摘要
【目的】研究确定及报道在中国云南省南涧县发现的樟科桂属植物一新种———华樟(Cinnamomum huarum Y.Chai & Yuan Y.Li)。【方法】通过形态比较及与近缘种基于叶绿体基因组数据的分子系统学研究证实该种为新分类群。【结果】该种与同属的茶果樟(C.chago)形态相似,均为羽状脉,叶对生或近对生,具长尾尖,但该种小枝被微柔毛,顶芽密被毛,叶背灰白色,被微柔毛,边缘具波状起伏,果实厚扁球形,二者具明显区别。该种的叶绿体基因组大小为154078bp,比茶果樟长1325bp,比同属的刀把木(C.pittosporoides)长1348bp,在反向重复区比茶果樟及刀把木都多了1个678bp的片段;在36种樟科植物构建的系统发育进化树中,该种与刀把木和其他物种形成3个独立的平行分支,且形态与茶果樟近似,表明该种可能是桂属新的进化单元。【结论】形态学特征及叶绿体基因组分析结果支持该种为独立的物种。
Abstract
[Objective] The study aims to identify and describe a new species Cinnamomum huarum (Lauraceae), which was collected from Nanjian, Yunnan of China. [Methods] This species was confirmed as a new taxa by morphological comparison with morphologically similar species and molecular phylogenetic study based on chloroplast genome data. [Results] The new species was similar to C. chago: Pinnately veined, leaves opposite or subopposite, long acumen, branchlets sparsely puberulent, terminal bud densely pubescent, leaf blade gray white abaxially and puberulent, margin undulate and fruit oblate. The chloroplast genome size of this species was 154078 bp, which was 1325 bp longer than C. chago and 1348 bp longer than C. pittosporoides, having an extra 678 bp fragment in the inverted repeat region compared to C. chago and C. pittosporoides. In the phylogenetic tree constructed with whole chloroplast genome of 36 Lauraceae species, C. huarum formed an independent parallel branch with C. pittosporoides and other species. [Conclusion] Both the morphological and phylogenetic research indicate that C. huarum is a distinct species.
Keywords
樟科(Lauraceae)作为核心被子植物基部类群木兰类中物种数量最多的一个科,目前全世界约有 65属,超过3000种[1]。中国有23属,500余种[2-3],其中云南有224种[3-5]。樟科植物是热带、亚热带常绿阔叶林的重要组成之一,少数种可延伸到温带[6],在中国主要分布在云南、广西、广东、海南、四川等海拔为1500~2000 m 的中、高山地区[7]。近年来,在分子系统学的研究证据支持下,对樟科物种在属的划分上也有了新的认识,之前把广义的樟属划分为桂属(Cinnamomum Schaeff.)和樟属(Camphora Fabr.)[8-10],桂属主要分布于亚洲热带至亚热带地区[11]。
