扇穗茅属两个代表种的广义形态特征及其系统关系

周勇辉 刘玉萍 拉 本 李兆孟 苏 旭* 马永贵

(1.青海师范大学生命与地理科学学院，青海省自然地理与环境过程重点实验室，西宁 810008； 2.青海师范大学青藏高原环境与资源教育部重点实验室，西宁 810008； 3.青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室，西宁 810008)

扇穗茅属两个代表种的广义形态特征及其系统关系

周勇辉1,2刘玉萍1,2拉 本1,2李兆孟1,2苏 旭1,2*马永贵3

(1.青海师范大学生命与地理科学学院，青海省自然地理与环境过程重点实验室，西宁 810008；2.青海师范大学青藏高原环境与资源教育部重点实验室，西宁 810008；3.青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室，西宁 810008)

通过扇穗茅属两个物种40个代表居群馆藏腊叶标本的查阅、观测及叶表皮微形态特征的综合研究显示：(1)扇穗茅具有短根状茎，圆锥花序，每小穗含6～8小花；寡穗茅无根状茎，总状花序，每小穗含3～6的小花。显然，两者隶属于不同的类群，是典型的种间关系；扇穗茅具有较原始的外部形态特征，而寡穗茅则有较高级的外部形态特征。(2)扇穗茅属两物种的叶表皮皆由长细胞、短细胞、气孔器细胞组成；同时，两物种在长细胞的长度与宽度，气孔器体积大小与分布及副卫细胞的形状，短细胞的丰缺与着生形式等性状上存在明显差异。(3)根据叶表皮性状的特征和演化趋势，对物种间系统位置和演化关系的分析表明，它们具有明显的种间间断，并且扇穗茅较原始，寡穗茅较进化，寡穗茅极有可能是由较低级的扇穗茅演化而来。这一系统进化关系与利用外部形态特征所获得的结论基本一致。

扇穗茅；寡穗茅；叶表皮微形态；外部形态特征；系统关系

扇穗茅属(Littledalea)是禾本科(Poaceae)雀麦族(Bromeae)的一个多年生高山特有属。扇穗茅属目前记录有4种，即扇穗茅(L.racemosa)、寡穗茅(L.przevalskyi)、藏扇穗茅(L.tibetica)和帕米尔扇穗茅(L.alaica)，它们主要分布于青藏高原及其毗邻的高山地区，仅有少部分居群分布在邻近的稍低海拔地区，具有较强的耐旱、耐寒、耐碱以及抗病、抗风沙的能力。该属多数物种如扇穗茅、寡穗茅等具有相对发达的根系，是保土固沙的一类重要物种。该属植物营养价值较高，是畜牧业上重要的优良牧草；所有物种的花序相对粗长、穗多粒大，加之抗逆性强的优点，是农、牧业上禾草良种繁育的重要基因资源。

扇穗茅属系由Hooker于1896年所建立，当初建立时，仅为1个产于中国西藏地区的模式种藏扇穗茅[1]。嗣后，诸多学者如耿以礼[2]、Tzvelev[3]、吴征镒[4]、卢生莲[5]、刘亮[6]等相继对扇穗茅属植物进行了一系列的分类学研究，取得了令人称羡的成绩。尽管前人的研究功不可没，但它们却具有较大的局限性，如有的学者仅采用单一的外部形态性状来建立新物种，也有的学者仅采用单一的研究手段来确定物种间的系统发育关系，这种局部的、不完整的研究资料并不能代表整个扇穗茅属的系统发育关系。尤其是关于扇穗茅属系统发育关系的研究，目前国内外尚未见报道。据此，本文拟以扇穗茅属中两个代表种—扇穗茅和寡穗茅为研究对象，以叶表皮微形态特征为依据，结合外部形态特征，试图探讨该属部分物种间的系统进化关系，旨在为整个扇穗茅属植物系统与进化关系的研究提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 实验材料的选择

