中國15種變豆菜屬植物的花粉形態及系統學分析

楊 晨 陳志祥 姚雪瑩 王河山 王奇志*

（1. 華僑大學化工學院，廈門 361021；2. 福建中醫藥大學藥學院，福州 350000）

孢粉學資料可為植物分類學和系統發育研究提供有價值的信息，花粉的形態和大小，花粉萌發孔以及表面紋飾等內容的研究都可以做為探究植物進化趨勢的理論基礎［1～6］。而花粉的形態是由基因控制的，受外界環境條件的影響很小，遺傳性是比較穩定的［7］，因而有花植物的花粉形態具有穩定性、保守性和可靠性［8］。孢粉學形態學研究由于其操作簡單，分析直觀等優點存在，成為植物分類學和系統演化分析中常用且重要的方法和手段［9］。

變豆菜屬（Sanicula L.）隸屬于傘形科（Apiaceae）變豆菜亞科（Saniculoideae），全世界約40 余種［10］，中國已知18 種，其中12 種為特有，主要分布于華東、西北和西南地區［11～12］。變豆菜屬植物單葉，掌狀分裂，葉片上萼齒明顯，該屬植物花序不規則，單傘形，不規則復傘形或總狀花序均有出現，同時該屬植物花色呈白色，淡黃色，綠色，淡藍色或紫色均有。由于屬內種間形態分類困難，例如，皺葉變豆菜（S.rugulosa）葉片近圓形，川滇變豆菜（S.astrantiifolia）葉片圓腎形或闊卵狀心形，極難分辨。植物分類學以及系統演化分析中，孢粉學是一種極度重要的方法，但是目前所知，國內外的關于變豆菜屬植物的花粉學報道卻寥寥無幾，只涉及個別國內外種類形態特征的描述，因此開展孢粉學相關研究，可以為種間或屬間分類提供新的證據。據報道國外的S.europaea L.的花粉形態是橢圓形［13］，并且也發現Sanicula DC.組中的花粉形態學研究當中，變豆菜屬種之間的花粉粒形態比較相似，均為橢圓形，且大小在22μm×64μm 左右［14］。此外，佘孟蘭、舒璞等［15］研究指出變豆菜亞科花粉形態極面觀為鈍三角形或近圓形。但是由于研究中涉及的中國變豆菜屬植物種類較少，其屬內種間花粉關系還需要進一步的研究。

因此，本研究運用光學顯微鏡和掃描電鏡對中國分布的15種變豆菜屬植物的花粉形態進行觀察和比較，為變豆菜屬的孢粉及其系統演化研究提供新數據。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用材料均采自野外，材料來源見表1。花粉大小為光學顯微鏡10×40 倍下測量的花粉粒的平均值。

表1 材料來源Table 1 Source of materials

1.2 方法

采用醋酸酐分解法［16］處理花粉，將2 mL 冰醋酸加入盛有花藥的小玻璃管中，待花藥浸軟后用玻璃棒將花藥弄破。通過細銅網將花粉過濾到編號對應的離心管中，經離心沉淀后，倒去冰醋酸。加入臨時配置的冰醋酸—濃硫酸混合液（9∶1），將離心管放入水浴鍋加熱沸騰，在分解過程中，可用玻璃棒輕輕攪動使其均勻。同時，可用玻璃棒隨時取少量花粉放于載玻片上，并在顯微鏡下觀察，直至看到孢粉的內壁和原生質體完全被溶解。分解好后再放入離心管放進離心機內離心沉淀，倒去混合液加入蒸餾水再次離心，重復3 次，將花粉倒入小玻璃管中。將保存在玻璃管內的花粉用玻璃棒或吸管吸取少量放在載玻片上，乙醇脫水干燥，最后通過光學顯微鏡對每一種變豆菜屬的花粉粒的極軸和赤道軸的長度進行仔細地觀察。每一種變豆菜屬的花粉粒選取5～10 粒進行測定，計算極軸和赤道軸的平均長度，同時記錄測量中花粉粒的最大最小值。

