凤仙花属棒凤仙亚属(凤仙花科)植物花粉形态的分类学意义

曾　蕾，闫瑞亚，张　梅，许为斌，张林静，于胜祥*

( 1. 山西师范大学 生命科学学院，山西 临汾 041004；2. 中国科学院植物研究所 系统与进化国家重点实验室，北京 100093；3. 广西壮族自治区中国科学院 广西植物研究所，广西 桂林 541006 )



凤仙花属棒凤仙亚属(凤仙花科)植物花粉形态的分类学意义

曾蕾1,2，闫瑞亚2，张梅2，许为斌3，张林静1，于胜祥2*

( 1. 山西师范大学 生命科学学院，山西 临汾 041004；2. 中国科学院植物研究所 系统与进化国家重点实验室，北京 100093；3. 广西壮族自治区中国科学院 广西植物研究所，广西 桂林 541006 )

棒凤仙亚属代表着凤仙花属最先分化出的一支，以多年生草本，多于5朵花的总状花序，侧生萼片4枚，3沟花粉，心皮四室且每室具1枚种子，果实棒锤状，种子椭圆形以及三沟花粉其极面观为三角形而区别于其它种类。该亚属主要分布于中国南部，少数种类辐射分布至华中和中南半岛地区。已有报道证实花粉的形态特征对凤仙花属植物的属下分类具有重要意义，但对棒凤仙亚属的种类少有涉及。为了进一步探讨该亚属花粉的形态特征及其分类学价值，该研究应用扫描电镜技术对国产棒凤仙亚属植物的14种以及凤仙花亚属的窄萼凤仙花的花粉进行了观察。结果表明：棒凤仙亚属的花粉以单粒存在，具3条萌发沟，辐射对称，极面观为三角形或三角状圆形，花粉粒外壁具均匀的网状纹饰，网脊平滑或具波状边缘，网眼中具不同密度的颗粒状突起。棒凤仙亚属的花粉形态与水角属的花粉形态相似，表现出了其原始性；其花粉形态特征与花部形态性状等相关性差，对该亚属的组级分类意义较小，但对于该亚属的种间界定具有重要意义；而其花粉的极面观形状、赤道面观形状以及网状纹饰等变异相对稳定，对于界定该亚属具有重要的分类学价值。

凤仙花科，凤仙花属，棒凤仙亚属，花粉形态，分类学，扫描电镜

凤仙花属(ImpatiensL.) 隶属于凤仙花科，全世界约有1 000种，是被子植物的一个大属，除澳洲之外在世界范围内分布广泛(Grey-Wilson，1980)。该属包括棒凤仙亚属(subg.ClavicarpaS.X. Yu ex S. X. Yu & Wei Wang)和凤仙花亚属(subg.Impatiens)(Yu et al，2016)。棒凤仙亚属是凤仙花属中先分化出的一支(Yu et al，2016)，目前有峨眉凤仙花(I.omeiana)、白花凤仙花(I.wilsonii)等17种，集中分布在中国的华南及西南地区，如广西、云南、贵州、湖北、四川等，少数种类分布于越南、泰国等地。该亚属植物为多年生草本，具多于5朵花的总状花序，侧生萼片4枚，心皮四室且每室具一枚种子，果实棒锤状，种子椭圆形且3沟花粉等鉴别性状。从以前的研究结果来看，本亚属在物种形成过程中存在着明显的快速辐射过程，使得亚属内的系统发育关系一直未得到很好的解决，而且有些种类的种间界限也不清楚(Yu et al，2016)。凤仙花属植物茎通常肉质、多汁，且花被片膜质，标本一旦压干，花的各部分早已粘连在一起，有用的分类学性状难于提取(陈艺林，2001)。更兼该属植物天然种间杂交严重，故该属植物的分类存在着种间界限不清、近缘种之间很难区分的问题(Grey-Wilson，1980)。正如Hooker(1908)所说“采用腊叶标本从事分类学研究的人都知道，对植物分类学者来说，再没有什么困难能超过对凤仙花属植物分析、比较和描述了......”。传统上认为广义形态性状对于凤仙花属植物的鉴定具有重要意义，其中尤以花粉形态和种子微形态最为重要而鲜于报告(于胜祥，2008，2012)。本研究以棒凤仙花亚属为代表，应用花粉证据，以期探讨该亚属的种间界限以及花粉形态的分类学价值。

