红豆杉科植物茎次生韧皮部结构的研究

红豆杉科植物茎次生韧皮部结构的研究

1.火炬树立地条件研究人们对taxa族植物做了不同的研究。如:桂耀林等(1974);胡玉熹(1983、1985);陈祖铿等(1978、1979、1984a.b、1985a.b);王伏雄(1979);陈可咏(1996);DenOuter(1967);Huetal(1992);Linetal(1994)等。他们从叶子的表皮特征、胚胎发育、雌雄配子体、受精作用、韧皮纤维和细胞学等方面作了属间系统演化及分类学方面的研究。但对红豆杉科次生韧皮部解剖学方面的系统研究还未见报道。本文通过红豆杉科5属8种植物茎次生韧皮部的解剖结构研究,试图为红豆杉科各属的分类提供解剖学方面的依据。对红豆杉科分族,提出解剖学方面的辅助特征。2.切片与离析法本文供试材料详见表1。上述材料经FAA溶液固定,用1000～4000分子量的碳蜡(聚乙二醇)渗透包埋(田中克己,1961)。在滑走切片机上切片,切片厚度为18～25μm。用做半薄切片的材料,经戊二醛固定,GMA包埋,切片厚度为1.5～2.0μm(徐是雄,1981)。切片经俾斯麦棕—碘绿、间苯二酚蓝、苏木精—番红以及番红—固绿染色。次生韧皮部各组成分子的离析,用10%硝酸～10%铬酸离析法(黄承芬,1990)。供扫描电镜观察用的样品制备:切片经各级酒精脱水,临界点干燥,真空喷镀金膜,最后放入扫描电镜样品室,观察并照像。3.韧皮薄壁组织细胞的解剖结构本科植物茎次生韧皮部由轴向系统和径向系统两部分构成。轴向系统由筛胞、韧皮薄壁组织细胞、蛋白细胞及韧皮纤维组成。径向系统由韧皮射线构成。在具功能韧皮部的横切面上,筛胞与韧皮薄壁组织细胞,各自呈单层细胞的切向带排列;少数蛋白细胞间插在韧皮薄壁组织中。韧皮纤维多数由1层、有的为2～3层细胞组成切向带,并与筛胞、韧皮薄壁组织细胞有规律地相间相列。除澳洲红豆杉属外,其余四属韧皮纤维的外壁均具结晶,其结晶的形状各属不同。在不具功能的韧皮部中,筛胞与蛋白细胞常被挤压,而韧皮薄壁组织细胞明显增大。以上这些特征与前人(DenOuteretal,1974、胡等,1983、1985、Wangetal,1995)的研究基本相同,但各属之间茎次生韧皮部的解剖特征的不同尚未见报道。根据我们的研究,这些不同正是各属之间的系统演化关系之所在,本观察结果的描述也主要侧重各属之间的不同。3.1穗花杉属genus薄壁组织的形态结构Torreya茎次生韧皮部的轴向系统由筛胞、韧皮薄壁组织细胞、韧皮纤维和石细胞组成(图3～4)。径向系统由韧皮射线组成。从横切面上看,各组成分子的排列图式为:筛胞—含晶韧皮纤维—韧皮薄壁组织细胞—筛胞。其中香榧(Torreyagrandis)径向行列为3～9层,排成不连续的切向带;云南榧树(Torreyayannanensis)2～7层。筛胞为切向伸长的长方形或椭园形,切向直径为23μm,径向直径为12μm。径向与纺锤形细胞近似,长650～1700μm,平均(1236±26.3)μm;韧皮薄壁组织细胞4～13个组成一束,多数为8个,不含或少含淀粉颗粒;韧皮纤维两端渐尖,少数末端分叉,其长度变化在450～3800μm之间,横切面上呈径向伸长的长方形。径向直径为34～92μm,切向直径为17～51μm。纤维壁上的结晶为菱形。石细胞由韧皮薄壁组织发育而来,细胞有分枝的也有等径的,单个或成群地分布在韧皮薄壁组织之间。