桑属植物的叶表皮特征及其分类学意义

原标题:桑属植物的叶表皮特征及其分类学意义

摘要：在光学显微镜下观察桑属（Morus.）8个种叶表皮形态特征。结果表明：桑属植物上表皮细胞排列规则，形状为多边形，垂周壁平直；下表皮细胞较窄长，排列不规则，垂周壁微波状起伏。桑叶上、下表皮有非腺毛、腺毛、钟乳体等附属物的分布。桑叶栅栏组织细胞的排列相对紧密且规则，而海绵组织细胞排列松散且不规则，叶肉细胞中还有大量晶体，钟乳体形状多样，上下表皮中都有分布。气孔器仅分布在叶下表皮，属于无规则型，气孔圆形或椭圆形。气孔面积、气孔形态及表皮毛等特征存在一定的种间差异，可以作为桑属植物分类的重要依据。桑属植物叶表皮特征作为该属种间鉴定的指标是可行的，但是依据某个单一的形态特征形状，并不能将各个种之间完全区分开，应该综合多种形态性状进行分析。 

关键词：桑属植物；叶表皮；形态特征；垂周壁；气孔器；分类 

中图分类号： S888.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0328-06 

收稿日期：2014-11-19 

基金项目：国家自然科学基金（编号：21107014）；江西省自然科学基金（编号：2009GZH0008）。 

作者简介：任强（1982―），男，山东济南人，硕士，讲师，主要从事植物生物学和生物技术研究。E-mail：88545866@qq.com。近几十年来，许多研究发现叶表皮细胞形状和气孔器特征在一定程度上能够反映分类群间的系统发生关系，可以用于科以下属间或属以下种间关系的探讨[1-3]。叶表皮及叶结构特征作为一个重要的分类和系统演化的性状已用于多个类群的研究并取得良好的效果[4-10]，均说明叶表皮和气孔器特征是植物系统分类和亲缘关系鉴定的重要指标。 

关博夫曾观察比较了桑叶气孔的形态，发现气孔的大小、多少与桑树染色体的倍性密切相关[11]。余茂德等曾对桑叶气孔的形态进行观察，结果表明，桑叶气孔的大小、多少与染色体倍数呈规律性变化[12]。刘云等运用光学显微镜和扫描镜对11种蚕用桑品种的叶表皮形态和结构进行过观察研究，认为叶表皮细胞和气孔器特征在该属植物分类中具有一定的作用[13]。作为桑属形态分类重要辅助手段的叶表皮的微形态特征，至今尚无人进行过系统研究。本研究利用光学显微镜观察桑属8个种代表植物叶表皮形态特征，旨在为桑属植物的系统研究提供微形态学资料，对该属分类学上的部分问题作初步探讨。 

1材料和方法 

1.1试验材料 

取材时间为09：00―10：00，材料选取桑属8个品种，分别标记为1号白桑（Morus alba Linn.）、2号广东桑（M.atropurpurea Roxb.）、3号鸡桑（M.australis Poir.）、4号华桑（M.cathayana Hemsl.）、5号山桑（M.bombycis Koidz.）、6号蒙桑（M.mongolica Schneid.）、7号长穗桑（M.wittiorum Hand Mazz.）和8号川桑（M.notabillis Schneid.），果期的第3张至第5张成熟叶片作为研究对象。 

1.2玻片标本的制作 

1.2.1桑叶表皮离析整体制片剪取若干叶片中部近主脉处0.5 cm×0.5 cm的小块，用蒸馏水漂洗干净，放入Jeffery 离析液（铬酸 ∶硝酸=1 ∶1）中[14]于70 ℃温箱离析1～1.5 h，直至材料周缘泛白，叶肉与叶表皮开始分离，蒸馏水漂洗后，用毛笔清除上下表皮间的叶肉，用1%番红染色，经乙醇系列脱水后，固绿对染，乙醇继续脱水，二甲苯透明，整体封片，加拿大树胶封片。 

