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山东中新世山旺组紫荆属(豆科)叶化石的叶枕研究——兼论豆科植物叶枕的早期演化



全 文 :古生物学报,51(1):1-13(2012年3月)
Acta Palaeontologica Sinica,51(1):1-13(March,2012)
  收稿日期:2011-05-23
*国家自然科学基金(40830209)和中国科学院公派出国留学基金项目联合资助。
山东中新世山旺组紫荆属(豆科)叶化石的叶枕研究
———兼论豆科植物叶枕的早期演化*
王 祺
(中国科学院植物研究所,系统与进化植物学国家重点实验室,北京100093,happyking@ibcas.ac.cn)
  提要 叶枕作为叶活动的“马达器官”,在豆科植物的分类、演化、发育和生理等方面都具有十分重要的研究意
义,但在古植物学中似乎研究甚少。基于产自山东省临朐县中新世山旺组的叶印痕化石,结合现生紫荆叶结构和
叶枕的形态观察,文中着重研究这些叶印痕化石中的叶枕形态,发现它们保存了倒卵形的上叶枕印痕和上叶枕组
织腐烂分解后留下的半圆形印痕,其中一块还保存了卵形的下叶枕印痕。结合这些化石的叶结构特征,进一步确
认了中新世山旺组紫荆属叶化石———华紫荆的存在,并指定一份保存于中国科学院南京地质古生物研究所的标本
为后选模式,即No.39(H)。紫荆属隶属于云实亚科、紫荆族,为现存豆科植物分子系统发育树上最基部的类群
之一,因此该属的化石历史对认识豆科植物的系统发育、早期演化和分异以及生物地理历史都至关重要。然而,由
于过去缺乏详细的叶结构和叶枕研究,大多数以往报道的产自欧亚大陆和北美新生代的紫荆属叶印痕化石种都受
到质疑、否定或亟需进一步研究。迄今为止,紫荆属最早的、具叶枕的叶化石发现于美国俄勒冈州晚始新世的约翰
迪组,而最早的豆科叶枕则发现于阿根廷巴塔哥尼亚早古新世萨拉曼卡组中的一种可能属于含羞草亚科植物的小
叶中。结合近来的比较形态解剖学研究结果,作者赞同先前的假说———紫荆属的单叶和叶枕类型实质上都是衍生
的性状,而最原始的豆科植物长着羽状复叶,其复叶叶柄和小叶叶柄上可能都有各自的叶枕。
关键词 豆科 紫荆属 叶枕 演化 系统发育 山旺组 中新世
1 引 言
豆科(Leguminosae Juss.)是生命之树共生固
氮(Symbiotic nitrogen fixation)支系中最大的一个
植物 类 群 (Soltis et al.,1995;Sprent,2007,
2008),为被子植物中仅次于兰科 (Orchidaceae
Juss.)和菊科 (Asteraceae Bercht.and J.Presl)的
第3大科,共计约有727个现生属、19 325种 (Lew-
is et al.,2005;Schrire et al.,2005)。尽管属种繁
多,但大多数豆科植物的复叶的叶柄、复叶中小叶的
叶柄、单叶叶片和叶柄的连接处及其叶柄基部都有
一个显著膨大的、通常为肉质和具有横向皱纹的结
构,称为叶枕(Pulvinus,复Pulvini)(Watari,1934;
Dormer,1945;van der Pijl,1952;Cusset,1966;
Herendeen,1992;Herendeen et al.,1992;Lewis
et al.,2005)。叶枕通常是由远、近轴厚度不同的
皮层组织围绕着中央纤细的维管组织而构成,其皮
层组织中富含薄壁的液泡细胞,而远、近轴皮层组织
之间液泡内的膨压差和肌动蛋白的生化活动控制着
叶枕的收缩和扩张,动态地调节着叶片伸展的方向
和受光面(Satter et al.,1990;Owens et al.,1998;
Kameyama et al.,2000;Koler,2001;Moran,
2007;Rodrigues and Machado,2008;Martone et
al.,2010)。因此,叶枕和叶枕内的细胞分别被喻
为马达器官(Motor organ)和马达细胞 (Motor
cels),在豆科植物的分类、演化、发育和生理等方面
都具有十分重要的研究意义。
豆科植物可能起源于晚白垩世,它们在新生代
的化石记录丰富多样,主要包括木材、(复)叶、小叶、
荚果、种子、花序、花和花粉等(Raven and Polhil,
1981;Crepet and Taylor,1985;Herendeen and
Dilcher,1992)。然而,叶枕这个重要性状在古植物
学研究中似乎并没有受到应有的重视。例如,过去
报道的豆科基部现存类群紫荆属(Cercis L.)和羊