用于日立公司S-8600型號掃描電子顯微鏡觀察的花粉粒也先經醋酸酐分解，后用水清洗，然后用50%，75%，95%，100%乙醇逐級脫水，備用；將脫水后的花粉粒置于樣品銅臺上，用離子濺射鍍金膜后在掃描電子顯微鏡下觀察花粉粒形態及表面紋飾，同時拍照記錄。花粉形態描述的術語參照花粉形態與植物分類［17］和孢粉學概論［7］。

2 結果與分析

2.1 不同種類花粉形態特征分析

本研究選擇的15 個種類的花粉特征見表2。掃描電鏡下花粉粒極面和赤道面的形態特征見圖版Ⅰ～Ⅲ。變豆菜屬植物的花粉形態變異較小，花粉粒的形狀和大小，花粉的外壁紋飾等研究都沒有明顯的差異。

表2 中國變豆菜屬花粉微形態特征Table 2 Micromorphological characteristics of pollen of Sanicula from China

圖版Ⅰ 掃描電鏡下變豆菜屬植物的花粉形態特征1～3.川滇變豆菜；4～6.變豆菜；7～9.天藍變豆菜；10～12.軟雀花；13～15.長序變豆菜Plate Ⅰ Characteristics of pollen of Sanicula grains under the SEM1-3.S.astrantiifolia；4-6.S.chinensis；7-9.S.coerulescens；10-12.S.elata；13-15.S.elongata

光學顯微鏡下觀察到變豆菜屬植物的花粉粒較大，極軸（P）長度多為30～45 μm，其中極軸長度最短的為28.51μm（天藍變豆菜，圖1：7），極軸最長的是54.29μm（臺灣變豆菜，圖版Ⅱ：13）。赤道軸（E）長多為15～28μm，其中最短的是12.23μm（川滇變豆菜，圖版Ⅰ：1），最長為29μm（紅花變豆菜，圖版Ⅲ），P/E 值多為1.40～2.40，最高可達到2.46（川滇變豆菜，圖版Ⅰ：1）。

圖版Ⅱ 掃描電鏡下的花粉形態特征1～3.首陽變豆菜；4～6.鱗果變豆菜；7～9.薄片變豆菜；10～12.直刺變豆菜；13～15.臺灣變豆菜Plate Ⅱ Characteristics of pollen of Sanicula grains under SEM1-3.S.giraldii；4-6.S.hacquetioides；7-9.S.lamelligera；10-12.S.orthacantha；13-15.S.petagnioides

掃描電鏡下觀察到變豆菜屬植物表面均有紋飾，尤其以赤道區最為明顯，但差異并不顯著。其表面均具有網狀或細網狀紋飾，掃描觀察極區和溝間區為條網狀紋飾（圖版Ⅲ：3，6，9，12，15）。

2.2 中國變豆菜屬部分種類的花粉特征分析

圖版Ⅲ 掃描電鏡下的花粉形態特征1～3.紅花變豆菜；4～6.皺葉變豆菜；7～9.鋸葉變豆菜；10～12.天目變豆菜；13～15.瘤果變豆菜Plate Ⅲ Characteristics of pollen of Sanicula grains under SEM1-3.S.rubriflora；4-6.S.rugulosa；7-9.S.serrata；10-12.S.tienmuensis；13-15.S.tuberculata

中國變豆菜屬部分種類的花粉粒具有以下特征：赤道觀為近矩形，近矩形或赤道收縮形，極區較圓或平，赤道區微外突、平直或收縮，極面觀圓形、三角圓形；花粉粒較大，極軸（P）長28.51～54.29 μm，赤道軸（E）長15.22～28.98 μm，P/E值為1.48～2.46；具溝孔溝，溝多長；外壁紋飾為網狀。

