10種蕨類植物葉表皮特征的研究

楊　麗, 黃譽嫻, 劉石秀, 嚴岳鴻, 戴錫玲

(1.上海師范大學,生命與環(huán)境科學學院,上海 200234;2.上海辰山植物園 中國科學院上海辰山植物科學研究中心,上海 201602)

?

10種蕨類植物葉表皮特征的研究

楊麗1, 黃譽嫻1, 劉石秀1, 嚴岳鴻2, 戴錫玲1

(1.上海師范大學,生命與環(huán)境科學學院,上海 200234;2.上海辰山植物園 中國科學院上海辰山植物科學研究中心,上海 201602)

利用光學顯微鏡對3科5屬10種蕨類植物的葉表皮形態(tài)進行了觀察和研究.結(jié)果表明:(1) 它們的葉表皮細胞大多為不規(guī)則型,表皮細胞垂周壁均呈深波狀;(2) 氣孔為下生型,多呈橢圓形;共觀察到9種氣孔器類型(不等細胞型、極細胞型、腋下細胞型、無規(guī)則四細胞型、放射狀細胞型、聚合極細胞型、橫列型、帶狀細胞型和圍繞細胞型),每種植物具有2～6種不同類型的氣孔器;(3) 根據(jù)葉表皮特征,支持姬蕨科與碗蕨科合并,而鳳尾蕨科與鐵線蕨科單獨成科.研究結(jié)果為姬蕨科、鳳尾蕨科和鐵線蕨科植物的系統(tǒng)演化及分類提供科學依據(jù).

姬蕨科; 鳳尾蕨科; 鐵線蕨科; 葉表皮; 氣孔器

蕨類植物分為35科,分布世界各地,主要產(chǎn)于熱帶和亞熱帶,溫帶不多見,寒帶更少.各科在我國有相當廣泛的代表屬和2000余種.其中,姬蕨科(Dennstaedtiaceae)約有9屬,分布于世界的熱帶及亞熱帶.中國有3屬,分別為碗蕨屬(Dennstaedtia)、姬蕨屬(Hypolepis)和鱗蓋蕨屬(Microlepia);鳳尾蕨科(Pteridaceae)約有10屬,分布于世界的熱帶和亞熱帶,尤以熱帶美洲為多,我國僅有2屬,分別為鳳尾蕨屬(Pteris)和栗蕨屬(Histiopteris);鐵線蕨科(Adiantaceae)有2屬,分別為鐵線蕨屬(Adiantum)和黑華德屬(Hewardia),前者廣布于世界各地,后者僅產(chǎn)于南美洲,但通常被認為是單屬的科[1-2].真蕨目植物是一個高度自然的類群,長期以來目中各科分類不同.其中,張憲春[3]和秦仁昌[4]的兩個分類方法被認可度較高,兩者的意見分歧源于鐵線蕨屬的界定和某一些屬(如姬蕨屬、碗蕨屬)的劃分依據(jù)單一且不充分[3-4].目前,有關(guān)姬蕨科、鳳尾蕨科和鐵線蕨科植物的研究多集中在配子體發(fā)育[5-6]和孢子形態(tài)[7-8]方面.

葉表皮形態(tài)特征在植物的鑒定、分類及系統(tǒng)演化中具有重要的應用價值[9-10].目前,關(guān)于姬蕨科、鳳尾蕨科和鐵線蕨科植物的葉表皮特征的研究報道仍然很少.如Cotthem[9]對鳳尾蕨科53種植物的氣孔器比較研究,楊東梅等[11]對中國鳳尾蕨屬44個分類群進行孢粉學與葉表皮形態(tài)學研究,徐成東等[12]對鳳尾蕨屬5種植物氣孔器的觀察,邢怡等[13]對鐵線蕨科2種植物葉表皮掃描電鏡的觀察,李艷暉等[14]對鐵線蕨科1種植物氣孔器形態(tài)和結(jié)構(gòu)的研究,張浩等[15]對鳳尾蕨科1種植物葉表皮細胞的顯微觀察.

本文作者利用光學顯微鏡對國產(chǎn)姬蕨科、鳳尾蕨科和鐵線蕨科的5屬10種植物葉表皮形態(tài)特征(如上表皮、下表皮、細胞的形狀和大小、氣孔器的形狀和類型、氣孔密度和氣孔指數(shù)等)進行詳細的研究,為3科蕨類植物的分類以及系統(tǒng)演化研究提供新的分類依據(jù).

1　材料和方法

1.1材料

實驗材料取自姬蕨科、鳳尾蕨科、鐵線蕨科植物的干燥成熟葉片,材料來源如表1所示.

