臺灣水青岡和米心水青岡葉表皮微形態特征的比較

王 東， 張雪梅*， 吳定軍， 章世鵬， 何顯湘， 陳 堅， 史清茂

(1. 西華師范大學，西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室，四川南充 637009；2.西華師范大學生命科學學院，四川南充 637009；3. 四川省旺蒼縣米倉山自然保護區管理局，四川旺蒼 628200)

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臺灣水青岡和米心水青岡葉表皮微形態特征的比較

王 東1,2， 張雪梅1,2*， 吳定軍3， 章世鵬3， 何顯湘3， 陳 堅3， 史清茂3

(1. 西華師范大學，西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室，四川南充 637009；2.西華師范大學生命科學學院，四川南充 637009；3. 四川省旺蒼縣米倉山自然保護區管理局，四川旺蒼 628200)

摘要[目的]比較水青岡屬2種植物間的葉片微形態特征和生態學適應性，并探討米倉山自然保護區水青岡屬植物種類的劃分和親緣關系。[方法]在光學顯微鏡下，對四川廣元米倉山自然保護區2種水青岡屬植物臺灣水青岡和米心水青岡的葉表皮微形態特征進行觀察，并測定了相應的數量指標。[結果]2種植物葉表皮形態的一致性表現為：上表皮細胞形狀幾乎為不規則形，下表皮細胞形狀多為多邊形，下表皮垂周壁多為近平直；2種植物均只在下表皮分布有氣孔器，排列方式均為無規則型。2種植物的葉表皮形態的差異則主要表現在表皮細胞垂周壁式樣、表皮毛的有無，角質膜附屬物等方面，依此可以區分2個物種。[結論]葉表皮特征對于水青岡屬植物種類的劃分和親緣關系的確定具有一定的分類學意義。

關鍵詞臺灣水青岡；米心水青岡；形態學；葉表皮； 分類學

Micromorphological Characteristics Comparison of Leaf Epidermis ofFagushayataeandFagusengleriana

WANG Dong1,2, ZHANG Xue-mei1,2*, WU Ding-jun3et al

(1. Key Laboratory of Southwest China Wildlife Resources Conservation, Ministry of Education, China West Normal University, Nanchong, Sichuan 637009; 2. College of Life Sciences, China West Normal University, Nanchong, Sichuan 637009; 3. MiCangShan Nature Reserve Administration, Wangcang, Sichuan 628200 )

Abstract[Objective] To compare the leaf micromorphological features and ecological adaptability ofFagusenglerianaandFagushayatae, and to discuss the classification and affinity of Fagus plant species in MiCangShan Nature Reserve. [Method] Under optical microscope, leaf epidermis ofF.englerianaandF.hayataewas observed and researched in MiCangShan Nature Reserve. Corresponding quantitative index was detected. [Result] Morphology consistency of leaf epidermis was as follows: epidermal cell shape was mostly irregular; while epidermal cells were almost polygonal. Anticlinal wall of lower epidermis was almost straight. The two plants both had stomatal apparatuses in lower epidermis with irregular arrangement. Differences of leaf epidermis morphology were manifested in anticlinal wall type of the epidermal cells, the existence of epidermal hairs, appurtenance of cuticular membrane and so on, which could be used to distinguish the two species. [Conclusion] Characteristics of leaf epidermis have certain taxonomical significance to the classification and genetic relationship ofFagusplants.

Key wordsFagushayatae;Fagusengleriana; Morphological characteristics; Leaf epidermis; Botany

葉表皮的形態具有一定的穩定性，特別是氣孔器及葉表皮紋飾等形體特征往往具有種級或屬級水平上的差異，且不受雌雄同株或雌雄異株的影響，其性狀表現能作為植物分類學的依據，被植物學家認為在分類學上或系統學上都具有潛在的價值[1-2]，因此對葉片的結構進行分析可用于分類群的鑒定[3-4]。近10多年來，葉表皮性狀的研究受到越來越多的重視[5-7]，其系統學意義已被許多試驗結果所證實：葉表皮特征在屬內較為穩定，如表皮細胞形狀和垂周壁式樣、氣孔器類型等在各屬內的分布也有一定的系統學意義[8-10]。

水青岡屬是溫帶落葉闊葉林的主要建群種之一[11]。目前，國內外關于水青岡屬植物的形態學研究主要集中于孢粉學、核型等方面。曹小燕等[12]通過對水青岡屬5種植物葉脈結構特征的研究，認為水青岡屬二級脈與更高級脈序形成的結構穩定且存在種間差異，具有重要的分類學價值。方精云等[11]對浙江產水青岡屬植物的木材和葉片的解剖學進行了研究，結果表明木材和葉片的解剖特征在種間和種內差異較為顯著, 葉表面結構特征和葉解剖特征的種間變化顯示了一定的規律性。孢粉學研究方面，對殼斗科植物的花粉形態在國內較早的研究有《中國植物花粉形態》[13]，而《殼斗科植物花粉形態及生物地理》則全面系統地介紹了殼斗科各屬的花粉形態及超微結構,對科下系統、亞科劃分、屬間親緣關系及系統演化等問題進行了探討，論述了殼斗科的早期分化、生物多樣性和生物地理[14]。迄今為止，對水青岡屬植物的研究都比較零散，不全面，形態學研究尤其缺乏，目前關于葉表皮的微形態特征及其系統學意義的研究尚鮮見報道。筆者對米倉山自然保護區12個采集地的水青岡屬植物臺灣水青岡和米心水青岡的葉表皮形態進行比較觀察與研究，以期為該地區2種植物的系統分類和演化研究提供微形態學資料。

