（园林植物与观赏园艺专业论文）鸢尾属部分种发育生物学与系统演化的研究.pdf

摘要 摘要 本文对鸢尾属植物部分种从种子胚到种苗的发育形态学、种子表面微形态及分子系 统学( 核d n a 的i t s 序列和叶绿体d n a 的t r n l f 序列) 三个方面进行了比较研究， 以此探讨了鸢尾属植物发育生物学及系统与演化等问题，并最终以检索表的形式全面综 合分析了主要性状，并取得了某些新进展，分述如下： l 、发育形态学 种子胚苗端发育较好，根端发育较弱，突出表现为子叶节以上长于子叶节以下，根 端短而钝，结构上分化不明显。种子萌发时，部分个体早期初生根紧邻根尖分生区之上 产生环状膨大生毛区。这些个体性状与单子叶沼生目和双子叶睡莲目多数水生植物相 似，从一定程度上反映它们在系统发生上的关系。 通过种子到种苗发育过程的观察与实验表明可以用来区分种的稳定性状是：由予叶 节发出的维管束通过子叶鞘进入子叶联结的维管束的数目及位置；有无舌状鞘；子叶鞘 的缺失与否：上胚轴和下胚轴明显与否：幼芽萌动的形式，尤其种子结构和第一片叶的 形态：胚芽叶萌发时胚芽鞘膨大的形态：子叶联结的位置。发现胚芽鞘膨大的形态与子 叶联结的位置存在相关性，子叶联结位于子叶鞘中上部的，子叶鞘会沿胚根方向延伸膨 大，如予叶联结位于子叶鞘偏下部位置，子叶鞘会呈三角锥状突起膨大。 2 、种子表面微形态 鸢尾属植物种子表面微形态特征具有稳定性，与分布区无关，但同一种的种子凹、 凸面微形态差异很大。所以应取果实中部的发育良好、自然成熟的种子，并在比较观察 时选择相同部位。所研究的鸢尾种都为网状( 网纹或负网纹) 文饰，这与鸢尾属植物花 粉的基本纹饰相同，鸢尾属植物种子表面纹饰的进化关系为：网胞同形较网胞异形的原 始；负网纹结构较网纹结构原始；网脊突起不明显较网脊突起明显或凹陷呈蜂窝状的纹 饰原始；网眼较浅较网眼较深的原始；次级雕纹平滑的较次级雕纹具褶皱或突起的原 始。 3 、分子系统学 通过引物设计，p c r ，基因克隆，测序，聚类分析及其同源性比对，得到了1 0 种鸢 尾属植物和1 个外类群的i t s 序列，并进行了相应的系统发育分析。本研究中i t s 序列 包括部分1 8 s 、全部的i t s l 、5 8 s 及i t s 2 序列、部分2 6 s 。在鸢尾属部分种中i t s l 区长度在2 1 9 - 2 4 3 b p ，5 8 s 序列长度均为1 6 5 b p ，i t s 2 区长度变异范围为1 9 6 - 2 3 9 b p ， i t s l 进化速率快于i t s 2 。5 8 s d n a 序列过于保守，保守位点占8 1 9 ，不适于单独用 作鸢尾属植物的系统发育分析，可以利用i t s 整个序列进行统计发育分析。i t s 序列对 于区分鸢尾属植物组级的较大分类等级较好。用近缘属射干属的b e l a m c a n d ac h i n e n s i s 作为外类群，用邻位相接法( n j ) 和最大简约法( m p ) 进行聚类分析所得的较一致的 系统树，分析表明i t s 序列对于建立属问的分类等级更加有效。结合g e n e b a n k 中的中 国鸢尾属的种的序列，比较支持中国鸢尾属植物组以上的分类系统。由于鸢尾属种内 i t s 序列的多样性，i t s 序列分析适于用于鸢尾属植物居群多样性研究，探讨物种起源 与演化关系。 得到了东北地区1 1 种鸢尾属植物1 6 个样本和1 个外类群的t r n l - f 序列，t m l f 序 列中t r n l 内含子长度在3 8 0 4 1 0 b p 、t r n l - t m f 非转录间隔区序列长度变异范围为3 4 6 3 9 7 b p ，t r n a l e ug e n e 序列共5 0 b p ，是非常保守的序列，而且外类群1 3 c h i n e n s i s 也具 有相同的t r n a l e ug e n e 。分析认为鸢尾属植物种内t m l f 序列变异很小，t m l f 序列 可以用于属间及属下等级分类，尤其对于种的分类很有效。t r n l f 序列可用于鸢尾属植 物分子分类学研究。 把前人关于鸢尾属植物的研究工作与本文在发育形态学、种子表面微形态及分子系 统学等方面获取的新进展进行综合分析，发现了黄菖蒲种内变异很大等新问题，进一步 肯定1 r u t h e n i c a 和i u n i f l o r a 之间、zt e n u i f o l i a 、zv e n t r i c o s a 和ll o c z y i 之间；， s i b i r i c a 、1s a n g n i n e a 和i t y p h i f o l i a 之问；l l a c t e a 、l e n s a t 之间的亲缘关系密切的结 论；并提出i d i c h o t o m ，l m a n d s h u r i c a 、1 s e l o s a 、上h o l o p h i l a 分类处理的新见解，据此 对中国鸢尾属系统分类提出了修订建议，从发育植物学和分子水平给出鸢尾属植物系统 与演化关系。 