峨眉擬單性木蘭雄性不育的細(xì)胞形態(tài)學(xué)及生理生化特性研究

余道平 李策宏 李小杰 陳緒玲 謝孔平

摘 要： ???峨眉擬單性木蘭（Parakmeria omeiensis）是木蘭科（Magnoliaceae）擬單性木蘭屬（Parakmeria）的常綠喬木，屬于國(guó)家Ⅰ級(jí)保護(hù)的極度瀕危植物。為探究峨眉擬單性木蘭兩性花中雄性敗育發(fā)生的時(shí)期及花藥不同發(fā)育時(shí)期的生理生化特性，以兩性花中的不育雄蕊和雄花中的可育雄蕊為材料，利用石蠟切片觀察2種雄蕊的花藥發(fā)育過(guò)程，并測(cè)定不同發(fā)育時(shí)期的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸的含量，分析過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）的活性。結(jié)果表明：（1）不育雄蕊與可育雄蕊在減速分裂時(shí)期出現(xiàn)明顯差異，不育雄蕊的絨氈層致密、沒(méi)有發(fā)育，四分體未形成，隨后解體，花粉囊中無(wú)花粉；可育雄蕊的絨氈層和小孢子母細(xì)胞發(fā)育正常，成熟時(shí)花粉囊開(kāi)裂，花粉粒溢出。（2）不育雄蕊的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量，在減數(shù)分裂時(shí)期、單核期和花粉成熟期都顯著低于可育雄蕊。（3）不育雄蕊POD活性整體呈上升趨勢(shì)，在減數(shù)分裂時(shí)期、單核期和花粉成熟期都顯著高于可育雄蕊；不育雄蕊CAT活性整體呈下降趨勢(shì)，顯著低于同時(shí)期的可育雄蕊。綜上認(rèn)為，兩性花中雄性敗育發(fā)生在減速分裂時(shí)期，其敗育的主要原因是物質(zhì)能量代謝降低，絨氈層沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)育，不能給小孢子母細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；過(guò)氧化氫酶及過(guò)氧化物酶的活性異常，造成細(xì)胞內(nèi)不能及時(shí)清除自由基，使小孢子母細(xì)胞的減數(shù)分裂受阻，無(wú)法形成四分體。該研究結(jié)果為深入開(kāi)展峨眉擬單性木蘭雄性不育的分子機(jī)制、性系統(tǒng)演化機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： ?峨眉擬單性木蘭， 雄性不育， 花藥發(fā)育， 生理生化特性， 形態(tài)學(xué)

中圖分類號(hào)： ??Q944.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ???A

文章編號(hào)： ??1000-3142（2024）01-0126-11

Cytomorphology， physiological and biochemical

characteristics of male sterility plant

in Parakmeria omeiensis

YU Daoping1，2，3，4*[KG-*3]， LI Cehong2，3，4， LI Xiaojie2，3，4， CHEN Xuling2，3，4， XIE Kongping1，2，3，4

（ 1. Sichuan Provincial Institute of Natural Resource Science， Chengdu 610041， China; 2. Emeishan Botanical Garden， Emeishan 614200，

Sichuan， China; 3. Wild Plants Sharing and Service Platform of Sichuan Province， Chengdu 610041， China; 4. Emeishan

Biodiversity Observation and Research Station of Sichuan Province， Emeishan 614200， Sichuan， China ）

