苹果属植物种皮微形态特征研究及其分类学意义

付钰茹，刘连芬，钱关泽

（聊城大学生命科学学院，山东 聊城252059）

苹果属常见于北温带地区，隶属于蔷薇科(Rosaceae)，全球范围内该属有38 个品种，广泛分布于北美洲、亚洲和欧洲[1]。我国有30 个品种，其中有20 个为原产品种[2]，广布于26 个省市和自治区，其中西部占比最大[3-4]，但日常生活中最常吃的绵苹果（M.pumila Mill.）主要分布于山东[5]。在苹果属里，有些物种由于具有较高观赏性，目前已作为我国重要的园林树种，例如山荆子(M.baccata(L.)Borkh.)、垂丝海棠(M.halliana Koehne)和湖北海棠(M.hupehensis(Pamp.)Rehd.)等[1]。苹果属植物的繁殖方式主要有两种，一种是通过种子进行繁殖[6]，另一种是通过组织培养[1]，虽然前者应用广泛，但其优良性状难以保存，且繁殖效率较低，此时组织培养就大显优势[7]，因为它能够显著地提高植物的繁殖系数，但如何进一步优化植物组织培养成为了现在最关心的问题。反观之，目前关于苹果属植物种子微形态的研究尚未见报道。因此，本文将20 种苹果属植物种子置于扫描电镜下，对其表面微形态进行详细的研究，旨在为苹果属植物的分类和系统发育研究提供可靠的理论依据。

分类学的研究历程距今已超过250年[8]，双名现象也日趋明显。在各个种中，存在着普遍的不同作者使用不同名称的现象，尤其本属，仅苹果这一个种就有100 多个学名[9]； 苹果属分类中的另一个难题是本属普遍存在的种间杂交和无融合生殖现象，因此形成了多种中间类型，使本属中的多份标本无法具体到某一具体的种[10]。之前的鉴别方式主要通过对其表面形状的描述来进行，并没有使用演化性状来进行，所以其中存在有很大的主观因素，不能够正确地反映属内类群的进化关系和亲缘关系。以上所有难题都会对本属植物的实际应用和理论基础造成严重的影响，同时还会阻碍本属在商品价值方面的发展。

在2010年，章黎黎和杨晓红通过对苹果属植物果实表皮微形态特征进行观察，发现苹果属果实表皮细胞间的长宽比和间隙，以及共有的纹孔数量和宽度等，都会有不可忽略的差异，对其进行分析后，推出了本属植物系统演化的趋势，由此证明果实表皮微形态特征在苹果属植物的分类上，能够提供有清晰明确的分类依据[11]。不光可以通过果实表皮细胞微形态进行分类，种子由于受环境的影响较小，所以它们的微形态特征也可以为植物系统的分类提供有理可依的证据[12]。然而却很少有人报道微形态特征在苹果属的分类中所起到的重要作用。为此，本文对苹果属植物种皮的微形态特征进行了详细的比较研究，以期能够为该属的分类提供新的依据。

随着种皮结构逐渐多态性，已能够为植物的分类提供新的有效信息[13-16]，并在20 世纪50年代时，已经可以用在科、属、种间进行物种鉴定[17]。2015年，江丹丹和周晶等曾将种皮纹饰作为划分绣线菊属（Spiraea L.）植物的依据，在其研究的25 种植物中，共发现有4 种类型的纹饰，而且差异显著，可作为区分不同种类及种下分类群的依据[18]。2018年，苑景淇，薛欢等人对5 种忍冬属植物（Lonicera L.）的种子进行了电镜扫描，同样是根据种皮纹饰进行分类，共分为两类，为以后的分类学研究奠定基础[19]。种皮微形态在多个属中均可为种系分类提供依据，同样，在苹果属这样一个“困难属”中，也可为其分类提供基础资料，并且暂无人将种皮微形态作为苹果属的分类依据，因此此研究具有重要的奠基作用； 在亚显微水平上，研究种皮微形态能为传统的分类依据提供额外的微观证据，指示出其系统地位。

本文在种皮的微形态特征方面进行研究，通过电镜扫描和细致观察，发现所研究的植物种皮细胞形状主要有2 大类，短细胞和长细胞，可细分为8 种不同的类型，即圆边多边形、正六边形、斜长方形、长五边形、多边形、细柱状、长多边形、细长带状； 纹饰类型有3 种，即无纹饰、微纹饰、纵向条状皱纹，通过对种皮细胞和纹饰的比较，发现不同种间的差异，并进行分析讨论，以期为本属植物的分类提供新的依据，以此来区分属内类群的进化关系和亲缘关系。

