东北毛茛科植物营养器官结构及其系统学意义

程薪宇，刘玫*，张欣欣，王臣，李滨胜

（1.哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室，黑龙江 哈尔滨150025；2.黑龙江省森林植物园，黑龙江 哈尔滨150040）

毛茛科（Ranunculaceae）为真双子叶植物基础类群［1］，约60属，2500种，世界广布［2-3］。我国东北地区分布约20属，130种［4］。植物通常为草本，含有多种化学成分，可作药用，如黄连（Coptis chinensis），升麻（Cimicifuga foetida）和白头翁（Pulsatilla chinensis）等［5］。长期以来人们依据胚胎发育及生殖器官主要特征对毛茛科进行分类［6-7］，但结果一直存在争议。Takhtajan［2］将毛茛科分为7个亚科，如唐松草亚科（Thalictroideae）和毛茛亚科（Ranunculoideae），而Cai等［8］将其分为金莲花亚科（Helleboroideae）等5个亚科。王文采和李良千［9］根据花的特征将铁线莲属（Clematis）分为欧洲铁线莲亚属（Subgen.Clematis）等4个亚属。赵亮［10］观察了毛茛族（Trib.Ranunculeae）花的发生及导管分子的形态，认为水毛茛属（Batrachium）应与碱毛茛属（Halerpestes）和角果毛茛属（Ceratocephala）［2］重新并入毛茛属（Ranunculus）。近年来随着分子系统学的发展，毛茛科的研究有了新的进展。Wang和Chen［11］通过对叶绿体rbc L和mat K基因、非编码trn L-F区序列，核26S r DNA序列进行分析，将唐松草亚科（Thalictroideae）分为3个类群。Ro等［12］认为银莲花属（Anemone）、白头翁属（Pulsatilla）、獐耳细辛草属（Hepatica）及铁线莲属为单系类群，并认为金莲花属（Trollius）与侧金盏花属（Adonis）间存在较近的亲缘关系。然而这些结果相对缺少形态学依据。研究证明营养器官的一些特征具有重要的分类学价值［13-15］。本研究的目的是通过深入研究东北毛茛科植物根、茎和叶的结构，完善东北毛茛科形态学，揭示本科植物结构与环境的关系，为毛茛科系统学研究以及植物的利用提供形态学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

研究材料于2011－2012年采自黑龙江省，包括我国东北产毛茛科（Ranunculaceae）17属，27种，4变种成熟植株的根、茎和叶。多数物种取的是茎生叶，少数无茎生叶或茎生叶无叶柄的物种取的是基生叶（表1～表3）。

表1 东北毛茛科物种及其凭证标本，采集地和采集时间Table 1 Taxa of Ranunculaceae in northeastern China，together with voucher specimen details and locality

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1.2 方法

GMA（glycol methacrylate，乙二醇甲基丙烯酸酯）切片：活体材料用FAA（formalin－acetic acid－alcohol mixture，福尔马林－醋酸－酒精混合液）固定，时间不少于24 h。所研究器官各取3份样品，经50%酒精（每次4～6 h），100%酒精（每次4～6 h），异丙醇（每次6 h）和正丁醇（每次6 h）脱水处理各2次。随后，进入GMA渗透3次，第1和2次各为1 d，第3次不少于5 d，之后将材料及GMA装入胶囊，置于60℃温箱24 h进行聚合［16］。用Leica Ultralcut R切片，厚度约2.5μm。根据Feder和O’Brien［16］的方法对材料染色。首先将切片置于DNPH（2，4-Dinitrophenylhydrazine，2，4-二硝基苯肼）冰醋酸混合水溶液30 min，之后流水冲10 min。再将切片置于高碘酸水溶液中10 min，流水冲5 min。之后，将切片置于希弗试剂30 min，流水冲10 min。最后甲苯胺蓝染色2 min，流水冲2～10 min。切片干燥后中性树胶封片。

撕取叶表皮：撕取叶片背面表皮，50%甘油水溶液封片。观察表皮细胞及气孔形态、毛状体类型。随机选取30个气孔器，利用目镜测微尺测量并计算气孔长宽比及其平均值。所有试验结果经Olympus BX51显微镜观察，Olympus DP70拍照。

