梯牧草属(Phleum)叶表皮微形态特征研究

王燕红 张学杰 樊守金

(山东师范大学生命科学学院逆境植物重点实验室，济南 250014)

梯牧草属(Phleum)叶表皮微形态特征研究

王燕红 张学杰 樊守金*

(山东师范大学生命科学学院逆境植物重点实验室，济南 250014)

利用扫描电子显微镜对禾本科梯牧草属及其近缘属共17属35种2变种植物的叶片上下表皮微形态特征进行了研究。结果显示，梯牧草属植物叶片上下表皮脉间长细胞都为长筒形或长菱形，细胞壁平直或弯曲，脉上硅细胞结节形，气孔副卫细胞平行形，脉上刺细胞常见，脉间偶见或缺失，无乳突，无微毛；同时，根据叶表皮微形态性状构建了系统发育树，结果表明梯牧草属与早熟禾族聚为一支，显示其亲缘关系较近，而与燕麦族、剪股颖族和虉草族的亲缘关系则相对较远，因此叶表皮微形态证据支持将梯牧草属置于早熟禾族中。

梯牧草属；叶表皮；微形态；扫描电镜

梯牧草属(Phleum)隶属于禾本科(Poaceae)早熟禾亚科(Pooideae)，全世界约有16种，主要分布于北半球温寒带地区，并延伸至南美洲，我国有4种，其中鬼蜡烛(Phleumpaniculatum)、高山梯牧草(P.alpinum)、假梯牧草(P.phleoides)为中国野生种，主要分布于长江流域及陕西、新疆、东北诸省区。梯牧草(P.pratense)为引种栽培种，在中国东北、华北、西北均有种植[1]。梯牧草属中绝大多数物种为优良牧草，尤其是梯牧草是世界上分布最广且珍贵的牧草，品质优良，具有较高的推广和应用价值。

自林奈在《植物种志》中建立梯牧草属以来，其系统位置一直存在诸多争议，不同学者将其置于不同的族中。譬如，《中国主要植物图说—禾本科》[2]及《中国植物志》[3]中因其小穗只含有1小花，外稃质薄，常为膜质等特征而将梯牧草属置于剪股颖族(Agrostideae)中；《中国被子植物科属综论》[4]及《Flora of China》[1]中则将其置于燕麦族(Aveneae)中，而Tzvelev[5]则认为应成立梯牧草族(Phleeae)，将梯牧草属置于梯牧草族中；张宏达等[6]认为应将其置于虉草族(Phalarideae)中，Gillespie et al.[7]和Soreng et al.[8]依据分子生物学证据则将梯牧草属置于早熟禾族(Poeae)中。由此可见，梯牧草属在分类处理上存在较大分歧，其系统位置有待进一步研究。值得一提的是，禾本科植物的营养叶在植物类群划分上具有重要价值[9～12]。随着科学技术的发展，扫描电子显微镜已被广泛用于禾本科植物叶表皮微形态特征的研究中。然而，迄今为止国内外尚未见关于对梯牧草属叶表皮微形态的研究报道。据此，本文利用扫描电子显微镜对中国梯牧草属及其近缘属共17属35种2变种进行了叶表皮微形态特征的探讨，以期为梯牧草属系统位置的确定提供更多理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验材料均取自馆藏副份腊叶标本，选用中国4种梯牧草属植物及其近缘的燕麦族、剪股颖族、虉草族、早熟禾族植物共17属35种2变种进行研究。凭证标本存放于山东师范大学植物标本室(SDNU)(表1)。

表1 实验材料

1.2 实验方法

1.2.1 扫描电镜观察

每个样品的成熟叶片事先用三氯甲烷处理24 h以除去叶片表面蜡质[13]，然后用导电胶将每个叶片的上下表面粘于样品台上，将其置于SC7620型离子溅射仪中进行导电处理，最后置于SUPRATM55型扫描电子显微镜下(加速电压15 kV)观察和拍照。

1.2.2 微形态性状聚类分析

参照Ellis[14]和陈守良[15]等的性状分类术语，基于性状相对稳定和数量性状具有明显间断性变异两个原则，选取叶片上下表皮共26个性状进行聚类分析(表2)。所有性状均做无序处理。编码数据矩阵如表3所示，不详或未知性状以“?”表示。选取淡竹(Phyllostachysglauca)作为外类群，运用PAUP* version 4.0b10[16]对编码数据矩阵进行邻接法分析。

