周勇輝 劉玉萍 拉 本 李兆孟 蘇 旭* 馬永貴

(1.青海師范大學生命與地理科學學院，青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，西寧 810008； 2.青海師范大學青藏高原環(huán)境與資源教育部重點實驗室，西寧 810008； 3.青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，西寧 810008)

扇穗茅屬兩個代表種的廣義形態(tài)特征及其系統(tǒng)關(guān)系

周勇輝1,2劉玉萍1,2拉 本1,2李兆孟1,2蘇 旭1,2*馬永貴3

(1.青海師范大學生命與地理科學學院，青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，西寧 810008；2.青海師范大學青藏高原環(huán)境與資源教育部重點實驗室，西寧 810008；3.青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，西寧 810008)

通過扇穗茅屬兩個物種40個代表居群館藏臘葉標本的查閱、觀測及葉表皮微形態(tài)特征的綜合研究顯示：(1)扇穗茅具有短根狀莖，圓錐花序，每小穗含6～8小花；寡穗茅無根狀莖，總狀花序，每小穗含3～6的小花。顯然，兩者隸屬于不同的類群，是典型的種間關(guān)系；扇穗茅具有較原始的外部形態(tài)特征，而寡穗茅則有較高級的外部形態(tài)特征。(2)扇穗茅屬兩物種的葉表皮皆由長細胞、短細胞、氣孔器細胞組成；同時，兩物種在長細胞的長度與寬度，氣孔器體積大小與分布及副衛(wèi)細胞的形狀，短細胞的豐缺與著生形式等性狀上存在明顯差異。(3)根據(jù)葉表皮性狀的特征和演化趨勢，對物種間系統(tǒng)位置和演化關(guān)系的分析表明，它們具有明顯的種間間斷，并且扇穗茅較原始，寡穗茅較進化，寡穗茅極有可能是由較低級的扇穗茅演化而來。這一系統(tǒng)進化關(guān)系與利用外部形態(tài)特征所獲得的結(jié)論基本一致。

扇穗茅；寡穗茅；葉表皮微形態(tài)；外部形態(tài)特征；系統(tǒng)關(guān)系

扇穗茅屬(Littledalea)是禾本科(Poaceae)雀麥族(Bromeae)的一個多年生高山特有屬。扇穗茅屬目前記錄有4種，即扇穗茅(L.racemosa)、寡穗茅(L.przevalskyi)、藏扇穗茅(L.tibetica)和帕米爾扇穗茅(L.alaica)，它們主要分布于青藏高原及其毗鄰的高山地區(qū)，僅有少部分居群分布在鄰近的稍低海拔地區(qū)，具有較強的耐旱、耐寒、耐堿以及抗病、抗風沙的能力。該屬多數(shù)物種如扇穗茅、寡穗茅等具有相對發(fā)達的根系，是保土固沙的一類重要物種。該屬植物營養(yǎng)價值較高，是畜牧業(yè)上重要的優(yōu)良牧草；所有物種的花序相對粗長、穗多粒大，加之抗逆性強的優(yōu)點，是農(nóng)、牧業(yè)上禾草良種繁育的重要基因資源。

扇穗茅屬系由Hooker于1896年所建立，當初建立時，僅為1個產(chǎn)于中國西藏地區(qū)的模式種藏扇穗茅[1]。嗣后，諸多學者如耿以禮[2]、Tzvelev[3]、吳征鎰[4]、盧生蓮[5]、劉亮[6]等相繼對扇穗茅屬植物進行了一系列的分類學研究，取得了令人稱羨的成績。盡管前人的研究功不可沒，但它們卻具有較大的局限性，如有的學者僅采用單一的外部形態(tài)性狀來建立新物種，也有的學者僅采用單一的研究手段來確定物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，這種局部的、不完整的研究資料并不能代表整個扇穗茅屬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。尤其是關(guān)于扇穗茅屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究，目前國內(nèi)外尚未見報道。據(jù)此，本文擬以扇穗茅屬中兩個代表種—扇穗茅和寡穗茅為研究對象，以葉表皮微形態(tài)特征為依據(jù)，結(jié)合外部形態(tài)特征，試圖探討該屬部分物種間的系統(tǒng)進化關(guān)系，旨在為整個扇穗茅屬植物系統(tǒng)與進化關(guān)系的研究提供基礎資料。

