崔大方,羊海軍,趙業(yè)彬,李慶艷,陳考科
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院;b.公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;c.生命科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510642)
紫花苜蓿復(fù)合體 (Medicagosativacomp lex)是由紫花苜蓿 (M.sativaL.)和與之容易雜交并能產(chǎn)生可育后代的種類(lèi)共同構(gòu)成的復(fù)合群體,包括紫花苜蓿、黃花苜蓿 (M.falcataL.)以及分布于高加索、中亞細(xì)亞、西伯利亞和中國(guó)新疆一帶的天然雜交類(lèi)群,如天山苜蓿 (M.tianschanicaVassilcz.)、西錫金苜蓿 (M. schischkiniiSum nev.)、伊犁苜 蓿(M.subdicyclaVassilcz.)、密序苜蓿 (M.agropyretorumVassilcz.)、大花苜蓿 (M.trautvetteriiSum nev.)和座墊苜蓿 (M. rivularisV assilcz.)等[1-2],大體包括 3類(lèi)表型:1)開(kāi)紫色花,莢果螺旋盤(pán)卷;2)開(kāi)黃色花,莢果鐮狀彎曲或稍直;3)介于前兩者之間,花色多樣,莢果鐮狀彎曲至螺旋盤(pán)卷。其中第 3類(lèi)植物在形態(tài)上有許多重疊,彼此的界限極為模糊,分類(lèi)學(xué)爭(zhēng)議較大,成為植物分類(lèi)學(xué)研究的重點(diǎn)。1982年,Sm all等采用 2個(gè)元素特征 (Ca和 S)及 12個(gè)形態(tài)特征對(duì)M.sativa-falcata連續(xù)體進(jìn)行了數(shù)量分析[3];1984年,Sm all等根據(jù)花色、生長(zhǎng)習(xí)性和莢果盤(pán)卷圈數(shù)展示了紫花苜蓿、黃花苜蓿和多變苜蓿 (M.variaM artyn)三者之間的連續(xù)性變異特點(diǎn)[4];Quiros等利用蛋白標(biāo)記,將可能與紫花苜蓿天然雜交的M.falcata、M.cretaceaM.B ieb.、M. varia、M.tunetataM urb.和M.glutinosaM.B ieb.合并稱(chēng)為紫花苜蓿復(fù)合體[5];1989年,Sm all等總結(jié)了苜蓿屬(MedicagoL.)的分類(lèi)進(jìn)展,支持將多變苜蓿和黃花苜蓿劃分為紫花苜蓿的 2個(gè)亞種,即M.sativassp.varia(M artyn)A rcang.及M.sativassp.falcata(L.)A rcang.[6];何詠松等則認(rèn)為紫花苜蓿和黃花苜蓿同屬 1個(gè)種的 2個(gè)亞種或生物型或生態(tài)型[7];崔大方等[8]和耿華珠[9]通過(guò)葉、花、果、花粉形態(tài)以及染色體核型分析,將黃花苜蓿與紫花苜蓿的天然雜交類(lèi)群歸并為多變苜蓿,并在多變苜蓿內(nèi)新組合了若干種下分類(lèi)群;李擁軍等采用種子貯藏蛋白分析技術(shù)和RAPD分子標(biāo)記技術(shù),支持將紫花苜蓿復(fù)合體劃分為3個(gè)亞種,即M.sativassp.sativa、M.sativassp.varia和M.sativassp.falcata,并發(fā)現(xiàn)前 2個(gè)亞種間的遺傳差異相對(duì)較小,而二者與第 3個(gè)亞種間的遺傳差異相對(duì)較大[10-11];孫毅等根據(jù)核糖體 DNA的 ITS序列分析結(jié)果將黃花苜蓿與紫花苜蓿并入 1個(gè)種[12]。