2 结果与分析

2.1 根的结构

所研究的东北毛茛科植物（表2），除少数种类（如黄花乌头和蓝堇草）具发达的主根外，多数具发达的须根（如类叶升麻和棉团铁线莲）。根的横切面多为圆形或近圆形，仅腺毛箭头唐松草为方形（图1-1）。

尖萼耧斗菜和菟葵等植物根表皮细胞易脱落。其中耧斗菜属植物根横切面可见多层木栓细胞（图1-2）。其他物种根表皮宿存，这些表皮细胞通常为薄壁细胞，如毛茛和贝加尔唐松草。但有些物种的根表皮明显增厚，如长瓣金莲花（图1-3）。腺毛箭头唐松草表皮下还具一层体积与表皮细胞相近的细胞，但细胞木化（图1-4）。少数物种皮层不发达（皮层厚度约占根半径的1／5），细胞间多无间隙，如黄花乌头、腺毛箭头唐松草（图1-1）。一些物种的皮层较发达（皮层厚度约占根半径的3／5），如黑水银莲花（图1-5）和贝加尔唐松草，细胞间隙有或无。其余的物种，如长瓣金莲花、匍枝毛茛（图1-6）等具极发达的皮层（皮层厚度约占根半径的4／5），有细胞间隙。一些物种根皮层具发达的溶生性通气组织，如匍枝毛茛（图1-6）和茴茴蒜。乌头属植物，如黄花乌头靠近根外部的皮层细胞切向壁伸长，胞壁增厚（图1-7，见箭头）。短尾铁线莲皮层具纤维，它们与薄壁细胞相间排列（图1-8）。

木质部导管在绝大多数物种中呈束状分布，如腺毛箭头唐松草（图1-1）和匍枝毛茛（图1-6）。但蓝堇草例外，其木质部导管呈辐射状分布（图1-9）。少数物种根无次生木质部，如菟葵和黑水银莲花（图1-5），其余多数物种根具次生木质部，如兴安白头翁、贝加尔唐松草和蓝堇草（图1-9）。此外，腺毛箭头唐松草等少数物种的木质部及韧皮部中有纤维细胞（图1-1）。仅少数物种根的中部具髓，如硬叶水毛茛和黑水银莲花（图1-5）。髓通常为薄壁细胞，但贝加尔唐松草及腺毛箭头唐松草根的中部为纤维细胞（图1-1）。

2.2 茎的结构

毛茛科植物茎（表2）的表皮细胞外壁多平滑，仅类叶升麻及唐松草属表皮细胞外壁较特殊。前者外壁常具突起（图1-10）。后者一些物种（如贝加尔唐松草、腺毛箭头唐松草、唐松草）茎表皮两细胞之间的壁微突（图1-11），此外唐松草属植物茎的表皮细胞均具极发达的角质层（图1-11）。茎皮层的薄壁组细胞均具胞间隙，宽叶蔓乌头、蓝堇草和短尾铁线莲（图1-12）等物种茎皮层还具厚角组织、纤维及木化细胞。少数物种的皮层具裂生性通气组织，如长瓣金莲花、毛茛及三角叶驴蹄草（图1-13）。

维管束均属外韧维管束，且绝大多数物种茎仅具一圈维管束，如东北扁果草、朝鲜白头翁和侧金盏花（图1-14），但黑水银莲花具两圈维管束（图1-15）。多数物种韧皮部外围有纤维细胞，如棉团铁线莲（图1-16），仅毛果银莲花和黑水银莲花（图1-15）等少数植物无纤维。腺毛箭头唐松草在靠近韧皮部及木质部处有纤维（图1-17），三角叶驴蹄草具维管束鞘纤维（图1-13）。髓通常为薄壁细胞，但棉团铁线莲与贝加尔唐松草髓部细胞木化。髓腔存在于侧金盏花和三角叶驴蹄草（图1-13）等多数物种茎中，少数物种（如宽叶蔓乌头和类叶升麻）无髓腔。水葫芦苗除髓腔外，维管束间还有类似髓腔的腔隙（图1-18，见箭头）。侧金盏髓腔周围具裂生性通气组织（图1-14）。

