17种李属(广义)植物果实表皮微形态

2020-12-25石文婷吴保欢黄文鑫刘朝玉崔大方

亚热带植物科学 2020年5期

石文婷，吴保欢，黄文鑫，刘朝玉，崔大方*

(1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州 510642；2.东莞植物园，广东东莞 523079)

李属(广义)(Prunus sensu lato)植物在以往的分类系统中隶属于蔷薇科扁桃亚科(Subfam.Amygdaloideae)，如今在新提出的蔷薇科分类系统中被归入绣线菊亚科(Subfam.Spiraeoideae)桃族(tribe Amygdaleae)，包括狭义李属(Prunus sensu stricto)、扁桃属(Amygdalus)、杏属(Armeniaca)、樱属(Cerasus)、稠李属(Padus)、桂樱属(Laurocerasus)、臭樱属(Maddenia)和臀果木属(Pygeum)等类群，由200～250个种组成，多为核果类落叶乔木或灌木，广泛分布于北半球温带地区，以北美、欧洲和亚洲北部为主要分布地，但也有常绿的热带种类[1—2]。其生境多样，从气候干燥的温带地区到较为湿润的亚热带、热带地区，从寒冷的高山地带到气候温和的低海拔区域皆有分布[3]。

李属(广义)植物分类最早可追溯到 1700年，Tournefort和Jussieu[4]基于果实形态记录了Prunus、Armeniaca、Cerasus、Amygdalus、Persica 和Laurocerasus 等6个属。1737年Linnaeus[5]在其著作Hortus Cliffortianus中将该类群划分为4个属：Amygdalus(包括 Persica)，Prunus(包括 Armeniaca)，Cerasus和 Padus(包括 Laurocerasus)；1753年又重新调整为 2个属[6]：Amygdalus和 Prunus(包括Armeniaca、Cerasus、Padus和 Laurocerasus)。1865年，Bentham 和 Hooker[7]首先提出李属(广义)的概念，将蔷薇科所有核果类植物合并为李属(广义，Prunus sensu lato)，而在属以下分为 7个组。1893年，Koehne[8]则将这个大属下分为7个亚属。

两百多年来，一些学者选择沿用 Tournefort和Linnaeus 的小属概念，将扁桃亚科核果类群划分为3～8个属，但每个属的范围也存在差异[9—15]；有一些学者则倾向于使用大属的概念，如Rehder[16]主要基于花序和内果皮特征将桃族除臭樱属(Maddenia)和臀果木属(Pygeum)以外的其他种类都置于李属(广义)，下分李亚属(subg.Prunophora)、桃亚属(subg.Amygdalus)、樱亚属(subg.Cerasus)、稠李亚属(subg.Padus)和桂樱亚属(subg.Laurocerasus)，这种分类处理广为欧美学者接受。1965年，Kalkman[17]进一步扩大了李属(广义)的范围，将在热带广泛分布的臀果木属也纳入桂樱亚属内。

随着分子系统学的深入研究[18—23]，学者们发现李属(广义)在系统发育树上形成单系，李属(广义)所包含的范围也逐渐确定，现在被一致认同的类群有单花类群(桃、杏、李类)、伞形花序类群(典型樱类)以及总状花序类群(臭樱、稠李、桂樱、臀果木类)。

果实表皮微形态特征在种子植物分类和系统演化研究中具有一定的参考价值[24—27]。基于对 5000种种子植物表皮特征的扫描电镜观察，Barthlott[24]认为植物表皮特征受环境饰变小，其高度的结构多样性可为种间和科级水平分类提供依据。张勇等[25]对蔷薇科委陵菜属(Potentilla) 32种及变种的果实形态进行解剖研究，发现电镜下的果皮表面纹饰对该属植物分类具有较重要的价值。章黎黎等[26]探讨了苹果属(Malus)植物果实表皮微形态特征及其系统演化关系，发现苹果属植物果实表皮细胞大小、细胞间隙、表皮细胞纹饰等性状具有不同程度的种间或组间差异，尤其是表皮细胞纹饰在各组间差异明显，说明果实表皮微形态特征能对苹果属植物分类及系统评价提供有价值的信息。目前国内外尚未见广义李属植物果实表皮微形态的研究。为此，本研究基于 17 种李属(广义)植物果实表皮微形态特征的观察，寻求有分类学意义的果皮微形态特征，为进一步研究该属植物分类和系统演化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

果实表皮材料共17种(品种)，其中10种取自腊叶标本的干燥果实，另外7种取自栽培果树的新鲜果实(每个分类单位尽可能选取2份或以上不同采集地的标本，表1中只列举其中一份，每份标本取 3枚果实)。凭证标本存放于华南农业大学林学与风景园林学院树木标本室(CANT)，材料信息见表1。

