喀斯特天坑內孔雀蘚屬蒴齒亞顯微結構研究

吳 金 張朝暉* 王智慧

(1.貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴陽 550001；2.貴州師范大學生命科學學院，貴陽 550001)

喀斯特天坑(Karst Tiankeng)是發育于特定巖溶地質、氣候和水文環境下的喀斯特地貌[1]，其坑口直徑及深度均大于100 m。在喀斯特天坑內部，由于其獨特的生態環境，具有生物避難所效應[2～4]。

苔蘚植物是喀斯特天坑環境中優勢類群之一[5]，其結構簡單，適應能力強。在當前喀斯特天坑內苔蘚植物的研究中，李小芳、吳金等[5～6]報道了喀斯特天坑微環境對苔蘚植物多樣性具有生物避難所功能。但對于苔蘚植物的主要繁殖結構——蒴齒結構在喀斯特天坑微環境的特征未見報道。

蒴齒是生長于苔蘚植物孢蒴上的一種重要繁殖結構，其主要功能是促進孢子散播[7]。蘚類蒴齒研究可追溯至18世紀末至19世紀初[8]。而根據現有研究報道蘚類植物蒴齒的結構特征可作為種間分類的重要依據之一[9]。19世紀末，Philiber在前人研究的基礎上對蒴齒的發育方式進行了較深入的研究[10]，進一步豐富了蒴齒的特征及應用。為了更好地了解蒴齒結構特點以期對其充分利用，Bruch[11]、Schnepf[12]、Grout[13]、Patterson[14]、Lazarenko[15]等對蒴齒的水濕運動進行了探索，從側面驗證了蒴齒與蘚類的繁殖有重要的關系。相對而言，國內關于蘚類蒴齒的研究歷程與國外相似，也經歷了從作為蘚類孢蒴的一個附屬結構發展成為對蘚類種類鑒別、分類和系統進化發育的鑒定依據之一[16～18]。但就目前對蒴齒的研究而言，無論是國外的研究還是國內的研究更多的是將其作為分類依據以及系統發育位置的判定[19～27]，而忽略了蒴齒在生態學和環境學方面意義的研究，導致這一領域的研究成果寥寥，國內僅王曉蕊等對蒴齒與環境的相互適應機理進行了研究[28]。

經筆者多次考察及研究發現，孔雀蘚屬植物在貴州猴耳天坑中生境分布廣泛[6]，如巖面、樹干和土面。隨著對苔蘚植物蒴齒亞顯微形態結構更為詳細的研究，尤其是借助掃描電鏡等大型設備來尋找有用的分類指標已經成為現代苔蘚學家重要的研究手段[29]。目前，國內對孔雀蘚屬植物蒴齒的研究僅有零星記載[6,30]，為了更進一步的明確蒴齒亞顯微形態結構與喀斯特天坑特殊生境的關系，探討蒴齒結構作為系統分類的有效性。本文以孔雀蘚屬植物蒴齒為研究對象，利用電子顯微鏡掃描法，對喀斯特天坑內孔雀蘚屬蒴齒亞顯微結構進行觀察，為喀斯特天坑微環境下蘚類植物蒴齒結構特征研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

猴耳天坑，位于貴州省貴陽市開陽縣城關鎮石頭村桃子窩村民組(開陽縣北部)，地理坐標介于106°59′56.5″～107°00′16.6″E，27°04′57″～27°05′27″N，距離開陽縣城7 km，因其坑口形似猴耳，故名“猴耳天坑”。坑口直徑300 m，坑深280 m，坑底最大直徑280 m，屬大型塌陷型天坑(屬標準豎井式天坑)[6]。

1.2 野外調查與樣點設置

作者于2017～2019年對猴耳天坑進行實地調查發現，該天坑中孔雀蘚屬植物極其豐富，其大小在天坑內呈現各異，沿坑口至坑底分別設置了10個采樣點。本研究采用線路與典型樣地取樣法相結合的方法[31]，從坑口至坑底在有典型孔雀蘚屬植物的生境中設置一個10 m×10 m的樣地，在樣地內按S型布點法設置5個1 m×1 m的樣方，每個樣方內再按5點取樣法設置5個10 cm×10 cm的小樣方，自制1 cm×1 cm的小樣方(100個小格子，用于測量蓋度)[6]，采集小樣方內全部孔雀蘚(網格法)帶回室內進行鑒定，標本存放于貴州師范大學苔蘚植物標本室。

