彭盡暉, 范 適, 陳海霞*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院,湖南 長沙 410128; 2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽 421005)

四種繡球?qū)僦参锶~表面特征的比較研究

彭盡暉1, 范 適2, 陳海霞1*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院,湖南 長沙 410128; 2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽 421005)

采用電子掃描電鏡(SEM)對四種繡球?qū)僦参锶崦C球、臘蓮繡球、圓錐繡球和八仙花的葉表面特征進行了研究,主要研究結(jié)果為:四種繡球?qū)僦参锏臍饪酌芏群托誀罹幌嗤?圓錐繡球、臘蓮繡球和八仙花的氣孔為長橢圓形,而柔毛繡球的氣孔為卵圓形;柔毛繡球的氣孔密度最大,達到819.43個/mm2,圓錐繡球的氣孔密度最小,僅為286.05個/mm2;表皮毛的長度、寬度、密度、形狀和附屬部件的特征也各不相同,臘蓮繡球的表皮毛為線狀,表面有許多丘狀突起,柔毛繡球表皮毛呈薄片狀,表面密布乳突狀突起,圓錐繡球的圓錐狀表皮毛上有很多星狀附件,八仙花沒有明顯的表皮毛,但是其表面有顆粒狀的附屬物.由以上四種繡球?qū)僦参锉砥の⒂^形態(tài)的比較結(jié)果可知,表皮特征可作為植物分類的一個依據(jù).圖2,表2,參25.

繡球?qū)?掃描電鏡;氣孔;表皮毛

繡球?qū)偈抢C球花科中最大的屬,可分為10個組,73個種,主要分布區(qū)域為南亞、南美和北美洲,其中原產(chǎn)中國的有47個種和11個變種,占世界總數(shù)的63%[1].八仙花是重要的觀賞植物,它不僅具有很高的觀賞價值,而且還有很重要的藥用價值.在1867年,Maximowicz根據(jù)其離瓣特征和生長習(xí)性,將繡球?qū)僦参锓譃槔C球組和蓋冠組.基于其外部形態(tài),繡球?qū)僦参锷L特性差異很大,如花粉的形態(tài)特征不同,以及其葉脈有很多的類型[2-3].近年來,繡球?qū)僦参锏姆诸愐不谧臃课恢?、蒴果頂端特征和花瓣分離和連合等特性,鄭萬鈞將繡球?qū)俜譃閮山M,分別為繡球組和藤八仙組,其中繡球組又分為繡球花系、掛苦樹系和臘蓮系三個[4].課題組收集了很多繡球?qū)僦参?SRAP標記結(jié)果表明,在湖南廣泛分布的四種繡球?qū)僦参?即圓錐繡球?qū)儆趻炜鄻湎?臘蓮繡球和柔毛繡球?qū)儆谂D蓮系,八仙花屬于繡球花系[5-6].

表皮是研究植物親緣關(guān)系的重要器官.氣孔和表皮毛是表皮的重要組成部分.近年來,通過分子遺傳學(xué)的方法研究擬南芥的毛狀體發(fā)現(xiàn)了許多控制植物毛狀體發(fā)育的基因[7].隨著掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展,植物的表皮特征也被認為是分類的依據(jù)之一,現(xiàn)已成功應(yīng)用于殼斗科[8]、風車藤屬[9-10]和櫟屬[11-12]等,然而對繡球?qū)僦参锶~片表皮特征的報道較少.本文采用掃描電鏡通過對四種繡球?qū)僦参锏谋砥っ卣鬟M行觀察,旨在闡明表皮毛特征在繡球?qū)僦参锓诸愔械闹匾饔?為繡球科的系統(tǒng)分類提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 植物材料

四種繡球?qū)僦参锇讼苫?、臘蓮繡球、柔毛繡球和圓錐繡球均采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地.

1.2 葉片氣孔器觀察

采用過氧化氫一冰醋酸離析法.以成熟葉片為試材,取其中部面積約1 cm2的小葉片,投入沸水中煮5～10 min,然后轉(zhuǎn)入30%過氧化氫與冰醋酸體積比為1∶1的離析液中浸泡,在60℃溫箱中放12 h;當觀察至表皮與葉肉組織分離后,用水洗凈,然后用1%番紅酒精溶液染色15 min進行制片,最后采用 Motic BR300電子顯微鏡觀察和拍照.

1.3 氣孔、氣孔器大小與形狀觀測

利用數(shù)碼顯微鏡攝像系統(tǒng)(Motic BR300; Motic, 中國)觀測氣孔和氣孔器的長軸、短軸以及氣孔的形狀.在40倍物鏡下觀察拍照,每一樣品隨機選取10個視野進行統(tǒng)計.圖像處理系統(tǒng)采用Motic Images Advanced3.2軟件.

1.4 氣孔密度測定

在40倍物鏡下觀察,每一樣品隨機選取10個視野,統(tǒng)計每個視野內(nèi)的氣孔數(shù)量,求其平均值;隨后用物鏡測微尺量取視野直徑(r),計算視野面積.用視野中氣孔的平均數(shù)除以視野面積,即可求出氣孔密度(個/mm2).