Abstract： ??Parakmeria omeiensis an evergreen tree belonged to Parakmeria of Magnoliaceae， is listed as a critically endangered plant under the first-grade State protection. Aimed to clarify the abortion period of male sterility in bisexual flowers of P. omeiensis and its physiological and biochemical characteristics， sterile stamens of bisexual flower and fertile stamens of male flower were test materials， the anther development was observed by paraffin section， the contents of soluble sugar， soluble protein， proline were determined， and catalase （CAT） and peroxidase （POD） activities were analyzed. The results were as follows： （1）Significant difference were detected in meiosis stage in anther development between sterile stamens and fertile stamens， the tapetum layer of sterile stamens was dense and undeveloped， the microspore mother cells didnt develop into the tetrad and subsequently disintegrated， so the pollen sac was empty. The tapetum layer and the microspore mother cells of fertile stamens developed normally， most pollen sac were broken and pollen grain were export. （2）The contents of soluble sugar， soluble protein， proline of sterile stamens were significantly lower than fertile stamens during the stages of meiosis， microspore monuclear and pollen mature. （3） POD activity of sterile stamens increased overall and was significantly higher than fertile stamens during the stages of meiosis， microspore monuclear and pollen mature. CAT activity of sterile stamens decreased as a whole and was significantly lower than fertile stamens in the same stage. We conclude that the microspore abortion occurs at the stage of meiosis， the decrease in metabolism of material and energy causes the abortion of male in bisexual flowers， the tapetum layer dont develop further and it doesnt provide nutrients to the microspore mother cells. CAT and POD activities are abnormal which results in the failure of timely scavenging free radicals in cells， and meiosis of microspore mother cells is blocked， so tetrads fail to be formed.

Key words： ?Parakmeria omeiensis， male sterility， anther development， physiological and biochemical characteristics， cytomorphology

植物雄性不育（male sterility，MS）是指植物體不能產(chǎn)生正常有功能的花粉、花藥或雄配子的遺傳現(xiàn)象（范彥君等，2016）。國(guó)內(nèi)外研究者分別從細(xì)胞發(fā)育、生理生化特性和分子生物學(xué)等領(lǐng)域?qū)χ参镄坌圆挥牧线M(jìn)行了大量研究，并在禾本科（沈亞琦等，2022）、茄科（呂曉菡等，2015；雷剛等，2022）和十字花科（唐鑫等，2021）等多種作物上取得了一系列新進(jìn)展，闡明了這些農(nóng)作物雄性不育發(fā)生敗育的時(shí)期、細(xì)胞學(xué)特征及其基因?qū)π坌圆挥恼{(diào)控作用。但是，對(duì)木本植物的研究相對(duì)較少，并且局限在細(xì)胞形態(tài)學(xué)和生理生化等初步研究上（張博等，2015；劉望舒等，2019；周洋等，2020）。目前，有關(guān)木蘭科植物的生殖發(fā)育研究以觀察大小孢子和雌雄配子體發(fā)育的細(xì)胞形態(tài)為主，探索了小孢子敗育發(fā)生的時(shí)期和細(xì)胞學(xué)特征（譚金桂等，2007；王亞玲和張壽洲，2008；趙興峰等，2008；張鳳娟等，2008；潘麗琴等，2021）。對(duì)甜瓜（Cucumis melo）、高羊茅（Festuca arundinacea）和紫花苜蓿（Medicago sativa）等雄性不育材料的可溶性糖、蛋白質(zhì)和脯氨酸等物質(zhì)含量的研究表明，在不育株材料花器官中，出現(xiàn)物質(zhì)代謝水平降低、脯氨酸虧損現(xiàn)象（盛云燕等，2016；陳偉等，2017；王瑩等，2018）。小麥（Triticum aestivum）和大豆（Glycine max）等不育材料花器官中過(guò)氧化氫酶（catalase， CAT）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）活性多數(shù)低于可育材料，而過(guò)氧化物酶（peroxidase， POD）活性高于或低于可育材料，差異較大（劉子涵等，2017； 楊龍樹(shù)等，2017）。

峨眉擬單性木蘭（Parakmeria omeiensis）為木蘭科（Magnoliaceae）擬單性木蘭屬的常綠喬木，成樹(shù)高為20～25 m。為峨眉山特有種，分布于海拔1 100～1 500 m的常綠闊葉林中，個(gè)體數(shù)量不到100株，被列為國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物（國(guó)家林草局 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，2021），被世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）紅色名錄列為極度瀕危物種（IUCN，2022），是我國(guó)亟待拯救保護(hù)的120種極小種群野生植物之一（國(guó)家林業(yè)局，2012年）。峨眉擬單性木蘭為雄花兩性花異株（胡先骕和鄭萬(wàn)鈞，1951；劉玉壺等，1995），是木蘭科植物中兩性花向單性花過(guò)渡的中間類型（徐鳳霞，1998，2002）。因此，開(kāi)展峨眉擬單性木蘭花發(fā)育的研究對(duì)探討該種的性別分化、木蘭科植物的系統(tǒng)演化具有重要意義。

