第二节　硬叶兜兰及其它9种兜兰叶表皮解剖特征比较

叶片的形态结构是功能的基础，叶表皮细胞大小、气孔的分布特征、密度和面积等受环境水分、热量状况的影响，具有较强的可塑性，研究叶片解剖结构是分析其对环境变化的响应能力和生态适应性的常规手段。叶片解剖结构研究亦为分类学提供依据，由于叶表皮特征的保守性和稳定性（垂周壁样式、气孔器排列、表皮附属物）能提供一定价值的证据，在植物系统进化研究领域发挥作用。当前，有关兰科植物叶片形态结构方面的研究资料报道较少。通过对硬叶兜兰叶解剖形态的研究，并与其它常见9种兜兰的解剖特征进行对比分析，旨在为不同兜兰种生态适应性的分化和其分类研究提供基础资料（图2-1）。

图2-1　光学显微镜下硬叶兜兰及9种兜兰叶表皮形态特征

1—杏黄兜兰叶上表皮；2—硬叶兜兰叶上表皮；3—同色兜兰叶上表皮；4—巨瓣兜兰叶上表皮；5—麻栗坡兜兰叶上表皮；6—长瓣兜兰叶上表皮；7—带叶兜兰叶上表皮；8—亨利兜兰叶上表皮；9—波瓣兜兰叶上表皮；10—富宁兜兰叶上表皮；11—杏黄兜兰叶下表皮；12—硬叶兜兰叶下表皮；13—同色兜兰叶下表皮；14—巨瓣兜兰叶下表皮；15—麻栗坡兜兰叶下表皮；16—长瓣兜兰叶下表皮；17—带叶兜兰叶下表皮；18—亨利兜兰叶下表皮；19—波瓣兜兰叶下表皮；20—富宁兜兰叶下表皮；1～10, 12（×100）；11, 13～20（×400）

一、表皮细胞性状和垂周壁样式

硬叶兜兰上皮细胞长约162.00µm，宽约123.63µm，长宽比在1.04～1.96，下皮细胞长约110.25µm，宽约83.44µm，长宽比在1.02～1.75。硬叶兜兰细胞为蜂窝状多边形，垂周壁为近圆形。

兜兰的上表皮细胞长为125.75～193.56µm，宽为81.38～148.13µm；下表皮细胞与上表皮细胞形态差别不大，但同种植物的下表皮细胞较上表皮细胞小。10种兜兰植物下表皮细胞长约为70.25～118.06µm，宽约为53.63～97.38µm。表皮细胞最大种为麻栗坡兜兰，最小种是富宁兜兰。表皮细胞长宽比差异比较大，硬叶兜兰上皮细胞长约162.00µm，宽约123.63µm，长宽比在1.04～1.96，下皮细胞长约110.25µm，宽约83.44µm，长宽比在1.02～1.75。而细胞规则的类型如硬叶兜兰、杏黄兜兰、同色兜兰和富宁兜兰比值变幅不大；而表皮细胞不规则的种，如带叶兜兰和长瓣兜兰的表皮细胞长宽比在1.08～4.50。兜兰属供试不同种叶上下表皮细胞形态有分化，而斑叶类兜兰所有种的上表皮细胞呈蜂窝状多边形，形状较规则。硬叶兜兰细胞为蜂窝状多边形。绿叶类5种兜兰上表皮细胞形态分化明显，带叶兜兰、亨利兜兰的上表皮细胞为长多边形，长瓣兜兰上表皮细胞为矩形，富宁兜兰和波瓣兜兰则为规则的蜂窝状多边形。10种兜兰的垂周壁有四种形态，杏黄兜兰、同色兜兰和富宁兜兰的垂周壁为圆形；硬叶兜兰、巨瓣兜兰、麻栗坡兜兰和波瓣兜兰垂周壁为近圆形，带叶兜兰和亨利兜兰则为平直-弓形，长瓣兜兰为直形。绿叶类的兜兰细胞垂周壁类型丰富，所有类型都有，而斑叶类的垂周壁类型较单一；除杏黄兜兰和麻栗坡兜兰的垂周壁有T状加厚，其余种正常。

