（植物学专业论文）中国结缕草族（zoysieae）的系统学研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 中国结缕草族的系统学研究 中文摘要 结缕草族z 0 y s i e m i q 属于禾本科，约4 5 种，广泛分布于热带和亚热带地 区。中国产3 属，约1 0 种。由于结缕草族独特的形态学特征和叶解剖学特征，结 缕草族的系统分类一直存在较大的争议。本文从叶表皮微形态、颖果形态、硅细 胞形态以及分子系统学等方面进行了研究，试图为结缕草族的分类和系统学地位 提供新的证据。 利用光学显微镜对结缕草族及其近缘属代表植物的叶表皮微形态、颖果以及 硅细胞形态进行了观察研究。结果表明：茅根属的叶表皮脉带较宽，明显区别于 结缕草属和锋芒草属；而锋芒草属叶表皮脉间无短细胞，具乳突，又明显差别于 结缕草属。颖果方面，画眉草亚科植物的颖果基本上都属于画眉草型，其中锋芒 草属的颖果背腹压扁与黍型相似；硅细胞方面，茅根属硅细胞为哑铃形与黍型相 似，结缕草属、锋芒草属、画眉草属等画眉草亚科植物硅细胞都为鞍形，属于画 眉草型，其中结缕草属的硅细胞由鞍形变化为新月形，甚至近圆形。说明结缕草 属、锋芒草属和茅根属在叶表皮、颖果和硅细胞形态方面各具特征，结合宏观形 态和解剖学特征分析，这三个属之间差别明显，但都与虎尾草族植物具有较高的 一致性，说明结缕草族植物与虎尾草族有较近的亲缘关系。 分子系统学方面，采用核基因1 1 r s 序列和叶绿体t n 心f 基因序列对结缕草 族及近缘属植物进行分析。结果显示，i t s 序列和t r l l l f 序列将结缕草族及近 缘属植物明显地分为4 个姐妹分支a 、b 、c 、d 。其中分支a 、b 、c 、d 与传 统分类的画眉草亚科、黍亚科、芦竹亚科、早熟禾亚科相一致。a 分支中，画 眉草属组成一个小分支，画眉草亚科其余各属组成另外一个分支，与传统分类 学对禾本科的划分不是完全吻合，表明传统的画眉草族并非是单系类群。结缕 草属、锋芒草属和茅根属都属于第二个分支，相互并列，从分子进化的角度来 看，说明此三属植物与虎尾草族具有较近的亲缘关系。另外，虎尾草族的分支 内存在的许多姊妹分支，是否建为亚族值得进一步研究。 从叶表皮微形态、颖果和硅酸体形态以及分子系统学证据等方面来看，本 文的研究结果与传统分类有所不同：结缕草属、锋芒草属、茅根属应放在虎尾 草族，画眉草亚科，本文支持周太炎等( 2 0 0 1 ) f l o r ao f c l l i m 中的处理意见， 山东师范大学硕士学位论文 取消结缕草族，将结缕草属、锋芒草属和茅根属做为虎尾草族的三个独立的属 处理。同时认为画眉草族植物是个并系群，至于虎尾草族内亚族的划分值得进 一步研究。 关键词：结缕草族；叶表皮；颖果；硅细胞；i t s 序列；t h l l - f 序列 分类号：q 9 4 9 7 1 + 4 2 2 山东师范大学硕士学位论文 s y s t e m a t i cs t u d i e so nt h e ， 阡i b eo fz o y s i e a e ( p o a c e a e ) a b s t r a c t t h et r i b eo fz o y s i e a em i q w 1 i c hb e l o n g st 0t h e 缸n i l yp o a c e ，a b o u t3 0 0 s p e c i e s ，w i d e l yd i 嘶b u t e di n 臼0 p i c a l 锄ds u b 仃o p i c a lt e m p e r a t er e 百o n so ft h ew o r l d a i l d3g e n e r a ，t e i ls p e c i e si nc m n a d u et 0i t su n i q u em o 印h 0 1 0 9 ) ，a 工l d1 e a fa 1 1 a t o m y s 饥l c t l l ：r e ，t h es y s t e m a t i cs t a t u so fz o y s i e a eh 嬲s t i l la 可e a tm a t e ro fd e b a t e 1 1 1t h j s m e s i s ，t h es y s t 咖a 上i cs t a t u so fz o y s i e a eh 2 u sb e e nd o c 啪e n t e db ym e a n so fl e a f a b a x i a l 印i d e 砌s ，c a r y o p s i sa i l ds i l i c ab o d ym o 叩h 0 1 0 9 y ，a n dm o l e c u l a rs y s t e m a t i c s ， w h i c hp r 0 v i d en e we v i d e n c e sf o rs y s t e m a t i cp o s i t i o no fz o y s i e l i g h ti n j c r o s c o p e sa r eu s e dt oe x a m i n