1.3 材料類型

選擇猴耳天坑中具有成熟孢蒴的兩種孔雀蘚屬植物進行蒴齒研究：①黃邊孔雀蘚(H.flavo-limbatum)：植物體中等大小，黃綠色，著生于巖面、樹干和土面上；②東亞孔雀蘚(H.japonicum)：植物體疏松叢集生，著生于腐木、樹干、巖面或土面上；儀器設備主要包括(均由貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室提供)：經緯度計(Etrex 20)、海拔計(Etrex 20)、照度計(PM6612L)、溫濕度計(HT-635)、光學雙目生物顯微鏡(XSZ-107TS)、雙筒解剖鏡(HWG-1)、高真空鍍膜機(HUS-5GB)、掃描電子顯微鏡(JSM-6490LV)。

表1 猴耳天坑樣地基本特征

Table 1 Basic characteristics of Monkey-Ear Tiankeng sample

采集地Collectingplace樣地編號SampleNo.生境Habitat蓋度Coverage(%)種名Species天坑上部(海拔1287m)UpperpartofTiankeng(Altitude1287m)S1石生Stone30東亞孔雀蘚H.japonicumS2石生Stone30東亞孔雀蘚H.japonicumS3石生Stone20黃邊孔雀蘚H.flavo-limbatumS4石生Stone80黃邊孔雀蘚H.flavo-limbatum天坑中部(海拔1147m)MiddlepartofTiankeng(Altitude1147m)S5腐木生Rottenwood40黃邊孔雀蘚H.flavo-limbatumS6石生Stone30東亞孔雀蘚H.japonicumS7石生Stone20東亞孔雀蘚H.japonicum天坑底部(海拔1007m)BottomofTiankeng(Altitude1007m)S8石生Stone10東亞孔雀蘚H.japonicumS9石生Stone20黃邊孔雀蘚H.flavo-limbatumS10土生Nativesoil30黃邊孔雀蘚H.flavo-limbatum

1.4 實驗方法與數據統計

將采集到的兩種孔雀蘚屬植物的孢蒴經處理后使其保持在半濕潤半干燥狀態，分別置于解剖鏡下將蒴帽拔掉，切下蒴齒，待獲得蒴齒后，用鑷子夾住蒴齒置于事先已經粘貼好雙面膠的樣品臺上(供掃描電鏡使用)，將其置于HUS-5GB高真空鍍膜機內噴碳鍍膜，在JSM-6490LV掃描電子顯微鏡下進行觀察，測量、拍照并記錄蒴齒的外齒層數目(外齒長、外齒寬、節片數、橫脊數、中脊數)、內齒層數目(齒毛、節瘤、齒條、穿孔)、基膜高度等數據。運用Excel 2013數據統計軟件分別對兩種孔雀蘚屬植物樣點—蒴齒結構—環境因子數據矩陣表進行設計用于統計分析，將預先設計的矩陣表導入Canoco 5統計分析軟件中，進行排序模型的選擇，結果顯示4個軸中梯度最大值超過4，因此，采用非約束性排序(間接梯度分析)分析中的單峰模型除趨勢對應分析(DCA)進行排序分析，排序結果用物種—環境因子關系的二維排序圖表示。

2 結果與分析

2.1 孔雀蘚屬兩個種蒴齒的形態結構特征

2.1.1 黃邊孔雀蘚(H.flavo-limbatum)

