牛角瓜大小孢子發(fā)生及雌雄配子體發(fā)育研究

劉　鵬,張?zhí)?李　璐,劉　婷,王連春,羅明燦,劉惠民

(西南林業(yè)大學 林學院,昆明 650224)

?

牛角瓜大小孢子發(fā)生及雌雄配子體發(fā)育研究

劉鵬,張?zhí)?李璐,劉婷,王連春,羅明燦,劉惠民*

(西南林業(yè)大學 林學院,昆明 650224)

摘要:為從胚胎學方面解釋牛角瓜坐果率低的原因,該實驗以牛角瓜(Calotropis gigantea L.)不同時期的新鮮花朵為試材,采用石蠟切片法,觀察牛角瓜大小孢子發(fā)生及雌雄配子體發(fā)育過程。結果顯示:(1)牛角瓜小孢子孢原細胞起源于表皮細胞下面的分生組織并在兩個地方分化;花藥壁由外向內由1層表皮、1層藥室內壁、2層中層和1層絨氈層組成,花藥壁發(fā)育屬于基本型,絨氈層屬于分泌型;小孢子形成時胞質分裂方式為連續(xù)型,成熟花粉粒為3-細胞型復合花粉,有2個較小的精細胞和1個較大的營養(yǎng)細胞,精細胞呈凸透鏡型。(2)牛角瓜的雌蕊具有2心皮,子房1室,邊緣胎座,胚珠倒生,單珠被,薄珠心;大孢子母細胞由1個孢原細胞直接發(fā)育而成,合點端大孢子分化成為功能大孢子,由功能大孢子發(fā)育為7細胞8核的蓼型胚囊。(3)牛角瓜雌蕊發(fā)育晚于雄蕊,花蕾開放前雌雄蕊發(fā)育趨于同步。研究表明,雖然在雌雄配子體發(fā)育過程中存在敗育現(xiàn)象,但大部分雌雄配子體發(fā)育正常。

關鍵詞:牛角瓜;大小孢子發(fā)生;雌雄配子體發(fā)育

牛角瓜(CalotropisgiganteaL.)屬于蘿藦科(Asclepiadaceae),為直立灌木或小喬木,主要分布于東南亞國家和地區(qū),在中國見于云南、海南、廣東、四川等南方省區(qū)。牛角瓜在棉紡原料、藥用、能源等方面用途廣泛。國內外關于牛角瓜的研究較少,主要集中于牛角瓜的組培苗的無性繁殖技術[1]、種子萌發(fā)[2]、纖維素開發(fā)[3-4]、藥用[5-6]、固體生物燃料[7]以及化合物的提取[8]等方面。

蘿藦科植物因其獨特的花部結構而被關注[9],具有副花冠、匙狀花藥、花粉塊、合蕊柱等特殊花部結構,在自然條件下,一般蘿藦科植物花量大,但坐果率很低,僅在1.33%～5.0%之間[10]。造成坐果率低的因素有很多,如:傳粉生物特征,或胚胎發(fā)育過程中的敗育現(xiàn)象等。關于蘿藦科植物的胚胎學研究鮮有報道,牛角瓜的胚胎學研究也非常少見。牛角瓜周年開花結果,但因其獨特的花部特征,授粉位置不在柱頭表面,而在柱頭腔中,花粉塊很難到達柱頭腔完成授粉,導致“花多果少”,制約了以利用其種毛纖維為主的牛角瓜栽培業(yè)的發(fā)展[11]。本實驗對牛角瓜大、小孢子發(fā)生及雌雄配子體的發(fā)育進行觀察研究,從胚胎學方面探討其坐果率低的原因,為牛角瓜的胚胎學以及傳粉生物學提供基礎資料,并為解決牛角瓜的繁殖問題提供理論依據。

1材料和方法

牛角瓜采自云南元江縣種苗站。于2013年10月份和2014年4月份分別采集牛角瓜不同發(fā)育階段的花蕾和花,現(xiàn)場用FPA固定液固定并帶回實驗室保存。2014年5月～10月,采用常規(guī)石蠟切片法,將固定材料經選材、修材后進行逐級Johannsen Gem脫水液脫水、浸蠟、包埋、切片(切片厚度為8 μm)、脫蠟、愛氏蘇木精染色、加拿大樹膠封片制成永久切片。觀察牛角瓜大小孢子發(fā)生與雌雄配子體發(fā)育過程。然后選擇典型制片在Axiovert 200M顯微鏡下觀察各個發(fā)育時期的具體特征,并照相。