二、气孔器特点

气孔是植物进行气体交换和蒸腾作用的通道，气孔大小、密度和指数变化是植物适应环境的结果。兜兰种的气孔均分布于叶下表，气孔近圆形，气孔大小在（46.75×62.75）µm～（34.63×42.19）µm。硬叶兜兰气孔长宽约为（58.00×45.81）µm。麻栗坡兜兰和杏黄兜兰近等，其次为波瓣和长瓣兜兰，巨瓣兜兰最小。气孔器指数在不同种间差异较大，在28.65%～52.38%之间。斑叶种类中，巨瓣兜兰最大，其次为同色兜兰达45.59%，硬叶兜兰为 34.84%，与杏黄兜兰、麻栗坡兜兰相近；绿叶种中，带叶兜兰最小，为28.65%,长瓣兜兰最大,为52.37%,亨利兜兰、波瓣兜兰和富宁兜兰差别不大。所有种的气孔器密度在20.2～60.4个/mm2，硬叶兜兰和麻栗坡兜兰较小，分别为24.2个/mm2、20.2个/mm2，斑叶类巨瓣兜兰最大，其次为同色兜兰达46.2个/mm2；绿叶类中波瓣兜兰为60.4个/mm2，带叶兜兰为34.0个/mm2。气孔器密度从大到小排序为：波瓣兜兰＞长瓣兜兰＞巨瓣兜兰＞富宁兜兰＞亨利兜兰＞同色兜兰＞杏黄兜兰＞带叶兜兰＞硬叶兜兰＞麻栗坡兜兰。所有种的气孔器排列方式为四细胞型为主，杏黄兜兰、硬叶兜兰和麻栗坡兜兰气孔器排列类型单一，其余种以此类型为主，还偶见多细胞类型或不规则类型。供试麻栗坡兜兰的表皮细胞与副卫细胞有分化，副卫细胞明显小于表皮细胞，但其余种未发现明显分化现象。

三、叶表皮指标的变异贡献

对所观测的10个数量指标和5个质量性状指标进行变异贡献率分析（表2-1），对15个数据的主成分分析，结果显示：前4个主成分的累积贡献率达到了89.49%。第1、2、3和4主成分的贡献率依次为41.86%、26.65%、10.66%和10.32%。第1主成分中特征向量较大的性状依次为：下表皮细胞长＞下表皮细胞宽＞气孔密度＞气孔类型＞副卫细胞形态＞垂周壁加厚形态＞气孔长度；第2主成分中特征向量较大的性状分别为：上表皮细胞长宽比＞垂周壁类型＞表皮细胞形态＞气孔宽＞下表皮细胞长宽比。两个主成分特征向量累积贡献率近总的68.51%。从第1主成分占总变异贡献率的情况看，4个为数量性状指状，3个质量性状指标，第2主成分中贡献率大的指标中由2个质量性状指标和3个数量性状指标组成。在前4个主成分中贡献率大的性状类型，以数量性状要多于质量性状，尤其以叶上下表皮细胞大小的变异贡献率大，达68.36%，要高于气孔数量性状贡献率（29.71%），从贡献率的排序上分析，具有分类价值的质量性状指标（垂周壁、气孔类型、表皮细胞形态）的累计变异贡献率仅为1.30%，不占主导地位，但不同类型的种间在这些性状上确实存在一定的差异，说明了种间的质量性状变异对种间区分有一定的贡献，但种间数量性状的变异贡献率更显著，反映出兜兰属种下形态具有一定的相似性，暗示这些质量性状指标在种间分类应用上具有一定的局限。而贡献率显著的表皮细胞大小、气孔大小和气孔密度的变异主要受到物种生存环境水热因素的影响，这也反映出不同兜兰种类在水热适应性上产生了叶表皮形态的明显分化。

四、兜兰叶表皮结构与生态适应性

叶表皮形态和结构受环境因子的影响，叶表皮形态结构的差异反映出物种生态适应性的差异。现研究的不同鸢尾组植物的气孔密度和气孔指数的变化能较好地反映其与生境的关系。兜兰属植物分布生境差异较大，从原始类型起源于高海拔区域到广适应性的低海拔，物种生活型由地生或半附生多种形式进化为地生、附生单一形式，这种生活型的转变反映出物种对水热适应条件的响应能力的差异。原始种类如硬叶兜兰、麻栗坡兜兰、杏黄兜兰分布生境为半阴、湿润的林下地生或石壁石窝上半附生；巨瓣兜兰和同色兜兰既能在半阴、亦可在裸露干旱的石壁上附生；进化的兜兰亚属的种类，如长瓣兜兰则附生。从生境的差异上看，原始类型种类对高光强和干旱环境耐性较弱，进化种类对干旱、高热有着广适应性。叶表皮形态和结构受环境水分和热量的影响，物种在缺水的环境中生长，叶表皮细胞会变小，切向壁加厚，气孔主要分布于叶下表皮，具有气孔小而气孔密度变大、叶肉栅栏组织发达的结构；在高光强下，气孔密度和气孔指数也会增大，表皮细胞体积变小。依据叶表皮各指标变异贡献显示，各种兜兰叶表皮指标中，涉及生态适应性相关的数量性状指标变异显著：下表皮细胞大小和气孔密度，在种间的变异贡献大，反映了兜兰种间叶表皮数量性状受生境的强烈影响。在相同的环境中生长，典型的耐半阴的硬叶兜兰、麻栗坡兜兰和杏黄兜兰的叶表皮细胞较大，大于耐旱性强的兜兰亚属的种类；气孔作为水分代谢的通道，气孔密度关系到水分调节能力大小，小而密的气孔能适应高光强干旱的生境。斑叶种类中，巨瓣兜兰的气孔小而密是其耐旱耐光的响应，绿叶种类的气孔密度普遍大于斑叶种，表现了对水分调节能力强、能适应旱生的特点。喜阴湿的麻栗坡兜兰和硬叶兜兰气孔密度最小，与其它种差异显著。