传统上，凤仙花属植物的花粉形态被认为是属下分类和种间界定的重要依据(鲁迎青，1991；蔡秀珍等，2008；于胜祥，2012)。Bhaskar et al(1973)在研究印度凤仙花花粉时认为其具有一定的地域性，但并没有涉及到该亚属的种类。鲁迎青(1991)认为凤仙花属花粉存在3沟与4沟之分，并认为3沟花粉的种类是一个自然类群，并与同一科较为原始的水角属(Hydrocera)具有比较密切的亲缘关系，但由于3沟花粉仅涉及峨眉凤仙花和白花凤仙花，棒凤仙亚属的花粉形态及演化关系仍不清楚。Perveen et al(2001)虽然开展过巴基斯坦的凤仙花花粉的研究，但仍然没有涉及该亚属的种类。蔡秀珍等(2007a，b，2008)共报道了20种凤仙花属植物的花粉形态，发现花粉的形状、大小、网状纹饰及网眼大小等特征可能具有重要的分类价值，但依然未涉及棒凤仙亚属的种类。于胜祥(2008)首次报道了本亚属的5个种的花粉形态，认为本亚属植物具三沟花粉，且极面观多为三角形，但由于实验材料大多采自于广西，因此缺乏对本亚属研究的取样代表性。Janssens et al(2012)对亚洲产的124个种的花粉形态进行了深入研究，但其中只涉及到了该亚属的一个种。Yu et al(2016)基于形态与分子证据重建了凤仙花属的系统发育关系，其中涉及本亚属11个种的花粉形态，但由于该亚属的系统发育关系不清楚，亚属下的花粉形态的分类学价值很少讨论。综上所述，目前对凤仙花属花粉形态的报道主要集中在4沟型花粉的形态特征，3沟型花粉形态，即本亚属花粉形态的研究相对较少，不足以反映3沟型花粉的形态特征。针对前人在棒凤仙亚属花粉形态研究中存在的问题，本研究利用扫描电子显微镜对棒凤仙亚属14种植物及窄萼凤仙花的花粉进行了扫描观察，并比较、分析了花粉的形状、大小、极轴与赤道轴之比及外壁纹饰等特征，以期探讨棒凤仙亚属花粉形态的分类学价值。

1　材料与方法

1.1 材料

本研究选取15种凤仙花，其中14种属于棒凤仙亚属，研究材料主要采自广西、云南、贵州等地。采集凤仙花标本的同时进行凤仙花花粉的取样工作，通常摘取2～3朵花药成熟的花，并与相应凭证标本编同一采集号，用吸水纸包上放入采集袋中，并用硅胶进行干燥，回到室内后开展花粉的扫描电镜观察。花粉实验的凭证标本信息见表1，且所有凭证标本均存于中国科学院植物研究所标本馆(PE)。

1.2 方法

花粉扫描电镜观察制样时，首先在解剖镜下，用镊子和解剖针将成熟花药挑到擦洗干净的载玻片上，滴上95%的酒精，洗出花粉粒，再用解剖针将花粉粒挑到粘有双面胶的样品台上。在IB-5离子溅射仪中真空喷金镀膜2～3 min。在HITACHI S-570及HITACHI S-4800型扫描电镜(SEM)下观察，记录并拍照。比较各种花粉外部形态的差异。每种花粉测量20 粒，取最小、最大和平均值表示变化幅度。文中术语的描述参考Erdtman，1971；Moore & Webb, 1978；王开发和王宪曾，1983；王伏雄等，1997。

2　结果与分析

棒凤仙亚属的花粉单粒存在，为小到中型的三沟花粉，花粉形态为超三角状扁球体，其极面观为三角形或三角状圆形；赤道面观为椭圆形，表面具网状纹饰，网眼内具有或缺少颗粒状附属物。具体形态特征见表1。

2.1 极面观形状

棒凤仙亚属的花粉极面观可分为两种类型，类型I：三角形，如白花凤仙花(图1：A)、峨眉凤仙花(图1：D)、管茎凤仙花(I.tubulosa，图1：G)、湖北凤仙花(I.pritzelii，图1：J)、翅茎凤仙花(I.pterocaulon，图3：D)等；类型II：三角状圆形，如赤水凤仙花(I.chishuiensis，图1：M)、大叶凤仙花(I.apalophylla，图2：D)、麻栗坡凤仙花(I.malipoensis，图2：M)、香港凤仙花(I.hongkongensis，图3：A)、棒凤仙花(I.claviger，图3：G)。