关键词鸢尾属植物；幼苗形态；种皮微形态：i t s 序列；t r n l - f 序列；系统演化 a b s t r a c t t h i ss t u d yf r o mt h r e ea s p e c t sc o m p a r e ss o m es p e c i e so fi r i s ，d e v e l o p m e n tm o r p h o l o g y f r o ms e e de m b r y ot os e e d l i n g ，t h es e e dc o a tm i c r om o r p h o l o g ya n dt h em o l e c u l a rs y s t e m a t i c s ( n d n ai t ss e q u e n c ea n dt h ec p d n a t m l - fs e q u e n c eo fs o m es p e c i e so fi r i s ) d e v e l o p m e n t b i o l o g ya n ds y s t e m a t i ce v o l u t i o no fs o m es p e c i e so fi r i sw e r es t u d i e d f i n a l l yi l l u s t r a t e t h e s p e c i e sk e yt oa n a l y s e sm a i nt r a i t sc o m p r e h e n s i v e l ya n dm a k es o m en e w p r o g r e s s ，a ss t a t e sa s f o l l o w s ： 1 d e v e l o p m e n tm o r p h o l o g y t h ep a r to fe m b r y o n i cb u dg r o w t hi sb e t t e rt h a nr a d i c u l o d i u m t h ep r o m i n e n t p e r f o r m a n c e i st h a tt h el e n g t ha b o v et h ec o t y l e d o n a r yn o d e si sl o n g e rt h a nb e l o wt h e c o t y l e d o n a r yn o d e s t h er a d i c u l o d i u mi s s h o r ta n do b t u s e t h e r ei sb oo b v i o u ss t m c t u r e p o l a r i z a t i o n w h e nt h es e e d ss p r o u t ，s o m ei n d i v i d u a l sh a v ec y c l i ca m m l a ri n f l a t e dh a i rz o n e a b o v ee a r l yi n i t i a lr o o t sw h i c hc l o s en e i g h b o rr o o tt i pm e r i s t e m a t i cz o n e t h e s ei n d i v i d u a l c h a r a c t e r sa r es i m i l a rt om o s ta q u a t i cp l a n t si nm o n o c o t y l e d o n e a eh e l o d i a l e sa n dd i c o t y l e d o n n y m p h a e a l e s i tm a y r e f l e c tt h es y s t e mg e r m i n a t i o nr e l a t i o n so f i r i s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n do b s e r v a t i o n so ft h ep r o c e s s o ff r o ms e e d st ot h es e e d l i n g s ，i f o u n dt h es t a b l ep r o p e r t i e st h a tm a yu s ef o rs p e c i e si c o n c a v e i f i c a t i o na r e ：t h en u m b e ra n dt h e p o s i t i o no ft h ev a s c u l a rb u n d l ef r o mc o t y l e d o n a r yn o d et h r o u g ht h ec o t y l e d o n a r ys h e a t ht o c o t y l e d o nc o u p l i n g ；w h e t h e rt h e r ei sat o n g u es h a p es h e a t h ；c o t y l e d o