图1 东北毛茛科植物根，茎及叶柄的横切面Fig.1 The transverse sections of roots，stems and petioles of Ranunculaceae in northeastern China示表皮、皮层、维管束、纤维、毛状体、气孔等结构。1.腺毛箭头唐松草根；2.耧斗菜根木栓；3.长瓣金莲花根表皮；4.腺毛箭头唐松草根表皮；5.黑水银莲花根；6.匍枝毛茛根；7.黄花乌头根皮层；8.短尾铁线莲根皮层；9.蓝堇草根木质部；10.类叶升麻茎表皮；11.翼果唐松草茎表皮；12.短尾铁线莲茎皮层；13.三角叶驴蹄草茎；14.侧金盏花茎；15.黑水银莲花茎；16.棉团铁线莲茎维管束；17.腺毛箭头唐松草茎维管束；18.水葫芦苗茎；19.白头翁叶柄；20.硬叶水毛茛叶柄；21.茴茴蒜叶表皮毛；22.拟扁果草叶表皮毛；23.菟葵叶表皮毛；24.黑水银莲花叶气孔；25.褐毛铁线莲叶气孔；26.朝鲜白头翁叶气孔。c.厚角组织；cc.木栓细胞；co.皮层；cu.角质层；e.表皮；f.纤维；lc.木化细胞；la.溶生性通气组织；p.髓；pc.髓腔；sa.裂生性通气组织；vb.维管束；vbs.维管束鞘；v.导管。比例尺：图1，9，13＝200μm；2～4，10，11，22，23＝25 μm；5，8，17，21，24～26＝50μm；6＝300μm；7，12，15，16，18＝100μm；14＝150μm；19＝500μm；20＝400μm。Showing the structures of epidermis，cortex，vascular bundle，fiber，trichomes，stomata etc.1.Thalictrum simplex var.glandulosum root；2.Root cork of Aquilegia viridiflora；3＆4 Epidermis of roots：3.Trollius macropetalus；4.Thalictrum simplex var.glandulosum；5.Anemone amurensis root；6.Ranunculus repens root；7＆8 Root cortex：7.Aconitum coreanum；8.Clematis brevicaudata；9.Root xylem of Leptopyrum fumarioides；10＆11 Epidermis of stems：10.Actaea asiatica；11.Thalictrum aquilegifolium var.sibiricum；12.Stem cortex of Clematis brevicaudata；13－15 stems：13.Caltha palustris var.sibirica；14.Adonis amurensis；15.Anemone amurensis；16＆17 Vascular bundle of stem：16.Clematis hexapetala；17.Thalictrum simplex var.glandulosum；18.Halerpestes cymbalaria stem；19＆20 Petioles：19.Pulsatilla chinensis；20.Batrachium foeniculaceum；21－23 Showing trichome on leaves：21.Ranunculus chinensis；22.Enemion rad deanum；23.Eranthisstellata；24－26 Stomata of leaves：24.Anemone amurensis；25.Clematisfusca；26.Pulsatilla cernua.c－collenchyma；cc－cork cell；co－cortex；cu－cuticle；e－epidermis；f－fiber；lc－lignified cell；la－lysigenous aerenchyma；p－pith；pc－pith cavity；sa－schizogenous aerenchyma；vb－vascular bundle；vbs－vascular bundle sheath；v－vessel.Scale bar＝200μm in 1，9，13；25μm in 2－4，10，11，22，23；50μm in 5，8，17，21，24－26；300μm in 6；100μm in 7，12，15，16，18；150μm in 14；500μm in 19；400μm in 20.

