13种玉兰亚属植物花粉的观察

植物观察论文优选范文10篇之第六篇：13种玉兰亚属植物花粉的观察

　　摘要：利用扫描电镜对13种 （包括3品种） 玉兰亚属植物花粉进行了观察， 根据花粉形态、纹饰、孔穴等级等特征用类平均法 （UPGMA） 对其进行聚类分析， 研究其亲缘关系及类群。结果表明：玉兰、武当木兰、'玉灯'玉兰的花粉外形、大小较为接近， 花粉表面较光滑， 呈现沟状纹饰， 且孔深孔径相近；紫玉兰、日本辛夷、'黄鸟'玉兰的花粉表面纹饰存在较大的差异。聚类结果表明：在相似距离6.13水平上， 根据花粉大小和形状将13个种 （品种） 聚类为两大类群， 在相似距离7.76水平上， 依据花粉表面纹饰和孔穴特征聚类为4个类群。

　　关键词：花粉形态； 玉兰亚属； 扫描电镜； 分类系统；

　　Abstract:

　　The pollen of 13 species （ including 3 varieties） of Magnolia were observed by scanning electron microscopy （ SEM） .According to the characteristics of pollen morphology, ornamentation and hole grade, the cluster analysis was conducted by UPGMA to study their genetic relationship and taxa. The pollen shape and size of Magnolia denudata, M. sprengeri and M.denudata 'Lamp'were close. Pollen surface is smooth, showing groove-like decoration, and the hole diameter is similar.Pollen surface decoration Pollen surface decoration of M. liliflora, M. 'Yellow Bird'and M. praecocissima are quite different. By clustering, 13 species （ breeds） were clustered into two groups according to pollen size and shape at the similar distance of 6.13. At similar distance of 7.76, four groups were clustered according to pollen surface decoration and porosity characteristics.

　　Keyword:

　　Pollen morphology; Subgenus Yulania; Scanning electron microscope; Taxonomy;

　　玉兰亚属 （Subgenus Yulania （Spach） Reichenbach） , 是Reichenbach H G L于1841年将玉兰属Yulania spach改级而来[1], 与木兰亚属在木兰科分类系统[2,3,4,5,6]中同属于木兰科 （Magnoliaceae） 木兰属 （Magnolia L.） , 具有落叶、花先叶开放、花粉侧向开裂等进化特征[7].玉兰亚属的种数尚未有权威统计[8], 且不断有新种发表， 而种与品种之间界限模糊， 有待进一步鉴定和验证。木兰科植物是被子植物中最为原始的类群之一[9], 因此， 玉兰亚属在科学研究领域具有极高的科学研究价值， 在木兰科进化与分类系统方面具有重要研究意义。已有研究显示， 分布区不同种间存在杂交和形态多变等特征现象， 重叠现象十分明显[10,11], 给该属植物的分类鉴定带来一定的困难。植物花粉是由花器官产生， 受基因控制， 具有很强的遗传保守性[12,13], 且性状较为稳定， 是植物的系统学研究中识别物种、鉴别亲缘关系的重要依据。有关玉兰亚属植物花粉形态的研究， 虽然国内外已有报道[14,15,16,17,18,19], 但尚不能得出统一的结果。为进一步研究木兰属植物种 （品种） 与种 （品种） 之间的亲缘关系， 探究二乔玉兰是否单独设立分组及验证前人分组是否科学等问题， 本研究以玉兰亚属13个具有代表性和部分有争议的种 （包含3品种） 作为试验材料， 其中， '黄鸟'玉兰 （M.acuminata'Yellow Bird'） 、黄山木兰 （M.cylindrica） 的花粉形态为首次研究， 红花玉兰 （M.wufengensis） 为马履一教授发现的新种[20].利用扫描电镜对其花粉的形态、大小、纹饰、孔穴密度 （孔频） 进行观测与测定， 对结果进行统计分析， 确定种间亲缘关系， 从而为木兰属植物系统分类提供重要依据和参考价值。

