中国泽泻亚纲系统植物学与演化生物学研究

中国泽泻亚纲系统植物学与演化生物学研究

（研究成果简介）

一、选题背景

泽泻亚纲通常被认为是现存的古老、原始的单子叶植物分类群。现代4个著名的被子植物分类系统，其中影响最大、最受推崇的A．Takhtajan（1987）系统和A．Cronquist（1981）系统都将其作为单子叶植物的“开端群”（starting group）；而单子叶植物的起源是被子植物系统学中长期争论的4个重大理论问题之一。中国是泽泻亚纲植物的重要分布区，到1978年时，对其研究尚属空白。因此，对中国泽泻亚纲进行系统、深入研究，必将会对单子叶植物起源的研究提供宝贵和必不可少的资料或证据。该分类群的生态型异常多样，湿生、沼生、挺水、浮叶、漂浮和沉水类型兼备。水生、半水生的特殊生境常会导致植物表型巨大可塑性，加之，其繁育系统和传粉机制相当复杂，这些生物学特性使之成为研究种或复合种的变异与进化的理想材料。近十年来，国际上植物分类学研究正朝着系统植物学与演化生物学两个方面纵深发展。选定泽泻亚纲为对象，有可能使我们的研究直接触及系统植物学的重大理论问题，同时进入演化生物学研究的前沿。

当时，我们就注意到了泽泻亚纲植物的重要应用背景。中国人口增长和经济高速发展，已严重威胁到与人类生存密切联系的河流和湖泊生态系统。水生植物群落在保护这些生态系统中举足轻重，其建群种或优势种，以泽泻亚纲植物居多。由于中国泽泻亚纲的分类研究长期空白，致使这些生态系统的研究难以深入。许多该亚纲植物为淡水鱼类提供优质饵料和生境，不少种类则是水田恶性杂草，其利用和控制有不可忽视的重要性。

湖北省素有“千湖之省”之称，武汉大学地处其省府——武汉，有得天独厚的地理优势。本项研究就是在经过深思熟虑的背景下提出来的。

二、研究路线

总体设计是：以承担《中国植物志》（第八卷）的编写任务为契机，选择其中最有代表性的若干属，进行多学科的系统植物学研究的同时，采用居群生物学、传粉生物学和细胞地理学的方法，开展演化生物学的系统研究，以求解决中国泽泻亚纲的分类学问题，以及探讨种或复合种的变异、变异式样、微观演化和演化机制等问题，推动单子叶植物起源研究的深入和我国植物分类学的现代化，并在演化生物学研究领域中进入国际前沿。其研究成果应为濒危植物的保护和杂草的控制提供新的理论和方法。在工作过程中，形成了以下几条研究路线：①在查阅文献和各大标本馆标本基础上，明确分类学上存在问题，并确定全国范围内的采集点（包括模式产地），然后到各点采集标本和活材料，考察其生境，最后利用标本进行统计分析，利用活材料进行多学科研究，凭借尽可能多的证据和数值分类的方法来解决分类上的问题；②利用分布学资料、化石证据和特征分析，来探讨各个属的可能祖先、起源地点、起源时间、迁移路线等系统发育问题；③从基因—细胞—器官—有机体—居群—群落6个生物学层次上来寻找种或复合种的微观演化的证据和机制，首先从个体形态观察入手，再逐步深入到宏观和微观各个层次上；④整个研究过程中均将系统植物学与演化生物学两者紧密结合起来，因此前者可充分利用后者的研究结果，后者又可从前者提出的问题中找到启示；⑤将出成果与出高级专门人才紧密结合起来，每位研究生均从该课题中选一个子项目，每位博士生的论文均为其硕士论文的深化，并各有一个新方向，因而为整个研究集体建立一种新的实验系统。