1 材料和方法

1.1 實驗材料的選擇

供試材料全部取自副份館藏臘葉標本，每個代表種的典型憑證標本詳見表1。整個葉表皮解剖和外部形態(tài)的觀測材料共40份，盡量選取不同緯度、不同海拔的材料進行實驗。由于實驗類群葉片上表皮的形狀差異較小和實驗效果不大，故本文實驗重點放在葉片下表皮上。

1.2 研究方法

1.2.1 外部形態(tài)觀察

對扇穗茅屬兩個代表物種不同來源的40份館藏臘葉標本分別進行旗葉長度、旗葉寬度、葉片被毛狀況、花序長度、花序分枝數(shù)、小穗數(shù)、小穗長度、每小穗小花數(shù)、小穗顏色、穎體長度、穎片形狀、穎片被毛狀況、第一外稃長度、外稃被毛狀況、第一內(nèi)稃長度、外稃形狀等這16個性狀的觀察和測量。每個代表居群取4～5株，個別居群只選取1～2株觀察的平均數(shù)，再將不同居群的觀察資料取平均，以對兩個物種進行相互比較；同時，對于分類價值較大的外部形態(tài)形狀矩陣，應用SPSS軟件進行主成分分析(principal component analysis，PCA)。

1.2.2 葉表皮微形態(tài)觀察

用于葉表皮微形態(tài)觀察的材料均取自花序下第2葉片的中間部段，共兩個物種40個代表居群。按常規(guī)葉表皮解剖法操作，即先將葉片用沸水軟化10～15 min，材料軟化后置于塑料板上用單面刀片輕輕刮削，使其保留葉片上、下表皮薄膜層，然后清水洗凈薄膜，用1%的番紅染色1～2 min，再置于光鏡下觀察，同時進行描述、繪圖、拍照等工作，最后以常規(guī)永久制片法脫水封固保存。長細胞測其絕對長度，每個代表居群取3個以上視野，每個視野取10個細胞，取平均值；氣孔器大小測其長寬比，每個代表居群取3個以上視野，每個視野取6個氣孔器，取平均值。葉表皮特征用Metcalfe[7]的微形態(tài)術(shù)語進行描述。

2 結(jié)果與分析

2.1 外部形態(tài)性狀差異分析

扇穗茅屬兩個物種40個代表居群16個性狀的觀察統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。顯然，表2中兩個物種的各項統(tǒng)計值是基本符合中國一些植物志書上記載的該類植物各對應性狀數(shù)值，即使是寡穗茅與原始描述相比，也僅在植株高矮、花序長短、兩穎片長度等少數(shù)性狀上有微小差異[6]，這可能與觀察標本的數(shù)量、區(qū)域、生境有關(guān)，但并未超出該類群的性狀變異范圍。在表2所列的性狀數(shù)據(jù)中，有些性狀如花序分支數(shù)、小穗顏色、穎片被毛、外稃形狀在兩個物種間表現(xiàn)重疊，差異皆不明顯；而其他絕大多數(shù)性狀在類群間卻存在明顯差異，至少能把對應比較的兩個物種的外部形態(tài)間隔大小顯示出來。譬如，對于植株高度、旗葉長度、旗葉寬度、花序長度、花序形狀、每小穗含小花數(shù)、第一外稃長度、穎體長度等性狀，這足以表明扇穗茅和寡穗茅應該隸屬于不同的兩個物種。

