毛竹的花藥發(fā)育研究

周建梅,孫立方,2,馮 云,廉 超,冉 洪,張 瑩,郭起榮?

(1.國際竹藤中心國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京100102；2.南開大學(xué)生命科學(xué)院,天津300071)

毛竹的花藥發(fā)育研究

周建梅1,孫立方1,2,馮 云1,廉 超1,冉 洪1,張 瑩1,郭起榮1?

(1.國際竹藤中心國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京100102；2.南開大學(xué)生命科學(xué)院,天津300071)

竹類植物因有著較長的開花周期,其生殖生物學(xué)研究的報(bào)道相對較少。該研究采用石蠟切片與野外觀察的方法,對毛竹花藥的發(fā)育以及花藥發(fā)育與花序的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:毛竹的花藥壁結(jié)構(gòu)包括4層細(xì)胞:表皮細(xì)胞、藥室內(nèi)壁細(xì)胞、中層細(xì)胞和絨氈層細(xì)胞。藥室內(nèi)壁和中層都只有一層細(xì)胞,而且細(xì)胞形狀較扁,花藥發(fā)育后期藥室內(nèi)壁會(huì)逐漸降解,而中層則會(huì)完全解體消失?；ㄋ幈诘陌l(fā)育為單子葉型,絨氈層為腺質(zhì)型,而且只有一層,細(xì)胞徑向較長,最后也會(huì)消失。小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí),胞質(zhì)分裂方式為連續(xù)型。形成的小孢子經(jīng)一次有絲分裂后逐漸形成成熟花粉粒,大多為二細(xì)胞型,很少產(chǎn)生三細(xì)胞型。此外,還發(fā)現(xiàn)毛竹花藥的發(fā)育與花序形態(tài)變化存在著相對應(yīng)的關(guān)系。野外連續(xù)觀察和切片發(fā)現(xiàn),隨著花序形態(tài)的不斷發(fā)育變化,首先花藥開始形成并不斷分化,藥壁各層也逐漸形成；接著小孢子逐漸成熟,各層也慢慢隨之解體、消失；最后花藥逐漸開裂并開始散粉。該研究結(jié)果不僅豐富了毛竹和竹類生殖生物學(xué)的研究內(nèi)容,而且對毛竹種質(zhì)的研究也具有重要意義。

毛竹,花藥,花藥壁,小孢子,花序,發(fā)育

竹類植物是禾本科(Poaceae/Gramineae)竹亞科(Bambusoideae)植物的總稱,全世界約有88屬1 400余種,其中我國竹類資源十分豐富,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),共有34屬534種。我國以占3%森林面積的竹林,產(chǎn)生了超過18%的營林產(chǎn)值。據(jù)國家林業(yè)局2014年最新公布的第八次全國森林資源清查(2009 －2013)數(shù)據(jù),我國竹林面積601萬hm2,占整個(gè)森林總面積在3%以上,占世界竹林總面積的1/3。作為一類生物學(xué)特性特殊的植物,竹子的開花時(shí)間在空間上不確定,形態(tài)上較為相似。竹類植物一般開花周期較長,多數(shù)一生只開一次花(Isagi,2004),植株開花多數(shù)死亡,這給竹類植物的生殖生物學(xué)研究工作帶來了很大的困難。近期已有對雷竹(Phyl-lostachys violascens)(何奇江等,2003)、巨龍竹(Den-drocalamus sinicus)(王曙光等,2006)、鵝毛竹(Shi-bataea chinensis)、異葉苦竹(Arundinaria simonii)(林樹燕,2009,2012)、月月竹(Menstruocalamus sichua-nensis) (劉靜,2008；林樹燕等,2009)、寒竹(Chi-monobambusa marmorea)(胡成華等,1994)等竹種的生殖生物學(xué)進(jìn)行了研究。