綜上所述,由于長(zhǎng)期以來(lái)在不同地理?xiàng)l件下雜交和分離,紫花苜蓿與黃花苜蓿的基因重新組合,出現(xiàn)了許多天然雜交類(lèi)群,子代和親本類(lèi)型多樣,這些類(lèi)群的分類(lèi)歸屬問(wèn)題一直未能得到科學(xué)合理的解決。為此,在前期工作的基礎(chǔ)上,作者對(duì)紫花苜蓿復(fù)合體的葉部表征形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的觀察,并運(yùn)用比較形態(tài)學(xué)、比較解剖學(xué)和數(shù)量分類(lèi)學(xué)等研究方法對(duì)紫花苜蓿復(fù)合體進(jìn)行比較分析,為解決紫花苜蓿復(fù)合體中各分類(lèi)群的分類(lèi)歸屬問(wèn)題提供研究依據(jù)。
供試紫花苜蓿復(fù)合體分類(lèi)群的具體信息見(jiàn)表 1,憑證標(biāo)本保存于新疆師范大學(xué)植物標(biāo)本室(XJNU)。
1.2.1 葉表皮顯微特征的觀察方法 選取標(biāo)本上部完好的成熟葉片,在小葉中部中脈附近剪取 0.5 cm×0.5 cm的小片,浸泡在V(體積分?jǐn)?shù) 30%過(guò)氧化氫)∶V(乙酸)=1∶1的混合溶液中;60℃溫箱中靜置 3~5h后,用蒸餾水沖洗干凈;剝?nèi)∪~表皮,用體積分?jǐn)?shù)10%過(guò)氧化氫溶液漂白 5~10m in,再用質(zhì)量體積分?jǐn)?shù) 1%番紅溶液染色 20~30 m in,然后用體積分?jǐn)?shù)1%的甘油封片。在 DMLB型顯微鏡 (德國(guó)萊卡公司生產(chǎn))下觀察并照相。氣孔密度為 15個(gè)觀察視野的平均值。
表 1 供試紫花苜蓿復(fù)合體各分類(lèi)群的憑證標(biāo)本信息Tab le 1 In form a tion of voucher spec im en s of tested taxa in M ed icago sa tiva com p lex
1.2.2 葉表皮亞顯微特征的觀察方法 選取標(biāo)本上部完好的成熟葉片,經(jīng)體積分?jǐn)?shù) 10%過(guò)氧化氫溶液漂白 5~10m in,用純凈水洗凈,再用體積分?jǐn)?shù) 30%~100%的乙醇進(jìn)行梯度脫水,用雙面膠將葉片固定在樣品臺(tái)上鍍膜噴金后,用 XL-30-ESEM型環(huán)境掃描電鏡(荷蘭菲利普公司生產(chǎn))觀察并照相。
1.2.3 葉片組織結(jié)構(gòu)的觀察方法 采用石蠟切片法觀察葉片的解剖結(jié)構(gòu)特征。從葉片中部至邊緣切取面積 0.5 cm×0.5 cm的小片(包含中脈),用 FAA溶液固定后,用體積分?jǐn)?shù) 50%~100%的乙醇進(jìn)行梯度脫水,然后用二甲苯透明處理,并用石蠟包埋后切片,切片厚度 8~10μm,番紅 -固綠對(duì)染,中性樹(shù)膠封片。在DMLB型顯微鏡下觀察、測(cè)量并照相。其中,葉片、柵欄組織和海綿組織厚度各測(cè)量 30個(gè)數(shù)值,計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差以及組織疏松度和緊縮度。疏松度 =(海綿組織厚度/葉片厚度)×100%;緊縮度 = (柵欄組織厚度/葉片厚度)×100%。
1.2.4 分類(lèi)群的表征分析方法 基于表征形態(tài)數(shù)據(jù)分別計(jì)算相關(guān)系數(shù)和平均歐氏距離,并采用UPGMA法進(jìn)行聚類(lèi)分析,然后選擇最優(yōu)者應(yīng)用結(jié)合線法進(jìn)行類(lèi)群劃分[13];采用主成分分析法探討紫花苜蓿復(fù)合體葉部特征的分類(lèi)學(xué)價(jià)值。
