22种枫属植物花粉形态及其分类学意义

林 立，祝志勇

(1.宁波城市职业技术学院、宁波市园林植物开发重点实验室，浙江 宁波 315100；2.南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037)

花粉在植物生长发育过程中受环境因素影响小，常被用于植物科、属、种甚至种下分类和系统学研究[1-2]。尽管也有研究表明花粉形态在植物分类中存在局限性[3]，但更多研究证实花粉形态在植物种属鉴定、种间(种下)关系推断中具有重要作用[4]。花粉许多重要特征，如大小、形状、外壁纹饰、萌发孔类型等，对于推断植物的起源、演化也具有重要意义[5-7]。

近年来，随着显微技术的快速发展，关于花粉形态的研究也越来越多。武海霞等[5]观察了20个桉树(Eucalyptusspecies)样品的花粉结构，指出花粉形态可作为桉树种间鉴别、杂交亲子代关系推断的重要指标。陈常颂等[6]发现不同茶树品种(Camelliasinensiscultivars)的花粉外壁纹饰能够稳定遗传，可作为种下分类依据。洪欣等[7]研究了报春苣苔属(Primulina)花粉形态，证实了将该属作为广义报春苣苔属的合理性。据统计，我国裸子植物、被子植物中分别已有三分之二、三分之一的科进行过花粉形态学研究[8]。

枫属(AcerLinn.)是一个分类和系统发育研究十分困难的属[9-12]。前人基于形态特征[10-12]、遗迹化石[13]、同工酶[14]、分子标记[15-16]等方面数据对枫属的分类和系统发育进行了大量研究，但该属的系统发育、属下分类以及部分种的系统位置仍未完全明确。2008年，徐廷志等在《Flora of China》(FOC)中对我国枫属进行了较大程度修订，将该属修订为14组99种[11]。但是，该系统还未得到有效验证，并且许多种的归并尚存在争议[17]。

国内外许多学者开展过枫属孢粉学研究[18-21]。Erdtman观察到枫属花粉粒具3沟或3拟孔沟[18]。几濑则发现枫属16种和2变种的花粉粒都为3孔沟型[19]。我国1960年出版的《中国植物花粉形态(第一版)》记载了3种枫属植物的花粉粒具三沟[20]。此后，王伏雄等[21]在增订版《中国植物花粉形态(第二版)》中记录了金钱枫(Dipteroniasinensis)为三孔沟型花粉。Biesboer[22]利用扫描电镜观察了41种枫树的花粉形态，发现花粉粒的表面雕纹在各组间具有差异性。Pozhidaev[23]用同样方法观察了枫属31种的花粉形态，发现花粉粒的孔径排列非常规律。张静敏等[24]观察到枫属花粉粒外壁多为条纹状雕纹，发现只有复叶枫具网状雕饰。曹伟等[25]观察了东北枫属植物的孢粉形态并将花粉分为两种类型。赵先贵等[26]基于花粉外壁特征探讨了枫属组间的亲缘关系。田欣等[27]发现枫属植物的花粉多为3沟型，外壁主要呈条纹状排列。由此可见，枫属花粉的一些特征，如外壁雕纹、萌发孔类型等，可作为属种间分类依据，并且对于枫属系统发育研究有参考意义。

1 材料与方法

1.1 研究材料

供试材料于2020年采自宁波溪口枫树基地、浙江天目山和杭州植物园等地，共22种(亚种)(表1)，经中科院昆明植物园周元教授鉴定并借助中国数字植物标本馆(http：//www.cvh.org.cn/)核对，种名按照《Flora of China》[11]。争议种如橄榄枫(A.olivaceum)仍根据《中国植物志》[12]命名。花粉材料用采样袋收集后带回实验室进行后续试验。

表1 22种枫属植物供试材料

1.2 研究方法

光学显微镜观察：采用Erdtman[1]醋酸酐分解法处理制片。在光学显微镜下测量[L3]枫属各种植物花粉大小，每种花粉取20粒，测最大值、最小值和平均值。

扫描电镜观察：将样品放在XD-1型CO2临界点干燥器(日本Eiko公司)中干燥，抖落花粉后撒在粘有导电胶的样品台上，用洗耳球吹扫粘在表面的样品，真空喷金镀膜后在JSM-840(日本JEOL公司)扫描电镜下观察。

