甜瓜雄花的幾個胚胎學(xué)特征

周雪，夏正艷，曲勝男，葛姝君，趙丹，孫晴，劉林

（臨沂大學(xué)藥學(xué)院山東臨沂276005）

甜瓜雄花的幾個胚胎學(xué)特征

周雪，夏正艷，曲勝男，葛姝君，趙丹，孫晴，劉林

（臨沂大學(xué)藥學(xué)院山東臨沂276005）

為闡明甜瓜雄花的胚胎學(xué)特征，用光學(xué)顯微技術(shù)觀察雄花花粉和花藥壁的發(fā)育過程。結(jié)果表明，花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂伴隨胼胝質(zhì)壁發(fā)育，減數(shù)分裂產(chǎn)生的4個小孢子在共同的胼胝質(zhì)壁中呈四面體形排列。成熟期花粉粒直徑約45 μm，積累大量脂滴，故屬于脂質(zhì)花粉。花藥壁由外向內(nèi)依次為表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層，各含1層細(xì)胞；絨氈層在原位解體，為腺質(zhì)絨氈層。表皮產(chǎn)生單細(xì)胞表皮毛，細(xì)胞膨大、伸長，細(xì)胞質(zhì)濃，不含大液泡，僅含小液泡，生存至花粉成熟時期。

甜瓜；雄花；花藥；花粉

雜性同株植物的同一植株具有雄花、雌花和兩性花，雜性同株是兩性花丟失雄性或雌性結(jié)構(gòu)的結(jié)果，是植物向雌雄同株、雌雄異株和雜性異株過渡的關(guān)鍵一步[1-3]，顯然，雜性同株具有重要進化地位。甜瓜絕大部分品種都是雜性同株、雄花兩性花同株[4]。對甜瓜雄花進行胚胎學(xué)研究，不僅對甜瓜雄花進化和保持的研究具有一定意義，也為甜瓜栽培和育種提供理論依據(jù)。被子植物花藥和花粉發(fā)育的基本途徑已基本清楚[5]，但是關(guān)于甜瓜雄花花藥和花粉發(fā)育，仍有以下幾個方面的問題尚需進一步研究。第一，按照花粉發(fā)育的基本模式，小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂后產(chǎn)生的4個小孢子包埋在共同的胼胝質(zhì)壁內(nèi)形成四分體，四分體中小孢子的排列方式有2種可能，一種是四面體形排列，另一種是十字形排列[5]，甜瓜四分體小孢子的排列方式尚未見報道；第二，花粉在發(fā)育過程中積累貯藏物質(zhì)，為將來萌發(fā)和花粉管伸長儲備營養(yǎng)和能量，成熟花粉的貯藏物質(zhì)在一些植物中以淀粉為主，在另一些植物中以脂滴[5-8]為主，甜瓜雄花花粉貯藏物質(zhì)的主要形式尚未見報道；第三，被子植物花藥壁由表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層組成，表皮和藥室內(nèi)壁各由1層細(xì)胞構(gòu)成，而中層和絨氈層的細(xì)胞層數(shù)因植物種類而變化[5]，絨氈層因發(fā)育模式不同而分為腺質(zhì)絨氈層和變形絨氈層2種類型，甜瓜雄花花藥壁的細(xì)胞層數(shù)以及絨氈層的類型尚無報道；第四，多數(shù)瓜類作物如西瓜花藥表面不具有表皮毛[6]，而甜瓜雄花花藥表面有表皮毛，該表皮毛有何顯微特征，屬于腺性還是非腺性，尚無報道。研究這些問題，為甜瓜胚胎學(xué)增添資料，也為甜瓜育種工作提供參考。

