瀕危植物珙桐大小孢子形成和雌雄配子體發(fā)育觀察

陳興銀，張玉晶，張凱凱，楊 鵬，石建明

(貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

瀕危植物珙桐大小孢子形成和雌雄配子體發(fā)育觀察

陳興銀，張玉晶，張凱凱，楊 鵬，石建明*

(貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

利用石蠟切片法對(duì)不同發(fā)育階段的珙桐花器官進(jìn)行解剖并研究。結(jié)果表明：花藥壁的發(fā)育類型是雙子葉型，小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中的胞質(zhì)分裂為同時(shí)型，四分體為四面體型。成熟花粉粒為二細(xì)胞型，具有3個(gè)萌發(fā)溝。珙桐的胚珠為直立胚珠，厚珠心，單珠被，胚囊為單孢子發(fā)生類型，為典型的蓼型胚囊發(fā)育方式，通過連續(xù)切片的觀察，沒有發(fā)現(xiàn)大小孢子發(fā)生及雌雄配子體形成的異常。

珙桐；大孢子；小孢子；雄配子體；雌配子體

珙桐(DavidiainvolucrateBaill.)具有鴿子樹的美稱，中國(guó)特有的單型屬植物。珙桐科僅一種和一變種，即珙桐和光葉珙桐(D.involucratevar.vilmoriniana(Dode)Wanger)[1-2]。珙桐具有很高的觀賞價(jià)值，不僅是世界上認(rèn)可的著名觀賞樹種，也是綠化園林的理想樹種。自珙桐被發(fā)現(xiàn)后，被大量引種繁殖，目前的分布范圍已跨越自生自然生長(zhǎng)環(huán)境的地理分布，其趨勢(shì)是北移和低海拔[3]。1897年法國(guó)傳教士從中國(guó)帶回珙桐種子開始，“中國(guó)鴿子樹”珙桐開始走出國(guó)門，被北美和歐洲廣為種植，成為世界著名的觀賞樹種。江蘇、浙江、福建、河北、北京、安徽、鄭州、南京、上海、武漢等城市已成功引入珙桐[4-5]。珙桐起源古老，是第三紀(jì)古熱帶植物的孑遺樹種，屬國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物[6-8]。珙桐是一種更新困難，種子發(fā)芽率低的樹種，有關(guān)珙桐的研究主要集中在珙桐的生長(zhǎng)環(huán)境、生物學(xué)特性、群落特征、遺傳多樣性、生理生化等方面，而有關(guān)珙桐的細(xì)胞學(xué)生物學(xué)研究較為少見[9-11]。本研究利用石蠟切片方法，對(duì)珙桐大、小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育過程進(jìn)行了解剖觀察，為珙桐的胚胎學(xué)研究積累資料，揭示珙桐的繁育特性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料采自貴州省林業(yè)科學(xué)研究院和貴州省植物園，從花芽分化到果實(shí)成熟各個(gè)階段的材料均有采集，花芽或花序用50%FAA固定液固定。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用石蠟切片法[12]。材料經(jīng)過酒精梯度脫水、透明、浸蠟、包埋、切片(厚度8～10 μm)、番紅-固綠染色、加拿大樹膠封片等過程。再用Olympus SZ 61體視鏡觀察并拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 小孢子發(fā)生和雄配子體的形成

2.1.1 小孢子形成

珙桐花藥中孢原細(xì)胞經(jīng)過分裂，形成初生造孢細(xì)胞，初生造孢細(xì)胞再分裂，形成次生造孢細(xì)胞(圖1：a)。次生造孢細(xì)胞排列緊密，其進(jìn)一步發(fā)育為小孢子母細(xì)胞，小孢子母細(xì)胞體積較大，無(wú)顯著液泡，細(xì)胞核為染色較深的圓球體(圖1：b)。

