基于叶片表皮解剖特征的芸香科草本植物分类学研究——运用多元分析方法

《Flora》：Taxonomy of Herbaceous Rutaceae Species using Leaf Epidermal Anatomical Characters using Multivariate Analysis

　　**摘要要点：**- 对23个芸香科草本植物类群的光学显微镜（LM）和扫描电子显微镜（SEM）数据进行比较研究，结果显示表皮细胞、气孔和毛状体特征存在显著差异。- 通过主成分分析（PCA）、热图和系统聚类分析，利用表皮定量特征（包括气孔密度、表皮细胞大小和毛状体长度）区分不同属。- 气孔参数和多变量解剖学方法是物种鉴定和未来系统发育研究的可靠工具。---**引言**芸香科是被子植物中分类多样性较高的一个类群，主要分布于热带和亚热带地区，包含许多具有重要药用、生态和经济价值的物种。该科成员以富含精油和多种生物活性化合物为显著特征，引起了药理学和民族植物学研究的广泛关注。在芸香科中，形态解剖学特征可用于分类学解释，但由于趋同形态和表型可塑性的影响，物种界定较为困难，尤其在草本类群中（Groppo等，2020）。近期的分类学研究进一步表明，当综合多变量分析时，整合性叶片解剖特征——包括表皮细胞结构、气孔复合体、角质层纹饰、分泌结构和毛状体形态——可为物种界定和属的范围界定提供可靠证据。对芸香科及其他被子植物类群的比较研究突显了基于光学显微镜和扫描电子显微镜的叶片解剖学在解决分类边界和支持系统解释方面的日益增长的价值（Muntoreanu等，2011；Igboabuchi & Ilodibia，2017；Fladzinski等，2024）。叶片表皮解剖学的研究一直是分类学特征的重要来源，因为这些特征通常比受环境影响较大的形态特征更稳定。叶片表皮细胞形状、气孔排列和密度、毛状体类型和密度以及角质层纹饰等特征已被广泛用于植物分类学中，用于物种鉴定（Metcalfe & Chalk，1950；Stace，1965）。这是因为这些微观形态特征此前已被证明可以阐明在宏观形态特征不足时存在的分类学不确定性（Peng等，2015；Werker，2000）。Fladzinski等（2024）利用光学显微镜和扫描电子显微镜对*Zanthoxylum kleinii*进行了详细的形态解剖学表征。他们的研究调查了叶片、叶柄、叶轴和茎的解剖结构，报道了具有异面叶，其小叶片具有不定式、不等式和三式气孔，异面型叶肉组织，丰富的裂生分泌腔，头状腺毛，简单非腺毛以及柱状草酸钙晶体。作者强调，形态解剖学证据的整合可为花椒属物种的区分提供可靠的分类学特征。同样，Igboabuchi和Ilodibia（2017）考察了*Zanthoxylum macrophylla*的叶、叶柄、茎和根的解剖结构。他们的观察揭示了具有孔下式叶片、二式气孔、明显的次生维管射线和特征性维管排列。该研究得出结论，这些解剖特征足够稳定，可以支持该物种的准确鉴定。在另一项解剖学研究中，Muntoreanu等（2011）研究了14个新世界热带芸香属（*Pilocarpus*）及相关属物种。作者考察了叶片和叶柄，报道了叶肉组织、维管束构型、叶脉架构和分泌腔的分布是稳定的特征，具有相当大的分类学和系统发育价值。他们的研究强调，解剖学证据补充了形态学观察，在解决近缘类群间的亲缘关系方面发挥作用。然而，在芸香科中将定性和定量表皮数据进行简单比较的研究很少，这种方法在芸香科的草本代表类群中尤为少见。巴基斯坦芸香科的分类处理主要基于区域植物志中汇编的经典形态学描述，对详细的解剖学或微观形态学研究的关注较少。一些草本类群（如单花芸香属*Haplophyllum*、芸香属*Ruta*、波恩宁豪森芸香属*Boenninghausenia*和沙芸香属*Thamnosma*等属）是该植物区系的重要组成部分，但在文献中表征不足或未被描述，即使在《巴基斯坦植物志》中也是如此。