木蓮屬瀕危植物胚胎學(xué)研究進(jìn)展

熊海燕

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

木蓮屬瀕危植物胚胎學(xué)研究進(jìn)展

熊海燕

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

木蓮屬(Manglietia)瀕危植物的胚胎學(xué)研究主要涉及雌雄配子體的發(fā)育、傳粉與受精作用、胚及胚乳的發(fā)育以及種子的形成、屬內(nèi)外雜交親和性等。綜述了木蓮屬瀕危植物的一般胚胎學(xué)過程及雜交胚胎學(xué)的研究成果，并對木蓮屬瀕危植物生殖細(xì)胞工程和基因工程等研究領(lǐng)域進(jìn)行展望。

木蓮屬(Manglietia)；瀕危種；胚胎學(xué)；綜述

木蓮屬(Manglietia)隸屬于木蘭科(Magnoliaceae)，全世界有30種，我國有21種，主要分布于喜馬拉雅、華南及馬來西亞[1]。木蘭科多數(shù)種為孑遺植物，其生存受到嚴(yán)重威脅，木蓮屬是木蘭科植物中最原始的類型，原產(chǎn)我國的21種中有8種屬珍稀瀕危植物[2]，具體為巴東木蓮(M.patungensis)、紅花木蓮(M.insignis)、香木蓮(M.aromatica)、落葉木蓮(M.decidua)、大葉木蓮(M.megaphylla)、大果木蓮(M.grandis)、厚葉木蓮(M.pachyphylla)、毛果木蓮(M.hebecarpa)。有關(guān)木蓮屬瀕危植物的胚胎學(xué)研究不多，研究內(nèi)容主要涉及到花部形態(tài)結(jié)構(gòu)、雌雄配子體的發(fā)育、雜交親和性、種子貯藏與萌發(fā)以及組織培養(yǎng)等。筆者對近年來幾種木蓮屬瀕危植物的胚胎學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 花部形態(tài)結(jié)構(gòu)

木蓮屬植物花兩性，頂生、單生，花被片通常為9枚，每輪3片，大小近等，外輪3片常常較薄而堅；花藥線形，開裂，花絲短，藥隔伸出，雄蕊群與雌蕊群相連接；雌蕊群無柄；心皮多數(shù)，腹面與花托愈合，背面通常有1條或數(shù)條縱溝紋，呈螺旋狀排列，每個心皮具有胚珠4顆或更多[3]。

2 一般胚胎學(xué)特征

2.1 小孢子和雄配子體發(fā)育

木蓮屬植物的小孢子和雄配子體的發(fā)生發(fā)育和大多數(shù)被子植物的發(fā)育特征基本一致。由花藥分化產(chǎn)生初生造孢細(xì)胞，分裂發(fā)育產(chǎn)生次生造孢細(xì)胞，繼續(xù)發(fā)育形成小孢子母細(xì)胞，小孢子母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)濃縮、染色質(zhì)凝聚，進(jìn)入減數(shù)分裂時期，其減數(shù)分裂為修飾性同時型。完成第一次減數(shù)分裂后，細(xì)胞質(zhì)發(fā)生縊裂，并不伴隨細(xì)胞板的形成。完成第二次減數(shù)分裂后，細(xì)胞質(zhì)再次發(fā)生縊裂，形成4個四分體小孢子。隨后四分體小孢子逐漸形成各自的細(xì)胞壁，被共同的胼胝質(zhì)壁包圍。四分體小孢子的排列方式有交叉型、左右對稱型和四面體型，偶有線型等。在這一時期，部分小孢子發(fā)生不同程度的變形。小孢子不斷積累細(xì)胞物質(zhì)，細(xì)胞核進(jìn)行有絲分裂形成1個生殖核和1個營養(yǎng)核。隨著雄配子體的發(fā)育，生殖核逐漸脫離花粉粒細(xì)胞壁，形成生殖細(xì)胞，游離在營養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中。木蓮屬的成熟花粉在散粉之前生殖細(xì)胞不發(fā)生有絲分裂，是二細(xì)胞性花粉粒[4～6]。