el e a f 印i d e n n a lf e a 柚l r e s ，c 哪p s i sa n d s i l i c ab o d ym o 印h o l o g ) ，o fm et r i b eo fz o y s i e a e 趾dr e l a t e dg e n e r ao ff 锄p o a c e a e 1 h r o u g ht h es t u d y ，w ef o u n dt h a tc o s t a lz o n e so f 胁加m a r k e d l yw i d e rm a n 乃铅谢 a 芏1 dz 啪纪；t h e r ea r ep 印i 1 1 a e s 锄dn o ts h o r tc e l l so v e rm ev e i n si i l 乃昭淞i td e 蜀衙e s o b 访o l l s l yf b mz a 筘纪c a r y o p s i sm o r p h 0 1 0 9 yo fs u b f a m e r a g r 0 s t o i d e a eb e l o n gt o m et y p eo fe r a g r o s t i d e a e ，b u tm em o d eo fc a r y o p s i sc o m p r e s s i o no f 行q g 獬c o n f o m s w i t l lm et y p eo fp a l l i c o i d e a e t h es i l i c ab o d i e so fs u b 珊心加咖i sm et ) p eo f p a i l i c o i d e a e ，t 1 1 eo t h e rg e i l e r ai se r a g r o s t i d e a e e s p e c i a l l y 也ev a e t yo ft h es i l i c a b o d yo fz 0 y s i ai s0 b v i o l l s ，6 0 ms a d d l et 0c r e s c e i l _ t i c ，r o u n d n e s s h 1l e a fa b a ) 【i a l 印i d 谢s ，c 哪，0 p s i s ，s i l i c ab o d ym o 印h o l o g ) ra n dt l l e i ru n i q u em o r p h o l o g ) r 船dl e a f a n a t o m ys t r i l c t l l r e ，t h e r e i s r e s p e c t i v e l yc h a r a c t 嘶s t i c i i l r 粕加，胁g 坶 a i l d 2 j 2 声地h o w e v e r ，尸啪自峨乃p g 珊a n dz 咖缸a r eu i l i t e di n t 0c l l l o r i d o i d e a e m 0 1 e c u l a rp h y l o g e l l y t h es y s t 锄撕cr a n ko fz o y s i e a ei sd i s c u s s e da n d e x a m i n e dm ep h y l o g e i l e t i cr e l a t i o n s l l i p sb e 呐e e nt h i st r i b e sa n dr e la t i e dg e n e r ai nt h e p o a c e u s i n gi t sa n dt r i 儿一fd n a 盘a g m e n t t h er e s u n ss h o wm a tp o a c e a ef o m e d m o n o p h y l e t i cg r o u pc o m p r i s e do ff o u rc l a d e s ，c l a d e a ，b ，c ，d o ft h e s e ，c l a d e sa ，b ， c ，dc o r r e s p o n dw i 也s u b f 锄e r a g r o s t o i d e a e p a m c o i d e a ea n m d i n o i d e a e锄d p 0 0 i d e a e i nt h ec l a d ea ，t h es u b e r a g r o s t i d e a ei sn o tm o n o p h y l e t i c 凡加f 括， 脚s a n dz d 声缸a r ea l s oi nt h el a t t e r ，s 0i ti sc l o s er e l a t i o n s h i pw i mt h ec h l o r i d e a e b e s i d e s ，m a tm a n ys i s t e rc l a d e si nt 1 1 ec h l o r i d e a ea r er e 矗玎e da sm es