紅掌大小孢子發(fā)生與雌雄配子體發(fā)育

李心 楊柳燕 顧俊杰

摘要? 選用石蠟切片法觀察了紅掌品種Pandola的大小孢子發(fā)生及雌雄配子體發(fā)育過程。研究結(jié)果表明，紅掌子房為二心皮、二心室，每個子房有2個直生胚珠，胚珠為雙珠被，厚珠心，胚囊發(fā)育為廖型胚囊，成熟胚囊為八核七細(xì)胞胚囊，包括2個助細(xì)胞、1個卵細(xì)胞、2個極核、3個反足細(xì)胞，其中反足細(xì)胞有退化趨勢;紅掌花藥4室，每側(cè)有2個花粉囊，花藥壁從外至內(nèi)由表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層組成，絨氈層為變形絨氈層類型，小孢子減數(shù)分裂類型為連續(xù)型，成熟花粉為2-細(xì)胞型花粉粒;紅掌大小孢子與雌雄配子體發(fā)育狀態(tài)可以由花梗與葉柄的長度比、苞片與花梗的夾角和苞片的顏色來輔助判斷。

關(guān)鍵詞 紅掌;孢子體發(fā)生;配子體發(fā)育;石蠟切片

Abstract Sporogenesis and gametogenesis of Anthurium andraeanum cv.Pandola were investigated by techniques of paraffin sections.The main results are as follows：The ovary of A.andraeanum is bicarpellary and bilocular.Each ovary has two orthotropous ovules，which is bitegmic and crassinucellate.The development of embryo sac is of an Polygonum type.The mature embryo sac is 7celled and 8nucleate type，including two synergids，one egg cell，two polar nucleis and three antipodal cells，and the antipodal cells have a degradation trend.The anthers of A.andraeanum are tetrasporangiate.Each side has two sporangials.The anther wall is composed of epidermis，endothecium，middle layer，tapetum from outside to inside.The tapetum belongs to a deformation type.The cytokinesis in the microsporocyte meiosis is successive，and the mature pollen grains are 2celled.The stage of sporogenesis and gametogenesis of A.andraeanum can be inferred by the length ratio of pedicel to petiole，the angle between bract and pedicel and the color of bract.

Key words Anthurium andraeanum;Sporogenesis;Gametogenesis;Paraffin sections

紅掌（Anthurium andraeanum Linden.），又名花燭、安祖花等，為天南星科花燭屬多年生草本花卉，因花型獨(dú)特，佛焰苞鮮艷亮麗，色彩豐富，花期長，葉型別致，觀葉觀花俱佳，已成為僅次于熱帶蘭的第二大熱帶花卉種類，也是我國目前流行的花卉之一[1-3]。我國自20世紀(jì)90年代規(guī)模化栽培紅掌，目前其已成為國內(nèi)多數(shù)地區(qū)的重要設(shè)施栽培切花和盆栽花卉，并有不斷普及的趨勢。但我國的主要栽培品種種苗主要從國外引進(jìn)，自主產(chǎn)權(quán)的品種偏少，根據(jù)紅掌生長開花對環(huán)境條件的要求，需要配置較強(qiáng)的設(shè)施環(huán)境條件，造成國內(nèi)多數(shù)地區(qū)設(shè)施栽培的加溫、降溫等成本居高不下。因此，加快培育適宜我國不同氣候條件的自主產(chǎn)權(quán)品種顯得尤為迫切。

紅掌的育種進(jìn)程中，雜交選育發(fā)揮了重要作用，目前依然是新品種培育的主要手段。國內(nèi)的研究主要集中在種質(zhì)資源[4-6]、栽培管理[7-8]、抗性生理[9-10]和種苗繁殖[11-13]等方面，而雜交選育研究處于起步階段[14-16]，在花發(fā)育和生殖生物學(xué)等領(lǐng)域的系統(tǒng)研究報道較少。紅掌生長到一定階段后呈現(xiàn)“一葉一花”的連續(xù)開花與生長發(fā)育模式，花序為肉穗花序，雌蕊發(fā)育與成熟期早于雄蕊，有必要對發(fā)育進(jìn)程進(jìn)行顯微觀測研究。

該研究采用石蠟切片法，對紅掌大小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育進(jìn)行顯微觀測，并對發(fā)育進(jìn)程與形態(tài)特征進(jìn)行對應(yīng)分析，為紅掌雜交育種和胚胎學(xué)研究提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

試驗材料為紅掌品種Pandola（A.andraeanum cv.Pandola）開花期植株，種植于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室大棚，塑料盆栽培，基質(zhì)為進(jìn)口泥炭，參照相關(guān)技術(shù)進(jìn)行栽培管理。

