部分花楸属植物的花粉形态特征及聚类分析

杨利欢， 吴雨涵， 裴 鑫， 关雪莲， 郑 健

(北京农学院园林学院 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心， 北京 102206)

花楸属(SorbusLinn.)具有高度变异性，占据苹果亚科(Maloideae)较原始的中心地位[1]。花楸属许多种类具有花繁、色美、枝秀、叶茂和芳香等特点，被广泛用于园林建设。中国是花楸属植物的分化和分布中心[2]，该属植物因经济、环保且具有园林观赏价值而受到广大学者的广泛关注。目前，关于花楸属植物的研究主要包括繁育技术[3]、药用价值[4]和引种驯化[5]等方面，然而该属的分类地位尚未清楚，有学者认为全世界花楸属植物约有80种，主要分布在北半球的亚洲、欧洲和北美洲，中国花楸属植物有50余种[6]283-343，还有学者认为全世界花楸属植物超过100种，遍布亚洲、欧洲和北美洲，中国花楸属植物有67种(含43个特有种)[7]。明确花楸属植物分类能够为该属植物的演化趋势及亲缘关系研究提供参考依据，并为该属植物的深入研究奠定基础。

花粉是一种高度简化的雄配子体，其体积较小但遗传信息丰富；并且，花粉是植物个体发育的产物，属于生殖器官的一部分，具有很高的遗传保守性，不易受环境因子的影响[8]1-2，因此，利用花粉探讨植物的系统演化问题具有重要的学术价值。研究花楸属植物的花粉形态可为该属植物分类提供参考依据，并为明确该属植物的分类地位提供基础数据，然而，目前关于花楸属植物花粉形态的研究尚属空白。

鉴于此，作者利用扫描电子显微镜(SEM)对13种花楸属植物的花粉形态特征(包括形状、大小、萌发孔沟和外壁纹饰)进行了观察和统计分析，在此基础上对供试13种花楸属植物进行了聚类分析，以期深入了解花楸属不同种类的花粉形态特征差异，为花楸属植物种间分类研究提供基础数据，并为花楸属植物的种间亲缘关系研究提供可靠依据，同时为该属植物的深入研究和全面开发利用奠定研究基础。

1 材料和方法

1.1 材料

供试13种花楸属植物包括落萼组(Sect.Micromeles)种类秦岭花楸(S.tsinlingensisC. L. Tang)、石灰花楸〔S.folgneri(C. K. Schneid.) Rehd.〕和水榆花楸〔S.alnifolia(Sieb. et Zucc.) K. Koch〕，冠萼组(Sect.Aria)种类大果花楸(S.megalocarpaRehd.)以及复叶组(Sect.Sorbus)种类陕甘花楸(S.koehneanaSchneid.)、北京花楸〔S.discolor(Maxim.) Maxim.〕、太白花楸(S.tapashanaSchneid.)、西伯利亚花楸(S.sibiricaHedl.)、欧洲花楸(S.aucupariaLinn.)、朝鲜花楸(S.commixtaHedl.)、花楸树〔S.pohuashanensis(Hance) Hedl.〕、湖北花楸(S.hupehensisSchneid.)和华西花楸(S.wilsonianaSchneid.)。上述13种花楸属植物花粉的采集信息见表1。

