大花耬斗菜雄蕊發(fā)育過程研究

王金耀 ，楊 陽 ，，宋紅賢 ，李 森 ，邢國明 ，亢秀萍

（1.山西農(nóng)業(yè)大學園藝學院，山西 太谷 030801；2.呂梁學院生命科學系，山西 呂梁 033000）

大花耬斗菜（Aquilegia glandulosa）是毛茛科耬斗菜屬的宿根花卉，其花型獨特如漏斗，花大而繁多，花色亮麗，花期長且耐寒，有很高的觀賞價值[1-2]。耬斗菜展現(xiàn)出廣泛的生態(tài)學和形態(tài)學多樣性，保持了較高的種間雜交親和性[3-4]，因經(jīng)，開展耬斗菜的生理和形態(tài)的功能遺傳學分析，對被子植物進化研究具有很大的價值[5]。此外，退化雄蕊不能產(chǎn)生可育花粉，不能發(fā)揮雄性生殖的作用，但是在進化過程中，一部分退化雄蕊獲得了一些新功能[6]，幫助植物繁殖，研究不同的近緣關系的物種間退化雄蕊的功能差異，可揭示退化雄蕊在被子植物系統(tǒng)進化中的意義[7-8]。

本研究利用常規(guī)石蠟切片技術，從顯微水平上觀察了大花耬斗菜低溫春化后雄蕊原基分化及發(fā)育的過程，掌握大花耬斗菜的生殖發(fā)育規(guī)律，以期為耬斗菜退化雄蕊作用的研究提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為大花耬斗菜（Aquilegia glandulosa），種子購買于泛美種子公司。

1.2 試驗方法

2015年1月在山西農(nóng)業(yè)大學日光溫室苗床播種大花耬斗菜種子，待幼苗長至12片葉時，放置于人工氣候箱為5℃低溫春化處理，處理結束將植株放置在日均溫為20℃的自然條件下生長，每3 d取材一次。取材后剝去外層蓮座葉，露出小葉包裹的莖尖，立即放入FAA固定液中固定并保存[9]，常規(guī)石蠟切片，采用番紅-固綠雙重染色法[10-11]在低倍顯微鏡下進行觀察。

2 結果與分析

2.1 大花耬斗菜雄蕊的形態(tài)結構

耬斗菜花呈輻射對稱，由外到內依次是5枚萼片、5枚花瓣和雄蕊群（圖1-1）。雄蕊多數(shù)，共10輪，每輪有5枚雄蕊，其中5輪雄蕊與萼片對生，5輪與花瓣對生，顯示出雄蕊群輪間交互（圖1-2）。雄蕊群外部的花絲短，花藥較大；靠近內側花絲伸長，花藥逐漸變小。退化雄蕊的花絲最長，持續(xù)時間最長，花藥最小?；ńz表皮光滑，圓柱形?；ㄋ幍咨?，呈黃色橢圓形，表面有明顯的分界，分為左右兩半。

2.2 雄蕊原基的發(fā)生與分化

大花耬斗菜的花原基分化出花瓣原基后，頂端分生組織縱向高度隆起呈球狀（圖1-3），在球狀分生組織底部、花瓣原基內側，對稱出現(xiàn)橫向隆起，分化成最外輪雄蕊原基。隆起的組織呈圓柱狀，細胞小，細胞大小相同，細胞質濃密（圖1-4）。

最外輪雄蕊原基發(fā)生后，雄蕊原基繼續(xù)橫向分化生長。其內側的雄蕊原基依次向頂端發(fā)生，可以看出雄蕊原基的發(fā)育順序是由外側向內側，即最外部雄蕊原基首先分化，然后依次產(chǎn)生其他每一輪雄蕊原基，直到最后一個退化雄蕊原基出現(xiàn)。先發(fā)育的外側雄蕊原基最大，依次發(fā)育的內側雄蕊原基逐輪變小，退化雄蕊原基最?。▓D1-5、圖1-6）。

2.3 花絲的發(fā)育

大花耬斗菜雄蕊原基分化結束后，進入了雄蕊的發(fā)育階段，每一個圓柱形的雄蕊原基頂端膨大發(fā)育成花藥，下端發(fā)育成花絲，花絲的結構簡單，最外層是一層角質化的表皮細胞，表皮內是薄壁細胞，中央由維管束貫穿（圖2-1），直達藥隔，為花藥的發(fā)育提供營養(yǎng)物質。從雄蕊群的花絲發(fā)育來看，最頂端的退化雄蕊的花絲生長發(fā)育早于下端雄蕊的花絲發(fā)育，并且從花絲長度來看，上端雄蕊的花絲長度均長于下端的雄蕊花絲。退化雄蕊的花絲在發(fā)育最后階段，中央維管束消失，只剩下角質化的表皮細胞，其他功能雄蕊的花絲不存在上述現(xiàn)象。

2.4 花藥的發(fā)育

全部雄蕊原基分化結束后，頂端即最內層雄蕊頂端最先開始膨大，最下端及最外層的雄蕊發(fā)育明顯滯后。從切片上可以看出，雄蕊的發(fā)育順序是從頂端至下端，最內側向外側離心式發(fā)育。圓柱形雄蕊頂端膨大發(fā)育，最后發(fā)育成橢圓形花藥。從花藥的橫切和縱切可以看出，未成熟大花耬斗菜的花藥分為4個藥室，縱軸長于橫軸，且花藥中央有很明顯的分界。

