桫椤科2属6种植物叶表皮微形态特征及其分类学意义

刘后鑫 魏学智 杨瑞林

摘  要  利用扫描电子显微镜对桫椤科2属6种叶表面角质膜纹饰、表皮毛、气孔器类型、气孔器大小等叶表皮微形态特征进行观察和比较，探讨其分类学意义，编制供试2属6种分类检索表。结果表明：2属6种叶表皮表面角质膜纹饰均为脊状，气孔器大小无显著差异，气孔器类型均为平列型。表皮毛共有4种（囊状毛、片状毛、须状毛、盾状鳞），种间表皮毛差异较大，其中白桫椤表皮毛最丰富。黑桫椤副卫细胞有泡状突起，白桫椤副卫细胞有皱褶，其余4种副卫细胞表面均光滑无纹饰。笔筒树气孔器周围有绒毛层覆盖。黑桫椤、笔筒树气孔器表面有晶体。本研究结果表明2属6种叶表皮微形态特征多样性较为丰富，这些特征可作为种间鉴别的参考依据。

关键词  桫椤科;叶表皮;微形态特征;扫描电镜

中图分类号  Q914.85          文献标识码  A

The Leaf Epidermis Micromorphological Observation and

Its Taxonomic Significance of Six Species of Two

Genera in Cyatheaceae in China

LIU Houxin1，WEI Xuezhi1*，YANG Ruilin2

1 College of life Sciences of Shanxi Normal of University， Linfen， Shanxi 041000， China

2 Key Laboratory of Shanxi Normal of University， Linfen， Shanxi 041000， China

Abstract  Scanning electron microscope（SEM）was used to observe the leaf surface ornamentation of China Cyatheaceae， including leaf trichomes， stomatal type， stomatal size， stomatal ornamentation. On the basis of observation of leaf epidermal micro-morphology and comparasion of thieir taxonomic significance， we conducted a retrieval table. Results showed that the leaf surface ornamentation of 6 species in 2 genera in China Cyatheaceae was ridged， the stomata size had no significant differences，and the stomata type belonged to paracytic. Trichomes had four kinds（including cystic hair， flaky hair， whisker hairs， peltate scales）， each species had large differences in trichomes， and Sphaeropteris brunoniana was the most abundant. Subsidiary cells of Alsophila podophylla had bubble-like protrusions， and subsidiary cells of S. brunoniana were wrinkled shape. The surface of subsidiary cells in other four species were smooth and without ornamentation. The stomata of S. lepifera was surrounded by fluff layer. The stomatal surface of A. podophylla and S. had crystals. The observations showed that the diversity of leaf epidermal morphology in the six species is rich， and the features are useful in taxonomic analysis of these species.

Key words  Cyatheaceae; Leaf epidermis; Micro-morphological characters; SEM

doi  10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.014

桫椤科（Cyatheaceae）植物是比较稀有的陆生蕨类植物，主要分布于热带和亚热带地区。全世界共有9个属，约500种，中国有2属（白桫椤属和桫椤属），14种2变种[1]。桫椤属（Alsophila R. Br.）和白桫椤属（Sphaeropteris Bernh.）的分布中心在马来西亚[2]。桫椤科植物通常为树状、乔木状或灌木状，茎粗壮，圆柱形，直立，通常不分枝（少数种类仅具短而平卧的根状茎）;叶大型，多数，簇生于茎干顶端，成对称的树冠，通常为2～3回羽状[2-5]。