針對上述4個方面的問題，筆者對甜瓜各節(jié)位尚未開放雄花花蕾及開放當(dāng)天雄花花蕾中的花粉母細(xì)胞、花粉和花藥壁進行顯微觀察。

1 材料與方法

試驗于2014—2015年進行，所用甜瓜為‘綠寶’，來源于北京碩源種子有限公司。每年3月底用營養(yǎng)缽育苗，4月下旬移栽于臨沂大學(xué)教學(xué)科研實習(xí)基地，露地栽培，常規(guī)管理，6月初取樣。上午散粉前，取當(dāng)天開放和未開放花蕾，包括頂芽中的幼蕾，取樣植株數(shù)為8。自下而上各節(jié)位未開放花蕾長度：（23.9±2.7）、（14.0±2.9）、（9.5±1.0）、（7.7± 0.9）、（6.4±0.8）、（5.2±0.6）、（3.6±0.6）、（2.0±0.1）、（1.3±0.2）、（0.6±0.2）mm。為確保所取開放花蕾為取樣當(dāng)天開放，取樣前一天下午天黑前將試驗株上已開放的花蕾去掉，并做好標(biāo)記。

從雄花蕾中分離出花藥，較大的花藥切成小塊（長度小于1 mm），置于2%（φ）戊二醛中于室溫下初固定4 h，再用1%（ω）鋨酸于4°C下后固定4 h，然后用梯度酒精系列脫水，Epon-812樹脂滲透、包埋。用玻璃刀切片，厚1.5 μm，切片用甲苯胺藍染色，在光鏡下觀察并照相。

2 結(jié)果與分析

甜瓜雄花花藥二室（圖1-A），橫切面上可觀察到數(shù)個小孢子母細(xì)胞。小孢子母細(xì)胞呈多邊形，邊長不等，較長邊20～25 μm，較短邊約10 μm，細(xì)胞質(zhì)濃，不含大液泡，小液泡分散在細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞核較大，球形，直徑約10 μm，與周圍花藥壁細(xì)胞的核形成鮮明對比（圖1-B）。通過花藥縱切面觀察，發(fā)育早期的小孢子母細(xì)胞較扁平（圖1-C），該時期對應(yīng)的花蕾長度在0.4～0.9 mm。

小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂開始時，形態(tài)方面發(fā)生兩個標(biāo)志性變化，一是產(chǎn)生胼胝質(zhì)壁，二是原生質(zhì)體由多邊形變成橢球形（圖1-D，E）。胼胝質(zhì)壁在細(xì)胞角隅處較厚，厚度可達5 μm，而其他部位胼胝質(zhì)壁相對較薄。原生質(zhì)體橢球形，長約25 μm，寬約22 μm。小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂結(jié)束后，新產(chǎn)生的4個小孢子被共同的胼胝質(zhì)壁包圍，成為四分體，4個小孢子排列成四面體形（圖1-F～H）。四分體直徑約40 μm。減數(shù)分裂時期對應(yīng)的花蕾長度在1～1.6 mm。

隨著發(fā)育的進行，胼胝質(zhì)壁消失，小孢子游離。剛從四分體游離出來的小孢子形狀不穩(wěn)定，多數(shù)較扁平，直徑約40 μm，厚約20 μm（圖1-I），后來變成橢球形，長約35 μm，寬約25 μm（圖1-J～L）。小孢子是雄配子體的第1個細(xì)胞，即單核花粉。單核花粉經(jīng)歷不均等有絲分裂，產(chǎn)生1個大的營養(yǎng)細(xì)胞和1個小的生殖細(xì)胞。開花當(dāng)天，花粉成熟，花粉粒直徑約45 μm，含大量脂滴（圖1-M，N）。小孢子時期對應(yīng)的花蕾長度在1.6～4 mm，更大的花蕾則進入二細(xì)胞花粉時期，該時期花蕾長度范圍較大。