1材料與方法

1.1試驗材料試驗所用的2種12個居群的材料來源見表1，試驗材料均采自四川廣元米倉山自然保護區，憑證標本存于西華師范大學。

1.2試驗方法取成熟的葉片置于燒杯中，在酒精燈上適量煮沸排氣3 min后取出葉片，冷卻后擦凈水分，用刀片從成熟葉片中脈兩側剪取若干1 cm×1 cm的小塊，用蒸餾水沖洗后風干，在55%的次氯酸鈉溶液中離析。離析時間2～4 h，泡至角質層與葉肉分離，用刀片刮去不需要的上層或下層表皮，用毛筆輕輕刷去殘留葉肉組織，然后進行染色，用蒸餾水漂洗制成臨時裝片，在顯微數碼照相機上拍照。

氣孔指數計算方法：在同一倍數下(100×)隨機測量視野的氣孔指數和細胞數，各取其平均值，按照以下公式計算氣孔指數：氣孔指數I=[S/(S+P)]×100，其中S為氣孔的數目，P為視野內的細胞數。

掃描電鏡下觀察的材料先用毛筆將葉片輕輕擦拭，去除灰塵，剪成0.5 cm×0.5 cm的小方塊，再用雙面膠固定在樣品臺上，噴鍍后在掃描電鏡下觀察拍照。

表1　試驗材料來源

2結果與分析

注：a～f：臺灣水青岡；g～l：米心水青岡。Note:a-f：Fagus hayatae；g-l：Fagus engleriana.圖1　光鏡下臺灣水青岡和米心水青岡的上表皮微形態特征(40×)Fig. 1　adaxial epidermis features in light microscopy of Fagus hayatae and Fagus engleriana(40×)

2.1在光鏡下觀察到的臺灣水青岡和米心水青岡表皮細胞形態和垂周壁式樣 通過光鏡顯微鏡所觀察的米心水青岡和臺灣水青岡的上表皮細胞形狀是無規則型(圖1)，下表皮為無規則形或多邊形(圖2)，葉下表皮細胞比上表皮小(表2)。葉表皮細胞垂周壁式樣大致可分為近平直、淺波狀和深波狀3種類型(圖1、2)。2.2在光鏡下觀察到的米心水青岡和臺灣水青岡的氣孔器特征通過光學顯微鏡觀察發現，氣孔器普遍存在于下表皮, 上表皮未見氣孔器分布,氣孔器主要由保衛細胞構成, 其表面為寬橢圓形、 長橢圓形，類型均為無規則型(圖2)。2種水青岡屬植物的氣孔器的分布不均勻,但12個居群中臺灣水青岡和米心水青岡的氣孔指數和保衛細胞的形狀在種間的差別不大。臺灣水青岡幾個居群的氣孔指數范圍為10.93～17.02，米心水青岡幾個類群的氣孔指數范圍為11.12～13.67。臺灣水青岡幾個類群的氣孔平均長度范圍為12.242 0～16.543 6 μm，米心水青岡幾個類群的氣孔平均長度范圍為12.598 8～13.899 5 μm，臺灣水青岡的氣孔指數明顯要高于米心水青岡(表2)。

注：a～f.臺灣水青岡；g～l.米心水青岡。　Note：a-f：Fagus hayatae；g-l：Fagus engleriana.圖2　光鏡下臺灣水青岡和米心水青岡的下表皮微形態特征(40×)Fig. 2　Abaxial epidermis features in light microscopy of Fagus hayatae and Fagus engleriana(40×)

編號Code表皮細胞形狀Shapeofepidermalcell上表皮Upperepidermis下表皮Lowerepidermis垂周壁式樣Modeofanticlinalwall上表皮Upperepidermis下表皮Lowerepidermis下表皮Lowerepidermis氣孔長度范圍Rangeofstomatallength∥μm氣孔平均長度Averagelengthofstoma∥μm氣孔指數Stomataindex1不規則不規則深波狀近平直14.5147～17.126415.358814.132不規則多邊形深波狀近平直10.8820～13.121512.342015.963不規則不規則深波狀近平直13.3089～15.446114.140517.024不規則不規則深波狀淺波狀13.4486～15.917414.476012.795不規則不規則深波狀近平直15.8019～17.635416.543614.676不規則不規則深波狀近平直14.8712～17.334716.367110.937不規則多邊形淺波狀近平直12.3251～15.281913.631812.968不規則不規則淺波狀近平直12.7245～14.666213.411411.299不規則不規則淺波狀淺波狀12.2631～14.926713.855411.1210不規則多邊形淺波狀近平直12.5957～15.217813.899512.7311不規則多邊形淺波狀近平直11.4084～14.174012.598812.3112不規則多邊形淺波狀淺波狀10.3569～13.844213.197013.67

