毛目小科花粉形態(tài)的研究

毛目小科花粉形態(tài)的研究

在apgii（2009年）中，小科百科全科屬于真浮葉科，屬于基底生殖枝。自小檗科建立以來,該科已有多個分類系統(tǒng)發(fā)表(附錄1)。全科17屬曾被劃分為2～4科,各小科的界定也不盡相同(應(yīng)俊生,2001)。盡管形態(tài)學、細胞學和分子生物學等多種方法廣泛用于小檗科的系統(tǒng)學研究,該科內(nèi)部的系統(tǒng)演化關(guān)系仍未完全得到解決。基于染色體基數(shù)的不同,各學者均支持將小檗科劃分為3個[不包括南天竹屬(Nandina)]或4個分支,即x=6、7、8和x=10(南天竹屬)分支(Meacham,1980;Loconte和Estes,1989;Kim和Jansen,1998;Kim等,2004)。Wang等(2009)依據(jù)分子序列分析結(jié)果,并結(jié)合傳統(tǒng)分類學觀點提出將小檗科劃分為3個亞科,即1)鬼臼亞科(Podophylloideae)[x=6,包括裸花草屬(Achlys)、山荷葉屬(Diphylleia)、八角蓮屬(Dysosma)、足葉草屬(Podophyllum)、桃兒七屬(Sinopodophyllum)、Bongardia、淫羊藿屬(Epimedium)、Vancouveria、Jeffersonia、鮮黃連屬(Plagiorhegma)];2)小檗亞科(Berberidoideae)[x=7,包括小檗屬(Berberis)、十大功勞屬(Mahonia)、蘭山草屬(Ranzania)];3)南天竹亞科(Nandinoideae)[x=8/10,包括紅毛七屬(Caulophyllum)、牡丹草屬(Gymnosperium)、南天竹屬]。至此,小檗科劃分為3個分支的系統(tǒng)學框架基本穩(wěn)定。但是,各分支下的屬間關(guān)系仍存在問題。Nickol(1995)根據(jù)花序特征相似提出紅毛七屬是南天竹屬的姐妹群,得到了rbcL序列分析結(jié)果的支持,但靴帶支持率較低,僅55%(Kim和Jansen,1996)。隨著研究類群的增加,新的分子系統(tǒng)學研究結(jié)果認為紅毛七屬和鮮黃連屬[或鮮黃連屬-囊果草屬(Leontice)分支]互為最近的姐妹群,而南天竹屬是它們的姐妹群(Kim和Jansen,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。同樣基于花序特征的研究,Nickol(1995)提出蘭山草屬與Jeffersonia、足葉草屬-山荷葉屬、囊果草屬-Bongardia構(gòu)成一個分支,而分子序列分析結(jié)果卻支持蘭山草屬是小檗屬-十大功勞屬的姐妹群(Kim和Jansen,1996,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。此外,關(guān)于鬼臼亞科內(nèi)的Bongardia、裸花草屬的系統(tǒng)位置目前依然存在爭議;蘭山草屬是否是小檗屬-十大功勞屬的姐妹群有待于進一步驗證。同時,傳統(tǒng)的分類觀點與分子系統(tǒng)學研究結(jié)果之間也存在一些沖突,有待進一步研究。小檗科的花粉形態(tài)具有一定的系統(tǒng)分類及演化意義,國內(nèi)外學者有過一些研究報道(應(yīng)俊生,1979;Nowicke和Skvarla,1979,1981;張金談和王萍莉,1983;Blackmore和Heath,1984;余旭升和劉啟宏,1991;Lee和Blackmore,1992;郭寶林等,1998;Lee等,2004;Perveen和Qaiser,2010等)。