2結果與分析

2.1小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育

2.1.1花藥壁的發(fā)育牛角瓜是兩性花,每朵花內有雄蕊5枚,每枚雄蕊具2個花粉塊。花藥原基是由雄蕊原基頂端發(fā)育而來,它的最外層為1層表皮細胞,里面主要為一團分生組織,隨后分化出孢原細胞,孢原細胞經一次平周分裂,形成初生壁細胞和初生造孢細胞(圖版Ⅰ,A)。初生壁細胞繼續(xù)進行平周分裂(圖版Ⅰ,B、C)和多次垂周分裂(圖版Ⅰ,D、E),產生呈同心排列的數(shù)層細胞,自外向內依次為1層藥室內壁、2層中層和1層絨氈層,它們與花藥表皮共同構成牛角瓜的花藥囊壁。由于牛角瓜的次生壁細胞外層發(fā)育為藥室內壁和中層,內層則發(fā)育為中層和絨氈層(圖版Ⅰ,F、G),具有2層中層,根據Davis[12]對被子植物花藥壁發(fā)育標準的劃分,牛角瓜的花藥壁發(fā)育屬于基本型。

(1)表皮表皮層細胞隨著花藥的不斷擴大,而進行切向加長生長,變?yōu)楸馄?圖版Ⅰ,H);小孢子母細胞減數(shù)分裂期,表皮層細胞扁長形,并出現(xiàn)角質層(圖版Ⅰ,I);到花藥成熟,表皮層細胞的角質層進一步加厚(圖版Ⅰ,O、P)。

(2)藥室內壁小孢子母細胞時期,藥室內壁細胞呈扁長方形,沿圓周方向排列,細胞液泡化,細胞核位于細胞中間(圖版Ⅰ,F、G);小孢子母細胞減數(shù)分裂時期,藥室內壁開始徑向生長(圖版Ⅰ,H);二核花粉時期,藥室內壁進一步徑向延長(圖版Ⅰ,M、N),到花粉成熟時轉變?yōu)槔w維層(圖版Ⅰ,O、P)。

(3)中層在花藥的整個發(fā)育過程中,中層存在的時間較為短暫。小孢子母細胞減數(shù)分裂時期,中層開始解體(圖版Ⅰ,H),逐漸被周圍細胞吸收(圖版Ⅰ,I);小孢子收縮期,中層只留下殘跡(圖版Ⅰ,J)。

(4)絨氈層絨氈層細胞垂直長軸沿圓周方向排列,絨氈層細胞初期,體積較小,排列緊密,呈長方形,單核;小孢子母細胞形成過程中,絨氈層細胞體積和細胞核逐漸增大(圖版Ⅰ,F、G);小孢子減數(shù)分裂時期,絨氈層細胞繼續(xù)徑向生長,發(fā)育達到頂峰,細胞較大,細胞質濃,絨氈層細胞具有多核(圖版Ⅰ,H);在小孢子減數(shù)分裂后期,絨氈層開始原位解體(圖版Ⅰ,I),隨著花藥的發(fā)育,絨氈層進一步解體(圖版Ⅰ,J～M);至花粉成熟時,絨氈層完全溶解消失,只剩下表皮細胞和藥室內壁(圖版Ⅰ,O、P)。

絨氈層細胞長軸沿徑向規(guī)則地排列于花粉囊內側,直接與花粉囊內的細胞毗連,是整個花藥發(fā)育時期最為活躍的一層。絨氈層解體的過程,可為牛角瓜花粉粒的發(fā)育提供營養(yǎng)物質和結構物質,且具有分泌功能,分泌物包圍花粉粒,因此牛角瓜的絨氈層是分泌型絨氈層[10]。

2.1.2小孢子發(fā)生花藥在未分化時期,雄蕊原基分裂伸長,它的最外層為1層表皮細胞,里面主要為一團分生組織(圖版 Ⅱ,A),隨后分化出孢原細胞,其體積較大,染色深,徑向延長并細胞核顯著(圖版 Ⅱ,B);孢原細胞經一次平周分裂(圖版 Ⅱ,C),形成初生壁細胞和初生造孢細胞,初生造孢細胞體積大,核仁大而顯著,多邊形,稍后漸近圓形,細胞質濃厚,沒有明顯的液泡(圖版 Ⅱ,D、E)。牛角瓜的初生造孢細胞不經分裂直接發(fā)育成小孢子母細胞,并行使小孢子母細胞的功能(圖版Ⅱ,F～H),小孢子母細胞體積較大,細胞質濃厚,細胞核大,無明顯的液泡,染色質和核仁形成染色較深的圓球體(圖版Ⅱ,I～K)。

與大多數(shù)植物不同的是,牛角瓜的小孢子母細胞進一步發(fā)育,但并未彼此分離,依然緊密相連在一起,直接進入減數(shù)分裂時期。分別經過前期Ⅰ的細線期(圖版Ⅲ,A)、偶線期(圖版Ⅲ,B、C)、雙線期(圖版Ⅲ,D)和終變期(圖版Ⅲ,E、F),以及中期Ⅰ(圖版Ⅲ,G、H)、中后期Ⅰ(圖版Ⅲ,I、J)、后期(圖版Ⅲ,K、L)和末期(圖版Ⅳ,A、B),形成二分體(圖版Ⅳ,C)。緊接著細胞進入減數(shù)分裂Ⅱ期,依次經過分裂前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ(圖版Ⅳ,D),最終形成四分體(圖版Ⅳ,E),但花粉粒沒有互相分開,而是緊密的聯(lián)系在一起。牛角瓜小孢子的孢質分裂方式為連續(xù)型。在分裂的過程中,不同藥室間和同一藥室內的小孢子母細胞發(fā)育基本上能保持一致。