雄蕊發(fā)育早期，雄蕊頂端外有一層表皮，表皮層內是一群形狀相似、結構簡單、分裂活躍的幼嫩細胞即花藥原始體。從花藥的縱切面看，花藥膨大，花藥中央出現(xiàn)細胞質較濃，染色較深，呈現(xiàn)一列或數(shù)列排布的孢原細胞（圖2-2）。孢原細胞經(jīng)過分裂和分化，外層細胞與表皮一起構成花粉囊的壁層，內層細胞為造孢細胞?；ㄋ幹胁考毎M一步分裂、分化，出現(xiàn)了藥隔和長橢圓形的維管束。

花粉囊最內層為絨氈層，大花耬斗菜絨氈層的細胞比外圍的壁細胞大，多為長方形或多邊形，緊密的排列在花粉囊的內壁，具有多核現(xiàn)象（圖2-4，5）。隨著花藥的發(fā)育，絨氈層細胞開始分解消失。切片觀察中發(fā)現(xiàn)，退化雄蕊也會形成較小的花粉囊，但花粉囊內層絨氈層細胞與正常功能雄蕊不同。

造孢細胞經(jīng)過分裂，形成大量小孢子母細胞，大花耬斗菜小孢子母細胞為圓球形，細胞體積大，原生質濃厚。小孢子母細胞進一步發(fā)育，形成圓球形小孢子（圖2-6）。

2.5 退化雄蕊

在對耬斗菜花部結構的分化發(fā)育觀察中發(fā)現(xiàn)，耬斗菜的退化雄蕊原基位于雄蕊群原基頂端，退化雄蕊是在最后一輪功能雄蕊原基發(fā)生后發(fā)生，之后生長錐頂端變平，開始分化雌蕊原基。說明耬斗菜雄蕊群原基的發(fā)生是向心式發(fā)育。但雄蕊原基發(fā)生后，進入小孢子發(fā)育時期，觀察到退化雄蕊發(fā)育先于下部的功能雄蕊，最后會形成在顯微鏡下觀察到的成熟花粉粒。在退化雄蕊發(fā)育過程中，起初花絲的發(fā)育是正常的，具有正常的結構，但是在發(fā)育中期，維管束和薄壁細胞停止生長，并且慢慢消失，花絲結構只剩下最外層的表皮細胞，花藥中未形成和功能雄蕊一樣的絨氈層結構，同時花粉母細胞體積小，花粉囊較小，并在切片中看到形成了小孢子（圖2-3）。

3 結論與討論

大花耬斗菜花呈輻射對稱，最外層是5片萼片，其次是5片花瓣，內側是雄蕊群，雄蕊多數(shù)，共10輪，每輪有5枚雄蕊，其中5輪雄蕊與萼片對生，其余5輪與花瓣對生，從而顯示出雄蕊群輪間的交互[12]。雄蕊原基的發(fā)育順序是由外側向內側，即最外部雄蕊原基首先發(fā)育，然后依次產(chǎn)生其他每一輪雄蕊原基，直到最后一個退化雄蕊原基出現(xiàn)[13]。因此，耬斗菜花的雄蕊原基的發(fā)生屬于向心式發(fā)生[14]。從雄蕊群的花絲發(fā)育來看，最頂端的退化雄蕊的花絲生長發(fā)育早于下端雄蕊的花絲發(fā)育，并且從花絲長度來看，上端雄蕊的花絲長度均長于下端的雄蕊花絲[15]。退化雄蕊的花絲在發(fā)育最后階段，中央維管束消失，只剩下角質化的表皮細胞，其他功能雄蕊的花絲不存在上述現(xiàn)象。

雄蕊原基分化結束后，頂端及最內層雄蕊頂端最先開始膨大，最下端及最外層的雄蕊發(fā)育明顯滯后。從切片上可以看出，雄蕊的發(fā)育順序是從頂端至下端，及最內側向外側，離心式發(fā)育[16]。圓柱形雄蕊頂端膨大發(fā)育，最后發(fā)育成橢圓形花藥[17-18]。從花藥的橫切和縱切中可以看出，未成熟大花耬斗菜的花藥分為4個藥室，縱軸長于橫軸，且花藥中央有很明顯的分界。

在對耬斗菜花部結構的分化發(fā)育觀察中發(fā)現(xiàn)，耬斗菜的退化雄蕊原基位于雄蕊群原基頂端，退化雄蕊是在最后一輪功能雄蕊原基發(fā)生后發(fā)生，之后生長錐頂端變平，開始分化雌蕊原基，可以看出，耬斗菜雄蕊群原基的發(fā)生是向心式發(fā)育。但雄蕊原基發(fā)生后，進入小孢子發(fā)育時期后，觀察到退化雄蕊發(fā)育先于下部的功能雄蕊，最后會形成在顯微鏡下觀察到的成熟花粉粒。在退化雄蕊發(fā)育的過程中，起初花絲的發(fā)育是正常的，具有正常的結構，但是在發(fā)育中期，維管束和薄壁細胞停止生長，并且慢慢消失，花絲結構只剩下最外層的表皮細胞，花藥中未形成和功能雄蕊一樣的絨氈層結構，同時花粉母細胞體積小，花粉囊較小，并在切片中看到形成了小孢子。退化雄蕊是否可以形成正常的花粉粒，且是否有活力，還需進一步探索。