桫椤科植物是一种古老的蕨类植物，早在侏罗纪时期就已存在[5]。桫椤科植物的孑遗性对研究物种的形成和植物地理区系具有重要价值。基于桫椤科植物重要的经济价值和研究价值，国内学者对桫椤叶片及茎杆中化合物成分分析[6]、天然桫椤种群结构[7]、桫椤叶片发育[8]进行过详细的报道。但对于桫椤科植物叶表皮微形态的研究至今仍较少。而近年来，有关植物叶表皮微形态特征及其在植物不同分类等级分类学应用价值越来越受到植物分类学家的重视[9]。一方面，植物营养器官微形态特征主要是物种自身遗传特征的反映，叶表皮微形态特征（如表皮细胞类型、气孔器类型和角质膜等）对探讨现存植物的分类系统有参考价值[9];另一方面，根据营养器官微形态特征鉴定不同生长期的标本，更便于应用[10]。本研究以桫椤科白桫椤属白桫椤（Sphaeropteris brunoniana）、笔筒树（Sphaeropteris lepifera）及桫椤属的桫椤（Alsophila spinulosa）、大叶黑桫椤（Alsophila gigantean）、多脉黑桫椤（Alsophila polynervata）、黑桫椤（Alsophila podophylla）作为研究对象，应用扫描电子显微镜对其叶表皮微形态特征进行观察，分析种间叶表皮微形态特征的差异，并依据其差异编制分类检索表，为中国桫椤科植物系统分类和形态学鉴定提供微形态学依据。

1  材料与方法

1.1  材料

供试材料中白桫椤、笔筒树、桫椤、黑桫椤采自广东省深圳市仙湖植物园，大叶黑桫椤、多脉黑桫椤采自海南省乐东县尖峰岭森林公园。

1.2  方法

取成熟植株树冠中部叶片中部小羽片并测量其株高，FAA（70%乙醇，30%甲醛）固定。标本保存于山西师范大学生命科学学院标本室。选取完整小羽片，经自然干燥后，在叶片中部剪取1 cm长的叶片作为样品，以正面和反面朝上2种方式放置，材料均用碳导电胶带分别粘在样品台上，CO2临界点法干燥2 d，喷金20 mA/120 s，用JEM一7500F型扫描电镜观察，拍照。

2  结果与分析

2.1  表皮毛形态特征及叶表皮纹饰

桫椤的上表皮有少量囊状毛，分布在主叶脉两侧（图1-1）;下表皮有片状毛和囊状毛，片状毛分布在主叶脉两侧，沿主脉方向分布，囊状毛分布于主叶脉和侧脉两侧，沿叶脉方向排列，在非叶脉处也有少量分布（图1-2）。黑桫椤无表皮毛，下表皮（图1-3）和上表皮（图1-4）均有晶体，而下表皮晶体分布于气孔器上。大叶黑桫椤的上表皮有盾状鳞 （图1-5）。下表皮有少量囊状毛，分布于叶脉处（图1-6）。多脉黑桫椤下表皮有少量囊状毛，分布于叶脉处（图1-7）;上表皮无表皮毛。白桫椤上表皮有须状毛和囊状毛，其中须状毛只分布在主叶脉上（图1-8）;下表皮有须状毛、片状毛、囊状毛，分布情况与上述各个种相似（图1-9）。笔筒树的上表皮无表皮毛，下表皮有须状毛和囊状毛（图1-10）。6种植物叶表面角质膜纹饰均属于脊状，但脊宽度各有差异。白桫椤和桫椤叶表面的脊排列较密集，其他种较稀疏（图2-8～13）。表皮毛分为有分泌作用的腺毛和无分泌作用的覆盖毛[11]，6种桫椤科植物表皮毛为覆盖毛（表1）。

2.2  气孔器形态特征

被测桫椤科植物的气孔器仅分布于下表皮，单个随机散布。气孔器形状呈长椭圆形，保卫细胞多为肾形、椭圆形。气孔器类型均为平列型，由2个保卫细胞和2个副卫细胞组成。气孔器绝大部分位于叶表面，无下陷。黑桫椤副卫细胞表面有泡状突起（图1-3），白桫椤副卫细胞表面有皱褶（图2-2），其余的种副卫细胞表面均光滑无纹饰（图2-1、3、4、5）。黑桫椤（图1-3）和笔筒树（图2-1）气孔器表面有晶体。笔筒树气孔器周围有绒毛层包围（图2-1）。大叶黑桫椤（图2-6）和黑桫椤（图2-7）极少数气孔器位于突起位置。6种植物气孔器密度有显著差异，笔筒树气孔器密度最大，而大叶黑桫椤最小。各个种植物气孔器密度大小顺序与其本种株高大小顺序相吻合，推测桫椤科植物气孔器密度与其自身株高相关。各个种气孔器的大小有较小差异，其中白桫椤气孔器最大，多脉黑桫椤最小（表2）。