毛竹(Phyllostachys edulis)屬禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoideae)剛竹屬(Phyllostachys)。竿高在20 m或以上,直徑在20 cm以上,節(jié)間在40 cm以上。毛竹是我國特有的、最重要的經(jīng)濟(jì)竹種,也是我國分布最廣、栽培歷史長、栽培面積最大的竹種,據(jù)第八次全國森林資源清查報(bào)告顯示,面積已達(dá)443萬hm2,占竹林面積的74%,長期以來產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益(江澤慧,2002)。因此,毛竹在我國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有極其重要的地位。毛竹種質(zhì)資源是重要的遺傳資源,蘊(yùn)藏著對毛竹遺傳改良和育種起關(guān)鍵作用的重要基因,是竹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。像毛竹這樣常見的種類,其生殖生物學(xué)研究僅見喬士義和廖光廬(1984)的報(bào)道,孫立方等(2011)報(bào)道了毛竹的花器官形態(tài)與結(jié)構(gòu)。本研究探討了毛竹的花藥發(fā)育過程,不同花序發(fā)育時(shí)序中花藥發(fā)育情況,為竹亞科及禾本科的生殖生物學(xué)研究提供資料。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料分別于2010－2012年,在廣西桂北海洋山深山野生毛竹林中采集。該地屬中亞熱帶地區(qū),海拔近千米；年平均氣溫18～19℃,4－9月為雨季,年平均降水量1 750～2 000 mm。

1.2 方法

標(biāo)記3株有開花征兆的毛竹植株,從小枝開始膨大變粗到果實(shí)成熟期間(6－9月),定期采樣,每隔1～3 d采樣,取不同發(fā)育時(shí)期的小穗、小花、花藥,先用70%酒精的FAA固定液固定24～48 h,然后在4℃冰箱內(nèi)保存。在變態(tài)小枝開始膨大變粗時(shí)進(jìn)行拍照,觀察花序發(fā)育的表型變化。采用常規(guī)石蠟切片法制片(李正理,1996),切片厚度為5～10 μm,番紅—固綠染色,用加拿大樹膠封片,在OLYMPUS CX31顯微鏡下觀察、拍照。

2 結(jié)果與分析

大多數(shù)被子植物的花藥具有4個(gè)小孢子囊(花粉囊),少數(shù)具有2個(gè),它們由藥隔組織分開。當(dāng)花藥達(dá)到成熟時(shí),每一側(cè)的2個(gè)小孢子囊往往隨藥隔消失而連通。每個(gè)小孢子囊包含藥室和由數(shù)層細(xì)胞組成的花藥壁。

2.1 花藥壁的發(fā)育

研究中發(fā)現(xiàn),毛竹的花藥壁屬于單子葉型,花藥壁結(jié)構(gòu)包括4層細(xì)胞:表皮細(xì)胞、藥室內(nèi)壁細(xì)胞、中層細(xì)胞和絨氈層細(xì)胞。

2.1.1 表皮 在毛竹花藥發(fā)育過程中,表皮只進(jìn)行垂周分裂增加細(xì)胞的數(shù)目以適應(yīng)內(nèi)部組織的迅速增長。初期表皮細(xì)胞(圖版I:A)為近方形,隨著花藥的擴(kuò)大,逐漸擴(kuò)展成扁長形,其仍然是一般的行使保護(hù)的功能,因此通常也有明顯的角質(zhì)層。許多植物,特別是旱生習(xí)性的植物,表皮細(xì)胞最后彼此分離,當(dāng)花藥成熟時(shí)僅留下干枯的痕跡。毛竹花粉發(fā)育成熟時(shí),其表皮細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)逐漸減少和解體,僅剩下細(xì)胞壁,藥室內(nèi)花粉基本全部散出。

圖版Ⅰ 毛竹的花藥壁發(fā)育過程 A.初生壁細(xì)胞時(shí)期；B.小孢子母細(xì)胞時(shí)期4層藥壁(1.表皮,2.藥室內(nèi)壁,3.中層,4.絨氈層)；C.單核小孢子靠邊期藥壁,絨氈層解體；D.花粉粒成熟時(shí)期,僅有2層壁。PlateⅠ Anther wall development process of P.edulis A.Primary wall cells；B.4 layers of anther at the microspore mother stage(1.Epider-mis,2.Endothecium,3.Middle layer,4.Tapetum)；C.Microspore is at binucleate stage,and tapetum is disintegrated；D.Only 2 layers of wall cells in the pollen grain mature period.