同時，對旗葉長寬比、花序長度、花序形狀、花序顏色、小穗數(shù)、小穗顏色、每小穗小花數(shù)、穎體長度、穎體被毛狀況、外稃長度、外稃形狀等11個具有較大分類價值形態(tài)性狀特征構(gòu)成的矩陣進行主成分分析。依據(jù)主成分做二維散點圖，結(jié)果顯示扇穗茅和寡穗茅的所有參試個體呈現(xiàn)兩個不同的分布區(qū)，它們可以將兩個不同物種的代表居群明顯區(qū)分開來，與先前界定的兩物種相符，再次表明扇穗茅與寡穗茅屬于兩個獨立的物種(圖1)。

表1 實驗材料名稱及來源

續(xù)表1Continuedtable1

種名Species憑證標本?Voucher采集地Locality實驗用途Experimentpurpose寡穗茅L．przevalskyi周立華199(QTPMB)L．H．Zhou199(QTPMB)青海治多，海拔4300mZhiduo，Qinghai，alt．4300m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation黃榮福K?069(QTPMB)R．F．HuangK?069(QTPMB)青?？煽晌骼?，海拔4750mMountainPatrol，Qinghai，alt．4750m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation黃榮福K?103(QTPMB)R．F．HuangK?103(QTPMB)青海可可西里，海拔4750mMountainPatrol，Qinghai，alt．4750m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation黃榮福Q22?24(QTPMB)R．F．HuangQ22?24(QTPMB)青?，敹?，海拔4300mMaduo，Qinghai，alt．4300m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation植被地理組547(QTPMB)VegetationGeographyExp．547(QTPMB)青?，敹?，海拔4370mMaduo，Qinghai，alt．4370m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎28921(QTPMB)Y．H．Wu28921(QTPMB)青海瑪多，海拔4170mMaduo，Qinghai，alt．4170m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎28973(QTPMB)Y．H．Wu28973(QTPMB)青?，敹啵０?170mMaduo，Qinghai，alt．4170m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation采集人不詳138(QTPMB)Anonymous138(QTPMB)青海興扎，海拔3800mXingzha，Qinghai，alt．3800m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎18074(QTPMB)Y．H．Wu18074(QTPMB)青海瑪多，海拔4150mMaduo，Qinghai，alt．4150m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎18059(QTPMB)Y．H．Wu18059(QTPMB)青海瑪多，海拔4150mMaduo，Qinghai，alt．4150m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎28803(QTPMB)Y．H．Wu28803(QTPMB)青海興海，海拔4360mXinghai，Qinghai，alt．4360m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎28849(QTPMB)Y．H．Wu28849(QTPMB)青海興海，海拔4130mXinghai，Qinghai，alt．4130m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation吳玉虎28756(QTPMB)Y．H．Wu28756(QTPMB)青海興海，海拔4360mXinghai，Qinghai，alt．4360m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation劉尚武00176(QTPMB)S．W．Shang00176(QTPMB)青海扎多，海拔4700mZhaduo，Qinghai，alt．4700m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation劉尚武1593(QTPMB)S．W．Shang1593(QTPMB)青海澤庫，海拔3900mZeku，Qinghai，alt．3900m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation劉尚武3115(QTPMB)S．W．Shang3115(QTPMB)青海澤庫，海拔2700mZeku，Qinghai，alt．2700m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation虞澤生06664(QTPMB)Z．S．Yu06664(QTPMB)四川色達，海拔4700mSeda，Sichuan，alt．4700m形態(tài)學觀察；葉表皮觀察Usedformorphologicalobservation；Usedforleafepidermalobservation

注：*憑證標本存于中國科學院西北高原生物研究所青藏高原生物標本館(QTPMB)。

Note:*Vouchers are conserved in QTPMB.