茶果樟(Cinnamomum chago B.S.Sun &H. L.Zhao)属于樟科桂属物种,该种是桂属植物中较为特别的类群,仅花被片内面及雄蕊被微柔毛,叶脉为羽状脉,具强壮的中脉,花序生于枝顶和上部叶腋,聚伞圆锥花序直立开展,果近球形,成熟时长约 3cm,果托近扁平或浅盘状,革质,直径 1.2~1.4 cm,先端平截而近全缘[12],目前发现仅分布于云南省漾濞县和云龙县[13-14]。
作者在开展云南省极小种群野生植物资源调查工作中,根据中国科学院昆明植物研究所标本馆馆藏标本(刘恩德,等,4137,KUN 1270689,KUN 1270690; 刘恩德,等,4445,KUN 1270687、KUN 1270688)资料,在云南省南涧县采集到原鉴定为茶果樟(当地称“茶果香”,彝族语“wa ku zhan”)的植物标本,通过研究对比发现,该标本与茶果樟模式标本虽然近似,但在枝条、叶片、顶芽及果实形状、大小等形态特征方面存在明显不同。基于形态差异,作者对其进行叶绿体基因组测序、组装及分析,与樟科同属及同科近缘植物构建系统发育进化树,结果支持该种为樟科桂属尚未发表的新种。对其进行分类学处理、描述,以期加强该物种的后续研究及资源保护利用。为致敬朱华、彭华2位植物分类学前辈,命名为华樟(Cinnamomum huarum Y.Chai &Yuan Y.Li)。
1 材料和方法
1.1 形态学观察
对新采集的标本进行形态学观测,并与茶果樟及刀把木(Cinnamomum pittosporoides Hand.-Mazz.)标本对比研究。观测指标主要包括自然生长状态枝叶及腊叶标本的叶柄长、叶片长、尾尖长、叶片宽、叶脉对数、叶正面及背面主脉颜色、主脉基部粗细、叶背颜色及叶缘性状、花部形态特征、果实形状及大小等(包括体式显微镜下的观测和拍摄)。
1.2 系统发育研究
在云南省南涧县拥翠乡(100°21'29.88″E,24°52'49.08″N,海拔2455m; 样品编号 NJ-YC)和宝华镇(100°24'49.68″E,24°50'40.92″N,海拔 2310m; 样品编号 NJ-48)分别采集该种健康幼嫩叶片,并迅速用硅胶干燥剂干燥保存,做好相关记录和标记。样品带回实验室后用植物基因组 DNA 提取试剂盒(北京天根)提取 DNA,经华大公司采用 DNPseq平台进行小片段建库,用 DNBseq平台进行双端150bp测序,测序数据约5G。使用 GetOrganelle [15]进行叶绿体基因组的组装,组装参数为: R=15,k=21,45,65,85,105,F =embplant_pt。从 NCBI和樟科植物叶绿体基因组数据库(https:// lcgdb.wordpress.com)下载桂属(Cinnamomum)、樟属(Camphora)、木姜子属(Litsea)、檫木属(Sassafras)、楠属(Phoebe)、润楠属(Machilus)和新樟属(Neocinnamomum)一共37个物种的叶绿体基因组数据。在 Geneious软件中[16]用 MAFFT 进行多序列比对,使用 Bayesian法构建系统发育树,以红楠(M .thunbergii)为外类群,建树模型为 GTR+ GAMMA,马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)运行代数设置为1000000,burn-in的比列设置为0.25。
2 结果与分析
2.1 形态学分析
该种枝叶与同属的茶果樟近似,均为羽状脉,叶对生或近对生,具长尾尖,但该种小枝被微柔毛,顶芽密被毛,叶片背面灰白色,被白粉和微柔毛,叶片边缘具波状起伏(图1),特别是果实呈厚扁球形,二者可明显区别; 与同属的刀把木区别主要在于该种叶对生,羽状脉,果实厚扁球形,而刀把木为叶互生,离基三出脉,果实卵球形。三者形态特征对比详见表1。
图1华樟与茶果樟的叶片特征及果实
Fig.1Leaf morphological characteristics and fruits of C. huarum and C. chago
A.华樟;B.茶果樟。1.叶片正反面;2.顶芽;3.叶片基部(背面);4.叶片背面;5.叶片正面及边缘;6.果实。标尺为2 cm。
A. C. huarum. B. C. chago.1, leaf blades.2, terminal buds.3, leaf base.4, leaf abaxial side.5, leaf adaxial side and margin.6, fruits. Scale bars indicate 2 cm.
