瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物葉表皮微形態(tài)掃描電鏡觀察

林婷婷 寧梅紅 王任翔 邵文

摘 要： 瘤足蕨科是一個(gè)自然的群，但由于各類(lèi)群之間的形態(tài)差異及種內(nèi)變異比較大，其分類(lèi)和系統(tǒng)位置一直有爭(zhēng)議。該研究利用掃描電子顯微鏡對(duì)瘤足蕨科10種及其近緣類(lèi)群桫欏科2種、蚌殼蕨科1種共13種植物，即瘤足蕨（Plagiogyria adnata）、耳形瘤足蕨（P. stenoptera）、鐮羽瘤足蕨（P. falcata）、峨嵋瘤足蕨（P.assurgens）、密羽瘤足蕨（P. pycnophylla）、灰背瘤足蕨（P. glauca）、華東瘤足蕨（P. japonica）、華中瘤足蕨（P. euphlebia）、日本瘤足蕨（P. matsumureana）、美洲瘤足蕨（P. pectinata）、桫欏（Alsophila spinulosa）、西亞黑桫欏（A. khasyana）和金毛狗（Cibotium barometz）的葉表皮微形態(tài)進(jìn)行了觀察和比較，探討其分類(lèi)學(xué)意義，并據(jù)此編制了供試10個(gè)種類(lèi)的分類(lèi)檢索表。結(jié)果表明：13種瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物氣孔均僅分布在葉下表皮，氣孔微下陷，氣孔器橢圓形至圓形；葉上下表皮角質(zhì)層紋飾復(fù)雜，類(lèi)型多樣，少數(shù)類(lèi)群葉下表皮具毛狀物；多數(shù)類(lèi)群氣孔外拱蓋凹陷；氣孔外拱蓋內(nèi)緣淺波狀或齒狀；保衛(wèi)細(xì)胞兩極大多數(shù)有明顯的“T”型加厚。不同種間葉表皮掃描電鏡特征表現(xiàn)出一定差異，對(duì)種的劃分有一定的分類(lèi)學(xué)鑒定意義。

關(guān)鍵詞： 瘤足蕨科， 桫欏科， 蚌殼蕨科， 葉表皮， 掃描電子顯微鏡

中圖分類(lèi)號(hào)： Q944.56

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1000-3142（2018）02-0233-08

Micromorphology of leaf epidermis in Plagiogyriaceae and its related taxa under SEM

LIN Tingting1， NING Meihong1， WANG Renxiang1*， SHAO Wen2

（ 1. College of Life Sciences， Guangxi Normal University， Guilin 541004， Guangxi， China； 2. Shanghai Chenshan Plant Science Research Center， CAS， Shanghai 201602， China ）

Abstract： Plagiogyriaceae is a natural fern group with some classification and systmatics controversy because of more morphological differences exist infra and interspecies. The leaf epidermises of ten species of Plagiogyriaceae： Plagiogyria adnata， P. stenoptera， P. falcata， P. assurgens， P. pycnophylla， P. glauca， P. japonica， P. euphlebia， P. matsumureana and P. pectinata， and two species of Cyatheaceae （Alsophila spinulosa and A. khasyana） and one species of Dicksoniaceae （Cibotium barometz） of its related taxa were observed and compared by scanning electron microscope （SEM）， and its taxonomical significance was discussed. Hereby， key to ten species tested was also compiled. The stomatal apparatus were oval to circular and restricted in abaxial epidermises for all species. The cuticular membrane of the adaxial leaf epidermis was complicated and some hairs in abaxial epidermis. The patterns of anticlinal walls were depressed. The inner margin of the outer stomatal rim was often sinuous and odontoid， and “T” shape， upright outer stomatal rims occurred in most species. The microcharacters of leaf epidermises can be used as evidence for the classification of the interspecies in Plagiogyriaceae.

