中國6個(gè)不同亞屬杜香屬植物的果皮和種皮微形態(tài)特征

在植物微觀形態(tài)的研究中，果實(shí)和種子表面特性的觀察和分析對(duì)解決不同等級(jí)分類組的系統(tǒng)分類關(guān)系發(fā)揮了重要作用。相對(duì)葉而言,果皮和種子受環(huán)境飾變影響較小,它們的表面紋飾特征多樣性可以為植物系統(tǒng)發(fā)育與進(jìn)化提供有價(jià)值的信息和較為可靠的證據(jù)(Barthlott,1981,1984;Behnke&Barthlott,1983)。杜鵑花屬Rhododendron包括8個(gè)亞屬,即馬銀花亞屬subgen.Azaleastrum、純白杜鵑亞屬subgen.Candidastrum、常綠杜鵑亞屬subgen.Hymenanthes、異蕊杜鵑亞屬subgen.Mumeazalea、羊躑躅亞屬subgen.Pentanthera、杜鵑亞屬subgen.Rhododendron、映山紅亞屬subgen.Tsutsusi和葉狀苞亞屬subgen.Therorhodion(Chamberlainetal.,1996),我國除了純白杜鵑亞屬和異蕊杜鵑亞屬之外,其他亞屬均有分布。杜鵑花屬的屬下分類長期存在爭(zhēng)議(如Sleumer,1949,1980;Philipson&Philipson,1986;Chamberlainetal.,1996Goetschetal.,2005),包括馬銀花亞屬、純白杜鵑亞屬和異蕊杜鵑亞屬的分合等問題,需要進(jìn)一步深入調(diào)查該屬的微形態(tài)特征,為解決該屬分類上的疑難問題提供相關(guān)證據(jù)。盡管果皮微形態(tài)特征已用于越來越多類群的系統(tǒng)學(xué)研究,但迄今為止,尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)杜鵑花屬植物這方面的報(bào)道。關(guān)于杜鵑花屬植物種子形態(tài),Kingdon-Ward(1935,1947)就注意到三類不同生境(深林、高山和附生環(huán)境)的杜鵑花屬植物種子類型明顯不同。Hedegaard(1968,1980)曾調(diào)查60余種杜鵑花屬植物并精細(xì)地描繪了這三類種子的形態(tài)特征。丁炳揚(yáng)等(1995)對(duì)浙江杜鵑花屬13個(gè)種的種子形態(tài)進(jìn)行了研究,對(duì)種子類型的劃分和種子形態(tài)的演化趨勢(shì)進(jìn)行了探討。Collinson和Crane(1978)對(duì)英格蘭南部的杜鵑花類種子化石進(jìn)行過觀察和描述,但強(qiáng)調(diào)由于杜鵑花屬植物種類太多,許多新類型有待于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),這些新類型將為絕滅植物與現(xiàn)存植物之間的親緣關(guān)系提供比較形態(tài)學(xué)的證據(jù)。鑒于上述情況,本研究利用掃描電鏡,對(duì)國產(chǎn)6個(gè)亞屬的代表植物的果皮和種皮的微形態(tài)特征進(jìn)行了觀察,并結(jié)合最新的分子系統(tǒng)發(fā)育證據(jù)和葉表皮微形態(tài)特征進(jìn)行分析,旨在豐富和完善對(duì)該屬植物微形態(tài)特征的認(rèn)識(shí),以期對(duì)該屬的系統(tǒng)發(fā)育與進(jìn)化研究提供相關(guān)資料。1學(xué)院廣西植物研究標(biāo)本館和東南角植物標(biāo)本館本研究的全部實(shí)驗(yàn)材料(表1)取自臘葉標(biāo)本。