ns h e a t hd e f i c i e n c yo rn o t ； e p i c o t y la n dh y p o c o t y li so b v i o u so rn o t ；t h ef o r mo f b u dg e r m i n a t i o n ，e s p e c i a l l ys e e ds t r u c t u r e a n dt h em o r p h o l o g yo ft h ef i r s tl e a f ；t h es w e l l i n gm o r p h o l o g yo fg e r ms h e a t hw h e nt h eg e r m l e a fg e r m i n a t e s ；t h ep o s i t i o no fc o t y l e d o nc o u p l i n g t h es w e l l i n gm o r p h o l o g yo fg e r ms h e a t h i sr e l a t e dt ot h ep o s i t i o no fc o t y l e d o nc o u p l i n g i ft h ec o t y l e d o nc o u p l i n gl o c a t e si nt h em i d d l e a n du p s i d eo fc o t y t e d o n a r ys h e a t ht h ec o t y l e d o n a r ys h e a t hw i l ls w e l l sa l o n gt h ee m b r y o n i c r o o t i ft h ec o t y l e d o nc o u p l i n gl o c a t e si nt h eu n d e m e a t ho fc o t y l e d o n a r ys h e a t ht h e c o t y l e d o n a r ys h e a t hw i l ls w e l l st ob et r i a n g u l a rp y r a m i d 2 s e e dc o a tm i c r om o r p h o l o g y i r i ss e e dc o a tm i c r om o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sh a v et h es t a b i l i t y t h a ti sn o tr e l a t et o d i s t r i b u t i o na r e a s b u tw i t h i nas p e c i e st h e r ea r ed i f f e r e n c e sb e t w e e nc o n c a v ea n dc o n v e x s u r f a c em i c r om o r p h o l o g y t h e r e f o r e ，w es h o u l dt a k em i d d l ep a r tw e l lg r o wf r u i t ，t h en a t u r a l m a t u r es e e da n dc h o o s e st h es a m es p o tf o rc o m p a r i s o no b s e r v a t i o n a l lo fs p e c i e sw es t u d i e d i sr e t i c u l a t eg r a i n ( r e t i c u l a t eg r a i no rn e g a t i v en e tg r a i n ) ，t h i si st h es a m ep a t t e r n sw i t hb a s i c g r a i no fi r i sp o l l e n t h ep h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p so fi r i sp l a n ts e e dc o a ta r e ：t h er e t i c u l a t i o n b u t c h e ri s o m o r p hi sm o r ep r i m i t i v et h a nt h a tw i t ht h en e tb u t c h e rd i f f e r e n ts h a p e ；t h en e g a t i v e r e t i c u l a t eg r a i ns t r u c t u r ei sm o r ep r i m i t i v et h a nt h a tw i t ht h en e tg r a i ns t r u c t u r e ；t h er e t i c u l a t i o n k e e lo u t g r o w t