供试材料全部取自副份馆藏腊叶标本，每个代表种的典型凭证标本详见表1。整个叶表皮解剖和外部形态的观测材料共40份，尽量选取不同纬度、不同海拔的材料进行实验。由于实验类群叶片上表皮的形状差异较小和实验效果不大，故本文实验重点放在叶片下表皮上。

1.2 研究方法

1.2.1 外部形态观察

对扇穗茅属两个代表物种不同来源的40份馆藏腊叶标本分别进行旗叶长度、旗叶宽度、叶片被毛状况、花序长度、花序分枝数、小穗数、小穗长度、每小穗小花数、小穗颜色、颖体长度、颖片形状、颖片被毛状况、第一外稃长度、外稃被毛状况、第一内稃长度、外稃形状等这16个性状的观察和测量。每个代表居群取4～5株，个别居群只选取1～2株观察的平均数，再将不同居群的观察资料取平均，以对两个物种进行相互比较；同时，对于分类价值较大的外部形态形状矩阵，应用SPSS软件进行主成分分析(principal component analysis，PCA)。

1.2.2 叶表皮微形态观察

用于叶表皮微形态观察的材料均取自花序下第2叶片的中间部段，共两个物种40个代表居群。按常规叶表皮解剖法操作，即先将叶片用沸水软化10～15 min，材料软化后置于塑料板上用单面刀片轻轻刮削，使其保留叶片上、下表皮薄膜层，然后清水洗净薄膜，用1%的番红染色1～2 min，再置于光镜下观察，同时进行描述、绘图、拍照等工作，最后以常规永久制片法脱水封固保存。长细胞测其绝对长度，每个代表居群取3个以上视野，每个视野取10个细胞，取平均值；气孔器大小测其长宽比，每个代表居群取3个以上视野，每个视野取6个气孔器，取平均值。叶表皮特征用Metcalfe[7]的微形态术语进行描述。

2 结果与分析

2.1 外部形态性状差异分析

扇穗茅属两个物种40个代表居群16个性状的观察统计结果详见表2。显然，表2中两个物种的各项统计值是基本符合中国一些植物志书上记载的该类植物各对应性状数值，即使是寡穗茅与原始描述相比，也仅在植株高矮、花序长短、两颖片长度等少数性状上有微小差异[6]，这可能与观察标本的数量、区域、生境有关，但并未超出该类群的性状变异范围。在表2所列的性状数据中，有些性状如花序分支数、小穗颜色、颖片被毛、外稃形状在两个物种间表现重叠，差异皆不明显；而其他绝大多数性状在类群间却存在明显差异，至少能把对应比较的两个物种的外部形态间隔大小显示出来。譬如，对于植株高度、旗叶长度、旗叶宽度、花序长度、花序形状、每小穗含小花数、第一外稃长度、颖体长度等性状，这足以表明扇穗茅和寡穗茅应该隶属于不同的两个物种。

同时，对旗叶长宽比、花序长度、花序形状、花序颜色、小穗数、小穗颜色、每小穗小花数、颖体长度、颖体被毛状况、外稃长度、外稃形状等11个具有较大分类价值形态性状特征构成的矩阵进行主成分分析。依据主成分做二维散点图，结果显示扇穗茅和寡穗茅的所有参试个体呈现两个不同的分布区，它们可以将两个不同物种的代表居群明显区分开来，与先前界定的两物种相符，再次表明扇穗茅与寡穗茅属于两个独立的物种(图1)。