1.2.2桑叶石蜡切片法显微制片取FAA固定好的材料，用蒸馏水漂洗3次，洗去固定液，1%番红过夜整染，蒸馏水漂洗后。经乙醇系列脱水，先从低浓度的乙醇开始，然后递增浓度，直至无水乙醇，各级乙醇1～2 h。将脱水后的材料经1/2二甲苯到二甲苯，各级时间为1～2 h。浸蜡2～4 h，石蜡包埋，旋转式切片机切片，切片厚度8 μm。脱蜡后用固绿对染，乙醇系列脱水，二甲苯透明，加拿大树胶封片。 

1.3观察、测量和统计 

在数码显微影像系统（DMBA400，中国Motic公司生产）中观察、照相、测量。对上下表皮细胞进行观察，对细胞的形状、垂周壁特征、钟乳体细胞、表皮毛等进行观察、统计和照相。在相同倍数下（目镜10×，物镜40×），对每个种随机测量10个视野，每视野测20个气孔器，观察统计气孔器及钟乳体细胞数量，取得平均值。气孔器面积=气孔器长轴长×短轴长；气孔密度=观察面积内气孔器个数/观察面积。本研究所用术语参考文献[10，15-17]。利用SPSS 11.5软件对数据进行统计分析[19]。 

2结果与分析 

2.1桑属叶表皮共有特征 

在光学显微镜下，对桑叶表皮离析、桑叶横切面进行观察，结果（图1）显示，桑叶上表皮细胞排列规则、形状为多边形（polygonal）、垂周壁平直（straight）、无细胞间隙（图1-A）；下表皮细胞较窄长，排列不规则（图1-B），垂周壁微波状起伏；桑叶横切面显示，在细胞表面之间还沉积着1层厚的角质层（图1-C、图1-D）。 

叶离析材料观察结果表明，在桑叶的表皮中还分布大量的表皮附属物，下表皮有或无毛，毛分非腺毛（图1-E、图1-F）和腺毛（图1-G）2种，非腺毛为单细胞，稀疏、长短、粗细不一，表皮毛的形态特征有一定的种间差异。腺毛头状，由多细胞组成，由窄柄顶端膨大的分泌细胞组成的囊状毛，柄由1个（有时几个）细胞和1个基细胞组成（图1-G）。 

表皮细胞中还存在一类特殊的细胞，有研究者称之为巨大细胞[19]，细胞形状似球形，胞内可见1个清晰的晶状体结构，称为钟乳体（图1-H至图1-M），为碳酸钙性质的晶体[13]。钟乳体形状多样，如圆柱形（图1-I）、扇形（图1-J）等。钟乳体细胞在上下表皮中都有，但上表皮分布相对较多（图1-I至图1-K），表皮毛细胞中也有钟乳体的存在（图1-L，1-M）。 　　气孔器主要是由2个保卫细胞和它们之间的开口共同组成（图1-N、图1-O）。气孔器形态特征在桑属内比较稳定，只分布在下表皮，无规则型，气孔的形状多为椭圆形或圆形。但气孔面积存在种间差异。 

叶肉表皮细胞内侧为由薄壁细胞组成的叶肉。桑叶的叶肉由栅栏组织和海绵组织组成，栅栏组织细胞的排列相对紧密且规则，而海绵组织细胞排列松散且不规则（图1-L、图1-M、图1-P、图1-R），叶肉细胞中还分布大量的晶体（图1-R）。 

主脉的最外层表皮细胞排列非常紧密，表面覆盖1层厚的角质层，叶脉表皮细胞内侧为机械组织，具支持作用。机械组织以内为薄壁细胞。其内为维管束，由木质部和韧皮部组成，木质部较发达，在横切面上呈近圆形，导管呈辐射环状排列；韧皮部位于木质部外侧（图1-Q），因此桑叶维管束的排列方式为外韧维管束。 