1.5 氣孔面積測定

根據(jù)上方法所測氣孔器的長軸和短軸值,通過公式S=a×b×π×l/4計算得到.

1.6 表皮毛掃描電鏡觀察

材料處理方法參照文獻[13],采用掃描電鏡(Jeol JSM-T3000)進行觀察,在100倍目鏡下觀測毛狀體的大小和密度,在2000倍目鏡下觀察毛狀體的附屬物.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣孔器的特征

氣孔器由氣孔和兩個腎形的保衛(wèi)細胞組成,保衛(wèi)細胞是用來打開和關(guān)閉氣孔,調(diào)節(jié)蒸騰和氣體交換[14].氣孔的密度是指每平方毫米中氣孔的數(shù)量,根據(jù)植物物種和環(huán)境條件的變化,植物典型的氣孔特征也能改變;氣孔的大小和形狀也因物種和環(huán)境條件的不同而不同.如表1所示,柔毛繡球的氣孔器為不規(guī)則形狀,大多數(shù)為卵圓形,面積為446 μm2(22.41 μm × 19.90 μm) ,氣孔密度最大,達到819.43個/mm2,但是氣孔面積僅為54 μm2(11.19 μm × 4.84 μm),占整個氣孔器的12.11%.圓錐繡球的氣孔器為中等大小的長橢圓形,面積為878 μm2(37.27 μm × 23.55 μm),氣孔密度是四種繡球?qū)僦参镏凶钚〉?僅為286.05個/mm2,氣孔面積約 190 μm2(21.33 μm × 8.92 μm),占氣孔器的 21.6%.

表1 四種繡球?qū)僦参餁饪灼魈卣鱐ab.1 The characteristic of Stomatal apparatus of four Hydrangea species

2.2 表皮毛的特征

表皮毛是毛發(fā)狀的附屬物,是由表皮細胞發(fā)展而成的[15].毛狀體的常見類型包括毛發(fā)狀、鱗片狀和腺體狀等等.植物毛可能是單細胞或多細胞、分支或無支鏈的,多細胞毛可能有一個或數(shù)層細胞,支毛可以樹突(樹形),簇絨或星狀(星狀)[7].本研究中,四種繡球植物的表皮毛特征各異,如圖1和表2所示,柔毛繡球的毛狀體呈毛發(fā)狀,且密集,基部寬,呈片狀,向頂端逐漸延伸縮小,頂端銳尖;臘蓮繡球的表皮毛最多且密集,基部扭曲,為狹長的線狀;圓錐繡球的表皮毛稀疏,呈圓錐狀;八仙花無明顯的表皮毛.四種植物表皮毛的密度大小為臘蓮繡球>柔毛繡球>圓錐繡球>八仙花.

四種繡球?qū)僦参锉砥っ细綄傥镄螤钊鐖D2所示,蠟蓮繡球表皮毛上有丘狀突起的附屬物;而柔毛繡球表皮毛附屬物則為乳突狀;圓錐繡球表皮毛上有密集的星狀附屬物;八仙花無明顯表皮毛,表皮上覆蓋了粗糙的顆粒狀物質(zhì),可能為蠟被物[16].綜上所述蠟蓮繡球和柔毛繡球的附屬物均呈突起狀,有一定的相似性,這可能二者親緣關(guān)系較近;圓錐繡球和八仙花外形則存在明顯差別.

表2 四種繡球?qū)僦参锉砥っ卣鱐ab.2 The characteristic of trichomes of four Hydrangea species

圖1 表皮毛特征圖a.柔毛繡球; b.臘蓮繡球; c.圓錐繡球; d.八仙花Fig.1 The character of trichomesa. H.Villosa;b. H.strigosa;c. H.Paniculata;d. H.macrophylla

圖2 表皮毛附屬物圖a.柔毛繡球; b.臘蓮繡球; c.圓錐繡球; d.八仙花Fig.2 The character of trichome appearance.a. H.villosa;b.H.strigosa;c. H.Paniculata; d. H.macrophylla

3 討 論

3.1 表皮的微觀形態(tài)在植物分類中的價值

葉片表皮的特殊器官,如蠟質(zhì)層、毛狀體和氣孔都是從表皮細胞進化而來.氣孔在葉和莖的表皮均有分布,用于氣體交換,氣孔和氣孔器是研究植物親緣關(guān)系的重要器官,它在木本植物分類和進化的研究中有很重要的意義,如蘋果、葡萄、柑橘和梨中均有報道,認為葉片氣孔密度、大小、結(jié)構(gòu)可以作為研究植物起源、進化和分類的重要指標[17-18].Metcalfe (1987)指出氣孔器的形態(tài)與系統(tǒng)發(fā)生之間沒有直接相關(guān)性,但是在一個限定的分類單元(如屬級)結(jié)合其它演化特征,不同類型的氣孔特征具有重要的系統(tǒng)發(fā)生的研究意義[19].表皮微觀特征被用來區(qū)分松屬和落葉松屬[20-21].植物表皮的毛狀體種類多,其形態(tài)和密度因植物種類不同而不同,也可能有種群和個體的差異,因此不同器官上的毛狀體功能也有差異[15,22].毛狀體出現(xiàn)在幾乎所有的陸地植物上,在植物保護方面扮演著重要角色,特別對昆蟲取食、抗干旱和抗紫外線輻射等起作用[23],表皮毛的分布也能作為分類的依據(jù)之一[24].

