中國(guó)特有珍稀瀕危水生植物海菜花大孢子發(fā)生及雌配子體發(fā)育

翟書(shū)華　殷根深　侯思名

摘要：用石蠟切片法對(duì)我國(guó)特有珍稀瀕危水生植物海菜花的大孢子發(fā)生及雌配子體的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行解剖學(xué)研究，探討其繁殖生物學(xué)特性。結(jié)果表明：海菜花雌蕊為3心皮，每心皮胚珠多數(shù)，胚珠倒生，雙珠被，厚珠心。功能大孢子位于珠孔端，胚囊發(fā)育蓼型。大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)育情況基本正常。此外，還能觀察到雌花內(nèi)有雄蕊退化的痕跡。

關(guān)鍵詞：海菜花；大孢子；發(fā)生；雌配子體；雌花形態(tài)結(jié)構(gòu)；發(fā)育形態(tài)；繁殖；生物學(xué)特性；胚胎學(xué)特征；雄蕊退化

中圖分類(lèi)號(hào)： S6823201文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0229-02

收稿日期：2017-04-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：3136O065）。

作者簡(jiǎn)介：翟書(shū)華（1963—），男，教授，從事資源植物學(xué)與生理生態(tài)學(xué)的教學(xué)和研究。E-mail：937701466@qqcom。

通信作者：殷根深，博士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事植物學(xué)教學(xué)和研究。E-mail：252351015@qqcom。

海菜花[Ottelia acuminata（Gagnep） Dandy]為水鱉科（Hydrocharitaceae）水車(chē)前屬植物，別稱(chēng)異葉水車(chē)前、龍爪菜、海菜等，多年生大型沉水植物，是中國(guó)特有的國(guó)家三級(jí)重點(diǎn)保護(hù)珍稀瀕危水生植物[1-2]。曾經(jīng)廣泛分布于中國(guó)西南、華南諸省，特別是在廣西西南部高原臺(tái)地的河溪與云南湖泊中能形成穩(wěn)定的沉水植物群落?？晒┯^賞、食用、藥用，也可作為鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)等動(dòng)物的飼料，另外還可以用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[3-4]。但是，由于水體污染、干旱、水位下降、人類(lèi)的過(guò)度采撈等，導(dǎo)致海菜花的數(shù)量急劇下降[4]。近年來(lái)，海菜花屬植物在分類(lèi)學(xué)、生態(tài)學(xué)、核型研究等方面的報(bào)道不斷增多[5-10]，但是對(duì)海菜花有性生殖過(guò)程中大孢子的發(fā)生和雌配子體的發(fā)育未見(jiàn)報(bào)道。本研究對(duì)海菜花大孢子的發(fā)生和雌配子體的發(fā)育情況進(jìn)行顯微觀察，從生殖生物學(xué)的角度探討海菜花是否存在生殖障礙，為其瀕危機(jī)制、繁育和保護(hù)研究提供理論依據(jù)。

1材料與方法

11材料的采集與栽培

活體材料采自于云南省鶴慶縣黑龍?zhí)叮ň幪?hào)為HQH-1，100°10′044″E、26°35′400″N，海拔2 192 m）和劍川縣金華鄉(xiāng)格美江（編號(hào)為JCJ-1，96°56′590″E、26°31′134″N，海拔 2 140 m），移栽到昆明學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)系實(shí)驗(yàn)樓中，栽培基質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)土（3份沙 ∶6份紅壤土 ∶1份腐殖質(zhì)土 ∶005份有機(jī)肥，均為質(zhì)量比，本試驗(yàn)所用單位為kg），沉入玻璃缸中，定期人工加水、換水、施肥、打撈藻類(lèi)、螺類(lèi)和換土等。

12方法

在開(kāi)花期間采集雌花，根據(jù)花蕾大小分組，清洗后用FAA固定，置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。在解剖鏡下對(duì)雌花進(jìn)行解剖，觀察其形態(tài)特征，并記錄拍照。鐵釩-蘇木精整體染色，石蠟切片法制片，切片厚度8～12 μm，中性樹(shù)膠封片，徠卡數(shù)碼顯微鏡（DM2500）下觀察并拍照。

2結(jié)果與分析

21雌花的形態(tài)結(jié)構(gòu)

