姚雪瑩 陳志祥 王奇志

(華僑大學(xué)園藝系，廈門 361021)

變豆菜屬(SaniculaL.)隸屬于傘形科(Apiaceae)、變豆菜亞科(Saniculoideae)，其模式種為歐洲變豆菜(SaniculaeuropaeaL.)。該屬植物均為二年生或多年生草本，其葉片掌狀分裂、邊緣有明顯鋸齒，花白色、綠白色、淡黃色、紫色或淡藍(lán)色[1]，其果實(shí)近球形且果實(shí)表面密生皮刺，極易粘附于哺乳動物的皮毛上或鳥類的羽毛上，利于該屬植物的傳播和擴(kuò)散[2]。目前，變豆菜屬植物全世界約有40種[3]，主要分布于北溫帶[4]，是典型的東亞—北美間斷分布屬[5]。中國和美國為該屬的兩個分布中心，其中中國有12種4變種特有種[6]，美國有13個特有種[7]。

變豆菜屬自17世紀(jì)中期建立以來[8]，已有許多學(xué)者采用不同的方法對該屬進(jìn)行了分類及系統(tǒng)學(xué)研究。在形態(tài)學(xué)方面，單人驊等[8]根據(jù)變豆菜屬果實(shí)和花的形態(tài)特征將該屬劃分為5個組(Tuberculatae、Pseudopetagnia、Sanicla、Sandwicenses和Sanicoria)，這是目前變豆菜屬廣為接受的分類系統(tǒng)。劉啟新等[9]通過對變豆菜亞科(變豆菜屬11種和刺芹屬2種)植物果實(shí)進(jìn)行了比較解剖學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)變豆菜屬較刺芹屬植物果實(shí)演化程度低。在化學(xué)成分方面，變豆菜屬的血清反應(yīng)極易與傘形科其他類群區(qū)分開[6]。在孢粉學(xué)方面，Phillippe[10]發(fā)現(xiàn)Sanicula組植物花粉粒形態(tài)基本相似，為橢圓形。在分子系統(tǒng)方面，Calvio等[11]根據(jù)葉綠體trnQ-trnK區(qū)域的數(shù)據(jù)，將Hacquetia屬并入了變豆菜屬。由此可見變豆菜屬屬間關(guān)系的研究較多，但屬下關(guān)系的研究報道卻很少，國內(nèi)僅有馬永紅等[12]對6種變豆菜屬植物葉表皮特征進(jìn)行了光學(xué)顯微觀察，認(rèn)為葉表皮特征對于變豆菜屬下種類的劃分和親緣關(guān)系的確定具有一定的分類學(xué)意義。植物葉表皮微形態(tài)特征不僅受環(huán)境影響[13]，同時也是物種遺傳特征的一個重要反映，具有一定的穩(wěn)定性，可用于屬下關(guān)系的研究[14]。近年來利用掃描電鏡研究傘形科葉表皮特征受到了關(guān)注[15～18]，但目前未見使用掃描電鏡研究變豆菜屬葉表皮特征的。本文使用掃描電鏡對11種變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)進(jìn)行觀察分析，可為探討該屬類群界定及種間關(guān)系提供新的證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為變豆菜屬11種(13個居群)的葉片，取自臘葉標(biāo)本。材料信息詳見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將葉片復(fù)水煮沸10～15 min后，經(jīng)酒精梯度脫水、室溫干燥以后，每個物種分上、下表皮在葉脈兩側(cè)中部各取5 mm×5 mm左右的小塊，將上、下表皮各自粘于樣品臺上，噴金鍍膜后，S-4800型掃描電鏡觀察并拍照。在相同的比例尺下，每個樣品隨機(jī)觀察5個視野，并取最具代表性的視野進(jìn)行拍照[19]。