2.2桑属各个种叶表皮特征 

从图2可以看出，桑属植物气孔器形状分为圆形（图2-A、图2-B、图2-G）和椭圆形（图2-C至图2-F、图2-H）2种类型，除白桑、广东桑、长穗桑外，其余种都是椭圆形。如表1所示，气孔面积在桑属内存在显著差异，气孔面积最大的种为华桑，达（143.82±8.85） μm2；气孔面积最小的为山桑，达 （76.22±4.42） μm2 。种间气孔密度也有一定差异，气孔密度最大种为长穗桑，达（1 614±21） 个/mm2；气孔密度最小的种为蒙桑，达 （1 098±12） 个/mm2 。 

利用光学显微镜对叶片上表皮钟乳体细胞顶面进行观察，统计其钟乳体细胞数量。不同种的钟乳体细胞形态各异，大多数钟乳体细胞顶面为球形（图2-I至图2-L、图2-N至图2-P），如白桑、广东桑、鸡桑、华桑、蒙桑、长穗桑、川桑；少数呈梯形状（图2-M），如山桑。有些研究者曾根据钟乳体细胞的形状来对不同品种的桑树进行分类[13，19]。表1显示，在上表皮细胞中钟乳体细胞最多的是长穗桑，为 （10.50±0.79） 个/mm2 ；分布最少的是蒙桑，为 （7.50±009） 个/mm2。 

采用光学显微镜对叶表皮上的表皮毛进行观察，发现表皮上的非腺毛形态各异（图2-Q至图2-X），在种间存在显著性差异（表2）。长穗桑无表皮毛分布，在叶表皮上偶见有直或弯曲的瘤状小突起（图2-Q）。蒙桑无表皮毛分布（图2-R）。川桑表皮毛疏生，基部显著膨大，先端锐尖，整个毛形呈三角形（图2-S），表皮毛长度为21.9～75.6 μm，基部宽度为19.6～33.9 μm。白桑表皮毛疏生，基部近扁圆球形显著膨大，尾尖渐细，整个毛形呈长漏斗状（图2-T），表皮毛长度为23.6～49.2 μm，基部宽度为12.5～28.8 μm。山桑表皮毛与白桑相似，分布较少，基部突然显著膨大，先端尾尖，毛呈短漏斗形或长圆锥状（图2-U），表皮毛长度为 16.2～32.5 μm ，基部宽度为12.7～23.8 μm。广东桑表皮毛基部膨大，先端渐尖，有弯刀状和漏斗状2种类型（图2-V），表皮毛长度为25.5～62.2 μm，基部宽度为 17.5～25.2 μm 。鸡桑毛中下部椭圆形膨大近等粗，渐尖，先端渐尖，直或弯曲（图2-W），表皮毛长度为 24.2～169.8 μm ，基部宽度为19.9～36.9 μm。华桑表皮毛密生，柔软，基部不膨大、较长、有弯曲（图2-X），表皮毛长度为207.5～352.1 μm，基部宽度为10.6～30.2 μm。 

3讨论 

3.1桑属植物叶表皮及叶肉性状具有相似性 

在光学显微镜下观察发现，所研究的8个桑种上表皮细胞排列规则、形状为多边形、垂周壁平直；下表皮细胞较窄长，排列不规则，垂周壁微波状起伏。桑叶上、下表皮都有表皮毛、腺毛等附属物分布。在上下表皮中都有钟乳体细胞，但上表皮分布相对较多，表皮毛细胞中也有钟乳体的存在。气孔器分布特征在桑属内比较稳定，均为下表皮具有气孔器，气孔类型属于无规则型。栅栏组织细胞的排列相对紧密且规则，而海绵组织细胞排列松散且不规则，叶肉细胞中还有大量的晶体分布。这些种间比较多的相似的特征说明桑属植物是1个自然的分类群，把这些植物归入到1个属中有一定的科学性和合理性。 