表2 扇穗茅屬兩個物種40個代表居群16個外部形態(tài)性狀的觀測結(jié)果

圖1 主要外部形態(tài)性狀主成分的散點圖Fig.1 2D PCA scatter plot of principal component in main external morphological characters

2.2 葉表皮微形態(tài)形狀差異分析

光鏡下觀察了扇穗茅屬中扇穗茅和寡穗茅40個代表居群的葉表皮微觀特征，發(fā)現(xiàn)它們的葉表皮皆由長細胞、短細胞、氣孔器細胞所組成。長細胞普遍分布在兩個代表物種中，通常呈長方形縱向相接成行，平行排列于脈間與脈上，一般脈上1～4列，脈間4～30列，長80～600 μm，寬16～36 μm，其細胞壁厚而密波狀彎曲或薄而平直無波紋；短細胞孿生或單生，稀不著生，與長細胞相間排列，呈馬鞍形、新月形、圓球形；氣孔器細胞通常零星分布或1～2列生于脈間，偶爾出現(xiàn)3列以上的分布現(xiàn)象，長45～115 μm，寬28～70 μm，副衛(wèi)細胞呈圓頂形、底圓頂形或平邊形。在兩個物種的代表居群中，這幾類結(jié)構(gòu)細胞的形態(tài)、數(shù)量和葉面的組合式樣不盡相同，尤其是長細胞的長短、寬窄或細胞壁的厚薄，氣孔器的大小分布及副衛(wèi)細胞的形狀變化，短細胞的豐缺與著生形式的形狀上具有明顯差異。這些差異尤其是在葉片的下表皮上表現(xiàn)格外突出(圖2，表3)，是本文分析兩個物種間系統(tǒng)關(guān)系的重要依據(jù)，故下面著重將兩個物種的下表皮差異特征概括如下：

扇穗茅(L.racemosa)：長細胞明顯短闊，細胞壁薄，平直；短細胞多出現(xiàn)孿生且數(shù)量較多，呈馬鞍形；氣孔器細胞體積小，副衛(wèi)細胞多呈高圓頂形或低圓頂形，而平頂形極少出現(xiàn)。

寡穗茅(L.przevalskyi)：長細胞明顯較短闊，細胞壁厚，彎曲；短細胞單生分布普遍，極少數(shù)出現(xiàn)孿生，多呈新月形，圓球形；氣孔器體積大，副衛(wèi)細胞多呈平頂形。

圖2 扇穗茅屬兩個物種的葉片下表皮光學顯微照片 1～5.寡穗茅；6～10.扇穗茅Fig.2 Light microscopic micrographs on the lower epidermises of leaf blades for two Littedalea species 1-5.L.racemosa; 6-10.L.przevalskyi

3 討論

3.1 葉片下表皮性狀的演化趨勢及系統(tǒng)關(guān)系

在葉表皮解剖上，盡管能用于類群劃分的性狀較多，但具有演化意義且能較易確定演化趨勢方向的性狀則較少。蔡聯(lián)炳等[8～9]曾指出，葉面上長細胞的延長、短細胞類型的簡化，皆與禾本科葉片表皮的系統(tǒng)發(fā)育相順應。嗣后，許多研究[10～12]表明，禾本科植物中壁薄、平直、短銼的長細胞是較原始的類型，壁厚、波曲、展長的長細胞是較進化的類型，即表皮長細胞的演化是一個細胞逐漸伸長、細胞壁變厚、波曲加大的過程；原始類群的短細胞通常是以成排聯(lián)生方式呈現(xiàn)，短細胞的演化趨勢應是馬鞍形→新月形→圓球形；副衛(wèi)細胞的演化趨勢應為高圓頂副衛(wèi)細胞→低圓頂副衛(wèi)細胞→平邊形副衛(wèi)細胞。印證在類群演化上，則長細胞短闊、細胞壁平直，短細胞單孿生、呈馬鞍形和圓球形，氣孔器副衛(wèi)細胞常為高圓頂形，脈帶寬于或等于脈間帶的扇穗茅較原始；長細胞稍長或呈狹長形、細胞壁波狀或密波狀彎曲，短細胞單生、呈新月形和圓球形，氣孔器副衛(wèi)細胞為低圓頂形或趨于平邊形，脈帶明顯窄于脈間帶的寡穗茅較高級。寡穗茅演化過程中長細胞延伸、細胞壁均有不同程度的波曲，短細胞的類型和著生方式以及脈帶與脈間帶相對寬度上均比扇穗茅表現(xiàn)較進化，尤其是寡穗茅短細胞均以單生方式著生，副衛(wèi)細胞多為低圓頂形和平邊形的特征，不僅預示兩者屬于不同的物種，而且也暗示著其可能是由較原始的扇穗茅派生而來的。