表1华樟与茶果樟、刀把木的形态特征比较
Table1Morphological comparisons of C. huarum, C. chago, and C. pittosporoides
图2基于叶绿体全基因组序列构建的华樟与其他樟科物种的系统发育树
Fig.2Phylogenetic tree of C. huarum and other Lauraceae species based on whole chloroplast genome sequences
系统发育树采用贝叶斯方法构建,分支上的数字是基于 1000000 代的后验概率值,预热比例为 0.25,仅显示小于 1 的后验概率。序列比对结果的基因组结构中,LSC、IR和SSC分别表示大单拷贝区、反向重复区和小单拷贝区,IR 区仅展示 1 个。"插入片段"一列中,黑色实体框 "■"表示有插入片段,其上的数字表示插入片段的大小;虚线白色框" □"表示无相应的插入片段。
The phylogenetic tree is constructed using Bayesian methods, numbers above branches are posterior probability values based on 1000000 generations with a burn-in proportion of 0.25, posterior probabilities less than 1 are shown. In the genome structure of the sequence alignment results, LSC, IR, and SSC represent the large single copy region, inverted repeat region, and small single copy region, respectively, with only one IR region displayed. In the insertion region, " ■" indicates there is an insertion region and the number beyond indicates the size of insertion region. " □" indicates there is no corresponding insertion region.
2.2 分子系统发育分析
该种样品 NJ-YC 和 NJ-48的叶绿体基因组大小分别为154071bp和154078bp,其与樟科桂属、樟属、檫木属、新樟属、木姜子属和楠属共36个物种的系统发育进化树结果见图2。
该种与桂属的茶果樟和刀把木关系较近,在分支长度为10.04时,华樟、刀把木与其他34种樟科植物形成了3个独立的平行分支,华樟与刀把木的分支距离最小,其次是茶果樟,与其他物种的分支距离较远。同时,序列比对时发现,与构建系统发育进化树的其他樟科植物相比,华樟在2个反向重复区域(IRs)中多了1个678bp的片段(图2),经在 NC-BI中对该片段进行 Blast序列比对,表明其并非是蛋白质编码基因,除华樟之外,还在樟科4个属的 11个物种中存在完全一致的比对结果。另外,在新樟属(Neocinnamomum)中的 4 个物种中,该相似 IR区的长度扩张至696bp(图2),表明其可能是樟科植物IR 区扩张和收缩的一个主要片段,对樟科植物物种分化具有潜在作用。
2.3 华樟
华樟,Cinnamomum huarum Y.Chai &Yuan Y.Li,sp.nov.,见图3、图4。
Type: CHINA. Yunnan: Nanjian, Wuliang Mt., alt.2 295 m, 100°24′40.5″E,24°50′57.48″N, 27 Jun.2015, E.D. Liu et al.4137 (holotype KUN! Barcode1270689; isotype: KUN! Barcode1270690) .
Diagnosis: This new species is similar to Cinnamomum chago in pinnately veined, leaves opposite or subopposite, long acumen, but differs in current year branchlets sparsely puberulent, terminal bud densely pubescent, leaf blade gray white abaxially and puberulent, margin cartilaginous, undulate and fruit oblate.
Etymology: The new species is named after the Chinese taxonomist Hua Peng and Hua Zhu, who has made important contributions to the taxonomy research in China.
Description: Evergreen trees, up to 38 m tall and 1.13 m thick. Trunk straight; bark gray, longitudinally fissured, cinnamic-aldehyde-flavored bark. Branchlets slender, terete, opposite; current year branchlets angled, sparsely puberulent with white hairs, glabrous latter.
图3华樟形态特征
Fig.3Morphological characteristics of C. huarum
A.生境;B.植株;C.树干;D.幼株;E.树干基部;F.枝条正面;G.枝条背面;H.花序;I.花枝;J-L.花。
A. Habitat. B. Plants. C. Trunks. D. Treelets. E. The base of trunk. F. Branchlet adaxial side. G. Branchlet abaxial side. H. Panicles I. Branches. J-L. Flowers.