Key words： Plagiogyriaceae， Cyatheaceae， Dicksoniaceae， leaf epidermis， scanning electron microscope

瘤足蕨科（Plagiogyriaceae）是一單屬科，只含瘤足蕨屬[Plagiogyria （Kunze） Mett.]，為亞洲熱帶亞熱帶和美洲亞熱帶間斷分布，全世界有11種，其中中國(guó)有8種，中國(guó)西南部山區(qū)為其分布中心（Bower，1926；Copeland，1929；Ching，1958；吳兆洪和秦仁昌，1991；Zhang & Nooteboom，1998）。瘤足蕨科是一個(gè)自然的群，但由于各類(lèi)群之間的形態(tài)差異及種內(nèi)變異比較大，其分類(lèi)和系統(tǒng)位置一直有爭(zhēng)議（Bower，1926；Copeland，1929；Ching，1958；Korall et al，2006）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)其形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、孢粉學(xué)和分子系統(tǒng)學(xué)進(jìn)行了大量研究（Ching，1958；Nayar，1970；Mickel，1974；Zhang & Nooteboom，1998；Korall et al，2006），但依據(jù)葉表皮掃描電鏡特征，如葉表皮角質(zhì)層及其蠟質(zhì)紋飾、氣孔外拱蓋、氣孔外拱蓋內(nèi)緣、保衛(wèi)細(xì)胞兩極“T”型加厚等形態(tài)特征對(duì)瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物的研究尚欠缺。

植物葉表皮微形態(tài)主要受遺傳因子所控制，其性狀較穩(wěn)定，在植物分類(lèi)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)上有重要意義（Culter，1979）。其形態(tài)的特異性可為屬內(nèi)種的分類(lèi)和系統(tǒng)學(xué)研究提供有價(jià)值的依據(jù)（王任翔和陸樹(shù)剛，2010；王東超等，2012；曾妮等，2017）。本研究對(duì)瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物葉表皮微形態(tài)進(jìn)行了掃描電鏡的觀察比較研究，旨在為進(jìn)一步探討瘤足蕨科植物的分類(lèi)及系統(tǒng)位置等問(wèn)題提供微形態(tài)學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

觀察葉表皮微形態(tài)的材料來(lái)源見(jiàn)表1。憑證標(biāo)本存廣西師范大學(xué)標(biāo)本館。

1.2 方法

采取成熟葉片，先用毛筆將葉片輕輕擦拭，去除塵埃，再在葉脈中部相同部位各取2 mm × 2 mm大小的樣品為實(shí)驗(yàn)材料。先放入盛有95%酒精的燒杯中反復(fù)震蕩清洗，然后用100%酒精脫水；待酒精揮發(fā)后，先將葉片粘在雙面膠上，然后固定在樣品臺(tái)上，真空鍍膜后置于Quanta 200FDG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察拍照。葉表皮描述所用術(shù)語(yǔ)主要參考Wilkinson（1979）。

2 觀察結(jié)果

13種瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物氣孔均僅分布在葉下表皮，氣孔微下陷，氣孔器（包括氣孔及圍繞氣孔的兩個(gè)月芽形的保衛(wèi)細(xì)胞）橢圓形至圓形；但在掃描電鏡下，13種瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物在葉表皮角質(zhì)層特征、氣孔外拱蓋特征、氣孔外拱蓋內(nèi)緣特征、保衛(wèi)細(xì)胞兩極“T”型加厚特征以及毛狀物特征等方面都有一定差異。其具體特征見(jiàn)表2以及圖版Ⅰ和圖版Ⅱ。

3 討論

3.1 葉表皮掃描電鏡特征在瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物演化關(guān)系上的意義