3.2 桑属植物气孔器特征的分类学意义 

通过光学显微镜观察发现，桑属植物叶表皮特征有很多相似性，但在气孔器形态、气孔面积、气孔密度等特征上存在一定的差异。因此，依据不同特征可以获得不同的分类群，根据气孔面积可以把各桑种分为3类：华桑、广东桑、长穗桑气孔面积（均大于100 μm2）归为一类；鸡桑、白桑、蒙桑气孔面积（介于80～100 μm2）归为一类；川桑、山桑（均小于 80 μm2）为一类。根据气孔器形态可以把各桑种分为圆形、椭圆形2类：白桑、广东桑、长穗桑归为一类；鸡桑、华桑、蒙桑、川桑、山桑为一类。按照传统的分类，白桑、广东桑、长穗桑、华桑属于无花柱类，应归为一类，这与传统分类出现一定的差异。研究结果中气孔面积最大的种为华桑，最小的为川桑，气孔密度最大的种是长穗桑，最小的种是蒙桑，说明桑属植物种间气孔器的特征差异是明显的，可以作为该属植物种间鉴定的重要指标。 

3.3桑属植物表皮毛特征的分类学意义 

利用光学显微镜对表皮毛进行观察，结果发现，表皮毛形态各异，种间差异明显。根据表皮毛的形态特征规律，将桑种分为3类：（1）长穗桑、蒙桑相似，无表皮毛分布；（2）川桑、白桑、山桑、广东桑表皮毛疏生、较短，基部膨大，先端尾尖，整个毛呈漏斗状、弯刀状或三角形等；（3）鸡桑、华桑表皮毛密生、较长，柔软，基部膨大不显著，先端有弯曲。从叶表皮毛的显微特征推测：桑属植物演化水平由低到高依次为长穗桑、蒙桑→川桑、白桑、山桑、广东桑→鸡桑、华桑。 

3.4桑属植物叶表皮研究的争论 

迄今为止，关于叶表皮及气孔器特征在其他属植物分类中已广泛应用，但在桑属植物内研究较少。关博夫等曾对桑叶气孔的形态进行观察，发现气孔大小、数量等特征在桑树品种间有差异[11-12]，本研究与其结果基本相似。胜又藤夫曾把桑巨大细胞的形态及突起的长度作为分类的依据，将桑树分为4个类型。由于本试验的取材有限，没有发现桑属植物钟乳体细胞形态的显著差异，还有待于进一步的研究。刘云等运用光学显微镜和扫描镜对11种蚕用桑品种的叶表皮形态和结构进行观察研究，结果发现品种间在表皮、叶肉和叶脉上的构造基本相似，主要的差别在于气孔密度、上表皮细胞中的钟乳体细胞数量[13]。 　　背密被白色柔毛；广东桑叶背面无毛，叶脉疏生白色柔毛；鸡桑叶面密生短刺毛，背面疏被粗毛；华桑叶面粗糙有毛，叶背密生柔毛。本研究观察结果与传统的形态描述基本一致。本研究结果进一步验证了这些结论的正确性，同时还发现表皮毛特征对于桑属植物种间鉴定具有非常显著的意义。 

徐淑红等认为，毛状体的种类具有一定的稳定性，不会随着植物分布区域的不同而发生变化，但可以随生境的不同在其数目上有所改变，应用毛状体的类型和其他相关性状可以对植物进行鉴定[22]，本研究结果再次验证了毛状体特征可以对植物进行分类鉴定。 

4结论 

桑属植物叶表皮及叶肉性状具有一定相似性。气孔器形状、气孔面积、气孔密度、钟乳体细胞形状、钟乳体细胞数量、表皮毛形态等特征存在种间差异，根据气孔面积把桑属分为3类，依据气孔器形态可以把桑属分为2类，依据表皮毛特征可以分为三大类，桑属植物叶表皮特征作为该属种间鉴定的指标是可行的，但是依据某个单一的形态特征形状，并不能将各个种之间完全区分开，因此应该综合多种形态性状进行分析。