蹄甲属(Bauhinia L.)中的大多数叶化石因为没有
叶枕或缺乏对叶枕的详细描述而受到了质疑(Her-
endeen et al.,1992)。究其原因,主要是因为豆科
紫荆属、羊蹄甲属与其亲缘关系较远的防己科
(Menispermaceae Juss.)、木兰科 (Magnoliaceae
Juss.)、连香树科 (Cercidiphylaceae Van Tiegh.)、
金缕梅科 (Hamamelidaceae R.Br.)、紫葳科 (Big-
noniaceae Juss.)、锦葵科 (Malvaceae L.)和葡萄科
(Vitaceae Juss.)等植物中的一些属都有着或多或
少相似的叶结构,所以单凭叶脉特征来鉴定保存欠
佳的被子植物叶印痕化石有时非常困难,就多数豆
科植物叶印痕化石的准确鉴定而言,叶枕的证据仍
然是至关重要的。中国已经报道了20多属的豆科
植物化石(Guo and Zhou,1992;陶君容等,2000),
但其中一些类群(特别是基于叶和小叶化石描述的
属种)的分类鉴定仍存在疑问,亟待进一步重新研
究。有时,叶枕保存了,但没有被仔细研究,例如华
紫荆(Cercis miochinensis Hu and Chaney)(见中国
科学院植物研究所、南京地质古生物研究所《中国新
生代植物》编写组,1978,图版89,图5和图版93,
图1)。本文拟基于采自山东临朐中新世山旺组的
叶印痕化石,结合现生紫荆属叶子叶枕的形态观察,
重点研究和确认华紫荆叶印痕化石中的叶枕特征,
并讨论叶枕的早期演化及其在豆科植物系统发育关
系中的意义。
2 材料和方法
本文描述的8块紫荆属(Cercis)叶子均保存为
印痕化石,采自山东省临朐县城东约22km处的山
旺盆地山旺组硅藻页岩地层(地理坐标为北纬36°
54′,东经118°20′;参见Liu and Leopold,1992;
Yang and Yang,1994;Wang et al.,2007)。山旺
组富含十分精美的古生物化石,素有“化石宝库”之
称,自20世纪30年代以来就以精美保存的昆虫、鱼
类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类动物以及植物化
石而闻名于世(Hu and Chaney,1938;Yang and
Yang,1994;孙博,1999;杨式溥、孙博,2000)。
2001年12月10日,山旺被中国国土资源部批准为
国家地质公园。目前,山旺组生物群的地质时代被
认为是中中新世(李浩敏,1981;Yang and Yang,
1994;王 祺,2006;Wang et al.,2006,2007,
2010;张静、王祺,2010)或早中新世晚期至中中新
世早期(Liu and Leopold,1992;Wang and Yaman-
oi,1996;Deng,2006;Strmberg et al.,2007;
Wang,2012)。
首先对叶印痕化石作了直接观察,详细描述了
其叶结构和叶枕的形态特征。其次,对栽培于北京
植物研究所植物园内的豆科植物现生种———紫荆
(Cercis chinensis Bunge)、合欢(Albizia julibrissin
Durazz.)、国槐(Sophora japonica L.)和葛[Puer-
aria lobata (Wild.)Ohwi]的叶和叶枕作了观察,
并与叶印痕化石作了比较。描述叶结构(以及叶枕)
的术语采纳了Owens等(1998)和Elis等(2009)的
用法。标本照相使用了数码相机(型号Panasonic
DMC-FZ30)。插图的制作和排版使用了 Photo-
Shop CS和CorelDRAW 11Graphics Suite简体中
文版。本文中编号前缀为PE的标本保存于中国科
学院植物研究所,1份标本(即后选模式)保存在中
国科学院南京地质古生物研究所。
3 属种描述
豆科 Leguminosae Juss.,1789
云实亚科 Caesalpinioideae DC.,1825
紫荆族 Cercideae Bronn,1822
紫荆属 Cercis L.,1753
  模式种 南欧紫荆Cercis siliquastrum L.,
1753
华紫荆 Cercis miochinensis Hu and Chaney,1938
emend.
(插图1-1—8,2-1)
1938 Cercis miochinensis Hu and Chaney,p.51,pl.26,figs.3-4,
pl.27,fig.5(叶).