hn o to b v i o u s l yi sm o r ep r i m i t i v et h a nt h a tw i t ht h er e t i c u l a t i o nk e e lo u t g r o w t h o b v i o u so rh o l l o w l ya s s u m e st h eh o n e y c o m b s h a p e dd e c o r a t i v ed e s i g n ；t h em e s h s h a l l o w l y 1 1 i 东北林业大学博士学位论文 i sm o r ep r i m i t i v et h a nt h a tw i t hm e s hd e e p e ri sp r i m i t i v e ；t h es e c o n d a r ys c u l p t u r e ss m o o t hi s m o r ep r i m i t i v et h a nt h a tw i t hs e c o n d a r ys c u l p t u r e sw h i c hh a sf o l d s 3 m o l e c u l a rs y s t e m a t i c t h r o u g hp r i m e rd e s i g n ，p c rg e n ec l o n i n g ，s e q u e n c i n g ，c l u s t e ra n a l y s i sa n dh o m o l o g y c o m p a r e d ，io b t a i n e dt h ei t ss e q u e n c eo f10k i n d so f l r i sp l a n t sa n da no u t g r o u p ，a n dt h e ni c a r r i e do nc o r r e s p o n d i n gp h y l o g e n ya n a l y z e s i nt h i ss t u d yt h ei t ss e q u e n c ei n c l u d e sp a r t i a l 1 8 s ，c o m p l e t ei t s l ，5 8 sa n dt h ei t s 2s e q u e n c e ，p a r t i a l2 6 s t h ei t s ls e c t i o nl e n g t hi s2 1 9 - 2 4 3 b p ，5 8 ss e q u e n c el e n g t hi s 16 5 b pi ns o m es p e c i e so ft h e r i s t h ei t s 2s e c t i o nl e n g t h v a r i a t i o ns c o p ei s1 9 6 2 3 9 b p ，t h er a t eo f e v o l u t i o nf o ri t s li sf a s t e rt h a ni t s 2 1 1 1 e5 8 s d n a s e q u e n c ei st o oc o n s e r v a t i v e ，t h ec o n s e r v a t i v es i t e so c c u p i e s8 1 9 ，t h a ti sn o ts u i t a b l ef o r p h y l o g e n e t i ca n a l y s i sa l o n e id i dt h es t a t i s t i c a lp h y l o g e n e t i ca n a l y s i sb yu s i n gt h ei t se n t i r e s e q u e n c e t h ei t ss e q u e n c eh a sm a n ya d v a n t a g e si n t h ed i s c r i m i n a t i o no ft h el a r g e c l a s s i f i c a t i o ng r a d el i k ei r i ss u b g e n u s ，t h ep a c k e tl e v e l t a k er e l a t i v eb e l a m c a n d ac h i n e n s i s sa so u t g r o u p o b t a i nt h em o r ec o n s i s t e n ts y s t e m a t i c t r e eb yc l u s t e ra n a l y z i n gw i t hm a x i m u mp a r s i m o n ym e t h o da n dn e i g h b o rm e t h o d t h ea n a l y s i s i n d i c a t e st h ei t ss e q u e n c ei sm o r ee f f