表皮毛微形態(tài)特征進行了觀測和比較,將大約17個特征劃分為6個類型。其中,對單列毛、多列漸尖毛和多列急尖毛的定量觀測表明,這些毛的基部細胞列數(shù)、相鄰細胞壁的曲直程度以及毛長度在該屬內(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研究獼猴桃屬的系統(tǒng)發(fā)育關系最為重要。需要說明的是,梁疇芬等(1984)系統(tǒng)中斑果組成員的毛類型極為復雜。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。從葉表皮毛類型來看,該組可能是凈果組和星毛組的一個中間過渡類型。總之,獼猴桃屬葉表皮毛微形態(tài)結構的類型、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,一些重要的類型對該屬植物間的系統(tǒng)發(fā)育和親緣關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,因此應注意選擇發(fā)育良好的成熟毛狀體進行微形態(tài)特征研究。3.2近緣物種組成的變化本文基于國產(chǎn)獼猴桃屬35個分類群的葉表皮毛微形態(tài)特征,對該屬進行了分支分析和表征分析。上述兩個結果均支持梁疇芬等(1984)系統(tǒng)中關于凈果組的劃分,但不支持其它3個組。因而,對該屬植物的各種性狀及其系統(tǒng)學意義進行全面、綜合的研究仍是十分必要的。關于中華獼猴桃和美味獼猴桃間的親緣關系,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,進行了分支分析。結果認為兩者應屬同一物種復合體的兩個近緣物種。李瑞高等(1996)通過對綠果獼猴桃的形態(tài)特征和地理分布的研究,認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果。本項研究中表征分析的結果也反映了中華獼猴桃和美味獼猴桃具有較近的關系,同時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。關于硬齒獼猴桃的兩個變種(京梨獼猴桃CAH和異色獼猴桃CAD)的關系,從分支分析的結果看,由于兩者和清風藤獼猴桃(SA)都具有多列直壁毛而構成一個單