2.1.3雄配子體發(fā)育牛角瓜小孢子呈不規(guī)則圓球形。經過短暫的收縮期之后(圖版Ⅳ,F),細胞核位于中央,體積大,核仁明顯,孢質濃厚,成為單核花粉(圖版Ⅳ,G)。隨后孢質液泡化,成為單核靠邊期(圖版Ⅳ,H)。小孢子核在貼近花粉壁的位置進行有絲分裂(圖版Ⅳ,I),先形成兩個細胞核,貼近花粉壁的為生殖核,靠著大液泡的為營養(yǎng)核,隨后發(fā)生不均等的孢質分裂,形成2個大小懸殊的細胞,其中靠近花粉壁一側的呈凸透鏡狀的小細胞,為生殖細胞,另一側為營養(yǎng)細胞(圖版Ⅳ,J)。生殖細胞進行有絲分裂,形成2個精細胞(精子)(圖版Ⅳ,K),牛角瓜是以含有1個營養(yǎng)細胞和2個精細胞進行傳粉的,為3-細胞型花粉(圖版Ⅳ,L)。

2.2大孢子發(fā)生與雌配子體發(fā)育

2.2.1大孢子發(fā)生牛角瓜的大孢子發(fā)生晚于小孢子。牛角瓜雌蕊具2心皮,子房1室,具多枚倒生胚珠,邊緣胎座。由胎座表皮下層的局部細胞進行分裂(圖版Ⅴ,A),產生突起(圖版Ⅴ,B),形成胚珠原基,胚珠原基的前端成為珠心,基部分化為株柄,珠心基部的表皮細胞快速分裂,產生環(huán)狀突起,逐漸生長擴展為珠被,將珠心包圍(圖版Ⅴ,C)。

隨著胚珠原基的發(fā)育,由薄壁細胞組成的珠心內部發(fā)生了變化,在近珠孔端的珠心表皮下分化出一個體積較大、細胞質濃厚、具有顯著的細胞核的孢原細胞(圖版Ⅴ,D)。孢原細胞不分裂,繼續(xù)發(fā)育形成大孢子母細胞,直接行使大孢子母細胞的功能,此時的大孢子母細胞體積明顯較大,核大,細胞質較濃,位于1層珠心表皮下,因此胚珠發(fā)育屬于薄珠心型(圖版Ⅴ,E)。隨后大孢子母細胞進入減數(shù)分裂階段,經第一次減數(shù)分裂形成二分體(圖版Ⅴ,F、G),繼而進行第二次減數(shù)分裂(圖版Ⅴ,H)后形成的大孢子四分體呈線形排列(圖版Ⅴ,I)。其四分體中位于珠孔端的3個大孢子相繼退化(圖版Ⅴ,J、K),僅合點端的1個發(fā)育為功能大孢子,以后發(fā)育為胚囊(圖版Ⅴ,L)。

在大孢子發(fā)生過程中,珠被細胞分裂并逐漸向上生長,牛角瓜發(fā)展成為具6～8層細胞的單層珠被。在珠被形成的過程中,在珠心最前端的地方留下一條未愈合的孔道,形成了一個狹長的珠孔。

2.2.2雌配子體發(fā)育功能大孢子成為雌配子體的第一個細胞。功能大孢子縱向體積延伸并液泡化,進而發(fā)育為單核胚囊(圖版Ⅵ,A)。單核胚囊經過一次核的有絲分裂(圖版Ⅵ,B),形成二核胚囊,初始形成的2個核彼此相互靠近(圖版Ⅵ,C),而后二核分別位于胚囊的珠孔端與合點端(圖版Ⅵ,D、E)。二核胚囊體積增大的同時,核分別進行有絲分裂形成四核胚囊,兩端分別有2個核(圖版Ⅵ,F、G)。4個核分別進行有絲分裂形成8核胚囊(圖版Ⅵ,I、J)。珠孔端4個核,合點端4個核,隨后珠孔端1個核向下移動,合點端的1個核向上移動,并相互靠近,形成極核(圖版Ⅵ,H)。成熟胚囊的完整形態(tài),它由1個卵細胞、2個助細胞、3個反足細胞和1個中央細胞構成。

在顯微鏡下可觀察到牛角瓜胚囊的珠孔端由1個卵細胞和2個助細胞組成的卵器。卵器3個細胞均較大,各具1核,原生質濃。2個助細胞并列位于珠孔端(圖版Ⅵ,K),卵細胞較大呈卵圓形,細胞核靠近合點端,位于兩助細胞之間,三者一起構成卵器。成熟的卵細胞接近洋梨形,核位于合點端,呈現(xiàn)明顯的極性。胚囊合點端有體積較小的3個反足細胞,呈“品”字型排列(圖版Ⅵ,L)。由2個并排的極核組成的中央細胞較其它細胞大,胚囊的中央大部分空間為中央細胞所占據,中央細胞高度液泡化。上述胚囊形成過程表明,牛角瓜的雌配子體是由單孢子發(fā)生的7細胞8核胚囊,胚囊的發(fā)育類型屬典型的蓼型胚囊[13]。