1954 Cercis miochinensis Hu and Chaney,斯行健,78页,图版
64,图8,9(叶)。
1963 Cercis miochinensis Hu and Chaney,Tanai,p.132,pl.21,
fig.4(叶).
1972 Cercis miochinensis Hu and Chaney,Tanai and Suzuki,p.
333,pl.7,fig.12(叶).
1978 Cercis miochinensis Hu and Chaney,Tanai,p.346,text-fig.
24.18,fig.7(叶).
1978 Cercis miochinensis Hu and Chaney,中国科学院植物研究
所、南京地质古生物研究所《中国新生代植物》编写组,105
页,图版89,图4,5;图版90,图1;图版91,图1;图版93,
图1,6(叶)。
1981 Cercis miochinensis Hu and Chaney,Ina,pl.18,fig.4(叶),
excl.pl.21,fig.7(叶).
2 古  生  物  学  报 第51卷      
插图1 山东省临朐县中新世山旺组紫荆属叶印痕化石———华紫荆
Leaf impressions of Cercis miochinensis Hu and Chaney from the Miocene Shanwang Formation of Linqu County,Shandong Province.
1,2,4.两块叶印痕化石。箭头示半圆形、腐烂分解的上叶枕印痕。标本:PE-50610和PE-519952。3.一块叶印痕化石,具基生掌状
脉序。后选模式(本文指定):No.39(H)。5,6.一块叶化石及其上叶枕印痕的放大。箭头示倒卵形的上叶枕印痕。标本:PE-
52907。7,8.一块叶化石及其上叶枕印痕的放大。箭头示倒卵形、具横向条纹的上叶枕印痕。标本:PE-50648。
1,2,4.Two leaf impressions.Arrows refer to the semicircular,degraded upper pulvinus impressions.Specimens:PE-50610and PE-
519952.3.Leaf impression with basal actinodromous venation.Lectotype(designated here):No.39(H).5,6.A leaf fossil and its
upper pulvinus impression enlarged.Arrow refers to an obovate upper pulvinus impression.Specimen:PE-52907.7,8.A leaf fossil
and its upper pulvinus impression enlarged.Arrow refers to an obovate,crossly striated upper pulvinus impression.Specimen:PE-
50648.
1991 Cercis miochinensis Hu and Chaney,Ozaki,p.131,pl.6,
fig.3a(叶).
1999 Cercis miochinensis Hu and Chaney,陶君容等,41,69页,
图版26,图3(叶)。
2004 Cercis chinensis Bunge,Ren et al.,p.122(叶化石标本,PE-
990002).
3 第1期 王 祺:山东中新世山旺组紫荆属(豆科)叶化石的叶枕研究———兼论豆科植物叶枕的早期演化     
插图2 化石华紫荆和现生紫荆的叶和叶枕形态比较
Morphological comparison of leaves and pulvini between fossil Cercis miochinensis Hu and Chaney and living Cercis chinensis Bunge
1.一块完整的产自山东临朐中新世山旺组的华紫荆叶印痕化石,具倒卵形的上叶枕和卵形的下叶枕。标本:PE-20110604。2.一片
现生紫荆的落叶,具倒卵形的上叶枕和卵形的下叶枕。3.现生紫荆上叶枕的近轴面。4.现生紫荆上叶枕的远轴面。
1.A complete leaf impression of fossil Cercis miochinensis from the Miocene Shanwang Formation of Linqu County,Shandong Prov-
ince,showing the obovate upper pulvinus and ovate lower pulvinus.Specimen:PE-20110604.2.A falen leaf of living Cercis chinen-
sis Bunge,also showing an obovate upper pulvinus and an ovate lower pulvinus.3.The adaxial side of the upper pulvinus in living
Cercis chinensis.4.The abaxial side of the upper pulvinus in living Cercis chinensis.