表1 供试13种花楸属植物花粉的采集信息

Table 1 Collection information of 13 species inSorbusLinn. tested

种类Species采集地Collection site采集人Collector采集日期Collection date(CCYY-MM-DD)秦岭花楸 S. tsinlingensis太白山 Taibai Mountain杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-05-07石灰花楸 S. folgneri太白山 Taibai Mountain杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-05-07水榆花楸 S. alnifolia太白山 Taibai Mountain杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-05-07大果花楸 S. megalocarpa梵净山 Fanjing Mountain杨利欢,裴鑫 YANG Lihuan, PEI Xin2018-04-26陕甘花楸 S. koehneana太白山 Taibai Mountain杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-06-12北京花楸 S. discolor太白山 Taibai Mountain杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-06-12太白花楸 S. tapashana太白山 Taibai Mountain杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2017-06-18西伯利亚花楸 S. sibirica中俄合作园区 China-Russia Coperation Park杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-23欧洲花楸 S. aucuparia黑龙江植物园 Heilongjiang Botanical Garden杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-22朝鲜花楸 S. commixta黑龙江植物园 Heilongjiang Botanical Garden杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-22花楸树 S. pohuashanensis黑龙江植物园 Heilongjiang Botanical Garden杨利欢,吴雨涵 YANG Lihuan, WU Yuhan2018-05-22湖北花楸 S. hupehensis梵净山 Fanjing Mountain杨利欢,裴鑫 YANG Lihuan, PEI Xin2018-04-26华西花楸 S. wilsoniana梵净山 Fanjing Mountain杨利欢,裴鑫 YANG Lihuan, PEI Xin2018-04-26

1.2 方法

1.2.1 花粉采集 参照彭向永等[9]的方法，在采集当日9：00至12：00选取自然开放且开放程度基本一致的花序，放入塑封袋中带回；除去花瓣，将花粉装入硫酸纸袋中，置于玻璃干燥器中自然干燥。每个种类随机选取3株植株，每株采集5～6个花序。

1.2.2 花粉形态观察 使用导电胶带将干燥的花粉固定在扫描电子显微镜样品台上；使用EM SCD050高级冷溅射镀膜仪(德国Leica公司)镀膜，并采用Quanta 450钨灯丝环境扫描电子显微镜(美国FEI公司)对典型花粉进行观察和拍照。每个种类随机选取20粒花粉，使用SMILE VIEW软件测量花粉的极轴长(P)和赤道轴长(E)，并计算极赤比(P/E)。参照《中国木本植物花粉电镜扫描图志》[8]1-2，根据P/E值判断各种类的花粉形状。P/E>2.00，花粉为超长球状；1.33

1.3 数据分析

利用EXCEL 2007和SPSS 19.0软件对相关实验数据进行统计分析；利用SPSS 19.0软件中的系统聚类法对13个种类进行聚类分析，并采用组间联接法绘制聚类图。聚类分析以P值、E值、P/E值和外壁纹饰类型为指标，并对各外壁纹饰类型进行赋值。条纹状、具穿孔赋值为“1”，条纹状、无穿孔赋值为“2”，条纹状、模糊、具穿孔赋值为“3”，条网状、具穿孔赋值为“4”，穴状赋值为“5”。

2 结果和分析

2.1 部分花楸属植物的花粉形态特征

2.1.1 花粉的形状和大小 扫描电子显微镜观察结果(图版Ⅰ和图版Ⅱ)表明：供试13种花楸属植物的花粉均为单粒花粉，极面观呈三角形，赤道面观呈长椭圆形。根据不同种类花粉的P/E值统计结果(表2)，石灰花楸、大果花楸、西伯利亚花楸、欧洲花楸、朝鲜花楸和花楸树的花粉为超长球状，而秦岭花楸、水榆花楸、陕甘花楸、北京花楸、太白花楸、湖北花楸和华西花楸的花粉为长球状。

由表2可见：13种花楸属植物的花粉极轴长28.94～39.03 μm，赤道轴长14.50～20.16 μm。总体来看，秦岭花楸、石灰花楸、水榆花楸、大果花楸、北京花楸、太白花楸、西伯利亚花楸、欧洲花楸、朝鲜花楸和花楸树10个种类花粉的极轴和赤道轴均较长，极轴长34.09～39.03 μm，赤道轴长大多在17.00 μm以上；而陕甘花楸、湖北花楸和华西花楸3个种类花粉的极轴和赤道轴均较短，极轴长28.94～30.92 μm，赤道轴长均在17.00 μm以下。比较而言，陕甘花楸、湖北花楸和华西花楸花粉偏小，其余10个种类的花粉偏大。

2.1.2 花粉的萌发孔沟 扫描电子显微镜观察结果(图版Ⅰ和图版Ⅱ)表明：供试13种花楸属植物的花粉均具3条萌发孔沟，且萌发孔沟闭合并直达花粉的两端。在赤道面上，3条萌发孔沟并没有交汇，且边缘较整齐。