海菜花為單性花，雌雄異株，據(jù)筆者20多年的觀察，只要?dú)鉁剡m宜即可常年開(kāi)花。每個(gè)雌花花序有3枚綠色總苞，佛焰苞中有2～4枚雌花，雌花有花萼3枚，綠色披針形，花瓣3枚，長(zhǎng)1～35 cm，基部黃色，上部白色，倒心形，花柱3枚，橙黃色，分2叉，長(zhǎng)約14 cm，退花雄蕊3枚，黃色，線形。雌蕊3心皮3室，子房下位，呈狹長(zhǎng)的不規(guī)則三棱柱狀，子房?jī)?nèi)有3列倒生的胚珠，胚珠多數(shù)。

22大孢子發(fā)生

海菜花的胚珠著生于心皮的側(cè)膜胎座（圖1-a）上，子房壁內(nèi)表皮下的細(xì)胞平周分裂，產(chǎn)生胚珠原基（圖1-a），胚珠原基繼續(xù)分裂分化，頂端發(fā)育成珠心，基部發(fā)育成珠柄（圖1-b）。珠心表皮細(xì)胞下分化出1個(gè)孢原細(xì)胞，孢原細(xì)胞不斷發(fā)育，體積逐漸增大，細(xì)胞核大而明顯，易區(qū)別于周?chē)闹樾募?xì)胞，孢原細(xì)胞經(jīng)過(guò)平周分裂形成周緣細(xì)胞和造孢細(xì)胞，周緣細(xì)胞經(jīng)過(guò)平周分裂和垂周分裂形成珠心組織，造孢細(xì)胞發(fā)育成1個(gè)胚囊母細(xì)胞（圖1-c），與周?chē)闹樾募?xì)胞、表皮細(xì)胞相比，其體積較大、細(xì)胞質(zhì)濃、細(xì)胞核大，胚囊母細(xì)胞經(jīng)過(guò)2次分裂形成4個(gè)細(xì)胞，其中1個(gè)為功能性大孢子，功能性大孢子逐漸發(fā)育成單核胚囊（圖1-d），隨即進(jìn)入雌配子體發(fā)育。在大孢子發(fā)生的過(guò)程中，內(nèi)外珠被細(xì)胞也在不斷分裂發(fā)育并逐漸包圍珠心，最后生長(zhǎng)到胚珠頂端，與胚珠頂端愈合在一起，并且在愈合處形成珠孔，為成熟的花粉粒進(jìn)入胚珠內(nèi)與卵細(xì)胞結(jié)合提供通道。

23雌配子體發(fā)育

單核胚囊經(jīng)過(guò)1次分裂，形成2個(gè)核，2個(gè)核分別反方向向胚囊兩端移動(dòng)， 形成二核胚囊（圖1-e），二核胚囊不斷發(fā)

育成熟，再次分裂為四核胚囊（圖1-f），四核胚囊發(fā)育成熟后再次進(jìn)行分裂，形成八核胚囊，胚囊近珠孔端有3個(gè)細(xì)胞，合點(diǎn)端有3個(gè)細(xì)胞，中央有2個(gè)極核（圖1-g），胚囊發(fā)育屬蓼型。隨著胚囊的繼續(xù)發(fā)育，合點(diǎn)端的3個(gè)反足細(xì)胞一段時(shí)間后逐漸退化消失。珠孔端為2個(gè)助細(xì)胞和1個(gè)卵細(xì)胞形成的卵器，中央的2個(gè)極核形成1個(gè)中央細(xì)胞。分化的卵細(xì)胞細(xì)胞核較大且明顯，細(xì)胞質(zhì)較濃，隨后細(xì)胞體積增大。卵細(xì)胞是胚囊的核心部分，是雌配子。助細(xì)胞剛分化時(shí)呈楔形，2個(gè)助細(xì)胞與卵細(xì)胞構(gòu)成卵器，位于細(xì)胞的珠孔端，助細(xì)胞成熟后，珠孔端會(huì)分化出絲狀器（圖1-h）延伸到2個(gè)助細(xì)胞中部與之聯(lián)合，在成熟胚囊里助細(xì)胞沒(méi)有退化。反足細(xì)胞位于胚囊的合點(diǎn)端，3個(gè)反足細(xì)胞分化后很快就開(kāi)始退化，細(xì)胞退化開(kāi)始的時(shí)間比胚囊內(nèi)其他細(xì)胞早一些，成熟的胚囊中有時(shí)僅見(jiàn)胚囊的合點(diǎn)端有一些染色較深的反足細(xì)胞退化團(tuán)塊（圖1-i）。