  描述 叶保存为印痕化石,单叶,具柄。叶柄较
长,部分保存时1.3—1.9cm长,约1mm宽,完整
的叶柄可达2.9cm长,约0.8—1mm宽。叶柄与
叶片基部连接处膨大变粗形成上叶枕(upper pulvi-
nus),呈倒卵形,长3—6mm,宽1.5—3mm。叶柄
基部膨大形成下叶枕(lower pulvinus),呈卵形,长
4 古  生  物  学  报 第51卷      
5mm,宽约3mm。上叶枕通常保存为印痕,表面具
有横向的细纹或一条纵向的中央维管束痕,上叶枕
组织腐烂分解后在叶片基部留下一个大致半圆形的
印痕,半径约2mm。叶片纸质,近圆形至宽卵形,
长3.3—13cm,宽2.7—11cm,对称,叶边缘全缘或
轻微的波状,但无浅裂瓣,叶顶部渐尖、基部宽心形。
主脉为基生掌状脉序(basal actinodromous),自上
叶枕发出一条最粗的中央主脉和2—3对掌状排列
的、朝离轴和末端方向渐细的侧生主脉。中主脉直,
侧生主脉上部略上弯(或分支)、不达缘,其中近基部
的一对最短、位于叶基部边缘,中间的一对向上弯曲
至叶长的1/3处,近中主脉的一对最长、向上弯曲至
叶长的2/3处。二级脉为简单的弓形脉序,与中主
脉成30°—50°角,侧生主脉的外侧有2—5条二级外
脉(agrophic or pectinal veins),中主脉中、上部分出
2—4对二级脉。间二级脉1—3条,与中主脉上的
二级脉大致平行。这些相邻的侧生主脉和二级脉在
叶的边缘联结成环形。三级脉为随机网状或及顶型
(percurrent),间距较宽。更高级的脉保存得不清
楚。叶缘末级脉型不完整。
主模和副模 主模式标本 [Hu and Chaney,
1938,pl.27,fig.5(叶)]和其中一块副模式标本
[Hu and Chaney,1938,pl.26,fig.3(叶)]已经丢
失,其它副模式标本 [Hu and Chaney,1938,pl.
26,figs.1,5(果)和fig.4(叶)]现保存于中国科学
院南京地质古生物研究所。
后选模式 (Lectotype designated here)No.
39(H)(插图1-3;选自副模式标本,见 Hu and
Chaney,1938,pl.26,fig.4),保存在中国科学院
南京地质古生物研究所。
其它凭证标本 PE-50610(插图1-1,2),PE-
51995(插图 1-4),PE-52907(插图 1-5,6),PE-
50648(插图1-7,8),PE-20110604(插图2-1),PE-
990002和PE-20110509。
产地和层位 山东省临朐县城东约22km处
的山旺盆地,山旺组硅藻页岩(中新世)。
讨论 紫荆属约有8—11个现生种,间断分布
于北温带的4个地区:北美东部至墨西哥东北部、北
美西部、欧洲地中海地区至亚洲中部和东亚(Hao et
al.,2001;Davis et al.,2002;Ren et al.,2004;
Lewis and Forest,2005;云飞等,2007;Zhu et
al.,2007;Zou et al.,2008;Co爧kun and Parks,
2009a,b;Chen et al.,2010;Fritsch and Cruz,
2012)。该属在中国分布有5种,最常见的是广泛栽
培 的 观 赏 园 艺 种———紫 荆 (Cercis chinensis
Bunge)。现代紫荆属都具有互生、全缘的单叶,掌
状脉序,中主脉粗、侧生主脉不达缘和二级脉经常分
支,叶缘末级脉型不完整,这些特征组合有别于紫
荆族里其它属(Zhang,1994)。紫荆属叶片基部有
一个较大的上叶枕(upper pulvinus),叶柄基部还有
一个较小的下叶枕 (lower pulvinus)(van der Pijl,
1952;本文插图2-2—4)。Owens等(1998)认为紫
荆属的叶结构和叶枕特征在叶化石鉴定中具有重要
的分类价值,包括叶全缘,无浅裂瓣,叶片心形至圆
形,叶顶无短尖,叶柄具上叶枕和下叶枕,其中上叶
枕延伸至叶片基部形成叶枕组织垫。主脉自叶枕中
分出,形成一条最粗的中央主脉和2—3对掌状排
列的、朝离轴和末端方向渐细的侧生主脉,侧生主脉
和中主脉上的二级脉的粗度相当,中主脉上的二级
脉通常从其中部开始分出,侧生主脉通常在叶片下
半部分的边缘联成环形,末级小脉自由分叉。上述
叶结构特征组合足以区分形态上与紫荆属非常相似
的豆科植物羊蹄甲属的叶以及非豆科植物的叶,例
如防己科的木防己属(Cocculus DC.)和蝙蝠葛属
(MenispermumL.)、连香树科的连香树属(Cerci-
diphyllumSieb.and Zucc.)、金缕梅科的双花木属
(Disanthus Maxim.)、山铜材属(Chunia H.T.