　　1 材料与方法

　　供试材料于2017年3-4月份取自广州华南植物园、浙江杭州植物园、陕西西安植物园、北京植物园， 分别为13个玉兰亚属植物， 即玉兰 （M.denudata） 、望春玉兰 （M.biondii） 、日本辛夷 （M.praecocissima） 、天目玉兰 （M.amoena） 、'玉灯'玉兰 （M.denudata'Lamp'） （品种） 、红花玉兰、武当木兰 （M.sprengeri） 、黄山木兰、二乔玉兰 （M.×soulangeana） 、'飞黄'玉兰 （M.denudata'Fei huang'） （品种） 、星花木兰 （M.stellata） 、紫玉兰 （M.liliflora） 、'黄鸟'玉兰 （M.acuminata'Yellow bird'） （品种） 的成熟花粉。

　　材料收集：采集花粉于09:00-12:00玉兰散粉时间进行。取自然开放的盛花期花朵， 在室内将花瓣摘去， 花粉散落在硫酸纸上摊放至干燥后放于10m L离心管中， 并放入少量硅胶保持干燥。将花粉放于冰箱4℃储存备用。

　　扫描电镜观察：扫描前将少许干燥的花粉直接掸落在黏有导电胶的样品台上， 真空状态下在离子溅射仪中喷镀， 再将处理好的样品移到日立S-3400N型扫描电子显微镜下观察。选取完整饱满、外形和大小有代表性的花粉粒， 在800~10 000倍下拍照。用CAD软件分别测量每个种 （品种） 花粉的赤道轴、极轴的大小， 换算成实际长度后， 用SPSS19.0进行统计分析。

　　聚类分析：聚类分析结果能够反映品种和其亲本之间的亲缘关系。为了探讨各分类单位花粉形态的差异， 尽可能从花粉形态上获取品种和种类亲缘及演化关系的信息， 本试验以13个种 （品种） 作为分类运算单位， 选取8个性状， 即P （极轴长） 、E （赤道轴长） 、P/E 3个定量性状， 表面光滑程度、外壁纹饰类型、孔深等级、孔径等级和孔穴密度5个定性性状， 利用NTSYS软件将数据标准化， 在SPSS19.0系统平台下进行聚类分析。其中， 测得的数值为定量指标， 定性指标按形态等级编号为1, 2, 3, …， n, 二元性状编号为0、1, 在SPSS19.0平台下， 采用类平均法 （UPGMA） 进行聚类。其中， 每种 （品种） 取花粉粒20粒， 测得的数据取平均值。P/E表示花粉粒的形状 （P/E>2.00, 表示花粉粒为长椭球形；P/E为1.20~2.00, 表示花粉粒为椭球形） .

　　2 结果与分析

　　2.1 花粉的形态特征

　　扫描电镜观察结果如表1所示， 所观察的花粉均为单粒， 具有远极单萌发沟， 直达两端；左右对称， 异极， 侧面观为舟形， 极面观为近圆形， 赤道面观为椭圆形或近椭圆形， 两端较尖。根据花粉大小与形状和花粉萌发孔特点， 比照Erdtman[21]的NPC分类系统， 本试验测试的花粉粒为N1P3C3类型 （具一条 （N1） 远极 （P3） 沟 （C3） ） .外壁表面纹饰以小穴状或网纹状为主， 远极面、远极面和侧面的纹饰一致或存在差异。

