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天南星科21种植物叶表皮微形态特征研究

2023-07-29 68 上传者：管理员

摘要：考察植物叶表皮微形态特征在鉴别天南星科植物的可行性及其分类学意义。方法:运用光学显微镜对天南星科21种植物叶表皮的微形态特征进行观察，对特征进行拍照、描述、绘图及数据测量，并利用SPSS 26.0软件对所得数值进行统计分析。结果:本研究中采集的天南星属、半夏属、海芋属、犁头尖属及魔芋属共计21种植物叶表皮细胞垂周壁弯曲程度、细胞大小、气孔器大小等微形态特征均存在差异。结论:叶表皮微形态特征与统计学方法结合可作为部分天南星科植物的分类鉴别依据。

关键词：
Araceae植物种类
叶表皮
天南星科
微形态特征
药用植物
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天南星科Araceae植物种类资源较为丰富，我国已发现35属205种[1,2,3],其中50%以上为药用植物。现代研究表明，天南星属Arisaema、半夏属Pinellia、犁头尖属Typhonium、海芋属Alocasia、魔芋属Amorphophallus植物中大部分含有萜类、脑苷类及生物碱类等多种药效成分，具抗癌、消炎及抗肿瘤等药理活性[4,5,6,7,8]。

天南星科部分植物外形相似，导致其药用植物种类应用较为混乱，且天南星科植物多具毒性，故存在较多药材质量及用药安全问题。准确鉴别中药的基源是中药质量评价的关键环节，天南星科药用植物多以形态学差异为依据进行分类鉴定，如根据肉穗花序、附属器及佛焰苞的形状大小不同进行划分[1],但在物种的进化过程中，多数植物出现形态特征不同步，原始和进化性状并存等现象，且形态指标易受地形、土壤、气候等环境因素的影响，导致利用传统分类手段进行鉴别具有一定局限性。与叶的宏观结构相比，叶表皮显微结构具有较高的稳定性，能够在一定程度上反映类群间的系统发育规律，可作为物种间分类鉴别的依据[9,10,11,12,13,14]。李贺敏等[9]通过叶表皮微形态特征研究，将25科40种药用植物进行了分类鉴定；孙庆文等[10]研究发现，依据叶表皮微形态特征可将9种清风藤属植物进行准确鉴别。徐皓、张乐容、赵青华等[14,15,16]相关研究表明，天南星科植物叶表皮微形态特征较为稳定，不会发生明显的差异变化，可作为天南星科分类鉴定的依据[17,18,19]。本研究对天南星科半夏属、天南星属、魔芋属、犁头尖属、海芋属共21种植物叶表皮微形态特征进行研究，旨在为天南星科植物分类提供新的参考依据，为该科药用植物开发利用奠定一定的生药学基础。

1、实验材料及仪器

1.1材料

实验用样品均采集于野外，经贵州中医药大学孙庆文教授、王波老师鉴定，凭证标本存放于贵州中医药大学生药重点实验室。样品信息详见表1。

表1天南星科21种植物采集信息表

1.2试剂

水合氯醛；间苯三酚；浓盐酸；稀甘油(分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司)。

1.3仪器

OLYMPUS BX41显微镜、OLYMPUS DP72显像系统(奥林巴斯中国有限公司);HP LaserJet M1005扫描仪(惠普有限公司)。

2、实验方法

2.1显微鉴别

取新鲜叶片，按照显微鉴别法进行常规制片，将制好的临时装片置于光学显微镜下观察，通过显微成像系统进行拍照记录。对其组织结构、细胞形态等进行观察、描述并绘图。利用DP2-BSW软件测取30个上下叶表皮细胞及气孔的长、宽、周长和面积(长为细胞的长轴长度，宽为过长轴中心的垂直线长度，周长为绕细胞一周的长度，面积为测量周长时DP2-BSW软件自动生成的面积)。利用SPSS 26.0软件对测量数据进行统计分析。

3、结果与分析

3.1叶表皮细胞特征

本研究中天南星科21种植物叶的上下表皮细胞垂周壁样式表现出多态性，其中上表皮为平直型、微波状弯曲型、波状弯曲型；下表皮为微波状、波状及深波状弯曲型。表皮细胞形状可分两种类型，分别为近平直型(细胞呈多边形)与弯曲型(细胞呈不规则形)。上表皮细胞平均面积范围736.32～6 467.94μm2,滴水珠最大，画笔南星最小；下表皮细胞平均面积范围638.56～3 348.88μm2,象头花最大，象南星最小。5个属中，天南星属植物细胞垂周壁类型较其他4个属更丰富，包含平直型，微波状弯曲型，波状弯曲，象头花上下表皮细胞平均面积最大，画笔南星最小；半夏属滴水珠、半夏与虎掌上下表皮细胞形状较为相似，上表皮均为平直型，下表皮有微波状弯曲型及波状弯曲型，但上下表皮细胞平均面积存在明显差异，其范围为滴水珠最大，虎掌最小；犁头尖属犁头尖、西南犁头尖上下表皮细胞形状、面积大小相似；海芋属海芋、尖尾芋上下表皮细胞形状极相似，细胞平均面积尖尾芋较大，海芋较小；魔芋属桂平魔芋、田阳魔芋、滇魔芋上下表皮细胞形状相似，细胞平均面积田魔芋较大，滇魔芋较小。详见图1、图2、表3。