小孢子母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂第一次分裂，即細(xì)線期(圖1：c)，細(xì)胞體積迅速增長(zhǎng)，核中出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)纏繞成團(tuán)的染色質(zhì)絲。隨后同源染色體進(jìn)行配對(duì)，染色質(zhì)絲清晰可見，即為偶線期(圖1：d)、絲狀染色體增粗變短，進(jìn)入粗線期(圖1：e)、之后染色體變粗縮短，二價(jià)染色體交叉形成V字形、十字形，即為雙線期(圖1：f)、雙線期后，進(jìn)入終變期(圖1：g)、終變期結(jié)束后進(jìn)入減數(shù)第一次分裂中期(圖1：h)、同源染色體分離且數(shù)目減半，即減數(shù)第一次分裂后期(圖1：i)、染色體移至兩極后開始消失，減數(shù)第一次分裂末期(圖1：g)，隨后進(jìn)入第二次減數(shù)分裂，即間期Ⅱ(圖1：k)、前期Ⅱ(圖1：l)、中期Ⅱ(圖1：m)、后期Ⅱ(圖1：n)、末期Ⅱ(圖1：o)，最后形成四分體(圖1：p)。在減數(shù)分裂時(shí)期，珙桐小孢子母細(xì)胞的胞質(zhì)分裂為同時(shí)型，四分體時(shí)期，珙桐小孢子四分體為四面體型。

2.1.2 雄配子體發(fā)育

四分體時(shí)期，胼胝質(zhì)壁溶解，單核小孢子從四分體中游離出來(lái)，單核小孢子細(xì)胞壁薄，胞質(zhì)濃厚，核位于細(xì)胞中央。隨后，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)被移向細(xì)胞的一側(cè)，此時(shí)花粉進(jìn)入單核靠邊期(圖1：q)。最后，單核花粉粒進(jìn)行一次不均等的有絲分裂形成含有一個(gè)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞的二細(xì)胞的花粉粒，即成熟花粉(圖1：r)。

2.1.3 花藥壁的發(fā)育

珙桐花藥含有4個(gè)花粉囊，兩側(cè)兩個(gè)花粉囊相通，中間為藥隔?；ǚ勰覂?nèi)含有許多花粉粒(圖1：s)?；ㄋ幵诎l(fā)育的初期，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍一層幼齡的表皮，內(nèi)側(cè)為一群形態(tài)相同的分生細(xì)胞。隨著花藥的發(fā)育，在花藥四角的表皮內(nèi)方，出現(xiàn)一些分裂旺盛的細(xì)胞，即孢原細(xì)胞。

孢原細(xì)胞進(jìn)行平周分裂，形成外層壁細(xì)胞和內(nèi)層造孢細(xì)胞。壁細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行平周分裂和垂周分裂，由外向內(nèi)逐漸形成藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層，和表皮一起組成了花粉囊的壁(圖1：b)。在小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂形成小孢子的過程中，藥室內(nèi)壁細(xì)胞徑向延長(zhǎng)，纖維加厚，又稱為纖維層，其作用被認(rèn)為有助于花藥的開裂。藥室內(nèi)壁在形成纖維層時(shí)，在2個(gè)花粉囊交接處的外側(cè)，留下一狹條形的薄壁細(xì)胞，即唇細(xì)胞，花粉粒成熟以后，花藥在此處開裂，花粉隨即散出。花藥成熟時(shí)，花粉壁僅剩花藥內(nèi)壁和殘存的表皮，中層細(xì)胞逐漸吸收解體；在四分體時(shí)期，絨氈層在原位出現(xiàn)解體的跡象，為分泌型絨氈層(圖1：q)。