1.3 分析方法

2 结果与分析

2.1 花粉形态特征

22种枫属植物的花粉形态特征见表2、图1。

2.1.1 花粉形状与大小 花粉形状从近球形到超长球形变化，赤道面观为近圆形或椭圆形至窄椭圆形。所有材料中，近球形有5种，分布于枫属4个组；近长球形8种，主要为鸡爪枫组类群(5种)；超长球形1种，为鸡爪枫组的三峡枫；长球形种类最多(9种)，分布于鸡爪枫组(3种)、桐状枫组(3种)、大花枫组(1种)、坚果枫组(1种)、三小叶枫组(1种)和全缘叶枫组(1种)。

花粉粒极轴长(P)在19.84～38.93 μm之间，其中建始枫极轴最短，毛果枫极轴最长。赤道轴长(E)在14.27～28.44 μm之间，其中葛罗枫赤道轴最短，毛果枫赤道轴最长。所有枫属植物中，葛罗枫花粉粒最小，体积大小指数为17.59；毛果枫最大，体积大小指数为33.35。

2.1.2 萌发孔类型 花粉萌发孔有3沟和3孔沟2种。3孔沟主要出现于鸡爪枫组和大花枫组。22种供试材料中，萌发沟最长的为毛果枫(32.87 μm)，最短的为临安枫(14.42 μm)，萌发沟长度与极轴长度比值(L/P)在0.55(元宝枫)～0.97(光叶枫)之间。萌发沟沟缘多为不整齐，长可达极面。

2.1.3 外壁纹饰 供试22种枫属植物花粉外壁都为条状纹饰，并且条纹大多平行排列，仅葛罗枫花粉条纹排列较不规则。葛罗枫属大花枫组，田欣等[27]对该组其它类群的观察也发现花粉外壁条纹排列不规则，表明该特征在大花枫组中具有特异性。

表2 枫属植物花粉特征

表2(续)

2.2 花粉形态的主成分分析

为研究供试花粉的主要特征差异，并获取枫属种间界别的花粉形态证据，将该属22个种(亚种)的花粉作为分析单位，对9个形态指标进行主成分分析(PCA)，结果见表3、表4。

PCA结果表明，前4个主成分贡献率分别为36.668%、27.106%、14.081%、11.203%，累计贡献率为89.057%，表明前4个主成分可以代表原始变量绝大部分信息[28]。根据4个主成分得分系数(表4)可知：第1主成分主要受体积指数影响；第2主成分主要受P/E值影响；第3主成分主要受外壁纹饰影响；第4主成分主要受L/P值影响。总而言之，体积指数、P/E值、孔沟形态和沟末端距是影响较大的性状特征。

1为A.olivaceum 6000×；2为A.elegantulum 6000×；3为A.japonicum 6000×；4为A.palmatum 7000×；5为A.pubinerve 8000×；6为A.wilsonii 5000×；7为A.oliverianum 5000×；8为A.linganense 8000×；9为A.davidii subsp.momo 8000×；10为A.laevigatum 6500×；11为A.fabri 5000×；12为A.campestre 5000×；13为A.truncatum 7000×；14为A.acutum 5000×；15为A.paxii 7000×；16为A.buergerianum.6000×；17为A.sinopurpurascens 6000×；18为A.cordatum 8000×；19为A.davidii subsp.grosseri 5000×；20为A.henryi 6000×；21为A.pentaphyllum 7500×；22为A.nikoense 5000×。图1 22种枫属植物的花粉电镜图

2.3 花粉形态的聚类分析

根据PCA结果选择4个主成分指标(体积指数、P/E值、孔沟形态和沟末端距)，采用平方欧氏距离法对22种枫属植物进行Q聚类分析。结果(图2)表明，在遗传距离为10时，22种枫属植物被划分为3个类群：类群Ⅰ，包含a、b、c 3个亚类群，共有14种枫树；类群Ⅱ，仅包含亚类群d，有5种枫树；类群Ⅲ，包含e、f 2个亚类群，共有3种枫树。