Chang)和马蹄荷属 (Exbucklandia R.Br.)等
(Tanai,1981;李 浩 敏、Hickey,1988;Zhang,
1994;Owens et al.,1998;Krassilov,2010)。
本文研究的叶化石标本保存了清晰的上叶枕组
织腐烂分解后留下的半圆形印痕(插图1-1,2,4)和
倒卵形的上叶枕印痕(插图1-5—8,2-1)和卵形的
下叶枕印痕 (插图2-1)。现生种加拿大紫荆(Cercis
canadensis L.)上叶枕的皮层组织在叶脱落后容易
腐烂分解而镂空(Owens et al.,1998),这也出现在
当前描述的叶化石中。这些化石不但保存了上叶枕
组织形态,而且与上述现生紫荆属的叶结构特征非
常吻合。它们叶基部呈宽心形,从中脉中部开始分
出2—4对二级脉,这些特征与现生种紫荆的叶最为
相似(插图2-2)。因此,这些叶印痕化石可以归入
紫荆属。Hu和Chaney(1938)基于山旺产的叶印痕
化石(主模)和荚果印痕化石(副模)描述了一个紫荆
属化石新种,即华紫荆(Cercis miochinensis)。然
而,这份主模式标本(见 Hu and Chaney,1938,pl.
27,fig.5)以及另外2份副模式标本(叶印痕化石)
(见 Hu and Chaney,1938,pl.26,figs.3,4;本文
插图1-3)都没有保存叶枕或叶枕很不明显。此外,
5 第1期 王 祺:山东中新世山旺组紫荆属(豆科)叶化石的叶枕研究———兼论豆科植物叶枕的早期演化     
过去在华紫荆同一名称下描述的叶和荚果印痕化石
并未显示有机连接(Hu and Chaney,1938;Tanai
and Suzuki,1972;陶君容等,1999),而且其中荚果
化石的分类还需要进一步详细研究和确认。除山旺
之外,有关华紫荆的报道要么仅为叶印痕(Tanai,
1963;Ina,1981;陶君容、杜乃秋,1982;Chun,
1982,1996;Ozaki,1991;Shakyrl,1992),要么只
保存了荚果(及种子)化石(郭双兴,1980;Velitzelos
and Gregor,1990;Antoniadis et al.,2003;Seehu-
ber,2008)。基于对当前标本的叶结构和叶枕的观
察,作者确认了中新世山旺组紫荆属叶化石的存在,
即华紫荆(Cercis miochinensis),但暂时排除了过去
归入其中的荚果化石。
紫荆属隶属于云实亚科、紫荆族,为现存豆科植
物分子系统发育树上最基部的类群之一(Doyle and
Luckow,2003;Wojciechowski et al.,2004;Lew-
is et al.,2005;Schrire et al.,2005)。因此,该属
的化石历史对认识豆科植物的系统发育、早期演化
和分异以及生物地理历史是至关重要的。然而,过
去报道的北美新生代紫荆属叶印痕化石种,多数因
为没有保存叶枕以及缺乏详细的叶结构研究,其分
类鉴定都受到了不同程度地质疑或否定(Heren-
deen et al.,1992;Owens et al.,1998),例如产自
密苏里和田纳西早始新世威尔科克斯(Wilcox)的
Cercis wilcoxiana Berry(Berry,1916,1930a)、怀
俄明绿河(Green River)中始新世的Cercis tenuin-
ervis(Lesquereux)Brown(1934)和科罗拉多弗洛
里森特(Florissant)晚始新世的Cercis parvifolia
Lesquereux(MacGinitie,1953)、科罗拉多克里德
(Creede)渐新世和俄勒冈达尔斯 (Dales)上新世
的Cercis buchananensis Condit (Chaney,1944;
Axelrod,1987)以及爱达荷 (Idaho)中新世的Cer-
cis idahoensis Berry(Berry,1930b,1934)、华盛顿
拉塔 (Latah)中新世的Cercis spokanensis Knowl-
ton(Brown,1937)和内华达(Neveda)中新世的
Cercis carsoniana Axelrod(1956)等。其中,Cercis
wilcoxiana 被 归 入 连 香 树 属 (Cercidiphyllum)
(Brown,1939),Cercis spokanensis和Cercis ida-
hoensis的叶化石被列入分类未知类群 (Insertae se-
dis)(Chaney and Axelrod,1959,p.212),克里德
产的Cercis buchananensis被移入紫葳科 (Bignoni-
aceae Juss.)的梓属(CatalpaScop.),达尔斯和内
华达产的Cercis buchananensis和Cercis carsoni-
ana由于缺乏基生掌状脉而从紫荆属中排除 (Ow-
ens et al.,1998)。此外,过去报道的欧亚大陆新生
代紫荆属叶化石还有法国东南部始新世的Cercis