圖1 珙桐小孢子發(fā)生和雄配子體的形成Fig.1 The Microsporogensis and Development of Male Gametophyte ofDavidia involucrate a.造孢細(xì)胞；b.小孢子母細(xì)胞時(shí)期；c.減數(shù)分裂第一次前期Ⅰ細(xì)線期；d.偶線期；e.粗線期；f.雙線期；g.終變期；h.減數(shù)分裂第一次中期Ⅰ,箭頭示染色體排列在赤道板兩側(cè)；i.后期Ⅰ，箭頭示染色體均等分布在兩極；j.末期Ⅰ；k.減數(shù)分裂第二次間期Ⅱ；l.前期Ⅱ；m.中期Ⅱ；n.后期Ⅱ；o.末期Ⅱ；p.四分體時(shí)期；q.單核靠邊期；r.成熟花粉時(shí)期；s.花橫切；Ep.表皮；En.藥室內(nèi)壁；MI.中層；Ta.絨氈層細(xì)胞；MMC.小孢子母細(xì)胞；

2.2 大孢子形成及雌配子體發(fā)育

2.2.1 大孢子形成

珠心組織是一團(tuán)相似的薄壁細(xì)胞，在靠近珠孔一端表皮下分化出單一的孢原細(xì)胞。孢原細(xì)胞進(jìn)行一次平周分裂，形成周緣細(xì)胞和造孢細(xì)胞。周緣細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育為珠心組織。造孢細(xì)胞(圖2：b)發(fā)育為大孢子母細(xì)胞，大孢子母細(xì)胞(圖2：c)經(jīng)過減數(shù)分裂后形成四分體，四個(gè)細(xì)胞排列成縱行(圖2：d)?？拷榭椎?個(gè)細(xì)胞逐漸退化，靠近合點(diǎn)端的大孢子發(fā)育成功能大孢子。

圖2 珙桐大孢子發(fā)生和雌配子體的形成Fig.2 The Megasporogenesis and Development of Female Gametophyte of Davidia involucratea.雌蕊結(jié)構(gòu)；b.孢原細(xì)胞；c.大孢子母細(xì)胞；d.四分體時(shí)期；e.功能大孢子；f.二核胚囊；g.四核胚囊；h.八核胚囊；i.形成中央細(xì)胞；AC.孢原細(xì)胞；Me.大孢子母細(xì)胞

2.2.2 雌配子體發(fā)育

雌配子體的發(fā)育開始于成熟的功能大孢子(圖2：e)。功能大孢子繼續(xù)發(fā)育，形成單核胚囊。單核胚囊經(jīng)歷一次有絲分裂發(fā)育成2核胚囊(圖2：f)，胚囊周圍的珠被內(nèi)表皮細(xì)胞也繼續(xù)徑向延伸，變得扁平。隨后2個(gè)核分別移向珠孔和合點(diǎn)的位置，并進(jìn)行第2次有絲分裂，進(jìn)入4核時(shí)期(圖2：g)。4個(gè)核各自進(jìn)行第3次有絲分裂，形成8核胚囊結(jié)構(gòu)(圖2：h)。此時(shí)，胚囊的兩端各有4個(gè)核，之后，兩端各有1核移向中央，形成具有2極核(圖2：i)的中央細(xì)胞。合點(diǎn)端的3個(gè)細(xì)胞為反足細(xì)胞。珠孔端的3個(gè)細(xì)胞共同構(gòu)成卵器，即1個(gè)卵細(xì)胞和2個(gè)助細(xì)胞?？拷醒爰?xì)胞的是卵細(xì)胞，助細(xì)胞則位于兩側(cè)并靠近珠孔端。

2.2.3 子房的結(jié)構(gòu)

珙桐的子房一般是6～10室，是多心皮復(fù)雌蕊，心皮在中央出聯(lián)合形成中軸，胚珠著生于中軸上，為中軸胎座(圖2：a)。每室1胚珠，單珠被，厚珠心，直立胚珠。雌蕊分化早期，在心皮腹縫線處子房?jī)?nèi)表皮下有細(xì)胞分裂增生，產(chǎn)生一些分裂旺盛的細(xì)胞，即胚珠原基，這些細(xì)胞經(jīng)分裂逐漸增大，形成一團(tuán)狀突起，其上部即為珠心組織。珠心組織下部形成珠柄，與胎座相連。珠心基部表皮細(xì)胞分裂較快，逐漸把珠心包圍形成珠被。珠被在珠心頂端形成1個(gè)開口，稱為珠孔。

