基于叶柄基部鳞片形态特征分析大膜盖蕨属的系统位置

苗馨元， 李春香

(1. 中国科学院南京地质古生物研究所 现代古生物学和地层学国家重点实验室， 江苏 南京 210008；2. 中国科学院生物演化与环境卓越创新中心， 江苏 南京 210008； 3. 中国科学院大学， 北京100049)

21世纪以来，分子系统学的快速发展改变了人们对蕨类植物某些类群系统关系的认识。大膜盖蕨属(LeucostegiaC. Presl)一直归于骨碎补科(Davalliaceae)[1]78，[2，3]，[4]472，直至分子系统学研究支持大膜盖蕨属从骨碎补科分离，并与肿足蕨属(HypodematiumKunze)有较近的亲缘关系[5]。在基于分子系统学最新研究成果的蕨类植物分类系统中，大膜盖蕨属与肿足蕨属组成肿足蕨科(Hypodematiaceae)[6-9]，[10]535。大膜盖蕨属含2种，分布于亚洲南部和东南部及太平洋的一些岛屿上，中国仅分布大膜盖蕨(LeucostegiaimmersaC. Presl)1种[10]539。肿足蕨属的系统位置也存有争议：此属曾经被置于鳞毛蕨科(Dryopteridiaceae)[1]138、金星蕨科(Thelypteridaceae)[11]、Aspidiaceae[12]、蹄盖蕨科(Athyriaceae)[13]或Athyroids[14]，皆因其形态解剖特征及细胞学的部分特征与上述植物类群相似。秦仁昌[15]将肿足蕨属单列为肿足蕨科。大膜盖蕨属归入肿足蕨科主要依据分子系统学证据[5]，在形态学上，肿足蕨属与大膜盖蕨属除了具有相似的根状茎特征和相同的染色体数目(n=41)外，尚无其他明显的相似性状[10]535。在孢子囊与叶脉的关系及囊群盖的特征方面，2个属间存在明显差别[4]84-87。叶表皮微形态及气孔器的特征[16]也不支持肿足蕨属与大膜盖蕨属近缘，反而支持将肿足蕨属归于金星蕨科[11]。在孢子形态上，大膜盖蕨属孢子呈线形(linear)，表面具疣状突起(verrucate)[17]374；而肿足蕨属孢子呈椭圆形(ellipsoidal)，表面具脊(rugae)[17]492。因此，大膜盖蕨属的系统演化关系仍存在争议，需要其他形态解剖性状的支持。

鳞片为蕨类植物的表皮附属物，在蕨类分类中具有十分重要的意义[4]33，已为某些类群的分类归属提供了形态解剖学证据[18]10-42，[19]29-33，[20-22]。通过对鳞片的观察和比较，柯勇男[18]15根据肿足蕨属具有特殊的红棕色单细胞分支特征，将其从广义鳞毛蕨科[1]138中分离出来并单列成科，该研究结果支持分子系统学的研究结果。对中国乌毛蕨科(Blechnaceae)的分类学修订[22]发现鳞片可作为分属的分类性状，但不宜作为分种的依据。鉴于此，本文在现有研究[18]21-42，[19]72-73，91-92的基础上，对大膜盖蕨属及相关类群叶柄基部鳞片着生方式(着生点位置)、鳞片邻接细胞壁(侧面细胞的细胞壁)特点、鳞片边缘及边缘突起物类型进行了观察和比较，为大膜盖蕨属的系统位置提供了鳞片形态学证据，以期为进一步探讨传统分类与分子系统分类的统一和形态解剖性状的演化提供研究资料。

1 材料和方法

1.1 材料

供试材料包括肿足蕨科的大膜盖蕨属1种、肿足蕨属2种以及骨碎补科的7种。凭证标本保存在上海辰山植物标本馆(CSH)和中国科学院南京地质古生物研究所标本室(NPA)，各凭证标本的基本信息见表1。本文采用《Flora of China》[10]749的骨碎补科概念，即骨碎补科分为小膜盖蕨属(AraiostegiaCop.)、骨碎补属(DavalliaSmith)、阴石蕨属(HumataCav.)和假钻毛蕨属(ParadavallodesChing)。

表1 供试10个种类凭证标本的基本信息

1.2 方法

1.2.1 鳞片观察 用解剖针轻轻从每个种类叶柄基部取完整鳞片约10个，置于含体积分数70%乙醇的离心管中保存。用解剖针取出鳞片置于有适量甘油胶的载玻片上；用实验炉烤制甘油胶装片。使用Zeiss Axio Imager Z2全自动荧光显微镜(德国Zeiss公司)观察和拍照。依据相关研究选取鳞片性状[18]21-42，[23]，包括鳞片着生方式、鳞片邻接细胞壁特点、鳞片边缘及边缘突起物类型。通过观察和比较，对最终确定的10个性状编码(表2)以进行支序分析。每个种类观察3～5个鳞片。

表2 供试10个种类的鳞片性状及其编码

1.2.2 支序分析 使用PAUP*4.0 Beta10软件[24]进行支序分析。依据最新的PPG Ⅰ分类系统[9]选择外类群，肿足蕨科和骨碎补科隶属真水龙骨类Ⅰ(Eupolypods Ⅰ)，选取真水龙骨类Ⅱ (Eupolypods Ⅱ)的宿蹄盖蕨(AthyriumanisopterumChrist)和耳羽岩蕨(WoodsiapolystichoidesEaton)为外类群，这2个外类群的鳞片性状来源于柯勇男[18]26，30的研究结果。采用最大简约法(maximum parsimony method，MP)构建系统发育树。在进行系统发育分析时，采用启发式搜索策略(heuristic search)，将每个性状设定为无序(unord)，用自展支持率(bootstrap value)对生成的系统发育树进行统计学评估。