表2 用于聚类分析的叶表皮微形态性状

表3 叶表皮微形态性状数据矩阵

2 实验结果

2.1 叶表皮微形态观察结果

扫描电子显微镜下梯牧草属叶下表皮脉间长细胞为长筒形或长菱形，细胞壁平直或弯曲，不增厚或稍微增厚，脉间短细胞缺失或单生，脉上硅细胞结节形，气孔副卫细胞平行形，脉上刺细胞常见，脉间偶见或缺失。叶上表皮脉间长细胞长筒形或长菱形，细胞壁平直或弯曲，不增厚，脉间短细胞缺失，脉上硅细胞结节形，气孔副卫细胞平行形，脉上刺细胞常见，脉间缺失(图版Ⅰ:1～4，图版Ⅲ:1～4，表3)。所研究植物的叶片上下表皮都由长细胞、短细胞、气孔器细胞、刺毛、大毛、微毛、乳突等结构组成，但各类细胞在叶表面的出现与分布情形是不一致的(图版Ⅰ～Ⅳ，表3)。脉间长细胞一般为长筒形，但在个别类群中，细胞呈现六角形或菱形，如高羊茅(Festucaelata)上表皮等；脉间短细胞有多种形状，一般单生、对生或混合排列，但在一些类群中未发现脉间短细胞，如梯牧草属、燕麦属(Avena)植物等。所研究的植物中都发现了气孔，一般来说，上表皮气孔较下表皮多。刺毛的有无及分布密度不同，脉上刺毛较脉间分布多。在所研究的内类群植物中未发现微毛的存在，在外类群淡竹植物中发现了微毛，在内类群植物中，乳突多为单域乳突，大毛仅在个别类群中出现。

2.2 聚类分析结果

基于叶片上下表皮26个性状构建的系统发育树如图1所示，所有内类群植物形成两大分支A和B。分支A的类群叶表皮大多具有以下特征：下表皮脉上硅细胞形状为结节形或近圆形，气孔副卫细胞为平行形，脉间刺毛多缺失或偶见。上表皮脉间长细胞细胞壁不增厚，气孔副卫细胞为平行形，钩毛存在或缺失。由梯牧草属、早熟禾属(Poa)、黑麦草属(Lolium)、看麦娘属(Alopecurus)、鸭茅属(Dactylis)、羊茅属(Festuca)、鼠茅属(Vulpia)所构成，并且得到较高的自展支持率，为70%，这个分支主要对应于早熟禾族植物。分支B的类群叶表皮的微形态特征为：下表皮脉上硅细胞形状为结节形，气孔副卫细胞为低圆屋顶形或平行形至低圆屋顶形，脉间刺毛常见或缺失。上表皮脉间长细胞细胞壁稍微增厚，气孔副卫细胞为平行形至低圆屋顶形，钩毛存在；其主要由野青茅属(Deyeuxia)、拂子茅属(Calamagrostis)、剪股颖属(Agrostis)、虉草属(Phalaris)、菭草属(Koeleria)、棒头草属(Polypogon)、黄花茅属(Anthoxanthum)、三毛草属(Trisetum)、燕麦属所组成，自展支持率比分支A稍低，为60%，主要对应于剪股颖族、虉草族和燕麦族植物。

图1 基于叶表皮微形态特征构建的系统树 分支上的数字代表支持率≥50%Fig.1 Phylogenetic tree based on leaf epidermis micromorphological characteristics Numbers above branches indicate bootstrap values≥50%.

3 讨论

Prat[17～18]、Metcalfe[19]、Clifford and Watson[20]、蔡联炳和郭延平[9～10]等对禾本科主要植物叶片下表皮进行了光学显微镜观察，认为叶片下表皮微形态特征可以作为亚科、族、属的分类依据，并将禾本科划分成早熟禾亚科、竹亚科(Bambusoideae)、稻亚科(Oryzoideae)、虎尾草亚科(Chloridoideae)、黍亚科(Panicoideae)等几个亚科。我们在电镜下观察到梯牧草属叶下表皮脉间长细胞细胞壁平直或弯曲，短细胞可生于脉上及脉间，气孔器多分布于脉间两侧及脉间中部，刺毛可生于脉上脉间，大毛通常不着生，无微毛，通常无乳突。这种结构形式与Prat[17～18]等人所描述的早熟禾亚科的类型相符，同时，脉间长细胞伸长不显著，脉上短细胞数量多，硅细胞结节形等亦与蔡联炳和郭延平[9～10]对禾本科叶片下表皮早熟禾超族Poanae的描述相对应，因而梯牧草属叶下表皮属于早熟禾亚科下的早熟禾超族型。然而，正如观察结果所述，在各类群植物中，长细胞、短细胞、气孔器细胞、刺毛、大毛、微毛、乳突等的形状、数量和在叶面的组合式样不尽相同，这些差异成为本文分析梯牧草属系统位置的重要依据。