2018年春季，根據(jù)觀賞器官苞片的不同發(fā)育狀態(tài)與長度大小，分批采集靠近苞片處的肉穗花序，F(xiàn)AA固定液（90 mL 70%乙醇、5 mL冰醋酸，5 mL福爾馬林）固定，常規(guī)石蠟切片法制片，切片厚度8～12 μm，愛氏蘇木精片染30 min，自來水水洗反藍(lán)，經(jīng)脫水透明封片后，Nikon光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行大小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育過程觀測，并拍照記錄。

2 結(jié)果與分析

紅掌為肉穗花序，花序上著生小花均為兩性花，每朵花具4花被、4雄蕊、2心皮?；ㄐ蛏闲』òl(fā)育進(jìn)程不一致，底部發(fā)育早，頂部發(fā)育晚，從下至上依次成熟。形態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)紅掌柱頭分泌粘液的時間早于雄蕊散粉15～20 d。

2.1 大孢子發(fā)生與雌配子體發(fā)育進(jìn)程 Pandola肉穗花序基部的子房石蠟切片結(jié)果表明（圖1），紅掌子房為二心皮，二心室（圖1a）;每個子房有2個直生胚珠，胚珠為雙珠被，厚珠心（圖1e）;胚囊發(fā)育為廖型胚囊（圖1c）;成熟胚囊為八核七細(xì)胞胚囊（圖1f～g），包括2個助細(xì)胞、1個卵細(xì)胞、2個極核、3個反足細(xì)胞。

子房發(fā)育早期，胚珠原基產(chǎn)生于心皮的腹縫線處（圖1a），細(xì)胞大小較為均勻一致，隨后表皮內(nèi)部出現(xiàn)一個體積較大細(xì)胞，其液泡較大，核仁明顯，即為孢原細(xì)胞（圖1b），孢原細(xì)胞直接發(fā)育為大孢子母細(xì)胞，并經(jīng)2次減數(shù)分裂產(chǎn)生4個大孢子細(xì)胞（圖1c），其中靠近珠孔端的3個細(xì)胞退化消失，合點(diǎn)端大孢子細(xì)胞則繼續(xù)發(fā)育，經(jīng)3次有絲分裂后形成八核胚囊，第1次有絲分裂形成的2個核分別移至兩極，從而建立了極性，當(dāng)?shù)?次有絲分裂完成后，珠孔端和合點(diǎn)端各有4個核，其中各有1個核移至中央構(gòu)成2個核的中央細(xì)胞，另外珠孔端的三核分別發(fā)育成1個卵細(xì)胞和2個助細(xì)胞，合點(diǎn)端的三核均發(fā)育成反足細(xì)胞，并在成熟胚囊中有退化趨勢。

2.2 小孢子發(fā)生與雄配子體發(fā)育

Pandola肉穗花序基部的花藥石蠟切片結(jié)果表明（圖2），Pandola紅掌花藥具有4個花粉囊，中部為藥隔，每側(cè)有2個花粉囊（圖2b），在成熟后合并為1室，并開裂散出花粉，成熟花粉為2-細(xì)胞型花粉粒（圖2g）。

雄蕊原基剛形成時，表皮細(xì)胞內(nèi)是大小基本一致的薄壁細(xì)胞，并未開始分化（圖2a）。之后由于花藥4個角隅細(xì)胞分裂較快，使花藥變成4個瓣裂狀，花藥中部形成維管束，并發(fā)育成藥隔。接著表皮內(nèi)出現(xiàn)了孢原細(xì)胞（圖2b），孢原細(xì)胞經(jīng)平周與垂周分裂形成初生壁和造孢細(xì)胞群。初生壁進(jìn)一步分裂與分化形成了4層花粉壁結(jié)構(gòu)，由外至內(nèi)為表皮、藥室內(nèi)壁、中層、絨氈層。造孢細(xì)胞則分化形成小孢子母細(xì)胞（圖2c）。小孢子母細(xì)胞的體積較大，細(xì)胞質(zhì)濃，沒有明顯液泡。

隨后，中層細(xì)胞解體，絨氈層也發(fā)育至高峰后開始解體，并形成原生質(zhì)體團(tuán)移動至花藥腔中，營養(yǎng)供應(yīng)小孢子發(fā)育，此類型絨氈層被稱為變形絨氈層（圖2d～e）。小孢子母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂期，經(jīng)第1次減數(shù)分裂形成2分體，第2次減數(shù)分裂形成四分體，這2次減數(shù)分裂為連續(xù)型分裂。之后，四分體胼胝質(zhì)壁逐漸消失，形成只有1個核的單核花粉粒，即小孢子;剛剛游離出的小孢子，細(xì)胞質(zhì)濃，細(xì)胞核位于細(xì)胞中央，之后不斷吸收解體的絨氈層營養(yǎng)，細(xì)胞迅速變大，細(xì)胞質(zhì)中形成了中央大液泡，細(xì)胞核隨之移到細(xì)胞一側(cè)，形成單核靠邊期花粉粒（圖2f）。之后花粉粒內(nèi)部單核有絲分裂形成生殖核和營養(yǎng)核，之后不斷發(fā)育成熟，形成2-細(xì)胞型花粉粒。