花藥壁分化出4層細(xì)胞，最外一層細(xì)胞為表皮，向內(nèi)是藥室內(nèi)壁，再向內(nèi)是單層細(xì)胞的中層，最里面是單層細(xì)胞的絨氈層。絨氈層細(xì)胞變化大，在小孢子母細(xì)胞時期呈扁平狀，徑向長度約4 μm，細(xì)胞質(zhì)濃，液泡較?。▓D1-B，C）；到減數(shù)分裂開始時，絨氈層細(xì)胞明顯膨大，徑向長度增至10 μm，液泡變大，位于細(xì)胞內(nèi)側(cè)（圖1-D，E）；四分體時期，絨氈層細(xì)胞進一步膨大，徑向長度增至20 μm，液泡變小，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)大量脂滴（圖1-H）；小孢子時期，絨氈層部分細(xì)胞凝縮、死亡，其他細(xì)胞橫向膨大，向著藥室的一側(cè)形成曲面（圖1-K，L）。開花前，絨氈層細(xì)胞基本消失，只剩下部分極度凝縮的細(xì)胞，呈凸透鏡形（圖1-M）。絨氈層細(xì)胞始終保持原來的位置，直到完全解體、消失。

花藥表皮分化出大量表皮毛，表皮毛一直生存到花粉成熟時期。表皮毛為單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞肥大，細(xì)胞質(zhì)濃，不含大液泡，只含小液泡，具有腺性細(xì)胞的特征，屬于腺毛。小孢子母細(xì)胞時期，腺毛長約20 μm（圖1-O），隨著花粉發(fā)育進展，腺毛逐漸伸長，至小孢子時期，長達150 μm（圖1-P～R）。花粉成熟時期，腺毛細(xì)胞內(nèi)小液泡增多，細(xì)胞表面發(fā)生凹陷，含有小液泡（圖1-S）。

3 討論

被子植物小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂伴隨著胼胝質(zhì)壁的發(fā)生，減數(shù)分裂產(chǎn)生的4個小孢子被共同的胼胝壁包圍在一起，即形成四分體，四分體內(nèi)小孢子排列成四面體形或十字形。筆者研究表明，甜瓜四分體內(nèi)小孢子排列成四面體形，這與西瓜[6]和南瓜[8]等瓜類作物中的情況一樣，表明小孢子在四分體中的四面體形排列可能是瓜類作物的普遍特征。

圖1 甜瓜花藥與花粉

被子植物花粉粒由營養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞或2個精子構(gòu)成，營養(yǎng)細(xì)胞為花粉萌發(fā)和花粉管的伸長儲備營養(yǎng)和能量。貯藏物質(zhì)的主要形式包括淀粉和脂滴，如果成熟花粉中的貯藏物質(zhì)以淀粉為主，這樣的花粉屬于淀粉質(zhì)花粉；如果以脂滴為主，這樣的花粉就屬于脂質(zhì)花粉[5]。本研究結(jié)果表明，甜瓜成熟花粉中的貯藏物質(zhì)是脂滴，因而甜瓜花粉屬于脂質(zhì)花粉。西瓜[9]花粉也是脂質(zhì)花粉，而南瓜花粉是淀粉質(zhì)花粉。貯藏物質(zhì)形式似乎與花粉粒大小有相關(guān)性，體積大的花粉傾向于積累能量較低的淀粉，體積較小的花粉傾向于積累能量較高的脂滴，例如，南瓜[8]花粉粒直徑達150 μm，積累淀粉；西瓜[9]花粉粒直徑60 μm，積累脂滴；甜瓜花粉粒直徑45μm，積累脂滴；玉鳳花屬[10-11]花粉粒直徑小于25μm，既不含淀粉粒也不含脂滴。玉鳳花屬花粉粒營養(yǎng)細(xì)胞含有無數(shù)小泡，這些小泡可能是貯藏可溶性物質(zhì)的場所。