本文部分術(shù)語參照李曼凌[15]、劉小林[20]的描述。

表1 實(shí)驗(yàn)材料來源

表2 變豆菜屬植物葉片上表皮微形態(tài)特征比較

表3 變豆菜屬植物葉片下表皮微形態(tài)特征比較

圖版Ⅰ 掃描電鏡下變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)特征 a.上表皮；b.下表皮氣孔 1.變豆菜；2.天藍(lán)變豆菜；3.長序變豆菜；4.首陽變豆菜；5.鱗果變豆菜PlateⅠ Morphological characteristics of leaf epidermis of Sanicula L. under SEM a.Adaxial epidermis; b.Abaxial epidermis 1. S.chinensis; 2. S.coerulescens; 3. S.elongata; 4. S.giraldii; 5.S.hacquetioides

圖版Ⅱ 掃描電鏡下變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)特征 a.上表皮；b.下表皮氣孔 5.鱗果變豆菜；6.薄片變豆菜；7.S.odorata；8.直刺變豆菜(廣西全州)；9.直刺變豆菜(湖南新寧)PlateⅡ Morphological characteristics of leaf epidermis of Sanicula L. under SEM a.Adaxial epidermis; b.Abaxial epidermis 5. S.hacquetioide; 6. S.lamelligera; 7. S.odorata; 8. S.orthacantha(Quanzhou,Guangxi); 9. S.orthacantha(Xinning,Hunan)

圖版Ⅲ 掃描電鏡下變豆菜屬植物葉表皮微形態(tài)特征 a.上表皮；b.下表皮氣孔 10.直刺變豆菜(甘肅溫縣)；11.紅花變豆菜；12.鋸葉變豆菜；13.天目變豆菜PlateⅢ Morphological characteristics of leaf epidermis of Sanicula L. under SEM a.Adaxial epidermis; b.Abaxial epidermis 10. S.orthacantha(Wenxian,Gansu); 11. S.rubriflora; 12. S.serrata upper; 13. S.tienmuensis

2 觀察結(jié)果

2.1 變豆菜屬植物葉片上表皮微形態(tài)特征

根據(jù)電鏡下觀察結(jié)果，11種變豆菜屬植物具有豐富的上表皮微形態(tài)特征(表2)。上表皮細(xì)胞輪廓大多不清晰，僅直刺變豆菜廣西全州居群(圖版Ⅱ：8a)、湖南新寧居群(圖版Ⅱ：9a)和甘肅溫縣居群(圖版Ⅲ：10a)上表皮細(xì)胞輪廓清晰，且細(xì)胞形狀皆為不規(guī)則形。上表皮初級蠟質(zhì)紋飾均存在條狀紋飾，依據(jù)條狀紋飾寬度分為密集條狀(紋飾寬度<1 μm)和稀疏條狀(紋飾寬度>1 μm)兩類，具有密集條狀紋飾的有變豆菜(圖版Ⅰ：1a)、天藍(lán)變豆菜(圖版Ⅰ：2a)、長序變豆菜(圖版Ⅰ：3a)、首陽變豆菜(圖版Ⅰ：4a)、鱗果變豆菜(圖版Ⅰ：5a)、薄片變豆菜(圖版Ⅱ：6a)、直刺變豆菜廣西全州居群、紅花變豆菜(圖版Ⅲ：11a)、鋸葉變豆菜(圖版Ⅲ：12a)、天目變豆菜(圖版Ⅲ：13a)，具有稀疏條狀紋飾的有S.odorata(圖版Ⅱ：7a)、直刺變豆菜湖南新寧居群、直刺變豆菜甘肅溫縣居群。在二級紋飾上變豆菜屬植物表現(xiàn)出多樣性，其中薄片變豆菜、直刺變豆菜湖南新寧居群以及直刺變豆菜甘肅溫縣居群二級紋飾為連續(xù)脊?fàn)睿贝套兌共藦V西全州居群二級紋飾為連續(xù)雙層脊?fàn)?，其余種類二級紋飾均為不連續(xù)脊?fàn)?。表皮附屬物方面，葉表皮上均有少量或大量的顆粒狀附屬物。在氣孔方面，僅有S.odorata上表皮存在氣孔。