3討論與結(jié)論

31海菜花的生物學(xué)特征

海菜花為單子葉植物，單性花，雌雄異株，雄花和雌花都形成花葶，發(fā)育順序外向式，這一結(jié)果與王玉國(guó)等報(bào)道的路南海菜花的花器官發(fā)生的結(jié)論[11]相一致。據(jù)筆者20余年的栽培觀察，其主要繁殖方式為有性生殖，當(dāng)種子成熟后落入水中萌發(fā)或進(jìn)入泥土后萌發(fā)繁殖，也有觀察到海菜花克隆繁殖的現(xiàn)象。在海菜花栽培過(guò)程中，要求水質(zhì)清澈，須經(jīng)常換水，否則易滋生大量藻類(lèi)，吸附在海菜花葉片上，嚴(yán)重影響生長(zhǎng)繁殖，隨著藻類(lèi)數(shù)量的增加而導(dǎo)致死亡，這與李杰等報(bào)道的海菜花生長(zhǎng)抑制藻類(lèi)的結(jié)論[12]有不同的情況。

32海菜花的胚胎學(xué)特征

在被子植物中，大孢子母細(xì)胞經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂之后形成的四分體一般呈線形排列或T形排列，在本試驗(yàn)中觀察到呈線形排列的四分體，但沒(méi)有觀察到T形排列的四分體；而海菜花功能大孢子是移動(dòng)到珠孔端，而不是合點(diǎn)端，這與多數(shù)功能大孢子位于合點(diǎn)端的被子植物不同，但與王玉國(guó)等的結(jié)果[11]相同，是海菜花的一個(gè)重要生殖特征。

筆者還觀察到大孢子發(fā)生、雌配子體形成與胚胎發(fā)育中均發(fā)現(xiàn)了敗育現(xiàn)象，其中不同地區(qū)的敗育率不同，在大孢子發(fā)生階段敗育低，而在之后發(fā)育階段中，敗育率明顯增加，但敗育率有所不同，同一采集點(diǎn)同一發(fā)育階段敗育率差別不大，也有極少數(shù)種群敗育率有明顯增加或減少的現(xiàn)象。據(jù)此推斷，海菜花雌蕊的敗育現(xiàn)象與生長(zhǎng)地區(qū)的海拔、溫度、水質(zhì)等環(huán)境有一定的關(guān)系，但關(guān)聯(lián)度有待研究。

33雌花中雄蕊退化的系統(tǒng)學(xué)啟示

在海菜花花部器官的解剖中發(fā)現(xiàn)，雄花中心有雌蕊退化的痕跡，雌花中有雄蕊退化的痕跡。由此推測(cè)，其原始祖先為兩性花，在長(zhǎng)期的演化過(guò)程中，花部器官逐漸發(fā)生了變化，由兩性花演變?yōu)閱涡曰?，且雌雄異株，這種改變帶來(lái)的生物學(xué)意義是顯而易見(jiàn)的?？梢员苊庾越粠?lái)的遺傳多樣性降低的不利影響，促進(jìn)個(gè)體間甚至是居群間的基因交流。其雄花與雌花均輪狀著生，由內(nèi)向外發(fā)育，這使得每一個(gè)花序的開(kāi)放周期變長(zhǎng)，提高了雄蕊的傳粉、花粉的擴(kuò)散及花粉輸出率等，增強(qiáng)了雌蕊接受外來(lái)花粉與受精的概率，從而使雄花與雌花的開(kāi)放時(shí)間與周期得以改變，保證優(yōu)良性狀的穩(wěn)定遺傳，進(jìn)而使得海菜花可以更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，維持種群的生存[14]。

通過(guò)對(duì)海菜花花的形態(tài)結(jié)構(gòu)與胚胎發(fā)育過(guò)程研究，為海菜花屬植物的繁殖生物學(xué)和傳粉生物學(xué)提供理論依據(jù)，為探討海菜花屬植物在水鱉科中的分類(lèi)地位及親緣關(guān)系提供胚胎學(xué)資料，為該種植物的栽培、引種馴化及保育提供科學(xué)依據(jù)。

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