五味子属的花发育形态学和系统学-兼论五味子科的演化

五味子属隶属于木兰亚纲八角目五味子科，全属共15种，呈东亚一北美间断分布，东亚是其分布中心。五味子科因花部器官数目多而不定，螺旋状排列等特征，被确认为原始多心皮类的一员，与八角科、木兰科、Winteraceae等有亲缘关系。同时，因为它具有一些特化的性状，如具3沟或异极6沟型花粉、花单性，而常被视为木兰亚纲中进化水平较高的类群。然而，近年来分子系统学的研究结果显示，五味子科是被子植物最基部的分支之一。这使得该科成为解决原始被子植物起源与演化问题的重要类群之一，而倍受关注。中国是五味子属植物分布最集中的地区，有着得天独厚的资源优势。在论述了该属研究现状和存在问题的基础上，作者重点从花发育形态学和分子系统学，对该类群进行了较为深入的研究，发现了一些重要的新的性状，为该类群的系统发育分析提供了有力的证据。 1. 借助于扫描电镜，对全属成熟雄花的6种变异类型的代表种，进行了全面细致的花形态建成的观察和分析。首次发现该属雄花形态建成的式样有3类，并分别将之命名为柱托型、平托型和球托型，它们的主要特征如下：柱托型在花发育的全过程里，花托部分保持柱状，雄蕊始终螺旋状排列;平托型的花原端在分化出雄蕊原基后，向上的生长减弱而侧向的生长增强，最终形成扁平五边形的花托，雄蕊先螺旋状排列后轮状排列：球托型的雄蕊原基仍是螺旋状向顶发生，但与此同时，雄花花托部分球形膨大，并逐渐在雄蕊着生处产生浅凹和孔穴。显然，这3种式样在花形态发生的早前期相一致，而在雄蕊原基萌动后并开始分化时，它们之间发生分异，导致成熟雄花的形态显著不同。作者认为，雄花形态式样反映了五味子属系统发育的渊源，柱托型是原始类型，平托型和球托型是衍生类型，它们可能在系统发育的较早期就已分异，各自朝不同的方向演化。根据这一新的证据，将五味子属分成3亚属：大花五味子亚属、五味子亚属和团蕊五味子亚属。它们雄花的形态发生式样分别为柱托型、平托型和球托型。还发现在雄花的形态发生同为柱托型的类群中，大花五味子群和少蕊五味子群的雄蕊在成熟时，药室由初始时位于药隔两侧的位置逐渐外转至药隔的背面或侧背面，造成开裂时呈外向或外侧向纵裂：而华中五味子群的雄蕊成熟后，药室仍位于药隔的两侧面，呈侧向纵裂。 南五味子属是五味子属最近缘的类群，以南五味子为代表种，进行了雄花形态发生的研究，该种雄花的形态建成式样属于柱托型，但又不同于五味子属的柱托型，其主要的区别表现在南五味子的雄蕊在成熟时变成轮状排列，该特征使它似乎界于大花五味子群和五味子群之间，呈过渡类型。因而，对于传统分类学中，依据果实的形态将五味子科划分为五味子属和南五味子属，需要重新审视。 2. 根据对花形态发生的观察和分析，文章提出五味子属中雄花形态发生式样为柱托型的大花五味子亚属是最原始的类群，而具平托型和球托型式样的类群演化程度都相对较高。五味子属雄花的演化趋势主要表现在花托从柱状向扁平状和球状演化：雄蕊数目由多数变为少数并最终向定数演化：雄蕊群由螺旋状排列向轮状排列演化。有性生殖过程中的传粉习性可能是导致五味子属雄花形态产生变异的原因。在白垩纪，鞘翅目昆虫仍是最主要的传粉媒介，它们在起到传粉作用的同时，也对植物的花器官造成严重损害。五味子属植物的祖先类群为了适应这种传粉习性，采取了不同的策略。雄花花托柱状，雄蕊螺旋状排列的类群，以多数雄蕊保证传粉得以完成：而在雄蕊数目少的类群中，则补偿性地增大花器官的营养组织部分，达到保护花药的目的。 关于五味子属植物单性花的性质，常被认为是较进化的性状。本研究结果显示，雄花中未出现雌性部分的残存，雌花中也未出现雄性部分的痕迹。因此，在形态上，五味子属表现出完全单性的特征。作者认为，五味子属的单性花性质不同于由两性花退化所形成的单性花，它可能反映了被子植物祖先类群花的另一种演化路线。 另外，作者通过对五味子属雌花形态发生的研究，比较和分析了诸多原始被子植物类群心皮的形态及其发生过程，赞成Endress认为离生多心皮类中既有对折心皮，也有囊状心皮，它们在原始类群中并存的观点。