在横切面上,呈圆形或不规则形,次生壁有明显的同心圆加厚,以此可以与含晶韧皮纤维明显区别。没有发现蛋白细胞。韧皮射线同型,单列,含淀粉粒。韧皮射线通常2～7个细胞高,多为4个细胞。每平方毫米39～48条。白豆杉的次生韧皮部属于日本花柏型,筛胞1～5个与韧皮薄壁组织细胞交替排列(图1)。横切面上呈长方形或圆形,径向直径7.3～14μm,切向直径为21.9～29.2μm,纵向长1200～2300μm,平均(1690±12.9)μm。径向壁上有草酸钙结晶,在远离形成带时,筛胞经常被挤毁,这是因为韧皮射线和韧皮薄壁细胞扩大的缘故。韧皮薄壁组织细胞与筛胞有规律地交替排列。横切面上细胞呈圆形至椭圆形,切向直径为14.6～36.5μm。径向面薄壁细胞长73.0～220.0μm。纵向由3～10个细胞组成。蛋白细胞分布于轴向韧皮薄壁组织中,在远离形成层层时,与筛胞一样同时被挤毁。韧皮纤维横切面上是间断的染色带,也有单独的。横切面上呈长方型或方型,径向直径为14.6～29.2μm,切向直径为14.6～21.9μm,纵向长为900～2300μm,平均(1510±12.09)μm。结晶为正方型和六角型。韧皮射线同型,单列,偶见双列。1～6细胞高,大多数2～4细胞高。径切面直径为14.6～29.2μm,宽10.2～20.4μm。频率为每平方毫米44～50条。筛胞1～9个与韧皮薄壁组织细胞交替排列,横切面近形成层的筛胞为长方型或方型,径向直径为6.8～20.4μm,切向直径为10.2～37.4μm,纵向长为1800～2200μm。径向壁上有筛域,卵形至卵圆形。韧皮薄壁组织与筛胞交替排列,横切面圆形至卵圆形,切向直径与筛胞近似。长180～290μm。壁上有单纹孔,端壁上有节状加厚。在远离形成层带处薄壁组织细胞切向直径增大10倍,壁厚,含淀粉颗粒。蛋白细胞与筛胞和韧皮薄壁细胞均有纹孔相连。韧皮纤维3～5个成群或单个分布于韧皮部中,在横切面上,细胞近圆形,直径为180～220μm,平均201.5μm,次生壁木质化,呈层状加厚,具纹孔道,细胞腔大或小,含棕色树脂类物质,单个呈“雪茄”烟形,长1100～2500(1890)μm,长宽比为94,纤维壁表面的结晶为正方形和长方形。穗花杉属除具含晶韧皮纤维外,还有石细胞。其初生壁不含结晶,细胞形状多不规则,具短的突起或分枝。石细胞常与含晶韧皮纤维结合在一起多分布于无功能的韧皮部中。韧皮射线同型,单列,常为1～3细胞高(43.8～87.6μm),个别的可达7细胞高(182.5μm)。径切面韧皮射线薄壁细胞呈长方形,水平长48.6～70.2μm,高19.8～234μm。平均每平方毫米53～63条。筛胞与含晶韧皮纤维和韧皮薄壁细胞交替排列,排列的层次在15层左右(图2、图5)。筛胞长梭形,横切面长方形,径向直径为8～15μm,切向直径为10～15μm,长为1250μm。径向面有筛域,筛域圆形至椭圆形。韧皮薄壁细胞梭形,3～8个形成纵列,横切面椭圆形到圆形,径向直径为30～40μm,纹孔在径向壁和横向壁上,端壁有节状加厚。韧皮纤维横切面骨形,径向直径21～36μm,切向直径15～40μm,长1250～3000μm。细胞外壁有草酸钙结晶,结晶随韧皮纤维的成熟而由小到大,数量也由少到多,结晶的形状为方型和六角形,3～4个细胞一组,几乎成连续的切向带,径向壁有纹孔。韧皮射线最初是斜的,后来是径向的,单列,1～16细胞高。径向直径为35～50μm,切向直径为15～30μm,长为15～35μm。