表1　材料來源

1.2方法

取植物葉片中部羽片的中部小羽片,刮去其上孢子囊群.放入裝有30%過氧化氫—醋酸溶液的小燒杯中,用封口膜封口.將小燒杯放置于60 ℃烘箱中8～12h后,待葉片變白,葉肉組織和表皮細胞分離后,把離析材料取出,轉(zhuǎn)移至盛有蒸餾水的燒杯中,漂洗干凈.取葉片上表皮時,把葉片的下表皮朝上,用解剖刀的刀柄輕輕刮去上面的下表皮和葉肉組織;取葉片下表皮時,把葉片的上表皮朝上,刮去上面的上表皮和葉肉組織.然后切取1cm2左右的表皮(中脈附近)制水封片,用MoticBA310型光學顯微鏡觀察、測量、記數(shù)和照相.將每種植物的上、下表皮分別制備5個樣品,每個樣品隨機觀察4個視野.

表皮細胞大小、氣孔大小、氣孔器類型、氣孔密度及氣孔指數(shù)等數(shù)據(jù)均為隨機測量每個樣品20個視野而得出的數(shù)據(jù)范圍和平均值,對于同種不同產(chǎn)地的樣品再進行數(shù)據(jù)范圍和平均值的獲取.其中,氣孔指數(shù)=氣孔數(shù)/(氣孔數(shù)+表皮細胞數(shù))×100%,氣孔密度為每平方毫米氣孔個數(shù).氣孔器類型的命名采用[16]中所提出的名稱.

2　觀察結(jié)果

觀察中國產(chǎn)3科5屬10種蕨類植物葉表皮發(fā)現(xiàn)其特征如下:姬蕨科的葉上表皮細胞多為不規(guī)則型,只有邊緣鱗蓋蕨和峨眉鱗蓋蕨的上表皮細胞為規(guī)則型;垂周壁均呈深波狀;上表皮細胞的長寬比在2.37～2.86之間.下表皮細胞均為不規(guī)則型;垂周壁都呈深波狀;下表皮細胞的長寬比在2.09～2.93之間.每種植物具有3～6種不同類型的氣孔器,依據(jù)副衛(wèi)細胞的數(shù)目及其與保衛(wèi)細胞排列方式的不同,觀察到不等細胞型(Aisocytictype)、極細胞型(Polocytictype)、腋下細胞型(Axillocytictype)、無規(guī)則四細胞型(Anomoteracytictype)、放射狀細胞型(Actinocytictype)、聚合極細胞型(Copolocytictype)、橫列型(Diacytictype)和帶狀細胞型(Desmocytictype)8種氣孔器類型;氣孔都分布在葉下表皮,即下生型氣孔器;氣孔一般散生,分布較均勻,并且沿著葉的長軸方向排列,偶爾在局部地方排列不規(guī)則;氣孔的長寬比在1.30～2.21之間,多為橢圓形,只有邊緣鱗蓋蕨、峨眉鱗蓋蕨為長橢圓形;氣孔指數(shù)在11%～40%之間;氣孔密度在49～123個/mm2之間.

鳳尾蕨科的葉上表皮細胞均為不規(guī)則型;垂周壁均呈深波狀;上表皮細胞的長寬比在2.11～3.59之間.下表皮細胞均為不規(guī)則型;垂周壁都呈深波狀;下表皮細胞的長寬比在2.13～3.25之間.每種植物具有2～4種不同類型的氣孔器,共觀察到不等細胞型(Aisocytictype)、極細胞型(Polocytictype)、腋下細胞型(Axillocytictype)、無規(guī)則四細胞型(Anomoteracytictype)、橫列型(Diacytictype)和圍繞細胞型(Roundcytictype)6種氣孔器類型;具下生型氣孔器;氣孔一般散生,分布較均勻,并且沿著葉的長軸方向排列,偶爾在局部地方排列不規(guī)則;氣孔的長寬比在1.51～1.72之間,均為橢圓形;氣孔指數(shù)在21%～32%之間;氣孔密度在120～221個/mm2之間.

鐵線蕨科中觀察了鐵線蕨,發(fā)現(xiàn)其葉上表皮細胞為規(guī)則型;垂周壁呈深波狀;上表皮細胞的長寬比為2.82.下表皮細胞為不規(guī)則型;垂周壁呈深波狀;下表皮細胞的長寬比為2.31.鐵線蕨具6種不同類型的氣孔器,分別為不等細胞型(Aisocytictype)、極細胞型(Polocytictype)、無規(guī)則四細胞型(Anomoteracytictype)、放射狀細胞型(Actinocytictype)、聚合極細胞型(Copolocytictype)和橫列型(Diacytictype);具下生型氣孔器;氣孔一般散生,分布較均勻,并且沿著葉的長軸方向排列,偶爾在局部地方排列不規(guī)則;氣孔的長寬比為1.08,為近圓形;氣孔指數(shù)為18%;氣孔密度為74個/mm2.