e c t i v ei n e s t a b l i s h i n gc l a s s i f i c a t i o nr e g a r d i n gt h e c l a s s i f i e dr a n ka m o n gg e n u s e s c o m b i n i n gt h es e q u e n c eo fc h i n e s e r i ss p e c i e si ng e n e b a n k ， o u rr e s u l t ss u p p o r tt h eu p p e rg r o u po fc h i n e s e r i sp l a n tt h et a x o n o m ys y s t e m ，e s t a b l i s h e db y z h a oy u t a n g i t ss e q u e n c ea n a l y s i si ss u i t a b l ef o rt h er e s e a r c ho fi r i sp l a n tp o p u l a t i o n s d i v e r s i t ya n dt h ei n v e s t i g a t i o no f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e c i e so r i g i na n de v o l u t i o n o b t a i n16s a m p l e so ft h e11 s p e c i e so fl r i sa n da no u t g r o u p st r n l fs e q u e n c e i nt h e t r n l fs e q u e n c e si tc o n t a i n sl e n g t hi n3 8 0 4 1 0 b p t m l t m fn o n t r a n s c r i b e ds p a c e r l e n g t h v a r i a n c es c o p ei s3 4 6 3 9 7 b p t h ee x t e r n a lo nt r n a l e ug e n eh a sc o n s e r v a t i v es e q u e n c e a n d a l s oo u t g r o u p ，bc h i n e n s i sh a st h es a n l et r n a - l e ug e n e t h ea n a l y s i sc o n c l u d et h a ti nt h e s p e c i e so fl r i st r n l fs e q u e n c ev a r i a t i o ni sq u i t es m a l l ，t m l fs e q u e n c em a yb eu s e da s m o l e c u l a rc l a s s i f i c a t i o ns e q u e n c e ，a n du s e di nc l a s s i f i c a t i o na m o n gg e n u sa n dw i t h i nag e n u s o f l r i s a f t e ra n a l y z i n gp r e v i o u sr e s e a r c hw o r k s ，a n do u rr e s u l t so nd e v e l o p m e n tm o r p h o l o g y ( f r o me m b r y ot o s e e d l i n g ) ，t h es e e dc o a tm i c r om o r p h o l o g ya n dt h em o l e c u l a rs y s t e m a t i c ，if o u n ds o m ed i f f e r e n c e si n l p s e u d o c a r u s f u r t h e ra f f i r m st h ec o n c l u s i o no ft h ec l o s eg e n e t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nl r u t h e n i c aa n d l u n i j l o r a lt e n u i f o l i a ，iv e n t r i c o s aa n dli o c z y i ，is i b i r i c a 、is a n g n i n e aa n dz p m f o l i 口l l a c t e aa n d l e n s a t a ，a n dp r o p o s en e wi d e a so ft h ec l a s s i f i c a t i o n p r o c e s s a b o u tl d i e h o t o