被子植物花藥壁的中層和絨氈層的細(xì)胞層數(shù)因植物種類而變化，中層的細(xì)胞層數(shù)在有些植物中為2層，如西瓜[6]和南瓜[7]，而在有些植物中僅1層，本研究結(jié)果表明，甜瓜花藥壁的中層只含1層細(xì)胞。除表皮外，花藥壁各層細(xì)胞均由壁細(xì)胞衍生，壁細(xì)胞分裂次數(shù)決定花藥壁的細(xì)胞層數(shù)，即壁細(xì)胞分裂次數(shù)多，則花藥壁細(xì)胞層數(shù)多，顯然，與西瓜[6]和南瓜[7]相比，甜瓜花藥壁細(xì)胞分裂次數(shù)較少。多數(shù)植物絨氈層由1層細(xì)胞組成，如西瓜[6]和南瓜[7]；僅少數(shù)植物絨氈層由2層細(xì)胞組成[5]。甜瓜絨氈層只含1層細(xì)胞，與西瓜、南瓜等瓜類作物一致。絨氈層可分為腺質(zhì)絨氈層和變形絨氈層2種類型，前者在整個發(fā)育過程中始終保持在原來的位置，通過細(xì)胞的內(nèi)表面產(chǎn)生分泌物，為花粉發(fā)育提供營養(yǎng)和能量，直到細(xì)胞完全自溶；后者的主要特征是細(xì)胞較早地發(fā)生內(nèi)壁和徑向壁解體，原生質(zhì)突出并移動到花藥室中并融合形成周原質(zhì)團，被發(fā)育中的花粉粒吸收利用。甜瓜絨氈層細(xì)胞始終保持在原來的位置，直到完全自溶，因而為腺質(zhì)絨氈層。

植物表皮毛由表皮細(xì)胞發(fā)育而成，有多細(xì)胞表皮毛和單細(xì)胞表皮毛，有分支表皮毛或不分支表皮毛，有具分泌能力的表皮毛（腺毛），有不具分泌能力的非腺性表皮毛[12-15]。單細(xì)胞腺毛膨大、細(xì)胞質(zhì)豐富，多細(xì)胞腺毛通常分化為頭部和柄部[16-17]。表皮毛通常發(fā)生在幼莖、葉、花萼等器官表面，本研究結(jié)果還表明，表皮毛還可發(fā)生在花藥表面，甜瓜花藥表皮產(chǎn)生單細(xì)胞表皮毛，細(xì)胞肥大，細(xì)胞質(zhì)濃，屬于單細(xì)胞腺毛。甜瓜花藥壁腺毛的功能尚不清楚，可能具有生態(tài)學(xué)意義，有助于吸引傳粉昆蟲。

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Embryological characteristics of male flowers of Cucumis melo

ZHOU Xue，XIA Zhengyan，QU Shengnan，GE Shujun，ZHAO Dan，SUN Qing，LIU Lin

（College of Pharmacy，Linyi University，Linyi 276005,Shandong,China）

In order to understand the anther wall structure and pollen developmental features of Cucumis melo，anthers of different developmental stages were observed by microscopy.The meiosis of the microspore mother cell gave rise to four microspores，which were arranged in a tetrahedroid pattern within a common callose wall.Mature pollen grains，which were 45 μm in diameter，contained numerous lipid droplets and therefore belonged to lipidic type.The anther wall was comprised of epidermis，endothecium，middle layer and tapetum，each consisting of a single celled layer.The tapetal cell was degenerated on its original location and so the tapetum belonged to glandular type.The epidermis developed a lot of single celled trichomes.The trichome cell was enlarged and contained rich cytoplasm and survived until the pollen grains got mature.

Cucumis melo；Male flower；Anther；Pollen

2016-03-03；

：2017-03-23

山東省自然科學(xué)基金（ZR2015HL115）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201610452025）

：周雪，女，在讀本科生，研究方向為藥用植物資源學(xué)。E-mail：zhouxue_1020@163.com

劉林，男，教授，研究方向為植物發(fā)育與細(xì)胞生物學(xué)。E-mail：liulin@lyu.edu.cn