u b t 衲e sn e e d e d 3 山东师范大学硕士学位论文 m o r ee v i d e i l c et 0c l 撕缸 h lc o n c l u s i o n ，b a s e d0 nl e a fa b a x i a l 印i d e n 撕s ，c a r ) ，0 p s i sm o 印h o l o g y ，s i l i c ab o d y ， m 0 1 e c u l a rp h y l o g e n y ，吐l ep r c s e n t 仃e s u l t sd i f f e r 丘o mt h e 乜a d t i o n a ls t l l d yi 1 1 d i c a t e l a tn 加r 缸，哪缸dz 咖缸a r ci m m e r g e d 缸oc h l o r i d o i d e a em es u b f 锄 跏矿斑，t h e 骶s u l t so ft l l i sm e s i ss u p p o r t 也ec o n c l u s i o no ff 1 0 r ao fc h i n a ( z h o u t - ye t a i ，2 0 0 1 ) 觚d 仕l e t l l r e e g e n e r a i s n o t 逾d 印e n d e m l y 仃e a t e d a u sa 仃i b e e r 赠r o s t i d e a ei sn o tm o n o p h y l e t i c ，h o wc h l o r i d o i d e a ed e v i d e ss u b t r i b e sn e e d m o r ee v i d e n c et 0c l a d f l y k e yw o r d s ：z o y s i e a e ；l e “印i d e n n i s ；c 奶，0 p s i s ；s i l i c ab o d y ；i t ss e q u e n c e ；t n l l f s 印u e n c e c l c ：q 9 4 9 7 1 + 4 2 4 山东师范大学硕士学位论文 第一章文献综述 禾本科植物就种的数量而言，属于世界四大科之一。禾本科最早出现在白 垩纪晚期【1 1 ，目前世界有7 2 0 一7 6 5 属，1 0 0 0 0 多种，可分为5 6 个亚科，6 0 8 0 个族。中国约有2 4 2 个属，1 9 0 0 多种【2 1 。该科植物分布广泛，能够适应各种不 同类型的生态环境，是种子植物中最有经济价值的一科【5 3 1 。不仅是人类粮食和 牲畜饲料的主要来源，也是加工淀粉、制糖、酿酒、造纸、编织和建筑方面的 重要原料，比如水稻、小麦、玉米、高梁和黍等经济作物都出自禾本科。因此 研究禾本科植物的起源、进化和分类，不仅对揭示地球生物进化的规律有重要 的理论意义，而且对主要禾本科农作物的改良也有极大的应用价值。 1 禾本科的分类学研究历史 从公元前三百年至十九世纪，人类对禾本科的认识主要是其农用和医用价 值。此时禾本科的分类是人为分类，即仅仅对植物的名字和形态的描述。早在 林奈( c a r ll i l l l l a e u s ) 之前欧洲植物学家就描述过分布于欧洲的一些禾本科植 物，如j 0 h 锄s c h e u c h z e r 【删于1 7 0 8 年把当时所知的禾本科植物归入早熟禾类 ( a g r o s t o g r a p l l i c i ) ，并附禾本科花序形态的轮廓图。林奈把他当时认识的约4 0 种禾本科植物组合为一个“c 1 a s s ”，认为禾本科的特征是小花具3 枚雄蕊2 枚 雌蕊，显然，他把雌蕊的2 个柱头看作2 个雌蕊，他认为小穗是单花的，没 有认识到小穗是组成花序的基本单位，且把一些不相似的植物归为一类。在他 第一版的s p e c i e sp 1 a 1 1 t a n 肛n 【5 5 】中记载了1 6 属4 0 种禾本科的植物，其中 仅l 属2 种至今有效。 十九世纪至二十世纪中期，禾本科的分类学研究主要依据是植物花部形态 和地理分布相似性的原则，这一时期称为自然系统时期。禾草学家逐渐认识到 禾本科的小穗是组成花序的基本单位；突出的贡献是对亚科中大群( 族) 的认 识，发表了大量的新属和新种。早在1 8 1 0 年i b b e n 依据小穗的形态结构差异【3 1 ， 将禾本科分为两个亚科：黍亚科( p a m c o i d e ) 和早熟禾亚科( p 0 0 i d e a e ) ，并注 意到黍亚科分布在热带亚热带地区，而早熟禾亚科分布在寒温带地区。p a l i s o t ( 1 8 1 2 ) 【4 】首先明确禾本科是被子植物中较高等的类群，他的突出贡献是命名 和描述了大量的新属。1 8 8 1 年b e n t h 锄基于花序和小花的形态特征【5 】，将禾本 科分成2 个亚科，该系统得到后来学者的继承和发展，如b e i l t h 锄a n dh 0 0 k 山东师范大学硕士学位论文 ( 1 8 8 3 ) 【6 】，h a c k e l ( 1 8 8 7 ，1 8 8 9 ) 【7 8 】，s t 印f ( 1 9 1 7 1 9 3 4 ) 9 1 ，h i t c h c o c k ( 1 9 2 0 ，1 9 3 5 ) 1 0 ，1 1 1 ， b e w s ( 1 9 2 9 ) 【1 2 1 等。