金花茶系叶表皮形态的形态学观察

金花茶系叶表皮形态的形态学观察

sect.chrysata属于茶园科，1979年由张达摩教授创立（张达摩，1979）。由五室系(ser.Flavae)和金花茶系(ser.Chrysanthae)组成,集中分布于广西南部和越南北部,个别种分布于云南和贵州(张宏达等,1998)。广西南部是金花茶组植物的分布中心,主要分布于防城、宁明、凭祥、龙州、崇左、扶绥、大新、天等、邕宁、南宁、隆安、武鸣、平果、田东等县(市)。分布区的南端约为21°30′N、北端为23°40′N、西端为106°40′E、东端为108°35′E。生于海拔700m以下,以海拔200~500m之间较常见,垂直分布的下限为海拔20m左右。金花茶组植物分布在石灰岩山地和非钙质山地两种土壤类型,在自然条件下未见到同一种类型的金花茶在两类不同性质的土壤上出现(苏宗明,1994)。金花茶组植物是世界珍贵、稀有的观赏植物和种质资源,自20世纪60年代初在我国广西发现以来,便成了人们关注和研究的热点。由于其自然分布范围极其狭窄,金花茶组植物的外部形态特征比较相似,因而在种的分类上一直存在较大分歧(张宏达,1996,1998;叶创兴等,1992;梁盛业等,1993)。其中有3个较有影响的系统或观点,一为梁盛业(1993)为代表的观点,种类最多,1993年出版了金花茶专著。二为张宏达(1998)为代表的观点,以中国植物志为代表。这两种观点都承认金花茶组。三为闵天禄先生为代表的观点,包含种类最少,FloraofChina即属该观点(吴征镒等,2008),认为金花茶组不成立,应归入古茶组。近年来,叶表皮特征的研究越来越受到植物学家所重视,并在相当多植物的分类学或系统学研究中发挥了重要作用(陈之端等,1991;任辉等,2003)。本文利用光学显微镜对金花茶组金花茶系25个分类群的叶表皮形态特征进行了观察,旨在为探讨金花茶系植物形态结构的生态学意义和分类学问题提供解剖学依据。1已归并种种多源性茶的种类本研究植物材料来源见表1。其中8种3变种是FloraofChina确认的种类(吴征镒等,2008):显脉金花茶C.euphlebia、云南金花茶(簇蕊金花茶)C.fascicularis、凹脉金花茶C.impressinervis、小花金花茶C.micrantha、淡黄金花茶C.flavida、薄叶金花茶C.chrysanthoides、平果金花茶C.pingguoensis、贵州金花茶C.huana、小果金花茶C.petelotiivar.microcarpa、东兴金花茶C.indochinensisvar.tunghinensis、顶生金花茶C.pingguoensisvar.terminalis;有13种是已归并的种类:多瓣金花茶C.multipetala归入多变淡黄金花茶C.flavidavar.patens,金花茶C.nitidissima和中东金花茶C.achrysantha归入金花茶C.petelotiivar.petelotii,大样金花茶C.grandis、毛籽金花茶C.ptilosperma、弄岗金花茶C.longgangensis和陇瑞金花茶C.longruiensis归入淡黄金花茶C.flavidavar.flavida,夏石金花茶C.xiashiensis和龙州金花茶C.lungzhouensis归入薄叶金花茶C.chrysanthoides,柠檬黄金花茶C.limonia、小瓣金花茶C.parvipetala和扶绥金花茶C.fusuiensis归入柠檬金花茶C.indochinensisvar.indochinensis,离蕊金花茶C.liberofilamenta归入贵州金花茶C.huana;还有1种是已被移入实果茶组的种类:毛瓣金花茶。为探讨金花茶系植物的形态学和分类学问题,它们仍按原发表种类被用于本研究。选取正常生长的不同植株近顶部朝阳方向的成熟叶片。截取叶片近中部中脉两侧部分,用次氯酸钠溶液离析,番红染色或不染色,制成临时装片(李凤英等,2004)。采用Olympus光学显微镜来观察和照相。气孔密度为单位面积的气孔个数,观测5个40倍物镜下显微镜视野的气孔数目;气孔指数计算式为I=[S/(S+E)]×100%(S代表一定面积内的气孔数目,E代表相同面积内表皮细胞的数目),取20组数据的平均值。