本文研究的类群研究尚不充分，关键系统学知识空白已被指出（尚未对其进行过综合解剖学和标准统计学研究）。在本研究中，通过结合定性解剖学观察、定量形态测量分析和多变量统计分析的综合方法来解决这一局限。因此，本文包含对变异的更客观评估和对重要诊断特征的检测，这些特征有助于物种分离，通过热图可视化、系统聚类分析（HCA）和主成分分析（PCA）获得，这超出了传统描述性研究的范围。Jolliffe和Cadima（2016）以及Abdi和Williams（2010）报告称，这些多变量技术能够更丰富地解释解剖学数据，同时也提高了分类学内部亲缘关系的分辨率。此外，稳定性指数分析提供了一种系统且定量的方法来根据解剖学特征的变异程度对其进行分级，因此可用于鉴定稳定的或具有分类学信息的特征，特别是在与气孔结构相关的方面（Franks & Farquhar，2007；Sack & Buckley，2016）。文献数据显示，关于巴基斯坦芸香科草本植物叶片表皮解剖学的彻底且具有统计整合性的研究尚未得到充分记录。本研究通过结合经典解剖学发现和当代统计分析技术，填补了这一空白，为结构变异、物种界定以及科内属间亲缘关系提供了更清晰的解释。在此，我们旨在利用定性与定量相结合的方法并整合多变量统计分析，来评估芸香科选定类群的叶片表皮解剖学。其目标是找到既稳定又具有更高分类学信息价值的特征，以便鉴定并促进物种界定，同时更好地阐明该类群内系统亲缘关系。---**各节摘要****材料与方法**所研究的芸香科植物样本采集自巴基斯坦不同生态区域。采集地点包括北部山区（吉尔吉特、斯卡都、罕萨、奇特拉尔、斯瓦特和卡甘）、亚山区（默里、阿伯塔巴德、穆扎法尔阿巴德和拉瓦洛克）、干旱至半干旱区（奎达、佐布、卡拉特、努什基、胡扎尔、特布特和瓜达尔）以及沿海地区（信德和俾路支省）。为确保植物采样的全面性，还从拉合尔、伊斯兰堡、费萨尔巴德、木尔坦等地采集了样本。**统计分析**从所选芸香科成员解剖学特征中获取的数据采用描述性统计方法进行了分析。计算了均值、标准差和变异系数（CV%）等指标以确定特征的变异程度。变异系数还用于计算稳定性指数，并将诊断特征按不同稳定性水平进行分类（Hammer等，2001）。稳定性指数（SI）用于评估解剖学特征的……**结果与讨论**叶片表皮解剖学是微观形态学特征的重要来源，被广泛应用于物种鉴定和分类学分类中。表皮是叶片的最外层保护组织，在蒸腾作用调节、气体交换和抵御环境胁迫因子方面发挥着重要功能。表皮细胞形态、气孔和毛状体结构已被公认是植物物种（或更高级别）的可靠诊断特征……**结论**本研究对23个芸香科草本物种的叶片表皮进行了详细的解剖学描述，为微观形态学特征在阐明科内分类学关系方面的价值提供了证据。虽然表皮结构（即表皮构型、毛状体形态、角质层纹饰）在不同类群间存在广泛变异，但特定特征如保卫细胞形态和气孔组织则保持保守，显示出更明确的趋势……---**利益冲突/COI声明**作者声明不存在利益冲突。**资金来源**不适用。**数据可用性声明**支持本研究结果的數據可从通讯作者处合理索取。**CRediT作者贡献声明****Hira Siddique：** 写作——审稿与编辑、写作——原始草稿撰写、方法论。**Shabnum Shaheen：** 写作——审稿与编辑、监督、资源、调查、形式分析。**Farzeen Fatima：** 写作——审稿与编辑、调查、形式分析、概念构思。**Ayesha Rahim：** 写作——审稿与编辑、概念构思。**Sayed F. Abdelwahab：** 写作——审稿与编辑、资源、调查、形式分析。**Muhammad Zafar：** 写作——审稿与编辑、写作——原始草稿撰写。