antiqua Saporta (1862),Cercis ameliae Saporta
(1867)和巴黎盆地始新世的Cercis deperdita Wa-
telet和Cercis dubia Watelet(1866)、阿尔代什省
查莱 (Charay)中新世的Cercis cf.siliquastrum
(Grangeon,1958)、科多尔省布罗尼翁 (Brognon)
中新世的Cercis tournoueri Saporta(1866)和安省
梅克西米约 (Meximieux)上新世的Cercis inae-
qualis Saporta(Saporta,1869;Saporta and Mari-
on,1876),德国达姆施塔特麦塞尔 (Messel)始新
世的 Cercis parvifolia,Cercis grandifolia En-
gelhardt(1922)和南部奥宁根 (Oeningen)中新世
的Cercis cyclophylla A.Braun(Heer,1857),意
大利塞尔萨多(Salcedo)渐新世的 Cercis tour-
noueri、圣朱斯蒂娜 (Santa Giustina)渐新世和希尼
加格里亚(Sinigaglia)中新世的Cercis virgilianum
Massalongo (Massalongo,1858;Meschineli and
Squinabol,1892;Principi,1916,1926)以及托斯卡
纳贝罗拉(Perola)上新世的Cercis siliquastrum
(Gaudin and Strozzi,1860),克 罗 地 亚 拉 道 博
(Radoboj)中 新 世 的 Cercis radobojana Unger
(1864),匈牙利塔德(Tard)粘土组渐新世的Cercis
parvifolia,Cercis spokanensis,Cercis harmati
Rásky和Cercis hungarica Rásky(Rásky,1943;
Hably,1986)、班霍尔瓦蒂 (Bánhorváti)和塔尔
努克 (Tarnóc)中 新 世 的 Cercis cf.chinensis
(Andreánszky,1959)和Cercis antiqua(Jablonsz-
ky,1915),罗马尼亚马拉穆列什县丘兹巴亚(Chiu-
zbaia)中新世的Cercis cf.canadensis L.(Givules-
cu,1979,1990;Macovei and Givulescu,2006),土
耳其居韦姆(Güvem)上新世的Cercis sp.(Kasap-
ligil,1978),亚美尼亚迪利杨 (Dilijan)渐新世的
Cercis miochinensis(Shakyrl,1992)和列宁纳坎
(Leninakan)中新世的 Cercis komarovii Palibin
(Palibin,1939),格鲁吉亚阿布哈兹 (Abkhazia)上
新世的Cercis sp.(Chelidze and Kvavadze,1986),
哈萨克斯坦萨里布拉克 (Sary-Bulak)中新世的
Cercis turgaica Usnadse(Usnadse,1957;Takhta-
jan et al.,1963),中国云南腾冲中新世和上新世的
Cercis miochinensis 和Cercis cf.racemosa Oliv.
(陶君容、杜乃秋,1982;云飞等,2007),朝鲜咸镇
洞 (Hamjin-dong)中新世的Cercis oishii Huzioka
(Huzioka,1972;Ablaev et al.,1993),韩国浦项
6 古  生  物  学  报 第51卷      
(Pohang)中新世的Cercis miochinensis和Cercis
sp.(Chun,1982,1996),俄罗斯远东普瑞莫尔耶
(Primorye)地区和日本北海道 (Hokkaido)始新世
至早渐新世的 Cercis nipponica (Tanai)Tanai
(Tanai,1981;Pavlyutkin,2007)以及日本越后省
(Echigo)、福岛 (Fukushima)和可儿(Kani)盆地中
新世的Cercis japonica Kryshtofovich,Cercis endoi
Suzuki 和 Cercis miochinensis (Kryshtofovich,
1927;Suzuki,1958;Ina,1981)等,这些种的分类都
需要在观察原始标本或采集新的材料后进一步确
定。基于原始图版,至少不难从紫荆属中排除法国
产的Cercis deperdita和Cercis dubia,因为这些化
石看起来明显没有基生掌状脉序,叶基部也没有叶
枕。近来,原先从匈牙利和意大利渐新世植物群中
描述的紫荆属叶印痕化石Cercis parvifolia,Cer-
cis hungarica和Cercis virgilianum 已经被重新归