表1 苹果属植物种皮电镜微形态实验材料凭证标本Table 1 Specimen for the experiments of seeds coat of Malus

1 材料和方法

1.1 实验材料

所选种子分别来自江苏省植物研究所标本馆(NAS)和南京林业大学标本馆(NF)蜡叶标本，使所选日期相接近，并成熟。

1.2 实验方法

1.2.1 材料处理

先将材料置于超声波下处理约1 min，然后在55℃下恒温培养一夜，取出后，在表面喷金40 s，最后置于电子显微镜下对中皮表面微形态进行观察。

1.2.2 观察内容

分别在350(或500)、1000、2000、3000、4000、5000、10000 倍下拍照，所选部分应具有代表性并洁净无污染。

2 结果

(1)台湾林檎M.doumeri: 多数为圆边多边形，少数不规则形，中间向内凹陷(应为外突，内凹现象可能是高位扫描头的显示误差)，凹陷程度或浅或深，细胞壁表面无纹饰(Plate I: Figure 1—2)。

(2)尖嘴林檎M.melliana: 多数为圆边多边形，少数为不规则形，向外突出不均匀，细胞壁表面无纹饰(Plate I: Figure 3—5)。

(3)花冠海棠M.coronaria: 正六边形，向外突出，突出程度较为均匀，少数地方有凹陷，细胞壁表面无纹饰(Plate I: Figure 6)。

(4)河南海棠M.honnanensis: 斜长方形，形状边界略微模糊，细胞壁表面轻微皱纹(Plate I: Figure 7)。

(5)西蜀海棠M.prattii: 六边形，中间有轻微凹陷，整体比较平坦，细胞壁表面无纹饰(Plate I: Figure 8)。

(6)滇池海棠M.yunnanensis: 短长方形或长五边形，边界清晰，中间向内凹陷，长宽比约为2:1，细胞壁表面无纹饰(Plate II: Figure 1—2)。

(7)保山海棠M.baoshanensis: 形状不定，多变，外层表皮细胞在生长过程中首先发生破裂，形成管状，然后由向内的第二层细胞逐步形成新的种皮，细胞壁表面无纹饰(Plate II: Figure 3—5)。

(8)陇东海棠M.kansuensis: 长方形，整体平坦，长宽比约为3:1，细胞壁表面有皱纹，呈纵向排列，条状(Plate II: Fig.6—8, Plate III: Figure 1—2 )。

(9)变叶海棠M.toringoides: 长方形，似长线，长宽比远大于10:1，整体来看平坦，细胞壁表面有皱纹，较少，纵向分布，条状(Plate III: Figure 3—6 )。

(10)花叶海棠M.transitoria: 长方形，排列不整齐，边界往同一方向翘起，长宽约为2:1 或3:1，细胞壁表面有皱纹，数量较少，条状(Plate III: Figure 7—8 )。

(11)小金海棠M.xiaojinensis: 长方形，中间凹陷较深，边界明显，长宽比多数约为2:1，有些是1:1，细胞壁表面无纹饰(Plate IV: Figure 1—2 )。

(12)三叶海棠M.toringo: 斜长方形，长宽比远大于10:1，整体平坦，细胞壁表面皱纹，数量较少，纵向条状(Plate IV: Figure 3—4 )。

(13)沙金海棠M.sargentii: 细长条状，长宽比远大于10:1，整体平坦，细胞壁表面有皱纹，纵向排列(Plate IV: Figure 5—8)。

(14)山荆子M.baccata: 细长条状，长宽比远大于10:1，细胞壁表面有皱纹，纵向排列(Plate V:Figure 1—2)。

(15)毛山荆子M.mandshurica subsp.: 细长长方形，长宽比远大于10:1，细胞壁有少量纵向条状皱纹(Plate V: Figure 3—4)。

(16)丽江山荆子M.rockii: 细长条状，长宽比远大于10:1，细胞壁表面有皱纹，纵向排列，少许褶皱有轻微扭曲(Plate V: Figure 5—6)。

(17)湖北海棠M.hupehensis: 神农架所产种皮细胞长条状，极细，整体平坦，长宽比远大于10:1，细胞壁表面有皱纹，纵向排列，皱纹上有星星点点的不规则突起(Plate V: Figure 7—8)；而产于江苏的细胞相对来说长宽比较小，边界更为明显，其上仅有少量皱纹，纵向排列，而无突起(Plate VI: Figure 1—3)。

