中國早熟禾屬植物部分種葉下表皮微形態的研究

李建霞，丁　昕，丁良霞，許崇梅

(濰坊醫學院 藥學院，山東濰坊261053)

中國早熟禾屬植物部分種葉下表皮微形態的研究

李建霞，丁昕，丁良霞，許崇梅*

(濰坊醫學院 藥學院，山東濰坊261053)

摘要:通過光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡對中國早熟禾屬20種、6亞種及2變種植物的葉下表皮微形態特征進行了觀察, 以明確葉表皮微形態特征在早熟禾屬植物中的分類學意義。結果顯示：(1)早熟禾屬植物的葉下表皮長細胞多為長筒狀或紡錘形，少數短筒狀，細胞壁波狀彎曲或近平直；脈間具有短細胞或缺如；氣孔器多數常見，副衛細胞平行形至低圓屋頂形；脈上具有刺細胞或缺如，脈間刺細胞多為缺如；脈上硅細胞單生或對生，橢圓形、腎形、新月形、近方形、長方形邊緣波狀彎曲或結節形；部分早熟禾屬植物葉下表皮存在冠細胞。(2)早熟禾屬植物葉下表皮微形態特征在長細胞的形狀及其細胞壁的彎曲與否、短細胞的有無及其形狀、氣孔器的分布與副衛細胞的形狀、刺細胞的分布、脈上硅細胞的形狀、冠細胞的有無這些方面存在著一定的差異，可為該屬植物種間分類提供參考依據。葉表皮微形態證據支持高原早熟禾、細葉早熟禾作為草地早熟禾亞種的處理意見。

關鍵詞:早熟禾屬；葉下表皮；微形態

早熟禾屬(PoaL.)隸屬于禾本科(Poaceae)早熟禾亞科(Subfam.Pooideae)，是禾本科中最大的屬。全世界約有500種，其廣泛分布于全球溫寒帶、亞熱帶、熱帶高海拔山地[1-2]。該屬植物草質優良，是重要的牧草與草坪植物種質資源。早熟禾屬是一個分類上非常復雜的屬，其形態學分類主要是根據葉的形狀、小穗含小花數目、第一穎和第二穎特征以及內外稃的特征等[3]。但是，早熟禾屬植物種間形態特征極為相似，廣泛存在無融合生殖和基因滲入，在屬下水平沒有嚴格統一的分類標準[4-5]。《中國植物志》[6]記載中國有早熟禾屬植物231種,《FloraofChina》[1]中對早熟禾屬植物進行了重新修訂，共記81種、31亞種與15變種。

關于早熟禾屬植物的分子系統學研究報道較多。Holt等[7]通過對早熟禾屬23種植物的trnL-trnF序列研究，發現早熟禾屬的trnL-trnF序列具有種間差異性，可為該屬植物屬下水平上的分類提供參考依據。Gillespie等[8]基于對早熟禾屬68種植物的trnT-trnF序列的研究，對早熟禾屬植物進行了修訂，把早熟禾屬分成了5個亞屬，分別是類早熟禾亞屬(P.subg. Arctopoa)、黃褐早熟禾亞屬(P.subg. Ochlopoa)、假早熟禾亞屬(P.subg. Pseudopoa)、早熟禾亞屬(P.subg. Poa)、林地亞屬(P.subg. Stenopoa)。此后，Gillespie等[9]又對早熟禾屬40種植物的ITS序列和trnT-trnL-trnF序列同時進行了系統發育分析。

葉表皮微形態特征已被廣泛用于禾本科植物的分類研究[10-11]。陳守良等[12]通過觀察研究狗尾草屬植物葉表皮細胞的顯微結構，發現葉表皮細胞形態特征可用于狗尾草屬下水平的分類，并且依據葉表皮微形態劃分的6種類型與依據外部形態劃分的組基本一致。Ortúez等[10-11]通過對羊茅屬表皮微形態特征的研究，發現葉表皮微形態特征在羊茅屬下水平分類中具有一定價值。王燕紅等[13]研究發現溝稃草屬及其近緣屬的葉下表皮微形態特征存在一定差異，可作為分屬的參考依據。近些年來，國內對禾本科剪股穎屬[14]、廣義拂子茅屬[15]等多個屬的葉表皮形態的研究已見報道，但是，早熟禾屬葉表皮形態的研究國內外鮮有詳細報道。本實驗應用光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡對中國早熟禾屬20種、6亞種及2變種植物的葉下表皮微形態特征進行了研究，旨在探討葉表皮微形態特征在早熟禾屬植物中的分類學意義。文中供試材料的名稱參照《FloraofChina》[1]。

