薹草属密花薹草组（莎草科）叶表皮微形态及其分类学意义

刘丹琪，鲁益飞，耿新，夏洁，金孝锋*

（1.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州311121；2.浙江省药用植物遗传改良和质量控制技术重点实验室，浙江 杭州311121；3.杭州育才中学，浙江 杭州310015）

薹草属Carex是莎草科Cyperaceae中最大的属，全世界有1 800～2 000种，我国有520余种，全国广布［1-2］。根据枝先出叶的有无和形态、小穗单性或两性、小穗排列方式、柱头数目等特征，将薹草属划分为3个亚属：复序薹草亚属subg.Vigneastra、薹草亚属subg.Carex和二柱薹草亚属subg.Vignea［1-2］，这与目前根据基因序列建立的系统发育树有较大分歧［3］。

密花薹草组Carexsect.Confertiflorae是FRANCHET［4］在薹草亚属下建立的一个组，共收录了11种、1变种，虽然文献未对该组做详细描述，但由组内的种可知，其为雌小穗的花密生。而后，KÜKENTHAL［5］对FRANCHET建立的广义密花薹草组sect.Confertifloraes.l.进行了较详细的形态描述，并以sect.TumidaeKük.作为组名，收录的种类也更多，有17种、6变种和1变型。OHWI［6］根据果囊干后的颜色、脉的多少、是否被毛、先端喙是否弯曲以及苞片是否具鞘等，又将FRANCHET和KÜKENTHAL界定的密花薹草组分为sect.Dispalatae、sect.Molliculae、sect.Confertiflorae和sect.Ischnostachyae4组，并归并了20余个种名及变种名。《中国植物志》［1］和FloraofChina［2］则依据果囊成熟期颜色及伸展方向、雌花鳞片先端有无芒或有无短尖，将传统的密花薹草组sect.Confertifloraes.l.分为狭义密花薹草组sect.ConfertifloraeFranch.ex Ohwi（s.str.）和柔果薹草组sect.MolliculaeOhwi。本研究参考OHWI［6］的观点，并结合我国实际情况对密花薹草组与柔果薹草组进行了分析比较［1-2］。

叶表皮微形态特征，在薹草属Carex乃至莎草科Cyperaceae中均具有重要的系统分类学价值［7-14］。本文通过观察密花薹草组 sect.Confertiflorae和柔果薹草组sect.Molliculae28种、1变种，共45个样品的叶表皮微形态特征，分析其在种内的稳定性、组间及种间的差异性，并探讨其系统分类学意义，以期为该组的分类处理和组的界定提供叶表皮微形态方面的证据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

45个样品材料均取自腊叶标本的正常功能叶，其中密花薹草组16种、1变种，柔果薹草组9种，因OHWI［6］将C.idzuroei、C.hymenodon和C.persistens归入密花薹草组，故同时选取了这3种，共5个样品的叶片材料。我国标本的鉴定依据《中国植物志》和FloraofChina，日本标本的鉴定依据OHWI［6］、KATSUYAMA［15］和HOSHINO等［16］的专著，各分类群相关材料来源详见表1。

1.2 方 法

在叶片中部剪取长约1 cm的叶段，放入沸水中煮30 min至材料舒展、软化。用刀片轻轻刮取样品材料的叶表皮，清洗干净后迅速移入盛有1%番红溶液的培养皿中，使材料完全浸没于染液中，染色5～10 min。分别用不同浓度的乙醇溶液进行梯度脱水，50%乙醇10 min、75%乙醇10 min、100%乙醇10 s，每个梯度重复脱水2次。加入1/2无水乙醇+1/2二甲苯混合溶液，3 min后滴加纯二甲苯。最后用中性树胶封片，在显微镜下进行观察、测量和数码摄影。

1.3 观察测量和数据处理

在叶表皮各特征中，观察的性状包括表皮细胞形状、垂周壁式样、气孔器分布、有无硅质乳突及表皮附属物。测量的性状包括上、下表皮细胞的大小和下表皮气孔大小。在测量时，随机选取5个视野，每个视野随机选取5个细胞，用SPSS 19.0对测量数据进行统计分析，计算平均值和标准误，并做近缘类群间差异的显著性分析。