3結論與討論

3.1小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育特征

花藥是雄蕊的主要部分,通常由4個花粉囊組成,少數(shù)植物為2個。蘿藦科植物的花藥有4室的和2室的。本實驗觀察到牛角瓜的花藥為2室。蘿藦科從夾竹桃科分離出來,主要由于夾竹桃科植物的花藥多為4室,花粉的轉運機制和蘿藦科植物不一樣。蘿藦科植物的花粉粒常以花粉塊的形式存在,而夾竹桃科的花粉粒不形成花粉塊,常以四分體的形式存在[14]。由于牛角瓜花藥為2室且花粉黏合在一起形成花粉塊,因此,從形態(tài)學上證明了牛角瓜從屬于蘿藦科。

牛角瓜的絨氈層由初生壁層細胞分裂形成,是花藥壁的最內層細胞,包圍著小孢子母細胞。牛角瓜小孢子母細胞形成過程以及減數(shù)分裂時期,絨氈層逐漸發(fā)育并達到高峰,細胞核分裂呈多核現(xiàn)象,這與八角蓮[15]絨氈層的發(fā)育相似。而在此后牛角瓜花粉粒發(fā)育過程中,絨氈層逐漸解體,釋放內含物,為小孢子和雄細胞的發(fā)育形成提供營養(yǎng),并分泌物質,形成包圍花粉塊的膜,這與王定康等[16]觀察青陽參的結果相一致。至花粉成熟時,絨氈層完全退化。由此可見,絨氈層活動狀態(tài)與小孢子、雄配子體發(fā)育以及包圍花粉粒膜的形成對營養(yǎng)物質的要求相一致。且牛角瓜的花藥壁絨氈層具有分泌功能,包圍花粉塊的膜由絨氈層分泌形成。這在蘿藦科植物中比較常見[16]。

在花藥的形成過程中,被子植物小孢子的發(fā)生大多經歷孢原細胞時期、初生造孢時期以及次生造孢時期,然后形成小孢子母細胞,如西疇含笑[17]、楸樹[18]、煙草[19]等,與大多數(shù)植物先由初生造孢細胞分裂發(fā)育形成次生造孢細胞進而發(fā)育成小孢子母細胞不同,牛角瓜初生造孢細胞直接行使小孢子母細胞的功能,初生造孢細胞不分化形成次生造孢細胞。牛角瓜的小孢子,并不像其它植物[20-21]一樣從四分體中游離出來,依然擠在一起,所以牛角瓜的花粉屬于復合型花粉[13],復合花粉的形式有很多,目前已經發(fā)現(xiàn)13種不同形式的復合花粉[22],在蘭科、杜鵑科、蘿藦科、夾竹桃科以及燈心草科中較為常見。

目前,有關復合花粉的的研究報道較少。每花粉散落單元中的花粉粒數(shù)越多,同一果實中的種子擁有相同父本的可能性越大;與柱頭粘著的花粉量越大,雄配子體之間的競爭越激烈;每子房中的胚珠數(shù)越多,雌配子體之間的競爭越激烈[23]。復合花粉的結合方式主要有3種[13]:(1)黏性的液體,通常是從絨氈層的退化中產生;(2)花粉外壁的孢粉素;(3)普通的壁層。本研究表明,牛角瓜的花粉主要通過黏性液體相結合,且由絨氈層分泌物形成的膜包裹,形成一個大的花粉單位,牛角瓜花粉以復合花粉的形式散落。由于牛角瓜傳粉及受精過程較為特殊,需將由花粉粒聚集在一起的花粉塊插入柱頭腔中才能完成授粉[11],因此同一果實中擁有的父本是一樣的。牛角瓜花粉塊中花粉粒眾多,每個子房有上百個胚珠,它們之間在授粉受精過程中是否存在競爭關系及其強度大小都值得進行進一步的研究。

植物雌雄配子體的發(fā)育特點在一定程度上影響著植物的授粉方式,如雌雄異熟避免了自花授粉,保證了異花授粉;雌雄蕊在空間上的分離使植物更傾向于異花授粉等[24]。牛角瓜雄配子體發(fā)育較雌配子體發(fā)育早,但在發(fā)育過程中,雌雄配子體發(fā)育趨于同步,在開花時雌雄配子體同時發(fā)育成熟,不存在雌雄異熟;且牛角瓜具有合蕊柱,但雄蕊低于柱頭表面,存在空間隔離,且牛角瓜是蟲媒花,不能通過風等進行傳粉,保證了異花傳粉;牛角瓜的傳粉單位是由1個著粉腺、2個轉運臂和2個花粉塊組成,傳粉昆蟲若要順利完成傳粉,需要將傳粉單位從花藥囊中拔出[11]。切片發(fā)現(xiàn)牛角瓜藥室內壁細胞發(fā)育在后期發(fā)生纖維性加厚,致使花藥囊變大,逐漸與花粉塊脫離,這種現(xiàn)象還未在其它文獻中見報道過,這種特征更易使花粉塊被傳粉昆蟲拔出并帶走,是適應蟲媒傳粉的特征。