图2 东北毛茛科植物叶柄横切面绘图Fig.2 The transverse sections of petioles of Ranunculaceae in northeastern China示横切面形状、维管束的分布。1.黄花乌头；2.宽叶蔓乌头；3.类叶升麻；4.侧金盏花；5.毛果银莲花；6.多被银莲花；7.黑水银莲花；8.尖萼耧斗菜；9.耧斗菜；10.硬叶水毛茛；11.三角叶驴蹄草；12.短尾铁线莲；13.褐毛铁线莲；14.棉团铁线莲；15.辣蓼铁线莲；16.拟扁果草；17.菟葵；18.水葫芦苗；19.东北扁果草；20.蓝堇草；21.兴安白头翁；22.朝鲜白头翁；23.白头翁；24.茴茴蒜；25.深山毛茛；26.毛茛；27.匍枝毛茛；28.唐松草；29.贝加尔唐松草；30.腺毛箭头唐松草；31.长瓣金莲花。x.木质部；p.韧皮部。比例尺：图1～3，5，6，8，12～16，19，21～23，25，28～30＝2 mm；7，9，17＝1.5 mm；10，18，20＝1 mm；4，11，26，31＝3 mm；24，27＝4 mm。Showing the shapes of transverse sections and distribution of vascular bundles.1.Aconitum coreanum；2.A.sczukinii；3.Actaea asiatica；4.A-donis amurensis；5.Anemone baicalensis；6.A.rad deana；7.A.amurensis；8.Aquilegia oxysepala；9.A.viridiflora；10.Batrachiumfoeniculaceum；11.Caltha palustris var.sibirica；12.Clematisbrevicaudata；13.C.fusca；14.C.hexapetala；15.C.terniflora var.mandshurica；16.Enemion raddeanum；17.Eranthis stellata；18.Halerpestes cymbalaria；19.Isopyrum manshuricum；20.Leptopyrum fumarioides；21.Pulsatilla dahurica；22.P.cernua；23.P.chinensis；24.Ranunculus chinensis；25.R.franchetii；26.R.japonicus；27.R.repens；28.Thalictrum aquilegifolium var.sibiricum；29.T.baicalense；30.T.simplex var.glandulosum；31.Trollius macropetalus.x－xylem；p－phloem.Scale bar＝2 mm in 1－3，5，6，8，12－16，19，21－23，25，28－30；1.5 mm in 7，9，17；1 mm in 10，18，20；3 mm in 4，11，26，31；4 mm in 24，27.

2.3 叶的结构

毛茛科植物叶（表3）表皮的附属物包括单细胞、多细胞非腺毛及单细胞腺毛。单细胞非腺毛存在于多数物种，如白头翁、毛果银莲花和茴茴蒜（图1-21）等。拟扁果草具2～3细胞组成的单列多细胞非腺毛（图1-22）。仅东北扁果草、腺毛箭头唐松草和菟葵被单细胞腺毛（图1-23），其中东北扁果草还被单细胞非腺毛。极少物种（如贝加尔唐松草和蓝堇草）叶无毛。叶表皮细胞壁多呈波状，分为深波（波纹超过细胞直径1／3），中波（波纹超占细胞直径1／3～1／6）及浅波（波纹小于细胞直径1／6）。多数物种叶片背面表皮细胞具深波，如宽叶蔓乌头和黑水银莲花（图1-24），少数物种具中波，如辣蓼铁线莲和褐毛铁线莲（图1-25），朝鲜白头翁（图1-26）及棉团铁线莲等物种叶背表皮细胞具浅波。除硬叶水毛茛叶背腹面均无气孔外，多数物种（如短尾铁线莲和毛果银莲花）仅叶背面有气孔。蓝堇草和水葫芦苗等少数物种叶腹面也有气孔。各种气孔长宽比为1∶1～1∶1.5（如水葫芦苗和黑水银莲花）。

毛茛科植物叶柄横切面形状不同，可分为月牙形（如黄花乌头，图2-1，2）、倒三角形（如类叶升麻，图2-3，6，7，17，19，20）、椭圆形（如侧金盏花，图2-4）、心形（如兴安白头翁，图2-5，16，21～27，31）、近心形（如耧斗菜，图2-8，9）、半圆形（硬叶水毛茛，图2-10）、近月牙形（如三角叶驴蹄草，图2-11），戟形（如褐毛铁线莲，图2-12～15）、肾形（如水葫芦苗，图2-18）及近戟形（如唐松草，图2-28～30）。叶柄结构多与茎相近，仅个别物种的叶柄与茎存在区别，如黑水银莲花叶柄仅具一圈维管束。毛茛等大多数物种叶柄具髓腔，但水葫芦苗和硬叶水毛茛（图1-20，见箭头）仅在维管束间具类似髓腔的腔隙，贝加尔唐松草和类叶升麻等少数种无髓腔。白头翁髓部具1～2个维管束（图1-19）。