憑證標(biāo)本存于廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所標(biāo)本館(IBK)和復(fù)旦大學(xué)植物標(biāo)本館(FUS)。取約4×4mm大小成熟果實(shí)外表皮以及整個(gè)種子,經(jīng)過清洗、晾干,用導(dǎo)電膠粘貼在樣品臺(tái)上,噴金鍍膜后,在HitachiS450型掃描電子顯微鏡下觀察、拍照。2觀察結(jié)果2.1氣孔器及類型杜鵑花屬植物果皮微形態(tài)的基本特征:角質(zhì)層表面粗糙、排列不規(guī)則,無表皮毛,或角質(zhì)層近光滑,有稀疏、細(xì)短的表皮毛,或角質(zhì)層致密,密生長表皮毛;角質(zhì)層呈明顯或不明顯塊狀,被細(xì)條紋,或角質(zhì)層長條形交替排列,被長條紋;氣孔器偶見。杜鵑亞屬的種類具有大型的近橢圓形的鱗片,有致密的乳狀角質(zhì)層突起,無表皮毛,氣孔器散生在乳狀突起之中。杜香屬杜香的果皮角質(zhì)層表面粗糙,有細(xì)短的表皮毛和稀疏排列的氣孔器(圖1a,b),可與杜鵑花屬植物的果皮相區(qū)別。根據(jù)果實(shí)表面微形態(tài)特征,可將杜鵑花屬植物劃分為以下7種類型:百合花杜鵑型(R.liliiflorum-type):有大型的近橢圓形的鱗片,有致密的乳狀角質(zhì)層突起,無表皮毛,氣孔器散生在乳狀突起之中,如百合花杜鵑(圖2,3)。云錦杜鵑型(R.fortunei-type):角質(zhì)層表面不規(guī)則,無表皮毛,偶見氣孔。如常綠杜鵑組的云錦杜鵑(圖4a,b)、喇叭杜鵑(圖5a,b)、心基杜鵑(圖6,7)、長圓團(tuán)葉杜鵑(圖8)、越峰杜鵑(圖9)、貓兒山杜鵑(圖10)、桂海杜鵑(圖11)、紅灘杜鵑(圖12)、猴頭杜鵑(圖13,14)、變色杜鵑(圖15)、圣堂杜鵑(圖16,17)等。其中觀察到氣孔的有喇叭杜鵑(氣孔器下陷)、云錦杜鵑和心基杜鵑(氣孔器稍突出)以及猴頭杜鵑(有明顯突起的氣孔器)。圣堂杜鵑較為特殊,在稍突起的氣孔器周圍有疏散的、較規(guī)則的乳狀角質(zhì)層(圖16,17)。馬銀花型(R.ovatum-type):角質(zhì)層呈明顯或不明顯塊狀,被細(xì)條紋,有或無稀疏、細(xì)短的表皮毛。如馬銀花(具表皮毛,未見氣孔器,圖18)和頭巾馬銀花(角質(zhì)層塊形不明顯,未見氣孔和表皮毛,圖19a,b)和腺萼馬銀花(具表皮毛,有隆起的橢圓形細(xì)胞突起,內(nèi)有下陷的氣孔器,圖20,21)等。西施花型(R.latoucheae-type):角質(zhì)層長條形交替排列,被長條紋;未見氣孔和表皮毛,如西施花(圖24,25)。羊躑躅型(R.molle-type):角質(zhì)層近光滑,有稀疏、細(xì)短的表皮毛,有稍突起的氣孔器,如羊躑躅(圖26,27)。嶺南杜鵑型(R.mariae-type):密生長表皮毛,角質(zhì)層致密,偶見氣孔器,如嶺南杜鵑(圖29,30)、廣西杜鵑(圖31,32)等,或未見氣孔,如灌陽杜鵑(圖33,角質(zhì)層表面不規(guī)則),子花杜鵑(圖34)、臨桂杜鵑(圖35)等。葉狀苞杜鵑型(R.redowskianum-type):角質(zhì)層粗糙,有縱向條紋,有稀疏、細(xì)短的表皮毛,如葉狀苞杜鵑(圖36)。此外,值得注意的是,馬銀花亞屬長蕊杜鵑組的凱里杜鵑(圖22,23)和映山紅亞屬輪生葉組的滿山紅(圖28)都非常近似于云錦杜鵑型(角質(zhì)層表面不規(guī)則,無表皮毛,未見氣孔),前者與角質(zhì)層長條形交替排列被長條紋的長蕊杜鵑組的西施花明顯不同,而后者與以密生長表皮毛為特征的映山紅組嶺南杜鵑型有明顯差異。