從木蓮屬植物花藥早期的橫切面觀察，最外面是一層表皮，表皮里面是一團(tuán)分生組織，花藥繼續(xù)生長發(fā)育，在其4個角隅的位置分化出孢原細(xì)胞。孢原細(xì)胞進(jìn)行平周分裂，形成初生壁細(xì)胞和初生造孢細(xì)胞。繼續(xù)發(fā)育形成成熟的小孢子母細(xì)胞即將分裂時，藥室壁發(fā)育完全，形成表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層。不同種的絨氈層層數(shù)有所不同：巴東木蓮、落葉木蓮的絨氈層只有1層細(xì)胞、香木蓮的有1～2層、而紅花木蓮的絨氈層細(xì)胞有2～3層[4～7]。絨氈層的層數(shù)和木蘭科其他屬的植物相似，也是比較原始的植物類型[8～13]。

2.2 大孢子和雌配子體發(fā)育

木蓮屬植物胚珠倒生、雙珠被、厚珠心。各種間每心皮所具胚珠數(shù)不等。胚珠的發(fā)育起始于胎座表皮下層的1個或者幾個細(xì)胞，隨后進(jìn)行平周分裂，產(chǎn)生一團(tuán)細(xì)胞，使得胎座的一定部位突起成為胚珠原基，原基的前端即為珠心。胚囊發(fā)育于珠心組織，珠被原基開始形成時，在靠近珠孔一端的表皮層下面發(fā)育出1個與周圍不同的孢原細(xì)胞，經(jīng)過有絲分裂可以形成造孢細(xì)胞和周緣細(xì)胞，由造孢細(xì)胞發(fā)育成大孢子母細(xì)胞；周緣細(xì)胞可繼續(xù)進(jìn)行垂周分裂或者平周分裂，形成珠心細(xì)胞[4，6]。被子植物的大孢子可分成單孢、雙孢和四孢型3種主要類型。單孢型又稱寥型，是指大孢子母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成的4個單倍體的大孢子，僅遠(yuǎn)離珠孔端的1個具有功能的大孢子繼續(xù)發(fā)育，而其他3個相繼程序性死亡，最終形成單細(xì)胞胚囊。木蓮屬瀕危植物的胚囊發(fā)育形式為單孢寥型，具有寥型胚囊典型的七細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

3 有性生殖過程中的原始性狀

木蘭科植物心皮離生、雄蕊多數(shù)并且螺旋狀排列、花粉單溝，一直被公認(rèn)為較原始的植物類群，而木蓮屬又是木蘭科中較原始的類群，其花全部為頂生[14]。

在花粉發(fā)育形成小孢子四分體的過程中，細(xì)胞質(zhì)發(fā)生2次縊裂，并不伴隨細(xì)胞板的產(chǎn)生，并且小孢子減數(shù)分裂的過程為修飾性同時型。一般認(rèn)為同時型比較原始，而連續(xù)型較為進(jìn)化。木蓮屬作為木蘭科最為原始的屬，它的花粉形成方式也較為原始。在雌配子體發(fā)育過程中，雙珠被、厚珠心、以及胚囊為單孢寥型胚囊發(fā)育方式等特點也體現(xiàn)出木蓮屬的較為原始的胚胎學(xué)特征。

4 敗育現(xiàn)象

木蓮屬瀕危植物的雌雄配子體均出現(xiàn)不同程度的敗育。紅花木蓮雌配子體受精前約79.1%的卵細(xì)胞及87.0%的卵器已經(jīng)敗育[15]。紅花木蓮花藥發(fā)育早期，在次生造孢細(xì)胞、花粉母細(xì)胞以及減數(shù)分裂過程中均出現(xiàn)敗育現(xiàn)象，其花粉萌發(fā)率僅為14.7%～25.3%[5]。大果木蓮的花粉活力較低[16]。巴東木蓮遲滯染色體和斷片的發(fā)生頻率高達(dá)29.3%，在減數(shù)分裂的過程中，染色體組出現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)雜合變異、遲滯染色體以及染色體斷裂頻率高的異?，F(xiàn)象也可能是影響其雄配子體發(fā)育的因素[17]。

5 傳粉與受精

如果雌雄配子體的發(fā)育并無異常，植物能否成功結(jié)實還與植物的傳粉、花粉萌發(fā)、受精以及胚胎的正常發(fā)育過程息息相關(guān)。大果木蓮是蟲媒傳粉植物，除了蟲媒傳粉途徑，還存在借助風(fēng)媒傳粉的途徑。木蓮屬植物雌蕊成熟時，雄蕊群還被包在花被片內(nèi)，阻擋了花粉的傳播，限制了風(fēng)媒傳粉的作用。大果木蓮的繁育系統(tǒng)主要為專性異交，其生殖可能受到花粉和資源的限制?；ǚ酃苓M(jìn)入發(fā)育正常的胚囊，卻未必能成功完成受精作用，突變體可以引導(dǎo)花粉管的生長，然而助細(xì)胞卻不降解，不能最終完成受精過程[18～20]。

