东北委陵菜属植物叶形态结构的研究及其分类学价值的探讨

孙天航，刘玫，孙雪芹，程薪宇，茹剑

（哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨150025）

委陵菜属（Potentilla）隶属蔷薇科（Rosaceae），全世界约有300余种，一年生或多年生草本，仅有少数为灌木。广布于北温带，我国约90种，全国各地均有分布，东北产28种，16变种［1］。该属植物茎直立，半匍匐或匍匐，能适应不同的生态环境，其中大部分物种（如翻白委陵菜P.discolor）对环境有极强的适应性和抗逆性，可作为气候干燥、土壤以盐碱土为主的都市园林绿化物种［2］。

植物毛状体类型、叶表皮形态可作为分类的依据［3-4］。中国委陵菜属叶表皮毛分4种类型：单细胞直立毛、单细胞卷曲毛、腺毛及星状毛，毛的长短和密度因植物成熟度及生境的不同有较大差异［5］。尤凤丽等［6］揭示9种委陵菜属植物（如鹅绒委陵菜P.anserina，翻白委陵菜）的气孔均为无规则型。田丽等［7］指出委陵菜属植物气孔指数的变化与抗旱能力有关，如蔓委陵菜（P.flagellaris）、伏委陵菜（P.supina）、蛇含委陵菜（P.kleiniana）和三叶委陵菜（P.freyniana）气孔指数小，具较强抗旱能力。叶柄的形态结构对植物类群的划分，属及种的鉴定有着很大的参考价值［8-9］。Hare［10］认为在叶柄横切面上的维管束排列是最重要的分类学依据。然而未见关于委陵菜属的叶柄的解剖学研究。

本文旨在通过深入研究东北委陵菜属23种植物的叶表皮附属物、气孔类型、托叶及叶柄形态结构，完善委陵菜属植物形态学研究，并探讨其分类学价值，为进一步研究中国委陵菜属以及蔷薇科的分类及系统学提供形态学资料。

1 材料与方法

1.1 材料

研究材料为我国东北产蔷薇科委陵菜属，23种，1变种。野外采集的植物经王臣教授鉴定，标本存放在哈尔滨师范大学标本馆（Harbin Normal University，HANU）。材料的采集及实验始于2011年。新鲜的成熟叶（包括叶片、叶柄及托叶）直接固定于FAA（福尔马林5 m L，冰醋酸5 m L，70%酒精90 m L）并保存。部分材料分别取自HANU、黑龙江省科学院自然与生态研究所标本馆（Heilongjiang Academy of Sciences-Institute of Natural Resources，HNR）、东北农业大学植物标本馆（Northeast Agricultural University，NEAU）及东北林业大学植物标本馆（Northeast Forestry University，NFFI）。实验材料、凭证标本及采集地信息见表1，物种在中国植物志上的所属组系见表2。

表1 东北委陵菜属物种及其凭证标本、采集地和采集日期Table 1 Potentilla species in northeastern China，together with voucher specimen details and locality

1.2 方法

撕取叶表皮：用镊子分别在2个叶片上撕取上、下表皮，新鲜及固定的材料可直接撕取，取自标本的叶片需经吸水膨胀后撕取。将撕下的表皮置于载片上，用刀片轻轻刮去残留在表皮上的叶肉，并用水冲去叶肉细胞，滴1～2滴50%甘油水溶液，盖上盖片。用Olympus BX51显微镜观察表皮细胞、气孔形态及毛状体类型，Olympus DP70照相。

GMA（乙二醇甲基丙烯酸酯，glycol methacrylate）切片：取靠近托叶处的叶柄，长度为3～5 mm。根据Feder和O’Brien［11］的方法，材料（新鲜的叶柄及取自标本的经过吸水膨胀后的叶柄）经FAA（福尔马林－醋酸－酒精混合液，formalin-acetic acid-alcohol mixture）固定，时间不少于24 h。固定后的材料经50%酒精（2次，每次4～6 h），100%酒精（2次，每次4～6 h），异丙醇（2次，每次6 h）及正丁醇脱水（2次，每次6 h），之后进入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，并将其置于60℃温箱24 h。用Leica Ultralcut R切片，厚度约2.5μm，同样采用Feder和O’Brien［11］的方法，用考马斯亮蓝染色，中性树胶封片。切片经Olympus BX51显微镜观察，Olympus DP70照相。此外，利用亚铁盐对细胞内单宁物质进行鉴定［12］。