研究發(fā)現(xiàn)小檗屬與十大功勞屬花粉形態(tài)具有較高的一致性,如這2屬均具有獨特的螺旋狀萌發(fā)孔,且花粉外壁基層(footlayer)均不存在,提出這2屬應(yīng)該獨立成一個科(Nowicke和Skvarla,1979,1981)或同為一個自然分類群(張金談和王萍莉,1983)。郭寶林等(1998)對小檗科花粉演化研究認為,根據(jù)外壁紋飾可將淫羊藿屬花粉劃分為3種基本類型,推測該屬植物花粉外壁紋飾的演化趨勢為由不規(guī)則突起到穴狀、穴-網(wǎng)狀、再到網(wǎng)狀或條-網(wǎng)狀。并指出花粉外壁紋飾與其他形態(tài)性狀的演化基本一致,有重要的分類學價值。盡管如此,前人的研究所涉及的類群往往不能涵蓋整個小檗科,并且將分子系統(tǒng)學研究結(jié)果與花粉形態(tài)性狀相結(jié)合來推斷小檗科花粉的演化式樣,進而研究該科下各屬間的系統(tǒng)及演化關(guān)系的工作目前未見報道。本研究基于小檗科分子系統(tǒng)學研究結(jié)果(Wang等,2009),利用4個分子片段(rbcL、matK、trnL-F和26SrDNA),以最大似然法構(gòu)建該科的系統(tǒng)發(fā)育樹,結(jié)合已報道的花粉形態(tài)數(shù)據(jù),選擇關(guān)鍵花粉性狀,進行編碼和軟件分析,推斷花粉演化式樣。主要目的是:1)揭示小檗科花粉多樣性;2)確定花粉的祖征(plesiomorphy)和衍征(apomorphy);3)尋找共衍征(synapomorphy);4)尋找關(guān)鍵分類性狀以探討科下各類群的系統(tǒng)分類及演化關(guān)系。1花粉外藻類構(gòu)建以Wang等(2009)關(guān)于毛茛目的系統(tǒng)學研究結(jié)果為依據(jù),以屬為單位選取23個代表類群,其中小檗科16屬(本研究將單種屬囊果草屬歸于牡丹草屬),以及7個外類群。毛茛科(Ranunculaceae)是小檗科最近的姐妹群(Wang等,2009),選擇花粉特征能夠代表該科花粉多樣性的7個屬[側(cè)金盞花屬(Adonis)、耬斗菜屬(Aquilegia)、星果草屬(Asteropyrum)、鐵線蓮屬(Clematis)、毛茛屬(Ranunculus)、唐松草屬(Thalictrum)和金蓮花屬(Trollius)]作為外類群。利用4個分子片段(rbcL、matK、trnL-F和26SrDNA),通過RAxML軟件進行最大似然法分析,基于GTRGAMMA模型進行1000次非參數(shù)自展分析,構(gòu)建了小檗科的分子系統(tǒng)樹。所研究類群的花粉形態(tài)數(shù)據(jù)均參考前人已發(fā)表的孢粉學研究結(jié)果,基本信息及所引文獻見附錄4。選取了10個關(guān)鍵花粉性狀,即:花粉分散單位、極性、形狀、大小、萌發(fā)孔數(shù)目、萌發(fā)孔位置、外萌發(fā)孔形狀、覆蓋層上元素、覆蓋層紋飾和外壁厚度,進行編碼。性狀劃分依據(jù)Wortley等(未發(fā)表數(shù)據(jù)),編碼方法依據(jù)許臘等(2011)(性狀分類和編碼見附錄2和附錄3)。利用Mesquite軟件(Maddison和Maddison,2009)進行分析,將系統(tǒng)樹和性狀編碼矩陣導入,利用簡約法(Trace:Tracecharacterhistory:Parsimonyancestralstates)進行推斷,將花粉性狀標注在系統(tǒng)樹上,得到各性狀的演化圖。