5种石杉属植物叶表皮特征研究

吴燕笛 韩乾奇 何美娜 白壮东 郭 斌 尉亚辉*

(1.西北大学生命科学院西部资源与现代生物技术省部共建教育部重点实验室，西安 710069； 2.陕西省生物技术重点实验室，西安 710069)

5种石杉属植物叶表皮特征研究

吴燕笛1,2韩乾奇1,2何美娜1,2白壮东1,2郭 斌1,2尉亚辉1,2*

(1.西北大学生命科学院西部资源与现代生物技术省部共建教育部重点实验室，西安 710069；2.陕西省生物技术重点实验室，西安 710069)

利用光学显微镜及电子显微镜对石杉科(Huperziaceae)石杉属(Huperzia)5种植物：蛇足石杉(Huperziaserrata(Thunb. ex Murray) Trev.)、皱边石杉(Huperziacrispata(Ching) Ching.)、四川石杉(Huperziasutchueniana(Herter)Ching.)、南岭石杉(Huperziananlingensis)和长柄石杉(Huperziajavaensis)的叶片微结构进行观察与研究。结果显示：这5种石杉均无叶表面附属物，具无规则四细胞型和不规则型两种类型的气孔，不规则型为主要气孔类型。这5种石杉在气孔组成上具多型现象，气孔多为下生型，分布方式及大小多样；叶表皮细胞在不同类型中有大小差异但均呈不规则状，表皮细胞垂周壁呈波纹状(深波状、浅波状)。上述研究结果为石杉属植物的进一步分类与研究提供依据。

石杉；气孔器；叶表皮；微形态特征

蕨类植物为古老物种，在漫长的历史演化中其系统发生信息被大量丢失，因此该类植物系统演化关系的重建和物种的分类是植物学家面临的重要任务之一[1]。蕨类植物的表皮微特征及其附属物是分类的依据之一[2～3]。对叶表皮的微形态如气孔器类型、表皮细胞类型的研究于植物分类系统有重要意义[4～6]。近年来，植物分类学家越来越重视对植物叶表皮微形态特征的研究[7]。张浩等人利用光学显微镜对武安国家森林公园14种观赏蕨类植物叶表皮细胞的显微结构进行观察，发现几种蕨类植物不同种属间具有一定的共性，表现为气孔器全部为下生气孔。但在叶表皮细胞的大小、形态、垂周壁式样及气孔器的类型、保卫细胞的长宽、气孔指数等特征上存在一定的差异，这一研究结果为它们划分亲缘关系远近的提供新的参考依据[8]；梁晓华、金银宝、徐成东等利用光学显微镜对鳞毛蕨科6种鳞毛蕨属植物和2种耳蕨属植物叶表皮特征进行比较观察和分析，发现这8种蕨类植物的共性在于叶片表面无附属物，气孔器类型具多型现象，气孔密度差异不大。主要区别在于鳞毛蕨属的气孔器类型以不等细胞型和极细胞型为主而耳蕨属植物气孔器类型多为无规则四细胞型。鳞毛蕨属植物气孔器较耳蕨属狭长，表皮细胞为不规则型，垂周壁呈波状或不规则凹凸状，耳蕨属植物表皮细胞狭长，垂周壁为浅波状；耳蕨属气孔器指数总体上小于6种鳞毛蕨。由此得出表皮的微特征可以作为划分鳞毛蕨科植物依据的结论，为进一步分类鉴定鳞毛蕨属植物的提供了新的形态学依据[9]；还有一些其他类似研究报告[10～13]。

而石杉类植物，在分类学上，是否分科分属和如何分科分属，在植物分类学界一直没有统一的意见。1981年秦仁昌先生接受了捷克植物学家Holub的观点[14]并在此基础上建立了中国的石松类植物的分类系统，改变了我国过去长期以来科属不分，把石松类植物统称石松的混乱状态，这一系统在我国一直沿用至今[15]，但在其属下分类的问题上，仍存在争议[16]。本文希望通过对石杉属5个不同种的鲜活叶片表皮微结构的观察研究为石杉科石杉属的进一步细分提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