1.2 方法

将干燥果实置于60 ℃恒温水中浸泡1～3 h，待果实吸水发胀后，用离析法制作果实表皮装片[28]。切割3～4片1 cm×0.5 cm大小的果皮(果实太小的则剥取整个外果皮)，投入1 mL过氧化氢(30%)和1 mL冰醋酸等量混合离析液中，置于60 ℃恒温箱中离析2～48 h(具体时间视材料而定)，待果肉与表皮分离时，用毛笔扫除残留的果肉及洗尽酸液，挑选完整不带果肉的透明表皮置于载玻片上，用1%番红酒精溶液染色10～15 min，经50%酒精脱色后，用50%甘油封片，在光学显微镜下观察，选用染色效果良好的装片用指甲油封片。在荧光倒置显微镜(Zeiss Axio Observer.Z1)下观察拍照，物镜20×和40×下各拍摄至少10张不同视野的照片，用蔡司Axio Vision图像分析软件处理图片。表皮细胞和气孔复合体等定性性状描述参考Dilcher[29]的方法。定量性状中，气孔密度为物镜20×下10个不同视野的均值，细胞面积和间隙、气孔大小为物镜40×下10个不同视野的均值。定量数据利用Digimizer程序测量。

表1 李属(广义)植物实验材料及凭证标本Table 1 Species of investigation and voucher specimens of Prunus sensu lato

2 结果与分析

2.1 果实表皮细胞及表皮毛特征

通过观察与测量数据，得到李属(广义)植物果实表皮细胞及表皮毛特征(表2，图版Ⅰ、Ⅱ)。可以看出李属(广义)植物的果实表皮细胞形状大多是较为规则的六边形、五边形、四边形，少数为近圆形、半圆形或扇形。表皮细胞面积在属下各类群之间存在一定的差异，如：油桃(Prunus persica var.nectarina)和毛樱桃(Prunus tomentosa)、沼生矮樱(Prunus jingningensis)、欧洲甜樱桃(Prunus avium)的细胞面积较大，达 1000 μm2左右；其次是长圆臀果木(Prunus oblongum)，约 570 μm2；接着是杏组和李组的种类，在 200～400 μm2之间；锐齿臭樱(Prunus incisoserrata)、臭樱(Prunus hypoleuca)的细胞面积为242 μm2和 286 μm2；最后是2种稠李和2种桂樱，均在160～190 μm2之间。细胞间隙、垂周壁式样、细胞形状三者之间均有一定的联系。总体来说，较规则的多边形细胞垂周壁多平直，排列较为紧密，不规则的近圆形细胞垂周壁多弓形，排列较为疏松。果表皮细胞的角质层纹饰在属下各类群中出现分化。桃组、杏组和李组的种类中均有较厚的角质层，在桃组和李组中大多均匀分布，只有樱桃李(Prunus cerasifera)为不均匀加厚。水蜜桃(Prunus persica)表皮毛周围的表皮细胞出现条纹状纹饰；杏(Prunus armeniaca)因密集的表皮毛而呈现更加明显的条纹状纹饰；李广杏(Prunus armeniaca ‘Liguangxing’)的角质层也较为均匀，但不完全覆盖表皮细胞。2种矮樱和欧洲甜樱桃的角质层纹饰为不均匀分布，点状、局部嚼烂状或条纹状。2种稠李的角质层较薄，也不均匀，其中短梗稠李(Prunus brachypoda)还出现小长方块状的晶体。2种桂樱和长圆臀果木没有明显的角质层纹饰，大叶桂樱(Prunus zippeliana)部分气孔器周边有稀疏的点状突起。另外，在17份材料中，只有水蜜桃、杏以及毛樱桃存在表皮毛，均为单细胞毛。

表2 李属(广义)植物果实表皮细胞及表皮毛特征Table 2 The characteristics of the fruit epidermal cells and trichome of Prunus sensu lato

2.2 气孔复合体特征

李属(广义)植物果实表皮气孔复合体特征如表3及图版Ⅰ、Ⅱ。李属(广义)植物的气孔复合体多为无规则型至环状围绕型(仅长圆臀果木为平列型)；气孔器为圆球形、宽椭球形或椭球形，气孔器长宽比在1.0～1.6之间。气孔器大小在属下各类群之间的差异不大，只有2种桃与其他各类群之间差异明显，其大小是其他各类群气孔器的1～2倍。气孔密度也存在一定的差异，2种杏的果表皮气孔密集，29～35个·mm-2；桃组、李组的种类和欧洲甜樱桃较为一致，为3～5个·mm-2；2种矮樱、2种稠李和2种桂樱表现出多样性；长圆臀果木的果表皮气孔密度只有1个·mm-2。气孔周围纹饰在属下各类群中也出现分化。桃组和李组种类中气孔器及周围均覆盖嚼烂状蜡质，欧洲李的蜡质较少，且较为独特的是其气孔器两侧副卫细胞的角质加厚较为明显。2种杏部分气孔覆盖蜡质，保卫细胞内缘稍加厚，气孔器周围具有与表皮细胞同类型的角质纹饰，但程度有所加深。2种矮樱和欧洲甜樱桃气孔周围有不同范围的角质加厚，较为独特的是毛樱桃和欧洲甜樱桃两端有T形加厚，而沼生矮樱个别气孔中出现触角状蜡质。2种臭樱中保卫细胞内侧加厚，气孔周围与表皮细胞一样有点状突起，2种稠李的保卫细胞内侧也有不同程度的加厚。大叶桂樱个别气孔器周围有少量的局部加厚，腺叶桂樱(P.phaeosticta)部分气孔器周围有独特的花环状加厚。长圆臀果木气孔器两侧副卫细胞有不均匀加厚，与表皮细胞有所区别但区别不大。