2.2不同類型植物的微形態(tài)特征杜鵑花屬植物種子表皮微形態(tài)的基本特征:種子扁平,呈橢圓形至紡錘形,有翅或無翅。種子表面大多具有明顯的縱條紋,具翅的種類條紋之間的溝通常狹長而深,而無翅的種類條紋之間的溝通常較短而淺。Kingdon-Ward(1935,1947)曾將杜鵑花屬植物種子劃分為高山類型(Alpinetype)、森林類型(Foresttype)、附生類型(Epiphytictype)三大類。Collinson和Crane(1978)將英格蘭南部杜鵑花科Ericaceae植物種子化石分為3種類型和2個(gè)亞型(Type1-A、Type1-B、Type2和Type3)。杜香屬杜香的種子非扁平,呈紡錘體狀,無翅(圖37,38),屬于Kingdon-Ward的附生類型或Collinson和Crane的Type3。丁炳揚(yáng)等(1995)根據(jù)杜鵑花屬植物種子形狀、是否有翅、表面結(jié)構(gòu)等特征,將浙江杜鵑花屬13個(gè)種的種子劃分為兩大類共6種類型。本研究參考這些劃分,依據(jù)種皮微形態(tài)特征,將杜鵑花屬植物劃分為兩大類,共9種類型:有翅類:種子扁平,橢圓形、狹橢圓形至狹長圓形,表面有明顯的縱條紋,具翅,兩端和兩側(cè)的翅發(fā)育一致或不一致。百合花杜鵑型(R.liliiflorum-type):種子形態(tài)特殊,具翅但兩端與兩側(cè)的翅均不發(fā)達(dá),翅全緣或波狀,外形不規(guī)則,條紋短而淺,具腦紋狀雕紋。屬Kingdon-Ward的森林類型,較接近于Collinson和Crane的Type1-B型。如百合杜鵑(圖39)。云錦杜鵑型(R.fortunei-type):種子扁平,橢圓形,狹橢圓形至狹長圓形,種子兩端及兩側(cè)均具有較發(fā)達(dá)的翅,但發(fā)育較一致。表面有明顯的縱條紋。如常綠杜鵑亞屬的云錦杜鵑(圖40–42)、喇叭杜鵑(圖43,44)、長圓團(tuán)葉杜鵑(圖45,46)、越峰杜鵑(圖47,48)、貓兒山杜鵑(圖49,50)、桂海杜鵑(圖51,52)、紅灘杜鵑(圖53,54)和防城杜鵑(圖55,56)。與Kingdon-Ward(1935,1947)的森林類型或Collinson和Crane(1978)的Type1-A型接近。西施花型(R.latoucheae-type):兩端的翅發(fā)育不一致,側(cè)翅較狹窄。種子扁平細(xì)長,橢圓形,狹橢圓形至狹長圓形,如凱里杜鵑(圖63,64)和西施花(圖65,66)。羊躑躅型(R.molle-type):種子扁平,狹長圓形,種子兩端及兩側(cè)均具有較發(fā)達(dá)的翅,但發(fā)育不一致。一端有深裂,另一端翅全緣或不明顯波狀,條紋的溝長而深,光滑。如羊躑躅亞屬的羊躑躅(圖67,68),接近云錦杜鵑型。嶺南杜鵑型(R.mariae-type):種子近扁平,橢圓形或狹長圓形,具翅但兩端的翅壓縮兩側(cè)的翅不明顯,近似于無翅類型,是介于有翅和無翅的過渡類型。如映山紅亞屬輪生葉組滿山紅(圖69,70)、映山紅組的嶺南杜鵑(圖72,73)和天堂杜鵑(圖76a,b),其中,滿山紅種皮微形態(tài)特征比較特殊,條紋的溝淺而寬,平坦,條紋具纖毛,與其他種類明顯不同;天堂杜鵑種子小,更接近無翅類。南邊杜鵑型(R.meridionale-type):種子扁平,形狀狹長,外圍輪廓呈鐮刀形或紡錘形具翅但兩端的翅壓縮,兩側(cè)的翅不明顯。如映山紅亞屬的南邊杜鵑(圖71a,b)和廣西杜鵑(圖74,75)。無翅類:種子通常較小,無翅,表面條紋具短而淺的溝或向外隆起,該類種子被Kingdon-Ward(1935,1947)歸入高山類型,近似于Collinson和Crane(1978)的Type2。