牛角瓜不同藥室間和同一藥室內的小孢子母細胞發(fā)育基本上能保持一致。關于蘿藦科小孢子母細胞減數(shù)分裂過程的研究報道中,大多數(shù)報道小孢子在花粉塊內的發(fā)育過程就像在本實驗對牛角瓜觀察的結果一樣是同步進行的[25],但Deshpande等[26]在Leptadenia中發(fā)現(xiàn)小孢子母細胞形成營養(yǎng)細胞和生殖細胞的過程并不同時進行。

3.2大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)育特征

蘿藦科植物胚胎的特征:倒生型、薄珠心和單珠被[25,27-28],這與本實驗觀察牛角瓜的結果一致。牛角瓜為2心皮1室子房,邊緣胎座,胚珠倒生,單珠被,薄珠心。

牛角瓜的孢原細胞位于表皮下,直接行使大孢子母細胞的功能,這與王定康觀察青陽參的實驗結果相一致[29]。珠被原基像Biswas[25]在Daeminextensa中和Frye[26]在一些蘿藦科植物中報道的一樣,從珠心頂部附近長出并包圍大孢子母細胞。珠心組織大約在4核胚囊階段解體,這與Biswas[25]在D.extensa中報道的結果一致,而Younis[28]在Calotropisprocera中發(fā)現(xiàn)珠心組織是在2～4核階段解體。在牛角瓜中只有合點端的大孢子經過3次連續(xù)的分裂形成8核胚囊,而Frye[27]在Asclepias中還發(fā)現(xiàn)其它大孢子發(fā)育成胚囊的情況。

通過對大量不同時期的花朵材料進行切片觀察,發(fā)現(xiàn)牛角瓜的大小孢子發(fā)育過程中都存在不同程度的敗育,但大多數(shù)仍能夠發(fā)育成熟?？梢娕＝枪系牡妥什⒉皇且驗榇菩叟渥芋w發(fā)育不良造成的,而與后期的傳粉受精過程有著密切的關系。因此有必要對牛角瓜傳粉過程以及受精過程進行進一步研究,將有助于深入解答其“花多果少”的原因,同時對生產實踐也具有一定的指導意義。

參考文獻:

[1]李克烈,羅聯(lián)忠,陳偉,等.牛角瓜的組織培養(yǎng)[J].廣西農業(yè)生物科學,2007,26(3):247-249.

LI K L,LUO L Z,CHEN W,etal.Tissue culture ofCalortropisgigantean[J].JournalofGuangxiAgric.andBiol.Science,2007,26(3):247-249.

[2]高柱,王小玲,馬煥成,等.干熱河谷牛角瓜育苗技術及幼苗生長節(jié)律[J].云南農業(yè)大學學報,2012,27(4):503-507.

GAO Z,WANG X L,MA H C,etal.Breeding technology and seedling growth rhythm ofCalotropisgiganteanL.in dry-hot valley[J].JournalofYunnanAgriculturalUniversity,2012,27(4):503-507.

[3]TUNTAWIROON N,SAMOOTSAKORN P,THEERARAJ G.The environmental implications of the use ofCalotropisgiganteaas a textile fabric[J].Agriculture,Ecosystems&Environment,1984,11(3):203-212.

[4]ASHORI A,BAHREINI Z.Evaluation ofCalotropisgiganteaas a promising raw material for fiber-reinforced composite[J].JournalofCompositeMaterials,2009,43(11):1 297-1 304.

[5]KUMAR P S,CHEZHIAN A,etal.Computational selections of terpenes present in the plantCalotropisgiganteaas mosquito larvicide's by blocking the sterol carrying protein,AeSCP-2[J].BangladeshJournalofPharmacology,2012,7(1):1-5.

[6]MURUGAN T.Antimicrobial activity of leaves and latex extract of the herbal plantCalotropisgigantea(Erukku In Tamil)[J].Ijbpas,April,2012,1(3):261-270.

[7]李瑞,曾建立,王曉東,等.耐鹽堿植物牛角瓜產能成分分析[J].過程工程學報,2007,7(6):1 217-1 220.

LI R,ZENG J L,WANG X D,etal.Energy-produced components inCalotropisgigantean[J].TheChineseJournalofProcessEngineering,2007,7(6):1 217-1 220.

[8]王茂媛.牛角瓜的生理活性成分研究[D].?？?海南大學,2008.

[9]ENDRESS M E,LIEDE-SCHUMANN S,MEVE U.Advances in apocynaceae:the enlightenment,an introduction[J].AnnalsoftheMissouriBotanicalGarden,2007,94(2):259-267.

[10]WYATT R,BROYLES S B.Ecology and evolution of reproduction in milkweeds[J].AnnualReviewofEcologyandSystematics,1994,25:423-441.