本实验所用材料，南岭石杉(Huperziananlingensis)采自云南金平，蛇足石杉(Huperziaserrata(Thunb.ex Murray) Trev.)，皱边石杉(Huperziacrispata(Ching) Ching.)，四川石杉(Huperziasutchueniana(Herter) Ching.)及长柄石杉(Huperziajavaensis)均采自湖北恩施。材料系据中科院植物所标本馆张宪春老师鉴定。这5种石杉属植物中，蛇足石杉、皱边石杉和四川石杉均属蛇足石杉组。

1.2 方法

取要观察的五种石杉属植物叶片标本，清洗干净后置于滤纸上吸干表面水分，用手术刀片刮取表皮。刮去叶片下表皮及叶肉得到上表皮，刮去上表皮及叶肉得到下表皮。切取所刮出的表皮，置于载玻片上制成水封片，分别用OLYMPUS BX50型光学显微镜和Leica DMI3000B型电子显微镜进行观察及拍照。每种叶型上下表皮各制5个样品，每样品随机观察5个视野。利用软件粒径分布计算1.2对照片中的表皮细胞和气孔进行测量及统计。文中所得各项数据均是随机选取的25个视野中表皮细胞及气孔的平均值。气孔器的命名均参考Dilche[18]，Fryns-Claessens[19]中相关内容进行分类。在无规则型气孔中，又存在分别有5个，6，7和8个不同副卫细胞数目的4类气孔，下文中略写为5副卫无规则型，6副卫无规则型，7副卫无规则型和8副卫无规则型气孔进行统计。

气孔指数=气孔数/(表皮细胞数+气孔数)×100

2 观察结果

在对这5种石杉属植物叶表皮的观察研究中发现，它们均叶片光滑，无表皮附属物。每种植物具有4～5种类型的气孔器；在长柄石杉与四川石杉中发现了气孔聚集的现象。蛇足石杉的上表皮每5片叶子种平均出现2个气孔，其它4种的上表皮未发现气孔器或气孔器出现频率过小而认为其气孔器为下生型；保卫细胞与表皮细胞处于同一水平面，气孔呈分散排列，较为均匀，分布方向与叶长轴方向一致。表皮细胞为不规则型，上表皮细胞垂周壁为深波或浅波状，下表皮均为深波状。

从3种蛇足石杉组植物的外观及其在张丽兵等[17]的分类中看，蛇足石杉与皱边石杉亲缘关系较近，均为边缘具粗齿的披针形叶，区别在于皱边石杉边缘皱曲而蛇足石杉边缘不皱曲；四川石杉的叶型与前两者差别较大，主要在于四川石杉叶片长宽比明显大于前两者。南岭石杉和长柄石杉两者在分类上独立于蛇足石杉组植物，它们从形态也与蛇足石杉组植物有较大差别。

3 讨论

(1)在对这5种石杉属植物叶表皮特征的研究中发现，这5种石杉属植物的气孔器可细分为5种(图版Ⅱ)，多分布于下表皮上，上表皮上极少或没有，气孔的保卫细胞与叶表皮细胞分布于同一水平面上，气孔统一朝向叶长轴方向，分布较为均匀。每种叶片上有时会同时出现多种不同的气孔器类型，每种叶型均存在4～5种不同型气孔。这些气孔主要有不规则型，无规则四细胞型两种，其余4种(5副卫不规则型，6副卫不规则型，7副卫不规则型和8副卫不规则型)均属于不规则型。每种中各类气孔出现的频率不同，蛇足石杉和皱边石杉中6副卫不规则型占多数，南岭石杉，长柄石杉和四川石杉中5副卫不规则型占多数(表1)。