h i t c h c o c k ( 1 9 5 1 ) 【1 3 】将z o y s i e a e 和o r y z e a e 转隶于狐茅亚 科( f e s t u c o i d e a e ) ，并从o r y z e a e 中分离出来一个小族z i z a n i e a e 。自此，他的著 作成为北美系统学家、生态学家必用的经典参考书。同时，俄国学者和法国学 者相继出版了基于微观形态特征的分类系统，对禾本科分类产生了深远的影响。 1 9 3 1 年a v d u l o v 根据禾本科叶片解剖学和细胞学特征【1 4 1 ，将禾本科分为 p o a t a e ( p 0 0 i d e a e ) 和s a c c h 撕f i 芽 a i l i c o i d e a e ) 两个亚科，前者包括 f e s t u c 怕n n e s 和p h m 鲫i t i f 0 肌e s 两个系。p r a t ( 19 3 2 ，19 3 6 ，19 6 0 ) 【1 5 1 6 1 7 】报道了 基于叶表皮形态特征的分类：即三个亚科f e s t i l c o i d e a e ，p a l l i c o i d e a e ， b a m b u s o i d e a e 。 二十世纪中期至今，禾本科分类进入反映系统发育的“新系统”时期。标志 是英国学者h u b b a r dce ( 1 9 3 4 ，1 9 4 8 ，1 9 5 4 ) 【1 8 1 9 ，2 0 】发表的著作，他的系统基本 框架沿袭a v d u l o v ( 1 9 3 1 ) 【1 4 】和p r a t ( 1 9 6 0 ) 【1 7 1 系统。自1 9 5 0 年以来，禾草学家 致力于寻求系统发育的新证据，相继报道了新的亚科：有p i l g e r ( 1 9 5 4 ) 【2 1 ，2 2 1 ， j a c q u e s f e n x ( 1 9 5 5 ，1 9 6 2 ) 2 3 捌，b e e t l e ( 1 9 5 5 ) f 2 5 】，s t e b b i n s ( 1 9 5 6 ) 【2 6 1 ，1 a t e o k a ( 1 9 5 7 ) 【2 7 】，d ew a ( 1 9 5 4 ，1 9 5 6 ) 脚9 1 ，r e e d e r ( 1 9 5 7 ) 【3 们， b r o w n ( 1 9 5 8 ) 【3 1 】等。1 9 5 9 年在蒙特力尔召开的第九界国际植物学大会，会议期间禾草学家报道了禾本科 一系列的研究论文，标志这一时期发展的顶峰。后面的研究还包括p r a t ( 1 9 6 0 ) f 1 9 1 ，t l a t e o k a ( 1 9 6 0 ) f 3 2 1 ，s t e b b i n sa n dc r 锄p t o n ( 1 9 6 1 ) 【3 3 1 ，p a i o d i ( 1 9 6 1 ) 【3 4 】， j a c q u e s - f e h x ( 1 9 6 2 ) 【3 5 】，r e e d e r ( 1 9 6 8 ) 【3 6 】，h i l ua i l dw 五g b t ( 1 9 8 2 ) 【3 7 】，c 1 妙0 na n d r e n v o i z e ( 1 9 8 6 ) 3 8 1 ，w r a t s o n a 1 1 dd a l l w i t z ( 1 9 9 2 ) 3 9 1 ， t l l o m e ( 1 9 9 2 ) 【加】， g p w q 2 0 0 0 ) 【4 1 】等学者的工作。最近，分子系统学研究给禾本科分类学提供了 新的证据( d a 、，i sa n ds o 姗g ，1 9 9 3 【4 2 】；c 船n i n g s ，k i n ga i l dk e l l o g 岛1 9 9 4 【4 3 】；h s i a 0 e t a l ，1 9 9 8 ； n a d o t ， b 萄。玛 a l l d l e j e 吩e ，1 9 9 4 【4 5 1 ；b a r k l i n d a n d h a r l 啪1 9 9 5 【4 6 】；c 1 a r k ，z i l a n g ，a n dw e i l d e l ，1 9 9 5 【4 7 】；d u v a l la n dm o r t o n ，1 9 9 6 【4 8 】； l i 吼ga i l dh i l u ，1 9 9 6 【4 9 j ；ma _ m e w s 趾ds h a n d c k 1 9 9 6 【5 0 】；碰l u 锄d 砧i c e ，1 9 9 9 【5 1 】； m a t h c w s ，t s a i ，锄dk e l l o g g ，2 0 0 0 【5 2 】) 。 