貴州8種杜鵑花屬植物的花粉形態及計量分析

徐梅,李政權,田仁奎,張顯強*

貴州8種杜鵑花屬植物的花粉形態及計量分析

徐梅1,李政權2,田仁奎3,張顯強1*

1. 貴州警察學院, 貴州 貴陽 550005 2. 貴州泰若數字科技有限公司, 貴州 貴陽 550081 3. 貴州省公安廳物證鑒定中心, 貴州 貴陽 550005

本文以貴州畢節百里杜鵑為采集地，采集馬纓杜鵑、迷人杜鵑等8種杜鵑屬為實驗材料，通過掃描電鏡觀察花粉的形態及外壁紋飾，并利用SPSS軟件對其進行量化分析，可為杜鵑花屬植物的分類鑒定和識別提供基礎的參考數據。8種杜鵑花屬植物的花粉均為四合體花粉，呈正四面體排列，具三孔溝，其中百合花杜鵑和毛杜鵑的形狀呈扁球形，其他杜鵑屬介于近球形與球形之間，表面附著粘絲情況不一。經SPSS軟件量化，結果表明：（1）8種杜鵑屬的極軸長、赤道軸長、四合體直徑、周長、面積、萌發孔長、萌發孔寬的平均值范圍分別為（13.81～21.21）μm，（17.02～29.96）μm，（28.35～42.75）μm，（101.93～170.25）μm，（673.24～1648.76）μm2，（7.67～16.59）μm，（0.57 ～1.77）μm，P/E的范圍為0.684～0.839；（2）對極軸長、赤道軸長等指標進行相關性分析，極軸長、四合體直徑、面積是最能影響花粉形態的指標，萌發孔寬指標對花粉形態無顯著影響；（3）主成分分析極軸長、四合體直徑、面積組成的因子成分可替代以上8個指標，且貢獻率排名為極軸長、四合體直徑、面積，可以花粉極軸長、四合體直徑、面積因子成分作為分類鑒別的依據之一；（4）聚類分析顯示歐式距離10時可將8種植物分為3類，這與主成分分析的結果相對應。綜上，將電鏡觀察花粉形態的定性方面與SPSS軟件定量分析結合為分類鑒別提供了參考價值。

杜鵑花屬; 花粉形態; 計量分析

杜鵑花科包括5個屬，其中最大的屬就是杜鵑屬，有近千種[1]。杜鵑是常綠或落葉灌木，稀為喬木，耐寒耐旱，適應性強，喜酸性土壤，多生于林下、林緣、灌叢中。杜鵑種類繁多，西南地區分布較廣，它不僅具有較大的觀賞性而且大部分為蜜源植物，具有較高的養蜂價值。由于杜鵑屬植物的種類繁多，形態各異，植物分類紛繁復雜，且變異性較大，因而前人從活力、分類學等不同方面對該屬植物進行較為深入的研究[2,3]。

隨著孢粉學的發展，從大量的花粉資料顯示，植物系統分類的根本依據之一就是從花粉形態特征出發，但花粉形態特征只能從定性方面去確定，定量方面確定的報道極少。此前就有劉林等[4]對藏東南18種杜鵑屬植物花粉形態進行比較，指出花粉形態及大小、萌發孔溝、外壁紋飾等特征，可以作為植物分類研究及系統發育研究的輔助手段。郝佳波等[5]對木蘭科16種含笑屬植物的花粉形態進行研究，發現極軸長這一性狀比赤道軸長和/(軸比)更具有種間分類的價值。Wrońska-Pilarek D等[6]從黑櫻草花粉形態及變異進行研究，分析了花粉粒的8個定量特征和3個定性特征，這些特征可以作為區分樣本組的輔助手段，其還指出花粉粒性狀與采集地點的地理位置有顯著的相關關系。本文利用掃描電子顯微鏡和對SPSS軟件對8種杜鵑屬進行花粉形態觀察和統計分析，從定性與定量的雙重角度研究杜鵑屬植物資源分類的情況，進而用統計分析的方法去佐證花粉形態特征在分類學上的實用性，為杜鵑花科的分類學研究提供孢粉學證據。

1 材料與方法

1.1 材料處理

該文的實驗材料均來自貴州畢節百里杜鵑自然保護區，共采集8種植物花粉，每種采集1至2個樣本并編號分類。將花藥從樣本取出放至FAA固定液中固定16h- 20 h，將固定好的材料轉至不同濃度下的乙醇進行梯度脫水，具體脫水梯度為50%→65%→80%→95%→100%,各級脫水時間為1.5 h。脫水后的材料經自然陰干后用無菌刀對花藥切割取出花粉，花粉放至粘有導電膠的樣品臺上，后經離子濺射儀噴金（E-1010）、鍍膜處理，然后通過電子掃描電鏡(日立SU-3500)進行觀測。