2.2 變豆菜屬植物葉片下表皮微形態(tài)特征

通過對11種變豆菜屬植物下表皮微形態(tài)特征的觀察，可知下表皮均存在氣孔，且氣孔大部分向外隆起。氣孔周圍紋飾呈輻射狀或環(huán)繞狀，紋飾均勻或局部分布在氣孔周圍和葉表皮細(xì)胞上。氣孔大小方面，氣孔長軸最長的是長序變豆菜(圖版Ⅰ：3b)，最短的是直刺變豆菜廣西全州居群(圖版Ⅱ：8b)，氣孔短軸最長的是S.odorata(圖版Ⅱ：7b)，最短的是鱗果變豆菜(圖版Ⅱ：5b)。根據(jù)氣孔的長、寬比值，可將氣孔的形狀分為橢圓形(長寬比<2)和梭形(長寬比>2)兩類，大部分種類的氣孔形狀為橢圓形，僅有鱗果變豆菜和長序變豆菜兩個種的氣孔形狀為梭形。在氣孔外拱蓋表面紋飾方面，變豆菜(圖版Ⅰ：1b)、鋸葉變豆菜(圖版Ⅲ：12b)氣孔外拱蓋表面光滑無紋飾，其他種或多或少氣孔外拱蓋表面存在顆粒狀紋飾，其中天藍(lán)變豆菜(圖版Ⅰ：2b)、長序變豆菜、紅花變豆菜(圖版Ⅱ：8b)氣孔外拱蓋還存在隆起脊?fàn)?。氣孔外拱蓋內(nèi)緣紋飾表現(xiàn)出極大的差異性，變豆菜(圖版Ⅲ：11b)、天藍(lán)變豆菜、薄片變豆菜(圖版Ⅱ：6b)、S.odorata、直刺變豆菜甘肅溫縣居群(圖版Ⅲ：10b)、鋸葉變豆菜、天目變豆菜(圖版Ⅲ：13b)氣孔外拱蓋內(nèi)緣為淺波狀，首陽變豆菜(圖版Ⅰ：4b)、鱗果變豆菜氣孔外拱蓋內(nèi)緣平滑，直刺變豆菜廣西全州居群、直刺變豆菜湖南新寧居群(圖版Ⅲ：9b)氣孔外拱蓋內(nèi)緣近平滑，僅長序變豆菜氣孔外拱蓋內(nèi)緣有顆粒狀紋飾。

3 討論

3.1 變豆菜屬葉表皮微形態(tài)特征及系統(tǒng)進(jìn)化意義

掃描電鏡觀察結(jié)果表明，變豆菜屬11種(13居群)葉表皮微形態(tài)特征在屬內(nèi)具有較高的共性，其上表皮細(xì)胞輪廓大多不清晰，初級蠟質(zhì)紋飾均存在條狀紋飾，表皮上均粘附著顆粒物，上表皮大部分無氣孔；下表皮均存在氣孔且氣孔形狀大多是橢圓形，氣孔周圍存在均勻分布的紋飾，氣孔外拱蓋表面大多有顆粒狀紋飾。上述特征在屬內(nèi)較穩(wěn)定統(tǒng)一，表明變豆菜屬是一個自然的分類類群，支持馬永紅等[12]研究結(jié)果。

11種變豆菜屬植物在二級紋飾類型、氣孔周圍紋飾、氣孔外拱蓋內(nèi)緣紋飾等葉表皮微形態(tài)特征上有明顯的差異。如直刺變豆菜廣西全州居群二級紋飾為連續(xù)雙層脊?fàn)?、紅花變豆菜氣孔蓋內(nèi)緣紋飾為波狀、長序變豆菜氣孔蓋內(nèi)緣紋飾為顆粒狀，這些獨(dú)特的特征使得該種區(qū)別于其他種類，是變豆菜屬種間分類鑒定的重要參考指標(biāo)。