Terminal bud densely pubescent, 5 mm long, 2 mm in diam. Leaves opposite or subopposite, penninerved; petiole7-20 mm long, usually 14 mm long, 1-3 mm in diam, concave-convex, sparsely puberulent with white hairs. Leaf blade green adaxially, gray abaxially, elliptic or lanceolate-elliptic, 4.5-9 (13) cm long (includes the caudate apex) , (2.5-) 3.2-4 (-5.4) cm width, puberulent abaxially, glabrous adaxially, lateral veins 5-14 pairs, transverse veins dense, curved, conspicuous, base cuneate, apex abruptly caudate-acuminate, acumen 4-26 mm, usually 13 mm long, often falcate; margin cartilaginous, entire, undulate. Panicles axillary in leaf axils nearly at apex of branch, 3-7 cm long, 3-7 (9) -flowered, opposite except the apex one. Bracts and bracteoles triangular, always nearly subulate, ca.1 mm, densely covered with white tomentose-pubescent hairs. Flowers yellowish green, densely white tomentulose outside and sericeous inside.7-8 mm long, 10-13 mm in diam. Pedicels slightly robust, 3-5 mm long. Perianth tube campanulate, ca.2 mm; perianth lobes ovate-oblong, obtuse at apex, subequal, 5-6 mm, outer ones ca.4 mm wide, inner ones ca.3 mm wide. Fertile stamens 9, shorter than perianth; villous; anthers oblong, 4-celled, with 2 glands near base. Staminodes triangular, ca.1 mm, subsessile.
图4华樟模式标本照片
Fig.4Holotype picture of C. huarum
Ovary ovoid, glabrous, attenuate at apex into a style; style attaining height of stamen, glabrous; stigma dilated, discoid. Fruit thick oblate, green, (2-2.5) cm × (1.5-2) cm, apex truncate, apiculate, exocarp glabrous; perianth cup in fruit shallowly discoid, woody, apex 1.5-2.2 cm wide, apex rounded. Fl. March-May, fr. June-October, doesn't bloom every year.
常绿乔木,高可达38m,胸径可达1.13m。树干通直,树皮灰褐色,具纵向裂纹,有肉桂味。小枝纤细,对生,近圆柱形; 当年生枝被白色微柔毛,后近光滑。顶芽密被柔毛,长约 5 mm,直径约 2 mm。叶对生或近对生,椭圆至椭圆状披针形,长4.5~9(~13)cm(含尾尖),宽(2.5~)3.2~4(~5.4)cm,基部楔形,先端渐尖形成镰状长尾尖,长4~26 mm,通常长13mm; 薄革质; 全缘,具波状起伏; 叶面绿色,光滑,背面灰白色,被微柔毛; 羽状脉,侧脉 5~14 对,横脉明显,弯曲,呈网状; 叶柄长 7~20 mm,通常长14mm,粗1~3mm,正面微凹背面凸起,被白色微柔毛。圆锥花序顶生和在上部叶腋内腋生,长3~7cm,具3~7(9)花,除顶生1朵外其余对生,具总梗,被微柔毛; 苞片及小苞片早落,三角形或近钻形,长约1mm,密被短柔毛。花黄绿色,长7~8mm,直径 10~13 mm; 花梗稍粗壮,长 3~5 mm; 花被外面密被白色短绒毛,内面被白色丝毛,花被筒钟形,长约2 mm,花被裂片卵圆状长圆形,先端钝,近等大,长5~6mm,外轮宽4mm,内轮宽约3mm。能育雄蕊9,短于花被,长约5mm,被柔毛,花药4室,花丝基部具1对腺体。退化雄蕊3,位于最内轮,近三角形,长约1 mm,几无柄。子房卵球形,长约2mm,宽约1.5mm,光滑,向上渐狭成与花药等长的粗壮花柱,光滑,柱头盘状。果实上下稍压扁呈厚扁球形,绿色,光滑,直径2~2.5cm,高1.5~2cm,先端平,中部微凹,具短尖; 果托扁平,先端宽1.5~2.2cm,不分裂。花期3—5月,果期6—10月,并非每年开花。