3.2 葉表皮特征作為繡球?qū)僦参锓诸愐罁?jù)的意義

繡球?qū)僦参餅闇貛浞N,主要分布在中國長江以南和秦嶺山脈一帶.大多數(shù)種類分布在低海拔的山腳和樹林的下層.在中國植物志中,將繡球?qū)俜譃槔C球組和藤八仙組,其中繡球組又分為三個系[4],通過SRAP標記表明,本試驗中的四種繡球?qū)僦参锓謩e屬于不同的組[6].本研究中發(fā)現(xiàn)它們氣孔器在形狀和大小上也有差異,臘蓮繡球和柔毛繡球氣孔器特征相近,八仙花和圓錐繡球的氣孔器相類似.氣孔器密度可能與其生長環(huán)境相關(guān),四種植物差異很大.據(jù)課題組前期研究表明,圓錐繡球和八仙花主要用于城市園林綠化,主要分布在低海拔地區(qū);而臘蓮繡球和柔毛繡球分布在海拔為1000 m左右的山區(qū),呈灌叢狀,目前還未用于城市綠化.因此,基于以上結(jié)果說明氣孔密度與分布的海拔高度有相關(guān)性,光照強度也隨著海拔高度的變化而變化,因此植物氣孔器密度的改變是為了適應(yīng)這一環(huán)境的變化.繡球?qū)僦参餁饪酌芏鹊淖兓匦耘c珙桐有相似性[25].

在本研究中,四種繡球?qū)僦参锉砥っ拿芏纫膊煌?其中臘蓮繡球密度最大,而八仙花則無毛發(fā)狀組織,而是大量片狀蠟質(zhì)層堆積;從表皮的形狀分析,臘蓮系繡球和柔毛繡球為扁平線狀,有一定的相似性.

綜合以上研究結(jié)果,在這四種繡球?qū)僦参镏?臘蓮繡球和柔毛繡球具有很近的親緣關(guān)系,圓錐繡球和八仙花分屬于不同的系,該研究結(jié)果與前期的SRAP標記結(jié)果一致[6].因此,本研究結(jié)果說明葉表皮特征如氣孔器大小和密度、表皮毛形狀與密度等均可以作為繡球?qū)僦参锓诸惖囊罁?jù).

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Biography：PENG Jin-hui, female, born in 1968, associate professor, major in molecular biology of ornamental plants.

Comparative Study on the Leaf Surface Features of Four Hydrangea Species

PENG Jin-hui1, FAN Shi2, CHEN Hai-xia1*

(1. College of Horticulture and Landscape, Hunan Agriculture University, Changsha 410128,China ;2.Landscape Department, Hunan Polytechnic of Environment and Biology, Hengyang 421005,China )

The leaf surface features of four hydrangea species in China were studied under scanning electron microscopy (SEM) for the first time. The leaf surfaces of Hydrangea villosa,H.strigosa,H.paniculata, andH.macrophyllawere observed by using a light microscope and SEM. The results indicate that the four hydrangea species are different in terms of stomatal shape and density. The stomata ofH.macrophylla,H.strigosa, andH.paniculataare long and ellipsoid, whereas those ofH.villosaare oval. The stomatal density ofH.villosais 819.43 units per square millimeter, which is the highest, whereasH.paniculatahas the lowest at 286.05 units per square millimeter. The appearance of the trichomes differs in length, width, density, shape, appendages, and so on.H.strigosahas long and narrow linear trichomes, and many buninoid protuberances are distributed on its surface. The trichomes of H. villosa are flaky with papillose appendages.H.paniculatahas cylindrical-conical trichomes and stellate appendages.H.macrophylladoes not have trichomes but its cuticular appendages are granuliform. The cuticular micromorphology of four hydrangeas supports the taxonomic assignment in “The Flora of China.” 2figs.,2tabs.,25refs.

Hydrangea; scanning electron microscopy(SEM); stomatal apparatus; trichome

2016-06-17

國家自然科學(xué)基金資助(編號:31201656);湖南省教育廳青年基金資助(編號:14B093);湖南省林業(yè)廳科技計劃資助(項目編號:XLK201338)

彭盡暉(1968-),女,湖南岳陽人,博士,副教授,研究方向:觀賞植物分子生物學(xué). *通訊作者,E-mail:377817046@qq.com

2095-7300(2016)04-028-05

Q949

A