Plate V.Figure 1 山荆子M.baccata 种皮纹饰图

Plate IV.Figure 1 小金海棠M.xiaojinensis 种皮纹饰图

Plate III.Figure 1 陇东海棠M.kansuensis 种皮纹饰图

Plate II.Figure 1 滇池海棠M.yunnanensis 种皮纹饰图

Plate I.Figure 1 台湾林檎M.doumeri 种皮纹饰图

Plate V.Figure 2 山荆子M.baccata 种皮纹饰图

Plate II.Figure 2 滇池海棠M.yunnanensis 种皮纹饰图

Plate III.Figure 2 陇东海棠M.kansuensis 种皮纹饰图

Plate II.Figure 2 滇池海棠M.yunnanensis 种皮纹饰图

Plate I.Figure 2 台湾林檎M.doumeri 种皮纹饰图

Plate IV.Figure 3 三叶海棠M.toringo 种皮纹饰图

Plate V.Figure 3 毛山荆子M.mandshurica subsp.种皮纹饰图

Plate III.Figure 3 变叶海棠M.toringoides 种皮纹饰图

Plate II.Figure 3 保山海棠M.baoshanensis 种皮纹饰图

Plate I.Figure 3 尖嘴林檎M.melliana 种皮纹饰图

Plate III.Figure 4 变叶海棠M.toringoides 种皮纹饰图

Plate IV.Figure 4 三叶海棠M.toringo 种皮纹饰图

Plate II.Figure 4 保山海棠M.baoshanensis 种皮纹饰图

Plate V.Figure 4 毛山荆子M.mandshurica subsp.种皮纹饰图

Plate I.Figure 4 尖嘴林檎M.melliana 种皮纹饰图

Plate II.Figure 5 保山海棠M.baoshanensis 种皮纹饰图

Plate V.Figure 5 丽江山荆子M.rockii 种皮纹饰图

Plate IV.Figure 5 沙金海棠M.sargentii 种皮纹饰图

Plate III.Figure 5 变叶海棠M.toringoides 种皮纹饰图

Plate I.Figure 5 尖嘴林檎M.melliana 种皮纹饰图

Plate II.Figure 6 陇东海棠M.kansuensis 种皮纹饰图

Plate II.Figure 6 陇东海棠M.kansuensis 种皮纹饰图

Plate III.Figure 6 变叶海棠M.toringoides 种皮纹饰图

Plate V.Figure 6 丽江山荆子M.rockii 种皮纹饰图

Plate I.Figure 6 花冠海棠M.coronaria 种皮纹饰图

Plate V.Figure 7 湖北海棠M.hupehensis 种皮纹饰图

Plate IV.Figure 7 沙金海棠M.sargentii 种皮纹饰图

Plate III.Figure 7 花叶海棠M.transitoria 种皮纹饰图

Plate II.Figure 7 陇东海棠M.kansuensis 种皮纹饰图

Plate I.Figure 7 河南海棠M.honnanensis 种皮纹饰图

Plate IV.Figure 8 沙金海棠M.sargentii 种皮纹饰图

Plate II.Figure 8 陇东海棠M.kansuensis 种皮纹饰图

Plate III.Figure 8 花叶海棠M.transitoria 种皮纹饰图

Plate V.Figure 8 湖北海棠M.hupehensis 种皮纹饰图

Plate I.Figure 8 西蜀海棠M.prattii 种皮纹饰图

(18)多花海棠M.floribunda: 细长柱状，长宽比远大于10:1，整体平坦，细胞壁有纵向条纹，局部区域条纹上有颗粒状突起(Plate VI: Figure 4—5)。

Plate VI.Figure 1 湖北海棠M.hupehensis 种皮纹饰图

Plate VI.Figure 2 湖北海棠M.hupehensis 种皮纹饰图

Plate VI.Figure 3 湖北海棠M.hupehensis 种皮纹饰图

Plate VI.Figure 5 多花海棠M.floribunda 种皮纹饰图

3 分析与讨论

根据苹果属种皮微形态显示，其表面没有形成复杂的特化结构，而是直接以细胞的形式组成种皮，这样可以更为直观的观察通过电镜到种皮细胞的形状和大小。类型主要有两大类： 长宽等比的短细胞和长宽比远超10:1 的长细胞，由短细胞演变为长细胞，体现了苹果属植物发展的不同趋势，越原始的细胞长度越短；同样，越进化的细胞长度也相对会更长。原始细胞的长宽比通常有固定数值，主要为原始苹果亚属、滇池海棠组、花楸苹果组的部分种所有； 山荆子组的种皮细胞则呈长条状或长带状。