每一個性狀獨立進行演化推斷,各性狀的編碼數(shù)據(jù)不影響其他性狀的演化推斷。本文所用孢粉學術(shù)語依據(jù)Punt等(2007);各類群中文名依據(jù)《中國植物志》(應(yīng)俊生,2001;肖培根等,1979)和《被子植物科屬綜論》(吳征鎰等,2003)。2結(jié)果2.1染色體個數(shù)和含量利用最大似然法構(gòu)建的小檗科系統(tǒng)發(fā)育樹如圖1所示。小檗科獨立成一個單系,靴帶支持率為100%,科下以91%和84%的支持率分成兩個大的分支。其中,染色體基數(shù)x=6的各屬聚為一支,并且在該分支內(nèi),鮮黃連屬和Jeffersonia位于最基部,構(gòu)成姐妹群,Vancouveria-淫羊藿屬位于次基部,八角蓮屬-[山荷葉屬-(足葉草屬-桃兒七屬)]聚為一支,支持率均為100%;而在另外一個分支下,x=8/10和x=7又各自以100%的支持率構(gòu)成單系。2.2鬼環(huán)境保護科serate在小檗科所選的10個花粉性狀中,除萌發(fā)孔數(shù)目外,均具有明確的祖征。花粉形狀、萌發(fā)孔數(shù)目及覆蓋層紋飾有模棱兩可的演化節(jié)點出現(xiàn);花粉極性、形狀、萌發(fā)孔數(shù)目、萌發(fā)孔位置、覆蓋層上元素和覆蓋層紋飾等均存在相關(guān)類群的共衍征?；ǚ鄯稚挝灰詥瘟?monad)為主,單粒是小檗科花粉的祖征。二合體(dyad)為蘭山草屬的自衍征。四合體(tetrad)演化2次,分別在足葉草屬和桃兒七屬中,其中足葉草屬分散單位具多態(tài),含有祖征狀態(tài)單粒?；ǚ蹣O性以等極(isopolar)為祖征,無極(apolar)演化1次,出現(xiàn)在小檗亞科中,是該亞科的共衍征?；ǚ坌螤畹淖嬲鳛榻蛐?spheroidal,P/E比值為0.88～1.14)(圖2)。近長球形(subprolate,P/E比值為1.14～1.33)共演化了8次,其中鬼臼亞科7次,南天竹屬中1次。長球形(prolate,P/E比值大于1.33)演化了7次,分別在鬼臼亞科的八角蓮屬、山荷葉屬、Bongardia、淫羊藿屬、Jeffersonia及南天竹亞科的南天竹屬和紅毛七屬-牡丹草屬分支中,是紅毛七屬-牡丹草屬的共衍征。此外,鬼臼亞科花粉形狀出現(xiàn)模棱兩可的演化節(jié)點,近球形是山荷葉屬、足葉草屬和桃兒七屬的共衍征。該科花粉以中等大小(25～50μm)為祖征(圖3),其中較小花粉(<25μm)演化2次,分別在足葉草屬和淫羊藿屬中,對于該性狀,此2屬均具多態(tài),都保留了祖征狀態(tài)。較大花粉(>50μm)共演化7次,分別出現(xiàn)在鬼臼亞科的八角蓮屬、桃兒七屬、Bongardia和南天竹亞科的紅毛七屬、牡丹草屬,以及小檗亞科的小檗屬和十大功勞屬中。足葉草屬、紅毛七屬、小檗屬、十大功勞屬也都保留了祖征狀態(tài)中等大小。萌發(fā)孔數(shù)目的祖征不明確(圖4),三萌發(fā)孔分別是鬼臼亞科、南天竹亞科各自的共衍征。單萌發(fā)孔演化2次,分別出現(xiàn)在小檗屬和十大功勞屬;無萌發(fā)孔為蘭山草屬的自衍征,并且上述3屬均具多態(tài),多萌發(fā)孔是它們的共衍征?；ǚ勖劝l(fā)孔位置以近赤道分布為祖征(圖5)。周面分布(周面孔)在小檗亞科演化1次,為該亞科的共衍征。外萌發(fā)孔形狀以溝形(colpate)為祖征。螺旋狀萌發(fā)孔(spiraperture)演化2次,分別出現(xiàn)在小檗亞科的小檗屬和十大功勞屬。合溝(syncolpate)也發(fā)生了2次演化,亦分別出現(xiàn)在小檗屬和十大功勞屬中。