6 種子的形成與貯藏

木蓮屬植物的種子出土發(fā)芽所需要的時間比含笑屬的長，這與含笑屬植物種子比木蓮屬種子的種皮薄有密切的關(guān)系[21]。盡管有些紅花木蓮生長良好，結(jié)籽率卻較低，卵細(xì)胞是植物雙受精形成合子的重要前體物質(zhì)之一，卵細(xì)胞敗育率高，是導(dǎo)致紅花木蓮結(jié)籽率較低的重要原因[15]。巴東木蓮為有胚乳種子，在種子成熟時，形態(tài)上種胚芽端和根端分化，但胚發(fā)育不完全，種胚萌發(fā)還需要形態(tài)后熟的過程。巴東木蓮的種子胚乳和種皮中都存在能抑制種子萌發(fā)的物質(zhì)。因此，形態(tài)休眠和生理休眠的共同作用導(dǎo)致了巴東木蓮種子的休眠。研究表明，一個長期的低溫保濕過程，可以有效地促進(jìn)巴東木蓮種胚的形態(tài)后熟和種胚內(nèi)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，巴東木蓮自身的種子結(jié)構(gòu)和自然條件下所處的環(huán)境抑制了種子的萌發(fā)[22]。巴東木蓮種子在貯藏和萌發(fā)過程中的同工酶分析進(jìn)一步驗證，低溫保濕貯藏的種子SOD、POD同工酶的表達(dá)明顯高于在室溫干燥環(huán)境下貯藏的種子[23]。

7 種間雜交的特征

木蓮屬屬內(nèi)表現(xiàn)出很高的雜交親和性，紅花木蓮與川滇木蓮、中緬木蓮雜交都能得到正常的雜交種子，而紅花木蓮與山玉蘭雜交苗長勢差，最后死亡。紅花木蓮與云南含笑雜交、中緬木蓮與廣玉蘭雜交能結(jié)實，但雜交種子不萌發(fā)。說明木蓮屬、木蘭屬及含笑屬的兩亞屬之間雜交不親和，表現(xiàn)出生殖隔離[24]。

8 展望

近年來，木蓮屬瀕危植物的胚胎學(xué)研究取得了一些進(jìn)展，對木蓮屬瀕危植物的大小孢子的發(fā)生以及雌雄配子體的形成發(fā)育、傳粉受精途徑、胚胎的發(fā)生發(fā)育及種子的貯藏萌發(fā)、屬內(nèi)以及與木蘭科其他屬屬間雜交的研究均取得了一定的成果。從胚胎學(xué)角度分析造成木蓮屬植物瀕危的原因，可能與大小孢子生殖細(xì)胞發(fā)育的異常與敗育、花粉活力及濃度較低、傳粉條件差以及生殖生長進(jìn)程緩慢、種子萌發(fā)的生物學(xué)特性等有關(guān)。目前關(guān)于木蓮屬瀕危植物的研究大多停留在基礎(chǔ)研究方面，僅巴東木蓮有應(yīng)用冬芽為外植體進(jìn)行單芽苗培養(yǎng)和叢生芽誘導(dǎo)的報道[25]，雖然在試驗中生根率不高，但為建立無性繁殖系統(tǒng)提供了參考，為挽救瀕危植物的生存提供了新的思路。為了有效保護(hù)瀕危物種，今后可以對木蓮屬瀕危樹種建立以分離性細(xì)胞為起點的實驗操作系統(tǒng)，利用分離的性細(xì)胞開展有性生殖過程的細(xì)胞生物學(xué)研究，促進(jìn)性細(xì)胞的發(fā)育，實現(xiàn)體外性細(xì)胞的培養(yǎng)與保存，以及生殖細(xì)胞的融合等。另外，從分子水平上研究木蓮屬瀕危植物胚胎發(fā)生發(fā)育的機(jī)理，闡明控制胚胎發(fā)育的因素，并弄清與這些因素有關(guān)的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而培育出生長良好并具有優(yōu)良性狀的個體。

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[編輯] 余文斌

2017-03-20

熊海燕(1983-)，女，碩士生，研究方向為園林植物與應(yīng)用，328246689@qq.com。

Q949.74.1；Q945.5

A

1673-1409(2017)10-0043-03

[引著格式]熊海燕.木蓮屬瀕危植物胚胎學(xué)研究進(jìn)展[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017，14(10)：43～45,55.