平均每平方毫米33～40条。筛胞与韧皮薄壁细胞在切向面上相间排列,长梭形,横切面上长方形(图6)。径向直径为8～15μm,切向直径为10～25μm,长为160～2400μm,平均1600±13.6μm。韧皮薄壁组织细胞呈梭形,横切面长方形,径向直径为10～20μm,切向直径为20～25μm。纹孔在径向壁和横向壁上,端壁有节状加厚。没有发现蛋白细胞。韧皮纤维横切面圆形至椭圆形,长1000～2600μm。细胞壁无草酸钙结晶。星散分布于薄壁组织中。每组2～4个细胞,径向壁有纹孔。澳洲红豆杉属除具韧皮纤维外,还有石细胞,其石细胞形状为两端钝圆的长梭形或不规则形,横切面圆形至方形,次生壁有明显的同心圆加厚,单个或2～3个分布于无功能的韧皮部中。韧皮射线几乎是径向的,同型,单列,1～10个细胞高。径向直径为10～50μm,切向直径为13～30μm,长15～35μm。平均每平方毫米28～41条。3.2成分子的组成通过对本科8种植物茎次生韧皮部解剖结构的比较观察表明,红豆杉科各个属茎次生韧皮部的组成分子、排列方式基本相同。即均由轴向系统和径向系统两部分组成。轴向系统由筛胞、韧皮薄壁组织细胞、蛋白细胞及韧皮纤维组成;径向系统由韧皮射线组成。但在横切面上,各属组成分子的排列层次、韧皮纤维的形状、数量、有无结晶以及结晶的形状等特征上均有所不同,见表2。4.形态分类的演变从表2可以看出,在红豆杉科各属中,根据茎次生韧皮部横切面上韧皮纤维、筛胞、韧皮薄壁组织细胞和蛋白细胞排列成不同宽度的不规则切向带、韧皮纤维的形状、数量、结晶的有无、结晶的形状等特征把五属区分开。从红豆杉属和白豆杉属韧皮纤维上的结晶形状来看,两属比较一致,都具有正方形和六角形结晶;在筛胞的切向带细胞宽方面,红豆杉属和白豆杉属以及澳洲红豆杉属比较接近;韧皮纤维的长度说明穗花属要比榧树属更原始;属间韧皮纤维长度的变化规律与许多裸子植物和被子植物是相同的(Bailey,1920;Bosshard,1951;Spurr,1954)。关于红豆杉科各属之间的系统演化和族的划分问题,国内外学者提出许多不同的看法,致使众说纷纭:《中国植物志》第七卷(1978)将红豆杉科中族的划分和属的排列顺序列为:族1.红豆杉族(1.红豆杉属、2.白豆杉属);族2.穗花杉族(3.穗花杉属);族3.榧树族(4.榧树族);陈祖铿等(1978)在讨论白豆杉的胚胎发育及系统位置时指出,从胚胎发育的观点出发,根据白豆杉属、红豆杉属、澳洲红豆杉属和穗花杉属为简单的多胚,而榧树属则具裂生多胚,基于简单多胚有向裂生多胚演化的趋势这一观点考虑,最初认为红豆杉科各属的排列顺序是:红豆杉属、白豆杉属、澳洲红豆杉属、穗花杉属和榧树属,即红豆杉属和白豆杉属是最原始的类群,榧树属比较进化;这一结论基本与郑万钧等(1978)大体相同。可是,后来陈祖铿等(1984a、b),在研究了穗花杉的胚胎发育及其系统位置后,鉴于穗花杉属植物具有由复合小孢子叶球组成的穗状花序这一特点,又根据Wilde(1975)关于裸子植物雄球花的演化是从复杂向简单方向进化的观点,又因为穗花属有性周期比较长,而红豆杉属和白豆杉属的有性周期比较短等特点,将红豆杉科的演化顺序,由原始到进化,又重新排列为穗花杉属、澳洲红豆杉属、红豆杉属、白豆杉属和榧树属,即穗花杉属最原始,榧树属最进化;与他们的意见相一致的还有Florin(1948)根据雌球花,尤其是假种皮的特点,认为红豆杉属、澳洲红豆杉属和白豆杉属是比较原始的阶段;又根据雄球花的特征,认为澳洲红豆杉和红豆杉属比榧树属更原始;然而,和这种意见相反的有:叶能干等(1996)根据幼苗的形态特征和子叶的结构,指出:在红豆杉科中,榧树属是最原始的,其原因在于它的幼苗是留土萌发、子叶肥厚、维管束在叶子的上部或顶部为一单束两条、下部和并成双束一条。