五味子属植物雌花的形态较一致，心皮在原基腹面基部的活动不明显，成熟心皮具明显的腹缝，腹缝两侧形成柱头脊，在类型上属于对折型心皮，体现了该属的原始性。 3. 作者选取了核基因组的rrs区和叶绿体基因组的trnL-F区，对五昧子属的10个种(代表了全部雄花类型)和南五味子属的4个种(分属2个组)以及作为外类群的华中八角，首次进行了序列分析。结果表明，从代表不同基因组的两个片段得到的分支图非常一致，都显示出：a) 五味子属的类群分别聚在3个不同的支上，并且这3个支完全对应于花形态发生的3种式样：b) 南五味子属的成员与五味子群聚在一起并得到Bootstrap分析很高的支持率，说明它们可能是单系的。该结果支持基于花形态发生研究所得到的结论。作者认为过去的分类中，将五味子属和南五味子属分割成两个属可能是不妥当的，值得深入研究。 4. 通过花发育形态学和分子系统学的研究，结合其它方面的资料，作者认为传统分类依据果实形态划分成的五味子属和南五味子属，可能都不是严格的单系类群。南五味子属的类群与五味子属中雄花花托为扁平五边形的类群显示出有很强的相关性。将两个属共同处理，分为3个亚属，似较适宜。由于尚需对南五味子属扩大取样研究，目前暂不对它进行处理。本文仅对传统意义上的五味子属的系统处理如下： 五味子属Schisandra Michx． 亚属1大花五味子亚属 Subgen.1 Pleiostema (Smith)Law 组1大花五味子组 Sect.1 PleiostemaSmith 组2华中五味子组 Sec.2 Sinoschisandra(Law)Liu 组3少蕊五味子组 Secc.3 Maximowiczia(Rupr.)Nakai 亚属2五味子亚属 Subgen.2 Schismxtm 亚属3团蕊五味子亚属 Subgen.3 Sphaerostema(Bl.)Law 5. 五味子科(或包括南五味子属在内的广义五味子属)现代分布格局显示，中国华中、华东和西南至印度支那北部的地域是该类群的多样性中心，而在整个分布区的外围，则零星散布着一些演化水平较高的类群。因此，五味子科很可能是在东亚大陆起源、分化后，往四周扩散。通过白令陆桥或欧美大陆到达北美：受第四纪冰川影响，形成东亚一北美间断分布。在东喜马拉雅、印度尼西亚的分布也都是扩散的结果。

五味子科的系统学研究

本文通过对五味子科及其近缘类群植物的形态性状、叶表皮解剖特征、木材解剖特征、细胞学以及分支系统学研究，发现了一些重要的新性状，提出了新的五味子属的次级划分，阐明了南五味子属与五味子属的属间系统学关系，以及它们与近缘类群间的系统学关系，最后对这两属进行了分类学修订。主要内容包括： 1.形态性状分析 　　我们在查阅大量国内外馆藏标本和野外居群观察的基础上，对五味子科植物及部分近缘类群的形态性状和变异式样进行了详细地比较分析，重新评价了各性状的分类学价值，认为习性、茎有无棱翅、叶有无毛被、花雄蕊群特征及果实和种子形态等性状具有系统学意义，而叶片形状和大小、毛被多少、花被片颜色等特征在种内变化较大，不宜作为种的划分依据，至少不能作为主要的或唯一的依据。 2.叶表皮形态解剖学 　　在光学显微镜和扫描电镜下，分别观察了南五味子属全属11种共92个样品、五味子属全属10种共136个样品和八角属2种共15个样品的叶表皮形态特征。结果发现南五味子属和五味子属植物的叶表皮性状，包括表皮细胞形状、气孔类型、保卫细胞形状及叶表皮细胞表面的角质纹饰、表皮毛的有无等在种内稳定且在种间有明显差异，对研究属内和属间关系有重要系统学意义。 　　在南五味子属中，发现了一个新的分类学性状：叶表皮表面具脊状网纹，该性状支持将南五味子属分为离蕊南五味子亚属Subg. Cosbaea和南五味子亚属Subg. Kadsura，且根据叶表皮形态特征和性状分析，支持将南五味子亚属分为南五味子组Sect. Kadsura和肉蕊组Sect. Sarcocarpon，同时支持R. M. K. Saunders和林祁对某些种的归并处理。 　　