中国学者耿以礼( 1 9 5 9 ) 【6 7 】在中国主要植物图说( 禾本科) 中，第一次 对中国禾本科植物进行研究，主要类群的排列类似b e n m 锄a n dh o o k 一6 】系统， 6 山东师范大学硕士学位论文 将禾本科分为竹亚科和禾亚科。陈守良f 6 8 】主编的中国植物志将禾本科分为 7 个亚科：竹亚科、稻亚科、芦竹亚科、假淡竹叶亚科、画眉草亚科、早熟禾 亚科、黍亚科。吴征镒在中国被子植物科属综论【7 0 】中将禾本科分为6 个亚 科。2 0 0 6 年出版的f l o r ao f c m n a 【7 l 】中，对禾本科没有采取亚科的处理方式，而 是将禾本科分为2 8 个族。张宏达在种子植物系统学【6 9 】中将禾本科分为九个 亚科，与p i l g e r ( 1 9 5 4 ) 的分类系统一致( 不同时期主要学者的分类系统详见 表1 ) 。 表1 不同时期主要学者的禾本科分类系统 p a l l i c p a i l i c p a i l i c p 锄i c p 缸i c p 锄i c p 雒i c p a l l i c 。 f e 咖c a n 出( ) p e m 罢印s t 。c l l l 嘶d c h l 耐d c h l 嘶正c h l 耐dc h l 嘶d b r a 舀o s t f e s t i l c p o o i d p o o i d p o o i d p 0 0 i d p o o i d f e s n l c a n l n &a n 】n d a n l n d a n 】n d a 1 1 l n d a n l 玎d b 锄出u s b 锄出璐b a l b l l s b 锄1 b l l s b a m b u s b 锄b u s b 锄曲u s 0 1 ) 阻o r y z c e l l t o m c e n t o m c e n t o l h c e n t o m c 即舾1 1 1 o d ，z c 锄t o m 咖o i d o 妒a r i s t i d m i c r a j r n a r d o i d 越i t l l o n a卫onochl，虹mnoclll e l 训 斌 pharoid 2 禾本科叶表皮微形态 禾本科植物的叶表皮细胞特征在分类上的价值很早就得到禾草学者的注意。 营养叶是禾本科植物中发育最完善、表现最充分、潜载信息量最大的一类器官， 尤其营养叶的表皮层形态稳定、结构精细、类型多样，在禾本科类群划分中具有 极其重要的分类价值【7 2 】。 禾本科植物叶表皮多由下列一些细胞在脉带c o s t a lz o n e 或脉间带n e r c o s t a l 山东师范大学硕士学位论文 z o n e 内构成：( 1 ) 长细胞1 0 n gc e l l ，长细胞的长度远大于宽度，但也有长宽近 相等或近方形的。长细胞的长度，细胞壁的厚度，边缘波状弯曲的程度等，均 被作为禾本科内的分类特征。如竹亚科、稻亚科等的上表皮脉间带内有两种或 三种类型的长细胞，通常近脉的长细胞较长，边缘常为波状或齿状，中央的长 细胞较短，常有角而无波状或齿状，或近方形。小麦族内一些属、种的脉间长 细胞均同形，且常无波状或齿状；( 2 ) 短细胞s h o r tc e l l ，短细胞极短，位于 脉带上的短细胞有单个、成对或3 5 个，以至罕为更多个细胞成行排列，其中 有的硅化而被称为硅细胞s i l i c a - c e n ( 也称硅酸体、硅细胞) ，形状各异，在禾 本科内常被作为分亚科或族的重要特征，如画眉草亚科多为马鞍形 s a d d l e s h a p e d ，稻亚科多为稻形o d ，z at y p e ，黍亚科则有哑铃形d 啪b - b e l l 一s h a p e d 、 十字形c r o s s s h a p e d 等等。在脉间长细胞间的短细胞有单个或成对的，成对的 短细胞常为一个栓细胞c o r d c e l l 与一个硅细胞配成对，有的栓细胞中有孔状下 凹小点者，又名孔纹细胞p i t t e d c e l l ；( 3 ) 气孔副卫细胞s t o m a t a ls u b s i d i a 搿c e 气孔副卫细胞的形状较气孔保卫细胞s t o m a ：t a lg u a r d c e n 复杂些，具有分类特征 的价值，如早熟禾亚科多为平行行p a r a l l e l 一s i d e d 、低圆屋顶形l i 洲d o m e s h a p e d ， 黍亚科、画眉草亚科等多为三角形t r i 缸g u l a r ；( 4 ) 微毛面c r 0 - h a i r s 微毛通常 由两个细胞组成，称双胞微毛，位于下面的叫基细胞b 嬲a lc e l l ，位于上面的叫 项细胞d i s t a lc e l l ，罕或为单细胞者如鼠尾粟型s p o - o b o l u st y p e ，也有些属、种 无微毛。