　　表1 13种玉兰亚属花粉形态特征

　　注： （） 中为相应指标的最小值到最大值的变化范围。

　　花粉极轴长由大到小依次为'玉灯'玉兰、'黄鸟'玉兰、武当木兰、玉兰、二乔玉兰、紫玉兰、'飞黄'玉兰、红花玉兰、天目玉兰、望春玉兰、黄山木兰、日本辛夷；花粉的赤道轴长由大到小依次为'玉灯'玉兰、天目玉兰、二乔玉兰、红花玉兰、武当木兰、'黄鸟'玉兰、'飞黄'玉兰、玉兰、紫玉兰、望春玉兰、黄山木兰、星花木兰、日本辛夷。根据P/E结果可知， 花粉粒由椭球形到长椭球形的顺序依次为天目玉兰、星花木兰、红花玉兰、黄山木兰、望春玉兰、二乔玉兰、日本辛夷、'飞黄'玉兰、'玉灯'玉兰、武当木兰、'黄鸟'玉兰、玉兰、紫玉兰。花粉外壁纹饰分为3种类型， 即沟状、脑纹状、网状和网瘤状。其中， 沟状纹饰的有玉兰、红花玉兰、'黄鸟'玉兰 （图1-a3、1-f3、1-m3） ;脑纹状纹饰的有望春玉兰、日本辛夷、武当木兰、黄山木兰 （图1-c3、1-d3、1-g3、1-h3） ;网状纹饰的有'飞黄'玉兰、星花木兰 （图1-k3、1-l3） , 网瘤状纹饰的有天目玉兰、'玉灯'玉兰、二乔玉兰和紫玉兰 （图1-c3、1-e3、1-i3、1-l3） .

　　图1 玉兰亚属花粉扫描电镜图片  

　　a.玉兰；b.望春玉兰；c.天目玉兰；d.日本辛夷；e.'玉灯'玉兰；f.红花玉兰；g.武当木兰；h.黄山木兰；i.二乔玉兰；j.'飞黄'玉兰；k.星花木兰；l.紫玉兰；m.'黄鸟'玉兰；a1、b1、c1、d1、f1、g1、h1、i1、j1、k1、l1、m1为花粉群体图；a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、i2、j2、k2、l2、m2为单个花粉图；a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3、k3、l3、m3为花粉局部纹饰图。

　　图1 玉兰亚属花粉扫描电镜图片  

　　a.玉兰；b.望春玉兰；c.天目玉兰；d.日本辛夷；e.'玉灯'玉兰；f.红花玉兰；g.武当木兰；h.黄山木兰；i.二乔玉兰；j.'飞黄'玉兰；k.星花木兰；l.紫玉兰；m.'黄鸟'玉兰；a1、b1、c1、d1、f1、g1、h1、i1、j1、k1、l1、m1为花粉群体图；a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、i2、j2、k2、l2、m2为单个花粉图；a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3、k3、l3、m3为花粉局部纹饰图。

　　2.2 花粉的聚类分析

　　将上述数据及数量性状特征赋值后， 种 （品种） 间数据利用SPSS19.0软件， 采用类平均法 （UPG-MA） 进行聚类分析， 结果如图2所示。从图2中可以看出， 在相似距离系数7.76水平上， 13个玉兰亚属的种 （品种） 分为两大类群。第一类群包含'玉灯'玉兰、武当木兰、玉兰、二乔玉兰、'飞黄'玉兰、天目玉兰、红花玉兰、紫玉兰、'黄鸟'玉兰9个种；第二类群包含望春玉兰、黄山木兰、日本辛夷、星花木兰4个种。从对应的测量指标得出， 分类的主要依据是极轴长、赤道轴长和P/E值， 第一类比第二类在形态上更长， 第二类比第一类更小。在相似距离系数6.13水平上， 两大类群又各自分类， 13个种 （品种） 被分为4个类群， 其中， '玉灯'玉兰、武当木兰、玉兰、二乔玉兰、'飞黄'玉兰、天目玉兰、红花玉兰为第一类；紫玉兰、'黄鸟'玉兰为第二类；望春玉兰与黄山木兰为第三类；星花木兰与日本辛夷为第四类。从对应的形态特征可知， 第一类因其孔深和孔径等级聚类在一起， 第二类因其外壁光滑程度特征和孔穴最早聚类在一起， 随后与第一类聚合在一起。第三类是因外壁纹饰类型聚在一起， 第四类是因外壁光滑程度和孔穴密度聚类而成。