3 結(jié)論

珙桐小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂為同時(shí)型，小孢子在四分體中排列屬四面體型。成熟花粉為二胞花粉粒，具有3個(gè)萌發(fā)溝?；ㄋ幈诘陌l(fā)育類型是雙子葉型，絨氈層為分泌型絨氈層。

同一藥室內(nèi)小孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂基本同步，但是在同一花藥內(nèi)的不同藥室之間、同一花序上的不同花藥之間存在一定的差異。所以，在同一朵花開花后，4個(gè)藥室散播花粉時(shí)期出現(xiàn)先后差異，使花粉散播的總時(shí)期延長(zhǎng)，從而使傳粉和受精的時(shí)間也有所延長(zhǎng)。這種現(xiàn)象在自然界中是比較普遍存在的，是植物積極適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)[13]。在小孢子發(fā)生及雄配體發(fā)育過程的觀察中未發(fā)現(xiàn)敗育現(xiàn)象。珙桐子房是多心皮復(fù)雌蕊，通常6～10室，每室1胚珠。珙桐胚珠為直立胚珠，單珠被，厚珠心，胚囊為單孢子發(fā)生類型，為典型的蓼型胚囊發(fā)育方式。

張征云等[14]認(rèn)為珙桐瀕危是種子敗育所導(dǎo)致。周志瓊[15]觀察珙桐的雌配子體發(fā)育過程發(fā)現(xiàn)，雌配子體在發(fā)育過程中存在一定比例的未發(fā)育和敗育的胚珠，敗育的胚珠約占整個(gè)胚珠的10%，認(rèn)為可能是大孢子或雌配子體發(fā)育不正常導(dǎo)致。通過連續(xù)切片觀察，沒有發(fā)現(xiàn)大小孢子發(fā)生及雌雄配子體形成的異常，其結(jié)果與李雪萍等[16]對(duì)大小孢子及雌雄配子體的發(fā)育觀察結(jié)果一致。在野外采集珙桐不同發(fā)育時(shí)期的花序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有子房萎縮退化，還有一些雌花不能正常發(fā)育成幼果的現(xiàn)象及幼果過早脫落的現(xiàn)象，因此認(rèn)為珙桐的瀕危和其自身的生殖過程中的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象有關(guān)，這直接導(dǎo)致了珙桐不同程度的生殖失敗，進(jìn)而引起了自身瀕危的現(xiàn)象。

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The Megasporogenesis and Microsporogensis and Development of Female and Male Gametophyte of Endangered plantsDavidiainvolucrate

CHENXing-Yin,ZHANGYu-jing,ZHANGKai-Kai,YANGPeng,SHIJian-ming*

(CollegeofLifeSciences,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)

Anatomical structure of the floral organ ofDavidiainvolucrateat different developmental stage was studied by paraffin section method. The results showed that the anther wall could be defined as basis development type, which belonged to dicotyledonous type. The meiosis of microsporocyte was the simultaneous type at cytokinesis, while tetrahedral type at the tetrad stage. The mature pollen belonged to 2-cell type with three germination ditch. The ovule of D. involucrate was atropous ovule, with crassinucellus and unitegmic. Embryo sac was single spore type, which was a typical polygonum type embryo-sac development pattern. No abnormal development was found in the megasporogenesis, microsporogensis and female and male gametophyte by serial sections observation.

Davidiainvolucrate, Megaspore, Microspore, Female Gametophyte, Male Gametophyte

2016-09-05；

2016-09-26

貴州省自然科學(xué)基金(黔科合J字[2014]2124)。

Q944.5

A

1008-0457(2016)06-0035-05 國(guó)際

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.06.006

*通訊作者：石建明(1962-)，男，副教授，主要研究方向：植物學(xué)；E-mail:guanp508@163.com。