目前，有關(guān)峨眉擬單性木蘭的研究涉及種群特征 （莊平等，1993）、開(kāi)花物候及繁育系統(tǒng)（余道平和李策宏，2017）、組織培養(yǎng)技術(shù)（陳英和馬明東，2008；余道平等，2011）、野外回歸及遷地保育（余道平等，2010；余道平和李策宏，2017；Yu et al.，2020）。在我們前期的初步觀察中，發(fā)現(xiàn)峨眉擬單性木蘭兩性花中的花藥不開(kāi)裂，無(wú)花粉，雌蕊發(fā)育正常，能受精結(jié)實(shí)，屬于雄性不育，“兩性花”在生理上實(shí)屬單性（雌性），為隱形雌雄異株，繁育系統(tǒng)為專性異交（余道平和李策宏，2017）。然而，關(guān)于該種花發(fā)育的細(xì)胞形態(tài)學(xué)、雄性不育機(jī)制尚不清楚。因此，本研究以兩性花中的不育雄蕊和雄花中的可育雄蕊為材料，采用石蠟切片觀察兩種雄蕊的花藥發(fā)育過(guò)程，并測(cè)定不同發(fā)育時(shí)期可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸的含量，分析過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）的活性，通過(guò)對(duì)兩種雄蕊的細(xì)胞發(fā)育結(jié)構(gòu)、生理生化特性的比較研究，擬探討：（1）兩性花的雄性敗育發(fā)生時(shí)期；（2）絨氈層發(fā)育是否影響小孢子敗育；（3）兩性花的雄性敗育與其物質(zhì)代謝、過(guò)氧化酶活性的關(guān)系。旨在探討兩性花雄性不育的時(shí)間和原因，為后續(xù)深入開(kāi)展峨眉擬單性木蘭雄性不育的分子機(jī)制、性系統(tǒng)演化機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

材料均采自峨眉山植物園內(nèi)峨眉擬單性木蘭雄性不育株（功能性雌株）和雄性可育植株（雄株）。植物園內(nèi)的峨眉擬單性木蘭種群為1989—1993年從峨眉山野外海拔1 200～1 500 m采集的種子培育而成，目前已有25株進(jìn)入開(kāi)花期。該植物園位于103°22′ E、29°35′ N，海拔800 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫為17.3 ℃，絕對(duì)最高溫度為34 ℃，絕對(duì)最低溫度為-3 ℃，年均降水量為1 555.3 mm，年均相對(duì)濕度為85％，年日照時(shí)數(shù)為1 398 h，無(wú)霜期為300 d。

1.2 方法

1.2.1 細(xì)胞發(fā)育觀察 ?在2020 年11月至2021年4月底， 每7 d取1次峨眉擬單性木蘭花芽3～5個(gè)，剝離出雄蕊保存于固定液FAA ［V（70％乙醇）∶V（冰乙酸）∶V（甲醛）＝18∶1∶1］中，并抽真空。采用常規(guī)石蠟制片方法，切片厚度 6～8 μm，先用番紅—固綠（Safranin-Fast Green）對(duì)染法進(jìn)行染色、脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、樹(shù)膠封片，再用Olympus BX251光學(xué)顯微鏡觀察，并照相。

1.2.2 生理生化指標(biāo)測(cè)定 ?隨機(jī)采集兩性花株和雄株不同發(fā)育時(shí)期的花蕾，根據(jù)花蕾的形態(tài)特征，結(jié)合鏡檢結(jié)果及發(fā)育時(shí)間將其分為小孢子母細(xì)胞時(shí)期（花蕾縱徑2.0～2.5 cm）、減數(shù)分裂時(shí)期（花蕾縱徑2.6～3.6 cm）、單核時(shí)期（花蕾縱徑3.7～4.8 cm）、花粉成熟期（花蕾縱徑≥5.0 m）4個(gè)發(fā)育時(shí)期，液氮速凍， -80 ℃冰箱保存待測(cè)。可溶性蛋白含量、可溶性糖含量及游離脯氨酸含量的測(cè)定方法參照王三根（2017）的植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教程。采用試劑盒測(cè)定樣品CAT、POD的含量，試劑盒來(lái)自上海索橋生物有限公司，按照試劑盒使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 雄蕊形態(tài)結(jié)構(gòu)