表3 李属(广义)植物果实表皮气孔复合体特征Table 3 The characteristics of stomatal complex on the fruit epidermis of Prunus sensu lato

3 讨论与结论

3.1 果实表皮微形态在属内关系上的应用

李属(广义)属内各类群在果实表皮某些性状中存在一定的共性或表现出各自独立的特征，如表皮细胞形状和气孔复合体类型。在气孔复合体类型中，长圆臀果木出现了其他类群没有的平列型。在气孔形状中，稠李类是一致的圆球形。在气孔大小中，桃类的气孔明显较大。在气孔密度中，杏类的气孔更为密集。在气孔周围纹饰上，桂樱类有独特的花环状加厚。这些果实表皮微形态特征可为李属(广义)植物果实的识别提供依据。

3.2 果实表皮微形态多样性及其演化特征

李属(广义)植物的果实表皮微形态多样，在属内各亚属之间表现出过渡性和连续性。本研究所选的性状中，表皮细胞垂周壁式样和气孔复合体类型表现出温带落叶类群(李亚属、樱亚属及稠李亚属的臭樱类、稠李类等)的垂周壁式样有从多弓形、少平直到平直或弓到多平直、少弓形的变化趋势；气孔复合体有从无规则到近环状围绕型到环状围绕型的变化趋势，而亚热带、热带的常绿类群(稠李亚属桂樱类、臀果木类)中，桂樱类的垂周壁更为平直，且极少为弓形，气孔复合体为无规则至环状围绕型；然而长圆臀果木的垂周壁平直或弓，且有少数浅波状，气孔复合体出现平列型，明显不同于其他类群。另外，果实表皮细胞角质层在属内各类群中也出现分化规律，表现在温带落叶种类的角质层较多或较厚，而亚热带、热带常绿种类的较少或较薄，较厚的角质层可以降低植物表皮水分蒸发并适应低温干燥的环境，这是一种适应温带气候的特征，亚热带、热带地区的气候较为湿润，因而角质层也逐渐变薄，这也是对生活环境适应的结果。

东亚地区是李属(广义)植物的多样性中心，化石证据表明李属首先于始新世早期在亚洲和北美相继出现，我国山东于始新世早期的粘土矿中发现了李属植物内果皮的化石[30]，这是李属植物最早的化石记录，而北美西部的温带地区也发现了李属植物的叶化石[31]。Chin等[22]对李属(广义)开展分子系统学和生物地理学研究，应用 Bayes-DIVA方法推算得出，现代李属在东亚已经出现了大约6100万年，而各主要谱系的分化可能是由始新世早期全球变暖所引发的，认为温带落叶种类较亚热带、热带常绿种类古老，但这一推论似乎与 Shi等[20]的研究结果相冲突。在 Shi等[20]构建的广义李属系统发育树中，包含热带常绿种类和温带落叶种类的总状花序类群先于伞形花序类群和单花类群分化出来，而后两个类群由温带落叶种类组成。黄文鑫等[32]研究了广义李属植物的叶脉序特征，发现温带地区的广义李属植物叶片偏小，四、五级脉较密，游离端小脉较少，而亚热带–热带地区的桂樱类和臀果木类叶片较大，四、五级脉不规则且较稀疏，游离端小脉较多。结合Chin等[22]的推测，认为桂樱类为广义李属植物从温带类型向热带类型演化的过渡类群，推测广义李属植物在由北温带向亚热带–热带迁移的过程中，叶脉密度逐渐减小，游离端小脉分支逐渐增加。结合地理分布来看，本研究也表现出李属(广义)植物在不同气候带之间存在过渡性演化特征。诚然，广义李属各谱系的演化方向尚无定论。但可以肯定的是，李属(广义)植物在不同气候带演化的进程中，其果实表皮微形态也发生了相应的形态适应。

本研究对李属(广义)植物的果实表皮微形态特征进行观察。结果显示，果实表皮微形态多样，气孔复合体类型、气孔器形状、气孔大小、气孔密度及气孔周围纹饰等在李属(广义)植物不同类群中表现出各自独立的特点；一些性状如表皮细胞垂周壁式样、角质层纹饰和气孔复合体类型在属内各类群中出现分化规律，在各亚属之间表现出过渡性和连续性。果实表皮微形态特征部分性状可作为李属(广义)植物识别的依据。果实表皮微形态特征在各类群之间变化，反映出不同类群对生态环境的适应。