2.3在掃描電鏡下觀察到的葉表皮細胞的特征從圖3和圖4可以看出，臺灣水青岡和米心水青岡的上下表皮細胞角質層紋飾均表現為有條紋狀突起，并分布有稀疏的顆粒或致密的鱗片。2種植物葉表皮的氣孔器外拱蓋內緣近平滑；保衛細胞兩極加厚；但米心水青岡的氣孔被密集的鱗片所覆蓋(圖4)。掃描電鏡下還觀察到2種水青岡下表皮具表皮毛,毛基部表皮細胞輪廓不清晰,表皮毛細胞扁平；但是臺灣水青岡僅葉脈處有毛(圖3)，而米心水青岡則下表皮都被有疏散的柔毛(圖4)。

3討論

圖3　電鏡下臺灣水青岡的葉表皮形態特征Fig.3　Epidermal features in SEM of Fagus hayatae

圖4　電鏡下米心水青岡的葉表皮形態特征Fig.4　Epidermal features in SEM of Fagus engleriana

3.1臺灣水青岡和米心水青岡的葉表皮形態學比較前人對葉表皮形態學的研究結果表明植物葉表皮微形態特征在種間存在較大的差異，其中表皮細胞形狀、氣孔類型和細胞角質膜特征等是較為穩定的演化特征，不受環境等的影響，可以作為物種分類與鑒別的依據[15]。該研究也呈現出相同的結論，從光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察結果看, 葉表皮微形態表現出較高的多態性; 在屬的范疇中, 又表現為一定的一致性, 使得微形態特征可以成為探討水青岡屬內分類群的分類和系統發育關系的依據。總體來看，物種內不同的居群間沒有較大的差異，但是物種間則差異顯著，主要表現為以下方面：①葉表皮被毛。臺灣水青岡僅葉片主脈分布有密集的柔毛；而米心水青岡則是整個葉片都被有稀疏的柔毛。 ②葉表皮細胞。臺灣水青岡上表皮細胞垂周壁式樣皆為深波狀, 垂周壁在細胞壁尖端加厚；米心水青岡上表皮細胞垂周壁式樣多為淺波狀。臺灣水青岡和米心水青岡上表皮細胞垂周壁式樣的明顯不同可以作為區別這2種植物的鑒別特征。③角質膜特點。臺灣水青岡的角質膜具條紋狀突起和少量鱗片顆粒；米心水青岡的角質層具條紋狀突起和大量密集鱗片。與臺灣水青岡相比，米心水青岡鱗片較多，突起較彎曲，臺灣水青岡突起較平穩。④從氣孔形態來看，米心水青岡氣孔上有較多鱗片覆蓋，而臺灣水青岡則沒有；2種水青岡的氣孔形態較為一致，形狀為長寬相差不大的橢圓形或近圓形，氣孔外拱蓋為單層，外拱蓋內緣平滑，保衛細胞外壁光滑或有蠟質鱗片覆蓋，兩個保衛細胞高于開口，成一圓環狀包圍開口；臺灣水青岡和米心水青岡都有較顯著的蠟質覆蓋。

作為同一屬的植物，它們的葉表皮特征的一致性則表現為表皮細胞的形態和氣孔器的類型上。該試驗結果表明,無論是用作光學顯微鏡材料的新鮮標本,還是用作掃描電鏡的蠟葉標本,同種植物的葉表皮細胞、氣孔器等特征是一致的,但是同一屬下面的2種植物雖外部形態大致相似，但仍然可以通過葉表皮微形態的差別區分出2個物種。由此可見,結合外部形態特點,葉表皮的微形態特征對研究水青岡的分類鑒定具有一定的參考價值。

3.2葉表皮形態學的系統演化意義從表皮細胞垂周壁波狀彎曲程度這個進化角度來看，細胞之間鑲嵌越緊密，保護效果越明顯，應處于更進化的地位[16]，而該研究中臺灣水青岡6個居群的垂周壁式樣基本一致，呈現為深波狀；而米心水青岡則多呈淺波狀。據此推測，在表皮細胞進化上，臺灣水青岡處于相對進化的地位。

陳之端等[5]認為氣孔器應由無規則型向短平列型發育。呂海亮等[17]則認為單就氣孔形態而言，演化模式可能為無規則型→不等型→橫列或平列型→等位橫列型。該試驗中的2種水青岡屬植物的12個居群的氣孔器類型都為無規則型，說明該試驗中2種植物在氣孔器類型的進化上相似，都為較原始的類型。

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中圖分類號Q 944

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-026-05

收稿日期2016-01-26

作者簡介王東(1990- )，男，陜西禮泉人，碩士研究生, 研究方向：植物與資源保護利用。*通訊作者，講師，博士，碩士生導師，從事植物系統與進化研究。

基金項目四川米倉山自然保護區水青岡屬植物種質資源調查項目；西華師范大學博士科研啟動基金項目(412532)。