表1 实验材料名称及来源

续表1Continuedtable1

种名Species凭证标本∗Voucher采集地Locality实验用途Experimentpurpose寡穗茅L．przevalskyi周立华199(QTPMB)L．H．Zhou199(QTPMB)青海治多，海拔4300mZhiduo，Qinghai，alt．4300m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation黄荣福K⁃069(QTPMB)R．F．HuangK⁃069(QTPMB)青海可可西里，海拔4750mMountainPatrol，Qinghai，alt．4750m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation黄荣福K⁃103(QTPMB)R．F．HuangK⁃103(QTPMB)青海可可西里，海拔4750mMountainPatrol，Qinghai，alt．4750m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation黄荣福Q22⁃24(QTPMB)R．F．HuangQ22⁃24(QTPMB)青海玛多，海拔4300mMaduo，Qinghai，alt．4300m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation植被地理组547(QTPMB)VegetationGeographyExp．547(QTPMB)青海玛多，海拔4370mMaduo，Qinghai，alt．4370m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎28921(QTPMB)Y．H．Wu28921(QTPMB)青海玛多，海拔4170mMaduo，Qinghai，alt．4170m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎28973(QTPMB)Y．H．Wu28973(QTPMB)青海玛多，海拔4170mMaduo，Qinghai，alt．4170m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation采集人不详138(QTPMB)Anonymous138(QTPMB)青海兴扎，海拔3800mXingzha，Qinghai，alt．3800m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎18074(QTPMB)Y．H．Wu18074(QTPMB)青海玛多，海拔4150mMaduo，Qinghai，alt．4150m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎18059(QTPMB)Y．H．Wu18059(QTPMB)青海玛多，海拔4150mMaduo，Qinghai，alt．4150m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎28803(QTPMB)Y．H．Wu28803(QTPMB)青海兴海，海拔4360mXinghai，Qinghai，alt．4360m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎28849(QTPMB)Y．H．Wu28849(QTPMB)青海兴海，海拔4130mXinghai，Qinghai，alt．4130m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吴玉虎28756(QTPMB)Y．H．Wu28756(QTPMB)青海兴海，海拔4360mXinghai，Qinghai，alt．4360m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation刘尚武00176(QTPMB)S．W．Shang00176(QTPMB)青海扎多，海拔4700mZhaduo，Qinghai，alt．4700m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation刘尚武1593(QTPMB)S．W．Shang1593(QTPMB)青海泽库，海拔3900mZeku，Qinghai，alt．3900m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation刘尚武3115(QTPMB)S．W．Shang3115(QTPMB)青海泽库，海拔2700mZeku，Qinghai，alt．2700m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation虞泽生06664(QTPMB)Z．S．Yu06664(QTPMB)四川色达，海拔4700mSeda，Sichuan，alt．4700m形态学观察；叶表皮观察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation

注：*凭证标本存于中国科学院西北高原生物研究所青藏高原生物标本馆(QTPMB)。

Note:*Vouchers are conserved in QTPMB.

表2 扇穗茅属两个物种40个代表居群16个外部形态性状的观测结果

图1 主要外部形态性状主成分的散点图Fig.1 2D PCA scatter plot of principal component in main external morphological characters

2.2 叶表皮微形态形状差异分析

光镜下观察了扇穗茅属中扇穗茅和寡穗茅40个代表居群的叶表皮微观特征，发现它们的叶表皮皆由长细胞、短细胞、气孔器细胞所组成。长细胞普遍分布在两个代表物种中，通常呈长方形纵向相接成行，平行排列于脉间与脉上，一般脉上1～4列，脉间4～30列，长80～600 μm，宽16～36 μm，其细胞壁厚而密波状弯曲或薄而平直无波纹；短细胞孪生或单生，稀不着生，与长细胞相间排列，呈马鞍形、新月形、圆球形；气孔器细胞通常零星分布或1～2列生于脉间，偶尔出现3列以上的分布现象，长45～115 μm，宽28～70 μm，副卫细胞呈圆顶形、底圆顶形或平边形。在两个物种的代表居群中，这几类结构细胞的形态、数量和叶面的组合式样不尽相同，尤其是长细胞的长短、宽窄或细胞壁的厚薄，气孔器的大小分布及副卫细胞的形状变化，短细胞的丰缺与着生形式的形状上具有明显差异。这些差异尤其是在叶片的下表皮上表现格外突出(图2，表3)，是本文分析两个物种间系统关系的重要依据，故下面着重将两个物种的下表皮差异特征概括如下：