內外齒層數均為16枚，外齒層背面均具“Z”字形的中脊，齒片近直立，窄披針形(見圖1:A)，外齒長160～435 μm，寬60～120 μm，內齒長479～573 μm，從背面觀(見圖1:B)，外齒右側節片為33～55枚，橫脊33～50條，左側節片為33～50枚，橫脊33～54條，具密集且豐富疣狀突起(見圖1:C)；從腹面觀，橫隔數34～52，狹窄且通常不飽滿(見圖1:D)；內齒層表面光滑(見圖1:E)，具折疊基膜，基膜高約248 μm，多達外齒層長度的1/2，齒條腹面中部具長方形豎狀結構，沿豎狀結構往左右兩側具橫紋方形結構(見圖1:F)，具穿孔(見圖1:G)，不具節瘤，齒條間具弱齒毛(見圖1:H)，長約394 μm。

2.1.2 東亞孔雀蘚(H.japonicum)

內外齒層數均為16枚，外齒層背面均具“Z”字形的中脊，齒片伸入齒條間，長三角形(見圖2:A)，外齒長126～422 μm，寬68～134 μm，內齒長191～408 μm，從背面觀(見圖2:B～C)，外齒右側節片約32～50枚，橫脊30～46條，左側節片約31～44枚，橫脊30～46條，具稀疏疣狀突起(見圖2:D)；從腹面觀，橫隔數31～54，寬且通常飽滿(見圖2:E)；內齒層表面光滑(見圖2:F)，基部常愈合形成基膜(愈合程度因種而異)，基膜高約60 μm，低于外齒層長度的1/3。齒條腹面中部不具長方形豎狀結構，整個腹面層由左右不規則細胞組成(見圖2:G)，具弱穿孔或缺失，具明顯節瘤，齒條間具明顯齒毛(見圖2:H)。

2.2 孔雀蘚屬蒴齒結構與喀斯特天坑環境因子關系的除趨勢對應分析(DCA)

蒴齒結構對環境的變化表現出明顯的反應，如蒴齒的齒片和齒條會隨著環境中水分、濕度的含量做張合運動、同時也會憑借環境濕度的大小而確定孢子的散發與否等。孔雀蘚屬蒴齒也不例外。本研究對野外采集到的黃邊孔雀蘚和東亞孔雀蘚進行DCA分析，兩種孔雀蘚屬植物與空氣溫度、空氣濕度、光照度、海拔、蓋度、人為干擾度以及林冠郁閉度7個環境因子關系的DCA結果如圖3～4所示。2個排序軸的特征值分別為0.446，0.140和0.084，0.002，軸1和軸2的解釋量分別為76.1%、100%和98.07%、99.88%，表明其對蒴齒結構關系的分析有較好的效果或說明排序結果是可信的。

由圖3可知，黃邊孔雀蘚蒴齒的齒片長度、寬度與喀斯特天坑內溫度、海拔、蓋度、人為干擾度以及林冠郁閉度呈正相關，與光照和濕度呈負相關；橫脊數、節片數、中脊數與濕度具有較強的正相關性，與其他呈負相關；濕度是影響節片數和中脊數最重要的環境因子，反之與光照的相關性較弱，這就說明低溫高濕有利于蒴齒節片和中脊數的發育；天坑深度對黃邊孔雀蘚蒴齒外齒層齒片長度起決定性作用，陰暗潮濕的環境有利于黃邊孔雀蘚蒴齒外齒層齒片長度的增長，環境郁閉度是影響齒片寬度增長的重要環境因子；由圖4可知，東亞孔雀蘚蒴齒外齒層齒片長度和寬度與人為干擾、光照、溫度呈正相關，受三者的共同影響，與林冠郁閉度、天坑深度、濕度、蓋度呈負相關；節片數、橫脊數、中脊數與濕度、蓋度、人為干擾度呈正相關，其受濕度影響最大，其生境多為濕度大、土壤含水量高的環境。由此看來，齒片長度、寬度、節片數、橫脊數以及中脊數是隨著環境的變化而變化的特征，在喀斯特天坑內易受環境因子的影響和干擾，是可變的、不具分類價值的特征，換言之，在運用蘚類植物蒴齒作為系統演化分類依據時要做性狀的篩選。