覆蓋層上元素以顆粒狀(gemmate)為祖征(圖6)。刺狀(echinate)演化3次,分別出現(xiàn)在山荷葉屬、足葉草屬和淫羊藿屬中。皺波狀(rugulate)發(fā)生了6次演化,出現(xiàn)在鬼臼亞科的八角蓮屬、足葉草屬、淫羊藿屬和小檗亞科的小檗屬、十大功勞屬、蘭山草屬中。條狀(striate)演化了3次,出現(xiàn)在鬼臼亞科的裸花草屬、Vancouveria和鮮黃連屬-Jeffersonia中,為鮮黃連屬-Jeffersonia的一個共衍征。疣狀(verrucate)演化2次,分別在八角蓮屬和桃兒七屬中。覆蓋層上元素不存在演化了3次,在鬼臼亞科中2次,分別在Bongardia和淫羊藿屬,另外1次出現(xiàn)在小檗亞科-南天竹亞科分支中,構(gòu)成這2個亞科的共衍征?；ǚ鄹采w層紋飾以穿孔(perforate)為祖征,條狀紋飾(striate)演化4次,在鬼臼亞科的八角蓮屬、裸花草屬、Vancouveria及鮮黃連屬-Jeffersonia分支中各1次,是鮮黃連屬-Jeffersonia的共衍征。網(wǎng)狀紋飾(reticulate)可能演化了9次,鬼臼亞科中4次,南天竹亞科中3次及小檗亞科的小檗屬和十大功勞屬中各1次。皺波狀紋飾(rugulate)可能演化了8次,鬼臼亞科中5次,小檗亞科中3次。條-網(wǎng)狀紋飾(striato-reticulate)可能演化了5次,分別出現(xiàn)在鬼臼亞科的八角蓮屬、足葉草屬、Vancouveria、淫羊藿屬和Jeffersonia中。除裸花草屬、Bongardia、鮮黃連屬和牡丹草屬外,該科其余各屬的花粉外壁紋飾均具多態(tài)。外壁厚度以較薄(1.9～2.9μm)為祖征。外壁薄(<1.9μm)演化了4次,其中鬼臼亞科中2次,分別出現(xiàn)在山荷葉屬和淫羊藿屬,小檗亞科2次,在小檗屬和十大功勞屬中。較厚(2.9～3.9μm)在淫羊藿屬、紅毛七屬、牡丹草屬及十大功勞屬中各演化1次。外壁厚(>3.9μm)演化3次,分別在淫羊藿屬、紅毛七屬、十大功勞屬中。淫羊藿屬、紅毛七屬、小檗屬和十大功勞屬外壁厚度具多態(tài),都含有外壁較薄這一祖征狀態(tài)。3討論3.1南天竹屬與小屬-一大罪犯屬的分子系統(tǒng)發(fā)育研究Loconte和Estes(1989)以形態(tài)學上的單心皮為共衍征提出小檗科為一個單系,這一觀點得到了分子系統(tǒng)學研究的支持(Kim和Jansen,1996,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。本研究所構(gòu)建的最大似然樹也以100%的靴帶支持率支持該科為一個單系。此外,花粉分析結(jié)果顯示,所選的10個關(guān)鍵花粉性狀,除萌發(fā)孔數(shù)目外,其他各性狀均比較一致,都具有明顯的祖征。本研究得出,三萌發(fā)孔分別是鬼臼亞科(x=6)和南天竹亞科(x=8/10)各自的共衍征,而無極、多萌發(fā)孔和周面孔為小檗亞科(x=7)的共衍征,從而可以將此三個亞科區(qū)分開來,支持小檗科劃分為三個分支的觀點。此外,花粉覆蓋層上元素不存在是南天竹亞科和小檗亞科的一個共衍征,支持Wang等(2007,2009)據(jù)分子系統(tǒng)學研究結(jié)果得出的這2個亞科的姐妹關(guān)系。單種屬南天竹屬是否應(yīng)該獨立于小檗科之外自成一科是小檗科系統(tǒng)學最具爭議的問題之一(Jensen,1973;Meacham,1980;Cronquist,1981)。