扇穗茅(L.racemosa)：长细胞明显短阔，细胞壁薄，平直；短细胞多出现孪生且数量较多，呈马鞍形；气孔器细胞体积小，副卫细胞多呈高圆顶形或低圆顶形，而平顶形极少出现。

寡穗茅(L.przevalskyi)：长细胞明显较短阔，细胞壁厚，弯曲；短细胞单生分布普遍，极少数出现孪生，多呈新月形，圆球形；气孔器体积大，副卫细胞多呈平顶形。

图2 扇穗茅属两个物种的叶片下表皮光学显微照片 1～5.寡穗茅；6～10.扇穗茅Fig.2 Light microscopic micrographs on the lower epidermises of leaf blades for two Littedalea species 1-5.L.racemosa; 6-10.L.przevalskyi

3 讨论

3.1 叶片下表皮性状的演化趋势及系统关系

在叶表皮解剖上，尽管能用于类群划分的性状较多，但具有演化意义且能较易确定演化趋势方向的性状则较少。蔡联炳等[8～9]曾指出，叶面上长细胞的延长、短细胞类型的简化，皆与禾本科叶片表皮的系统发育相顺应。嗣后，许多研究[10～12]表明，禾本科植物中壁薄、平直、短锉的长细胞是较原始的类型，壁厚、波曲、展长的长细胞是较进化的类型，即表皮长细胞的演化是一个细胞逐渐伸长、细胞壁变厚、波曲加大的过程；原始类群的短细胞通常是以成排联生方式呈现，短细胞的演化趋势应是马鞍形→新月形→圆球形；副卫细胞的演化趋势应为高圆顶副卫细胞→低圆顶副卫细胞→平边形副卫细胞。印证在类群演化上，则长细胞短阔、细胞壁平直，短细胞单孪生、呈马鞍形和圆球形，气孔器副卫细胞常为高圆顶形，脉带宽于或等于脉间带的扇穗茅较原始；长细胞稍长或呈狭长形、细胞壁波状或密波状弯曲，短细胞单生、呈新月形和圆球形，气孔器副卫细胞为低圆顶形或趋于平边形，脉带明显窄于脉间带的寡穗茅较高级。寡穗茅演化过程中长细胞延伸、细胞壁均有不同程度的波曲，短细胞的类型和着生方式以及脉带与脉间带相对宽度上均比扇穗茅表现较进化，尤其是寡穗茅短细胞均以单生方式着生，副卫细胞多为低圆顶形和平边形的特征，不仅预示两者属于不同的物种，而且也暗示着其可能是由较原始的扇穗茅派生而来的。

3.2 外部形态形状的演化趋势及系统关系

扇穗茅和寡穗茅两个物种的上述系统关系若是印证在外部形态上，其类群划分和演化趋势也十分清楚。在外部形态上，扇穗茅具有根状茎，株高16.9～19.7 cm，圆锥花序，每小穗含6～8小花，外稃平滑或有点状粗糙，花药长6毫米；寡穗茅无根状茎，株高26.5～34.7 cm，圆锥花序已演变成总状花序，每小穗含3～6小花，外稃通常全被柔毛，花药长约4毫米。显然，按照Stebbins[13]的理论：原始的禾草可能是丛生、具有短根茎和每小穗小花数目较多，那么我们不难看出，扇穗茅和寡穗茅是两个具有明显间断的类群，而且扇穗茅应为属中较原始的类群，寡穗茅应是扇穗茅之上的较高级类群，尤其是其间各自所独有的一些特征如圆锥花序和总状花序，示意两者极可能具有直接的渊源关系。

1.Hooker J D.Flora of British India[M].London:Reeve & Co,1896,25:2472.

2.耿以礼.中国主要植物图说—禾本科[M].北京:科学出版社,1959:254-257.

3.Tzvelev N N.Planta Asiae Centralium(4)[M].Aedibus:Nauka,1968.