分布:华樟目前仅发现分布于云南省大理白族自治州南涧彝族自治县拥翠乡及宝华镇海拔2250~2600m 的中山湿性常绿阔叶林中。
其他查阅的标本,副模(paratypes):大理白族自治州南涧彝族自治县拥翠乡,100°21'14.76″E,24°52'44.40″N,海拔2700m,20150703,刘恩德,等,4445(KUN 1270687、KUN 1270688); 100°21'29.88″E,24°52'49.08″N,海拔 2455 m,柴勇,等,KMCY001、KMCY-033; 大理白族自治州南涧彝族自治县宝华镇,100°24'49.68″E,24°50'40.2″N,海拔 2310 m,柴勇,等,KMCY-012、KMCY-034,柴勇,等,20240415-1。除存放于 KUN 的标本外,其他标本均存放于云南省林业和草原科学院植物标本室(标本馆代码 YAF)。
濒危等级评估:目前仅在云南省南涧县发现3 个种群,均位于无量山国家级自然保护区内,现有数量不足2000株。根据IUCN红色名录评价标准[17],其濒危等级为易危。
3 讨论
华樟材质优良,是当地建房造屋的主要用材之一,因此在20世纪60年代以前曾遭到大量砍伐,至今仍可见到不少以前遭砍伐留下的伐桩。近年因所在区域被划为自然保护区,故乱砍滥伐华樟的现象明显减少,其生境及资源均得到较好保护,但其种群数量仍处于较低的水平,因此加强华樟保护工作仍刻不容缓。
华樟分布在以木果柯(Lithocarpus xylocarpus)、银木荷(Schima argentea)为建群种的中山湿性常绿阔叶林中,其伴生树种主要还包括泥柯(Lithocarpus fenestratus)、元江锥(Castanopsis orthacantha)、硬壳柯(Lithocarpus hance)、薄片青冈(Quercus lamellosa)、红花木莲(Manglietia insignis)等,在局部地段亦可形成优势种。但林下华樟实生苗较少,种群自然更新仍存在较大困难,加强种育繁育技术研究有利于其种群扩繁。
由基于叶绿体全基因组序列所建立的系统发育进化树(图2)可以看出,华樟与刀把木的进化距离(用分支长度表示,为2.00)最小,但二者从叶片着生方式、叶背的柔毛有无、叶脉等形态上区分明显; 华樟与茶果樟形态上近似,但二者的进化距离(5.02)较华樟与刀把木的更远; 在进化距离为10.04时,华樟、刀把木与其他34种樟科植物形成了3个独立的平行分支,从系统发育关系看,华樟和刀把木及其他已知樟科物种处于独立的演化位置,表明华樟可能代表樟科新的进化单元。另外,在作者构建的36种樟科植物叶绿体基因组序列系统发育树中,华樟是樟科桂属中具有678bp插入片段的少数物种,桂属的兰屿肉桂 (Cinnamomum kotoense)、肉桂(C.aromaticum)和柴桂(C.tamala)也具有该片段,但多数桂属植物不具有该片段。值得注意的是,柴桂在 NCBI中的2个登录序列(NC065109和 MW367217),MW367217具有678bp插入片段,而 NC065109则无该片段; 同样的情况在檫木(Sassafras tzumu)的 2个登录序列(MW696802和 NC045268)和白檫木(S.albidum)的 2 个登录序列(MW696792 和 NC072693)中也存在,MW696802和 MW696792具有678bp插入片段,而 NC045268和 NC072693则无该片段。该相似插入片段在樟科的其他属中长度存在扩张和收缩的情况,如新樟属(Neocinnamomum)中的滇新樟(N.caudatum)、川鄂新樟(N.fargesii)、海南新樟(N.lecomtei)和沧江新樟(N. mekongense)的该相似插入片段都为 696bp,表明其可能是樟科植物IR 区扩张和收缩的1个主要片段,对樟科植物物种分化具有潜在作用。综合系统发育关系和形态差异看,可认为华樟是樟科桂属一个尚未被认识的物种,其与刀把木、茶果樟和其他已知樟科物种有着明确的区分。今后可通过更多的分类学研究,如解剖结构、生化分析、核基因组片段等进一步验证华樟的分类学地位。
致谢:感谢罗媛女士提供图1中的果实绘图稿件。