2.3  基于叶表皮微形态特征的供试桫椤科2属6种分类检索表

基于叶表皮微形态特征的中国桫椤科2属6种分类检索表如下：

1. 有须状毛

2. 副卫细胞有皱褶，气孔器周围有绒毛层…………………………………白桫椤S. brunoniana

2. 副卫细胞无皱褶，气孔器周围无绒毛层……………………………………笔筒树S. lepifera

1. 无须状毛

3. 气孔有泡状突起，叶表面有晶体 …………………………………黑桫椤A. podophylla

3. 气孔表面光滑无纹饰，叶表面无晶体

4. 有盾状鳞………大叶黑桫椤A. gigantean

4. 无盾状鳞

5. 下表皮有片状毛……桫椤A. spinulosa

5. 下表皮无片状毛………………………………………………………多脉黑桫椤A. polynervata

3  讨论与结论

3.1  桫椤科2属6种叶表皮微形态特征

本研究通过对2属6种桫椤科植物的叶表皮微形态特征进行观察，结果发现共有4种表皮毛（囊状毛、片状毛、须状毛、盾状鳞）。各个种植物的表皮毛组成成分各不相同。大多数表皮毛分布于叶脉两侧，沿叶脉方向排列，仅有少数囊状毛分布于非叶脉处。囊状毛在2属6种植物叶片中均有分布，表明囊状毛在2属中的分布普遍。须状毛仅分布于白桫椤属中，表明须状毛是白桫椤属特有表皮毛。盾状鳞只分布于大叶黑桫椤，表明盾状鳞是大叶黑桫椤特有表皮毛。从总体上分析，表皮毛在上表皮分布的数目和种类较少，而在下表皮分布的数目和种类较多，其中白桫椤表皮毛分布最为丰富。伊稍[12]认为当表皮毛死亡后，可在叶片表面形成厚的保护层，在气孔周围形成湿润的小环境。叶片上下表面表皮毛的存在，对叶表皮细胞起到一定的保护作用，增加了对太阳光的反射，在气孔开放时起遮掩作用，减少水分蒸腾[13]，推测6种植物表皮毛对叶有保护、降温作用。晶体的存在与植物抗虫性有关[14]，黑桫椤、笔筒树叶表面有晶体，推测桫椤科植物叶表面晶体有抗虫作用。气孔器是植物与外界进行气体和水分交换的重要通道，气孔器密度和大小受环境影响较大，而气孔器类型则具有较大遗传稳定性[15]。6种植物气孔器类型均为平列型，形状均为长椭圆形。6种植物气孔器长、宽及长宽比无显著差异。本研究发现6种植物有部分性状在种间存在相同，如上下叶表皮纹饰、气孔器类型及形状，由此可见6种植物间有密切亲缘关系。笔筒树气孔器周围有绒毛层覆盖。

3.2  叶表皮微形态学特征在桫椤科植物分类中的意义

由于叶片存在于植物的整个生活时期，是最广泛应用的营养器官特征，因而成为普遍应用的分类学依据[16]。张丽兵[17]认为叶表皮特征对耳蕨属（Polystichum Roth）分组有重要意义，对叶表皮特征的研究可为揭示类群的进化及系统亲缘关系提供重要的证据，也可为分类鉴定提供依据。Wilkinson[18]曾提出，虽然在科及科以上水平上，植物的气孔与系统发育没有直接相关性，但在一个限定的分类群（如一个科或一个属）中，如果结合其他演化性状，不同的气孔器类型及结构之间可能存在着有意义的联系。梁晓华[19]认为鳞毛蕨科（Dryopteridaceae）植物叶表皮性状对探讨属间亲缘关系有重要意义。笔者对2属6种植物叶表皮微形态的研究结果表明，表皮毛种类和密度、是否有晶体、副卫细胞表面纹饰及气孔器密度等在不同物种中存在一定程度的差异。叶片表皮毛和气孔器特征在种类间的差异十分显著，表明叶表皮微形态学特征对于桫椤科植物具有种级水平分类学价值。

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