总之双胞微毛的形态也常作为分类的特征，如菰型z i z a n i a 咖e 、画眉 草型e r a g r o s t i st y p e 、芦竹型心吼d 0t y p e 、稗型e c h i n o c m o at y p e ； ( 5 ) 刺毛 p r i c e 1 l a i r s 刺毛的细胞壁常较厚而木质化，形状粗短，顶端常尖而向基部肥大， 其顶端呈钩状而基部圆者称钩毛；( 6 ) 大毛m a c r 0 - h a i r s 大毛常较长，顶端常 尖，罕或有短钝圆者，基部为无垫、窄垫、宽垫等形状，都常因种类而异；( 7 ) 乳突p a p i l l 乳突常位于长细胞中，大多为圆头状，也有歪斜状或斑泡状等， 大小常不一，也有些种类无乳突，因属、种而异；( 8 ) 腺体乒a n u l e s 腺体常 位于短细胞中，如牛筋草眦伽p 加舭口( l ) g 蹦衄，也有些属、种无腺体的。 早在1 9 3 6 年，法国人h p a n 【1 8 】就对禾本科植物叶下表皮微形态进行了研究， 他将叶下表皮微形态特征作为分亚科、族、属的特征。继之研究者有d a v i e s ( 1 9 5 9 ) 【7 3 1 、t a t e o k ae ta 1 ( 1 9 5 9 ) 【7 4 1 、m e t c a l f e ( 1 9 6 0 ) 【7 5 1 、c l i 筋r de tw r a t s o n ( 1 9 7 7 ) 山东师范大学硕士学位论文 【7 6 1 、r c i n v o i z e ( 1 9 8 3 ) 【7 7 1 ，以及中国的陈守良等( 1 9 8 7 、1 9 9 3 ) 【7 8 ，7 9 1 、蔡联炳 ( 1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 【8 0 ，8 1 1 等。总之禾本科叶表皮微形态特征解决了禾本科中很多难以 划分的分类等级问题，同时也丰富了禾本科系统演化关系的内容，认为是研究禾 本科分类系统及该科中各分类等级的重要依据。 禾本科颖果形态的研究 种子与果实的特征在种子植物分类和系统演化研究种占有十分重要的地 位。植物的个体发育在很大程度上反映着系统发育，可为系统发育和分类问题的 解决提供合理的方案( b o g d a i l ，1 9 6 6 【8 2 】：h e y w 0 0 d ，1 9 7 1 【8 3 】；w 抽g ，( h 1 0a i l d “， 1 9 8 6 【酬；k b u l ，n a g p a la n dr a i l l a ，2 0 0 0 【8 5 1 ) 。禾本科植物的颖果内含胚和胚乳两 大部分，在个体发育的早期，内在发育特征的表现较明显，是幼苗、植株性状分 化的基础；颖果的果皮和种皮又是上一代成熟植物体遗留的组织，反映着成熟植 物体的某些性状。而且颖果处于颖稃的重重包裹之中，受到外界的影响比较间接、 缓和，性状相对稳定而少变异；颖果的形态类型较成熟植株更明显地反映出系统 发育过程中形成的大类群及其亲缘关系，为解决禾本科的系统学问题提供了很好 的性状。例如，王世金和郭本兆和李建华( 1 9 8 6 ) 【刚观察3 l 族1 0 9 属3 2 4 种 禾本科植物果实形态，证明在系统分类上的七个亚科与颖果形态的七个基本类型 相对应。刘青( 2 0 0 4 ) 【1 1 7 1 对虎尾草亚科( 画眉草亚科) 植物颖果形态进行了观 察研究，认为颖果特征对虎尾草亚科的属，甚至种具有较高的鉴定价值。 4 禾本科硅酸体形态的研究 植物硅酸体( p b y t o l i t h ，p l a n t o p a l ，s i 丘c ab o d y ) 是指沉积在植物体细胞内或细 胞间，具有一定生理生态功能和稳定形态的水合二氧化硅颗粒，硅酸体颗粒常充 满整个细胞，因此又称其为硅质体、硅细胞【1 1 6 1 。植物硅酸体广泛存在于高等植 物的根、茎和叶等器官中，并且具有形态、结构和功能的多样性在植物类群的 科、属、种和种下各等级水平之间具有特征性，因而自从植物硅酸体分析技术成 熟以来，就成为一种新兴而有效的植物学、植物生态生理学、动物行为学、动物 生态生理学和地质地理学等多学科的重要研究手段之一【5 6 1 。在植物分类系统学范 畴中，目前对植物硅酸体系统的研究发展较为迅速，并从中取得了很多有价值的 资料和结论。 对禾本科植物硅酸体研究，日本学者馆冈亚绪、河室公康、近滕练三、佐濑 9 山东师范大学硕士学位论文 隆、等都有报道，其中馆冈亚绪( 1 9 5 6 ) 对画眉草亚科河黍亚科叶的解剖特征多 了详细的研究，指出2 亚科硅酸体分别属于虎尾草型和黍型；河室公康采用解剖 的方法，对禾本科叶片的横切面和叶表皮种的硅酸体进行了较为详尽的研究，结 果认为主要有f e s t u c o i d 、p a m c o i d 、s p o r o b u l o i d 、e 1 0 n 舀e 、s 嬲a 等类型，c r m e t c a l f e ( 1 9 6 0 ) 在对叶片解剖特征研究时叶详细描述了禾本科植物叶片短细胞硅化情况， 并采用s i l i c ab o d y 这一形态学术语【1 16 1 。 5 植物分子系统学研究 植物系统学( p l a n ts y s t e m a t i c s ) 是研究植物类群之间的关系和系统安排的 一门植物学分支学科，又称为系统与进化植物学。近2 0 多年来，分子生物学的 迅猛发展以及向生命科学各个研究领域的广泛渗透，极大地促进了生物学各分 支学科的发展。