2结果与分析2.1下表皮为单一细胞,非嘴唇在所观察的金花茶系25个分类群的叶片中,表皮毛仅在毛瓣金花茶的下表皮有分布,为单细胞毛,非腺毛;其基部圆形,先端渐尖(图版Ⅰ:1)。金花茶系植物叶片的下表皮均有腺点,圆形,由一些形状较小的细胞聚集而成,如凹脉金花茶(图版Ⅰ:2)。表皮毛和腺点周围均为普通表皮细胞,但其细胞垂周壁往往比较平直(图版Ⅰ:1-2)。2.2细胞的形态特征金花茶系植物叶片上表皮的结构比较单一,无气孔器分布,细胞的形态特征基本相似。细胞均为不规则形,大小不等,细胞壁明显加厚,垂周壁式样主要呈波状,如金花茶、小果金花茶、龙州金花茶和中东金花茶等(图版Ⅰ:3-6)。2.3下表皮下表皮结构较复杂,由表皮细胞和气孔器组成。下表皮细胞垂周壁式样,气孔形状、密度和指数等形态结构特征,在一些种间存在明显差异(表2)。2.3.1贵州不同部位菌组成及气孔密度表1下表皮细胞均比上表皮细胞大,细胞形状均为不规则形,细胞的垂周壁式样有较平直、浅波状、波状和深波状4种。其中,垂周壁较平直或稍弯曲的有6个分类群:毛籽金花茶、陇瑞金花茶、大样金花茶、淡黄金花茶、夏石金花茶和弄岗金花茶(图版Ⅰ:7-12);垂周壁呈浅波状的有5个分类群:中东金花茶、薄叶金花茶、小瓣金花茶、扶绥金花茶和柠檬黄金花茶(图版Ⅰ:13-15;图版Ⅱ:16,17);垂周壁呈波状的有5个分类群:金花茶、小果金花茶、离蕊金花茶、平果金花茶和顶生金花茶(图版Ⅱ:18-22);垂周壁呈深波状的有9个分类群:多瓣金花茶、贵州金花茶、东兴金花茶、簇蕊金花茶、毛瓣金花茶、凹脉金花茶、小花金花茶、显脉金花茶和龙州金花茶(图版Ⅱ:23-31)。另外,贵州金花茶下表皮细胞的细胞核特别明显(图版Ⅱ:24)。表2中,气孔密度(Stomataldensity):Mann-WhitneyTest:Z=-2.158,n1=17,n2=8,P=0.031);气孔指数(Stomatalindex):Mann-WhitneyTest:Z=-0.117,n1=17,n2=8,P=0.932。2.3.2近圆形分类群金花茶系植物叶片上的气孔器仅分布于下表皮,均为环列型,与敖成齐等(2002)报道的山茶属植物叶表皮的研究结果相同。其由3个大小不等的副卫细胞围绕着保卫细胞(图版Ⅰ:7-15;图版Ⅱ:16-31),副卫细胞具有较厚的角质层,常被染成深色(图版Ⅰ:10;图版Ⅱ:27,30)。气孔器主要为散生,也偶有两个连生(图版Ⅱ:19)。气孔的形状为圆形至椭圆形,其中,气孔呈圆形的有5个分类群:中东金花茶、金花茶、顶生金花茶、贵州金花茶和龙州金花茶(图版Ⅰ:13;图版Ⅱ:18,22,24,31);气孔明显呈椭圆形的有3个分类群:簇蕊金花茶、凹脉金花茶和显脉金花茶(图版Ⅱ:26、28、30);其余为介于圆形至椭圆形之间,即近圆形,有17个分类群:毛籽金花茶、陇瑞金花茶、大样金花茶、淡黄金花茶、夏石金花茶、弄岗金花茶、薄叶金花茶、小瓣金花茶、扶绥金花茶、柠檬黄金花茶、小果金花茶、离蕊金花茶、平果金花茶、多瓣金花茶、东兴金花茶、毛瓣金花茶和小花金花茶(图版Ⅰ:7-12,14-15;图版Ⅱ:16,17,19-21,23,25,27,29)。气孔密度在102.0~230.4个/mm2之间,毛籽金花茶的平均气孔密度最大,为230.4个/mm2,小瓣金花茶的平均气孔密度最小,为102.0个/mm2;气孔指数在17.00%~34.86%之间,多瓣金花茶的平均气孔指数最大,为34.86%,贵州金花茶的平均气孔指数最小,为17.00%;气孔密度和气孔指数间不具明显相关性(表2),但气孔密度的大小与自然分布地生境的土壤类型密切相关。自然分布地生境为石灰岩山地种类,气孔密度普遍较大,除了簇蕊金花茶的平均密度为106.9个/mm2,其余均为123.6~230.4个/mm2;自然分布地生境为非钙质山地种类,气孔密度普遍相对较小,平均密度为102.0~159.2个/mm2(表1,2)。在所观察的25个分类群中,自然分布地生境为石灰岩山地的种类有17个,平均气孔密度在120个/mm2以上的有16个,占94.1%,平均气孔密度在160个/mm2以上的有9个,占52.9%;自然分布地生境为非钙质山地的种类有8个,平均气孔密度在120个/mm2以上的有5个,占62.5%,而平均气孔密度在160个/mm2以上的为0。