2 结果和分析

2.1 鳞片观察结果

对肿足蕨科和骨碎补科10个种类叶柄基部的鳞片形态特征进行观察。结果(图1和表3)显示：从鳞片的着生方式看，供试10个种类叶柄基部的鳞片分为2种类型。肿足蕨科大膜盖蕨属和肿足蕨属植物鳞片的着生点均位于鳞片基部底端(图1-A1～C1)，为基部着生类型；而骨碎补科植物鳞片的着生点均位于鳞片基部之上(图1-D1～J1)，为盾状或假盾状着生类型。

表3 供试10个种类叶柄基部鳞片性状

供试10个种类叶柄基部鳞片邻接细胞壁有差异。肿足蕨科大膜盖蕨属和肿足蕨属植物叶柄基部鳞片邻接细胞壁为直边(图1-A2～C2)；而骨碎补科植物叶柄基部鳞片邻接细胞壁为曲边(图1-D2～J2)。

除了杯盖阴石蕨〔Humatagriffithiana(Hook.) C. Chr.〕和马来阴石蕨〔H.pectinata(Smith) Desvaux〕叶柄基部的鳞片边缘为基部全缘(图1-G1～H1)外，其余种类的鳞片边缘均为非全缘，具突起物，这些突起物分为3种类型：1)仅由单细胞或单列细胞组成的毛(图1-A2～C2)；2)鳞片边缘相邻两细胞的相邻处突出，形成齿状刺(图1-D2，E2)或稍长的齿状毛(图1-F2)；3)鳞片边缘线不清晰，边缘为啮蚀状或单细胞球状突起(图1-G2～J2)。其中，假钻毛蕨〔Paradavallodesmultidentatum(Hooker) Ching〕叶柄基部鳞片边缘的单细胞突起(图1-J2)与大膜盖蕨叶柄基部鳞片边缘的单细胞毛(图1-C2)不同，尽管二者均由单细胞组成，但假钻毛蕨叶柄基部鳞片边缘的单细胞突起较短小，微凸成球状。

2.2 支序分析结果

基于肿足蕨科和骨碎补科10个种类以及宿蹄盖蕨和耳羽岩蕨2个外类群叶柄基部的鳞片性状矩阵编码进行支序分析，运算得到树长为15、一致性指数为0.67、保持性指数为0.75的系统发育树。结果(图2)显示：除了2个外类群外，肿足蕨科和骨碎补科10个种类聚成2支，大膜盖蕨属和肿足蕨属的2个种类聚为一支，自展支持率为74%；骨碎补科的7个种类聚为另一支，此分支内部的系统关系解析度较弱(自展支持率较低)，阴石蕨属2个种类的自展支持率仅为57%。

分支上的数值代表1 000次重复的自展支持率(仅标出大于50数值)Numbers on branches represent bootstrap values based on 1 000 replications (only showing values greater than 50).

3 讨 论

在生长环境上，肿足蕨科植物以土生和石生为主[10]535，而骨碎补科植物以附生为主[10]749。研究结果[25]表明：盾状着生的鳞片类型是蕨类植物对附生生长环境的适应结果，由基部着生类型的鳞片演化而来。有学者基于植物的生长型[25]以及分子系统学研究[26，27]提出大膜盖蕨属不属于骨碎补科，支持大膜盖蕨属和肿足蕨属的近缘关系。最新的PPG Ⅰ系统发育树[9]显示：尽管肿足蕨科和骨碎补科均属于真水龙骨类Ⅰ分支，但是肿足蕨科位于真水龙骨类Ⅰ分支的基部，比骨碎补科起源分化早。最新的蕨类植物时间树[28]显示：肿足蕨科的起源可追溯到侏罗纪，而骨碎补科最早起源分化开始于白垩纪。本文鳞片着生方式、鳞片邻接细胞壁特点、鳞片边缘及突起物类型均支持大膜盖蕨属归于肿足蕨科，尤其是鳞片着生方式，大膜盖蕨属和肿足蕨属植物叶柄基部鳞片均为基部着生，而骨碎补科叶柄基部鳞片为盾状或假盾状着生，这一特征可以区分肿足蕨科和骨碎补科植物，同时也与蕨类植物鳞片的形态特征演化趋势相一致，对于大膜盖蕨属的分类和系统演化研究具有十分重要的意义。另外，鳞片的边缘及边缘突起物类型在肿足蕨科和骨碎补科间也存在一定差异，同样支持大膜盖蕨属不属于骨碎补科，而属于肿足蕨科。大膜盖蕨属和肿足蕨属植物的鳞片边缘均具单细胞或单列细胞组成的毛，而骨碎补科植物的相邻两细胞的相邻处突出，形成齿状刺或稍长的齿状毛或者为边缘线不清晰的啮蚀状。有关鳞片边缘及边缘突起物类型在蕨类植物系统分类和演化中的应用尚未见报道，其演化趋势尚不明确，有待进一步研究。

鳞片形态特征的支序分析结果显示：肿足蕨科和骨碎补科10个种类聚成2支，大膜盖蕨属和肿足蕨属的2个种类聚为一支，自展支持率为74%，支持大膜盖蕨属和肿足蕨属具有较近的亲缘关系，支持大膜盖蕨属归于肿足蕨科，与分子系统学的研究结果一致。由于本文观察的种类有限，各分支的自展支持率较低，今后应增加样品量进行系统分析，同时选取不同的分类群作为外类群进行比较分析。