傳統(tǒng)上依據(jù)其具有木本生活型、萼片多數(shù)輪列、花藥縱向開裂、染色體基數(shù)為x=10等特征,認為該屬分化較早,應(yīng)將其單獨作為一個科,或作為小檗科基部的一個亞科處理(Airy-Shaw,1973;Terabayashi,1985a,b;Loconte和Estes,1989)。有研究發(fā)現(xiàn),南天竹屬與小檗屬-十大功勞屬含有相似的芐基異喹啉生物堿(Isobenzylquinolines),指出它們3屬之間具有較近的親緣關(guān)系(彭勇等,2006)。本研究得出,南天竹屬、紅毛七屬和牡丹草屬具共衍征三萌發(fā)孔,與小檗屬和十大功勞屬所具有的螺旋狀萌發(fā)孔及合溝不同,因而支持南天竹屬與紅毛七屬和牡丹草屬構(gòu)成一個單系的觀點(Kim和Jansen,1996,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。因具有生活型、形態(tài)學、解剖學、細胞學、小孢子發(fā)生、化學成分及藥用療效等多方面的相似性,大多數(shù)研究結(jié)果都支持小檗屬與十大功勞屬具近緣關(guān)系,構(gòu)成姐妹群(Terabayashi,1985a,b;Meacham,1980;Loconte和Estes,1989;Nickol,1995;吳征鎰等,2003;彭勇等,2006),分子系統(tǒng)學研究也支持此觀點(Kim和Jansen,1994,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。本研究發(fā)現(xiàn),這2屬的花粉形態(tài)十分相似,均為無極,近球形、花粉較大,具螺旋狀萌發(fā)孔及合溝,也支持二者的姐妹關(guān)系。草本的蘭山草屬在小檗科中的系統(tǒng)位置也存在較多爭議?；谌旧w基數(shù)x=7、具敏感雄蕊、花瓣基部具蜜腺等特征,蘭山草屬與小檗屬-十大功勞屬被認為具最近的親緣關(guān)系(Mea-cham,1980;Loconte和Estes,1989)。然而,基于花序形態(tài)特征等的研究卻認為,蘭山草屬是Jeffersonia-[(山荷葉屬-足葉草屬)-(囊果草屬-Bongardia)]的姐妹群(Nickol,1995)。對小孢子發(fā)生過程的觀察發(fā)現(xiàn)連續(xù)型小孢子發(fā)生(Successivemicrosporogenesis)是蘭山草屬與小檗屬-十大功勞屬的可能共衍征(Furness,2008),表明了此3屬可能為一個單系群。分子系統(tǒng)學研究也得出蘭山草屬與小檗屬-十大功勞屬具近緣關(guān)系,構(gòu)成一個單系(Kim和Jansen,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)?；ǚ鄯治鼋Y(jié)果發(fā)現(xiàn),蘭山草屬與小檗屬-十大功勞屬花粉具無極、多萌發(fā)孔和周面孔3個共衍征,因而支持蘭山草屬與小檗屬-十大功勞屬是一個單系的觀點。本研究結(jié)果得出鬼臼亞科具共衍征三萌發(fā)孔,支持該亞科為一個單系,這一結(jié)論與前人基于形態(tài)、解剖、分子序列分析等的研究結(jié)果一致(Loconte和Estes,1989;Kim和Jansen,1996,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。然而該亞科下各屬間的系統(tǒng)關(guān)系卻仍然存在爭議。山荷葉屬、八角蓮屬、足葉草屬和桃兒七屬因具有形態(tài)特征、個體發(fā)育方式、核型等一系列相似性,被認為是一個單系群(馬紹賓和胡志浩,1997)。