3 討論

3.1 變豆菜屬花粉類型與進化意義

傘形科按照花粉形狀以及P/E值，花粉分為五類或者六類，其中（近）菱形、近圓形和橢圓形3 種花粉是原始花粉，赤道收縮形花粉是最進化的花粉，位于兩者之間的長菱形或近長方形以及超長方形花粉依次被認為是不同程度中等進化的花粉類型［18］。

在供試的15 種變豆菜屬植物中，花粉屬于原始的種類有軟雀花（S.elata）、長序變豆菜（S.elongata）、變豆菜（S.chinensis）3種，花粉屬于中等進化的種類有紅花變豆菜（S.rubriflora）、天藍變豆菜（S.coerulescens）、首陽變豆菜（S.giraldii）、鋸葉變豆菜（S.serrata）4 種，花粉屬于較進化的有8 種（近長方形）。因此所研究的變豆菜屬植物花粉以較進化類型為主（占供試種數的53.3%），支持前人研究結果，變豆菜亞科中的變豆菜屬相比較天胡荽亞科植物的花粉形態較進化，缺乏原始類型［15］。

在變豆菜亞科中，我們的研究表明變豆菜屬的花粉形態比較統一，只是一個自然的類群，與刺芹屬花粉形態近似（花粉類型包含過渡類型和較進化類型），親緣關系較近，這與分子結果保持一致［15］。并且變豆菜屬花粉紋飾多為網狀紋飾，而刺芹屬多為腦紋—網狀紋飾［15］，可作為變豆菜亞科屬間的重要分類依據。

3.2 變豆菜屬花粉形態及種間區別

花粉粒是植物的重要器官，花粉粒的形態性狀是探討種間演化關系的重要依據之一［19～22］。變豆菜屬花粉的演化趨勢是花粉粒由大到小，赤道由平直向內縮的方向發展，P/E 值由小于接近2 到大于2（即赤道軸漸縮短由長球形至超長球形），極面觀由三角圓形至三角形，表面紋飾由短條—網狀，條—網狀至皺波狀進化［19～22］。根據進化過程中花粉形態演化規律（近菱形或近圓形→橢圓形→超長方形→赤道收縮形）及變豆菜屬花粉演化趨勢以及相關特征分析屬下類群間的關系，具有赤道收縮型花粉的種類為較為進化的類群［15，18］。據此，對供試15 種變豆菜屬植物的花粉形態特征進行綜合分析，可以初步得出這些種類之間的演化關系最原始的種類為軟雀花（S.elata）、變豆菜（S.chinensis）等，鱗果變豆菜（S.hacquetioides）、川滇變豆菜（S.astrantiifolia）和薄片變豆菜（S.lamelligera）等為較為進化型。同時在同屬于進化類似的類群中，其花粉形狀和大小也存在明顯差異，如變豆菜和軟雀花，前者花粉赤道面為卵形，P/E 比為1.6；后者為圓形，P/E比為1.48。因此，利用花粉微形態特征可作為分類鑒定的新證據。

3.3 紅花變豆菜

紅花變豆菜（S.rubriflora）廣泛生長于東北三省，是變豆菜屬中的特殊種。研究表明紅花變豆菜的花粉為超長長方形花粉，而且在花色方面，為唯一紫紅色，這一特征在該屬中較少見。雖然紅花變豆菜無論是花粉形態大小還是花粉紋飾在該屬中沒有明顯差異，其花粉類型較為進化，紅花變豆菜在分子水平中卻較為原始，處于分子系統發育樹的基部［21］。并且該種果棱微凸，細胞輪廓4～6邊形，其果棱紋飾很短且稀疏，與變豆菜屬其他種差異明顯［22］，因此該種與其他種的親緣和進化關系需要進一步的研究。

致謝 感謝西北農林科技大學生命科學學院植物研究所標本館（WUK）、四川大學生物系植物標本室（SZ）、中國科學院成都生物研究所植物標本館（CDBI）、中國科學院昆明植物研究所標本館（KUN）在標本查閱過程中給予的幫助。