棒凤仙亚属赤道轴的变异幅度为25.3～40.6 μm。赤水凤仙花(图1：M)的花粉最大，为38～40 μm；白花凤仙花(图1：A)最小，为25～27 μm。花粉沟与极轴平行且位于花粉三个长赤道轴的顶端，明显或不明显。极面观上的网状纹饰是均匀分布的。

2.2 赤道面形状

棒凤仙亚属花粉赤道面的形态为椭圆形，极轴长度一般为11～18 μm，如赤水凤仙花(图1：N)、大叶凤仙花(图2：E)、麻栗坡凤仙花(图2：M)、香港凤仙花(图3：A)、棒凤仙花(I.claviger，图3：G)。另外，管茎凤仙花(图1：H)的极轴最长为30～33 μm、翅茎凤仙花(图3：E)的极轴最小为8～10 μm。极轴与赤道轴之比(极赤比)一般为P/E=0.5，近扁球形；翅茎凤仙花极赤比最小(P/E=0.32)，湖北凤仙花的极赤比最大(P/E=0.91)，三角状圆形。

2.3 表面纹饰

棒凤仙亚属花粉的表面纹饰均为网状纹饰，网眼内具颗粒状突起。种间在网眼大小、网眼内颗粒状突起密度、网脊边缘形状等特征方面差异明显。管茎凤仙花(图1：I)、棒凤仙花(图3：I)、小萼凤仙花(I.parvisepalae，图3：L)的网眼较大，峨眉凤仙花(图1：F)、湖北凤仙花(图1：L)、耳叶棒凤仙花(I.clavigervar.auriculata，图2：C)、香港凤仙花(图3：C)的网眼较小；耳叶棒凤仙花(图2：C)、田林凤仙花(I.tianlinensis，图2：I)的网眼内几乎没有颗粒状突起，匙叶凤仙花(I.spathulata，图2：L)、麻栗坡凤仙花(图2：O)的网面内密布颗粒状突起，峨眉凤仙花(图1：F)、大叶凤仙花(图2：F)、棒凤仙花(图3：I)等大部分棒凤仙亚属花粉网眼内颗粒状突起稀疏分布；棒凤仙亚属各种花粉的网脊明显，网脊边缘光滑或波状，尤其是白花凤仙花(图1：C)的网脊较高，网脊边缘为波状，管茎凤仙花(图1：I)、赤水凤仙花(图1：O)、匙叶凤仙花(图2：L)、麻栗坡凤仙花(图2：O)和翅茎凤仙花(图3：F)的网脊边缘光滑。

2.4 窄萼凤仙花的花粉形态

该种的花粉为3沟花粉，形态为椭圆体，极面观为长椭圆形(图3：M)，赤道面观为椭圆形(图3：N)，网眼均匀(图3：O)，网眼内颗粒较少，网脊边缘波状。

3　讨论与结论

本研究发现棒凤仙亚属花粉的极面观为三角形与三角状圆形两种类型，明显区别于之前报道的4沟型花粉 (鲁迎青，1991; Janssens et al，2012; Yu et al，2016)，而与凤仙花科的较原始的水角属的花粉形状相一致。这与鲁迎青(1991)认为的3沟花粉类群为一自然类群且与水角属具有密切亲缘关系的观点相一致。同时也进一步印证了Yu et al(2016)提出的棒凤仙亚属为一单系类群，且在系统发育树上属于凤仙花属的基部类群的观点。虽然Yu et al (2016)提及印度部分种类也具有3沟花的形态，但其极面观为圆形。同样，本研究所观察到的窄萼凤仙花(I.stenosepala，图3：M，O)虽也为3沟花粉，但其极面观为椭圆形，与棒凤仙亚属区别明显。因此，花粉具3个萌发沟且极面观为三角形或三角状圆形这一特性能够较好的界定棒凤仙亚属，被认为是该亚属的共衍征。