圖1 黃邊孔雀蘚蒴齒掃描電鏡形態特征圖 A.黃邊孔雀蘚蒴齒整體觀；B.外齒層背面觀；C.齒片背面觀；D.齒片腹面觀；E～F.內齒層(齒條)腹面觀；G.穿孔；H.齒毛Fig.1 The morphological characteristic of peristome scanning electron microscope in H.flavo-limbatum A.Integral view of peristome of H.flavo-limbatum; B.Dorsal view of exstomium; C.Dorsal view of dentium; D.Ventral view of dentium; E-F.Ventral view of endostomium; G.Tresis; H.Cilia

圖2 東亞孔雀蘚蒴齒掃描電鏡形態特征圖 A.東亞孔雀蘚蒴齒整體觀；B～C.外齒層背面觀；D.齒片背面觀；E.齒片腹面觀；F～G.內齒層腹面觀；H.齒毛Fig.2 The morphological characteristic of peristome scanning electron microscope in H.japonicum A.Integral view of peristome of H.japonicum; B-C.Dorsal view of exstomium; D.Dorsal view of dentium; E.Ventral view of dentium; F-G.Ventral view of endostomium; H.Cilia

圖3 黃邊孔雀蘚—環境因子DCA二維排序圖 1#～4#表示采集到帶有蒴齒的黃邊孔雀蘚(H.flavo-limbatum)數目CPC.齒片長度；CPK.齒片寬度；YJP.右節片數目；ZJP.左節片數目；YHJ.右橫脊數目；ZHJ.左橫脊數目；ZJS.中脊數目；Tem..空氣溫度；Hum..空氣濕度；Pho..光照度；Alt..海拔；Cov..蓋度；Art..人為干擾度；Can..林冠郁閉度 下同。Fig.3 Two-dimensional sequencing diagram of H.flavo-limbatum -environmental factor DCA 1-4 show the number of H.flavo-limbatum collected with peristome CPC. Dentium length; CPK. Dentium width; YJP. The number of right plates; ZJP. The number of left plates; YHJ. The number of right transverse raphe; ZHJ. The number of left transverse raphe; ZJS. The number of middle raphe; Tem.. Air temperature; Hum.. Air humidity; Pho.. Iilluminance; Alt.. Altitude; Cov.. Coverage; Art.. Artificial interference; Can.. Canopy density The same as below.

圖4 東亞孔雀蘚—環境因子DCA二維排序圖 1#～4#表示采集到帶有蒴齒的東亞孔雀蘚(H.japonicum)數目Fig.4 Two-dimensional sequencing diagram of H.japonicum -environmental factor DCA 1-4 indicates the number of H.japonicum collected with peristome

4 討論

近年來，隨著相關學者對苔蘚植物資源價值的認識，逐漸從配子體研究轉向孢子體研究過渡到蒴齒亞顯微形態結構研究，尤其是蒴齒表面的細節特征的研究在分類中是極其重要的[22]。本研究在掃描電子顯微鏡(SEM)下對孔雀蘚屬2種植物蒴齒的觀察結果表明：2種植物蒴齒為雙齒層，內外齒層數均為16枚，外齒層背面均具“Z”字形的中脊，縱隔不明顯，密被細疣，具明顯或不明顯的節或具橫脊。以上特征表明這屬于兩者的共性特征，是穩定的、不可變的特征，可作為高階(如屬級)的分類依據，但不可作為低階分類單元的判定依據。而兩種植物蒴齒在具有一定共性的同時，它們的表面特征在細節上存在顯著的差異，如齒片長度、寬度等，會受到生境中環境因子的影響，因此，在運用蘚類植物蒴齒作為系統分類依據時要做性狀的篩選，換言之，蒴齒被用于系統分類的依據是可行的[32]，但并不是蒴齒上所有的結構特征都可用于系統分類。

