基于同質園栽培的21種淫羊藿屬植物花部特征的分類學意義

易雪倩,何 花,曾 羅,舒為杰,楊曉琛

(吉首大學 生物資源與環境科學學院 湖南吉首 416000)

花是被子植物有性繁殖的重要器官,花部特征被認為是對不同傳粉媒介的適應,是植物與環境相互作用,長期進化的產物[1],多樣性極為豐富且相對穩定[2]。因此,花部形態特征常被用作被子植物分類和系統演化的重要依據[3]。

依據形態學對植物的分類研究多以葉形態[4]、花部形態[5]、花粉形態[6]、果實或種子形態[7-8]等性狀作為分類依據,利用上述性狀的種間差異將物種進行區分。這類研究的采樣主要基于野外自然居群[9-10]或同質園栽培居群[11-12]。基于野外采樣所觀測性狀的差異是建立在植物所在生境與遺傳物質共同作用的基礎之上,會導致形態差異的來源不明確。然而,同質園實驗(common garden experiment)是將不同生境居群的個體或不同物種引種栽培在環境因素相對一致的同一園地內[13-14],可以排除環境因素對表型變異的影響,從而單獨考察遺傳因素的影響;如果形態差異經同質園栽培后仍然存在,則可以認定這種差異來源于遺傳分化[15]。

淫羊藿屬(Epimedium)為小檗科(Berberidaceae)最大的草本屬,全世界約68種,其中85%以上的物種為中國特有[16-17]。該屬植物最原始種類出現在東亞,中國為該屬植物的多樣性中心和地理分布中心,具有顯著資源優勢[18-19]。淫羊藿具有增強腎功能、強健筋骨、祛風除濕的功效,在中國入藥歷史悠久[20]。

Stearn[18]根據葉和花的形態、地理分布和染色體的c帶特征,將淫羊藿分為2個亞屬、4個組和4個系,是目前較為廣泛認可的淫羊藿屬分類學專著,但是該屬屬下分類和種的范圍確定十分困難。

因此,分類學家們一直致力于該屬植物各類性狀的分析研究,以求更好解決其分類鑒定問題。花粉形態[21]、核型分析[22]、化學成分[23]都曾用于淫羊藿屬分類學研究,但結果均不理想,不能很好地區分淫羊藿屬內物種。而基于ITS序列[24-25]、atpB-rbcL序列[26]、matK序列[27]以及簡化基因組序列[28]的系統發育研究也不能完全將淫羊藿屬植物進行分類。

先前淫羊藿屬基于形態的分類主要以花大小、花瓣長短、花序梗有無以及花莖上葉的形態、數目為依據,缺乏對萼片、雌雄蕊等詳細花部性狀分類意義的探討。

因此,為了明確淫羊藿屬物種之間的分類關系,本研究以同質園栽培的21種淫羊藿為研究材料,通過觀測這些物種的花部特征等性狀,旨在回答以下問題:(1)基于同質園栽培下的淫羊藿屬植物的花部特征在該屬中是否具有分類學意義?(2)哪些特征在分類中起主要作用?

對上述問題的回答不僅能為淫羊藿屬植物的分類、系統演化關系和藥材鑒定提供基礎數據,還能為淫羊藿種質資源的保護與開發利用提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究地點與材料

本研究所有觀測均在湖南省湘西州吉首市的吉首大學淫羊藿屬植物種質資源圃(23°17′92″N,104°80′36″E,海拔195 m)中進行。21種淫羊藿于2014-2015年從野外原生境移栽至資源圃,各物種在資源圃中長勢良好,每年均能正常開花結實。研究物種的具體信息見表1。

表1 試驗物種及其產地信息[18,28]