Hackel[21]，Hitchcock[22]，Watson and Dallwitz[23]，耿以礼[2]，Wu et al.[1]，张宏达[6]等学者将梯牧草属置于剪股颖族、燕麦族或虉草族；Tzvelev[5]将其置于梯牧草族，认为梯牧草属与虉草属等植物亲缘关系较近；Gillespie et al.[7]、Soreng et al.[8]等依据分子证据将梯牧草属置于早熟禾族中。基于叶表皮微形态特征构建的系统发育树上，梯牧草属植物位于分支A中，分支A主要对应于早熟禾族植物，而剪股颖族、燕麦族和虉草族植物位于分支B中。观察它们的叶表皮微形态特征，梯牧草属上下表皮气孔副卫细胞都为平行形，上表皮脉间长细胞细胞壁不增厚，而剪股颖族、燕麦族和虉草族植物上下表皮气孔副卫细胞为低圆屋顶形或平行形至低圆屋顶形，上表皮脉间长细胞细胞壁稍微增厚。同时，梯牧草属上下表皮脉上刺细胞常见，脉间偶见或缺失，而与虉草属上下表皮脉上、脉间刺细胞均常见等特征不符。因此，叶表皮微形态证据不支持将梯牧草属置于剪股颖族、燕麦族和虉草族，同时，Tzvelev[5]的梯牧草族也是没必要成立的。叶表皮微形态研究结果显示，梯牧草属与早熟禾植物亲缘关系较近，梯牧草属应置于早熟禾族中。叶表皮微形态研究结果与Gillespie et al.[7]、Soreng et al.[8]等的分子研究结果基本一致。

在系统发育树上，看麦娘属也位于分支A中，与早熟禾族植物聚为一支。看麦娘属在《Flora of China》[1]中被置于燕麦族，但Soreng et al.[8]基于分子证据认为其应该置于早熟禾族，我们的叶表皮微形态研究与Soreng et al.[8]分子研究结果一致，看麦娘属应置于早熟禾族。异颖草属(Anisachne)是耿以礼先生[24]建立的单种属，只有异颖草一种，成立之初命名为AnisachnegracilisKeng，后被陈文俐[25]置于野青茅属中，作为D.petelotii(Hitchcock) S M Phillips & W L Chen。叶表皮构建的系统发育树上可以看到，异颖草与疏穗野青茅(Deyeuxiaeffusiflora)、野青茅(Deyeuxiapyramidalis)聚为一支，它们下表皮脉间长细胞细胞壁弯曲，增厚，气孔副卫细胞低圆屋顶形，上表皮气孔副卫细胞平行形至低圆屋顶形，脉上刺细胞常见等特征相似。叶表皮研究结果与陈文俐[25]的研究结果一致，异颖草应置于野青茅属。

总之，本文首次利用扫描电镜对梯牧草属及其近缘属植物的叶片上下表皮微形态特征进行研究，发现该属植物叶片上下表皮的微形态特征在属间存在明显差异，从而这为梯牧草属系统位置的确定提供了有力依据，同时其也对看麦娘属和异颖草属系统位置的研究提供了佐证。

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图版Ⅰ 扫描电镜下梯牧草属及其近缘属叶片下表皮微形态 1.高山梯牧草；2.鬼蜡烛；3.梯牧草；4.假梯牧草；5.看麦娘；6.短穗看麦娘；7.日本看麦娘；8.大看麦娘；9.早熟禾；10.久内早熟禾；11.白顶早熟禾；12.法氏早熟禾；13.硬质早熟禾；14.羊茅；15.高羊茅；16.多花黑麦草；17.鼠茅；18.鸭茅；19.异颖草；20.疏穗野青茅PlateⅠ SEM micrographs on leaf abaxial epidermises of Phleum and related genera 1.Phleum alpinum；2.Phleum paniculatum；3.Phleum pratense；4.Phleum phleoides；5.Alopecurus aequalis；6.Alopecurus brachystachyus；7.Alopecurus japonicus；8.Alopecurus pratensis；9.Poa annua；10.Poa hisauchii；11.Poa acroleuca；12.Poa faberi；13.Poa sphondylodes；14.Festuca ovina；15.Festuca elata；16.Lolium multiflorum；17.Vulpia myuros；18.Dactylis glomerata；19.Deyeuxia petelotii；20.Deyeuxia effusiflora

图版Ⅱ 扫描电镜下梯牧草属及其近缘属叶片下表皮微形态 1.野青茅；2.拂子茅；3.假苇拂子茅；4.拂子茅(原变种)；5.多花剪股颖；6.泸水剪股颖；7.西伯利亚剪股颖；8.燕麦；9.野燕麦；10.光稃野燕麦；11.虉草；12.藏黄花茅；13.光稃香草；14.三毛草；15.棒头草；16.菭草；17.淡竹PlateⅡ SEM micrographs on leaf abaxial epidermises of Phleum and related genera 1.Deyeuxia pyramidalis；2.Calamagrostis epigeios；3.Calamagrostis pseudophragmites；4.Calamagrostis epigeios var.epigeios；5.Agrostis micrantha；6.Agrostis nervosa；7.Agrostis stolonifera；8.Avena sativa；9.Avena fatua；10.Avena fatua var.glabrata；11.Phalaris arundinacea；12.Anthoxanthum hookeri；13.Anthoxanthum glabrum；14.Trisetum bifidum；15.Polypogon fugax；16.Koeleria macrantha；17.Phyllostachys glauca