目前d n a 分子标记技术在分子系统学研究中应用非常广泛。 d n a 分子标记指的是一些特殊的分子水平的数据，可以用来体现群体间、个体 间、甚至基因片断间的相同和差异，并用于表现遗传印记多样性，建立系统发 育图谱【5 7 1 。 植物细胞中有三种d n a ，即核基因组、线粒体基因组核叶绿体基因组， 目前均已成功运用于系统学研究【8 锄7 1 。自上世纪九十年代初以来，d n a 分子标 记技术就被广泛应用于单子叶植物的分类和系统进化的研究，并取得一定的成 果。基于目前现有的分子资料，常用于禾本科系统学研究的基因片段有：叶绿 体基因组的m 口水、而c l 、咖l 内含子和f 聊l f 基因间隔区基因等；核基因有核 糖体d n a1 8 s 基因及i t s 区等片段。 5 1 线粒体基因组 线粒体基因组在动物系统学研究中有着重要作用。而植物体线粒体基因组 却很少应用于系统学研究。主要是动物线粒体基因组比相应的核基因组快5 倍， 而植物线粒体基因组的进化却比叶绿体基因组和核基因组都要慢，其进化速率 为是核基因组的1 5 ，是叶绿体基因组的l 2 ，虽然m 1 d n a 和印d n a 相似，为 闭环双链，也存在大的反向重复序列。但不同类群间大小差异很大 ( 3 0 0 2 0 0 0 k b ) ，由于重组、重排、重复和丢失现象十分普遍，并存在许多外 来序列，导致结构和基因次序差异很大，而且单个基因核苷酸置换率却非常低 ( 约为印d n a 的1 3 1 4 ，核基因组的l 1 2 ) ，同时，由于植物组织中m t d n a l o 山东师范大学硕士学位论文 拷贝数低，难于提取和纯化，因此一般很少用于系统发育分析，估计在解释植 物系统发育的深层分枝时会起作用。 5 2 叶绿体基因组 叶绿体d n a 为双链环状分子( 见图1 ) ，一般周长约4 0um 一4 5um ，分 子量约为9 0 m d a 。已知叶绿体d n a 大小约为7 1 k b 2 1 7 k b ，但在高等植物中， 其大小、结构和组成相当一致，绝大部分在1 2 0 k b 1 6 0 k b 。叶绿体蛆平均 浮力密度为1 6 9 4 c m 3 1 6 8 9 啦m 3 ，g c 含量2 5 3 8 阳。 大多数叶绿体d n a 有一段约2 5 k b 的反向重复序列，亦称为倒位重复 ( i n t e r t e dr e p e a t ，i r ) 。裸子植物叶绿体d n a 缺少倒位重复，但对黑松的研究 发现【9 8 】，黑松叶绿体基因组中有残余的倒位重复序列。 叶绿体基因组的基因分为两大部分，一是遗传系统的基因如r r n 基因和t r n 基因，二是光系统的基因，其基因产物参与光合作用，如r b c l 基因和n d h 基因。 叶绿体基因表达的调控和核基因相似，有转录水平的调节，转录后调节和修饰， 翻译调节和翻译后修饰等【9 9 - 1 吲。 具有系统学价值的叶绿体基因约有2 0 多个，常用的有： 5 2 1 厂6 c l 基因尽管研妊序列分析有潜力解决所有分类等级的系统发育问 题，但目前的绝大多数研究还是利用叶绿体基因组中而c l 基因，并用于远缘属 间及科级以上分类群的研究。密苏里植物园年刊8 0 卷第3 期集中发表了这 方面的论文，其中最重要的一篇是基于而c l 基因序列对整个种子植物进行的系 统发育重建。c h a s e 【1 0 1 】等的研究涉及4 9 9 种种子植物，代表了绝大部分种子植 物科，他们构建的分支图为将来利用分子或非分子性状进行系统发育研究提供 了一个十分有用的框架，可以说这篇文章是系统学研究的又一块里程碑。 m a l l l l a r t l 0 2 】利用而c l 基因序列对绿色植物进行了系统发育分析；b o u s q u e t 等对 ，6 c l 基因序列的进化速率进行了研列5 9 】；n i c l r e n t 和s o l t i s 分别用而c l 基因序 列和1 8 s r d n a 序列构建了被子植物的系统树【6 0 1 。 5 2 2 小口水垅口水位于f m k 基因的内含子中，长约1 5 0 0 b p ，编码一种成熟酶， 这种成熟酶参与砒妊转录体中i i 型内含子的剪切。m 口是叶绿体基因组蛋白 编码基因中进化速率最快的基因之一，具有重要的系统学价值，一般用于科内、 属间、甚至种间关系的研究1 1 0 3 1 。j o l l i l s o n 和s o l t i s ( 1 9 9 5 ) 对狭义虎耳草科 山东师范大学硕士学位论文 ( s a ) 【i 丘a g a c e a e ) 、g i l i a ( p o l e m o l l i a c e a e ) 及其近缘类群的m 口水基因进行了序 列分析【1 叫：s 0 1 t i s 等( 1 9 9 6 ) 利用m 口f k 和而c l 基因序列对虎耳草属( s 甜脚) 进行了系统发育重建【1 0 5 1 。此外，j o h i l s o n 和s o l t i s ( 1 9 9 5 ) 的研究还得出一个重 要结论，即，l 口水的序列变异中转换和颠换的频率、密码子三个位置的变异频 率没有严重的偏离，这与而c l 基因有很大的差别【1 渊。