1.2 花部特征觀測

于各物種的盛花期,在花序的不同部位隨機標記20朵即將開放的花,記錄這些花開放及凋謝的時間,計算出物種單花壽命(以花冠打開為花開放標志,以花冠脫落為花凋謝標志)。

每物種從花序的不同部位隨機采集20朵完全開放的花,對22個性狀指標進行觀測:用精度為0.01 mm的數顯游標卡尺測量花梗長、花直徑、內萼片長寬、蜜距長、蜜距口徑、雌雄蕊長度、花藥長、花柱長、柱頭和蜜距口的高度差(以柱頭伸出花冠記為“+”,柱頭隱藏于花冠記為“-”)、花藥與柱頭的高度差等特征(部分觀測部位說明見圖1);同時觀察以下6個質量性狀:花序類型、有無蜜距、花瓣顏色、內萼片顏色、內萼片與花瓣相對長度和花粉顏色;在體式顯微鏡(Motic SMZ-171, MOTIC Inc., China)下對子房進行解剖統計胚珠數;在光學顯微鏡(Lecia D6200, LECIA Inc., Gremany)下統計各物種花粉粒數量并測量水合花粉粒直徑。

A. 小花類群的花;B. 大花類群的花。1. 蜜距口徑;2. 蜜距長;3. 內萼片長;4. 內萼片寬;5. 柱頭和蜜距口的高度差;6. 雄蕊長;7. 花藥與柱頭的高度差;8. 花藥長。

1.3 數據分析

數據分析與比較均在SPSS 26.0 (Statistical Product and Service Solutions, IBM Inc., New York, USA)中進行。測量得到的花部特征數值通過描述統計進行初步分析;而后用廣義線性模型(generalized linear models)中正態分布(normal distribution)恒等關聯函數(identity-link function)分析比較21個物種種間花部特征的差異。

最后,對22個花部特征性狀進行聚類分析:數量性狀以原始數據的平均數進行直接賦值,質量性狀根據每一性狀的不同類型進行編碼(表2)。

表2 淫羊藿屬植物花部特征質量性狀編碼

聚類分析時首先要數據標準化,消除不同量綱對數據分析產生的影響,再對標準化數據計算分類單位之間的平均歐式距離系數,然后采用UPGMA法進行聚類分析,最后作出分類單位聚類結果的樹形圖,即親緣關系表征圖。主成分分析要在標準化的基礎上計算分類單位之間的相關系數,然后求出相關系數的特征值和特征向量,最后得到特征性狀在前6主成分中的負荷量。

本研究依據所觀察到的花部形態特征編寫了21種淫羊藿屬植物分種檢索表。由于實驗資源圃中無距淫羊藿、天門山淫羊藿、巫山淫羊藿、偏斜淫羊藿、小葉淫羊藿的居群數量較少,在親自測得實驗數據的基礎之上,參考了中國植物志(http://www.iplant.cn/frps)、中國數字植物標本館(https://www.cvh.ac.cn/)以及相關文獻中對以上物種的特征描述?；诖?也對其他物種的特征值進行了校正,確保檢索表的準確性[29-32]。

2 結果與分析

2.1 花部特征

同質園栽培的21種淫羊藿的花壽命均存在顯著差異(P<0.01):單花壽命2～7 d,平均(3.6±0.22) d。其中直距淫羊藿花壽命最短,僅(2.10±0.10) d,湖南淫羊藿花壽命最長:(6.40±0.40) d。淫羊藿花兩性,圓錐花序或總狀花序,花直徑5.14～43.46 mm,內輪萼片花瓣狀,花瓣4,特化成蜜距(無距淫羊藿除外)(圖2),花瓣顏色和內萼片顏色多變(圖3、表3)。

A.黔嶺淫羊藿;B.短莖淫羊藿;C.湖南淫羊藿;D.竹山淫羊藿;E.直距淫羊藿;F.巫山淫羊藿;G.紫距淫羊藿;H.綠藥淫羊藿;I.木魚坪淫羊藿;J.保靖淫羊藿;K.金城山淫羊藿;L.無距淫羊藿;M.青城山淫羊藿;N.川鄂淫羊藿;O.柔毛淫羊藿;P.星花淫羊藿;Q.小葉淫羊藿;R.氈毛淫羊藿;S.偏斜淫羊藿;T.普定淫羊藿;U.天門山淫羊藿。