m 、l m a n d s h u r i c a 、 l s e t o s a 、zh o l o p h i l a a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e v i s e sc h i n e s ei r i ss p e c i e sp h y t o g e n e t i cc l a s s i f i c a t i o na n d s h o wt h es y s t e m a t i ce v o l u t i o nr e l a t i o n k e y w o r d s i r i s ；s e e d l i n gm o r p h o l o g y ：s e e dc o a tm i c r om o r p h o l o g y ；i t ss e q u e n c e ： t r n l - fs e q u e n c e ：s y s t e m a t i ce v o l u t i o n i v ， 1 绪论 1 绪论 1 1 植物幼苗发育形态特征的研究进展 幼苗，植物学上的概念是指种子植物的种子产生的幼小植物体叫幼苗。幼苗是植物 体个体发育中的一个时期，其外部形态、内部解剖等方面都有一定特点，幼苗和其前期 的种子和其后期的成年植株既有联系又有区别，既有某些相似的地方，又有其独特的形 状，从幼苗到成年植株上存在着一系列的过渡阶段。种苗和其以后发育阶段的区别在形 态上一般表现为发育程度较差，根系纤细，茎、叶结构简单，有一定的阴性结构等，而 最大的特点是：( 1 ) 具有过渡区的初生维管系统，( 2 ) 具有子叶。所以把从种子萌发至子 叶脱落之前这一段的幼小植物体称为幼苗是比较合适的【i i 。 早在1 9 世纪初，b e m h a r d i l 2 1 等己开始注意幼苗的各部分形态，1 8 8 5 年k r e b s 川提出 了幼苗的分类，他把幼苗分为三大类群，第一类群子叶2 至多数，包括大部分双子叶植 物和裸子植物；该类群又分子叶出土组和子叶留土组。第二类群子叶l 一2 枚，而且是退 化的，也属于双子叶植物；第三类群子叶1 枚，包括所有的单子叶植物。他的分类对后 期幼苗形态学研究有较大的影响。 到2 0 世纪有关幼苗特征的研究更加深入，尤其对双子叶植物幼苗的研究，l e o n a r d 4 1 认为在一个好的属中，所有种的幼苗具有同一个类型，或者说，只有一个类型的幼苗 在每一个“好的”属中占绝对多数。1 9 6 3 苏联植物学家根据子叶的功能将留土子叶分为 两个类型，一是子叶为吸收功能的留土萌发，二是子叶为贮藏功能的留土萌发，并根据 种子进化质上的区别，把具留土萌发的种子又区分为三个类型：l 、种子有胚乳。胚发 育不完全，子叶为吸收功能；2 、种子有胚乳，胚发育完备，子叶为吸收功能：3 、种子 无胚乳，胚发育完备，子叶肥厚，含有丰富的营养物质，为贮藏功能。 从幼苗形态到用于分类系统研究从子叶功能到子叶形态分类，具体到对专科专属 幼苗形态研究1 5 。j ，并强调了幼苗形态在理论和实践上的重要意义，1 9 8 0 年v o g e l 【8 1 出 版了双子叶植物幼苗一书，在总结前人研究成果基础上，从幼苗各部分的结构、功 能和变异，幼苗的类型，幼苗类型的分类，幼苗生态等部分详细论述，把双子叶植物幼 苗分为1 6 个类型，还讨论了幼苗类型之间的进化关系，认为子叶为吸收功能的留土萌 发为最古老的幼苗类型。后期发展到从幼苗形态探讨系统演化关系1 9 1 单子叶植物幼苗的研究，1 9 2 5 年a r b o r _ 【1 。】作了大量单子叶植物幼苗的形态和解剖观 察，认为单子叶植物幼苗包括：基鞘( b a s a l ) 、舌状鞘0 i g l l l 盯s h e a t h ) 、叶片0 i m b ) ，并论 述了单子叶植物幼苗的单个子叶既不是双子叶植物的两个子叶愈合，也不是其中一个子 叶的退化，而是强调单子叶植物的生长节律，即幼苗的第一节上只长一片子叶。b o y d t 1 1 ，在论述单子叶幼苗形态时，他非常重视生态环境对植物幼苗的影响，他对幼苗的描述不 是根据某个系统按科的顺序，而是按水生、沼生、附生等生态型归类，在这些生态型下 分科、属描述。他把单子叶幼苗分为3 个类型：第一，出土萌发：第二，子叶是地下器 官，包括子叶鞘、吸器和两者之间的子叶联结子叶联结可以相当长，把子叶鞘和胚推 东北林业大学博士学位论文 向土壤深处：第三，留土萌发，胚根和子叶鞘基部突出种子表面后，在鞘基上长出舌状 鞘，胚根向下生长，子叶联结短，吸器的位置和舌状鞘、胚根形成直角，d a h l g r e n 认为 莎草科和禾本科幼苗就为第3 种类型。b o y d 还认为有舌状鞘的种类是较进化的类型。 r d d i o n i i l l ( o 【1 2 】通过对鸢尾属植物幼苗研究，认为幼苗的子叶联结、子叶鞘长度都会随环 境有所改变，并从幼苗形态上推断出鸢尾属植物可能的演化方向。e a m e s i t 3 探讨中胚轴 和胚芽鞘的关系，认为中胚轴是由于下弯的子叶联结和下胚轴愈合而形成的，禾本科和 莎草科、一些鸢尾属植物都有中胚轴，中胚轴可以有两个维管束，一是下胚轴的中柱， 另一个是子叶联结的维管束，有些观点至今仍被采用。 