其次是穗花杉属幼苗为出土萌发、子叶鞘肉质、维管束双束一条。最进化的是红豆杉属和白豆杉属,可能还有澳洲红豆杉属,它们的幼苗为出土萌发、子叶薄、维管束一条。因此,认为红豆杉科族的划分和各族属从原始到进化的排列顺序是:族1.榧树族(1.榧树属);族2.穗花杉族(2.穗花杉属);族3.红豆杉族(3.澳洲红豆杉属、4.红豆杉属、5.白豆杉属);Takhtajan(1953)认为早期松柏类植物的小孢子叶应是叶状,因此,红豆杉属的小孢子叶是衍生的,这说明红豆杉属不是最原始的;Wilde(1975)详细地研究了红豆杉科植物的雄球花,认为白豆杉属和红豆杉属的简单的雄球花不是原始的性状,而是复杂结构退化和融合的结果是前进系列的顶峰;汤仲埙(1986)认为香榧的有性生殖周期长是最原始的性状;另外有一些学者根据自己的研究结果,主张建立不同的科、族:Kudo&Yamamoto(1931)依据穗花杉属雌、雄生殖器官的形态特征,将穗花属从三尖杉科中分离出来,并提出升为一个独立的新科,即穗花杉科。Chuang和胡等(1983)也认为穗花杉属与红豆杉属、榧树属及三尖杉属差别较大,故支持Kudo等人的意见,建立穗花杉科;席以珍(1986a)根据花粉的形态特征,在研究了中国红豆杉科花粉形态后指出,在扫描电镜和透射电镜下观察,红豆杉属和榧树属两个属的花粉外壁较薄,内层均具4～5个小叶片层、外层为一层球状的瘤分子,这表明两属的关系比较密切,因此,主张把红豆杉属和榧树属合并为红豆杉族;同年他还根据穗花杉的花粉粒上有残存的气囊、花粉表面的瘤由聚成堆的颗粒组成、花粉的外壁内层层数多,大约7～9个片层等方面特征与红豆杉科其它属之间存在本质的差别,所以同意Kudoetal(1931)的建立穗花杉科的主张(席以珍,1986b);胡玉熹(1983)根据穗花属和榧树属的一些解剖学特征,如副卫细胞数目都多达10个、极向副卫细胞2～4个、叶肉具一大的树脂道、并包在薄壁组织细胞鞘中、叶内中富含石细胞。在次生韧皮部的横切面上,含晶韧皮纤维呈不连续的切向带分布、木薄壁组织细胞丰富、其端壁具节状加厚等方面完全相同,因此,把穗花杉属和榧树属合归为榧树族,这一观点与Keng(1969)的意见相同;张君增等(1996)根据白豆杉的化学成分,认为白豆杉属植物中未发现在红豆杉属植物中广泛分布的紫杉烷和双黄酮类物质,又结合国外学者在植物的花粉形态、种子蛋白和针叶过氧化酶谱以及一些特征成分,如双黄酮化合物在各属代表种中的分布等方面的研究结果和观点,对白豆杉属的系统位置进行了初步探讨,指出白豆杉属应从红豆杉族中分出,单独成立白豆杉族(Pseudotaxeae)。从红豆杉科植物茎次生韧皮部的解剖结构来看,红豆杉科各属间的演化关系又有一个新的模式,这就是从红豆杉科茎次生韧皮部的含晶韧皮纤维入手来讨论红豆杉科各属之间的演化关系以及族的划分。Chang(1954)报道了在光镜下的红豆杉属和榧树属韧皮纤维壁上的结晶,DenOuter(1974)进一步详细描述了穗花杉属的韧皮纤维上的结晶,这进一步证实了胡等(1985)在榧树属香榧中也发现了的含晶韧皮纤维,虽然含晶