由于本项目整体性、系统性、创新性强，因此每项具体研究之间关系密切，并各有一个侧面处于国际研究的前沿。

三、研究内容与成果

（一）系统植物学研究

1．中国泽泻亚纲各科属的修订

A．Takhtajan系统和A．Cronquist系统中各自泽泻亚纲的范畴，以及中国在该亚纲所处的重要地位，可见附录Ⅰ、Ⅱ（略）。由于从无学者对中国泽泻亚纲植物做过稍微深入的研究，致使中国该分类群标本奇缺、处理混乱，也使世界性修订存在严重缺口。在大量的野外采集和观察基础上，澄清了许多混乱，尤其是Sagittaria，Ottelia，Blyxa，Potamogeton和Najas等5属的系统修订，取得了满意的结果，令这些属的世界性修订者信服。解决了长期争论不休的分类处理问题，纠正了各种原因造成的混乱，还发表了7种新种、1新亚种、3新变种，从而丰富了对中国泽泻亚纲植物区系的认识。其研究成果以《中国植物志》（第八卷：泽泻亚纲部分）和其他4部专著（分类部分）方式发表。

2．系统学问题的多学科研究

传统系统学研究一般采用“形态地理”的方法，现代系统学研究则注重多学科研究，即采用多种证据来处理分类和系统发育问题。本研究运用形态学、解剖学、孢粉学、细胞学、遗传学、生物化学和生态学等学科的方法或技术，提供了大量的证据，并采用数值分类的方法进行分析，不但大大提高了分类质量，还解决了一系列疑难问题。主要成果如下：

（1）分别对中国产Sagittaria，Ottelia，Blyxa，Potamogeton和Najas植物的性状进行全面考察和重新评价。对其中的Sagittaria和Ottelia用R分析进行性状定量分析，评价各性状的分类价值，探讨性状间相关程度及其生物学背景，发现了一些长期被忽视而有重要分类价值的性状。这是国际上首次在泽泻科植物中采用R分析法研究性状。

（2）对中国产Alisma，Sagittaria，Ottelia，Vakkisneria，Hydrilla和Najas的核型进行系统研究。提供几近全部种及种下分类群的核型资料，其中大多数系首次报道。这是国际上首次提供了完整和高质量的区域性核型资料，有许多新发现，解决分类学问题特别有效。例如，确切无疑地指出Sagittaria植物第9对染色体的短臂上有随体，从而纠正了前人的看法；核型分析支持将Lophotocarpus降为Sagittaria的一个亚属；东方泽泻与泽泻的核型有明显差异，有力支持了将前者作为种处理的观点；推翻了著名学者Bjorkqvist（1967，1968）提出的Alisma植物核型同型的结论；Najas中具多倍体系列的种中，不但发现了一些原先缺失的多倍体类型，而且发现二倍体的原始类型；研究表明，根据Najas的核型对称性或次缢痕等特点，结合染色体数目，用于该属种的划分是可行的。

（3）科或属的系统关系的研究。泽泻亚纲各科、属的系统位置有着十分对立的观点。本研究的一系列重大发现将对该亚纲的系统学研究发生重大影响。大多数系统学家认为泽泻科是该亚纲中原始类型，茨藻科是衍生类型。Singh和Sattle（1972，1977）从花部发育研究得出泽泻科离生多心皮是次生的，因此泽泻科是较进化的。本研究发现，茨藻科的7个种均具远极单槽花粉，支持了前苏联学者1983年在大茨藻上的发现，结合染色体数目和对称性程度，可以认为茨藻科是原始的，泽泻科是进化的，而向A．Takhtajan系统和A．Cronquist系统提出挑战。Alisma，Caldesia和Sagittaria的形态、花粉和核型特征研究，提出了3属关系的证据。冠果草核型以及Lophotocarpus和Sagittaria中间类型的武夷慈姑、利川慈姑的发现，不但支持了Lophotocarpus降为Sagittaria的亚属来处理的观点，而且发现Sagittaria在我国有完整的演化阶段与分支。

（4）中国Ottelia分支分类学研究。选取了18个居群，19个性状（包括形态学、生态学、传粉生物学及染色体性状）用于分支学分析。结果表明，18个居群划分为4类，各对应一个种，同时反映了系统发育关系；单子房分支和多子房分支的分化先于两性花、单性花分化之前，因此与前人的观点明显不同。这是首次报道用分支分析的方法，在居群水平上研究泽泻亚纲内的分类群。