在五味子属中发现一新的分类学性状：气孔器外拱盖，表明该属常绿类群的气孔具有双层外拱盖，而落叶类群的气孔具有单层外拱盖。这一性状支持前人将五味子属根据习性和雄蕊群特征划分为两个亚属的观点，这一观点同样得到了包括形态学和分子系统学证据的支持。此外，还发现在全为常绿习性的南五味子属中，气孔都具双层外拱盖，一方面说明五味子属的常绿类群与南五味子属有一定的相似性，亲缘关系密切，这同样得到分子证据的支持;另一方面表明五味子科植物生长习性与气孔器特征有一定相关性。 　　通过比较南五味子属与五味子属以及近缘的八角属叶表皮形态特征，认为这三个属的叶表皮形态特征非常相似，只是南五味子属在叶表皮形态特征上比五味子属和八角属具有更多的复杂或次生性状状态，此外，研究结果不支持将五味子科从八角目中分出而成立五味子目的观点。 3.比较木材解剖学 　　在光学显微镜下观察了南五味子属7种21个样品和五味子属8种16个样品的木材解剖特征，结果表明次生木质部的导管分子类型、导管-射线间纹孔的排列方式、射线类型、射线细胞形状等性状特征在科的水平上很稳定，这些共同特征都支持五味子科是比较自然的类群。在五味子科中发现木材导管单生、具梯状穿孔板、导管壁具梯形排列的纹孔以及木射线异型等原始性状，支持五味子科在被子植物中的原始地位。此外，该科木材还具有单穿孔板导管、导管次生壁具螺纹加厚、具分隔纤维等较为特化的性状状态，这种性状进化水平的异等级现象，使五味子科表现出不同进化水平性状的镶嵌组合。根据木材解剖性状对五味子科进行UPGMA聚类分析，结果显示南五味子属和五味子属在木材解剖特征方面有一定的交叉和重叠，这与分子系统学的结论一致，表明这两个属关系密切，可能起源于共同的祖先。通过比较五味子科与八角科的木材解剖特征，进一步证明两个科的亲缘关系很近，同样不支持将五味子科从八角目中独立出来成立五味子目的观点。 4. 细胞分类学 　　对五味子属铁箍散Schisandra propinqua（Wall.）Baill进行了细胞学研究，首次报道该种植物的染色体核型。核型分析的结果表明染色体数目为2n = 28,核型公式为2n = 2x = 20m+8sm, 染色体相对长度组成2n = 2L+14M2+8M1+4S，核型不对称系数0.59，核型为2B型，未发现次缢痕和随体。通过与该属其它种类的核型进行比较，发现具常绿习性的铁箍散其核型不对称性系数比该属落叶种类高，表明该种在五味子属中处于较进化的地位，这与我们根据该属其它性状得出的结论一致。 5. 分支系统学研究 　　对五味子属33个形态学性状进行了分支系统学研究，得到5棵同等最简约树，树长为53步，一致性指数（CI）= 0.7740, 保留性指数（RI）= 0.7740。在最简约树(MP)的严格一致树中，内类群形成两大支，一支包括所有落叶习性的类群，另一支包括具有常绿习性的类群，两支的支持率都非常高, 在一定程度上能反映五味子属内各种间的系统学关系。根据五味子属分支系统学分析的结果，对该属属下分类系统进行了调整。 　　在补充了包括叶表皮形态解剖学和木材解剖学等新性状的基础上，对五味子科42个形态学性状进行了分支系统学分析，分别计算得到了MP树和邻接树（N-J）。简约分析得到三棵同等最简约树，树长106步，一致性指数（CI）= 0.4910，保留性指数（RI）= 0.7450。严格一致树显示：五味子科分为五个并列的分支，其中南五味子属被分为三支，五味子属被分为两支，虽然这些分支的支持率都不是很高，但是一些种类间的亲缘关系还是得到很好的体现。用距离法建立的N-J树中，将该科分为两大支，五味子属所有落叶种类聚为一支，南五味子属和五味子属具常绿习性的类群聚为一支，这与分子系统学分析的结果一致，但是由于在N-J树上，五味子属两个常绿种与南五味子属构成的分支支持率较低，所以两属之间的关系还尚待讨论。 6. 分类学修订 　　在应用上述性状分析结果及查阅国内外大量标本的基础上，重新修订了南五味子属和五味子属的概念，包括新性状的补充，对两属植物进行了分类学修订。确定了南五味子属目前包括2亚属2组11种;五味子属目前包括2亚属4组10种,指定了Embelia valbrayi H. Léveillé的后选模式，提出一个新等级组。描述了每个种的性状特征、变异情况、地理分布、相关的分类学处理及其与近缘种的关系，并列出所研究的标本，最后讨论了南五味子属和五味子属的系统关系。 　　

