河谷内外特殊生境对接骨草形态与细胞的影响*

徐 亮，陈功锡，张 洁，张代贵，朱群英

(1.吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南吉首 416000;2.吉首市林业局，湖南吉首 416000)

河谷内外特殊生境对接骨草形态与细胞的影响*

徐 亮1，2，陈功锡1，张 洁1，张代贵1，朱群英1

(1.吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南吉首 416000;2.吉首市林业局，湖南吉首 416000)

选择河谷内外广泛分布的接骨草为研究对象，探讨河谷特殊生境对植物形态与细胞的影响.(1)河谷内外分布的接骨草除棱数、侧枝数、节数、最长节间长和小叶数目无明显差异外，不孕花数目、小叶长/宽、果实颜色和托叶形状均存在显著差异;(2)河谷内外分布的接骨草上、下表皮细胞形状和垂周壁式样均呈无规则和浅波状，河谷内居群的气孔密度为(37.6±7.47)个/mm2，明显大于河谷外居群的(26.8±5.81)个/mm2，但气孔指数河谷外居群(31.38%)略高于河谷内(29.17%);(3)河谷内外接骨草的体细胞染色体数目实为2n=36，与之前报道的染色体数目不一致.河谷内居群核型公式为2n =36=16m+14sm+2st+4t，河谷外为2n=36=22m+14sm，均属于“2B”型，但核型不对称系数却相差较大，河谷内Ask= 67.76%，河谷外Ask=61.97%，表明前者更为进化.

形态学;细胞学;接骨草;进化;河谷

接骨草(Sambucus chinensisLindl)为忍冬科接骨木属高大草本或半灌木状植物，是常用药用植物与观赏植物.其小叶2至3对，互生或对生，复伞形花序顶生，大而疏散，总花梗基部托以叶状总苞片，杯形不孕性花不脱落，可孕性花小，萼筒杯状，萼齿三角形，花冠白色，仅基部联合，花药黄色或紫色，果实红色，近圆形，核2～3粒，卵形，表面有小疣状突起，花期4—5月，果熟期8—9月［1］.接骨草广泛生于沟谷、田野、路边等生境，外部形态随生境的变化较大，这种差异的规律性及其机制值得深入探讨.

植物的生长环境变化直接影响着植物内部器官结构和生理特征变化，植物器官的形态结构最能反映植物对环境的适应特征［2］.为探讨河谷特殊生境对植物形态及细胞学的影响以及植物对河谷特殊生境的适应性及机制，文中特选择在河谷内外广为分布的接骨草为研究对象，对其外部形态结构和细胞染色体进行初步比较，研究该物种的河谷生态适应性基本规律，同时也为进一步验证和阐明“河谷生态效应”(Valley ecological effect)积累基础资料.

1 研究方法

1.1 形态学统计

在河谷内外随机各选取3个接骨草居群，采样点环境因子见表1.对各居群的株高、地径、棱数、侧枝数、节数、叶片长/宽、不孕花数量、结实数等一系列数量性状进行了测定，同时对托叶形、果实颜色等进行观察.运用方差分析比较各形态性状的变化幅度，每个居群统计不低于20个植株.

表1 各采样地环境因子

1.2 叶表皮观察

根据潘开玉等［3］的实验方法和具体步骤，先将叶片放入质量浓度为20%次氯酸钠溶液中，在35℃左右的温箱中浸泡4～5 h，取出叶片用蒸馏水冲洗干净后，用油嘴镊子撕下叶片中部或近中部中脉附近的表皮，常规压片;后用光镜下观察测量，测量气孔大小时，上下表皮均测20个气孔，取其平均值.计算气孔指数时，随机选取20个视野计数.计算公式为I=S/E+S.其中:I为气孔指数;S为1个视野内的气孔数;E为同一视野内的表皮细胞数.气孔器描述参照文献［3-5］所用术语.

1.3 细胞学观察

分别从德夯和吉首大学沙子坳校园移栽接骨草幼苗至实验苗圃，于每天上午9:00—10:00取其根尖放入质量浓度为0.1%的秋水仙素预处理4 h，然后转入卡诺固定液中固定2 h，后用清水漂洗2～3 min，接着用1 mol/L的HCI解离5 min，最后用卡宝品红染色30 min，常规压片镜检，DM2000拍照.用Motic Digiclass 1.2测量染色体的长臂(L)、短臂(S)的长度后，计算染色体的相对长度比，并排列染色体，对染色体及其核型进行分类，每个居群至少测量5个细胞.其中，染色体相对长度=染色体长度/染色体组总长度× 100%;臂比值(R)=长臂(L)/短臂(S);染色体长度比=最长染色体/最短染色体.染色体分类按Levan的命名法，核型分析按李懋学和陈瑞阳［6］建议的统一标准进行.依据Stebbins提出的原则进行染色体核型分类，核型不对称系数(Ask)按A.ran的方法计算，Ask=长臂总长/全组染色体总长×100%.