图版Ⅱ 5种石杉叶片中的气孔 1.无规则四细胞型；2. 5副卫不规则型；3. 6副卫不规则型；4. 7副卫不规则型；5. 8副卫不规则型；6.气孔簇PlateⅡ Stomatals of five species Huperzia 1.Anomotetracytic; 2. 5-subsidiary cells Anomocytic; 3. 6-subsidiary cells Anomocytic; 4. 7-subsidiary cells Anomocytic; 5. 8-subsidiary cells Anomocytic; 6.Multi-type phenomena

叶型Leafspecies气孔器类型Typeofstomatalapparatus(%)无规则四细胞型Anomotetrac⁃ytic(PlateⅡ：1)5副卫不规则型Anomocytic(5⁃subsidiarycells)(PlateⅡ：2)6副卫不规则型Anomocytic(6⁃subsidiarycells)(PlateⅡ：3)7副卫不规则型Anomocytic(7⁃subsidiarycells)(PlateⅡ：4)8副卫不规则型Anomocytic(8⁃subsidiarycells)(PlateⅡ：5)长柄石杉H．javaensis23．0844．6224．624．620南岭石杉H．nanlingensis31．4348．5717．142．860四川石杉H．sutchueniana23．9138．0423．915．430皱边石杉H．crispata23．0825．6442．317．691．28蛇足石杉H．serrata26．5629．6940．633．130

5种石杉气孔的长宽比在1.7～2.3的范围内，长柄石杉的气孔最大，四川石杉的气孔最小；气孔分布最密的是皱边石杉，最疏的是蛇足石杉，两者的气孔密度相差一倍。不同种石杉属植物的气孔大小、长宽比和密度存在较明显差异(表2)，因此可以作为分类学依据之一。

在长柄石杉和四川石杉中发现了气孔的聚集现象(图版Ⅱ:6)，在自然界中已报导有20科60余种植物存在气孔聚集分布现象[20～21]，这些气孔成簇植物多半生活在干旱，盐碱或水分供应条件较差的环境里，进一步发现，气孔簇的出现可能与植物对环境变化的适应有关[22]。

(2)从表皮细胞的观察结果来看，这5种石杉的表皮细胞呈不规则状，细胞大小差异较大，除长柄石杉、南岭石杉与四川石杉上表皮的垂周壁为浅波状，下表皮为深波状外，其余种的上下表皮垂周壁均为深波状。从反映表皮细胞与气孔在叶表皮所占比例的气孔指数来看长柄石杉与四川石杉气孔指数相近且最大，其余3种的气孔指数相差较大，其中蛇足石杉的气孔指数最小(表3)。

表2 5种石杉属植物气孔器特征

表3 5种蛇足石杉叶表皮特征

通过本文研究，不同种石杉属植物的气孔及表皮细胞间存在差异，可依此为石杉属植物的进一步分类提供参考。另外，石杉属植物中气孔聚集现象可为不同生境的石杉分类提供依据。

1.李春香,陆树,杨群.蕨类植物起源与系统发生关系的进展[J].植物学报,2004,21(4):478-485.

2.吴兆洪,秦仁昌.中国蕨类植物科属志[M].北京:科学出版社,1991.

3.张耀甲,于海峰,卢云霞,等.国产水龙骨科植物的气孔器类型及其系统学意义[J].兰州大学学报,1999,35(2):130-139.

4.Sun Tongxin,Dlanne E,Li Chengsen.The stomatal apparatus ofLycopodiumjaponicumand its bearing on the stomata Devonian lycophyte Drepanophycus spinaeformis[J].Botanical journal of the Linnean Society,2005,149(2):209-216.

5.Cheng Q.Morphological characters of leaf epidermis in Schisandraceae and their systematic significance[J].Journal of Plant Biology,2006,49(1):80-87.

6.Olowokudejo J D.Comparative morphology of leaf epidermis in thegenus Annonaceae in West Africa[J].Phytomorphology,1990,40(3-4):407-422.

7.Kocsis M,Darok J,Borhiol A.Comparative leaf anatnmy and morphology of some neotropical Rondeletia(Rubiaceae) species[J].Plant Syst Evol,2004,248(1-4):205-218.