3.2 外部形態(tài)形狀的演化趨勢及系統(tǒng)關(guān)系

扇穗茅和寡穗茅兩個物種的上述系統(tǒng)關(guān)系若是印證在外部形態(tài)上，其類群劃分和演化趨勢也十分清楚。在外部形態(tài)上，扇穗茅具有根狀莖，株高16.9～19.7 cm，圓錐花序，每小穗含6～8小花，外稃平滑或有點狀粗糙，花藥長6毫米；寡穗茅無根狀莖，株高26.5～34.7 cm，圓錐花序已演變成總狀花序，每小穗含3～6小花，外稃通常全被柔毛，花藥長約4毫米。顯然，按照Stebbins[13]的理論：原始的禾草可能是叢生、具有短根莖和每小穗小花數(shù)目較多，那么我們不難看出，扇穗茅和寡穗茅是兩個具有明顯間斷的類群，而且扇穗茅應為屬中較原始的類群，寡穗茅應是扇穗茅之上的較高級類群，尤其是其間各自所獨有的一些特征如圓錐花序和總狀花序，示意兩者極可能具有直接的淵源關(guān)系。

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12.劉玉萍,蘇旭,何懿涵,等.國產(chǎn)賴草屬3組植物葉表皮解剖特征及其系統(tǒng)關(guān)系[J].植物研究,2013,33(6):644-652.

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BiosystematicRelationshipsandGeneralizedMorphologicalCharacteristicsofTwoRepresentativeSpeciesfromLittledalea(Poaceae)

ZHOU Yong-Hui1,2LIU Yu-Ping1,2LA Ben1,2LI Zhao-Meng1,2SU Xu1,2*MA Yong-Gui3

(1.Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process in Qinghai Province,College of Geography and Life Science,Qinghai Normal University,Xining 810008；2.Key Laboratory of Education Ministry of Environments and Resources in the Qinghai-Tibetan Plateau,Qinghai Normal University,Xining 810008；3.Key Laboratory of Medicinal Plant and Animal Resources of the Qinghai-Tibetan Plateau in Qinghai Province,Xining 810008)

We comprehensively studied the main character differences of 40 reprehensive populations between the nearest relatedLittledalearacemosaandLittledaleaprzevalskyiby the morphological observation and anatomical analysis of leaf epidermises.L.racemosahas short rhizomes, panicle and 6-8 florets per spikelet, whileL.przevalskyihas no rhizomes, raceme and 3-6 florets per spikelet. They belong to two different species. The former is with more primitive external morphological characteristics, while the latter has more advanced ones. The leaf epidermis consists of long cells, short cells and stomatal cells. There are also differences on the anatomical characteristics of leaf epidermises including length and width of long cells, magnitude and distribution of stomatal apparatus, shape of subsidiary cells, abundance and growing form of short cells. According to the characteristics and evolutionary of trends of leaf epidermises of two species, we inferred their evolutionary positions and relationships. There is obvious discontinuity between them. Especially,L.przevalskyiis more advanced thanL.racemosa, so it might derive immediately from the latter. The biosystematic relationships of these two species are corroborated by the evolutionary trend of external morphology.

Littledalearacemosa;Littledaleaprzevalskyi;morphology of leaf epidermis;external morphological characteristics;biosystematic relationship

國家自然科學基金項目(31260052)；青海省自然科學基金項目(2014-ZJ-947Q)；中國科學院植物研究所系統(tǒng)與進化植物學國家重點實驗室項目(LSE2012-01)；青海省高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用國家重點實驗室培育基地開放課題項目(2013-01)；青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室(2814-Z-Y25)資助

周勇輝(1990—)，男，碩士研究生，主要從事植物分類和分子系統(tǒng)學研究。

* 通信作者：E-mail:xusu8527972@126.com

2015-05-12

Q949.71+4

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.01.004