瘤足蕨科是一個(gè)自然的群，但它的系統(tǒng)位置一直有爭(zhēng)議。在過(guò)去曾與桫欏類(lèi)放在一起，或置于鳳尾蕨類(lèi)與烏毛蕨類(lèi)之間的位置（Bower，1926；Copeland，1929；Ching，1958）。由于其外部形態(tài)在許多方面與紫箕科有共同之點(diǎn)，因此認(rèn)為它可能同紫萁科有一定的親緣關(guān)系（Nayar，1970；Mickel，1974）。目前，分子系統(tǒng)學(xué)認(rèn)為樹(shù)蕨類(lèi)植物如桫欏屬、白桫欏屬和金毛狗蕨屬在rbcL系統(tǒng)樹(shù)上組成一支，瘤足蕨屬為上述分支的基部類(lèi)群，認(rèn)為瘤足蕨科同樹(shù)蕨類(lèi)植物具有較近的系統(tǒng)關(guān)系（Zhang & Nooteboom，1998；Hasebe et al，1995；Pryer & Wolf，2004；Korall et al，2006；劉紅梅等， 2008；曹建國(guó)等， 2011），孢子萌發(fā)和配子體發(fā)育特征也支持該觀點(diǎn)（白詩(shī)敏等，2017）。

從表2及圖版Ⅰ、圖版Ⅱ可知，13種瘤足蕨科及其近緣類(lèi)群植物的氣孔均僅分布在葉下表皮，氣孔微下陷，氣孔器（包括氣孔及圍繞氣孔的兩個(gè)月芽形的保衛(wèi)細(xì)胞）橢圓形至圓形；多數(shù)類(lèi)群的氣孔外拱蓋為光滑，氣孔外拱蓋內(nèi)緣多為淺波狀；多數(shù)類(lèi)群保衛(wèi)細(xì)胞兩極有“T”型加厚，這些共同特征表明瘤足蕨科和桫欏科植物、蚌殼蕨科的金毛狗蕨屬植物有一定的親緣關(guān)系。

瘤足蕨科植物葉上下表皮角質(zhì)層及其蠟質(zhì)紋飾復(fù)雜多樣，有4種類(lèi)型，即（A）葉上表皮脊?fàn)钔蛊?，絲狀紋飾，葉下表皮脊?fàn)钔蛊?，光滑或絲狀紋飾；（B）葉上表皮脊?fàn)钔蛊穑z狀紋飾或絲狀、顆粒紋飾，葉下表皮脊?fàn)钔蛊?，毛狀物或密集毛狀物；（C）葉上表皮脊?fàn)钔蛊?，顆粒紋飾，葉下表皮脊?fàn)钔蛊?，絲狀紋飾；（D）葉上表皮蠕蟲(chóng)狀凸起，稀疏絲狀紋飾，葉下表皮蠕蟲(chóng)狀凸起，光滑。桫欏科的桫欏和西亞黑桫欏的葉上表皮蠕蟲(chóng)狀凸起、光滑，葉下表脊?fàn)钔蛊?、光滑。金毛狗和瘤足蕨科的峨嵋瘤足蕨和灰背瘤足蕨葉下表皮都有毛狀物存在，但其形態(tài)不一樣；峨嵋瘤足蕨和灰背瘤足蕨葉下表皮的毛狀物為長(zhǎng)條狀毛狀物，金毛狗葉下表皮的為弧狀毛狀物。瘤足蕨科植物氣孔長(zhǎng)度與保衛(wèi)細(xì)胞兩極“T”型加厚長(zhǎng)度比值大于1/2，而2種桫欏科的則明顯小于1/2，兩者差異明顯。因此，從葉表皮掃描電鏡特征看，瘤足蕨科和樹(shù)蕨類(lèi)的桫欏科、蚌殼蕨科又表現(xiàn)出明顯差異，與目前的配子體發(fā)育特征和分子系統(tǒng)學(xué)研究結(jié)果不一致（Zhang & Nooteboom，1998；Hasebe et al，1995；Pryer & Wolf，2004；劉紅梅等，2008；曹建國(guó)等，2011；白詩(shī)敏等，2017），其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究。