8.张浩,叶嘉,景艳红.武安国家森林公园蕨类植物叶表皮细胞的显微观察[J].北方园艺,2011,1(8):150-153.

9.梁晓华,金银宝,徐成东.鳞毛蕨科8种蕨类植物叶表皮特征的比较形态学研究[J].甘肃农业大学学报,2013,48(3):166-171.

10.李宝贵.西双版纳勐腊望天树热带季节雨林蕨类植物组成及生态特征[J].广西植物,2015,35(1):42-52.

11.马云路,姚昳昳,尹鑫,等.金星蕨科16种植物叶表皮特征的研究[J].西北植物学报,2014,34(10):2020-2027.

12.刑怡,党安志,刘保东.黑龙江产十种蕨类植物孢子囊和叶表皮的扫描电镜观察[J].植物研究,2004,24(4):413-418.

13.王任翔,邵文.肿足蕨属植物叶表皮微形态及其系统学意义[J].广西植物,2012,32(4):452-456.

14.Holub J.Eine Neue Gattungder Ordnung Lyeo Podialies[J].Preslia,1964,36(5):16-22.

15.Ching R C.The Taxonomiy of Chinese Lyco Podiaeeae(Sen.Lat.)11[J].Aeta Botanica Yunnuaica,1981,3(3):291-305.

16.王峻.石杉科药用植物分类学与生药学研究[D].厦门:厦门大学,2005.

17.张丽兵,孔宪需.中国石杉属(狭义)蛇足石杉组的分类研究[J].植物分类学报,2000,38(1):13-22.

18.Dilcher D L.Approaches to the identification of angiosperm lesf remains[J].Botanical Review,1974,40(1):1-157.

19.Fryns-Claessens E,Van Cotthem W R J.A new classification of the ontogenetic type of stomatal[J].Botanical Review,1973,39(1):71-138.

20.Metcalfe C R,Chalk L.Anatomy of the Dicotyledons 2nd Edition[M].Oxford,Clarendon Press,1979.

21.唐敏,胡玉熹,林金星.靳晓白盾叶秋海棠叶表皮气孔簇的发育及分布格局[J].植物学报,2002,44(4):384-390.

22.王秋军,徐小慧,金培红.基于银杏类化石Baiera furcata气孔参数定量重建中生代古大气CO2浓度变化[J].地质评论,2013,59(6):1035-1045.

LeafEpidermalFeaturesofFiveSpeciesPlantsofHuperzia

WU Yan-Di1,2Han Qian-Qi1,2HE Mei-Na1,2BAI Zhuang-Dong1,2GUO Bin1,2WEI Ya-Hui1,2*

(1.Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China, Ministry of Education,College of Life Science,Northwest University,Xi’an 710069；2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Biotechnology,Xi’an 710069)

We studied the microscopic characters of the leaves ofHuperziaserrata(Thunb. ex Murray) Trev,Huperziacrispata(Ching) Ching,Huperziasutchueniana(Herter) Ching,HuperziananlingensisandHuperziajavaensis. with optical microscope and electron microscope. There are no trichome in the leaves of five species. We observed two types of stomatal apparatu(anomotetracytic and anomocytic) in the leaves of the five species. Anomocytic type is a typical stomata of these five species. The stomatal apparatus have multi-type phenomena, most of the stamatal are hypostomatic types, while their distributive modes and size also varies. There are obvious differences of leaf epidermal cell size and shape in five kinds of Huperzia plant, and the anticlinal walls of the epidermal cell are corrugated(undulate and sinuate).

Huperzia;stomatal apparatus;epidermis;micromorphological feature

国家自然科学基金项目(31000144)，陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(14JS099)

吴燕笛(1994—)，女，本科，主要从事植物解剖学的研究。

* 通信作者：E-mail:weiyahui@nwu.edu.cn

2015-07-28

S682.35

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.002