1材料和方法

1.1材料

供試20種、6亞種及2變種早熟禾植物的成熟葉片，均取自臘葉標本，來源見表1。

1.2方法

1.2.1光鏡下觀察材料處理分別選取供試28份材料的成熟葉片中部，水煮軟化數分鐘，常溫下蒸餾水浸泡30min，視材料不同再用5%的NaClO溶液浸泡離析，待葉片變白時，用蒸餾水洗凈離析后的葉片，再用單面刀片刮去上表皮與葉肉組織，然后將下表皮置于載玻片上，依次經1%番紅染色，濃度梯度(70%、80%、95%、100%)酒精脫水，二甲苯透明，中性樹膠封片，室溫晾干制成永久裝片。最后，將裝片置于OLMPUSIX71光學顯微鏡下進行觀察并拍照。

1.2.2掃描電鏡下觀察材料處理

分別選取供試28份材料的成熟葉片中部，置于二甲苯溶液中浸泡4～5d除去蠟質層(視材料不同，個別材料可做超聲處理)，然后擦除葉片殘留有機溶劑與臟污，再用剪刀把葉片處理成合適大小。最后把處理好的葉片粘貼在樣品臺上，經噴金處理后，在SUPRA55型熱場發射掃描電子顯微鏡下進行觀察并拍照。

本文葉表皮形態描述術語參照Ortúez等[11]和陳守良等[16]文獻。

2觀察結果

2.1葉表皮微形態特征

應用光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡對中國早熟禾屬20種、6亞種及2變種植物的葉下表皮主要形態特征進行觀察，結果見表2及圖版Ⅰ、Ⅱ。由表2可知，早熟禾屬植物的葉下表皮長細胞的形狀多為長筒狀或紡錘形，少數短筒狀，細胞壁呈波狀彎曲或近平直；脈間具有短細胞或缺如，短細胞單生或對生，新月形或近方形；氣孔器多數常見，副衛細胞平行形至低圓屋頂形；脈上具有刺細胞或缺如，脈間刺細胞多為缺如；脈上硅細胞單生或對生，呈橢圓形、腎形、新月形、近方形、長方形且邊緣波狀彎曲或結節形。西伯利亞早熟禾(原亞種)(圖版Ⅱ，6)、準噶爾早熟禾(圖版Ⅱ,12)、喜巴早熟禾(圖版Ⅱ,24)的葉下表皮存在冠細胞(crowncell)。

此外，對早熟禾屬下各亞屬的葉下表皮微形態特征概括如下。(1)類早熟禾亞屬：長細胞長筒狀或短筒狀，邊緣波狀彎曲；短細胞單生或對生，新月形或近方形；氣孔2至多列，副衛細胞平行形至低圓屋頂形；脈上與脈間刺細胞缺如；脈上硅細胞單生或對生，橢圓形、新月形或近方形。(2)黃褐早熟禾亞屬：長細胞短筒狀或紡錘形，邊緣波狀彎曲或近平直；短細胞單生，新月形或近方形；氣孔多2列，副衛細胞平行形至低圓屋頂形；脈上與脈間具有刺細胞或缺如；脈上硅細胞單生，腎形、結節形或長方形且邊緣波狀彎曲。(3)早熟禾亞屬：長細胞長筒狀或長紡錘形，邊緣波狀彎曲或近平直；短細胞單生或對生，新月形或近方形，或缺如；氣孔多為常見，副衛細胞平行形至低圓屋頂形；脈上具有刺細胞或缺如，脈間刺細胞多為缺如；脈上硅細胞單生或對生，橢圓形、腎形、近方形、長方形且邊緣波狀彎曲或結節形；西伯利亞早熟禾(原亞種)、準噶爾早熟禾的葉下表皮存在冠細胞。(4)林地亞屬：長細胞長筒狀或紡錘形，邊緣多為近平直；短細胞單生或對生，新月形或近方形，或缺如；氣孔多為常見，副衛細胞多為平行形；脈上刺細胞多為常見，脈間刺細胞少見；脈上硅細胞單生或對生，橢圓形、腎形、長方形且邊緣波狀彎曲或結節形；喜巴早熟禾的葉下表皮存在冠細胞。

表1　實驗材料及來源

注：*,NAS. 江蘇省中國科學院植物研究所標本館。

Note:*,NAS.HerbariumofJiangsuInstituteofBotany.