橫向距離表示差異的大小,樹狀結構則表示分類情況,右側系依據Stearn[18]的分類系統。

表3 21種淫羊藿質量性狀編碼

本研究中21種淫羊藿根據內萼片與花瓣的相對長度[33]可分成大花類型10種(花瓣遠大于內輪萼片,花直徑一般大于1 cm);小花類型11種(花瓣小于內輪萼片,花直徑一般小于1 cm)。物種間各花部特征均存在顯著差異(P<0.01,表4a,b)。其中,花直徑、內萼片長寬、蜜距長、雌蕊長、柱頭和蜜距口的高度差、胚珠數、花粉量、花粉直徑等特征種間差異較大。

表4 21種淫羊藿花部特征測量參數(a)

2.2 主成分分析

在第1主成分中,花直徑、內萼片長、花藥長、胚珠數和花粉直徑等性狀負載值的絕對值都在0.80以上,信息負荷量最大,在本屬分類中起主要作用(表5)。在第2主成分中,柱頭和蜜距口的高度差和內萼片與花瓣相對長度等性狀負載值的絕對值都在0.70以上,信息負荷量較大,對分類較為重要。在第3至第6主成分中,花瓣顏色、有無蜜距和花序類型等性狀負載值的絕對值在0.59以上,在分類中也有一定的作用。主成分分析結果顯示:前3個主成分累積貢獻率為66.969%,直到第6個主成分累積貢獻率達到85.631%,增值速度適中。

表5 淫羊藿屬植物形態性狀主成分負荷值

2.3 聚類分析

21種淫羊藿的系統聚類圖表明在遺傳距離為14的時候,21種淫羊藿根據有性繁殖特征分類,分為4支(圖3)。分支 1星花淫羊藿、柔毛淫羊藿、普定淫羊藿、小葉淫羊藿、氈毛淫羊藿、偏斜淫羊藿聚為一支,主要特征為花小,花瓣短于內輪萼片,囊狀距或兜狀距,花直徑一般小于1 cm。分支 2直距淫羊藿、綠藥淫羊藿、木魚坪淫羊藿、保靖淫羊藿、金城山淫羊藿、黔嶺淫羊藿、竹山淫羊藿、天門山淫羊藿、紫距淫羊藿、巫山淫羊藿、湖南淫羊藿、短莖淫羊藿聚為一支,均為大花,其主要特征花瓣遠長于內輪萼片,長距狀,花直徑一般大于1 cm。分支 3無距淫羊藿單獨為一支,花小,花瓣扁平,花瓣沒有特化形成蜜距,花直徑(11.85±0.55) mm。分支4川鄂淫羊藿、青城山淫羊藿聚為一支,花絲伸長明顯,可達10 mm,花蜜距呈鉆狀,內輪萼片長于花瓣,花直徑14～18 mm。

淫羊藿屬21種植物花部特征分種檢索表

3 討 論

物種間花部形態的變異是導致被子植物多樣性的關鍵因素[34-35],因此花部特征常被用作被子植物分類和系統演化的重要依據[36],具有相近親緣關系的屬、種往往具有相似的花部形態特征[37]。在包含較多觀賞和藥用植物的云實亞科(Caesalpinioideae)中,花托、花萼、花冠、雄蕊、雌蕊等花部特征的性狀是重要的分類依據[38];對蓼科頭狀蓼組(Sect.Cephalophilon)的19個分類群和與冰島蓼屬(Koenigia)相關的4個分類群的花形態進行比較,發現花特征的大小范圍與分類群有關,花被片、雄蕊、花柱等特征是關鍵的分類依據[39]。同質園條件下21種淫羊藿的花壽命及花部特征均存在顯著差異,尤其是花瓣、內萼片的形態及顏色。在前三主成分中,花直徑、內萼片長、花藥長、胚珠數和花粉直徑等性狀在本屬分類中起主要作用。從聚類分析結果來看,在遺傳距離為14時,21種淫羊藿屬植物基于花部特征構建的聚類樹形成穩定的4個分支,且具有較好的區分度。這表明淫羊藿屬植物花部特征具有分類學意義,能通過花部特征將物種進行有效區分。