峨眉擬單性木蘭為單花頂生，具佛焰苞1枚，花被片9～12枚，分內(nèi)、中、外3層，乳白色。 雄花具雄蕊34～42枚，長(zhǎng)2.0～2.5 cm，寬2.0～2.5 mm，花絲鮮紅色，花藥飽滿，花粉量多，成熟時(shí)內(nèi)向開(kāi)裂散粉（圖1：B）；兩性花具雄蕊18～25枚，長(zhǎng)1.5～1.8 cm，寬2.0～2.4 mm，較雄花的短小且扁化，花絲紅棕色，花藥隔紫色，不開(kāi)裂，綠色的雌蕊群呈橢圓狀卵圓形，具短柄（圖1：A，C）。

2.2 花藥不同發(fā)育時(shí)期的顯微結(jié)構(gòu)

2.2.1 小孢子母細(xì)胞時(shí)期

可育花藥從外到里依次為表皮1層、藥室內(nèi)壁2層、中層2層和絨氈層l～2層，絨氈層細(xì)胞核大、染色深，單核、雙核或多核；小孢子母細(xì)胞呈多邊形，排列緊密，胞質(zhì)濃厚（圖2：A）。不育花藥與可育花藥的形狀差別不大，從外到里也由表皮1層、藥室內(nèi)壁2層、中層2層和絨氈層l～2層組成，但絨氈層細(xì)胞排列不整齊、體積較可育的絨氈層小、多為單核（圖2：G）。

2.2.2 減數(shù)分裂期 ?可育花藥減數(shù)分裂前期，中層細(xì)胞開(kāi)始解體， 絨氈層細(xì)胞發(fā)達(dá)， 胞質(zhì)濃厚， 排列整齊規(guī)則，緊貼中層細(xì)胞；小孢子母細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)濃縮，染色質(zhì)開(kāi)始凝聚，隨后染色體變短變粗，開(kāi)始向赤道板移動(dòng)，細(xì)胞質(zhì)發(fā)生縊裂，不伴隨細(xì)胞板的形成（圖2：B；圖3：A，B），第2次減數(shù)分裂完成后形成4核，并被共同的胼胝質(zhì)包圍，減數(shù)分裂為修飾性同時(shí)型。不育花藥的中層細(xì)胞此時(shí)已呈線性，絨氈層細(xì)胞膨大、排列不規(guī)整，與位于藥隔部位的花藥壁脫離，此時(shí)小孢子母細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核發(fā)生收縮，無(wú)細(xì)胞形態(tài)，減數(shù)分裂異常（圖2：H），細(xì)胞出現(xiàn)多極紡錘體（圖3：F）、染色體橋（圖3：D）、染色體落后（圖3：E）、染色體提前分向兩極（圖3：C）、染色體不均等分裂（圖3：G，H）等現(xiàn)象。

2.2.3 四分體時(shí)期 ?可育花藥的小孢子從胼胝質(zhì)壁中釋放出來(lái)時(shí)，中層解體成線形，絨氈層開(kāi)始退化，在四分體后期，整個(gè)絨氈層細(xì)胞染色較深，細(xì)胞形態(tài)消失，排列不規(guī)則，細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)界限不明顯，最后與藥室內(nèi)壁脫離；四分體小孢子的排列方式多為四面體形（圖2：C）。不育花藥中層完全解體，絨氈層沒(méi)有發(fā)育，還是整體在一起，并與藥室內(nèi)壁緊密粘在一起，小孢子繼續(xù)收縮成“骨形”，開(kāi)始解體，不能形成四分體（圖2：I； 圖3：J）。

2.2.4 小孢子單核時(shí)期 ?可育花藥絨氈層開(kāi)始解體，分泌胼胝質(zhì)酶，分解圍繞四分體周圍的胼胝質(zhì)壁，釋放出單核小孢子，常呈球狀或橢圓形，細(xì)胞質(zhì)較濃，細(xì)胞核位于中央。隨后細(xì)胞質(zhì)逐漸變淡，液泡化現(xiàn)象逐漸明顯，小液泡匯集成一個(gè)大液泡，核及細(xì)胞質(zhì)被擠到細(xì)胞的邊緣，成為單核靠邊期（圖2：D）。不育花藥絨氈層細(xì)胞致密，染色深，退化異常，小孢子母細(xì)胞開(kāi)始解體（圖2：J； 圖3：I，J）。