2 结果与分析

广义密花薹草组植物的叶表皮特征观测、数据统计及显微拍照结果见表2、图1和图2。

2.1 表皮细胞

2.1.1 细胞形状

上表皮细胞大多为长方形，细胞排列较规则，共有23种、1变种（35个样品），如东亚薹草C.benkei、亚澳 薹 草C.brownii、密 花 薹 草C.confertiflora、C.hymenodon、狭穗薹草C.ischnostachya、条穗薹草C.nemostachys、无毛条穗苔草C.subglabra、肿喙薹草C.oedorrhampha、榄 绿 果 薹 草C.olivacea、C.persistens、似皱果薹草C.pseudodispalata、硬果薹草C.sclerocarpa、肿胀果薹草C.subtumida、细喙薹草C.tenuirostrata、横果薹草C.transversa、葱状薹草C.alliformis、禾 状 薹 草C.alopecuroides、匿 鳞 薹 草C.aphanolepis、签 草C.doniana、日 本 薹 草C.japonica、柔 果 薹 草C.mollicula、扁 秆 薹 草C.planiculmis和似横果薹草C.subtransversa，其中密花薹草（日本京都）和日本薹草（浙江清凉峰）的上表皮细胞为长方形，稀近方形，排列也较规则；少数种（皱果薹草C.dispalata和C.idzuroei）的上表皮细胞为条形或长方形；上表皮细胞为近方形或长方形的有C.ischnostachyavar.fastigiata、斜 果 薹 草C.obliquicarpa、反折果薹草C.retrofracta和团穗薹草C.agglomerata。上表皮细胞形状在同种的不同居群间大多一致，但在广布种如日本薹草中存在变异。

叶片下表皮细胞形状大多与上表皮细胞接近，以长方形细胞且排列较规则的居多，共有17种（22个样品），如东亚薹草（日本熊本）、亚澳薹草、C.hymenodon、狭穗薹草、条穗薹草、肿喙薹草、榄绿果薹、C.persistens、似皱果薹草、肿胀果薹草、细喙薹草、横果薹草、团穗薹草、葱状薹草、禾状薹草、匿鳞薹草（日本冈山）和似横果薹草（中国台湾阿里山）。部分种下表皮细胞为长方形，稀近方形，共9种、1变种（14个样品），如东亚薹草（日本长崎）、C.idzuroei、无毛条穗薹草、斜果薹草、匿鳞薹草（日本栃木）、签草（2个样品）、日本薹草（日本大阪和Toyama）、柔果薹草、扁秆薹草和似横果薹草（浙江泰顺）；密花薹草、C.ischnostachyavar.fastigiata和硬果薹草4个样品的叶片下表皮细胞多为近方形，也兼有少量长方形细胞；皱果薹草、签草（浙江杭州）和日本薹草（日本北海道）共3个样品的叶片下表皮细胞为条形或长方形；仅反折果薹草的下表皮细胞为近方形。下表皮细胞形状在同种的不同居群间也大多一致，在广布种日本薹草、签草，及东亚薹草、似横果薹草的不同居群间存在变异。

2.1.2 细胞大小

上表皮细胞长度变异范围在42.8～125.5μm，其中大多数样品的上表皮细胞长度变异范围在70～95μm，共18种（26个样品），如东亚薹草、亚澳薹草、狭穗薹草、禾状薹草、匿鳞薹草、签草等。细胞宽度变异范围在15.3～52.0μm，大多数样品的细胞宽度变异范围在24～40μm，共24种、1变种（38个样品），如横果薹草、葱状薹草、日本薹草、扁秆薹草、C.idzuroei、C.hymenodon等。细胞大小在种间大多变异较大，但有的种明显较小，如C.ischnostachyavar.fastigiata的长×宽为（42.8±3.7）μm×（29.8±2.5）μm、无毛条穗薹草的长×宽为（59.4±3.7）μm×（15.3±1）μm、斜果薹草的长×宽为（44.5±1.0）μm×（31.8±1.8）μm。