10種蕨類植物的葉表皮特征及氣孔器類型如表2和表3所示.

表2　10種蕨類植物的葉表皮特征

續(xù)表2

圖版Ⅰ1.邊緣鱗蓋蕨(上表皮);2.邊緣鱗蓋蕨(下表皮);3.峨眉鱗蓋蕨(上表皮);4.峨眉鱗蓋蕨(下表皮);5.華南鱗蓋蕨(上表皮);6.華南鱗蓋蕨(下表皮);7.光葉碗蕨(上表皮);8.光葉碗蕨(下表皮);9.姬蕨(上表皮);10.姬蕨(下表皮);11.鳳尾蕨(上表皮);12.鳳尾蕨(下表皮);13.劍葉鳳尾蕨(上表皮);14.劍葉鳳尾蕨(下表皮);15.西南鳳尾蕨(上表皮);16.西南鳳尾蕨(下表皮);17.井欄邊草(上表皮);18.井欄邊草(下表皮);19.鐵線蕨(上表皮);20.鐵線蕨(下表皮)(標尺=20μm).PlateⅠ 1. Microlepia marginata(UE);2. M.marginata(LE);3. M.omeiensis(UE);4. M.omeiensis(LE);5. M.hancei(UE);6. M.hancei(LE);7. Dennstaedtia scabravar.glabrescens(UE);8. D.scabravar.glabrescens(LE);9. Hypolepis punctata(UE);10. H.punctata(LE);11. Pteris creticavar.nervosa(UE);12. P.creticavar.nervosa(LE);13. P.ensiformis(UE);14. P.ensiformis(LE);15. P.wallichiana(UE);16. P.wallichiana(LE);17. P.multifida(UE);18. P.multifida(LE);19. Adiantum capillus-veneris(UE);20. A.capillus-veneris(LE)(Bar=20μm).

表3　10種蕨類植物的氣孔器類型

注:+++表示較多出現(xiàn);++表示較少出現(xiàn);+表示個別出現(xiàn).

3　討　論

對中國產(chǎn)蕨類3科5屬10種植物葉表皮特征進行研究,其中,峨眉鱗蓋蕨、華南鱗蓋蕨和光葉碗蕨的研究結(jié)果為首次報道;其余7種植物的觀察結(jié)果與Cotthem[9]、楊東梅[11]、邢怡[13]、李艷暉[14]及張浩[15]等的研究結(jié)果相一致.結(jié)合已有的研究結(jié)果,將葉表皮特征總結(jié)如下:姬蕨科的葉片表皮細胞多為不規(guī)則型,垂周壁均呈深波狀,具有多種氣孔器類型,即不等細胞型、極細胞型、腋下細胞型、無規(guī)則四細胞型、放射狀細胞型、聚合極細胞型、橫列型和帶狀細胞型8種氣孔器類型,氣孔為下生型氣孔器,多為橢圓形;鳳尾蕨科的葉片表皮細胞均為不規(guī)則型,垂周壁均呈深波狀,具有多種氣孔器類型,即不等細胞型、極細胞型、腋下細胞型、無規(guī)則四細胞型、橫列型、圍繞細胞型、共環(huán)極細胞型、聚腋下細胞型、不規(guī)則型、帶狀細胞型和聚合極細胞型11種氣孔器類型,氣孔為下生型氣孔器,均為橢圓形;鐵線蕨科的葉片上表皮細胞形態(tài)不一,有規(guī)則型和不規(guī)則型,下表皮細胞為不規(guī)則型,垂周壁均呈深波狀,具有多種氣孔器類型,即不等細胞型、極細胞型、無規(guī)則四細胞型、放射狀細胞型、聚合極細胞型和橫列型6種氣孔器類型,氣孔為下生型氣孔器,為近圓形.