用于聚類(lèi)分析的葉片形態(tài)表征性狀包括 6個(gè)數(shù)量性狀及 9個(gè)定性性狀。數(shù)量性狀為上表皮氣孔密度、下表皮氣孔密度、葉片厚度、柵欄組織層數(shù)、組織疏松度、組織緊縮度。定性性狀及其賦值為:上表皮細(xì)胞形狀(不規(guī)則形 0,不規(guī)則形或多邊形 1);上表皮細(xì)胞長(zhǎng)短軸分化程度 (多數(shù)明顯 0,明顯或不明顯 1,少數(shù)明顯 2);上表皮細(xì)胞垂周壁式樣(深波狀 0,波狀至淺波狀 1,平直或弓形 2,其他 3);下表皮細(xì)胞形狀(不規(guī)則形 0,不規(guī)則形或多邊形 1);下表皮細(xì)胞長(zhǎng)短軸分化程度(多數(shù)明顯 0,明顯或不明顯 1,少數(shù)明顯2);下表皮細(xì)胞垂周壁式樣 (深波狀 0,波狀至淺波狀1,平直或弓形 2);表皮細(xì)胞切面形狀(近長(zhǎng)方形 0,近長(zhǎng)方形或近圓形 1,近圓形 2);柵欄組織細(xì)胞排列狀況(緊密 0,較緊密 1,較疏松 2,疏松 3);海綿組織細(xì)胞排列狀況(疏松 0,較疏松 1,較緊密 2,緊密 3)。
數(shù)據(jù)處理全部使用生物統(tǒng)計(jì)“NTSYS-PC”軟件包完成。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析,將原來(lái)的性狀作為運(yùn)算單位,計(jì)算相似性系數(shù)并組成相似性系數(shù)矩陣,所得矩陣用NTSYS-PC version 2.1e進(jìn)行處理。
聚類(lèi)分析程序?yàn)椋簩⒃季仃囉?Standardization子程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,然后用 Sim ilarity子程序中的Interval data求出歐氏距離矩陣,再用 C lustering程序中的 Shani子程序以UPGMA方法進(jìn)行聚類(lèi)。
主成分分析程序?yàn)椋簩⒃季仃囉?Standardization子程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,然后用 Sim ilarity子程序中的Interval data求出各變量的相關(guān)系數(shù),再用 O rdination中的 Eigen子程序算出特征值和特征向量等。
紫花苜蓿復(fù)合體 6個(gè)分類(lèi)群葉表皮亞顯微特征的觀察結(jié)果見(jiàn)圖版Ⅰ-1~6。紫花苜蓿、西錫金苜蓿、座墊苜蓿和天山苜蓿的下表皮細(xì)胞均為不規(guī)則形(圖版Ⅰ-1,3,4,6);黃花苜蓿和大花苜蓿的下表皮細(xì)胞多數(shù)為不規(guī)則形,少數(shù)呈多邊形(圖版Ⅰ-2,5)。根據(jù)波狀起伏程度,不規(guī)則形細(xì)胞的垂周壁式樣分為深波狀、波狀和淺波狀;多邊形細(xì)胞的垂周壁式樣有平直和弓形。根據(jù)細(xì)胞表面隆起程度,可分為 3類(lèi): 1)紫花苜蓿、西錫金苜蓿、天山苜蓿的細(xì)胞表面向上隆起呈山丘狀,后者稍不明顯;2)黃花苜蓿和座墊苜蓿的細(xì)胞表面平整或近平整;3)大花苜蓿的細(xì)胞表面近平整或向下凹陷。各分類(lèi)群的下表皮都被有稀疏表皮毛和氣孔器。表皮毛均為單細(xì)胞非腺毛,基部膨大,先端銳尖,毛上有微小乳突。所有分類(lèi)群的氣孔器均由氣孔和保衛(wèi)細(xì)胞組成,并被 3~5個(gè)表皮細(xì)胞所包圍,屬不規(guī)則型氣孔器,并具有蠟質(zhì)氣孔蓋。