2 结果与分析

2.1 叶的形态

东北委陵菜属植物具有3种叶型（表3）：三出复叶，如蛇莓委陵菜和狼牙委陵菜（图1B）；掌状复叶，如蔓委陵菜和蛇含委陵菜（图1C）；羽状复叶，如鹅绒委陵菜和光叉叶委陵菜（图1A）。小叶边缘有锯齿（图1B）或有裂（图1A）。叶均具叶柄，叶柄长度为3～10 cm。托叶通常为2枚，位于叶柄基部的两侧，如光叉叶委陵菜（图1A），仅鹅绒委陵菜具1枚膜质的托叶（图1D）。托叶分为披针形，如蛇含委陵菜及莓叶委陵菜等植物（图1E）；卵状披针形，如三叶委陵菜和狼牙委陵菜（图1B）；卵圆形，如红茎委陵菜（图1F）或呈叶状，如伏委陵菜和灰白委陵菜（图1G）。

表2 东北委陵菜属物种的分类地位（中国植物志）Table 2 The classification status of Potentilla in northeastern China

图1 东北委陵菜属植物叶的绘图Fig.1 Sketch of leaves of Rosaceae in northeastern ChinaA.光叉叶委陵菜叶The leaf of P.bifurca；B.狼牙委陵菜叶The leaf of P.cryptotaeniae；C.蛇含委陵菜叶The leaf of P.kleiniana；D.鹅绒委陵菜托叶The stipule of P.anserina；E.莓叶委陵菜托叶The stipule of P.fragarioides；F.红茎委陵菜托叶The stipule of P.nudicaulis；G.灰白委陵菜托叶The stipule of P.strigosa。比例尺Scale：A，B，C，F，G＝10 mm；D＝5 mm；E＝15 mm.

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2.2 气孔及表皮附属物

所研究物种的气孔均为无规则型，即保卫细胞四周的细胞与表皮细胞大小，形状相同，排列无规则且数量多大于3个（图2D），气孔广泛分布在下表皮，上表皮气孔数量相对较少。毛状体包括单细胞非腺毛及多细胞腺毛。研究的物种均具单细胞非腺毛，分布在叶的上、下表皮。一些物种，如蛇莓委陵菜及光叉叶委陵菜的非腺毛直立生长（图2A），而在另一些物种，如鹅绒委陵菜和委陵菜的非腺毛则呈卷曲状。部分物种具腺毛，腺毛由3个柄细胞和2个腺细胞构成，如粘委陵菜和蛇含委陵菜（图2B，C），而这种腺毛在其他物种不存在。

2.3 叶柄的结构

委陵菜属叶柄横切面多为心形，如光叉叶委陵菜和委陵菜（图3B，C）；近圆形，如蔓委陵菜和金露梅（图3G）；马蹄形，如狼牙委陵菜和伏委陵菜（图3I）和近三角形，如蛇莓委陵菜和匍枝委陵菜（图3L）。在不同的物种中马蹄形叶柄近轴面的凹陷程度不同，如三叶委陵菜、伏委陵菜（图3I）凹陷较深，匍枝委陵菜、金露梅（图3G）凹陷较浅。个别种叶柄具明显的多细胞突起，如莓叶委陵菜（图3E）、银露梅（图2F）。

图2 东北委陵菜属植物表皮微形态及维管束Fig.2 The micro morphology of epidermis and vascular bundle of Rosaceae in northeastern China示毛状体、气孔、表皮、维管束、纤维等结构。Showing the structures of trichomes，stomata，epidermis，vascular bundle，fiber etc.A.粘委陵菜毛The trichomes of P.longifolia；B.蛇含委陵菜非腺毛Nonglandular trichome of P.kleiniana；C.蛇含委陵菜腺毛Glandular trichome of P.kleiniana；D.蛇含委陵菜气孔Stomata of P.kleiniana；E.光叉叶委陵菜表皮Epidermis of P.bifurca；F.银露梅表皮Epidermis of P.glabra；G.三叶委陵菜维管束Vascular bundle of P.freyniana；H.粘委陵菜维管束Vascular bundle of P.longifolia；I.蔓委陵菜维管束Vascular bundle of P.flagellaris。比例尺Scale：A＝2500μm；B，G＝50μm；C＝10μm；D，E，F＝25μm；H，I＝100μm.

图3 东北委陵菜属植物叶柄横切面Fig.3 The transverse sections of petioles of Rosaceae in northeastern China示横切面形状、维管束分布。Showing the shapes of transverse sections and distribution of vascular bundles.A.鹅绒委陵菜P.anserina；B.光叉叶委陵菜P.bifurca；C.委陵菜P.chinensis；D.翻白委陵菜P.discolor；E.莓叶委陵菜P.fragarioides；F.三叶委陵菜P.freyniana；G.金露梅P.fruticosa；H.银露梅P.glabra；I.伏委陵菜P.supina；J.蒿叶委陵菜P.tanacetifolia；K.粘委陵菜P.longifolia；L.匍枝委陵菜P.yokusaiana。比例尺Scale：A，B，C，D，F，I，J，K，L＝200μm；E＝400μm；G，H，J＝100μm.