八角科植物系统学研究 — 比较木材解剖学及花被片表皮比较形态学

本文回顾了八角科（Illiciaceae）的分类历史，对其现状进行了介绍，并提出了存在的一些问题，针对这些问题，我们对八角科及其近缘类群 [五味子科（Schisandraceae）和木兰科（Magnoliaceae）] 的木材解剖特征，以及对组成八角目(Illiciales)的八角科和五味子科的花被片表皮形态进行了研究，进一步确定了八角科在离生心皮类中的原始地位，且为其属的次级划分提供了更多的性状支持，更详尽地阐述了它与近缘类群间的系统学关系，确定了八角目的独立地位。 １　比较木材解剖学 在光学显微镜和扫描电子显微镜下，对八角科八角属（Illicium）2组19种1亚种43个材料、五味子科2属4种7个材料和木兰科1属3种4个材料的木材解剖结构进行了比较研究。 因八角科导管单独、多角形、密集、细长且具螺纹加厚，穿孔板梯状且细密，射线异形等特征，本文支持建立单属的八角科。在八角属内，由于八角组（Sect. Illicium）的导管分子密度较高和直径较窄，易损度为0.090，射线较高，而八角茴香组（Sect. Cymbostemon）的导管分子密度较低和直径较宽，易损度为0.194，射线较矮，因而本文支持将八角属分为八角组和八角茴香组，且八角组比八角茴香组原始。根据欧式距离，八角科与五味子科之间的相似性（d=4.690）比八角科与木兰科（d=4.899）之间的相似性大，本文支持建立八角目（Illiciales）。 2　花被片表皮比较形态学 在光学显微镜和扫描电子显微镜下，观察了八角科八角属2组11种20个样品、五味子科南五味子属（Kadsura）2亚属2组8种15个样品和五味子属（Schisandra）2亚属4组6种17个样品的花被片表皮形态特征。 首次报道了八角目2个科（八角科和五味子科）3个属（八角属、南五味子属和五味子属）植物花被片表皮细胞的形状、分泌细胞的形状及分布、气孔器的形状及分布、花被片表面的纹饰，在五味子科中发现2个新的性状（气孔对和环列型气孔）。 通过与八角目2个科3个属植物的叶表皮形态比较，发现花被片表皮气孔器外拱盖均为单层，与叶表皮气孔器外拱盖层数（常绿种类为双层和落叶种类为单层）之间没有相关性。通过对两性花、雌花和雄花花被片表皮观察，发现花被片表皮形态与花的性别之间没有相关性。通过对八角属、南五味子属和五味子属花被片表皮比较，发现五味子属花被片表皮形态比南五味子属花被片表皮形态表现出更多的衍生性状，南五味子属花被片表皮形态比八角属花被片表皮形态表现出更多的衍生性状;南五味子属花被片表皮形态与五味子属花被片表皮形态之间的相似性程度较大，与八角属花被片表皮形态之间的相似性程度较小，支持建立含南五味子属和五味子属的五味子科，支持建立只含八角属的八角科。

五味子科几种植物的传粉生物学和种子散播

五味子科(Schisandraceae)隶属于木兰亚纲八角目(Illiciales)，为攀缘藤本，花单性，雌雄异株或同株。近年来分子系统学的研究结果显示，一个包括八角目在内的所谓ANITA类群（Amborellaceae – Nymphaeales – Illiciales – Trimeniaceae - Austrobaileyaceae）代表了被子植物最基部的类群。这使得五味子科成为解决原始被子植物起源和演化问题的重要类群之一，而倍受关注。作为被子植物的原始类群，其繁育系统、传粉生物学和种子传播等方面的知识对于理解被子植物起源和基部各大类群之间的系统发育关系是至关重要的，而五味子科在这些方面的研究几乎还是空白。