在光學(xué)顯微鏡下,紫花苜蓿復(fù)合體各分類(lèi)群葉片上、下表皮的細(xì)胞形狀、長(zhǎng)短軸分化程度、垂周壁式樣、氣孔器類(lèi)型及氣孔密度的觀察和統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖版Ⅰ-7~12和表 2。光學(xué)顯微鏡下這 6個(gè)分類(lèi)群葉表皮的形態(tài)特征(圖版Ⅰ-7~12)與掃描電鏡觀察結(jié)果基本相似。除黃花苜蓿的上、下表皮細(xì)胞有少量呈多邊形、多數(shù)呈不規(guī)則形外,其余分類(lèi)群葉表皮細(xì)胞均為不規(guī)則形;大部分分類(lèi)群的葉表皮細(xì)胞長(zhǎng)短軸明顯;垂周壁呈波狀,但有深淺之分,其中黃花苜蓿上、下表皮細(xì)胞的垂周壁盡管也為波狀至淺波狀,但也有垂周壁呈平直或弓形,與其他分類(lèi)群有所不同;6個(gè)分類(lèi)群葉表皮氣孔器均屬不規(guī)則型,上、下表皮均有氣孔,且上表皮氣孔密度大于下表皮 (天山苜蓿除外),其中黃花苜蓿葉片上、下表皮的氣孔密度均最大,分別為 237和 188mm-2。
表 2 光學(xué)顯微鏡下紫花苜蓿復(fù)合體不同分類(lèi)群葉表皮形態(tài)特征的觀察結(jié)果Tab le 2 O bserva tion resu lt ofm orpholog ica l characters of lea f ep iderm is of d ifferen t taxa in M ed icago sa tiva com p lex by LM
供試的紫花苜蓿復(fù)合體 6個(gè)分類(lèi)群的葉片解剖結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表 3和圖版Ⅱ。6個(gè)紫花苜蓿復(fù)合體分類(lèi)群的葉片解剖結(jié)構(gòu)特征相似:葉片均為薄紙質(zhì)型,厚度相差不大,為 130~170μm;上、下表皮細(xì)胞切面觀為近圓形或近長(zhǎng)方形。柵欄組織具有 1~2層細(xì)胞,厚度為 41~68μm;通??拷砥さ牡?1層?xùn)艡诮M織細(xì)胞呈長(zhǎng)圓柱狀,排列相對(duì)緊密;第 2層?xùn)艡诮M織細(xì)胞呈短圓柱狀,排列較第 1層相對(duì)疏松。海綿組織厚度差別較大,為 32~75μm,細(xì)胞排列較疏松。
表 3顯示,紫花苜蓿復(fù)合體 6個(gè)分類(lèi)群葉片細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的差異較明顯,其中組織疏松度最大的為大花苜蓿(57.46%),最小的為紫花苜蓿 (24.85%),前者是后者的 2.31倍;組織緊縮度最大的為紫花苜蓿(51.70%),最小的為大花苜蓿 (31.56%),前者是后者的 1.64倍。
表 3 紫花苜蓿復(fù)合體不同分類(lèi)群葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的觀察結(jié)果1)Tab le 3 O bserva tion resu lt of leaf ana tom ica l structure fea tures of d ifferen t taxa in M ed icago sa tiva com p lex1)