图 1　扫描电镜下的花粉形态　A-C. 白花凤仙花；D-F. 峨眉凤仙花；G-I. 管茎凤仙花；J-L. 湖北凤仙花；M-O. 赤水凤仙花；A，D，G，J，M. 花粉极面观，标尺=5 μm；B，E，H，K，N. 花粉赤道面观，标尺=5 μm；C，F，I，L，O. 花粉外壁纹饰，标尺=1 μm。Fig. 1　SEM micrographs of pollen grains　A-C. I. wilsonii; D-F. I. omeiana; G-I. I. tubulosa; J-L. I. pritzelii; M-O. I. chishuiensis; A, D, G, J, M. Pollen polar view, bar=5 μm; B, E, H, K, N. Pollen equatorial view, bar=5 μm; C, F, I, L, O. Partial view, bar=1 μm.

图 2　扫描电镜下的花粉形态　A-C. 耳叶棒凤仙花；D-F. 大叶凤仙花；G-I. 田林凤仙花；J-L. 匙叶凤仙花；M-O. 麻栗坡凤仙花；A，D，G，J，M. 花粉极面观，标尺=5 μm；B，E，H，K，N. 花粉赤道面观，标尺=5 μm；C，F，I，L，O. 花粉外壁纹饰，标尺=1 μm。Fig. 2　SEM micrographs of pollen grains　A-C. I. claviger var. auriculata; D-F. I. apalophylla; G-I. I. tianlinensis; J-L. I. spathulata; M-O. I. malipoensis; A, D, G, J, M. Pollen polar view, bar=5 μm; B, E, H, K, N. Pollen equatorial view, bar=5 μm; C, F, I, L, O. Partial view, bar=1 μm.

图 3　扫描电镜下的花粉形态　A-C. 香港凤仙花；D-F. 翅茎凤仙花；G-I. 棒凤仙花；J-L. 小萼凤仙花；M-O. 窄萼凤仙花；A，D，G，J，M. 花粉极面观，标尺=5 μm；B，E，H，K，N. 花粉赤道面观，标尺=5 μm；C，F，I，L，O. 花粉外壁纹饰，标尺=1 μm。Fig. 3　SEM micrographs of pollen grains　A-C. I. hongkongensis; D-F. I. pterocaulon; G-I. I. claviger; J-L. I. parvisepalae; M-O. I. stenosepala; A, D, G, J, M. Pollen polar view, bar=5 μm; B, E, H, K, N. Pollen equatorial view, bar=5 μm; C, F, I, L, O. Partial view, bar=1 μm.

表 1　研究材料与花粉形态特征

注：“+”的数量表示网眼内附属物数量。

Note: “+” represents granule density in the lumina.

3.1 花粉的极面观和赤道轴的分类学意义

棒凤仙亚属内，花粉极面观这一性状与花部形态性状并无很好的相关性，如棒凤仙花和麻栗坡凤仙花的花粉极面观均为三角状圆形，但前者的花淡黄色，唇瓣深囊状，而后者的花白色，唇瓣漏斗状；再者田林凤仙花和大叶凤仙花叶和花部形态相似，但大叶凤仙花花粉极面观为三角状圆形而田林凤仙花花粉极面观为三角形。此外，该亚属花粉赤道轴的长度大多在32 μm左右，只有赤水凤仙花的赤道轴长度范围为38～41 μm，故花粉赤道轴的长度对该亚属的种间分类意义有限。因此，花粉的极面观特征对本亚属的亚属下分类意义不大。

3.2 花粉赤道面和极轴长度的分类学意义

棒凤仙亚属花粉赤道面形状均为椭圆形，种间差异较小，其分类学价值不显著。另外，该亚属花粉极轴长度多数为11～18 μm，湖北凤仙花和管茎凤仙花为29～32 μm，而翅茎凤仙花的极轴为8～10 μm。因此极轴的长度对种间界定有一定的意义。