1.2 方法

通過電子掃描電鏡(日立SU-3500)對8個樣本觀測，每個樣本選取15粒花粉，對電鏡觀測下的不同倍數花粉拍照保存。選出清晰品相好的花粉區域照片經Photoshop進行處理(主要是處理花粉粒與花粉粒之間的粘絲)，用Imagepro-plus對處理后的花粉照片進行測量分析，測量出每種花粉的極軸長、赤道軸長、四合體直徑、周長、面積、萌發孔長、萌發孔寬共7個指標。用SPSS軟件對以上7個定量指標進行相關性分析，相關性分析是根據皮爾遜公式評估的。通過SPSS軟件對極軸長、赤道軸長、/、四合體直徑、周長、面積、萌發孔長、萌發孔寬8個定量指標的平均值進行主成分分析和聚類分析，通過主成分分析法可以從多指標向少數綜合指標的轉換。聚類方法采用組間連接，聚類單元之間的遺傳距離以平方歐式距離計算，聚類圖選用譜系圖。

2 結果與分析

2.1 花粉形態特征

如圖1所示，8種杜鵑花的花粉形態呈正四面體排列，四合體具有三孔溝，單粒花粉輪廓呈扁球形或介于近球形與球形之間（圖1，表1）。花粉粒表面出現不同程度的粘絲。在掃描電鏡的觀測下，外壁紋飾大多為突起或呈顆粒狀的圖案，外壁輪廓線呈微波浪形，極少數為腦紋狀紋飾：由腦紋的彎曲短條紋組成，輪廓線為低平的波浪線。花粉粒呈現大、中、小不同程度的顆粒、裂紋等不同紋飾。花粉粒四分體因種類的不同導致飽滿程度各異，大多數的花粉呈現出活力飽滿的狀態，但極少數的花粉粒表現出皺縮的形態，花粉粒的4個面有不同程度的凹陷，有些花粉粒已經呈干癟、皺縮狀，這是由于花粉粒失去了活力[2]，王玉國等[10]研究的花粉形態也出現類似情況，如馬纓杜鵑、毛杜鵑、比利時杜鵑（西鵑）已經有不同程度的向內凹陷。本文對花粉的描述性術語遵循Erdtman G等[7]孢粉學手冊和王開發等[8]孢粉學概論的專業術語。

圖 1 花粉形態的電鏡觀察

注：1.映山紅；2.百合花杜鵑；3.馬纓杜鵑；4.迷人杜鵑；5.腺果杜鵑；6.大白杜鵑；7.毛杜鵑；8.比利時杜鵑（西鵑）。

a.為花粉整體，百合花杜鵑（2）和大白杜鵑（6）標尺為30 μm,其余均為20 μm；b.外壁紋飾，標尺均為10 μm.

2.2 花粉大小特征

8種花粉極軸長、赤道軸長、四合體直徑、周長、面積、萌發孔長、萌發孔寬的平均值范圍分別為（13.81～21.21）μm，（17.02～29.96）μm，（28.35～42.75）μm，（101.93～170.25）μm，（673.24～1648.76）μm2，（7.67～16.59）μm，（0.57～1.77）μm，P/E的范圍為0.684～0.839，見表1。8種杜鵑花的大小以四合體直徑的長度來劃分，根據王開發等[8]描述的孢粉大小可將其大小劃分為中等等級（25～50）μm，8種花粉的四合體直徑范圍為（28.35～42.75）μm，在周英蘭等[9]研究的杜鵑花四合體直徑范圍內，其研究的四合體直徑范圍為(24.8～60.1) μm，基本是吻合的，但8種花粉的大小仍存在著差異。在觀測到的8種杜鵑花中，毛杜鵑的大多數指標數據都比較小，比利時杜鵑（西鵑）的四合體直徑、面積、萌發孔長、萌發孔寬平均值是最大的。從表1各項指標可以看出，8種不同花粉形態指標之間均存在差異。