图版Ⅲ 扫描电镜下梯牧草属及其近缘属叶片上表皮微形态 1.高山梯牧草；2.鬼蜡烛；3.梯牧草；4.假梯牧草；5.看麦娘；6.短穗看麦娘；7.日本看麦娘；8.大看麦娘；9.早熟禾；10.久内早熟禾；11.白顶早熟禾；12.法氏早熟禾；13.硬质早熟禾；14.羊茅；15.高羊茅；16.多花黑麦草；17.鼠茅；18.鸭茅；19.异颖草；20.疏穗野青茅PlateⅢ SEM micrographs on leaf adaxial epidermises of Phleum and related genera 1.Phleum alpinum；2.Phleum paniculatum；3.Phleum pratense；4.Phleum phleoides；5.Alopecurus aequalis；6.Alopecurus brachystachyus；7.Alopecurus japonicus；8.Alopecurus pratensis；9.Poa annua；10.Poa hisauchii；11.Poa acroleuca；12.Poa faberi；13.Poa sphondylodes；14.Festuca ovina；15.Festuca elata；16.Lolium multiflorum；17.Vulpia myuros；18.Dactylis glomerata；19.Deyeuxia petelotii；20.Deyeuxia effusiflora

图版Ⅳ 扫描电镜下梯牧草属及其近缘属叶片上表皮微形态 1.野青茅；2.拂子茅；3.假苇拂子茅；4.拂子茅(原变种)；5.多花剪股颖；6.泸水剪股颖；7.西伯利亚剪股颖；8.燕麦；9.野燕麦；10.光稃野燕麦；11.虉草；12.藏黄花茅；13.光稃香草；14.三毛草；15.棒头草；16.菭草；17.淡竹Plate Ⅳ SEM micrographs on leaf adaxial epidermises of Phleum and related genera 1.Deyeuxia pyramidalis；2.Calamagrostis epigeios；3.Calamagrostis pseudophragmites；4.Calamagrostis epigeios var.epigeios；5.Agrostis micrantha；6.Agrostis nervosa；7.Agrostis stolonifera；8.Avena sativa；9.Avena fatua；10.Avena fatua var.glabrata；11.Phalaris arundinacea；12.Anthoxanthum hookeri；13.Anthoxanthum glabrum；14.Trisetum bifidum；15.Polypogon fugax；16.Koeleria macrantha；17.Phyllostachys glauca

Nature Science Foundation of China(31170173,31470298)；Nature Science Foundation of Shandong Province(ZR2012CM012)；The project of Sci-tech Development Programme of Shandong Province(2010GSF10205)

introduction：WANG Yan-Hong(1987—),female,PhD student,mainly engaged in the study of plant resources classification.

date:2016-05-18

MicromorphologyofLeafEpidermisofPhleum

WANG Yan-Hong ZHANG Xue-Jie FAN Shou-Jin*

(Key Laboratory of Plant Stress Research,College of Life Science,Shandong Normal University,Jinan 250014)

The micromorphology of the leaf epidermis for 35 species and 2 varieties belonging toPhleumand its related genera of Poaceae were examined by scanning electron microscope. The intercostal long cells on both abaxial and adaxial epidermis ofPhleumwere long tubular or rhomboid, and the outlines of long cells were straight or curved. The shapes of silica cells in costal zones were nodular. Parallel-sided subsidiary cells were found. Prickles were frequently occurred in costal zones and absent or rarely seen in intercostal zones. No papillaes and micro-hairs were found. Meanwhile, a phylogenetic tree was constructed according to the characters of leaf epidermal micromorphology.Phleumand Poeae clustered together, which indicated that they had the closer relationship and distantly related to Aveneae, Agrostideae and Phalarideae. According to the micromorphology of leaf epidermises.Phleumshould place into Poeae.

Phleum;leaf epidermis;micromorphology;SEM

国家自然科学基金项目(31170173,31470298)；山东省自然科学基金项目(ZR2012CM012)；山东省科技攻关项目(2010GSF10205)资助

王燕红(1987—)，女，博士研究生，主要从事植物资源分类研究。

* 通信作者：E-mail:fanshoujin007@163.com

2016-05-18

* Corresponding author：E-mail:fanshoujin007@163.com

Q949.71+4.2；Q336

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.06.005