2 结果与分析

2.1 形态比较

文中发现无论是河谷内外，接骨草多呈高大草本.河谷内外接骨草形态性状比较见表2.河谷内株高平均为(1.59±0.3)m，最高可达2.12 m，有的甚至为半灌木状，地径为(0.95±0.12)cm;河谷外的平均株高略低(1.30±0.12)m，地径略小(0.75±0.05)cm.统计分析表明，两地点的接骨草植株高度和地径差异显著(P＜0.05)，但棱数、侧枝数、节数和最长节间长则无显著差异.叶方面，小叶数目差异不大，但叶长/宽相差异显著(P＜0.05);托叶的形状也相差甚远，河谷内为叶片状，河谷外为棍棒状.此外，河谷外分布的接骨草单个圆锥花序不孕花数为(105±31.9)个，而河谷内仅为(44.67±12.86)个，有的植株甚至没有不孕花形成.果实颜色差异也十分明显，河谷内、外分别为黑色和红色(见图1).

表2 河谷内外接骨草形态性状比较

图1 河谷内外接骨草的植株形态

2.2 叶表皮比较

光学显微镜下接骨河谷内外接骨草的叶表皮细胞和气孔器特征见表3.由表3知:两地接骨草叶表皮特征中，上、下表皮细胞性状和垂周壁式样均呈无规则和浅波状，但吉首大学沙子坳校园居群上表皮具表皮毛(见图2)，而德夯居群上表皮无表皮毛分布;气孔均分布在下表皮上，德夯居群的气孔密度高于吉首大学居群，分别为(37.6±7.47)个/mm2和(26.8±5.81)个/mm2，但吉首大学沙子坳校园居群的气孔指数为31.38%，高于德夯居群的29.17%.

图2 光学显微镜下河谷内外接骨草的叶表皮形态(400×)

表3 光学显微镜下接骨河谷内外接骨草的叶表皮细胞和气孔器特征

2.3 染色体比较

对18个细胞进行染色体数目统计，染色体数均为36条，因此得出接骨草德夯居群的细胞染色体数目为2n=2x=36(见图3)，未发现染色体非倍性细胞、B染色体及随体.

图3 接骨草德夯居群的染色体及核型(1 000×)

根据文献［6］的核型分析标准，对接骨草德夯居群的染色体核分析表明(见表4)，18对染色体中居中部着丝粒的染色体为第6，7，8，12，15，16，17，18对，近中部着丝点染色体为第1，2，3，4，5，9，13对，近端着丝粒染色体为第14对，端部着丝粒染色体为第10，11对，其核型公式为2n=36=16m+14sm+2st+4t，染色体绝对长度范围为(1.03～2.39)μm，最长与最短染色体比值为8.15，核型不对称系数Ask=6 7.76%，核型属于“2B”型，为较不对称型核型.

表4 接骨草德夯居群染色体参数

对10个细胞进行染色体数目统计，染色体数均为36条，因此得出接骨草吉首大学居群的细胞染色体数目为2n=2x=36(见图4)，未发现染色体非倍性细胞、B染色体及随体.

图4 接骨草吉首大学沙子坳校园居群的染色体及核型(1 000×)

该居群18对染色体中，具中部着丝点的为第7，8，9，11～18对，具近中部着丝点的为第1，2，3，4，5，6，10对，其核型公式为2n=36=22m+14sm(见表5)，染色体绝对长度范围为(1.82～2.99)μm，最长与最短染色体比值为1.64，核型不对称系数Ask=61.97%，核型属于“2B”型.

表5 接骨草吉首大学沙子坳校园居群染色体参数

3 讨论

(1)接骨草为广泛适应的物种，无论河谷内外均有分布，是研究物种适应性进化的良好材料之一.比较形态学研究表明，河谷内外分布的接骨草除棱数、侧枝数、节数、最长节间长和小叶数目无明显差异外，其他形态特征均存在显著差异，表明接骨草对外界环境的反应较为敏感，这种差异体现出该植物种对不同环境的适应策略.河谷内水热丰富，土壤肥沃，致使接骨草营养生长的投入较多，故植株高大，不孕花数量减少，果实为黑色.此外，其叶尖明显，托叶呈叶片状，则更能反映该区水量充沛，较长的叶尖和叶表面积均有利于排出多余的水分.果实颜色通常被看作是一种“广告”，以吸引靠视觉寻找食物的食果脊椎动物的注意从而达到其种子传播的目的［7］.红色和黑色都是鸟类偏好取食的果实颜色［8-10］，但红色果实在绿色背景下颜色反差形成的突出醒目性，可能会使得果实取食者能够较快的发现较远距离的果实，从而更容易被取食［11］.对河谷外生长的接骨草而言，其受到的人为干扰要远大于河谷内，推测是其通过改变种子的颜色来吸引更多(或更远)取食者的注意，从而达到传播种子的目的.但果实颜色也可能是生理适应的结果，因为暗色调果实的颜色较之浅色调也许可以吸收更多的太阳辐射能(可见光范围)，以提高代谢与发育速率从而缩短果实暴露于攻击者的时间［12］，故接骨草河谷内外分布居群果实颜色差异的原因还有待进一步探讨.