喀斯特天坑的形成造成了區域生境的異質性以及環境多樣性，巨大的塌陷規模和相對封閉的環境使天坑內部形成一個獨特的生境系統，為植物的生長繁殖發育提供了良好的棲息地。而蒴齒形態結構特征同苔蘚植物孢子體的演化、對環境的適應及孢子的傳播方式都有著極其密切的關系。在本研究中，基于蒴齒結構—環境因子的二維排序圖，發現環境因子對蒴齒表面的細微結構特征存在顯著的影響。首先，天坑深度對黃邊孔雀蘚蒴齒外齒層齒片長度起決定性作用；陰暗潮濕的環境有利于黃邊孔雀蘚蒴齒外齒層齒片長度的生長，環境郁閉度是影響齒片寬度生長的重要環境因子；其次，濕度是影響節片數和中脊數最重要的環境因子，而對光照的需求較低，即高溫環境不利于蒴齒節片和中脊的發育，低溫高濕利于蒴齒節片和中脊的發育；最后，東亞孔雀蘚蒴齒外齒層齒片長度、寬度與人為干擾、光照、溫度具有較強的相關性，受三者的共同影響，節片數、橫脊數、中脊數與濕度、蓋度、人為干擾度呈正相關，其受濕度的影響最大，其生境多為濕度大、土壤含水量高的環境。綜上所述，導致2種孔雀蘚屬植物蒴齒結構呈現不同變化的原因是由于受到喀斯特天坑這種隱域且封閉圈地化生境的影響，其內部環境多為濕度大、溫度低、降雨豐沛、熱量充足，適宜植物生長發育繁殖。對于大多數苔蘚來說，孢子的散播是由蒴齒控制的。當這些苔蘚生境變潮濕時，齒片的張開程度各不相同[14]。究其原因，是因喀斯特天坑中封閉型隱域生境的形成使得天坑區別于周圍地帶的小氣候和適合植物生存的獨特微生境[33]，為孔雀蘚屬植物蒴齒等結構的生長發育提供了條件。

在Vitt的研究中，對蒴齒的結構與微環境變化的適應做了詳細的描述。依據Vitt的觀點，苔蘚植物在潮濕的環境中，其蒴齒高度發達(雙層蒴齒)，較為原始，而在干旱的環境中，其蒴齒簡單(單層蒴齒)，是進化的類群，這與本研究的結果是一致的[34]，即潮濕的環境中，蒴齒呈現高度發達較為原始的雙齒層。本文所觀察的2種孔雀蘚屬植物多分布于熱帶亞熱帶地區，多屬石灰巖型蘚類，大多為石生、稀樹生，其雙層蒴齒是適應這種潮濕陰暗環境的適應性表現。同時，該研究表明了將蘚類蒴齒作為系統間發育分類的重要指標的必要性和采用現代化手段研究方法的重要性，這將對苔蘚植物的分類和系統演化有著重要意義。

5 結論

①兩種植物蒴齒為雙齒層，內外齒層數均為16枚，外齒層背面均具“Z”字形的中脊。2種孔雀蘚屬植物外齒層齒片曲向存在差異，黃邊孔雀蘚齒片近直立、呈窄披針形，東亞孔雀蘚齒片伸入齒條間、呈長三角形；黃邊孔雀蘚外齒長度、寬度、內齒長度、節片數、橫脊數與東亞孔雀蘚均明顯不相同；黃邊孔雀蘚齒條腹面中部具長方形豎狀結構，沿豎狀結構往左右兩側具橫紋方形結構，不具節瘤，東亞孔雀蘚齒條腹面中部不具長方形豎狀結構，整個腹面層由左右不規則細胞組成，具明顯節瘤；基膜高度：黃邊孔雀蘚多達外齒層長度的1/2，東亞孔雀蘚基膜低于外齒層長度的1/3。②2種孔雀蘚屬植物蒴齒結構受濕度的影響最大，其次是溫度和光照度，其生境多為濕度大、土壤含水量豐富的環境，而濕度主要是通過溫度、光照、降雨和生境等環境條件來實現。③2種孔雀蘚屬植物蒴齒共性特征是穩定的、不可變的特征，可作為高階科屬的分類依據，但不可作為低階分類單元的判定依據。而細微結構如齒片長度、寬度等，會受到生境中環境因子的影響，在運用蘚類植物蒴齒作為系統分類依據時要做性狀的篩選。