3.2气孔器特征

本研究中猪笼南星、灯台莲、象南星、象头花、天南星、花南星、雪里见、一把伞南星、会泽南星、画笔南星、犁头尖、西南犁头尖、滴水珠、半夏、桂平魔芋、田阳魔芋、滇魔芋下表皮均有气孔器，为平列型；山珠南星、虎掌、海芋、尖尾芋上下表皮均有气孔器，尖尾芋下表皮气孔器类型少数为胞环型及平列与胞环过渡型，其余为平列型。21种植物的气孔指数范围为7.9%～36.3%,其中尖尾芋气孔指数最小，山珠南星气孔指数最大；气孔器面积均值范围为243.11～1 312.94μm2,其中画笔南星最小，滴水珠最大。

根据21种天南星科植物叶表皮微形态特征，制定分种检索表如下，见表2。

表2天南星科21种植物分种检索表

图1天南星科21种植物上表皮细胞特征图(注：标尺=100μm)

图2天南星科21种植物下表皮细胞特征图(注：标尺=100μm)

3.3聚类分析

应用SPSS 26.0对天南星科21种植物表皮细胞数据进行聚类分析，结果显示在平方欧式距离10水平上，天南星科21个种聚成3个类群。类群1:猪笼南星、雪里见、天南星、会泽南星、画笔南星、象南星、海芋、尖尾芋、犁头尖、西南犁头尖、田阳魔芋、桂平魔芋、滇魔芋、虎掌、半夏；类群2:象头花、山珠南星、灯台莲、花南星、一把伞南星；类群3:滴水珠。见图3。

图3天南星科21种植物聚类图

4、讨论

传统宏观的形态分类在植物的分类鉴别中具有直观、快速的特点，但对一些植物形态十分相似的天南星科植物就显得较为困难。叶表皮微形态特征具有一定的稳定性，可应用于植物及叶类药材的分类鉴别，通过叶片表皮上的附属物、细胞形态和气孔类型等特征[12,13,14,15,16,17,18,19],结合统计分析方法，可较好地对天南星科植物进行分类鉴定，弥补传统分类的不足。

本实验选取21种5个属天南星科植物叶表皮微形态特征进行研究，天南星属在恩格勒系统中分为12个组，分别为根茎组、云台南星组、黄檐组、细柄组、猪笼南星组、伞叶组、雪里见组、象头花组、天南星组、花南星组、曲序组及线花组，实验结果所示天南星属11种植物叶表皮微形态特征不具有属特征，该属叶表皮细胞性状表现为多态性，作者在此讨论天南星属叶表皮微形态特征存在差异可能与该11个种来自天南星属8个组有着一定的关联，进一步表明利用叶表皮微形态特征差异进行分类鉴别具有一定的科学意义。

结果表明21个种的细胞形状大致分为两种类型，上表皮大多为平直型，下表皮几乎是弯曲型，上表皮细胞面积最大(滴水珠)约为面积最小(画笔南星)的8倍，下表皮细胞面积最大(象头花)约为面积最小(滇魔芋)的5倍；表皮细胞垂周壁样式可分为平直、微波状弯曲、波状弯曲及深波状弯曲四种类型；气孔器主要分布于下表皮，上表皮少见，仅少数种上下表皮均有气孔器(山珠南星、海芋、尖尾芋、虎掌),气孔器类型大多为平列型，少数为胞环型及平列与胞环过渡型(尖尾芋)[18],气孔器面积最大(滴水珠)约为气孔器面积最小(画笔南星)的5倍，进一步探讨这些差异可将为天南星科植物分类鉴别提供参考依据。

据表皮细胞垂周壁类型将魔芋属植物快速与其他4个属进行区分；海芋属植物利用气孔器特征与余下4个属进行区别鉴定；半夏属植物利用气孔器微型态特征、表皮细胞数及面积大小等特征作为虎掌与半夏、滴水珠的鉴别点，与李爱花[13]、张乐容[15]等研究结果一致，表明植物叶表皮细胞的稳定性及其为分类学提供新的参考依据。

聚类分析结果显示，类群1含15个种，将犁头尖属、海芋属、魔芋属、部分天南星属及半夏属的植物归为一类，类群2含5个种，均为天南星属植物，类群3仅有滴水珠一种，该种与前两个类群相比，表皮细胞面积、周长及气孔面积、周长差异明显。笔者在此讨论利用聚类分析的方法可初步将同属植物归并为一类，如要进行进一步的分类则需要纳入其他微形态特征一同进行分析。

综上所述，本研究利用叶表皮微形态特征成功将天南星科21种植物进行区分鉴定，表明此方法在分类学具有意义，在一定程度上解决天南星科植物因外形相似而混淆的问题，可为该科植物分类鉴别提供一定的参考依据。

表3天南星科21种植物上、下表皮细胞微形态特征表概况

参考文献:

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[4]雷霄,徐朝晖,王源,等海芋属植物化学成分及生物活性研究进展[J]中国新药与临床志, 2013,32(3):163-166.

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[9]李贺敏,王森,张红瑞,等基于叶表皮特征对25科40种药用植物显微鉴别的研究[J].中草药,2021,52(23)-7331-7338.