馬銀花型(R.ovatum-type):種子扁平,外圍輪廓多邊形,無翅。如馬銀花(圖57,58)。頭巾馬銀花型(R.mitriforme-type):種子扁平,橢圓形,狹橢圓形至狹長圓形,無翅。如頭巾馬銀花(圖59,60)和腺萼馬銀花(圖61,62)。葉狀苞杜鵑型(R.redowskianum-type):種子扁平,外圍輪廓長橢圓形,無翅。如葉狀苞杜鵑(圖77,78)。3布氏原螯蝦組間鑒別本研究對(duì)杜鵑花屬植物果皮微形態(tài)特征進(jìn)行了系統(tǒng)描述,杜鵑亞屬的果皮微形態(tài)特征在具有氣孔器、指狀突起和鱗片等方面,表現(xiàn)出與葉表皮特征相似的特點(diǎn);映山紅屬映山紅組的果皮一致具有密生的長表皮毛,可作為組間區(qū)分的鑒別特征;此外,除了葉狀苞杜鵑,各個(gè)亞屬的果皮均有一些種類有不同類型的氣孔器存在,有助于特定種類的鑒定。種皮微形態(tài)特征也具有豐富的多樣性,可為探討杜鵑花屬內(nèi)分類群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供重要依據(jù)。3.1種子類型劃分關(guān)于杜鵑花屬種子類型的劃分,迄今為止,主要有3種方法:(1)Kingdon-Ward(1935)發(fā)現(xiàn)三類不同生境的杜鵑花屬植物種子類型明顯不同,劃分為森林類型、高山類型和附生類型;(2)Collinson和Crane(1978)研究了杜鵑花屬的種子化石,認(rèn)為它們屬于森林類型,同時(shí)將現(xiàn)存的杜鵑花屬植物種子劃分為Type1、Type2和Type3三種類型,分別對(duì)應(yīng)森林、高山和附生環(huán)境,但是在Type1下細(xì)分了兩個(gè)亞型,Type1-A和Type1-B;(3)丁炳揚(yáng)等(1995)將杜鵑花屬植物種子分為有翅和無翅兩大類,并細(xì)劃成6小類。這三種劃分是依次逐漸深入的,第3種劃分可以與前兩種相比較,能夠更好地反映不同種子類型的杜鵑花屬植物的相互關(guān)系。本研究就是在這種劃分的基礎(chǔ)上,參考了前兩種的界定,對(duì)杜鵑花屬植物種子進(jìn)行的類型劃分。通過比較已有研究結(jié)果,本研究新發(fā)現(xiàn)一些介于以往研究所劃分的不同類型之間的中間類型,如南邊杜鵑型介于森林類型和附生類型之間,嶺南杜鵑型是介于有翅和無翅的過渡類型。這些新類型的發(fā)現(xiàn)可以為深入研究杜鵑花屬的系統(tǒng)發(fā)育和種子化石資料提供微形態(tài)方面的基本依據(jù)。當(dāng)把種皮、果皮以及葉表皮微形態(tài)特征標(biāo)注在系統(tǒng)發(fā)育樹(圖79)上時(shí),可以發(fā)現(xiàn)在一定程度上,不同的微形態(tài)特征均具有各自獨(dú)特的性狀類型支持特定的分支,反映了這種劃分的合理性。3.2種子:山紅外生公分子,還是條束成分配的微形態(tài)。請(qǐng)看杜鵑亞屬的果皮如葉表皮一樣,以具有鱗片為典型鑒別特征與其他亞屬相區(qū)別。這一點(diǎn)和分子發(fā)育研究的結(jié)果一致。其種子形態(tài)和表面紋飾非常特殊,具翅但兩端與兩側(cè)的翅均不發(fā)達(dá),翅全緣或波狀,條紋短而淺,具腦紋狀雕紋,有別于無鱗類的種類。常綠杜鵑亞屬果皮微形態(tài)特征表現(xiàn)高度一致,角質(zhì)層表面不規(guī)則,無表皮毛,偶見氣孔,均屬于云錦杜鵑型。種子為云錦杜鵑型,屬Kingdon-Ward(1935,1947)的森林類型。種子兩端和兩側(cè)均具較發(fā)達(dá)的翅,翅全緣或不明顯波狀,有明顯縱條紋,條紋的溝長而深,光滑。