由于聊口水序列的变异较 为均一，在构建系统树时不必对不同类型的变异进行加权，极大地增强了分子 系统树的可靠性。 kwh i l ua n dhl i a n g 等在探讨p o a c e a e 植物的m 狱基因核苷酸插入删除 的进化含义时指出【1 0 叼：m a t k 基因的3 端的插入删除和核苷酸的替换在鉴别草 本植物的某些主要进化中有重要作用。目前，m a t k 基因序列在植物系统中的应 用已经涉及到到被子植物中的某些科、属，如：三尖杉科、木兰族、含笑族， 藿香属、连香树属等【1 0 7 。1 15 1 ，并且取得了良好的效果。 5 2 3 咖l 内含子和加l f 基因间隔区是位于叶绿体d n a 上的一段单拷贝序列 ( 见图1 ) ，编码t r n a ，最早被t a b 矾e tc ta l ( 1 9 9 1 ) 用来研究植物居群生物学 和进化【6 l 】。迄今为止，已成功地应用于a m a 巧l l i d a c e ( m e e r o we t2 l l ，1 9 9 9 ) 、 c o c l l l e a i i a ( k 0 c he ta 1 ，1 9 9 9 ) 、 n s l 姗i a ，h i l l i e l l a ， c o c 址e a r i e n a ( k 0 c ha n d a 1 s h e h b a z ，2 0 0 0 ) 、r h a i l l n a c e a e ( r i c h a r d s o ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 等分类群的系统学研 究中，被普遍认为适于用来确定植物属间乃至族间的系统发生关系【6 2 酃1 。 图1 加记内含子和加记f 基因间隔区的组成 ( 箭头表示引物作用的方向和大体位置，引物名称和序列根据t 曲耐e t ，1 9 9 1 ) 5 3 核基因组 核基因组是双亲遗传，利用其序列变异易于解决网状进化问题。缺点是十 分庞大，人类对其了解甚少，应用于分子系统学研究的只有少数几个。人们对 核基因分子水平的进化研究多集中在基因家族，如调控基因m a d s 基因家族， 1 2 山东师范大学硕士学位论文 以及结构基因如s 基因家族、r 基因家族、a c c 基因家族、c h s 基因家族。 ( 1 ) 1 8 s 订矾a 1 8 sr r n a 序列分析对揭示植物高等级分类群间的系统发育关系具有重要 意义，进化速率慢，适用于科级以上水平的研究，1 9 9 8 年以前已经成功的运用 到藻类( b u c l l l l e he ta 1 ，1 9 9 6 ) 【8 8 】、藓类( h e d d e r s o n & c h a p m 锄，1 9 9 6 ) 【8 9 1 、 蕨类( h l l s s l 9 9 6 ) 【矧、裸子植物( c h a we ta 1 ，1 9 9 7 ) 【9 1 1 、被子植物( s o l t i s e ta 1 ) 【9 2 】系统学研究。 ( 2 ) c h s ( c h a i c o n es y n t h a s e ) c h s 是个多基因家族，该家族的各成员同源性高，在被子植物和针叶树中， 其氨基酸序列同源性为8 0 一9 0 c h s 最早出现在藓纲( m l l s c i ) 植物的祖先中， 该基因的进化速度很快，通过基因重复和功能分化产生了许多新的c h s 一放e 基因，这些基因的产生有利于提高植物的适应性。 ( 3 )i t s 序列的特点及应用 见图2 ，r r s 区位于1 8 s 和2 6 s 基因之间，被5 8 s r d n a 分为两段，即r r s l 和i t s 2 。i t s 区在裸子植物中的变异十分复杂，仅r r s 1 区的长度变异可相差 几k b ，因此r r s 区序列分析不适用于裸子植物的分子系统学研究。被子植物核 r d n a 的i t s 区包括5 8 s r d n a 在内的总长度为6 0 0 一_ 7 0 0 b p ，其中5 8 s r d n a 的 长度非常保守，一般为1 6 3 b p 、1 6 4 b p ，5 8 s r d n a 提供的系统学信息有限， 在研究中可不必测该片段的序列。而i t s l 和i t s 2 的长度比较保守，但核苷酸 序列变化较大。可以提供丰富的系统学信息。被子植物i t s l 的长度为1 8 7 2 9 8 b p ，r r s 2 的长度为1 8 7 _ _ 2 5 2 b p 。因为i t s l 和i t s 2 两个片段的长度有限，各 自的信息量并不十分充足，因此，大多数作者在系统学分析中都是将这两个片 段综合起来考虑。 i t s 序列的特征如下： 第一，在m d n a 多基因家族的成员中，r r s 区在植物核基因组中是高度重 复的。全部n r d n a 重复单位包括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。这样多的拷贝数有利于发现、扩增、克隆和测序。 第二，从系统发育重建的观点来看，1 1 r s 基因家族通过不等交换和基因转 变经历快速的一致进化。