3．地理分布与演化趋势的研究

（1）区系组成。泽泻亚纲所属的目、科在中国几乎均有，在属、种级水平上，中国泽泻亚纲区系组成也十分丰富；在较大的属中，中国拥有高比例的特有种。

（2）世界Sagittaria，Ottelia和Najas的地理分布。各属内种的分布区类型极为多样，并显示出水生植物比陆生植物有更高比例的特有种成分。3属研究结果一致表明，水生植物在水平与垂直方向上均有明显的地带性分布特点。首次提出各属地理分布的特点，沼生的Sagittaria显然受沼泽地带性分布所制约，在东北半球各有一个特有中心，东半球特有中心在中国东南部，绝大多数特有种分布在山地、岛屿与谷地，北半球亚热带湿润地区的中心地带显然是Sagittaria的分化地带；Najas的分布呈明显的纬向地带性，即随纬度增大而种数减少，显示了温度对其分布的制约作用；陕西Potamogeton的分布则是显示了与不同化学性质水体空间配置密切相关；由于三者均系水田杂草，其分布深受人类的影响。

（3）地理分布与演化趋势的关系。首次系统讨论了整个Sagittaria和Najas器官演化趋势，并发现其与地理分布的密切联系。在此基础上，就它们的起源地点、起源时间、迁移路线、祖先类型、发展阶段及分支发展诸方面提出新的假设。从分支图角度，对Ottelia做了类似的工作。

（二）演化生物学研究

演化生物学（Evolutionary Biology）是物种生物学（Biosystematics）发展的一个新阶段，即不再以追求毫不含糊的物种定义为目的，而是应用实验方法，从居群角度研究有机体以及出现于种群内的演化过程（Stace，1980）。将生态学、遗传学、细胞学、分子生物学和系统学等结合起来，尤其着重用居群生物学、传粉生物学和细胞地理学等前沿学科的方法来研究Sagittaria，Ottelia，Potamogeton，Zannichellia和Najas的微观演化问题，是本项研究的重要特点之一。在研究规模、格局、系统性和新颖性等方面居国际领先地位。

1．变异与变异式样的居群生物学研究

（1）个体内变异。①个体上各性状表型可塑性差异的研究发现，个体上各性状表型可塑性差异较大，有的性状高度可塑，有的则无明显可塑性；多数无可塑性性状常被用作为检索性状，少数无明显可塑性状则无分类价值；高度可塑的大多数为数量性状。通过对Sagittaria pygmae 7个居群研究发现，花序梗长度因水深度变化而高度可塑，虽毫无分类价值，但对靠昆虫传粉的该种却有极为重要的生物学意义，与其他种比较，其响应环境影响作出敏感的反应能力却受遗传控制。②个体上的畸形现象的研究发现，Sagittaria和Ottelia各种的个体上均有丰富、多样的畸形现象；在返祖现象中，仅仅是“返复”祖先的个别性状，或显示出或多或少变了形的祖先性征状；这些返祖现象是由于这些植株在个体发育中受到某种外在或内在的刺激因素而引起的，即正常发育受阻而进入“歧路”，并支持了达尔文的观点，即个体发育正常途径被干扰时，最可能激发形成祖先特征的潜能而出现返祖现象；绝大多数返祖现象在物种进一步演化中毫无意义，但提供了解其曾经历过的部分演化历史的片段的珍贵材料；在Sagittaria pygmae上发现了“雄株”分化现象，并在各居群中有不同的比例，这是Sagittaria植物进一步演化的必定趋势。

（2）居群内个体变异。对Sagittaria和Ottelia研究结果表明，居群内个体变异与生境异质密切相关，生境异质程度较大则个体变异相应亦较大，因此，可将同一居群内变异程度用作评价环境异质程度的一把尺子；居群内生境相关的变异主要表现在数量性状上，尤其是连续性状上；Sagittaria的繁育系统极为复杂，经研究确定了其繁育系统，并定量研究了其与居群内个体变异的相关联程度。

（3）居群间变异。经野外观察、标本统计分析和栽培实验发现，在Sagittaria和Potamogeton中已有生态型分化；在Sagittaria和Ottelia均存在明显的生态梯度变异和地理梯度变异，生态梯度变异主要与水深和土壤肥力的梯度变异相对应；Sagittaria pygmae在居群水平上雄蕊数目减少和雄株分化相关的两个重要演化趋势；雄蕊和花柱数目的高度相关变异是Ottelia alismoides保证传粉效率的一种适应。