Stearn[18]將淫羊藿分為2亞屬4組4系,其中中國組(Sect.Diphyllon)中種類最多,均來自中國,此組組下分為4個系:無距系(Ser.Campanulatae)、寶興系(Ser.Davidianae)、長距系(Ser.Dolichocerae)和小花系(Ser.Brachycerae)。本實驗的淫羊藿材料均來自中國組(Sect.Diphyllon)?；谕|園栽培的21種淫羊藿花部特征的聚類分析結果基本符合Stearn基于花形態學對中國組淫羊藿的分類,但不完全支持其對中國組4系的劃分。本研究中分支 1星花淫羊藿、柔毛淫羊藿等花形態較小的物種聚為一支(屬于Brachycerae系),而在Stearn的分類系統中屬于Dolichocerae系的天門山淫羊藿在本試驗與Brachycerae系物種聚為一支。天門山淫羊藿經調查發現是淫羊藿屬植物大花和小花類群的一個中間過渡形態,形態變異巨大,可能是保靖淫羊藿的特殊生態類型[40];以往對淫羊藿屬植物的分類通?；谂D葉標本進行描述,但該屬植物花形態較為立體,制成標本后形態變形嚴重;此外標本數量有限,對物種性狀的描述并不能全面概括。分支2中出現了Stearn系統中Davidianae系和Dolichocerae系的物種嵌套,該分枝的物種均屬大花類群,具長距,且花瓣長于內萼片。但本研究結果與李超等[41]和張成[28]基于形態特征構建的淫羊藿屬下類群的分類關系的結果一致,因此Stearn劃分的Davidianae系和Dolichocerae系中部分物種分類位置有待商榷。分支4中川鄂淫羊藿、青城山淫羊藿聚為一支,沒有與Brachycerae系的其他物種聚在一起。盡管上述2種淫羊藿具有內萼片長于花瓣的與小花類群相似的特征,但其花直徑明顯大于典型的小花類群物種介于大花類群和小花類群之間,且花絲明顯伸長,長度可達10 mm。這與張成[28]基于形態特征構建的聚類關系結果一致,建議以后的分類學處理考慮將這一支成立為新系。

除了通過傳統形態學分類外,基于分子手段的系統發育分析也致力于解決淫羊藿屬的分類問題?；贗TS2序列對中國組15種淫羊藿的研究表明:該序列較為保守,趨異值低,因此ITS2不適合單獨作為條形碼用于該屬系統發育分析[25]。Zhang等[26]通過對38種淫羊藿植物的ITS和葉綠體atpB-rbcL 2個序列的研究,認為雖然中國組類群(Sect.Diphyllon)與其他地理區域類群(Sect.Macroceras、Polyphyllon和Epimedium)有效區分,但在中國組的各系之間相互嵌套。類似的結果也出現于近年來的多項研究中,不論是基于核糖體DNA序列[24]、單核苷酸多態性(SNPs)數據[28],還是質體基因組數據[42],亦或是基于擴增片段長度多態性[43]等分子標記構建的系統發育樹,均能強烈支持中國組(Sect.Diphyllon)和大花組(Sect.Macroceras)的姊妹關系,但不能完全支持Stearn對中國組4系的劃分[18],特別是寶興系(Ser.Davidianae)、長距系(Ser.Dolichocerae)的物種嵌套在各分支中,這與本研究基于同質園栽培的21種淫羊藿花部特征的分類結果一致。出現這一現象可能與淫羊藿屬中國組分布區域的輻射型進化有關,其祖先可能經歷了快速的物種形成[42]。