關(guān)于姬蕨屬、碗蕨屬、鱗蓋蕨屬的歸類問題,在中國植物志[2]與張憲春的新系統(tǒng)[4]中將三屬歸為一科;而吳兆洪和秦仁昌[3]卻將姬蕨屬單獨成姬蕨科,將碗蕨屬與鱗蓋蕨屬歸入碗蕨科.姬蕨的上表皮細胞為不規(guī)則型,而碗蕨是規(guī)則型,且姬蕨的氣孔密度遠小于碗蕨;但姬蕨和碗蕨的氣孔器類型都以無規(guī)則四細胞型為主.因此,姬蕨屬與碗蕨屬在葉表皮細胞形態(tài)上有一定的差異,而在氣孔器類型上卻又相似.同時,從孢子形態(tài)[7-8]上看,姬蕨屬孢子具單裂縫,碗蕨屬孢子具三裂縫;它們囊群蓋的類型也不相同[3];姬蕨染色體基數(shù)X=26,碗蕨染色體基數(shù)X=33[8].因此,它們在植株形態(tài)、表皮特征、孢粉紋飾和染色體基數(shù)上都有很大差異.然而,比較姬蕨屬與鱗蓋蕨屬卻發(fā)現(xiàn),其葉表皮特征與氣孔器類型均包括在鱗蓋蕨屬內(nèi);它們的孢子囊群都是圓形[1].因此,它們在植株形態(tài)和表皮特征上有一定的相似性.綜合以上論述,姬蕨屬雖與碗蕨屬在葉表皮形態(tài)上有一定差異,但其氣孔器類型相似,而且鱗蓋蕨屬的部分特征包含了姬蕨屬的特征.因此,支持中國植物志與張憲春的新系統(tǒng),將三屬合并為一科.

關(guān)于鐵線蕨屬的歸屬一直存在爭議,在基于分子證據(jù)的最新蕨類植物科屬系統(tǒng)中[4],將鐵線蕨屬歸為鳳尾蕨科,而中國植物志[2]和秦仁昌系統(tǒng)[3]卻把鐵線蕨屬單獨列為鐵線蕨科.鳳尾蕨科的氣孔器為橢圓形,以極細胞型和腋下細胞型為主,不具放射狀細胞型,氣孔密度均大于100個/mm2,上表皮細胞形態(tài)均為不規(guī)則型.然而,鐵線蕨屬的氣孔器為近圓形,以不等細胞型和無規(guī)則四細胞型為主,且具有放射狀細胞型,氣孔密度小于100個/mm2,上表皮細胞形態(tài)不一,有規(guī)則型和不規(guī)則型.因此,從葉表皮特征上看,將鐵線蕨屬納入鳳尾蕨科是不恰當?shù)?應該單獨成科.通過配子體發(fā)育研究發(fā)現(xiàn),鳳尾蕨科與鐵線蕨科存在明顯差異,如鐵線蕨科原葉體發(fā)育類型為鐵線蕨型(Adiantum-type),鳳尾蕨科原葉體發(fā)育類型多為水蕨型(Ceratopteris-type)[5-6].基于孢子形態(tài)研究[7]發(fā)現(xiàn),鐵線蕨科和鳳尾蕨屬的孢子形態(tài)差異較大.綜合葉表皮、配子體發(fā)育和孢子形態(tài)特征認為,兩者親緣關(guān)系可能較遠,將鐵線蕨科并入鳳尾蕨科是不合適的,支持秦仁昌分類系統(tǒng)對鐵線蕨科的處理,將其獨立成科.

[1]中國科學院中國植物志編輯委員會.中國植物志第二卷 [M].北京:科學出版社,1990.

[2]中國科學院中國植物志編輯委員會.中國植物志第三卷第一分冊 [M].北京:科學出版社,1990.

[3]吳兆洪,秦仁昌.中國蕨類植物科屬志 [M].北京:科學出版社,1991.

[4]張憲春.中國石松類和蕨類植物 [M].北京:北京大學出版社,2012.

[5]程薪宇.鳳尾蕨屬配子體發(fā)育的系統(tǒng)學意義研究 [D].哈爾濱:哈爾濱師范大學,2011.

[6]程薪宇,劉保東.鳳尾蕨屬配子體若干系統(tǒng)學特征新考 [J].西北植物學報,2010,30(12):2427-2432.

ChengXY,LiuBD.NewresearchesofsomephylogeneticbotanycharacteristicsongametophyteinPterisL[J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2010,30(12):2427-2432.

[7]王全喜.中國水龍骨目(真蕨目)孢子形態(tài)的研究 [D].哈爾濱:東北林業(yè)大學,2011.

[8]蘇以麗,趙志國,陳江平,等.廣西蕨類植物孢子形態(tài)的研究Ⅲ.鳳尾蕨科 [J].廣西植物,2011,31(4):436-440.