2．传粉生物学研究

（1）对Potamogeton研究发现，属内具出水开花、浮水开花和沉水开花3种类型，后一种是对偶然生境变化所作出的被动性适应类型，并用实验证实了该属植物花序未达水表时普遍具沉水开花能力；在气生条件下开花保证机制随着植物对水生环境的依赖性增加而相应减弱，呈一明显系列，在某些形态特征上以及雌雄异熟程度上作出对应反映；首次观察到大多数该属中表现出非寻常开花形式，以利于花粉释放初期有利于自花传粉；Potamogeton包括风媒、水表传粉和水下传粉3种途径，并首次发现了仅靠花序升力维持气生条件的B型出水开花植物均兼行水表和水下传粉的补充或应变机制，这种传粉机制的广谱性是对水生条件下保证授粉，维持有性生殖的一种有效适应；产生的疏水性花粉在“变湿”过程中活力明显趋于丧失，表明该属内无真正水媒存在，水下传粉仅借助于“气泡”作用在短时间内完成，导致自花或偶尔的同株异花传粉；在人工控制下结实率实验显示出几乎所有种类均具良好的自交结实能力，维持其完整的授粉生态谱是保证高结实率的最主要条件，向水媒过渡或转变过程中，结实率下降往往与传粉效率下降明显相关。

（2）对Zannichellia研究发现，生殖系统及有性活动已高度适应沉水环境，并在花部结构上形成一组典型的水生特征；开花过程有规律在水下进行，产生重于水的亲水性花粉；首次用实验证明柱头释放物对花粉在水中萌发有一定的作用；并首次通过实验证明先期自然萌发花粉具有使雌蕊受精能力，但较未萌发花粉的存活期明显缩短，因而在有性过程中不具备必定优势；花粉与子房数目之比高达499．3（±173．13）∶1，在自交过程中抵达柱头的花粉却占2%，暗示了频繁的远交发生，甚至可能指示了一条潜在演化途径；流水环境中结实率增加可能与远交机会增加有关。

（3）传粉机制演化有两个分支方向：向水媒演化和向专性自交演化，并有相对应的花部演化。导致物种缓慢分化速率的主要原因在于，向水媒演化中有性生殖效率大幅度下降，以及自交和无性繁育系统的形成。因此，Potamogeton物种的多样性应发生在该属演化的早期，其多年生与一年生习性的分化则应发生多样性形成之后。

3．染色体与演化的研究

（1）导致物种形成（speciation）的染色体变异模式。目前已发现泽泻亚纲内有3种模式：①核型同型模式，Sagittaria是典型代表，所有种和种下分类群染色体2n＝22，且染色体组型同型，这与其形态高度变异性成鲜明对照，即形态演化远走在核型演化之前。②同源多倍化模式，Hydrilla为突出代表，通过同源多倍化形成新分类群，并伴有相应的形态分化，同工酶研究结果验证了这一点。③同源多倍化为主，兼有染色体形态变异模式，Najas极为典型，Subgenus Najas仅N．marina一种，但有多个亚种和变种，基本上均为二倍体种，但通过次缢痕的各种变异来达到种下分化，Subgenus Caulinia的所有种几乎均有多倍体系列，种间兼有染色体大小和形态变异。Alisma通过多倍化形成新物种，同时还通过染色体结构不对称性增加或减少的两种方式来形成其他新物种。

（2）细胞地理学研究发现：①Najas marina 3种核型的地理分布、核型对称性的演化趋势的分析，可推测中国的N．marina核型为较原始的核型，随着其向高纬度的分布扩展，核型趋向不对称；②广布种和分布区较大的种倍性变化较多，并且一般来说多倍体分布比二倍体广，表明多倍体是Najas向新生境扩展的比较有效的方式；③Najas二倍体和多倍体的相关分布图式不表现“柱架式”多倍体复合体的结构，而可能属于“两极分化式”的分布；④分布于我国云南、广西一带Najas植物几乎全为二倍体，表明地处亚洲的Najas现代分布中心的形成是早期分布于这一带的Najas原始类群“适应辐射”的结果；⑤在结合染色体变异、地理分布和形态学特征诸证据分析后，设想分布于中国的11种Najas植物中，最具原始的是N．foveolata，最前进性演化为N．graminea，并推测其为整个Najas内演化程度最高的类群，其他类群均具有各自独特的分支发展的途径。