入锦葵科 (Malvaceae L.)的翅果麻属 Kydia
Roxb.,即 Kydia kraeuseli (Rásky) Hably
(Hably,2010;Bonci et al.,2011)。总体上,欧亚
大陆和北美新生代过去报道的大多数紫荆属叶印痕
化石种的分类都亟需进一步研究。
4 讨论:关于叶枕的早期演化
叶枕作为豆科植物叶生理活动的“马达”器官,
与豆科植物司固氮的“地下氮肥厂”根瘤一样,无疑
对豆科植物的演化产生了深远的影响,使它们成为
生命之树共生固氮支系中最成功的被子植物类群之
一。Dormer(1945,1946)认为叶枕的存在是豆科
植物中比较原始的性状,而叶枕缺失则出现在豆科
比较进化的类群中。近来的分子系统学研究表明,
豆科三个亚科中云实亚科 (Caesalpinioideae)最原
始,蝶形花亚科 (Papilionoideae L.ex DC.)最进
化,而含羞草亚科 (Mimosoideae Lindl.)介于二者
之间,云实亚科紫荆族紫荆属 (Cercis)是豆科系统
发育树中最基部的类群之一(Doyle and Luckow,
2003;Wojciechowski et al.,2004;Lewis et al.,
2005;Lewis and Forest,2005;Schrire et al.,
2005;Champagne et al.,2007;Bruneau et al.,
2008)。紫荆属单叶的上叶枕与其它豆科复叶中的
小叶枕有一个显著的形态差异,它们的轮廓多少呈
倒卵形,背腹性明显,近轴面中央通常有一条纵向的
凹陷(槽)(插图2-3,4),而其它豆科植物(例如合
欢、国槐和葛等)复叶的小叶枕轮廓多少呈柱形,背
腹性不明显。
最早的豆科叶枕目前发现于南美阿根廷巴塔哥
尼亚丘布特省 (Chubut)戈尔夫圣乔治 (Golfo San
Jorge)盆地帕拉西奥德洛斯洛罗斯 (Palacio de Los
Loros)早古新世的萨拉曼卡 (Salamanca)组,这种
豆科化石小叶全缘、卵形,约4cm长、1.5cm宽,羽
状脉序,二级脉弓形,叶枕柱形,约2mm长(Brea et
al.,2008)。此外,这个阿根廷早古新世的产地还
报道了豆科含羞草亚科植物的花粉和木材化石,例
如 Paracacioxylon frenguellii (Brea et al.,
2008)。这些化石证据暗示着,叶枕早在早古新世可
能就已经出现在豆科含羞草亚科植物羽状复叶的小
叶上。豆科三个亚科的冠部类群在新生代早期(约
39—59Ma前)几乎同时出现,表明它们在当时发生
了广泛快速的科内分化(Herendeen,1992;Heren-
deen et al.,1992;Lavin et al.,2005)。目前,最
早的紫荆属叶和荚果化石发现于美国俄勒冈州晚始
新世的约翰迪 (John Day)组(Herendeen and Man-
chester,2004)。笔者2010年在美国佛罗里达自然
历史博物馆曾直接观察过这些标本,这些紫荆化石
叶心形,叶片基部和叶柄基部分别具有上叶枕和下
叶枕,其中上叶枕倒卵形、背腹性很明显,近轴面中
央貌似有一纵向的凹陷印痕。近来研究发现,山东
山旺和日本壹歧岛(Iki)长者原(Chōjabaru)(中中新
世)产的云实亚科豆荚属(Podocarpium A.Braun
ex Stizenberger)和蝶形花亚科葛属 (Pueraria
DC.)的叶和小叶印痕化石中都保存了清晰的叶枕
(Wang et al.,2007,2010)。这些具有三出复叶和
偶数羽状复叶的豆科化石植物的小叶枕与现存代表
复叶中的小叶枕形态非常相似,轮廓多少呈柱形,而
与本文描述的紫荆属现生种和化石种的叶枕形态差
别较大。
豆目 (Fabales Bromhead)(包括豆科)中最原
始的叶型被认为是一种羽状复叶,小叶全缘、羽状脉
序、弓形的二级脉,具托叶 (Hickey and Wolfe,
1975;Dickison,1981)。近来的比较形态解剖学研
究表明,加拿大紫荆单叶中的上叶枕实际上是一种
复合结构,它包含顶部3个二级叶枕和两侧各3个
三级叶枕,这些证据支持单叶的紫荆属起源于一种
具有二回羽状复叶的祖先(Owens,2000;本文插图
3)。紫荆属作为现存豆科植物分子系统发育树上最
基部的类群之一,其化石开始出现的时间反而比其
它进化类群(例如含羞草亚科)中化石出现的要晚
些。因此,紫荆属并不是豆科植物中最原始的类群。
7 第1期 王 祺:山东中新世山旺组紫荆属(豆科)叶化石的叶枕研究———兼论豆科植物叶枕的早期演化     
插图3 关于紫荆单叶和叶枕起源的假说(据Owens,2000重绘)
A hypothesis on the origin of the Cercis simple leaf and pulvinus(modified from Owens,2000)
1.一级叶枕;2.二级叶枕;3.三级叶枕。
1.Primary pulvinus;2.Secondary pulvinus;3.Tertiary pulvinus.