表皮细胞排列紧密，细胞外壁通常平滑，如三叶委陵菜及光叉叶委陵菜（图2E），仅少数物种细胞外壁有绒毛状突起，如粘委陵菜及银露梅（图2F）。表皮下具1或2层细胞组成的厚角组织，少数个别物种在靠近维管束的角隅处厚角组织细胞可达3～5层，如深齿匍匐委陵菜和光叉叶委陵菜（图3B）。部分物种紧挨表皮的1层细胞与表皮细胞的形状及大小相似，如莓叶委陵菜及光叉叶委陵菜（图2E），而这层细胞在其他物种中明显大于表皮细胞，是表皮细胞的2～3倍，如鹅绒委陵菜及银露梅（图2F）。木本植物金露梅和银露梅表皮及维管束之间的细胞极大且形状不规则（图3G，H），这种特征在草本植物不明显。大的胞间隙存在于鹅绒委陵菜及匍枝委陵菜（图3A，L），而其他物种，如钩叶委陵菜及莓叶委陵菜（图3E），无大的胞间隙。匍枝委陵菜叶柄中央具发达的通气组织（图3L），少数物种的通气组织不明显，如狼牙委陵菜和粘委陵菜（图3K）。

维管束通常为3个，1大2小，呈三角形排列，近轴面2个小维管束，远轴面1个大维管束，如细叶委陵菜和翻白委陵菜（图3D），少数物种具5个维管束，呈V形排列，如委陵菜和伏委陵菜（图3C，I）。维管束形状可为：椭圆形，如细叶委陵菜和光叉叶委陵菜（图3B）；圆形或近圆形，如蛇含委陵菜和匍枝委陵菜（图3L）；半圆形，如灰白委陵菜和蒿叶委陵菜（图3J）。维管束中具发达的韧皮纤维，在横切面上这些纤维细胞壁厚腔小。纤维发达程度在不同物种有变化，如莓叶委陵菜和翻白委陵菜纤维细胞可达到7～9层（图3D），蔓委陵菜为3或4层（图2I），少数物种（如三叶委陵菜）未见韧皮纤维（图3F）。此外，在一些物种维管束周围的1圈细胞含有单宁类物质，如粘委陵菜、莓叶委陵菜和翻白委陵菜（图2 H），而单宁类物质在某些物种，如光叉叶委陵菜及委陵菜，仅存在于部分包围在维管束的薄壁细胞中（图3B，C）。

2.4 检索表

根据委陵菜属23种植物的形态特征（包括叶片、叶柄及托叶的结构），制作检索表如下：

1.木本。

2.叶柄横切面近圆形 ………………………………………………………………… 金露梅Potentilla fruticosa

2.叶柄横切面心形 ……………………………………………………………………………… 银露梅P.glabra

1.草本。

3.三出复叶或掌状叶。

4.三出复叶。

5.叶柄有通气组织。

6.叶柄横切面为马蹄形 …………………………………………………… 狼牙委陵菜P.cryptotaeniae

6.叶柄横切面为心形或近三角形

7.无腺毛……………………………………………………………………… 蛇莓委陵菜P.centigrana

7.有腺毛。

8.具有韧皮纤维 ………………………………………………………… 匍枝委陵菜P.yokusaiana

8.无韧皮纤维…………………………………………………………………… 假雪委陵菜P.nivea

5.叶柄无通气组织 ………………………………………………………………… 三叶委陵菜P.freyniana

4.掌状复叶。

本研究所在区域位于南方某区域低山丘陵地区，属于亚热带海洋性季风气候，海拔180～260 m。该区域具有较高的温度和湿度（年平均湿度81%，年平均温度在19℃左右），且降雨量相对较大（年平均降雨量1 668.3 mm）。此区域的土壤较肥沃，土层较厚，以山地红壤为主。