表2-1　光学显微镜下的10种兜兰叶表皮特征

五、兜兰属叶表皮形态的分类学价值

兜兰属种间分类学研究在属下的划分主要有两种方法：一为学者Cox和Cribb依据将兜兰属划分为兜兰亚属（Subgenu Paphiopedilum）、宽瓣亚属（Subgenu Parvisepalum）和小萼亚属（Subgenu Brachypetalum）；二是我国学者陈心启则将兜兰属划分为宽瓣亚属和兜兰亚属。目前，种间关系研究上，不同的证据结果有出入，主要是同色兜兰和白花兜兰的归属问题存在争议。从rDNA的ITS、RAPD和同工酶研究的结果表明，ITS证据把同色兜兰划到小萼亚属，白花兜兰归于宽瓣亚属；同工酶证据支持把同色兜兰和白花兜兰划入了兜兰亚属；RAPD结果把同色兜兰划到宽瓣亚属。从供试10种兜兰的15个叶表皮形态指标初步聚类分析，结果较支持Cox和Cribb对兜兰属下分作3个亚属的处理，同色兜兰归入小萼亚属较合适，该聚类关系中所示的富宁兜兰的关系与上述研究结果有出入，富宁兜兰没有与兜兰亚属各种有近缘关系（下述各种归属按Cribb的处理）。

叶表皮形态尤其是质量性状指标（垂周壁样式、气孔器类型）具有一定的保守性，因而在物种分类学研究上有一定的应用价值，有些属下种间植物叶表皮细胞在形状、气孔器密度和指数方面都存在明显差异，如木蓼属和委陵菜属植物。对10种兜兰叶表皮研究结果显示：不同亚属间在垂周壁样式有差异，小萼亚属2种（同色兜兰和巨瓣兜兰）和宽瓣亚属3种（硬叶兜兰、杏黄兜兰和麻栗坡兜兰）垂周壁样式相似，为圆形和近圆形，而兜兰亚属的5种植物则有四种不同垂周壁样式，有圆形、近圆形、平直-弓形、直形。杏黄兜兰和麻栗坡兜兰的垂周壁还存在T形加厚。此外，亚属间的表皮细胞形态有一定的差异，宽瓣亚属和小萼亚属各种间表皮细胞近似，为规则的蜂窝状多边形，叶表皮形状在光学显微观察结果与同种电镜扫描结果一致，而兜兰亚属内种间存在明显分化，长瓣兜兰上表皮细胞与其余种差异较大，为矩形，与该种电镜扫描结果有较大出入，其它种则有较规则的蜂窝状多边形、长多边形。叶表皮的电镜扫描结果显示，斑叶类的5种兜兰上表皮都具有乳突结构，绿叶类的长瓣兜兰和带叶兜兰上表皮呈现龟背状隆起。从上述垂周壁样式和表皮细胞形态的差异性证据，支持兜兰亚属进一步作分组处理。亚属和属内组间叶表皮特征的差异在其它植物中也有报导，如属组间植物叶表皮细胞形态、垂周壁样式和气孔类型上均存在差异。

综上所述，兜兰属叶表皮形态、垂周壁样式在亚属间划分上有一定的价值，但在近缘种区分上有一定的局限。宽瓣亚属被认为是兜兰属中原始的类型，其中，麻栗坡兜兰被认为是最始的种，在所有观察种中，其副卫细胞与表皮细胞，形态上有分化，推测此种分化应是原始性状。依据兜兰属的进化关系：宽瓣亚属为原始类群，兜兰亚属为进化类群，从兜兰种垂周壁的进化程式上分析，推论圆形和近圆形应是较原始样式，而平直-弓形和直形则是进化样式；规则的多边形表皮细胞为原始性状，长多边形至矩形为进化性状。