种类 SpeciesP/μmE/μmP/E外壁纹饰 Exine ornamentation秦岭花楸 S. tsinlingensis37.00±4.1519.77±2.501.87±0.08条纹状、具穿孔 Striped with perforations石灰花楸 S. folgneri39.03±5.9519.56±3.252.01±0.07条网状、具穿孔 Striped-reticulate with perforations水榆花楸 S. alnifolia36.46±8.4020.16±2.501.81±0.22条纹状、无穿孔 Striped without perforation大果花楸 S. megalocarpa38.33±2.7018.92±1.402.03±0.05条网状、具穿孔 Striped-reticulate with perforations陕甘花楸 S. koehneana30.92±3.5516.92±4.051.84±0.13条纹状、模糊、具穿孔 Striped and fuzzy with perfora-tions北京花楸 S. discolor36.94±3.9519.80±2.651.87±0.07穴状 Foveolate太白花楸 S. tapashana36.03±5.1019.16±1.951.88±0.11条纹状、模糊、具穿孔 Striped and fuzzy with perfora-tions西伯利亚花楸 S. sibirica34.49±2.1516.89±2.002.05±0.12条纹状、无穿孔 Striped without perforation欧洲花楸 S. aucuparia34.09±2.8016.78±2.102.04±0.09条纹状、具穿孔 Striped with perforations朝鲜花楸 S. commixta34.86±3.0016.48±1.002.12±0.06条纹状、具穿孔 Striped with perforations花楸树 S. pohuashanensis35.83±3.1517.21±2.902.09±0.17条纹状、具穿孔 Striped with perforations湖北花楸 S. hupehensis28.94±6.0014.50±2.702.00±0.15条纹状、具穿孔 Striped with perforations华西花楸 S. wilsoniana29.95±3.9016.00±1.401.88±0.13条纹状、具穿孔 Striped with perforations

1)P： 极轴长 Polar axis length； E： 赤道轴长 Equatorial axis length.

2.1.3 花粉的外壁纹饰 扫描电子显微镜观察和统计结果(图版Ⅰ、图版Ⅱ和表2)表明：供试13种花楸属植物花粉的外壁纹饰有5种类型，分别为条纹状、具穿孔，条纹状、无穿孔，条纹状、模糊、具穿孔，条网状、具穿孔以及穴状。其中，秦岭花楸、欧洲花楸、朝鲜花楸、花楸树、湖北花楸和华西花楸6个种类花粉的外壁纹饰属于条纹状、具穿孔类型，水榆花楸和西伯利亚花楸2个种类花粉的外壁纹饰属于条纹状、无穿孔类型，陕甘花楸和太白花楸2个种类花粉的外壁纹饰属于条纹状、模糊、具穿孔类型，石灰花楸和大果花楸2个种类花粉的外壁纹饰属于条网状、具穿孔类型，仅北京花楸花粉的外壁纹饰属于穴状类型。

2.2 部分花楸属植物的聚类分析

聚类分析结果(图1)表明：在组间距离15.0处，供试13种花楸属植物被分成2类，第1类包含西伯利亚花楸、欧洲花楸、朝鲜花楸、花楸树、北京花楸、太白花楸、石灰花楸、大果花楸、秦岭花楸和水榆花楸10个种类，第2类包含湖北花楸、华西花楸和陕甘花楸3个种类。结合花粉的形态特征，第1类中各种类花粉的极轴长、赤道轴长和P/E值总体上大于第2类，说明第1类中各种类的花粉更长、更大。在组间距离10.0处，第1类中各种类进一步分成2个亚类，其中，西伯利亚花楸、欧洲花楸、朝鲜花楸和花楸树为第1亚类，北京花楸、太白花楸、石灰花楸、大果花楸、秦岭花楸和水榆花楸为第2亚类。结合花粉的形态特征，第1亚类中各种类花粉的外壁纹饰及形状相近，第2亚类中各种类花粉的极轴长相近。