3.2 葉表皮掃描電鏡特征在瘤足蕨科植物種劃分上的意義

瘤足蕨科由于各類(lèi)群之間的形態(tài)差異及種內(nèi)變異比較大，且有不少性狀曾連續(xù)性變異，其分類(lèi)一直有爭(zhēng)議（Bower，1926；Ching，1958；吳兆洪和秦仁昌，1991；Korall et al，2006）。從表2及圖版I、II可知，從葉上下表皮角質(zhì)層及其蠟質(zhì)紋飾特征方面可以將瘤足蕨科植物分為四種類(lèi)型，即（A）葉上表皮脊?fàn)钔蛊?，絲狀紋飾，葉下表皮脊?fàn)钔蛊穑饣蚪z狀紋飾的有4種：瘤足蕨、耳形瘤足蕨、鐮羽瘤足蕨和日本瘤足蕨；（B）葉上表皮脊?fàn)钔蛊?，絲狀紋飾或絲狀、顆粒紋飾，葉下表皮脊?fàn)钔蛊?，毛狀物或密集毛狀物的?種：峨嵋瘤足蕨和灰背瘤足蕨；（C）葉上表皮脊?fàn)钔蛊?，顆粒紋飾，葉下表皮脊?fàn)钔蛊穑z狀紋飾的有3種：華東瘤足蕨、華中瘤足蕨和美洲瘤足蕨；（D）葉上表皮蠕蟲(chóng)狀凸起，稀疏絲狀紋飾，葉下表皮蠕蟲(chóng)狀凸起，光滑的有1種：密羽瘤足蕨。從氣孔外拱蓋特征方面可將瘤足蕨科植物分為兩類(lèi)：（A）氣孔外拱蓋脊?fàn)钔蛊鸬挠袃煞N，即瘤足蕨和耳形瘤足蕨； （B）其余的氣孔外拱蓋凹陷。從氣孔外拱蓋內(nèi)緣特征方面可將瘤足蕨科植物分為兩類(lèi)：（A）氣孔外拱蓋內(nèi)緣齒狀的有6種，即瘤足蕨、耳形瘤足蕨、鐮羽瘤足蕨、密羽瘤足蕨、華東瘤足蕨和華中瘤足蕨；（B）

其余的氣孔外拱蓋內(nèi)緣為淺波狀。從保衛(wèi)細(xì)胞兩極“T”型加厚特征方面可將瘤足蕨科植物分為兩類(lèi)：（A）具明顯“T”型加厚的有瘤足蕨、耳形瘤足蕨、密羽瘤足蕨和華東瘤足蕨；（B）其余的“T”型加厚不明顯。從毛狀物特征方面可將瘤足蕨科植物分為兩類(lèi)：葉下表皮具有長(zhǎng)條狀毛狀物的峨嵋瘤足蕨和灰背瘤足蕨；其余的類(lèi)群則沒(méi)有毛狀物。這些特征可為瘤足蕨科植物種的劃分提供新的證據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

BAI SM， ZHANG JL， WANG RX， 2017. Gametophyte development in Plagiogyria euphlebia [J]. J Guangxi Norm Univ （Nat Sci Ed） ， 35（1）：98-103. [白詩(shī)敏，張見(jiàn)樂(lè)，王任翔，2017. 華中瘤足蕨配子體發(fā)育的研究 [J]. 廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），35（1）：98-103.]

BOWER FO， 1926. The Fern： Ⅱ [M]. London： Cambridge University Press.

CAO JG， WANG G， WANG QX， 2011. Archegonial development and oogenesis of the fern Plagiogyria euphlebia and their phylogenetic significance [J]. Plant Sci J， 29（5）：609-612. [曹建國(guó)，王戈，王全喜， 2011. 地錢(qián)頸卵器發(fā)育和卵發(fā)生的顯微觀察及細(xì)胞化學(xué)研究 [J]. 植物科學(xué)學(xué)報(bào)，29（5）：609-612.]