下表皮细胞长度变异大，变异范围在36.1～140.3μm，大多数样品的下表皮细胞长度变异集中在60～120μm，共22种、1变种（34个样品），如东亚薹草、皱果薹草、似皱果薹草、柔果薹草、似横果薹草等，细胞长度明显较小的种有C.confertiflora、C.obliquicarpa、日本薹草（日本北海道和浙江清凉峰）和签草（日本大阪和富山）4种（7个样品）。宽度变异范围在12.2～30.6μm，大部分种的宽度变异范围在15～25μm，共22种、1变种（34个样品），如亚澳薹草、密花薹草、榄绿果薹草、匿鳞薹草等，细胞宽度明显较小的种有细喙薹草、硬果薹草和似横果薹草3种（1个样品）。

2.2 垂周壁式样

观察的26种、1变种，以及C.idzuroei的上表皮细胞垂周壁式样全为深波状，而C.hymenodon的上表皮细胞垂周壁式样为波状。下表皮细胞垂周壁式样大多也为深波状，但密花薹草（日本京都）、C.hymenodon、细喙薹草的下表皮细胞垂周壁式样为波状。

2.3 气孔器

除C.persistens（日本京都）上表皮偶见极少数气孔、密花薹草下表皮气孔不明显外，其余种的气孔器均呈带状，成列分布于下表皮的纵脉间。气孔长度在20.2～43.5μm，大多数样品气孔长度在25～35μm，共20种、1变种（29个样品），如狭穗薹草、条穗薹草、硬果薹草、扁秆薹草、似横果薹草等。气孔宽度在14.4～32.5μm，大多数样品气孔宽度在15～25μm，共25种、1变种（36个样品）。气孔变异较大，如C.persistens（日本京都）的气孔长×宽为（43.5±4.5）μm×（27.5±1.6）μm，明显大于日本广岛的样品，葱状薹草的气孔长×宽为（42.4±1.4）μm×（32.5±1.4）μm，而C.idzuroei（日本广岛的一个材料）的气孔长×宽仅为（21.1±1.4）μm×（14.4±1.2）μm，明显小于广岛的另一个样品，可见长和宽的差异均较大。

2.4 硅质乳突（硅细胞）

45个样品的上表皮或下表皮细胞均有硅质乳突，上表皮细胞有硅质乳突的种为东亚薹草、亚澳薹草，下表皮细胞有硅质乳突的种为密花薹草、硬果薹草、禾状薹草、日本薹草、签草、似横果薹草（浙江泰顺）。其余样品的上、下表皮细胞均无硅质乳突。

2.5 表皮附属物

在部分种的表皮附属物中可见刺突或刺毛。上表皮可见的附属物均为刺突，具刺突的种有条穗薹草、无毛条穗薹草、肿胀果薹草（日本爱媛）、日本薹草（日本北海道和浙江清凉峰）和扁秆薹草（日本长野的1个样品）。下表皮偶见刺突和刺毛，具刺突的种有无毛条穗薹草、肿胀果薹草（日本爱媛）和团穗薹草，具刺毛的种仅斜果薹草和反折果薹草。

表1 材料来源Table 1 The sources of materials

续表1

表2 广义密花薹草组叶表皮微形态特征Table 2 The micromorphological characters of the epidermal cells of leaves in Carex sect.Confertiflorae s.l.

续表2

续表2

图2 广义密花薹草组13种的叶表皮细胞形态Fig.2 Leaf epidermal micromorphology of 13 species of Carex sect.Confertiflorae s.l.1：硬果薹草C.sclerocarpa；2：肿胀果薹草C.subtumida-2；3：细喙薹草C.tenuirostrata；4：横果薹草C.transversa-1；5：团穗薹 草C.agglomerata；6：葱 状 薹 草C.alliformis；7：禾 状 薹 草C.alopecuroides；8：匿 鳞 薹 草C.aphanolepis-1；9：签 草C.doniana-3；10：日 本 薹 草C.japonica-3；11：柔 果 薹 草C.mollicula；12：扁 秆 薹 草C.planiculmis-1；13：扁 秆 薹 草C.planiculmis-2；14：似横果薹草C.subtransversa-2。A：上表皮细胞；B：下表皮细胞。