本研究选取几种代表不同雄蕊群类型的五味子科植物，对其进行传粉生物学和种子散播方式的研究，在此基础上讨论了该科植物和早期被子植物的传粉机制和种子散播机制。 1．翼梗五味子的传粉生物学 翼梗五味子是严格的雌雄异株。雄花在颜色、形状和大小上都与雌花非常相似，但是数量明显多于雌花。在开放后，雌雄花的花被片都不完全张开，把雄蕊群和雌蕊群包在其中，花被片和雄蕊群或雌蕊群之间的空隙非常狭小。翼梗五味子的花不能产热，不能散发出花香，也不分泌花蜜。翼梗五味子的传粉者只有Megommata sp.（瘿蚊科）的雌性成虫，花粉是对传粉者的唯一回报。Megommata sp.访问翼梗五味子的雄花摄取花粉作为其卵巢发育或产卵所需的额外营养，而雌花则是通过模拟雄花的形态来吸引昆虫的。绿叶五味子的传粉机制与翼梗五味子相似，也是雌花模拟雄花的形态欺骗昆虫访花。这种欺骗性传粉在基部被子植物是普遍存在的。 2．南五味子的传粉生物学 南五味子是雌雄同株。雌雄花的花被片都是黄色，子房绿色，雄蕊有黄色和红色两种颜色，开黄色雄花的和开红色雄花的植株在所研究的14个居群中都是随机分布的。南五味子的雌雄花都是在晚上开放，并能散发出强烈的花香，红色雄花、黄色雄花和雌花的花香成分非常相似，主要成分都是丁酸甲酯 (methyl butyrate)。南五味子的雌雄花还可以产生热量。南五味子的传粉者只有一种昆虫-- Megommata sp.（瘿蚊科），它们的访花时间与花香的散发时间以及花热产生的时间基本吻合，都集中在花开后的4-5小时内。在南五味子中，花香在吸引传粉者上起着决定性作用，花热可以增强花香的散发，而花色则不起作用。花粉是南五味子对Megommata sp.的唯一的回报，雌花利用与雄花相同的诱物（花香和花热）来吸引传粉者，因此南五味子的传粉系统也是一种欺骗性传粉。 3．五味子科植物的传粉系统 五味子科植物的花一般比较小，花器官多而不定，螺旋状排列。五味子科不存在风媒传粉，传粉昆虫主要是双翅目昆虫和甲虫类。翼梗五味子、南五味子、绿叶五味子只是由瘿蚊科Megommata属的一种昆虫来传粉的，表现出一种专化地传粉系统。而Schisandra glabra则有多种昆虫参与传粉，表现出泛化的传粉系统。以瘿蚊为媒介的传粉系统中，只有雄花能为昆虫提供报酬，而雌花则是通过模拟雄花来欺骗昆虫访花的。在这个欺骗性传粉系统中，味觉和视觉线索对瘿蚊都是很重要的，五味子的雌花可以通过模拟雄花的形态或者通过散发出与雄花相同的花香气味来吸引传粉者的。在泛化传粉的系统中，花粉、柱头和花被片都可作为昆虫的食物，并且S.glabra花还可以为昆虫提供栖息或交配场所。 五味子科植物的传粉模式符合“菌蚊类昆虫传粉综合征”。这个传粉综合征的特点是：植物一般具有较小的两性花或单性花、能散发强烈的花香、能够产生花热;传粉昆虫是菌蚊科、瘿蚊科和其他长角亚目的昆虫;欺骗性传粉;具有自交不亲和现象。Austrobaileyales 分支中的各类群和睡莲科植物都适合这个传粉综合征。 4．五味子科植物的种子散播 五味子的果实都是由小浆果组成的聚合果，五味子属的果实是长穗状，南五味子属的呈球形。成熟小浆果的颜色从红色到紫红色;具有中等大小的种子。翼梗五味子的果实是以小浆果为单位脱落的，整个脱落过程仅持续13天，种子是由鸟类和哺乳类散播的。异形南五味子和南五味子的聚合果虽然都是球形的，但是异形南五味子的果实和种子比南五味子大得多;它们的果实脱落和种子散播方式有很大差异，异形南五味子是整个聚合果脱落，脱落时间集中在20天内，而南五味子是以小浆果为单位脱落，脱落时间可长达4个月之久。异形南五味子的种子很可能是通过鸟类来散播的，而南五味子则没有发现有效的种子散播者。在五味子科内，果实形态总的进化趋势是由短到长，南五味子属所具有的球形聚合果很可能代表了五味子科果实的祖先性状。五味子科植物果实形状的进化可能最少要经历两个过程。在白垩纪和第三纪的交界期前后，由于气候和植被的变化，一些五味子类群的果实和种子变大;而后在第三纪，随着特化的果实散播者如鸟类和鼠类的出现，五味子科一些种类的花托在果期明显变长，球形聚合果进化成长穗状聚合果。