CHING RC， 1958. The fern genus Plagiogyria on the mainland of Asia [J]. Acta Phytotax Sin， 7 （2）：106-128.

COPELAND EB， 1929. The fern genus Plagiogyria [J]. Philip J Sci， 38：377-417.

CULTER DF， 1979. Leaf surface studies in Aloe and Hawoorthia species （Liliaceae）：taxonomic implications [J]. Trop Subtrop Pfanzenwelt （Acad Wiss Lit Mainz）， 28：449-471.

HASEBE M， WOLF PG， PRYER KM， et al， 1995. Fern phylogeny based on rbcL nucleotide sequences [J]. Am Fern J， 85：134-181.

KORALL P， PRYER KM， METZGAR JS， et al， 2006. Tree ferns： Monophyletic groups and their relationships as revealed by four protein-coding plastid loci [J]. Mol Phylogenet Evol， 39（3）：830-845.

LIU HM， WANG L， ZHANG XC， et al， 2008. Advances in the studies of lycophytes and monilophytes with reference to systematic arrangement of families distributed in China [J]. J Syst Evol， 46（6）：808-829. [劉紅梅，王麗，張憲春，等，2008. 石松類(lèi)和蕨類(lèi)植物研究進(jìn)展：兼論國(guó)產(chǎn)類(lèi)群的科級(jí)分類(lèi)系統(tǒng) [J]. 植物分類(lèi)學(xué)報(bào)，46（6）：808-829.]

MICKEL JT， 1974. Phyletic lines in the modern ferns [J]. Ann Mo Bot Gard， 61：474-482.

NAYAR BK， 1970. A phylogenetic classification of the homosporous ferns [J]. Taxon， 19：229-236.

PRYER KM， WOLF PG， 2004. Phylogeny and evolution of ferns （Monilophytes） with a focus on the early leptosporangiate divergences [J]. Am J Bot， 91：1582-1598.

WANG DC， YANG YP， CHENG JH， et al， 2012. Leaf epidermal microfeatures of 28 Salix species under scanning electronic microscope and their taxonomical significances [J]. Plant Divers Res， 34（5）：430-442. [王東超，楊永平，陳家輝，等， 2012. 28種柳屬植物的葉表皮微形態(tài)特征及其分類(lèi)學(xué)意義 [J]. 植物分類(lèi)與資源學(xué)報(bào)，34（5）：430-442.]

WANG RX， LU SG， 2010. Leaf micromorphology of 12 species of Aspleniaceae and its taxonomic significance [J]. Guihaia， 30（4）：748-752. [王任翔， 陸樹(shù)剛， 2010. 中國(guó)西南地區(qū)鐵角蕨科植物葉表皮微形態(tài)及其系統(tǒng)學(xué)意義 [J]. 廣西植物，30（4）：748-752.]

WILKINSON HP， 1979. The plants surface（mainly leaf） in anatomy of Dicotyledons [M]. Oxford： Oxford Univ Press：97-165.

WU ZH， CHING RC， 1991. Fern families and genera of China [M]. Beijing： Science Press：152-155. [吳兆洪，秦仁昌，1991. 中國(guó)蕨類(lèi)植物科屬志 [M]. 北京：科學(xué)出版社：152-155.]

ZENG N， ZHANG JR， CHANG ZY， 2017. Micromorphological characteristics of leaf epidemis and systematic significance of Rosa L. from China [J]. Guihaia， 37（2）：169-185. [曾妮，張建茹，常朝陽(yáng)， 2017. 中國(guó)薔薇屬植物葉表皮微形態(tài)特征及其系統(tǒng)學(xué)意義 [J]. 廣西植物，37（2）：169-185.]

ZHANG XC， NOOTEBOOM HP， 1998. A taxonomic revision of Plagiogyria （Plagiogyriaceae） [J]. Blumea， 43：401-469.