3 讨论

角质层可减少植物水分蒸发并可反射紫外线辐射［17-20］，使植物更适于林缘或相对干燥的生境。角质层的厚薄受环境因素的影响［17］，但也受基因的控制［21］。张永红等［22］观察了贝加尔唐松草等20种4变种唐松草属植物叶表皮特征，认为蜡质层纹饰可作为种间鉴定依据。本研究的3种唐松草属植物分别位于唐松草组（Sect.Tripterium）和腺毛唐松草组（Sect.Thalictrum）［23］，它们的茎和叶的表皮均具极为发达的角质层（其他毛茛科植物没有发达的角质层）。

史京华和李良千［24］认为在特定类群中，叶表是否双面具气孔器对于组及亚组的划分有一定意义。但本次所选实验材料，属内气孔分布方式相同，如白头翁属及毛茛属叶两面均有气孔。铁线莲属、银莲花属、乌头属、耧斗菜属及类叶升麻属等气孔仅分布于叶背面，且各属内植物间气孔长宽比也较为接近。因此作者认为气孔的形态及分布也可以作为属或亚属划分的依据。

毛茛属植物、硬叶水毛茛、三角叶驴蹄草、和水葫芦苗多为水湿生或盐生植物，它们的根皮层常具溶生性通气组织［25］，茎及叶柄皮层具裂生性通气组织［25］。通气组织可维持组织中适宜的氧水平，有利于氧在根端与苗端间的运输［26］。而通气组织对于水葫芦苗等盐生植物的作用还可缓解根际还原性物质对植物的毒害，起到脱毒作用［25］。侧金盏花为早春先叶开花植物，茎髓部的通气组织可以保证给冻土层中的根提供足够的氧。

董士香［27］曾认为叶组织结构变化是植物进化历程中相对稳定的部分。Metcalfe和Chalk［13］认为叶柄特征具有较高的系统学价值。研究显示尽管毛茛科不同属的叶柄切面形态有差异，但属内不同种较为相似，如白头翁属、毛茛属叶柄切面均为心形，铁线莲属与唐松草属则为戟形或近戟形。可见叶柄切面形态是分类的重要特征。

Tamura［3］指出毛茛属［包括水毛茛亚属（Subgen.Batrachium）］、碱毛茛属、角果毛茛属（Ceratocephalus）应位于毛茛族中。赵亮［10］综合了毛茛族花器官发育和管状分子及叶表皮特征，认为碱毛茛属、水毛茛属和角果毛茛属应并入毛茛属（广义）。Takhtajan［2］则认为毛茛属、水毛茛属、碱毛茛属及角果毛茛属都应分别作为独立的属。我们的研究表明圆叶碱毛茛、硬叶水毛茛与多数毛茛属植物营养器官具有相近的结构，如根部表皮为薄壁细胞，皮层极发达，具溶生性通气组织，导管呈束状分布，无次生木质部，茎皮层具裂生性通气组织，叶两面均有气孔器分布（硬叶水毛茛未见气孔）及叶表具单细胞毛。故支持赵亮［10］将碱毛茛属、水毛茛属并入毛茛属的观点。Tamura［3］曾将驴蹄草属与金莲花属同置于铁筷子族（Trib.Helleboreae）。Takhtajan［2］则将此二属分别置于Trollioideae亚科的Caltaeae族和金莲花族（Trib.Trollieae）。Cai等［8］认为将金莲花属置于毛茛亚科、驴蹄草属置于金莲花亚科中更合适。我们观察到三角叶驴蹄草与长瓣金莲花根皮层的结构，茎与叶柄纤维存在的位置及叶表面气孔的分布等性状均不同，为Cai等［8］分子系统学结果提供了形态学依据。