圖版Ⅱ 毛竹小孢子與雄配子體發(fā)育 A.未分化花藥；B.分化花藥；C.初生壁細(xì)胞和初生造孢細(xì)胞；D.次生造孢細(xì)胞；E.小孢子母細(xì)胞；F.單核靠邊期小孢子；G.小孢子收縮期；H.單核靠邊期；I.2核花粉粒；J.成熟花粉粒和花藥。PlateⅡ Microspore and development of male gametophyte of P.edulis A.Undifferentiated anther；B.Differentiated anther；C.Primary wall cells and primary sporogenous cells；D.Secondary sporogenous cells；E.Microsporoctyte mother cell；F.Tetrads；G.Contraction microspore；H. Middle microspore；I.2-nuclear pollen grain；J.Mature pollen grain and anther.

2.1.2 藥室內(nèi)壁 毛竹藥室內(nèi)壁只有一層細(xì)胞(圖版I:B,2),藥室內(nèi)壁的內(nèi)切向壁向外和向上發(fā)生帶狀或纖維狀的加厚,因這一特點(diǎn)也稱“纖維層”。藥室內(nèi)壁細(xì)胞的外切向壁仍保持是薄壁的,加厚的壁除帶狀的外,還有呈球狀加厚、完整環(huán)帶狀等的變異形態(tài)。這種加厚壁的物質(zhì),一般認(rèn)為是纖維素性質(zhì),在成熟時(shí)略為木質(zhì)化。藥室內(nèi)壁的這種加厚的特點(diǎn),有助于花粉囊的開裂。毛竹花藥開裂時(shí),靠近藥隔維管束的藥室外側(cè)各層藥壁細(xì)胞先逐漸溶解,然后開始開裂散粉。

表1 毛竹花序變化與花藥發(fā)育的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship between the changes of inflorescences and the development of anther of P.edulis

2.1.3 中層 毛竹中層1層細(xì)胞(圖版I:B,3),由初生壁細(xì)胞內(nèi)層分化而來,一般含有淀粉或其他貯藏物。中層出現(xiàn)在小孢子母細(xì)胞中后期,在小孢子母細(xì)胞末期時(shí),中層的細(xì)胞已經(jīng)開始發(fā)生變化,貯藏物質(zhì)減少,細(xì)胞變?yōu)楸馄?然后逐漸趨于解體和被吸收。在小孢子靠邊期時(shí),一般中層已完全解體消失(圖版I:C)。

2.1.4 絨氈層 絨氈層是花藥壁的最內(nèi)層(圖版I:B-4),也是由初生壁細(xì)胞內(nèi)層分化而來,此層對小孢子或花粉的發(fā)育起重要的作用。在雄性不育系中花粉的發(fā)育與絨氈層機(jī)能失常相關(guān),如絨氈層位置向藥室中間移動(dòng)或其原生質(zhì)體侵向藥室,擠壓小孢子而導(dǎo)致不育,通過觀察發(fā)現(xiàn),毛竹絨氈層不存在此類情況。絨氈層通常為一層,少數(shù)植物具有二層或者多層,還有的植物是向表皮的絨氈層為單層,向藥隔的為多層。小孢子后期時(shí),絨氈層徑向伸長。絨氈層的發(fā)育最終自我解體,小孢子靠邊時(shí)期已經(jīng)開始解體,雄配子體即成熟花粉階段,絨氈層細(xì)胞僅留殘跡或已不存在(圖版I:C,D)。在整個(gè)發(fā)育過程中,緘氈層始終維持在原來的位置,因此,毛竹的絨氈層屬于腺質(zhì)絨氈層。