4．居群内个体间的酶谱变异研究

对Ottelia alismoides居群内18株植物过氧化物酶同工酶研究显示，拥有同一酶谱型的个体通常是彼此相邻的，这些个体可能同属于一个邻里群（neighbouring group），这可能与种子散布方式有关。将其与O．acuminata var．crispa的同种同工酶做比较，发现酶谱变异式样与繁育系统有关。

四、研究特色

1．选题有重大理论和应用背景

泽泻亚纲是研究单子叶植物起源的关键类群之一。因此，本研究已取得一些重大的科学发现和理论上突破性的进展，可证明中国是研究泽泻亚纲的最关键地区之一，其研究成果必将推动系统植物学和演化生物学的发展，同样对淡水生态学、濒危植物保护生物学和水生杂草的控制有重大指导和推动作用。充分利用泽泻亚纲的特殊分类位置及其生物学特性，是本研究的特色之一。

2．总体设计和研究方案科学、严密和新颖

本研究起点低、难度大、涉及学科和实验技术多，加之人员流动频繁，要在不太长的时间内进入国际领先水平，首先取决于总体设计和研究方案。1978年进入研究之初，在文献调研和追踪本学科发展前沿基础上，就制订了五年、十年、二十年的中、长期研究规划，并对本课题提出了总体设计和分阶段研究方案，随后边实施边完善。孙祥钟及其研究集体多达20余人，14年来，所有科学活动集中在这一大课题上，从未改向，从未中断。每人具体研究中，做到4个坚持：坚持经典分类学与现代分类学相结合；坚持系统植物学与演化生物学相结合；坚持各自研究的完整性与突破一个方面相结合；坚持多学科、多层次研究的方向。因此，不但取得了具体研究成果，并使整个研究集体在短短的14年中，成为国际上水生植物学的一个研究中心。在科学、严密和新颖的总体设计和研究方案指导下，进行有效的科学研究，是本研究特色之二。

3．将高水平的科学研究与高级专门人才培养、实验基地的建设和优良学风的形成紧密结合起来

本研究中培养了5个博士、14个硕士，绝大多数已成为工作单位的学术带头人或学术骨干，其中一位被破格提升为教授，另一位破格提升为副教授，5位博士分别主持国家自然科学基金、青年科学基金、国家教委博士点基金课题。这均与从事博士论文研究中得到严格的独立从事科研的训练以及他们均为本室开辟一个方向和建立一个实验系统得到的锻炼有关。14年来，还建立了中国第一个水生植物标本室以及各种实验室、实验系统。形成的优良学风也代代相传，成为最宝贵的财富。这种紧密结合，是本研究特色之三。

4．科学研究国际化

本室选派优秀博士生到著名的水生植物学家Cook（瑞士）和Kusanagi（日本）进行联合培养，并先后邀请美国、瑞士、日本等专家作短期讲学和研究，还两次参加国际学术讨论会。在国际水生植物研究权威刊物Aquatic Botany上发表了多篇文章。另外，本室大部分教师都参加了国际植物物种生物学者组织协会（IOPB）并成为其会员。努力促进科研国际化，是本研究的特色之四。

作者后记

这是一份用来申报原国家教育委员会科学技术进步奖的研究成果简介，也是孙祥钟教授领导的课题组十年研究成果的总结。1992年，在孙先生的指导下，我详细阅读、整理与分析了课题组已发表的全部论文和学位论文，搜集了学术界的评论与引用情况，从中总结出成果的创新性与学术界的影响力。虽然撰写简介与编排附件是一项繁杂而又困难的工作，但对我是个极好的锻炼，所获得的经验与科学鉴赏力在我独立主持课题组以及担任国家级奖励评委的长期工作中起了重要作用。我认为，对青年教师的培养可通过参与学科建设、学科管理和重大项目申报及撰写总结等得以提高。