Mann-Whitney验证结果表明,分布于石灰岩山地和非石灰岩山地二种土壤类型的金花茶种类,气孔密度在整体上存在显著差异(Mann-WhitneyTest:Z=-2.158,n1=17,n2=8,P=0.031),而气孔指数大小与土壤类型没有相关性(Mann-WhitneyTest:Z=-0.117,n1=17,n2=8,P=0.932)。3结论和讨论3.1气孔密度与原分布地生境及土壤类型的关系金花茶系植物叶片上表皮均无气孔器分布,细胞形态相似(图版Ⅰ:3-6)。从解剖学的角度看,上表皮无气孔分布,细胞壁加厚,是被公认的抗旱性结构特征。这种结构有利于增强叶片上表皮的硬度和致密性,加强表皮的机械支持和保护作用,有效减少蒸腾失水,防止萎蔫。结构是功能的基础。金花茶系植物自然分布区极其狭窄,垂直分布高度相近,叶片上表皮的形态结构比较一致,是这些植物长期适应分布区气候的结果,是其结构与环境高度相适应的共同表现,在一定程度上反映了其结构与功能相统一的辩证关系。金花茶系植物叶片的气孔均分布于下表皮。气孔在较荫蔽条件下,有利于叶片进行气体交换,在水分充足时提高蒸腾速率降低叶片温度,提高机体对林下闷热环境的耐受力,在水分不足时减少蒸腾失水并保持气体和气腔的湿润,增强抗旱力。研究结果显示,金花茶系植物叶片气孔密度与自然分布地生境的土壤类型关系密切,分布于石灰岩山地的种类,气孔密度在整体上明显大于分布于非钙质山地的种类(表1,2),据Mann-Whitney验证表明,分布于这两种不同土壤类型的种类气孔密度存在显著差异。叶片气孔密度大,是公认的旱生形态。通常情况下,其受湿度、光照、温度和荫蔽度等地上生态因子的影响较为密切。石灰岩山地的水肥条件及生存环境相对于非石灰岩山地较为恶劣,长期的逆境塑造与演化,可能使其植物叶更倾向于旱生形态,这也是其结构与环境高度相适应的表现。叶片是植物对环境变化最为敏感的器官,一般认为,叶表皮的角质层厚度和气孔密度等特征易受生态因素的影响,但也有实验结果表明,叶表皮特征受遗传因子强烈控制(Culter,1979;Culter&Randham,1977)。本研究的实验材料均采于非钙质土栽培植株(表1),然而,其由原分布地生境及土壤类型影响而演化形成的叶表皮性状仍然存在。原生境为石灰岩山地的种类,气孔密度在整体上明显比原生境为非钙质山地的种类大(表2)。这表明叶的形态结构在环境综合因子的长期影响下演化形成,不会因为个体栽培条件的变化而改变,而这种长期演化形成的性状特征是相对稳定的,并在一定程度上受遗传因子所控制。金花茶系植物叶片表皮的形态结构具有生态学意义。3.2胞外壁齿状的形态特征金花茶系植物叶上表皮的形态结构相似,在种间没有明显的差异,说明金花茶系植物种间具有密切的亲缘关系。但其叶下表皮的形态结构在一些种间存在着明显的差异(表2),可为一些种的分类提供解剖学上的依据。从图版Ⅰ、Ⅱ可见,毛瓣金花茶具表皮毛(图版Ⅰ:1);簇蕊金花茶气孔椭圆形,垂周壁深波状(图版Ⅱ:26);凹脉金花茶气孔椭圆形,垂周壁深波状,表皮细胞狭长(图版Ⅱ:28);小花金花茶气孔近圆形,垂周壁深波状,副卫细胞外壁齿状突起较长(图版Ⅱ:29);显脉金花茶气孔椭圆形,垂周壁深波状,副卫细胞外壁齿状凸出较明显(图版Ⅱ:30)。这些种特征差异明显。另外,本研究下表皮的形态图以细胞垂周壁式样的近似度排列,为方便描述,下面主要以图序为顺序讨论一些分类学问题。毛籽金花茶、陇瑞金花茶、大样金花茶、淡黄金花茶和弄岗金花茶5个分类群的气孔均呈近圆形,垂周壁较平直或浅波状,细胞形态极其一致,只是淡黄金花茶的气孔密度较小(图版Ⅰ:7-11;表2),支持将它们归并为一个种;多瓣金花茶气孔呈近圆形,而细胞垂周壁式样为深波状,其细胞形态与淡黄金花茶存在着一定的差异(图版Ⅱ:23),支持把多瓣金花茶归为淡黄金花茶的变种——多变淡黄金花茶(吴征镒等,2008)。夏石金花茶(图版Ⅰ:12)、薄叶金花茶(图版Ⅰ:14)和龙州金花茶(图版Ⅱ:31)3个分类群,前二者的气孔均为近圆形,细胞垂周壁式样为较平直或浅波状,表皮的形态结构极其相似,可归为一个种,而龙州金花茶的气孔为圆形,细胞垂周壁式样为深波状,表皮的形态结构存在较大差异,应该是一个独立的种(张宏达等,1998)。中东金花茶(