早期对单子叶幼苗形态研究多以杂草为主【1 4 ”】，杂草幼苗形态描述对指导农业生产 有重要的意义。1 9 8 0 年t i l l i c h 【16 】在他有关单子叶植物幼苗的比较形态学研究中，讨论 了幼苗的形态学问题，并从幼苗形态这个角度讨论了单子叶植物的系统分类。1 9 9 2 年他 又结合幼苗的结构，把单子叶植物幼苗分为以属命名的1 0 个类型，即：1 、纲球花型： 2 、龙舌兰型；3 、灯心草型；4 、阿福花型：5 、吊兰型；6 、全能花型；7 、隐棒花型： 8 、黄精型；9 、象牙参型：1 0 、雀麦型。并探讨了其进化路线，他认为从l 型的两面 叶、子叶鞘张开、叶缘缩短成子叶鞘缘，经过单面叶、子叶鞘闭合成管、鞘缘连合成 孔、孔处出现分生组织，发生胚芽鞘，最后子叶鞘管受抑制不发育，而胚芽鞘充分发育 形成5 型，沿1 2 3 4 5 方向为进化主线，1 到6 ；2 到7 ：3 到8 ：4 到 9 ：5 到1 0 为进化旁支，并且每一过程都有一些中间类型。1 9 9 5 年他又从幼苗的形态学 特征探讨了各个目的系统分类，即单子叶植物幼苗最原始类型。王世金【l 在对禾本科 2 2 个族7 6 个属2 0 3 个种的植物幼苗发育过程和形态研究的基础上，根据胚轴和根系发 育的不同形式进行了系统分类。研究结果反映出幼苗的形态能够反映亲缘关系和作为系 统分类探讨的重要依据。2 0 世纪9 0 年代以后，幼苗形态学研究更加深入了，在形态学 研究的基础上探讨了系统与进化关系【l ”。叶能干i lj 在2 0 0 2 年发表了种子植物幼苗形 态学专著，在综合前人研究结果，结合自己多年研究的基础上对种子植物幼苗全面系 统的分析描述，并进行了演化关系的探讨，提出一些新观点，对近期植物幼苗形态研究 提供了有价值的参考。 很多园艺学家早就知道幼苗的一些特点和成年植株的某些特征是相关的，因此，在 育种时就可以利用这样的相关性，可以利用幼苗的一些特点来预测成年植株的形状，培 育出优良的品种等等。 1 2 种子表面微形态特征在植物系统与演化中的应用 植物系统学是描述植物的多样性及在系统发育过程中所发生的分异与趋同，研究它 们的起源和演化过程，以及各类群之间相互关系和系统排列的科学。系统学研究的中心 任务是将从共同祖先遗传下来的同源性( h o m o l o g y ) 和由于趋同进化从不同祖先演变而 来的相似性( a n a l o g y ) 区分开来。目标是建立一个能够反映植物演化和谱系发生关系的 自然系统。植物系统学的研究必须以占有资料的丰富性，所获得证据的广泛性和可靠性 为基础。因而系统学家的主要工作就是发现和分析性状。 种子的形态结构特征是种子植物分类及其系统关系研究的重要性状依据。种子形态 1 绪论 学是描述性分类学的一个重要方面，又是植物系统与演化研究的重要领域之一。近年， 国外对种子形态学的研究已经越来越重视，发表了一系列论文或专著【1 9 。2 0 j 。然而，我国 对种子形态学研究的资料并不多，而且主要对杂草种子形态研究【2 ”，只有少数人对极 少数科、属植物种子形态学做过研究。这些说明对中国植物种子形态学作系统性和科学 性的研究工作还非常不够，前人的工作还远远不能满足科研和社会的需求。我国是种子 植物种类最丰富的国家之一，对我国植物种子进行系统性的、不同分类群的形态分类研 究，丰富种子形态学基本资料，是亟待开展的，尤其扫描电子显微镜的出现，种子表面 微形态结构的研究充实了种子形态分类研究的基本资料。植物种子和果实化石可为古生 物学家对古气候和古植物研究提供重要线索，因此，对种子形态学研究有重要的理论意 义。刘长江【”】发表了中国植物种子形态学研究方法和术语，对于指导我国种子形态研究 标准化具有重要参考价值。 种子的发育从胚胎的形成到脱离果实的整个过程，都是在比较封闭的条件下进行 的，相对来说受外界环境的影响比较少，所以说种子形态及表面细微结构是相对稳定 的。 近3 0 年来，种子表面的细微结构形态在分类学和系统学中的价值引起了人们的高 度重视，h e y w o e d 2 3 j 认为作为种子表面形态的必需资料，种子的电镜扫描将变为一种常 规技术。常认为种间种子表面纹饰差异非常稳定，外种子表面表面微形态与属内物种具 有一一对应的关系，可作为种鉴定和区别的特征 2 4 , 2 5 】；种子表面微形态特征在种问或更 高分类等级之间有很大的分类价值1 2 ”，还可用于科内不问等级的分类1 2 9 , 3 0 ，有关种子 形态结构方面的扫描电镜研究资料已证明了各个分类等级上基因的多样性。种子微形态 特征已用于解决分类问题、建立进化关系、阐明种子微形态结构的适应性意义、作为遗 传标志识别杂交中的基因类型等多种研究目的。 j 随着工作的深入，人们开始注意到种子表面微形态结构不仅与植物的遗传性、亲1 i 缘关系相联系，而且与种子的传播、寿命和萌发1 3 1 】有着极为密切的关系，同时与植物的 生理功能及所处的生活环境相联系 3 2 1o 种子表面微结构决定着种子的生活力和水分的 吸收、种子形态和重量、影响种子的散布距离，而且决定种子散布的方式和特点【玎i ，更 重要的是许多野生植物的种子特征也往往受到自然胁迫的影响，同时反映出种子的自然 生境。 