  综上所述,现生豆科植物系统发育树中最基部
的紫荆属的单叶和叶枕类型都是衍生的,而最原始
的豆科植物可能具有羽状复叶,其叶柄和小叶柄上
可能都有各自的叶枕。豆科植物叶枕的起源、早期
演化和生理功能等方面还有许多未解之迷,我们期
待着在古新世或更早的地层中发现新的豆科植物叶
化石。
致谢 作者感谢中国科学院南京地质古生物研
究所李浩敏、史恭乐和本刊编辑对稿件提出宝贵的
修改建议,美国佛罗里达自然历史博物馆Steven
Manchester和中国科学院南京地质古生物研究所
史恭乐协助部分标本的查阅和照相,美国地质调查
局 Mitch Adelson、美国克莱蒙特学院郭晋燕、俄罗
斯圣彼得堡国立大学Sergey Snigirevsky、国家果实
学研究所(莫斯科)Anna Pavlova和科玛洛夫植物
研究所Sergey Zhilin、中国科学院南京地质古生物
研究所徐洪河、韩国安东国立大学梁昆、日本爱知县
Haruyuki Ina和国立科学博物馆(东京)Kazuhiko
Uemura、意大利热那亚大学 Maria Bonci提供部分
重要文献。
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21 古  生  物  学  报 第51卷      
PULVINI OF CERCIS LEAVES FROM THE MIOCENE SHANWANG
FORMATION OF SHANDONG PROVINCE AND THE EARLY
EVOLUTION OF THE PULVINUS IN LEGUMINOSAE
WANG Qi
(State Key Laboratory of Systematic and Evolutionary Botany,Institute of Botany,Chinese Academy of Sciences,
Beijing100093,China,happyking@ibcas.ac.cn)
Key words Leguminosae,Cercis,pulvinus,evolution,phylogeny,Shanwang Formation,Miocene
Summary
Pulvini serving as ‘motor organs’for leaf
movement play a very important role in the sys-
tematics,evolution,development,and physiology
of the Leguminosae:the third largest group of
flowering plants.Based on morphological observa-
tions of the leaf architecture and pulvini of extant
redbuds(Cercis),this paper focused on pulvinus
morphology in leaf impressions(Cercis miochinen-
sis Hu and Chaney,1938)from the Miocene Shan-
wang Formation of Shandong Province.The fossils
possess obovate upper pulvinus impressions which
become semi-circular when degraded,as wel as an
ovate lower pulvinus impression in one of the spec-
imens.
Cercis belongs to the tribe Cercideae of the
subfamily Caesalpinioideae,which is one of the
basalmost clades in the molecular phylogenetic
trees of living Leguminosae.Therefore the fossil
history of Cercis is of fundamental importance in
understanding legume phylogeny, particularly
their early evolution,diversification and biogeogra-
phy.However most species of the previously re-
ported Cercisleaf impressions from the Cenozoic of
Eurasia and North America have been questioned,
rejected,or else need re-investigation because of a
lack of sufficiently detailed studies on the leaf ar-
chitecture and pulvini.So far,the earliest pulvi-
nate leaves of Cercis have been discovered from the
late Eocene of Oregon in the U.S.A.,but the ol-
dest legume pulvinus has been reported in a leaflet
possibly assigned to the subfamily Mimosoideae
from the early Palaeocene of Central Patagonia in
Argentina.Together with the results from com-
parative morphology and anatomy,the present stud-
y supports the view that the unifoliolate blade and pul-
vinus in the Cercisleaf are derived characters,and that
the most primitive legumes had pinnately compound
leaves probably with pulvini on each of their own peti-
oles and petiolules(Text-fig.3).
A lectotype of Cercis miochinensis is here des-
ignated:specimen No.39 (H)deposited in the
colections of Nanjing Institute of Geology and Pa-
laeontology,Chinese Academy of Sciences.
31 第1期 王 祺:山东中新世山旺组紫荆属(豆科)叶化石的叶枕研究———兼论豆科植物叶枕的早期演化