3.3 花粉表面纹饰的分类学意义

棒凤仙亚属花粉外壁的表面雕纹均为网状纹饰，网眼在花粉粒表面上均匀分布。种内的网状纹饰，在网眼大小、网眼内颗粒物密度及网脊边缘形态等方面较为一致，但种间差异明显，可作为种间分类的依据。比如管茎凤仙和湖北凤仙花，前者网眼较大，在单位面积内有7个网眼(图1：I)，而后者网眼较小，在同样的单位面积内有17个网眼(图1：L)。再如管茎凤仙花网眼内几乎全部被颗粒状附属物覆盖、网脊边缘光滑(图1：I)，而湖北凤仙花网眼中央未被颗粒状突起覆盖，网脊边缘波状(图1：L)。同样的情况还有白花凤仙花和峨眉凤仙花(图1：C，F) 以及翅茎凤仙花和棒凤仙花(图3：F，I)。

综上所述，棒凤仙亚属植物为3沟花粉，其极面观为三角形或三角状圆形，明显不同于凤仙花亚属的花粉，为该亚属重要的鉴别性状。在亚属内，花粉性状与宏观形态性状相关性差，对亚属下分类意义不大。但花粉的表面网状纹饰、网眼中的颗粒物密度以及极面观形状等性状具有种内的特异性，可作为棒凤仙亚属种间界定的依据。

致谢感谢山东师范大学的孙景田、中国科学院植物研究所的肖荫厚两位老师在扫描电镜观察给予的帮助。感谢审稿人提出的宝贵意见，使本文的质量有了明显提高。

BHASKAR V, RAZI BA,1973. A new kind of exine sculpturing inImpatiensL. (Balsaminaceae) from south India [J]. Curr Sci, 42: 510-512.

CAI XZ, LIU KM, LIU JH, et al, 2007a. SEM specimen preparation techniques of two species’ pollen inImpatiensL. [J]. Acta Las Biol Sin, 16(1): 109-111. [蔡秀珍，刘克明，刘锦辉，等，2007a. 凤仙花属两种植物花粉的扫描电镜制样研究 [J]. 激光生物学报，16(1): 109-111. ]

CAI XZ, LIU KM, CONG YY,et al, 2007b. SEM observation on the pollen grains of ten species inImpatiensL. (Balsaminaceae) [J]. Bull Bot Res, 27 (3): 279-283. [蔡秀珍，刘克明，丛义艳，等，2007b. 凤仙花属10种植物花粉形态的扫描电镜观察 [J]. 植物研究，27(3): 279-283.]CAI XZ, LIU KM, ZHU XW, et al, 2008. Pollen morphology of some species ofImpatiensL.(Balsaminaceae) [J]. Acta Hortic Sin, 35(3): 389-394. [蔡秀珍，刘克明，朱晓文，等，2008. 凤仙花属部分植物的花粉形态 [J]. 园艺学报，35(3): 389-394.]

CHEN YL, 2001. Flora Reipublicae Popularis Sinica (Vol. 47) [M]. Beijing: Science Press: 1-243. [陈艺林，2001. 中国植物志(第47卷) [M]. 北京：科学出版社: 1-243.]

ERDTMAN G,1971. Pollen morphology and plant taxonomy. Angiosperms [M]. Corrected reprint of 1952 edition. New York：Hafner Publishing Company: 1-50.

GREY-WILSON C,1980.Impatiensof Africa [M]. Rotterdam: A. A. Balkema: 1-235.

HOOKER JD,1908. Les especes du genre ‘Imaptiens’ dans I’herbier du Museum de Paris [J]. Nov Arch Mus Nat Hist Paris, 4(10): 233-272.

JANSSENS S, WILSON YS, YUAN YM, et al, 2012. A total evidence approach using palynological characters to infer the complex evolutionary history of the AsianImpatiens(Balsaminaceae) [J]. Taxon，61(2): 355-367.

LU YQ,1991. Pollen morphology ofImpatiensL. (Balsaminaceae) and its taxonomic implications [J]. Act Phytotax Sin，29(4): 352-357. [鲁迎青，1991. 凤仙花属花粉形态及其分类学意义 [J]. 植物分类学报，29(4): 352-357.]

MOORE PD, WEBB JA, 1978. An illustrated guide to pollen analysis [M]. London: Hodder and Stoughton: 1-133.

PERVEEN A, QAISER M, 2001. Pollen flora of Pakistan - XXVI. Balsaminaceae [J]. Turk J Bot, 25: 35-38.