映山紅亞屬的情況與常綠杜鵑亞屬比較相似。除滿山紅之外,其果實(shí)均為嶺南杜鵑型,密生長表皮毛,角質(zhì)層致密。種子為南邊杜鵑型和嶺南杜鵑型。羊躑躅亞屬羊躑躅的果實(shí)角質(zhì)層近光滑,有稀疏、細(xì)短的表皮毛,有稍突起的氣孔器,與其他亞屬區(qū)別明顯;但種子接近常綠杜鵑亞屬。已有的分子系統(tǒng)發(fā)育顯示羊躑躅亞屬為一多系類群,進(jìn)一步擴(kuò)大取樣,有可能會(huì)得到更為豐富的微形態(tài)類型。馬銀花亞屬包括馬銀花組和長蕊杜鵑組兩個(gè)組。在果皮和種皮微形態(tài)上,這兩個(gè)組均表現(xiàn)出明顯的差異,其種子甚至表現(xiàn)為有翅和無翅的差別。果皮和種子表面微形態(tài)支持基于分子系統(tǒng)發(fā)育的研究結(jié)果:馬銀花組和長蕊杜鵑組各自是一單系類群,而整個(gè)馬銀花亞屬,無論是按Sleumer系統(tǒng)還是按Philipson和Philipson系統(tǒng)都不是一個(gè)單系類群(Kurashigeetal.,1998,2001;Gaoetal.,2002;高連明等,2003;Goetschetal.,2005)。葉狀苞杜鵑亞屬的葉狀苞杜鵑果實(shí)角質(zhì)層粗糙,有縱向條紋,有稀疏、細(xì)短的表皮毛種子扁平,外圍輪廓長橢圓形,無翅。均可以和其他亞屬植物相區(qū)別。微形態(tài)特征支持葉狀苞杜鵑是杜鵑花屬的基部類群。3.3葉狀類物質(zhì)及微形態(tài)類型的新分類杜鵑花屬的屬下分類長期存在爭(zhēng)議,在亞屬的劃分上各個(gè)主要分類系統(tǒng)觀點(diǎn)不同(表2),尤其是馬銀花亞屬的界限和范疇,純白杜鵑亞屬和異蕊杜鵑亞屬是否成立等問題是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。與Sleumer(1949)系統(tǒng)相比,Chamberlain等(1996)的系統(tǒng)除了亞屬名稱改變之外,主要的變動(dòng)是將馬銀花亞屬的純白杜鵑組和異蕊杜鵑組獨(dú)立成亞屬,還有成立十花藥組sect.SciadorhodionRehder&E.H.Wilson,由原來屬于映山紅亞屬輪生葉組和sectRhodora的種類組成,置于羊躑躅亞屬;Goetsch等(2005)提出基于分子和形態(tài)數(shù)據(jù)的5亞屬新分類框架(表2,圖79),保持原有的杜鵑亞屬和葉狀苞亞屬不變,將原有的長蕊杜鵑組提升為長蕊杜鵑亞屬,取消羊躑躅亞屬,將Rhodora組的R.canadense置于羊躑躅組該組作為常綠杜鵑亞屬的一個(gè)組處理;其余的亞屬和組分別歸屬新的馬銀花亞屬的兩個(gè)組——映山紅組和十花藥組,其中將純白杜鵑亞屬和異蕊杜鵑亞屬僅作為十花藥組的成員處理。將所觀察到杜鵑花屬不同微形態(tài)特征標(biāo)注在分子系統(tǒng)樹上,可以較好地解釋這些微形態(tài)的系統(tǒng)學(xué)意義。作為基部類群的葉狀苞杜鵑,單系的有鱗類杜鵑(杜鵑亞屬)和常綠杜鵑亞屬均得到獨(dú)特的微形態(tài)類型的支持;馬銀花組和長蕊杜鵑組的獨(dú)立性雖然在葉表皮上沒有得到較好的分辨(王玉國等,2007),但果皮和種皮特征明確支持兩者的分立;國產(chǎn)的映山紅亞屬在ITS分子系統(tǒng)樹中也是單系類群,但映山紅組和輪生葉組都不是單系,其微形態(tài)的多樣性反映了這種系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系;羊躑躅亞屬羊躑躅的果實(shí)角質(zhì)層近光滑,有稀疏、細(xì)短的表皮毛,有稍突起的氣孔器,與其他亞屬區(qū)別明顯;