研究资料充分显示，种子表面微形态在被子植物系统学研究中具有重要价值，国 内外不少学者将种子微形态特征用于植物分类学与系统学研究，从系统进化的观点，比 较各类群植物在结构上的异同，应用这些结构特征，作为植物分类及分析其系统关系的 重要依据，为科内不同等级的分类提供可靠的依据。并证明它不仅在种、属或科一级水 平上有分类学意义，而且对于探讨种、属间的自然演化关系颇有启迪【3 6 1 。也有学者认 为，种子表面的纹饰是对环境变化的一种适应，是植物生态型特征的表现，因此对于宏 观分类较团难的类群，种子表面微形态结构特种意义更大。 1 3 基于i t s 序列在植物系统学研究中的应用 现代系统学家已不再只把植物类群的外部形态性状作为建立分类系统的资料来源 东北林业大学博士学位论文 植物系统研究转向更深层次的分子研究一一分子生物学研究，从分子水平( 主要是 d n a 水平) 研究生物的系统与进化。 植物分子系统学研究包括两大方面：一是蛋白质与酶，包括核心蛋白，可溶性蛋 白，同工酶或等位酶等；二是核酸，包括核d n a ( n d n a ) ，线粒体d n a ( m t d n a ) ， 叶绿体d n a ( c p d n a ) 等。近年来，越来越多的植物系统学家开始使用分子方法，使 从d n a 研究中得到的系统学数据剧增，革新了植物系统学的实践，尤其是d n a 测序 技术的蓬勃发展，为植物分子系统学的研究开辟了广阔的前景。随着更多基因序列的测 定，d n a 序列数据将对分子进化和分子系统学研究作出它应有的贡献。 d n a 测序的最大优点在于序列数据应用于系统发育的深度范围，针对某一特定的 系统学问题选择相应合适的分子片断是分子系统学研究中最基础最关键的一步。选择一 个序列进行系统发育分析，通常要考虑以下几个问题：这个序列要足够长，以提供足够 的带有系统发育信息的核苷酸位点，且所选序列的差异百分率必须适于所要解决的系统 问题。一般认为所要比较的分类群间的序列差异率在5 一1 5 问最为合适，这是既可使 性状间的多次置换降至最低，又能提供足够数量的性状：序列必须易于排序，这对性状 同源性的正确评价是十分必要的：序列必须是直系同源的【3 7 】。 在高等植物中，n d n a 的编码区序列高度保守，序列差异主要表现在内转录间隔区 ( i t s ) 、外转录间隔区( e x t e m a lt r a n s c r i b e ds p a c e r ， e t s ) 和基因问区( i n t e r g e n i c s p a c e r ， i g s ) 等非编码区上，因此，n d n a 的编码区( 1 8 s 、5 8 s 、2 6 sr d n a ) 序列一 般用于高级阶元和系统发育研究，而非编码区( i t s 、e t s 、i g s ) 序列常用于较低分类 阶元的系统学研究。核基因组非编码序列主要是i t s 、e g s 和i g s 序列，特别是i t s ( 核糖体内转录间隔区) 序列应用最多。 i t s 区位于1 8 s 和2 6 sr d n a 基因之间( 见图l 1 ) ，被5 8 s 基因分为两段即i t s l 和i t s 2 ，它们的转录产物( t r a n s c r i p t ) 在r d n a 的加工过程中被切掉，从功能上考虑， i t s 区至少对n r d n a 的成熟起作用，很可能在结构和序列上受到某些进化约束。i t s 区 的一些特殊特征加速了它在植物系统发育分析中的应用。 囤1 - 1 植物n d n a - i t s 的基本结构 f i g 1 - 1 b a s i cs t r u c t u r eo f p l a n t s n d n a i t s 第一，作为1 8 s 一2 6 sr d n a 的一个组成部分，i t s 在核基因组中是高度重复的，千 万个拷贝以串联重复方式出现在一个或多个染色体基因位点上。这样多的拷贝有利于扩 增、克隆和测序。同时，i t s l 、i t s 2 分别位于1 8 s 5 8 sr d n a 、5 8 s 2 6 sf d n a 之间， 绪论 而高等植物的1 8 s 、5 8 s 、2 6 sr d n a 的序列又高度保守，这样就可以用与它们序列互补 的通用引物对i t s 区进行p c r 扩增、测序。外转录间隔区( e t s ) 位于1 8 s 基因上游， 其长度在不同类群问的变异较大，一般在o 8 1 1 k b 之问，虽然e t s 进化速率与i t s 相 近，甚至更快，但是由于上游与高变i g s 相连，难以找到合适的通用引物来扩增整个区 域，因此用于系统学研究的报道较少。这一片段对于那些仅靠i t s 序列尚不能提供足够 变异的年轻分支内的研究可给予一定帮助。 第二，从系统发育重建的观点出发，最重要的是这一基因家庭通过不等交换和基 因转换，这些重复单位间已发生了位点内或位点间的同步进化( c o n c e d e de v o l u t i o n ) ， 即不同i t s 拷贝间的序列趋于相近或完全一致。这个特性可促使根据i t s 序列对种间关 系进行精确重建。一致进化和有性重组可促使杂交居群内r d n a 的一致性，由此降低了 在系统发育中居群内取样的重要性