表 1 花粉形態特征

2.3 統計分析

2.3.1 相關性分析花粉形態的7個定量指標之間的相關性分析結果見表2，從表中可以看出，萌發孔寬與其他指標無顯著相關性，極軸長與其他指標有顯著或極顯著的相關性（除了萌發孔寬），赤道軸長與萌發孔寬、周長無相關性，與其他4個指標都有極顯著的相關性，四合體直徑與極軸長、赤道軸長、面積、萌發孔長有極顯著或顯著的相關性，周長與極軸長有顯著的相關性，面積與極軸長、赤道軸長、四合體直徑、萌發孔長有極顯著或顯著的相關性，萌發孔長與極軸長、赤道軸長、四合體直徑、面積有極顯著或顯著的相關性。綜上所述，其中極軸長、四合體直徑、面積是最能影響花粉形態的指標，萌發孔寬指標對花粉形態無顯著影響。

表 2 觀測指標之間的相關性

注：“**”和“*”分別表示在0.01水平（雙側）和0.05水平（雙側）上顯著相關。

2.3.2 主成分分析對花粉形態的8個定量指標進行主成分分析，旋轉方法為凱撒正態化最大方差法，分析結果見圖2。從圖中可以看出提取的2個主成分累積的貢獻率為83.4%，即這2個主成分集中了8個原始指標83.4%的信息。此外，圖2顯示極軸長、四合體直徑、面積組成的因子成分可替代以上8個指標，且貢獻率排名為極軸長、四合體直徑、面積，表明極軸長在所有的指標中所起的作用是最大的。此目的是表示主成分與每個杜鵑屬的關系，因此我們可以從定量的角度通過主成分鑒別每一個孢粉屬。

圖 2 旋轉后的空間成分分布圖

2.3.3 聚類分析利用SPSS軟件對花粉8個定量特征進行聚類分析，在歐式距離10處，將所有的杜鵑屬分為3個組群。毛杜鵑和比利時杜鵑（西鵑）單獨為一組，而第二組包括所有杜鵑資源,并分為兩個亞組：A亞組為百合花杜鵑，大白杜鵑；B亞組為映山紅，腺果杜鵑，馬纓杜鵑，迷人杜鵑。

比較譜系圖分類結果與花粉形態特征極軸長、四合體直徑、面積三個指標數據，單獨為一組的毛杜鵑極軸長、四合體直徑、面積分別為13.81 μm，28.35 μm，673.24 μm2。在8種杜鵑屬指標數據中最小。單獨為一組的比利時杜鵑（西鵑）極軸長、四合體直徑、面積分別為21.21 μm，42.75 μm，1320.17 μm2，在8種杜鵑屬指標數據中最大。這與主成分分析的結果相對應，進一步印證極軸長、四合體直徑、面積綜合因子成分從定量上作為鑒別每一個孢粉屬的有利依據。

圖 3 基于花粉形態特征的杜鵑資源譜系圖

3 討論與結論

3.1 花粉的形態特征

通過對8種杜鵑屬植物的花粉形態特征進行掃描電鏡觀察發現，馬纓杜鵑、毛杜鵑、比利時杜鵑（西鵑）處于花蕾膨大期[11]，花粉形狀初具四合體，每分體呈現不同程度的凹陷。對每種杜鵑屬植物的各項指標測定，其具有不同程度的差異，其中/、形狀等指標與前人研究的結果有差異。周英蘭[9]、劉林[4]、王玉國[10]等研究的杜鵑屬植物花粉形狀基本為近球形或球形，且其并未測定/值，由王開發的孢粉學概論描述，花粉形態的確定是由/值確定，因而周英蘭[9]、劉林[4]、王玉國[10]等研究的杜鵑屬植物形狀是否正確有待考究。該文中測定/值范圍（0.684～0.839）與Sarwar AKMG等[12]研究的結果大致一致，百合花杜鵑和毛杜鵑的形狀為扁球形，其他杜鵑屬介于近球形與球形之間。

3.2 統計分析

選用8種定量指標對花粉粒進行了特性研究。對所研究指標進行統計分析，結果表明，四合體直徑、面積兩個指標在每種杜鵑花之間具有顯著性。相關性分析顯示，有22個相關系數顯著，其中極軸長、四合體直徑、面積是最能影響花粉形態的指標，萌發孔寬指標對花粉形態無顯著影響。主成分分析顯示，極軸長、四合體直徑、面積對應的散點在組內呈現相互聚集的情況，表現出相似性，而其他指標對應的散點較分散，表現出差異性。通過主成分分析法對8個指標進行降維，從而得到極軸長、四合體直徑、面積成分指標來實現杜鵑屬植物的區分。聚類分析顯示，在歐氏距離為10處，毛杜鵑和比利時杜鵑（西鵑）與其他杜鵑植物聚類不同，其各自聚為一類，兩者之間表現出很大的差異類別，可作為甄別、鑒定杜鵑屬植物種屬的參考方法。