這一觀點得到藥用親緣學、分子系統(tǒng)學等研究的支持(Kim和Jansen,1996,1998;Kim等,2004;彭勇等,2006;Wang等,2007,2009)。本研究表明,八角蓮屬花粉形狀具多態(tài)性,除具有近長球形和長球形外,也含有與山荷葉屬-(足葉草屬-桃兒七屬)相同的近球形花粉,因而支持上述4屬為一個單系的分類處理。但此4屬間的關(guān)系卻爭議較大。形態(tài)學研究認為,山荷葉屬花較小,花藥開裂方式、花瓣顏色等與足葉草屬、八角蓮屬和桃兒七屬不同(這3屬在這些性狀上較一致),提出后3屬之間具有較為密切的關(guān)系,而與山荷葉屬的關(guān)系較遠(馬紹賓和胡志浩,1997)。一些分子系統(tǒng)學研究也支持此觀點,認為山荷葉屬是八角蓮屬-(足葉草屬-和桃兒七屬)的姐妹群(Kim和Jansen,1998;Wang等,2007,2009)。然而,葉綠體ndhF序列分析認為,足葉草屬在該4屬內(nèi)分化最早,是其余3屬的姐妹群(Kim等,2004)。而從本研究所構(gòu)建的小檗科系統(tǒng)樹可以看出,八角蓮屬在此4屬中最早分化出來,構(gòu)成山荷葉屬-(足葉草屬-桃兒七屬)的姐妹群。此外,本研究花粉分析結(jié)果得出,山荷葉屬與足葉草屬、桃兒七屬具共衍征近球形花粉,支持三者構(gòu)成一個單系。傳統(tǒng)上依據(jù)花部形態(tài)、果實類型等的相似,認為淫羊藿屬、Vancouveria、鮮黃連屬、Jeffersonia和裸花草屬間關(guān)系較近(Meacham,1980;Terabayashi,1985b),且其中鮮黃連屬與Jeffersonia因雌蕊形態(tài)相似,都具有一個圓柱形的子房、花柱較短、柱頭盾狀、具側(cè)膜胎座等(Terabayashi,1981)而被認為是一個單系分支;根據(jù)共同具有幼嫩花序下垂,頂生花下部具有抑制帶及地下莖的苞片具硬化的尖端等特征提出,裸花草屬與淫羊藿屬-Vancouveria具近緣關(guān)系(Nickol,1995)。分子系統(tǒng)學研究結(jié)果也很好地支持了Jeffersonia-鮮黃連屬、淫羊藿屬-Vancouveria各自之間的姐妹關(guān)系(Kim和Jansen,1998;Kim等,2004;Wang等,2007,2009)。然而,關(guān)于Bongardia的系統(tǒng)學位置,各學者觀點不一。根據(jù)花部形態(tài)特征等的研究,有學者指出Bongardia與裸花草屬具近緣姐妹關(guān)系(Loconte和Estes,1989),rbcL和ITS序列分析支持Bongardia是裸花草屬-淫羊藿屬的姐妹群(Kim和Jansen,1996),而ndhF序列分析結(jié)果卻支持Bongardia與淫羊藿屬-Vancouveria具近緣關(guān)系(Kim等,2004)。本研究得出,鮮黃連屬和Jeffersonia具共衍征覆蓋層具條狀紋飾,支持兩者的近緣關(guān)系,但對于其他各屬的系統(tǒng)位置關(guān)系,花粉形態(tài)還未能提供足夠充分的證據(jù)支持。3.2花粉的演化演化小檗科花粉具有較高的多樣性,有多個共衍征出現(xiàn)。其中,無極、多萌發(fā)孔和周面孔3個共衍征支持了小檗亞科為一個單系;以覆蓋層上元素不存在為共衍征將小檗亞科和南天竹亞科與鬼臼亞科區(qū)分開來;此外,在鬼臼亞科內(nèi),條狀、網(wǎng)狀等紋飾發(fā)生了多次平行演化,為非同源相似性狀。桃兒七屬是應(yīng)俊生(1979)將亞洲的足葉草屬植物Podophyllumemodi從該屬中分出而成立的一個新屬。同時,依據(jù)