基于 15個(gè)葉片表征形態(tài)性狀的紫花苜蓿復(fù)合體各分類(lèi)群的UPGMA聚類(lèi)分析結(jié)果見(jiàn)圖 1。應(yīng)用結(jié)合線法[13]劃分類(lèi)群時(shí),在結(jié)合過(guò)程中,前 4次結(jié)合水平變化平緩,而第 5次結(jié)合水平迅速提高,產(chǎn)生了 1次飛躍。如果取飛躍前后 2次結(jié)合水平的平均值 1.53 (歐氏距離)作為劃分類(lèi)群的標(biāo)準(zhǔn),則可得到 2支,其中黃花苜蓿獨(dú)立為一支,其余 5個(gè)分類(lèi)群聚成另一支。此處的結(jié)合水平可以作為種的界線。從劃分結(jié)果看,中國(guó)境內(nèi)的紫花苜蓿復(fù)合體應(yīng)包含 2個(gè)種,即黃花苜蓿和紫花苜蓿。當(dāng)結(jié)合水平取1.18(歐氏距離)時(shí),第 2支又被分成 2個(gè)亞支,其中一個(gè)亞支包含紫花苜蓿和天山苜蓿,另一個(gè)亞支則包括西錫金苜蓿、座墊苜蓿和大花苜蓿,由此可以看出它們的相似性程度極高,且與紫花苜蓿的距離更近。
圖1 紫花苜蓿復(fù)合體不同分類(lèi)群的 UPGM A聚類(lèi)分析結(jié)果F ig.1 C luster ana lysis resu lt of UPGM A of d ifferen t taxa in M ed icago sa tiva com p lex
基于 15個(gè)葉片表征形態(tài)性狀的紫花苜蓿復(fù)合體各分類(lèi)群的主成分分析 Q分布圖見(jiàn)圖 2,結(jié)果顯示,主成分分析Q分布圖的結(jié)果與基于歐氏距離進(jìn)行的聚類(lèi)分析結(jié)果有較高的一致性。
圖 2 紫花苜蓿復(fù)合體不同分類(lèi)群主成分分析的 Q分布圖F ig.2 Q d istr ibution m ap of pr incipa l com ponen t ana lysis of d ifferen t taxa in M ed icago sa tiva com p lex
主成分分析結(jié)果 (表4)表明,前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá) 85.14%,足以代表全部性狀所提供的信息。第 1主成分的貢獻(xiàn)率達(dá) 53.55%,是認(rèn)識(shí)紫花苜蓿復(fù)合體的主要方面,各性狀的絕對(duì)權(quán)重值主要是表皮細(xì)胞形狀、垂周壁式樣和氣孔密度的差異性反映,實(shí)際情況有 2種不同的傾向:一種表現(xiàn)為表皮細(xì)胞形狀不規(guī)則、垂周壁波狀至深波狀、氣孔密度較??;另一種表現(xiàn)為部分表皮細(xì)胞規(guī)則、垂周壁淺波狀至平直、氣孔密度較大。第 2主成分的貢獻(xiàn)率為 19.13%,主要反映了葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的致密性。第 3主成分的貢獻(xiàn)率為 12.46%,主要反映了表皮細(xì)胞的軸性分化特征。因此,對(duì)于紫花苜蓿復(fù)合體各分類(lèi)群而言,葉片的表皮細(xì)胞形狀、垂周壁式樣、軸性分化特征、組織疏松度和氣孔密度等性狀具有較好的分類(lèi)價(jià)值。
表 4 紫花苜蓿復(fù)合體葉部特征的主成分分析結(jié)果1)Tab le 4 Resu lt of pr incipa l com ponen tana lysisof leaf character istics of M ed icago sa tiva com p lex1)