(2)叶是植物暴露在地面环境中最多的器官，因此植物对环境的反应通常较多的反映在叶的形态结构上［13］.河谷内外分布的接骨草叶上、下表皮细胞性状和垂周壁式样均呈无规则和浅波状，较为稳定.接骨草叶表皮的气孔器一般分布在下表皮，这与大多数双子叶植物气孔器的分布规律一致［14］.据文献［15］可知，同种植物的气孔，生长在长久潮湿环境里的植物，要比生长在干燥环境里的植物气孔数量要多，但形状要小.河谷内接骨草居群的气孔密度为(37.6±7.47)个/mm2，明显大于河谷外居群的(26.8±5.81)个/ mm2.一般认为，表皮毛能有效地反射强光照射引起的植物灼伤，防止水分蒸发和动物啮食的功能［16］，河谷内水热丰富，因而没有表皮毛分布，而河谷外水分相对较少，居群则有表皮毛分布.气孔指数常作为气孔分化强度的指标，同一种植物的气孔指数会随着湿润系数的减小而增加，而不同植物间的变化趋势可能不一样，这与种间的适应阈值存在差异有关［17-18］.对接骨草而言，吉首大学沙子坳校园居群(31.38%)的气孔指数略高于德夯居群(29.17%)，这也与其生长的环境是分不开的.

(3)植物染色体的数目、形态等是最稳定的细胞学特征之一［19］.文中研究表明，接骨草的体细胞染色体数目实为2n=36，这与匡鹏［20］报道的染色体数目2n=34不相符合.在核型分析方面，核型公式体现了各类染色体在核型中的数，但各个种所包含的m，sm和st等各类染色体的数量不相同，德夯居群的核型公式为2n=36=16m+14sm+2st+4t，吉首大学沙子坳校园居群为2n=36=22m+14sm.高等植物核型进化的基本趋势是由对称向不对称方向发展，系统演化上处于比较古老或原始的植物，往往具有较对称的核型，而不对称的核型则通常出现在较进化或特化的植物中［21］.虽然两居群的核型类别均属于“2B”型，但核型不对称系数却相差较大，德夯居群Ask=67.76%，吉首大学沙子坳校园居群Ask=61.97%，表明前者更为进化或者特化.邓涛等［22］对分布于同一地区的峡谷专性种凤凰蜘蛛抱蛋(Aspidistra fenghuangensis)的研究也认为，凤凰蜘蛛抱蛋的核型不对称性较四川蜘蛛抱蛋(A.sichuanensis)大，并且其随体缺失，凤凰蜘蛛抱蛋极有可能为四川蜘蛛抱蛋往东南方向迁移和扩散过程中，长期适应湘西北河谷特殊生境逐渐分化和适应进化的结果.由此可以推断，河谷特殊生境为不仅为植物提供了广阔生存空间，更为植物的进化创造了条件.

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(责任编辑 易必武)

Influence of Habitat Inside and Outside Valley on Morphology and Cytology of Sambucus Chinensis

XU Liang1，2，CHEN Gong-xi1，ZHANG Jie1，ZHANG Dai-gui1，ZHU Qun-ying1
(1.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization，College of Hunan Province，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China;2.Forestry Bureau of Jishou County，Jishou 416000，Hunan China)

Sambucus chinensis Lindl，a large herb widely distributed inside and outside valley in northwestern Hunan province were selected for the exploring study on the influence of on valley special-habitat cytology and plant morphology.(1)Morphological comparison ofSambucus chinensisoutside valley and inside valley indicates the difference in number of unfertile flowers，long/wide of leaflets，fruit color and stipule shape，but there are no obvious differences in the number of arris，the number of lateral branches，number of pitches，length of longest internodes and number of leaflets;(2)The leaf epidermal cells are usually irregular bearing with the anticlinal walls undulate;the stomatal density ofS.chinensisof inside population is obviously higher than that of the outside one，37.6±7.47 per mm2and 26.8±5.81 per mm2，respectively;while the stomatal index ofS.chinensisof outside population(31.38%)is slightly higher than that of the inside one(29.17%);(3)Mitotic chromosome numbers ofS.chinensisoutside and inside valley are diploidy with 2n=36 reality，and is incompatible with previous reference.Karyotype ofS.chinensisis 2B and inside population with a karyotype formula of 2n=36=16m+14sm+ 2st+4t，and 2n=36=22m+14sm for outside population.Besides，the population inside valley appears more advanced than the outside population for theirAskvalues are 67.76%and 61.97%，respectively.

morphology;cytology;Sambucus chinensis;evolution;valley

S567.239

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.017

1007-2985(2013)02-0077-07

2013-02-10

湖南省教育厅重点课题资助项目(09A073);国家自然科学基金资助项目(30770157)

徐 亮(1986-)，男(土家族)，吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室硕士研究生，主要从事植物区系及生态学研究

陈功锡(1966-)，男(土家族)，湖南桑植人，吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室教授，主要从事植物分类学、植物区系学及植物生态学研究;E-mail:chengongxi2011@163.com.