[11]劉鵬,劉惠民,王連春,等.牛角瓜花部綜合特征與繁育系統(tǒng)[J].園藝學報,2015,42(10):2 002-2 014.

LIU P,LIU H M,WANG L C,etal.Floral syndrome and breeding system ofCalotropisgigantean[J].ActaHorticulturaeSinica,2015,42(10):2 002-2 014.

[12]DAVIS G L.Systematic embryology of the angiosperms[M].New York,1966.

[13]胡適宜.被子植物胚胎學[M].北京:人民教育出版社,1982:30-72.

[14]ERDTMAN G.An introduction to pollen analysis[J].NabuPress,1943.

[15]黃衡宇,馬紹賓,李鸝.八角蓮小孢子發(fā)生和雄配子形成[J].植物研究,2001,21(4):561-566.

HUANG H Y,MA S B,LI L.The genesis of microspore and the formation of male gametophyte inDysosmaversipellis(Hance) M.Cheng[J].BulletinofBotanicalResearch,2001,21(4):561-566.

[16]王定康,孫桂芳,翟書華,等.青陽參小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育[J].植物研究,2011,31(4):392-396.

WANG D K,SUN G F,etal.Microsporogenesis and male gametophyte development ofCynanchunotophyllumSchneid[J].BulletinofBotanicalResearch,2011,31(4):392-396.

[17]趙興峰,孫衛(wèi)邦,楊華斌,等.極度瀕危植物西疇含笑的大小孢子發(fā)生及雌雄配子體發(fā)育[J].云南植物研究,2008,30(5):549-556.

ZHAO X F,SUN W B,YANG H B,etal.Mega- and microsporogenesis and development of female and male gametophytes ofMicheliacoriacea(Magnoliaceae),a globally criticical endangered plant in south-east Yunnan of China[J].ActaBotanicaYunnanica,2008,30(5):549-556.

[18]樊莉麗,彭方仁,周琦,等.楸樹大小孢子發(fā)生與雌雄配子體發(fā)育的研究[J].西北植物學報,2011,31(3):431-438.

FAN L L,PENG F R ,ZHOU Q,etal.Sporogenesis and gametogenesis ofCatalpabungei(Bignoniaceae)[J].ActaBot.Boreal.-Occident.Sin.,2011,31(3):431-438.

[19]廖菊夠,康洪梅,代瑾然,等.煙草大小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育研究[J].西北植物學報,2013,33(1):11-16.

LIAO J G,KANG H M,DAI J R,etal.Megasporogensis,microsporogensis and development of female and male gametophyte ofNicotianadebneyi[J].ActaBot.Boreal.-Occident.Sin.,2013,33(1):11-16.

[20]邱璐.金花菜的小孢子發(fā)生及雄配子體形成過程中幾種物質的細胞化學定位[J].云南農業(yè)大學學報,1993,8(1):57-62.

QIU L.Cytochemical localization of several substance of microsporogenesis and the formative process of male gametophyte ofCamelliachrysanthaTuyama[J].JournalofYunnanAgriculturalUniversity,1993,8(1):57-62.

[21]許小連.瀕危植物羊角槭生殖生物學的初步研究[D].浙江臨安:浙江農林大學,2012.

[22]PACICI E,FRANCHI G G.Pollen dispersal unit,gynoecium and pollination[M]//OWENS S J,RUDALL P I.Reproductive Biology.Kew:Royal Botanic Gardens,1998.

[23]PACICI E,FRANCHI G G.Types of pollen dispersal units and pollen competition[M]//CLEMENT C,PACINI E,AUDRAN J C,Anther and Pollen:from Biotechnology.Berlin:Springer-Verlag,1999.

[24]張大勇.植物生活史進化與繁殖生態(tài)學[M].北京:科學出版社,2004.

[25]BISWAS I.Embryological studies inDaemiaextensaBr.[J].IndianBot.Soc.,1957,36:207-222.

[26]SADEQ M A,PATHAK M R,SALIH A A,etal.Somatic embryogenesis and organogenesis for regeneration of endangered multipurpose desert plantLeptadeniapyrotechnicaforsk.Decne in the kingdom of Bahrain[J].AmericanJournalofPlantSciences,2014,15(5):2 342-2 353.

[27]FRYE T C.A morphological study of certain Asclepiadaceae[J].BotanicalGazette,1902,34:389-413.

[28]SABEt Y S.Development of the embryo-sac inCalotropisprocerawith especial reference to endosperm formation[J].AnnalsofBotany,1931,(3):503-518.

[29]王定康,孫桂芳,翟書華,等.青陽參的大孢子發(fā)生與雌配子體發(fā)育[J].植物研究,2011,31(3):265-270.

WANG D K,SUN G F,ZHAI S H,etal.Megasporogenesis and development of female gametophyte inCynanchunotophyllumSchneid[J].BulletinofBotanicalResearch,2011,31(3):265-270.