中國(guó)境內(nèi)的紫花苜蓿復(fù)合體在組成上相對(duì)簡(jiǎn)單,《中國(guó)植物志》記載該復(fù)合體包括 3種 1變種[14],而文獻(xiàn)[9]記載該復(fù)合體包括 3種 2變種 6變型,這兩種處理結(jié)果都將多變苜蓿置于種的層面上,只是后者又從中劃分出多個(gè)變型。分類(lèi)學(xué)家大都認(rèn)為多變苜蓿是Medicagosativa和M.falcata的雜交產(chǎn)物,具有較為完整的形態(tài)漸變,因而分類(lèi)困難。就本文涉及的多變苜蓿的次級(jí)分類(lèi)群而言,前蘇聯(lián)的有關(guān)植物志[1-2]常將該種處理成許多種,如:將分布于高加索、中亞細(xì)亞、西伯利亞和中國(guó)新疆一帶的相關(guān)天然雜交類(lèi)群 分 成M.schischkinii、M.tianschanica、M. agropyretorum、M.subdicycla、M.trautvetterii和M. rivularis等。歐美學(xué)者習(xí)慣傾向于生物學(xué)種,允許較大的形態(tài)變異尺度,故將這些變異類(lèi)型都?xì)w入多變苜蓿,并做為異名處理[15],由他們確認(rèn)的紫花苜蓿復(fù)合體不僅包括M.sativassp.×varia(M artyn)A rcang.,甚至將黃花苜?!睲.sativassp.falcata(L.)A rcang.〕也囊括其中。相比之下,中國(guó)學(xué)者的處理意見(jiàn)比較折中。作者基于紫花苜蓿復(fù)合體不同分類(lèi)群的葉部特征、應(yīng)用聚類(lèi)分析和結(jié)合線法劃分的分類(lèi)結(jié)果與傳統(tǒng)的分類(lèi)結(jié)果有所差別。結(jié)合水平取 1.53,可得到 2個(gè)分支,即黃花苜蓿和以紫花苜蓿為代表的一支,進(jìn)一步的劃分結(jié)果表明紫花苜蓿是一個(gè)多型種。這 2個(gè)分支的性別親和能力強(qiáng),基因交流容易,并且雜交后代的生活力絲毫沒(méi)有削弱的跡象,如果僅從性別親和力上考慮,理所當(dāng)然可以認(rèn)為它們是同一種。但是,高等植物間的性別隔離遠(yuǎn)沒(méi)有動(dòng)物那樣嚴(yán)格,并且在形態(tài)上 2個(gè)分支的差異又極為顯著,因此作者認(rèn)為將它們處理為 2個(gè)不同的種可能更加妥當(dāng)。
因表型變異幅度極大,多變苜蓿的歸屬問(wèn)題一直是分類(lèi)學(xué)上的難題。從聚類(lèi)分析的樹(shù)系圖看,多變苜蓿(本文中供試的為其異名的西錫金苜蓿、座墊苜蓿、天山苜蓿和大花苜蓿)與紫花苜蓿歸在一類(lèi),說(shuō)明多變苜蓿與紫花苜蓿的相似性水平較之與黃花苜蓿明顯要高,這與李擁軍等[10-11]的研究結(jié)果一致,但它們?cè)谛螒B(tài)特征上仍然存在一定的差異,這一點(diǎn)與《中國(guó)植物志》上的分類(lèi)處理是一致的,所以,作者認(rèn)為將多變苜蓿處理為獨(dú)立的種有一定的合理性。
綜上所述,作者認(rèn)為多變苜蓿起源于黃花苜蓿和紫花苜蓿的雜交,葉部形態(tài)特征更接近于紫花苜蓿。國(guó)產(chǎn)的紫花苜蓿復(fù)合體包含 3個(gè)分類(lèi)群,即紫花苜蓿、黃花苜蓿及多變苜蓿。從葉片的形態(tài)特征聚類(lèi)分析結(jié)果看,前蘇聯(lián)學(xué)者曾作為種級(jí)單位命名的一些雜交后代分類(lèi)群(如西錫金苜蓿、座墊苜蓿、天山苜蓿和大花苜蓿等)的性狀分化不穩(wěn)定,它們都應(yīng)屬于多變苜蓿的同種異名植物。
基于不同相似性系數(shù)所得到的聚類(lèi)分析結(jié)果存在差別,而基于歐氏距離的聚類(lèi)分析結(jié)果與主成分分析中的Q分析結(jié)果較吻合,因而,根據(jù)歐氏距離進(jìn)行的聚類(lèi)分析結(jié)果更加可靠,可作為劃分紫花苜蓿復(fù)合體分類(lèi)群的基礎(chǔ)。
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