2.2 小孢子發(fā)生與雄配子體發(fā)育

2.2.1 小孢子發(fā)生 從毛竹雄蕊原基最初形成的一個(gè)很小的花藥的橫切面來看,外面是一層表皮,表皮以內(nèi)是一群分裂活躍的細(xì)胞(圖版Ⅱ:A)。后來,由于花藥的四個(gè)角隅的細(xì)胞分裂較快,使花藥變成為四個(gè)裂瓣的形狀(圖版Ⅱ:B),在每一瓣的表皮下分化出孢原細(xì)胞。孢原細(xì)胞經(jīng)一次平周分裂和多次垂周分裂產(chǎn)生初生壁細(xì)胞和初生造孢細(xì)胞(圖版Ⅱ: C),初生造孢細(xì)胞再次分裂,形成次生造孢細(xì)胞(圖版Ⅱ:D),進(jìn)而發(fā)育成小孢子母細(xì)胞(圖版Ⅱ:E),小孢子母細(xì)胞核大,無明顯的液泡,進(jìn)一步發(fā)育,彼此進(jìn)入減數(shù)分裂時(shí)期。小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí),產(chǎn)生的小孢子四分體為左右對稱型(喬士義和廖光廬,1984)(圖版Ⅱ:F),胞質(zhì)分裂方式為連續(xù)型。

2.2.2 雄配子體發(fā)育 小孢子四分體時(shí)期比較短暫,隨著胼胝質(zhì)溶解,小孢子釋放出來,剛釋放出來的小孢子細(xì)胞質(zhì)濃厚,細(xì)胞核位于中央,為收縮期的小孢子(圖版Ⅱ:G)。隨后小孢子逐漸膨大,長大變圓,中央出現(xiàn)大液泡,細(xì)胞核移到細(xì)胞的一側(cè)為單核靠邊期的小孢子(圖版Ⅱ:H)。整個(gè)細(xì)胞充滿細(xì)胞質(zhì),細(xì)胞核進(jìn)行一次有絲分裂,形成雙核(圖版Ⅱ:I),靠花粉壁的為生殖細(xì)胞,占據(jù)細(xì)胞中央的為營養(yǎng)細(xì)胞。毛竹的成熟花粉粒大多是二細(xì)胞型,很少產(chǎn)生三細(xì)胞型(圖版Ⅱ:J)。

2.3 花藥發(fā)育與花序發(fā)育的關(guān)系

根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn),毛竹花藥的發(fā)育變化與花序的發(fā)育有相對應(yīng)的關(guān)系(表1)。隨著花序的不斷發(fā)育變化,花藥不斷分化(圖版Ⅱ),藥壁各層逐漸形成。小孢子逐漸成熟時(shí),各層也慢慢隨之解體、消失。

3 討論與結(jié)論

毛竹的花藥壁結(jié)構(gòu)包括4層細(xì)胞:表皮細(xì)胞、藥室內(nèi)壁細(xì)胞、中層細(xì)胞和絨氈層細(xì)胞。藥室內(nèi)壁與中層細(xì)胞比較扁,在小孢子靠邊期時(shí),一般中層已完全解體消失；絨氈層細(xì)胞則徑向較長,細(xì)胞質(zhì)濃厚,絨氈層的發(fā)育最終自我解體?；ㄋ幈诘陌l(fā)育為單子葉型,絨氈層為腺質(zhì)型。小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí),胞質(zhì)分裂方式為連續(xù)型。成熟花粉粒大多是二細(xì)胞型,很少產(chǎn)生三細(xì)胞型?；ㄋ幈诮Y(jié)構(gòu)與前人所報(bào)道的巨龍竹、鵝毛竹、月月竹等竹類植物的花藥壁結(jié)構(gòu)一致,符合禾本科植物的基本特征。然而,不同于黃堅(jiān)欽等(1999)報(bào)道的雷竹的花藥壁由表皮層、2層中層和絨氈層4層細(xì)胞組成,且在整個(gè)發(fā)育過程中始終無藥室內(nèi)壁的形成與分化,表皮層發(fā)育起到藥室內(nèi)壁的作用。研究發(fā)現(xiàn),毛竹花藥壁的絨氈層為質(zhì)腺型,與之前喬士義等報(bào)道的毛竹花藥壁絨氈層為分泌型不同。