　　图2 13种玉兰亚属植物花粉形态的类平均聚类图 

　　图中编号与表1中编号一一对应。

　　2.3 系统分类学分析

　　聚类结果在遗传距离为7.76时将望春玉兰、黄山木兰、日本辛夷、星花木兰聚为一组， 玉兰、二乔玉兰、天目玉兰、武当木兰、红花玉兰、紫玉兰、'飞黄'玉兰、'玉灯'玉兰、'黄鸟'玉兰为一组；紫玉兰、'黄鸟'在遗传距离为6.13时归类为一组， 这与Dandy[2]和刘玉壶[3]系统将玉兰亚属划分的望春玉兰组、玉兰组和紫玉兰组吻合。二乔玉兰 （也称朱砂玉兰） , 具有光滑的花粉外壁表面， 孔穴两端分布较多， 深浅不一， 在聚类结果中表现出与玉兰组植物具有较近的亲缘关系， 故应归与玉兰组， 因而不支持方大凤[22]、田国行等[23]将二乔玉兰单独归为一组的观点。'飞黄'玉兰、'玉灯'玉兰为玉兰 （M.denudata） 的品种， 花部数量性状就有极大差异。其花粉与玉兰花粉相比， 具有孔穴分布不均， 两端密度大， 孔径较深的相同点， 但'飞黄'玉兰与玉兰花粉外壁表面光滑， '玉灯'玉兰花粉外壁较粗糙， 且玉兰为较浅的沟状纹饰， '玉灯'玉兰花粉外壁为密集的网瘤状纹饰， '飞黄'玉兰花粉外壁只有隐约网状纹饰。另外， '飞黄'玉兰花瓣为淡黄色， 而'玉灯'玉兰与玉兰花瓣都为白色， 且花型更为相近， 与花粉聚类结果相同， 证实'玉灯'玉兰和玉兰的亲缘关系较近。在两大分类群中， '黄鸟'玉兰是渐尖玉兰 （M.acuminata） 的品种， 发源于美洲， 在聚类结果中与紫玉兰最近， 与其他种均较远， 这恰好符合了Dandy系统和刘玉壶系统中将紫玉兰与渐尖玉兰同归为紫玉兰组的分类方法。红花玉兰根据花粉形态聚类到玉兰组， 与望春玉兰、紫玉兰相比， 与玉兰、武当玉兰、二乔玉兰的遗传关系最近， 与前人的分析结果一致[24].

　　3 结束语

　　根据Walker花粉表面纹饰演化趋势理论[25], 花粉进化表现为表面光滑→表面具小孔穴、沟状雕纹→粗糙具疣状雕纹→表面颗粒状、瘤状、棒状、纺锤状、刺状→表面皱状、网状、条纹状。玉兰亚属13个种 （品种） 的花粉形态特征表现存在差异， 表明可以通过观察和分析花粉形态异同判断鉴别其进化程度：玉兰、日本辛夷、二乔玉兰、'飞黄'玉兰的花粉表面光滑， 相对较原始；天目玉兰、红花玉兰、黄山木兰、紫玉兰、'黄鸟'玉兰的花粉表面较粗糙， 进化程度更高。研究支持将玉兰亚属分为玉兰组、望春玉兰组和紫玉兰组， 玉兰组包含天目玉兰、二乔玉兰、玉兰、武当木兰、红花玉兰、'玉灯'玉兰、'飞黄'玉兰；望春玉兰组包含望春玉兰、日本辛夷、黄山木兰、星花木兰；紫玉兰组包含紫玉兰、'黄鸟'玉兰。总之， 玉兰亚属的系统进化研究对于物种鉴定、濒危物种的保护以及中药学[26]的发展具有极高的科学价值和巨大的生产实践意义。以孢粉学作为探讨玉兰亚属植物系统进化演变历程， 研究13个种 （包括3品种） 具有代表性的玉兰亚属植物展示了玉兰亚属花粉的重要特征， 鉴别了其亲缘关系远近和系统进化顺序， 有利于进一步摸清玉兰亚属演化脉络， 遵循进化路线， 发掘更多杂交新品种可能性。然而， 花粉形态特征与花叶形态、基因组信息有一定程度的相关性， 从单一孢粉学分析并不能排除基因变异、生长环境等干扰， 因此， 还需要进一步结合形态学、基因组学综合分析。

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