圖版 Ⅰ牛角瓜花藥壁的發(fā)育

a.表皮細胞;b.孢原細胞;c.初生造孢細胞;d.初生壁細胞;e.造孢細胞;f.次生壁細胞;g.藥室內壁;h.中層;i.絨氈層;j.包裹花粉塊的膜

A.孢原細胞平周分裂,向外形成初生壁細胞;B、C.初生壁細胞平周分裂,形成兩層次生壁細胞;D、E.兩層次生壁細胞進行多次垂周分裂;F、G.小孢子母細胞時期,形成四層藥壁;H、I.小孢子母細胞減數(shù)分裂期,中層趨于解體;J.小孢子收縮期,中層僅留殘余;K、L.單核小孢子靠邊期,絨氈層少量解體;M、N.二核花粉粒時期,絨氈層基本上解體完成,僅剩余少量殘留,開始形成包圍花粉塊的膜;O、P.成熟花粉粒時期,絨氈層完全解體,形成包圍花粉塊的膜。

Plate ⅠThe development of anther wall ofC.gigantea

a.Apidermis cells;b.Archesporial cell;c.Primary sporogenous cell;d.Primary parietal cells;e.Sporogenous cell;f.Secondary wall cells;g.Endothecium cells;h.Middle layer cells;i.Tapetum cells;j.Note the thick tapetal secretion enclosing the pollen mass

Fig.A.Archesporial cell periclinal division,forming primary parietal cells from the outer;Fig.B,C.Primary parietal cells anticlinal division,forming two layers of secondary wall;Fig.D,E.The stage of two secondary walls,the inner layer anticlinal division more than once;Fig.F,G.The stage of microspore mother cell,formed four layers of anther wall;Fig.H,I.The meiosis stage of microspore mother cell,middle layer going to degenerate;Fig.J.The stage of contraction of microspore,middle layer disappear;Fig.K,L.Microspore with the nucleus located aside,a small amount of tapetum cells degenerated;Fig.M,N.Two nuclear pollen stage,the tapetum disintegrated basically completed,only a small amount of surplus residue,began to form surrounded the pollinia membrane;Fig.O,P.Mature pollen grains,surrounding by uninucleate tapetal cells,note the thick tapetal secretion enclosing the pollen mass.

圖版 Ⅱ牛角瓜小孢子的發(fā)育

A.未分化的花藥;B.孢原細胞;C.孢原細胞平周分裂;D.早期的初生造孢細胞;E.初生造孢細胞;F.造孢細胞;G、H.初生造孢細胞直接行使小孢子母細胞功能;I.早期的小孢子母細胞;J、K.小孢子母細胞。

Plate ⅡThe microsporogenesis ofC.gigantea

Fig.A.The undifferentiated young anther;Fig.B.Archesporial cells;Fig.C.Archesporial cells anticlinal division;Fig.D.The early stage of primary sporogenous cells;Fig.E.Primary sporogenous cells;Fig.F.Primary sporogenous cells;Fig.G,H.Primary sporogenous cells directly exercise their microspore mother cells function;Fig.I.Early microspore mother cells;Fig.J,K.Microspore mother cells.

圖版 Ⅲ牛角瓜雄配子體的發(fā)育Ⅰ

A.減數(shù)分裂前期Ⅰ細線期;B、C.減數(shù)分裂前期Ⅰ偶線期;D.減數(shù)分裂前期Ⅰ雙線期;E、F.減數(shù)分裂前期Ⅰ終變期;G、H.減數(shù)分裂中期Ⅰ;I、J.減數(shù)分裂中后期Ⅰ;K、L.減數(shù)分裂后期Ⅰ

Plate ⅢThe development of male gametophyte Ⅰ ofC.gigantea

Fig.A.Leptotene stage of meiotic prophase Ⅰ;Fig.B,C.Pachytene stage of meiotic prophase Ⅰ;Fig.D.Diplotene stage of meiotic prophase Ⅰ;Fig.E,F.Diakinesis stage of meiotic prophase Ⅰ;Fig.G,H.Metaphase of meiosis Ⅰ;Fig.I,J.After anaphase of meiosis Ⅰ;Fig.K,L.Anaphase of meiosis Ⅰ.

圖版 Ⅳ牛角瓜雄配子體的發(fā)育Ⅱ

A、B.減數(shù)分裂末期Ⅰ;C.二分體形成;D.減數(shù)分裂后期Ⅱ;E.四分體時期;F.收縮期小孢子;G.中央期小孢子;H.靠邊期小孢子;I.靠邊期小孢子核分裂;J.二核花粉粒;K.生殖細胞分裂;L.3-細胞型成熟花粉粒,具1營養(yǎng)核和2個精子。

Plate ⅣThe development of male gametophyte Ⅱ ofC.gigantea

Fig.A,B.Telophase of meiosis Ⅰ;Fig.C.Formed dyad;Fig.D.Anaphase of meiosis Ⅱ;Fig.E.Formed tetrads;Fig.F.The contraction microspore;Fig.G.The middle microspore;Fig.H.Microspore with the nucleus located aside;Fig.I.The mitosis of the microspore;Fig.J.Binuclear pollen;Fig.K.The mitosis of germ cell;Fig.L.Mature pollen with one vegetative nucleus and two sperm.