1： 秦岭花楸 S. tsinlingensis C. L. Tang； 2： 石灰花楸 S. folgneri (C. K. Schneid.) Rehd.； 3： 水榆花楸 S. alnifolia (Sieb. et Zucc.) K. Koch； 4： 大果花楸 S. megalocarpa Rehd.； 5： 陕甘花楸 S. koehneana Schneid.； 6： 北京花楸 S. discolor (Maxim.) Maxim.； 7： 太白花楸 S. tapashana Schneid.； 8： 西伯利亚花楸 S. sibirica Hedl.； 9： 欧洲花楸 S. aucuparia Linn.； 10： 朝鲜花楸 S. commixta Hedl.； 11： 花楸树 S. pohuashanensis (Hance) Hedl.； 12： 湖北花楸 S. hupehensis Schneid.； 13： 华西花楸 S. wilsoniana Schneid.图1 基于花粉形态特征的13种花楸属植物的聚类图Fig. 1 Cluster diagram of 13 species in Sorbus Linn. based on pollen morphological characteristics

由图1还可见：在组间距离5.0处，供试13种花楸属植物被分成5类，第1类包括西伯利亚花楸、欧洲花楸、朝鲜花楸和花楸树，第2类包括北京花楸和太白花楸，第3类包括石灰花楸、大果花楸、秦岭花楸和水榆花楸，第4类包括湖北花楸和华西花楸，第5类仅陕甘花楸。结合花粉的形态特征和地理分布，第1类中的各种类均属于复叶组且花粉的外壁纹饰及形状相近，第2类中的各种类也属于复叶组且均采自太白山，第3类中的各种类均属于落萼组和冠萼组，第4类中的各种类也属于复叶组且均采自梵净山，第5类中的种类属于复叶组且采自太白山。

3 讨论和结论

利用表型性状研究植物的亲缘关系简便易行，能够为植物的鉴别和分类提供依据[10]。观察结果显示：供试13种花楸属植物花粉均为单粒花粉，呈长球状或超长球状，极面观呈三角形，赤面观呈长椭圆形；极轴长28.94～39.03 μm，赤道轴长14.50～20.16 μm，属于小至中型花粉；外壁纹饰以条纹状为主，还有条网状和穴状，部分种类具穿孔；赤道面具3条萌发孔沟，萌发孔沟均为沟孔形，根据NPC分类系统[11]，供试13种花楸属植物花粉均属于N3P4C5型，与梨属(PyrusLinn.)[12]、苹果属(MalusMill.)[13]及山楂属(CrataegusLinn.)[14]的花粉类型一致。杜婉[15]认为前人早就意识到花楸属与梨属、苹果属和山楂属关系密切，本研究结果也表明13种花楸属植物的花粉形态和类型与梨属、苹果属和山楂属花粉的形态和类型较接近。

本研究结果显示：供试13种花楸属植物的花粉形状差异较小，但各种间的花粉大小和表面纹饰存在一定差异，可作为种间分类的重要依据。《中国植物志》[6]283根据花楸属的单叶或复叶情况及单叶类群果实是否具宿存萼片分为冠萼组、落萼组和复叶组3组，其中，前2组为单叶类群，后1组为复叶类群。聚类分析结果表明：石灰花楸、大果花楸、秦岭花楸和水榆花楸首先聚在一起，这些种类均属于单叶类群；随后，这4个种类又与北京花楸和太白花楸聚在一起，说明这4个种类与复叶类群的北京花楸和太白花楸亲缘关系较近；湖北花楸、华西花楸和陕甘花楸也聚在一起，说明这3个种类的亲缘关系也较近，且花粉均偏小；而欧洲花楸、朝鲜花楸和西伯利亚花楸3个外来种的花粉粒较大，与花楸树的亲缘关系较近。然而，值得注意的是，陕甘花楸的花粉形态与《中国木本植物花粉电镜扫描图志》[8]283存在差异，这可能与种内不同个体间差异或取样有关，具体原因有待进一步研究。

综上所述，花楸属植物的花粉形态特征可作为其种间分类的依据，对探讨其种间亲缘关系具有一定的研究意义。