WANG FX,QIAN NF, ZHANG YL, et al, 1997. Pollen flora of China [M]. 2nd ed. Beijing: Science Press: 1-461. [王伏雄，钱南芬，张玉龙，等，1997. 中国植物花粉形态 [M]. 第2版. 北京：科学出版社：1-461.]WANG KF, WANG XZ, 1983. Introduction to spore-pollen study [M]. Beijing: Peking University Press: 1-205. [王开发，王宪曾，1983. 孢粉学概论 [M]. 北京：北京大学出版社：1-205.]

YU SX,2008. Revision ofImpatiensL. (Balsaminaceae) in Guangxi, with a study on the phylogeny of the genus in China [D]. Beijing: Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences: 64-75. [于胜祥，2008. 广西凤仙花属植物分类学修订——国兼论产凤仙花属的系统发育 [D]. 北京：中国科学院植物研究所：64-75.]

YU SX,2012. Balsaminaceae of China [M]. Beijing: Peking University Press: 1-215. [于胜祥，2012. 中国凤仙花 [M]. 北京：北京大学出版社：1-215.]

YU SX, JANSSENS SB, ZHU XY,et al, 2016. Phylogeny ofImpatiens(Balsaminaceae)：integrating molecular and morphological evidence into a new classification [J]. Cladistics, 32：179-197.

Taxonomic significance of the pollen morphology of subg.Clavicarpa(Impatiens, Balsaminaceae)

ZENG Lei1，2，YAN Rui-Ya2，ZHANG Mei2，XU Wei-Bin3，ZHANG Lin-Jing1，YU Sheng-Xiang2*

( 1. College of Life Sciences, Shanxi Normal University，Linfen 041004，Shanxi,China；2. State Key Laboratory of Systematic andEvolutionaryBotany，InstituteofBotany，ChineseAcademyofSciences，Beijing 100093，China；3.GuangxiInstituteofBotany,GuangxiZhuangAutonomousRegionandChineseAcademyofSciences，Guilin 541006，Guangxi，China )

Subg.Clavicarpa, the earliest basal taxa ofImpatiens, are characterized by perennial herb, more than 5-flowered racemose inflorescence, 4 lateral sepals, hammer-shaped capsule, 4-carpellated ovary with one seed per loculus and 3-colpated pollen grain with trianger polar view. The majority of the subgenus occurred in South China with a few outliers radiated to central China and Indo-China Peninsula. Previous studies indicated that the morphological characters of pollen were valuable in the subdivision ofImpatiensbut few species involved in subg.Clavicarpa. In this study，pollen grains of 14 species from subg.Clavicarpawere employed and investigated under scanning electron microscope aimed at elucidating their taxomonic value. The results showed that pollen grains of subg.Clavicarpapresented as 3-colpate single grain and triangular or triangular-subcircular in polar view. The exine of pollen was reticulate ornamentation and muri of reticulate ornamentation were smooth or sinuolate towards margin. There were granules in the lumina with different densities. The pollen characters of subg.Clavicarpawere similar to that ofHydrocera. Moreover, morphological traits of pollen were poor in variation pattern and also lack of correlation with gross morphological characters. Therefore, the pollen grain traits could provide limited value in the further division of subg.Clavicarpabut with valuable evidences in circumscription of species. While some characters of pollen grains, eg. triangle in polar view and three germinal apertures are diagnostic characters to circumscribe subg.Clavicarpa.

Balsaminaceae，Impatiens，subg.Clavicarpa，pollen morphology，systematics，SEM

10.11931/guihaia.gxzw201507037

2015-10-29

2015-12-26

国家自然科学基金(31170177) [Supported by the National Natural Science Foundation of China(31170177)]。

曾蕾(1989-)，女，山西临汾人，硕士研究生，从事植物分类学研究，(E-mail) zenglei189@126.com。

于胜祥，博士，主要从事植物分类、区系地理及外来入侵种等研究，(E-mail) yushengxiang@ibcas.ac.cn。

Q949.4

A

1000-3142(2016)10-1245-08

曾蕾，闫瑞亚，张梅，等. 凤仙花属棒凤仙亚属(凤仙花科)植物花粉形态的分类学意义 [J]. 广西植物，2016，36(10):1245-1252

ZENG L，YAN RY，ZHANG M，et al. Taxonomic significance of the pollen morphology of subg.Clavicarpa(Impatiens, Balsaminaceae) [J]. Guihaia，2016，36(10):1245-1252