毛竹花序的外部形態(tài)特征與花藥的發(fā)育有相對應(yīng)關(guān)系。在發(fā)育早期,花序包裹在葉片內(nèi),為花原基、減數(shù)分裂等容易受外界影響的生理過程提供比較穩(wěn)定的環(huán)境,保障生殖器官發(fā)育。隨著花藥的發(fā)育,成熟花粉粒形成,花序葉片變黃逐漸脫落暴露于空氣中,為花粉散播做好準(zhǔn)備。

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Observation on anther development of Phyllostachys edulis

ZHOU Jian-Mei1,SUN Li-Fang1,2,FENG Yun1,LIAN Chao1,RAN Hong1,ZHANG Ying1,GUO Qi-Rong1?

(1.International Center for Bamboo and Rattan；SFA Key Laboratory of Bamboo and Rattan Science and Technology,Beijing 100102,China；2.College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin 300071,China)

Because of the long flowering stage,studies about the reproductive biology of bamboos were rarely fewer.In this research,the anther development of Phyllostachys edulis was studied by paraffin section,and the process of anther development of P.edulis was also analysed,including the development process of the anther,anther wall and microspore. The results showed that the anther wall of P.edulis contains four layer of cells,which were epidermal cells,endothecium cells,middle layer cells and tapetum cells.There was only a layer of cells with flat shape in endothecium cells and mid-dle layer cells.At the end of the anther development when microspore goes to pull over,endothecium cells would de-grade gradually and the middle layer cells would break up and disappeared.The development of anther wall was monocot-yledonous type,and the tapetum belonged to secretory type with a layer of cells growing in radial direction,the final de-velopment of tapetum disappeared by themselves.The type of cytokinesis of microsporocyte meioticdivision was succes-sive,and the generated microspore from which then fomated mature pollen by one mitosis process.Mature pollen grains were mostly two-celled,rarely three-celled.In addition,we found that there was a corresponding relationship between the development of anther and continuous morphology change of the inflorescence.Based on the results of continuous ob-servation on the inflorescence and paraffin section assays,we also found that unceasing development and division of an-ther occurred with the continuous development of inflorescence,and anther wall layers of cells were gradually formed. Then microspore became mature gradually and the layers of the anther degraded and disappeared during the process,and then mature pollen spilled out from the dehiscenced anther.Our research would enrich the studies on the reproductive bi-ology of bamboos and also was of great significance to the study on the germplasm of moso bamboo.

Phyllostachys edulis,anther,anther wall,microspore,inflorescence,development

S718.5

A

1000-3142(2016)02-0231-05

10.11931/guihaia.gxzw201405012

周建梅,孫立方,馮云,等.毛竹的花藥發(fā)育研究[J].廣西植物,2016,36(2):231－235

ZHOU JM,SUN LF,FENG Y,et al.Observation on anther development of Phyllostachys edulis[J].Guihaia,2016,36(2):231－235

2014-05-06

2015-07-12

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD23B05)[Supported by National Key technology Research and Development Program of China(2012BAD23B05)]。

周建梅(1986－),女,重慶市人,碩士研究生,從事竹子種質(zhì)研究,(E-mail)jianmeizhou＠sina.cn。

?通訊作者:郭起榮,男,教授、博導(dǎo),一直從事森林(竹子)種質(zhì)資源研究,(E-mail)QRGUO＠icbr.ac.cn。