表3 22种枫属植物花粉形态前4个主要成分贡献率

亚类群a共包含4种枫树；其中3种为鸡爪枫组的橄榄枫、羽扇枫和三峡枫，该3种枫树花序类型、花粉形态相似，但其它诸如叶型、果型等特征则差异明显，并且分布区域也不尽相同，可能是应对不同生态条件的适应性辐射的结果。亚类群b包含鸡爪枫组5种、桐状枫组3种及坚果枫组1种；该9种枫树虽然在叶型、株型等方面差异较大，但均生活在温暖潮湿的低海波森林地带，表现出了与高湿度环境的适应性。亚类群c仅有三角枫1种。亚类群d包含5种枫树，分别属于鸡爪枫组(2种)、大花枫组(1种)、全缘叶枫组(1种)和复叶枫组(1种)，5种枫树自然分布范围都较广，生境条件较为相似。亚类群e来源于桐状枫组，花粉形状较为相似。亚类群f由三小叶枫组的毛果枫构成，毛果枫花粉粒较大，与花粉粒同样较大的亚类群e构成了类群Ⅲ。可见，由代表花粉形状的4个主成分指标构建的聚类关系不能作为种间区分的标准，但可以在一定程度上反应花粉形态与生境条件的对应关系。

图2 22种枫属植物基于4个花粉形态指标的聚类图

3 讨论

3.1 枫属植物花粉形态特征

供试枫树花粉许多特征具有一致性，如：为辐射对称的单粒花粉；赤道面观为近圆形或椭圆形，极面观呈三裂圆形；萌发沟细长，沟缘多为不整齐，长可达极面。枫属大多组都只具有3沟而不具内孔，为3沟型，3孔沟只出现于鸡爪枫组和大花枫组，并且枫属物种的花粉外壁条纹具有较丰富的多样性。

3.2 孢粉学特征在枫属分类中的应用

枫属组间甚至组下类群的花粉形态具有异质性，其中花粉大小、形状、萌发沟长等特征最明显，如鸡爪枫组，花粉粒极轴最长的三峡枫(P=33.66 μm)为最短的光叶枫(P=20.16 μm)的1.67倍，最大体积(羽扇枫)为最小体积(光叶枫)的1.45倍，并且存在近球形、近长球形、长球形及超长球形等多种花粉形状。相比而言，花粉孔沟形态和外壁纹饰在枫属组(系)内具有遗传稳定性。因此，孔沟形态和外壁纹饰可作为枫属组(系)分类的依据，而花粉大小、形状等特征则可用于种级分类。

橄榄枫和秀丽枫性状相似，分布区域高度重叠，前人基于翅果角度、柱头形态等特征将两者处理为不同物种[10，12]。2008年，新版《Flora of China》将橄榄枫修订为秀丽枫。本研究发现两者的外壁纹饰和萌发孔类型相似，仅在花粉大小、萌发沟长等特征方面存在微小差异。结合分子证据[17]，两者在5条DNA条形码序列上都高度相似，表明两者关系极近。但是，在杭州植物园实地观察表明橄榄叶片略小，柱头反卷，并且花期比秀丽枫晚14 d左右。鉴于此，建议将橄榄枫处理为秀丽枫的一个亚种。

3.3 基于孢粉特征推测枫属的系统发育

有研究认为现代被子植物花粉的一般演化规律为3沟到3孔沟[26]。本研究中，观察到枫属3个组为3孔沟类型。化石信息[13]和分子证据[15-16]证明金钱枫比枫属更为原始，并且无患子科其它属大多表现为3孔沟形态[29]。因此，认为枫属类群中花粉萌发孔(3孔沟)的消失是进化的表现。枫属类群既有3沟型也有3孔沟型的花粉，表明该属存在处于不同进化水平的2种类型，其中鸡爪枫组和大花枫组具3孔沟，属于枫属较原始类群。此外，花粉形态特征在推测鸡爪枫组的起源和演化上也具有重要参考意义。鸡爪枫组为枫属中物种数量最丰富的一组，同时也是唯一一个在北美第三纪地层中未发现化石记录的现存组[13]。从鸡爪枫组花粉具内孔可以推断该组较原始，但该组最早的化石记录直到早中新世才在欧亚中纬度地区出现[30]，因此推测该组可能由早期扩散至亚欧大陆的枫属原始类群(如古穗花枫组)演化而来。同时，鸡爪枫组在花粉大小、形状等特征上表现出高度的种间差异性，结合该组物种分布区域(喜马拉雅地区-我国西南)的气候和生境异质条件进行分析，推测该组在历史上经历了辐射进化，导致该组物种“爆发式”发生并具有丰富的种间多样性。