4.吴征镒.西藏植物志:第5卷[M].北京:科学出版社,1987.

5.卢生莲.扇穗茅属.刘尚武.青海植物志(第四卷)[M].西宁:青海人民出版社,1999.

6.刘亮.中国植物志:第9卷,第2分册[M].北京:科学出版社,2002:377-380.

7.Metcalfe C R.Anatomy of the Monocotyledons Vol.1 Gramineae[M].London:Oxford Clarendon Press,1960:1-713.

8.蔡联炳,王世金,郭延平.禾本科植物叶片表皮结构细胞的演变趋势及其机理的研究[J].高原生物学集刊,1994,12:13-27.

9.蔡联炳,郭延平.禾本科植物叶表皮结构细胞主要类型的演化与系统分类和发育途径的探讨[J].西北植物学报,1995,15(4):323-335.

10.智丽.赖草属(禾本科)的分类、演化及地理分布的研究[D].西宁:中国科学院研究生院,2000.

11.苏旭,刘玉萍,陈克龙.根据叶表皮形态特征试论披碱草属(禾本科)中小颖组、宽颖组和长颖组间的系统关系[J].植物研究,2012,32(2):129-136.

12.刘玉萍,苏旭,何懿涵,等.国产赖草属3组植物叶表皮解剖特征及其系统关系[J].植物研究,2013,33(6):644-652.

13.Stebbins G L.The evolution of the grass family[M].//Youngners V B,Mckell C M.The Biology and Utilization.New York:Acad Press,1972:1-15.

BiosystematicRelationshipsandGeneralizedMorphologicalCharacteristicsofTwoRepresentativeSpeciesfromLittledalea(Poaceae)

ZHOU Yong-Hui1,2LIU Yu-Ping1,2LA Ben1,2LI Zhao-Meng1,2SU Xu1,2*MA Yong-Gui3

(1.Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process in Qinghai Province,College of Geography and Life Science,Qinghai Normal University,Xining 810008；2.Key Laboratory of Education Ministry of Environments and Resources in the Qinghai-Tibetan Plateau,Qinghai Normal University,Xining 810008；3.Key Laboratory of Medicinal Plant and Animal Resources of the Qinghai-Tibetan Plateau in Qinghai Province,Xining 810008)

We comprehensively studied the main character differences of 40 reprehensive populations between the nearest relatedLittledalearacemosaandLittledaleaprzevalskyiby the morphological observation and anatomical analysis of leaf epidermises.L.racemosahas short rhizomes, panicle and 6-8 florets per spikelet, whileL.przevalskyihas no rhizomes, raceme and 3-6 florets per spikelet. They belong to two different species. The former is with more primitive external morphological characteristics, while the latter has more advanced ones. The leaf epidermis consists of long cells, short cells and stomatal cells. There are also differences on the anatomical characteristics of leaf epidermises including length and width of long cells, magnitude and distribution of stomatal apparatus, shape of subsidiary cells, abundance and growing form of short cells. According to the characteristics and evolutionary of trends of leaf epidermises of two species, we inferred their evolutionary positions and relationships. There is obvious discontinuity between them. Especially,L.przevalskyiis more advanced thanL.racemosa, so it might derive immediately from the latter. The biosystematic relationships of these two species are corroborated by the evolutionary trend of external morphology.

Littledalearacemosa;Littledaleaprzevalskyi;morphology of leaf epidermis;external morphological characteristics;biosystematic relationship

国家自然科学基金项目(31260052)；青海省自然科学基金项目(2014-ZJ-947Q)；中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室项目(LSE2012-01)；青海省高原作物种质资源创新与利用国家重点实验室培育基地开放课题项目(2013-01)；青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室(2814-Z-Y25)资助

周勇辉(1990—)，男，硕士研究生，主要从事植物分类和分子系统学研究。

* 通信作者：E-mail:xusu8527972@126.com

2015-05-12

Q949.71+4

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.004