SuYL,ZhaoZG,ChenJP,etal.SporemorphologyofpteridophytesfromGuangxiIII.Pteridaceae[J].Guihaia,2011,31(4):436-440.

[9]CotthemWV.ComparativemorphologicalstudyofthestomataintheFilicopsida[J].BulletinduJardinbotaniqueNationaldeBelgique,1970,40(2):81-239.

[10]ChengQ.MorphologicalcharactersofleafepidermisinSchisandraceaeandtheirsystematicsignificance[J].Journalofplantbiology,2006,49(1):80-87.

[11]楊東梅,何蓉蓉,邢福武,等.中國鳳尾蕨屬(鳳尾蕨科)的孢粉學與葉表皮形態(tài)學研究 [J].廣西植物,2013,33 (1):1-19.

YangDM,HeRR,XingFW,etal.StudyonsporeandleafepidermismorphologyofPteris(Pteridaceae)fromChina[J].Guihaia,2013,33 (1):1-19.

[12]徐成東,劉家貴,馮建孟.鳳尾蕨屬5種植物孢子體形態(tài)研究 [J].西北植物學報,2012,32(5):915-920.

XuCD,LiuJG,FengJM.StudyonthesporophyticmorphologyoffivespeciesofPterisL[J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2012,32(5):915-920.

[13]邢怡,黨安志,劉保東.黑龍江產(chǎn)十種蕨類植物孢子囊和葉表皮的掃描電鏡觀察 [J].植物研究,2004,24(4):413-416.

XingY,DangAZ,LiuBD.ThescanningelectronmicroscopeobservationofthefernsporangeandthefernleafepidermisinHeilongjiangProvince[J].BulletinofBotanicalResearch,2004,24(4):413-416.

[14]李艷暉,劉斌,劉曉鈴,等.山西產(chǎn)13種蕨類植物葉表皮特征的觀察 [J].山西大學學報(自然科學版),2004,27(4):397-401.

LiYH,LiuB,LiuXL,etal.Observationofthecharacteristicof13Fern′sleafEpidermisinShanxi[J].JournalofShanxiUniversity(NatureSciencesEdition),2004,27(4):397-401.

[15]張浩,葉嘉,劉哲玉,等.武安國家森林公園蕨類植物葉表皮細胞的顯微觀察 [J].北方園藝,2011(18),150-153.

ZhangH,YeJ,LiuZY,etal.ThemicroscopicobservationonleafepidermiscellsofseveralFernsinWu′anNationalForestPark[J].NorthernHorticulture,2011(18),150-153.

[16]斯特斯.植物分類學與生物系統(tǒng)學 [M].北京:科學出版社,1986.

(責任編輯：顧浩然)

Study oncharacteristics of Leaf epidermis of 10 species of Ferns

YANG Li1, HUANG Yuxian1, LIU Shixiu1, YAN Yuehong2, DAI Xiling1

(1.CollegeofLifeandEnvironmentalSciences,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China;2.ShanghaiChenshanPlantScienceResearchCenter,ChineseAcademyofSciences,ChenshanBotanicalGarden,Shanghai201602,China)

Theleafepidermalstructuresof10speciesofferns(5genera;3families)wereinvestigatedunderlightmicroscope(LM).Theresultsindicatedthat:(1)Epidermiscellsoffernsaremostlyirregular,withdeepsmuateanticlinalwalls;(2)Thestomatalapparatusesoccurinthelowerepidermisandmostofthemareelliptical.Intotal9typesofstomatalapparatusareobservedinpresentinvestigation(Aisocytictype,Polocytictype,Axillocytictype,Anomoteracytictype,Actinocytictype,Copolocytictype,Diacytictype,Desmocytictype,Roundcytictype).Eachspeciespossesses2～6differenttypesofstomatalapparatus;(3)Accordingtothecharactersofleafepidermis,wesupportthatHypolepidaceaeandDennstaedtiaceaeshouldbecombinedasonefamily,butPteridaceaeandAdiantaceaeshouldbeseparated.TheresultsprovideevidencesforphylogenyandclassificationofHypolepidaceae,Pteridaceae,Adiantaceae.

Hypolepidaceae;Pteridaceae;Adiantaceae;leafepidermis;stomatalapparatus

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.017

2015-08-21

上海市自然科學基金(15ZR1430500)

楊麗,中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號，上海師范大學生命與環(huán)境科學學院，郵編：200234,E-mail:yangli9305@163.com;戴錫玲,中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號，上海師范大學生命與環(huán)境科學學院，郵編：200234,E-mail:daixiling2010@shnu.edu.cn

Q949

A

1000-5137(2016)04-0497-08