2.2葉表皮微形態歸類

依據葉表皮微形態的特征，可以把早熟禾屬部分植物分為4種類型。類型Ⅰ：脈間區短細胞密布，刺細胞分布少，無冠細胞，屬于此類型的有類早熟禾亞屬的散穗早熟禾和西藏早熟禾，早熟禾亞屬的雙節早熟禾、多鞘早熟禾、草地早熟禾、高原早熟禾、細葉早熟禾。類型 Ⅱ：脈間區短細胞少見，刺細胞較常見，無冠細胞，如黃褐早熟禾亞屬的早熟禾、胎生鱗莖早熟禾，早熟禾亞屬的糙葉早熟禾、白頂早熟禾、喀斯早熟禾、垂枝早熟禾以及林地亞屬的普通早熟禾、林地早熟禾、硬質早熟禾、法氏早熟禾、堇色早熟禾、漸尖早熟禾、達呼里早熟禾、阿拉套早熟禾。類型 Ⅲ：脈間區短細胞少見，刺細胞少見，無冠細胞，有早熟禾亞屬的唐氏早熟禾和久內早熟禾，林地亞屬的巨早熟禾和加拿大早熟禾。類型 Ⅳ：脈間區短細胞密布，刺細胞常見，有冠細胞，包括早熟禾亞屬的西伯利亞早熟禾、準噶爾早熟禾和林地亞屬的喜巴早熟禾。

3討論

早熟禾屬葉下表皮微形態特征與蔡聯炳[17]研究報道基本一致，葉下表皮類型為典型的早熟禾型：長細胞多為長筒形，細胞壁波狀彎曲或近平直；短細胞單生、對生或缺如；氣孔器常見，副衛細胞平行形至低圓屋頂形；刺毛脈上通常常見；大毛、微毛、乳突通常不著生。但蔡聯炳僅研究了屬內5種植物，缺乏代表性，本實驗對該屬植物做了更詳細的葉表皮研究。通過掃描電鏡的觀察，首次發現早熟禾屬葉下表皮存在冠細胞(crowncell)。冠細胞是具有圓形基底和小突出結構的外皮層短細胞，突出頂端通常呈圓球狀或鉤狀?！肮诩毎弊畛跏怯蒔rat[18]描述該結構使用的術語，Watson等[19]、Acedo等[20]、Ortúez等[10-11]描述禾本科植物微形態時均采用冠細胞。但是，Ellis[21]使用“刺狀體(prickles)”或“鉤狀體(hooks)”，MejíaSaules等[22]使用“鉤狀乳突(hookedpapilla)”來描述此結構，本文使用了該結構的最初術語“冠細胞”。

早熟禾屬葉下表皮微形態在長細胞的形狀及其細胞壁的彎曲與否、短細胞的有無及其形狀、氣孔器的分布與副衛細胞的形狀、刺細胞的分布、脈上硅細胞的形狀、冠細胞的有無這些方面存在著一定的差異，可為早熟禾屬種間分類提供參考依據。草地早熟禾(圖版Ⅰ，9；Ⅱ，9)、高原早熟禾(圖版Ⅰ,10;Ⅱ,10)、細葉早熟禾(圖版Ⅰ,11;Ⅱ,11)三者的葉下表皮微形態特征具有較高的一致性，僅在氣孔器的分布列數與類型存在細微差異，高原早熟禾、細葉早熟禾、草地早熟禾在《中國植物志》中為3個獨立的種[6]，Zhu等依據外部形態特征如葉片、第一穎與外稃等的性狀，把高原早熟禾、細葉早熟禾作為草地早熟禾的亞種處理[1]。葉表皮微形態的研究支持《FloraofChina》把高原早熟禾、細葉早熟禾作為草地早熟禾亞種的處理意見。

此外，根據葉表皮微形態劃分的類型可以看到，類型Ⅰ包含類早熟禾亞屬和早熟禾亞屬的部分植物；類型Ⅱ包括黃褐早熟禾亞屬以及早熟禾亞屬和林地亞屬的部分植物；類型Ⅲ包括早熟禾亞屬與林地亞屬的部分植物；類型 Ⅳ僅3種，為早熟禾亞屬的西伯利亞早熟禾、準噶爾早熟禾和林地亞屬的喜巴早熟禾。根據葉表皮微形態劃分的類型與早熟禾屬的亞屬劃分并不相一致，但是由于選擇材料有限，葉表皮微形態對于早熟禾屬植物的系統分類學意義需要更深入的研究。

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圖版說明：

圖版Ⅰ、Ⅱ光學顯微鏡(Ⅰ)和電子顯微鏡(Ⅱ)下葉下表皮微形態

1.散穗早熟禾；2.西藏早熟禾(原變種)；3.胎生鱗莖早熟禾(亞種)；4.早熟禾；5.雙節早熟禾；6.西伯利亞早熟禾(原亞種)；7.多鞘早熟禾；8.唐氏早熟禾；9.草地早熟禾(原亞種)；10.高原早熟禾(亞種)；11.細葉早熟禾(亞種)； 12.準噶爾早熟禾(亞種)；13.糙葉早熟禾；14.久內早熟禾；15.白頂早熟禾(原變種)；16.喀斯早熟禾；17.垂枝早熟禾(變種)；18.巨早熟禾(亞種)；19.普通早熟禾(原亞種)；20.加拿大早熟禾；21.林地早熟禾(原變種)；22.硬質早熟禾(原變種)；23.法氏早熟禾(原變種)；24.喜巴早熟禾；25.堇色早熟禾(亞種)；26.漸尖早熟禾(原變種)；27.達呼里早熟禾(變種)；28.阿拉套早熟禾(原亞種)。