2.2.5 雙核及花粉粒成熟時(shí)期 ?雙核花粉粒形成時(shí)，絨氈層細(xì)胞質(zhì)已基本耗盡，僅留有細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，藥室內(nèi)壁細(xì)胞內(nèi)向壁出現(xiàn)纖維狀加厚（圖2：E），成熟的花粉粒表面有刺突，絨氈層完全降解（圖2：F） 。不育花藥絨氈層薄壁細(xì)胞溶解，填充花粉囊，小孢子母細(xì)胞繼續(xù)解體，逐漸消失（圖2：K），致使整個(gè)藥室內(nèi)無(wú)花粉粒的產(chǎn)生，形成空殼（圖2：L； 圖3：K，L）。

2.3 生理生化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

2.3.1 花藥不同發(fā)育期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量 ?不育雄蕊和可育雄蕊花藥發(fā)育過(guò)程中可溶性蛋白含量的變化如圖4：A所示?？扇苄缘鞍缀吭诓挥廴镏谐氏陆第厔?shì)，在可育雄蕊中呈先升后降趨勢(shì)。在小孢子母細(xì)胞時(shí)期，不育雄蕊略低于可育雄蕊，差異不顯著；在減數(shù)分裂期、單核時(shí)期和花粉成熟期，不育雄蕊顯著低于同時(shí)期可育雄蕊。隨著花藥的發(fā)育，不育雄蕊和可育雄蕊的可溶性糖含量呈遞增趨勢(shì)，且在花藥發(fā)育各時(shí)期，不育雄蕊的可溶性糖含量都低于可育雄蕊（圖4：B）。在小孢子母細(xì)胞時(shí)期，不育雄蕊和可育雄蕊的可溶性糖含量差異不顯著；在減數(shù)分裂期、單核期、花粉成熟期差異顯著。不育雄蕊和可育雄蕊中的游離脯氨酸含量隨花藥的發(fā)育先增加后減少 （圖4：C）。在小孢子母細(xì)胞時(shí)期，不育雄蕊的游離脯氨酸含量顯著高于可育雄蕊，是可育雄蕊的1.2倍；但在減數(shù)分裂期、單核花粉期和花粉成熟期，不育雄蕊顯著低于可育雄蕊。

2.3.2 花藥不同發(fā)育期POD和CAT的活性 ?隨著花藥的發(fā)育，不育雄蕊中的POD活性總體呈遞增趨勢(shì)，而可育雄蕊的POD活性總體呈遞減趨勢(shì)（圖5：A）。在減數(shù)分裂時(shí)期、單核期、花粉成熟期，不育雄蕊的POD活性都顯著高于可育花藥， 分別是可育花藥的1.23倍、1.93倍和2.28倍?；ㄋ幇l(fā)育后2個(gè)時(shí)期不育雄蕊和可育雄蕊的POD活性差距非常大。

不育雄蕊和可育雄蕊的CAT活性均隨花藥發(fā)育呈先升后降趨勢(shì)（圖5：B）。在小孢子母細(xì)胞時(shí)期，兩者差距不顯著；在減數(shù)分裂時(shí)期、單核期、花粉成熟期，不育雄蕊的CAT活性顯著低于可育雄蕊；不育雄蕊CAT活性在減數(shù)分裂期升高， 在單核花粉期開(kāi)始下降?？捎廴顲AT活性在減數(shù)分裂期顯著升高， 在單核花粉期和花粉成熟期逐漸下降。