（1）绿海棠组：仅检测花冠海棠，种皮细胞呈正六边形，向外突出，突出程度较为均匀，少数地方有凹陷，细胞壁表面无纹饰。

（2）多胜海棠组：检测两种，台湾林檎和尖嘴林檎。台湾林檎多数为圆边多边形，少数不规则形，中间向内凹陷(应为外突，内凹现象可能是高位扫描头的显示误差)，凹陷程度或浅或深，细胞壁表面无纹饰。尖嘴林檎多数为圆边多边形，少数为不规则形，向外突出不均匀，细胞壁表面无纹饰。共同点是均呈现近圆形的多边形，每边长度基本相等（等边型），上组与之类似，在进化上都处于极为原始的形态。

（3）滇池海棠组：此时种皮细胞的长宽比逐渐加大，成为倍边型，保山海棠顶面观为近正五边形，等边型，细胞壁表面无纹饰，属于较为原始的类群；西蜀海棠种皮细胞六边形，但各边不完全等长，有些边稍微延长，但长宽比控制在两倍以内，未超过等边型的范畴，因此与前者一样，均为较为原始的类群，同样也无纹饰；滇池海棠短长方形或长五边形，边界清晰，中间向内凹陷，长宽比约为2:1，已超过等边型的范畴，完全属于倍边型，细胞壁表面无纹饰，比前两者的进化程度都要高，更近一层；河南海棠斜长方形，长宽比超过两倍，形状边界略微模糊，细胞壁表面轻微皱纹，比滇池海棠更为进化，属于本组最进化的种。这一结果与形态、叶表皮微形态分析的结果相似。

（4）花楸苹果组：本组细胞比前一组的长度更长，前组长宽比超过两倍的不多，而本组则全部超过两倍，处于3～5 倍的水平，但仍属于倍边型范围。陇东海棠长方形，整体平坦，长宽比约为3:1，细胞壁表面有皱纹，呈纵向排列，条状。小金海棠也是长方形，中间凹陷较深，边界明显，长宽比多数约为2:1，有些是1:1，细胞壁表面无纹饰，小金海棠与变叶海棠虽然都是长方形，但变叶海棠的长宽比远大于10 倍，因此将小金海棠归为变叶海棠显的并不是很合理，归为陇东海棠反而更合适，长宽比相接近，并且也都是长方形；变叶海棠长方形，似长线，长宽比远大于10:1，整体来看平坦，细胞壁表面有皱纹，较少，纵向分布，条状，远超倍边型的范围，与山荆子组较为相似；花叶海棠长方形，排列不整齐，边界往同一方向翘起，长宽约为2:1 或3:1，仍属于倍边型的范畴内，细胞壁表面有皱纹，数量较少，条状，由此可知，变叶海棠与花叶海棠的关系并不是很近，分子系统学以及化学分类学分析的结果与此相符，因此二者间的关系还有待研究。

（5）山荆子组：该组种皮细胞均为细长带形或长条形，长宽比远超10 倍，是最进化的类群。由于形状、特征相似，所以难以区分，无法细分到具体的种。只有湖北海棠能分为两种，神农架所产种皮细胞长条状，极细，整体平坦，长宽比远大于10:1，细胞壁表面有皱纹，纵向排列，皱纹上有星星点点的不规则突起；而产于江苏的细胞相对来说长宽比较小，边界更为明显，其上仅有少量皱纹，纵向排列，而无突起；多花海棠局部区域条纹上有颗粒状突起。

传统的分类学观点认为，绿海棠组和多胜海棠组处于最原始的状态，滇池海棠组和花楸苹果组则处于中间位置，山荆子组是最为进化的类群，以上均与本研究结果相一致，因此，种皮细胞微形态能够为苹果属植物的分类提供有效的依据。种皮细胞由等径开始，然后长宽比的倍数逐渐加大，最后长宽比可达10 倍以上，可知物种是在不断进化的，长宽比倍数越大，进化越快，可见种皮细胞能体现各组间的演化关系。在纹饰方面，对于等边型的类群来说，纹饰多呈向心状或无纹饰，随着长宽比逐渐加大，其纹饰也越来越明显，多呈纵向条状排列，由纹饰也能够看出各组间的演化关系。不只能够作为分类的依据，还能够解决分类学上的一些疑难问题。综上，本研究能够为该属植物的系统发育和分类研究提供新依据，为之后种皮微形态的研究奠定基础。

本研究所拍摄的种皮纹饰并不是非常完美，还有待进一步加强。