2.3 大小孢子與雌雄配子體發(fā)育過程中的紅掌苞葉形態(tài)變化關(guān)聯(lián)分析

紅掌Pandola品種的大小孢子與雌雄配子體的發(fā)育是隨著觀賞器官苞片的成長而進(jìn)行的（圖3、表1），當(dāng)苞片頂端剛剛伸出葉柄基部時（圖3a），苞片與花梗夾角為180°，苞片顏色為嫩綠色，此時大小孢子均處于未分化期，雌雄蕊原基剛剛形成，心室還未成形;當(dāng)苞片底端剛剛伸出葉柄基部時（圖3b），苞片與花梗夾角仍為180°，苞片色彩開始積累，上部呈淺粉色，下部仍呈淺綠色，小孢子處于孢原細(xì)胞時期，大孢子處于未分化期;當(dāng)花梗長度約為葉柄長度1/3時（圖3c），苞片與花梗夾角仍為180°，苞片從上至下均已呈現(xiàn)淺粉色，此時小孢子處于小孢子母細(xì)胞時期，大孢子處于孢原細(xì)胞期;當(dāng)花梗長度約為葉柄長度2/3時（圖3d），苞片與花梗夾角約為160°，苞片呈現(xiàn)粉紅色，此時小孢子發(fā)育階段不完全一致，處于減數(shù)分裂期或四分體時期，大孢子則基本處于四分體時期;當(dāng)花梗長度與葉柄長度基本一致時（圖3e），苞片與花梗夾角約為135°，苞片色彩進(jìn)一步加深，此時雄配子體發(fā)育至單核靠邊期，雌配子體則處于二核胚囊期;當(dāng)花梗長度超過葉柄長且佛焰苞盛開時（圖3f），苞片與花梗夾角約為90°，苞片著色完成，此時雌雄配子體均發(fā)育成熟。

3 討論

胚胎學(xué)特征是植物親緣關(guān)系判斷、系統(tǒng)進(jìn)化進(jìn)程的重要依據(jù)[17]。比較紅掌與天南星科的魔芋屬[18]、芋屬[19]、馬蹄蓮屬[20]的胚胎學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)它們具備很多一致的特征：連續(xù)型胞質(zhì)分裂、變形型絨氈層、2-細(xì)胞型花粉粒、雙珠被、廖型胚囊等，說明這幾個屬親緣關(guān)系較近。一般認(rèn)為，雙珠被、厚珠心、廖型胚囊、2-細(xì)胞型花粉粒為比較原始的特征[21]，而直生胚珠相對倒生胚珠則比較進(jìn)化[22]。紅掌既具有相對原始的特征，又具有相對進(jìn)化的特征，因此認(rèn)為花燭屬在天南星科中屬于由原始向進(jìn)化過渡的類群。

成功的有性生殖過程保證了植物群體的擴(kuò)大和育種效率的提高，目前研究表明，大小孢子和雌雄配子體發(fā)育進(jìn)程受到阻礙是植物生殖失敗的重要原因。該研究發(fā)現(xiàn)，紅掌雌雄蕊發(fā)育不同步，早期雄蕊先于雌蕊發(fā)育，但后期胚囊發(fā)育進(jìn)程極快，使得雌性生殖細(xì)胞早于雄性生殖細(xì)胞成熟。紅掌Pandola品種的大小孢子和雌雄配子體發(fā)育進(jìn)程基本正常，雖有少量敗育花粉，但因其花粉量大，并不會影響其結(jié)實(shí)，因而認(rèn)為紅掌自然結(jié)實(shí)率較低的原因應(yīng)是雌蕊比雄蕊先成熟且相差時間較長所導(dǎo)致。

4 結(jié)論

該研究以紅掌Pandola品種為試驗材料，通過形態(tài)與切片觀測進(jìn)行了紅掌大小孢子和雌雄配子體發(fā)育進(jìn)程觀測。結(jié)果表明，Pandola紅掌子房為二心皮，二心室，每個子房有2個直生胚珠，胚珠為雙珠被，厚珠心，胚囊發(fā)育為廖型胚囊，成熟胚囊為八核七細(xì)胞胚囊，包括2個助細(xì)胞、1個卵細(xì)胞、2個極核、3個反足細(xì)胞，其中反足細(xì)胞有退化趨勢;紅掌花藥4室，每側(cè)有2個花粉囊，花藥壁從外至內(nèi)由表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層組成，絨氈層為變形絨氈層類型，小孢子減數(shù)分裂類型為連續(xù)型，成熟花粉為2-細(xì)胞型花粉粒;Pandola紅掌大小孢子與雌雄配子體發(fā)育狀態(tài)可由花梗與葉柄的長度比、苞片與花梗的夾角和苞片的顏色來輔助判斷。該研究結(jié)果為紅掌的雜交育種和系統(tǒng)進(jìn)化研究提供了理論基礎(chǔ)。

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