3 讨 论

3.1 一般特征及稳定性

通过观察广义密花薹草组28种、1变种植物的叶表皮微形态发现，其具有以下特征：（1）上、下表皮细胞形状多为长方形，少数为近方形或条形，上表皮细胞排列较下表皮细胞更规则，细胞大小在种内和种间差异均较大；（2）上、下表皮细胞垂周壁式样大多为深波状，极少数为波状；（3）气孔器呈带状，成列分布于下表皮的纵脉间，仅C.persistens上表皮偶见极少数气孔，气孔大小在种内和种间差异均较大；（4）硅质乳突见于东亚薹草、亚澳薹草的上表皮和密花薹草、硬果薹草、禾状薹草、日本薹草、签草、似横果薹草的下表皮；（5）在表皮附属物中，刺突分布于少数种的上表皮或下表皮，而无毛条穗薹草和肿胀果薹草的上、下表皮均有刺突；刺毛仅见于斜果薹草和反折果薹草的下表皮。

通过对东亚薹草、密花薹草、皱果薹草等13个种不同居群样品的比较分析发现，同种不同居群间的叶表皮微形态特征稳定性存在差异，其中，表皮细胞形状和垂周壁式样表现稳定。气孔器分布状况仅在C.persistens的不同居群间存在差异，其余各种内均表现稳定；上、下表皮是否具硅质乳突仅在似横果薹草的不同居群间存在差异，其余各种内均表现稳定；表皮附属物刺突在肿胀果薹草、日本薹草和扁秆薹草的不同居群间存在差异，其余各种内均表现稳定。此外，表皮细胞大小和气孔大小在各居群间存在差异，这与以往菱形果薹草组sect.Romboidales叶表皮微形态的研究结果相似［17］，即气孔器分布状况和上、下表皮是否具有硅质乳突在种内具有稳定性，而表皮附属物刺突在种内不同居群间存在差异，其原因主要是样品的生境及成熟程度存在差异。一般生长在潮湿环境中的样品无刺突的可能性较大，成熟度高的样品刺突更为发达。

3.2 系统学和分类学意义

叶表皮的微形态特征在密花薹草组和柔果薹草组中具有较高的一致性，如被归入胀囊薹草组sect.Physocarpae的C.idzuroei、C.hymenodon和C.persistens虽然在果囊长度和是否具光泽、先端喙等方面与广义密花薹草组区别明显，但叶表皮细胞特征差异并不明显，此外，与凌玲玲等［17］对菱形果薹草组的叶表皮微形态特征结果相比，组间也无明显 差 异。NAKAMATTE等［18］在 对Carexsect.Phacocystis的叶表皮微形态研究中指出，叶表皮微形态在区分种或种下类群时具有一定意义，但在组间系统学上的意义不大。可见，叶表皮的微形态特征对广义密花薹草组，甚至较远缘的组间系统学价值较有限。

叶表皮微形态特征在广义密花薹草组内存在变异，但在同种的不同居群间相对稳定，在一些近缘种间存在较明显差异，能为区分近缘种提供更多依据。如东亚薹草和横果薹草，东亚薹草上表皮具硅质乳突；而横果薹草不存在硅质乳突；又如签草和扁秆薹草，签草下表皮细胞具硅质乳突，扁秆薹草无硅质乳突，条穗薹草与无毛条穗薹草的区别在于条穗薹草下表皮无附属物，而无毛条穗薹草下表皮具刺突；在狭穗薹草及其变种C.ischnostachyavar.fastigiata之间，狭穗薹草的上、下表皮细胞均为长方形，而C.ischnostachyavar.fastigiata的上、下表皮细胞为条形，有时兼有长方形；同样情况还出现在皱果薹草和似皱果薹草间。可见，叶表皮微形态特征可作为区分一些近缘类群的依据，具有一定的分类学意义。