Explanationofplates:

PlateⅠ、ⅡLM(Ⅰ)andSEM(Ⅱ)microphotographsofleafabaxialepidemis

Fig.1.P. subfastigiataTrinius;Fig.2.P. tibeticavar. tibeticaMunroexStapf;Fig.3.P. bulbosasubsp. vivipara (Koeler)Arcangeli;Fig.4.P. annuaL.;Fig.5.P. binodisKengexL.Liu;Fig.6.P. sibiricasubsp. sibiricaRoshevitz;Fig.7.P. polycoleaStapf;Fig.8.P. tangiiHitchcock;Fig.9.P. pratensissubsp. pratensisL.;Fig.10.P.pratensissubsp. alpigena (Lindman)Hiitonen;Fig.11.P. pratensissubsp. angustifolia (L.)Lejeun;Fig.12.P. lipskyisubsp. dschungarica (Roshevitz)Tzvelev;Fig.13.P. asperifoliaBor;Fig.14.P. hisauchiiHonda;Fig.15.P. acroleucavar. acroleucaSteudel;Fig.16.P. khasianaStapf;Fig.17.P. szechuensisvar. debilior (Hitchcock)Soreng&G.Zhu;Fig.18.P. secundaJ.Preslsubsp. juncifolia (Scribner)Soreng;Fig.19.P. trivialissubsp. trivialisL.;Fig.20.P. compressaL.;Fig.21.P. nemoralisvar. nemoralisL.;Fig.22.P. sphondylodesvar. sphondylodesTrinius;Fig.23.P. faberivar. faberiRendle;Fig.24.P. hylobatesBor;Fig.25.P. araraticasubsp. ianthina (KengexShanChen)Olonova&G.Zhu;Fig.26.P. attenuatavar. attenuataTrinius;Fig.27.P.attenuatavar. dahurica (Trinius)Grisebach;Fig.28.P. albertiisubsp. albertiiRegel.

圖版ⅠPlateⅠ

圖版ⅡPlateⅡ

(編輯:潘新社)

MicromorphologyofLeafAbaxialEpidermisofSomePoaSpeciesinChina

LIJianxia,DINGXin,DINGLiangxia,XUChongmei*

(CollegeofPharmacy,WeifangMedicalUniversity,Weifang,Shandong261053,China)

Abstract:Micromorphological characters of leaf abaxial epidermis of 20 species, 6 subspecies and 2 varieties of Poa was examined by light microscope and scanning electron microscope, to infer its significance for classification of the genus Poa.The results indicated that: (1) the leaf abaxial epidermis of Poa were characterized by long-tubular, fusiform or short-tubular long-cells with straight or sinuous wall; presence or absence of short-cells in intercostal zone; frequent stomata and parallel-sided or dome-shaped subsidiary cells distributed in intercostal zone; presence or absence of prickle-cells in costal zone, absence of prickle-cells in intercostal zone; elliptic, reniform, crescentic, subsquare, horizontally-elongated sinuous or nodular silica-cells distributed solitary or in pairs in costal zone; presence of crown cells in some species. (2) Variations of leaf epidermal features existed at the species level, such as shape and wall thickness of long-cells, presence or absence of short-cells and its shape, distribution of stomata and shape of subsidiary cells, distribution of prickle-cells, and shape of silica-cells distributed in costal zone. The micromorphological study revealed that the characters of leaf abaxial epidermis could provide evidences for classification of the genus Poa. Moreover, the evidences of leaf abaxial epidermis confirmed the view that P. pratensis subsp. angustifolia and P. pratensis subsp. alpigena were the subspecies of P. pratensis subsp. pratensis.

Key words:Poa; leaf abaxial epidermis; micromorphology

文章編號:1000-4025(2016)05-0945-09

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.05.0945

收稿日期:2016-01-25;修改稿收到日期:2016-03-30

基金項目:國家自然科學基金資助項目(81274049)；山東省自然科學基金資助項目(2012CQ039)

作者簡介:李建霞(1989-)，女，在讀研究生，從事植物系統及資源分類學研究。E-mail:917592021@qq.com *通信作者:許崇梅，博士，副教授，從事植物系統及資源分類學研究。E-mail:xuchongmei2012@163.com

中圖分類號:Q994.56;Q248

文獻標志碼:A