圖版 Ⅴ牛角瓜大孢子的發(fā)育

A.心皮原基;B.胎座表皮下層細胞產生突起;C.胚珠原基;D.珠心(箭頭指);E.大孢子母細胞(箭頭指);F.大孢子母細胞第一次減數(shù)分裂后期(箭頭指);G.二分體(箭頭指);H.第二次減數(shù)分裂(箭頭指);I.線形四分體(箭頭指);J、K.四分體的近珠孔端3個細胞退化,合點端大孢子發(fā)育為功能大孢子(箭頭指);L.單核胚囊(箭頭指)。

Plate ⅤThe megasporogenesis ofC.gigantea

Fig.A.Carpellary primordia;Fig.B.Placentation the epidermal layer of cells and neurite outgrowth;Fig.C.Ovule primordium;Fig.D.Nucellus (arrow);Fig.E.Megasporocyte(arrow);Fig.F.Megaspore mother cell meiosis period for the first time (arrow);Fig.G.The megaspore dyad (arrow);Fig.H.Megaspore mother cell meiosis period for the second time (arrow);Fig.I.Four megaspores forming one liner tetrad (arrow);Fig.J,K.The chalazal megaspore was functional,while the other three megaspores in micropyle degenerated (arrow);Fig.L.The uninucleate embryo sac (arrow).

圖版 Ⅵ牛角瓜雌配子體發(fā)育

A.單核胚囊(箭頭指);B.單核胚囊第一次有絲分裂(箭頭指);C～E.2核胚囊(箭頭指);F、G.4核胚囊(箭頭指);H.8核胚囊中,兩端各有1核移向胚囊中間,形成極核(箭頭指);I、J.連續(xù)切片示8核胚囊,上端為合點端,呈“品”字形的反足細胞;中間為2個極核所在的中央細胞;下端為珠孔端,中間一個為卵細胞,其他2個為助細胞(箭頭指);8核胚囊內合點端的反足細胞開始退化(上端箭頭指);K.2個助細胞(箭頭指);L.3個呈“品”字形的反足細胞(箭頭指)。

Plate ⅥThe development of female gametophyte ofC.gigantea

Fig.A.The uninucleate embryo sac (arrow);Fig.B.The uninucleate embryo sac mitotic division for the first time (arrow);Fig.C-E.Two-nucleus embryo sac (arrow);Fig.F,G.Four-nucleus embryo sac (arrow);Fig.H.Eight-nucleus embryo sac,both ends each have 1 nuclear move to embryo sac,form a polar nuclei (arrow);Fig.I,J.The mature embryo sac;Eight-nucleus embryo sac chalaza end of the antipodal cells began to degenerate (the upper arrow);Fig.K.Two synergid cells (arrow);Fig.L.The antipodal cells in mature embryo sac (arrow).

(編輯:潘新社)

Study on the Megasporogenesis,Microsporogenesis and Development of Female and Male Gametophytes ofCalotropisgiganteaL.

LIU Peng,ZHANG Taikui,LI Lu,LIU Ting,WANG Lianchun,LUO Mingcan,LIU Huimin*

(College of Forestry,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China)

Abstract:To observe megasporogenesis,microsporogenesis and development of female and male gametophytes,we studied the fresh flowers of Calotropis gigantea using paraffin wax.The results were as follows:(1)Archesporial cell of C.gigantea microspore differentiated from two areas of subcutaneous tissue.The mature anther wall was composed of epidermis,endothecium (1 layer) and middle layer (2 layers),glandular tapetum (1 layer) and its development model belonged to basic type.The glandular tapetum was a secretory structure.Cytokinesis of microspore mother cells was continuously split twice.Three cells were observed in the mature pollen grain:2 small sperm cells and one large vegetative cell.(2)C.gigantea had two carpels in pistil and 1 locule in ovary.The ovule was anatropous,marginal placentation,unitegmic and tenuinucellus.The megaspore tetrads were linear and the chalazal megaspore was functional.The mature embryo sacs had seven cells with eight nucleis,and belonged to polygonum type sac.(3)C.gigantea pistil developed later than stamen,and the female and stamen developed synchronized before buds open.It was considered that the barrenness of C.gigantea was not due to male or female sterility,although some proportional abortion exists in the development of pistil and stamen.Maybe it was related to pollination fertilization.

Key words:Calotropis gigantea L.;mega- and microsporogenesis;female and male gametophyte

中圖分類號:Q944.58

文獻標志碼:A

作者簡介:劉鵬(1989-),男,在讀碩士研究生,主要從事經濟林栽培研究。E-mail:18388115168@163.com*通信作者:劉惠民,博士,教授,主要從事森林培育的教學與研究。E-mail:hmliu@swfu.edu.cn

基金項目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304810)

收稿日期:2015-10-09;修改稿收到日期:2015-12-14

文章編號:1000-4025(2016)01-0048-11

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.01.0048