9.叶柄表皮细胞角质层厚（与表皮细胞外壁厚度相似）… ………………………… 蔓委陵菜P.flagellaris

9.叶柄表皮细胞角质层薄（为表皮细胞外壁厚度的1／2）。

10.有通气组织…………………………………………………………………… 蛇含委陵菜P.kleiniana

10.无通气组织 …………………………………………… 深齿匍匐委陵菜P.repens var.sericophylla

3.羽状复叶。

11.叶柄表皮细胞平滑。

12.表皮细胞角质层厚（为表皮细胞外壁厚度的1／2）。

13.维管束数量为5。

14.有单宁类物质 ……………………………………………………………………… 委陵菜P.chinensis

14.无单宁类物质……………………………………………………………………… 伏委陵菜P.supina

12.表皮细胞角质层厚（为表皮细胞外壁厚度的1～1.5倍）。

15.无腺毛 ……………………………………………………………………… 蒿叶委陵菜P.tanacetifolia

15.具有腺毛。

16.具有通气组织。

17.维管束为圆形 ……………………………………………………………… 粘委陵菜P.longifolia

17.维管束为半圆形 ……………………………………………………… 莓叶委陵菜P.fragarioides

16.不具有通气组织……………………………………………………………… 光叉叶委陵菜P.bifurca

11.叶柄表皮细胞有突起。

18.叶表皮具有卷曲的非腺毛。

19.托叶1片 ………………………………………………………………………… 鹅绒委陵菜P.anserina

19.托叶2片。

20.叶表皮具腺毛 ………………………………………………………………… 翻白委陵菜P.discolor

20.叶表皮不具腺毛 ………………………………………………………… 轮叶委陵菜P.verticillaris

18.叶表皮具有直立的非腺毛。

21.具有单宁类物质 ……………………………………………………………… 细叶委陵菜P.multifida

21.不具有单宁类物质。

22.维管束为半圆形 ………………………………………………………… 钩叶委陵菜P.ancistrifolia

22.维管束为椭圆形 ……………………………………………………………… 灰白委陵菜P.strigosa

3 讨论

委陵菜属叶毛状体类型在不同种间存在差异，而在同一种中具有稳定性［3］。张曼曼等［13］认为委陵菜属表皮毛形态上的细微差异可用于鉴别同一花柱组中形态相似的种，并探讨种间亲缘关系，但这样的差异不能作为该属中组间分类的依据，叶表皮微形态的特征对于属下分组有一定的局限性［14］，需结合其他性状特征进行组水平上的分类及鉴定。本研究显示钉状花柱组中莓叶系的5种委陵菜毛状体性状相同，均具腺毛及直立非腺毛，而其他组系的物种的毛状体形态有明显变化，如同处在锥状花柱组羽叶系中的蒿叶委陵菜和粘委陵菜虽然均具直立的非腺毛，但腺毛仅存在于前者，因而，认为毛状体完全可以作为鉴别委陵菜属物种的特征，而不仅仅用于组及系的划分。张勇和尹祖棠［5］观察到委陵菜属植物毛的长短、密度随叶片成熟程度及生境的不同存在较大差异。幼嫩叶片被毛比成熟叶片多，而生于干旱或半干旱环境中的类群比生于潮湿或中生环境下的类群被毛多而且长，同一种下表皮毛要比上表皮多［1］。在本研究的物种中也可以观察到这一现象。如鹅绒委陵菜幼时密被灰白色绢毛，成长后渐脱落，生长在潮湿条件的蛇莓委陵菜毛状体较少，而生长在干旱条件下的翻白委陵菜毛状体较多。

金露梅和银露梅同处在棒状花柱组木本系内［15］。张勇等［16］将金露梅等木本植物作为独立属处理。本研究显示2个木本植物金露梅及银露梅叶柄中的皮层细胞特征（如细胞大且形状不规则）不同于草本植物，其他特征（如维管束数量及纤维等）与草本植物的结构相同，故认为将二者从委陵菜属中划分出来是不合适的。

郑玲和程彦伟［17］指出维管束数量越多对恶劣环境（如干旱）的抵抗越强。本属植物叶柄通常具3个维管束（1大2小），而具有5个维管束的伏委陵菜和委陵菜都采自于较干旱的地带，显然较多的维管束可以增加植物的支持及输导功能，有利于它们在干旱的环境下生长。植物体会响应多种机制抵御干旱带来的胁迫［18］，下表皮的气孔数量增多，表皮密被毛，诱导或加速通气组织的形成等，都是植物面对干旱不利条件下的适应策略［4，19-20］。委陵菜属叶的相关特征反映了物种具有适应高温、干旱的恶劣生境的生物学特性。

本研究通过对委陵菜属植物叶形态结构的深入探讨，揭示出叶表皮附属物，叶柄维管束数量，纤维的分布等特征可作为属内类群的划分及属下分类的依据，为进一步深入研究委陵菜属其他物种及蔷薇科提供了形态学资料。