Carolina等[11]通過trnQ-trnK序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)現(xiàn)，S.odorata、變豆菜、直刺變豆菜3個種親緣關(guān)系近，聚為平行支(BS值100%)，難以區(qū)分，而在本研究中，S.odorata上表皮存在氣孔且細(xì)胞輪廓不清晰，二級紋飾為不連續(xù)脊?fàn)?，氣孔外拱蓋表面紋飾為顆粒狀，內(nèi)緣紋飾為淺波狀；直刺變豆菜上表皮無氣孔且細(xì)胞輪廓清晰，二級紋飾為連續(xù)脊?fàn)?，氣孔外拱蓋表面紋飾為顆粒狀，內(nèi)緣紋飾近平滑；變豆菜上表皮無氣孔且細(xì)胞輪廓不清晰，二級紋飾為不連續(xù)脊?fàn)?，氣孔外拱蓋表面紋飾光滑，內(nèi)緣紋飾為淺波狀。上述3個種葉表皮微形態(tài)特征存在差異，可以明確的區(qū)分開。由此可見，葉表皮微形態(tài)特征可作為分子數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，為變豆菜屬種間分類研究提供新的證據(jù)。

在居群水平上，直刺變豆菜3個居群存在部分差異。3個居群細(xì)胞輪廓皆清晰，僅湖南新寧居群上表皮細(xì)胞呈下陷狀；廣西全州居群初級蠟質(zhì)紋飾為密集條狀，而湖南新寧居群和甘肅溫縣居群為稀疏條狀；廣西全州居群上表皮二級紋飾為連續(xù)雙層脊?fàn)睿闲聦幘尤汉透拭C溫縣居群為連續(xù)脊?fàn)?。甘肅溫縣居群氣孔外拱蓋內(nèi)緣紋飾為淺波狀，而廣西全州和湖南新寧居群皆為近平滑。居群間的差異表明生長環(huán)境的變化可能會影響一個物種的表型特征，故在選擇葉表皮作為分類依據(jù)時還應(yīng)該結(jié)合其他分類學(xué)資料。

3.2 葉表皮微形態(tài)特征與環(huán)境的關(guān)系

觀察上表皮初級蠟質(zhì)紋飾的特點(diǎn)，僅為稀疏或密集條狀紋飾兩種類型。一般認(rèn)為初級蠟質(zhì)紋飾是植物為適應(yīng)逆境演化而成的結(jié)構(gòu)，可以反射強(qiáng)光，降低葉溫度，對葉表皮起到保護(hù)作用[13,15]。鱗果變豆菜初級蠟質(zhì)紋飾為密集條紋，且條紋凸起呈顆粒狀，相較其他種類鱗果變豆菜初級蠟質(zhì)紋飾更粗糙。根據(jù)《中國植物志》[1]記載，鱗果變豆菜生長于高海拔地區(qū)(海拔2 650～3 800 m)，我們查閱了來自中國27所高等院校和研究單位的2537份變豆菜屬植物的采集記錄，發(fā)現(xiàn)鱗果變豆菜均采集于海拔3 000 m以上的地區(qū)。本研究鱗果變豆菜同樣采自高海拔地區(qū)(海拔4 000 m)，海拔越高，大氣層越稀薄，太陽輻射就越強(qiáng)，由此我們可以推測鱗果變豆菜上表皮為了反射高海拔地區(qū)較強(qiáng)的紫外線進(jìn)化出了更為粗糙的紋飾結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到自我保護(hù)的目的。而S.odorata采集地海拔為721 m，相較而言海拔低，不被過多的強(qiáng)光所照射，因此這很可能是其上表皮較平坦僅有稀疏條狀紋飾的原因。

綜上所述，11種變豆菜屬植物在上表皮細(xì)胞輪廓、初級蠟質(zhì)紋飾、表皮附著物、氣孔形狀、氣孔周圍紋飾、氣孔外拱蓋紋飾等葉表皮特征上較一致，但在二級紋飾、氣孔、氣孔內(nèi)外緣紋飾等葉表皮特征上存在差異，支持變豆菜屬是一個自然的分類類群的觀點(diǎn)，并且葉表皮微形態(tài)特征的差異可為探究變豆菜屬種間的分類及關(guān)系提供新的證據(jù)。