[1] 楊漢碧,方瑞征,金存禮.中國植物志第五十七卷:第1分冊[M].北京:科學出版社,1999

[2] 趙進紅,趙勇,張倩,等.6種杜鵑屬花粉形態及活力研究[J].農學學報,2020,10(11):78-84

[3] 高連明,張長芹,李德銖,等.杜鵑花族花粉形態及其系統學意義[J].云南植物研究,2002,24(4):471-482

[4] 劉林,梁春莉,孟凡麗,等.藏東南18種杜鵑屬植物花粉形態的比較[J].西北林學院學報,2021,36(6):116-120

[5] 郝佳波,司馬永康,徐濤,等.木蘭科16種含笑屬植物的花粉形態[J].西北植物學報,2015,35(11):2204-2210

[6] Wrońska-Pilarek D. Pollen morphology and variability ofL. [J]. Adoxaceae.Biologia, 2020,75:481-493

[7] Erdtman G.孢粉學手冊[M].中國科學植物研究所古植物研究室孢粉組譯.北京:科學出版社,1979:238

[8] 王開發,王憲曾.孢粉學概論[M].北京:北京大學出版社,1983:21-32

[9] 周蘭英,王永清,張麗,等.26種杜鵑屬植物花粉形態及分類學研究[J].林業科學,2008,44(2):55-63

[10] 王玉國,李光照,漆小雪,等.杜鵑花屬植物花粉形態及其分類學意義[J].廣西植物,2006,26(2):113-119

[11] 李太強,劉雄芳,李正紅,等.滇東南瀕危植物長梗杜鵑的花粉形態及其特性研究[J].林業科學研究,2018,31(3):51-59

[12] Sarwar AKMG, Takahashi H. Pollen morphology of Rhododendron and related genera and its taxonomic significant [J]. Bangladesh Journal of Plant Taxonomy, 2013,20(2):185-199

Pollen Morphology and Quantitative Analysis of Eight Species ofin Guizhou

XU Mei1, LI Zheng-quan2, TIAN Ren-kui3, ZHANG Xian-qiang1*

1., Guiyang 550005,2., Guiyang 550081,3.,550005,

Eight species ofsuch asandFranch were collected as experimental materials in Bijie, Guizhou. The morphology and outer wall decoration of pollen were observed by SEM, and the quantitative analysis was carried out by SPSS software, which can provide basic reference data for the classification and identification of. The pollens of eight species ofare all tetrazygous pollens with tetrahedral arrangement and three furrows.andare oblate spherical in shape, while otherare between subspherical and spherical, with different adhesion and adhesion on the surface. Quantified by SPSS software, the results show that: (1) The average values of polar axis length, equatorial axis length, pollen diameter, perimeter, area, germinal apertures length, and germinal apertures width of the eightwere (13.81-21.21) μm, (17.02-29.96) μm, (28.35-42.75) μm, (101.93-170.25) μm, (673.24-1648.76) μm2, (7.67-16.59) μm, (0.57-1.77) μm, respectively. P/E range is 0.684-0.839. (2) The correlation analysis of the polar axis length and equatorial axis length showed that the polar axis length, the diameter and the area of the tetrazygote were the most influential indicators of pollen morphology, while the germinal apertures width had no significant effect on pollen morphology. (3) The results of PCA showed that the factor components composed of polar axis length, tetrazygote diameter and area could replace the above eight indexes, and the contribution rates were ranked as polar axis length, tetrazygote diameter and area, indicating that polar axis length, tetrazygote diameter and area factor components could be used as one of the basis for classification and discrimination. (4) Cluster analysis showed that eight species could be divided into three groups at Euclidean distance of 10, which corresponded to the results of PCA. In conclusion, the combination of qualitative aspects of pollen morphology observed by electron microscopy and quantitative analysis by SPSS software provides reference value for classification and identification.

; pollen morphology; statistical analysis

Q944.6

A

1000-2324(2022)06-0925-05

2022-05-02

2022-06-13

貴州省教育廳青年科技人才成長項目:貴州有毒蜜源植物調查及其花粉顯微形態觀測研究(黔教合KY字[2021]283)

徐梅(1990-),女,碩士研究生,講師,研究方向:計算物理、生物物理. E-mail:xumei684719@163.com

Author for correspondence. E-mail:zhangxianqiang@126.com

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.018