3 討論與結(jié)論

3.1 峨眉擬單性木蘭兩性花中雄性敗育的時(shí)期及原因

一般認(rèn)為雙子葉植物花粉敗育高峰多發(fā)生在造孢細(xì)胞至四分體時(shí)期，單子葉植物則多發(fā)生在花粉發(fā)育的單核期至二核期（朱英國(guó)，2000）。在已報(bào)道的木蘭科瀕危植物小孢子發(fā)育研究中，其花粉敗育時(shí)期表現(xiàn)多樣化，可發(fā)生在次生造孢細(xì)胞、花粉母細(xì)胞、減速分裂、四分體、單核等多個(gè)時(shí)期（譚金桂，2007；王亞玲和張壽洲，2008；趙興峰等，2008；張鳳娟等，2008；潘麗琴等，2021）。本研究發(fā)現(xiàn)，峨眉擬單性木蘭雄性敗育發(fā)生在小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)期，即花粉母細(xì)胞到四分體這個(gè)階段，這與瀕危植物西疇含笑（Michelia coriacea）和天女木蘭（Magnolia sieboldii）小孢子敗育的時(shí)間一致（趙興峰等，2008；張鳳娟等，2008 ）。不同的雄性不育類型具有不同的敗育表現(xiàn)形式，由于敗育發(fā)生的早遲，因此把雄性不育性分為5種表現(xiàn)型，即雄蕊退化或變形、花藥異常、孢子囊退化、小孢子退化和花粉功能缺陷（Preuss et al.，1993）。結(jié)合峨眉擬單性木蘭兩種雄蕊的形態(tài)結(jié)構(gòu)和花藥發(fā)育過(guò)程的比較，可以得出其雄性不育類型應(yīng)為孢子囊退化型，即小孢子母細(xì)胞不能進(jìn)行正常的減數(shù)分裂，無(wú)法形成四分體，致使花藥內(nèi)沒(méi)有花粉。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，絨氈層的異常發(fā)育與雄性不育有關(guān)，絨氈層作為花粉囊壁的最內(nèi)層，包圍著花粉母細(xì)胞或小孢子，對(duì)花粉的發(fā)育和形成起著重要作用（范彥君等，2016；雷剛等，2022）。絨氈層的提前或延遲解體均會(huì)影響小孢子的發(fā)育，郭瑛琪等（2021）發(fā)現(xiàn)大白菜不育花藥絨氈層細(xì)胞異常膨大，嚴(yán)重空泡化，提前降解，小孢子因變形干癟而死亡，花藥不育與絨氈層提前發(fā)生細(xì)胞程序性死亡有關(guān)，從而影響小孢子進(jìn)一步發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。在峨眉擬單性木蘭不育花藥的小孢子母細(xì)胞時(shí)期，絨氈層細(xì)胞排列不規(guī)整，多為單核，在隨后的發(fā)育過(guò)程中，絨氈層細(xì)胞膨大、排列緊密，與位于藥隔部位的花藥壁脫離，沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)育，不能為小孢子母細(xì)胞提供所需要的營(yíng)養(yǎng)，致使小孢子母細(xì)胞減速分裂異常。這說(shuō)明峨眉擬單性木蘭兩性花雄性不育可能是由絨氈層的異常發(fā)育引起的，而絨氈層發(fā)育異常的原因還需要進(jìn)一步研究。

小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂是維持小孢子正常發(fā)育的重要過(guò)程。前人對(duì)杉木（Cunninghamia lanceolata）（李亞鵬等，2023）、厚軸茶（Camellia crassicolumna）（蔣會(huì)兵等，2020）、白楊（許重陽(yáng)，2011）等不育系材料的研究結(jié)果表明，花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致花粉敗育。本研究觀察到雄性不育的小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程中存在滯后染色體、染色體橋、不均等分離等較多異常現(xiàn)象，說(shuō)明峨眉擬單性木蘭小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程中染色體異常可能是導(dǎo)致小孢子敗育的原因之一。

3.2 雄性不育與物質(zhì)代謝、抗氧化酶活性的關(guān)系

小孢子在發(fā)育過(guò)程中需要積累大量的蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉和糖類物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 這些物質(zhì)的虧損可能對(duì)雄性不育的發(fā)生起到誘導(dǎo)作用。大量研究發(fā)現(xiàn)雄性不育系與其可育系的含糖量及蛋白質(zhì)含量存在顯著差異， 多數(shù)可育系的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量高于不育株（陳偉等， 2017；王瑩等，2018；周濤等，2022）。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著峨眉擬單性木蘭花藥的發(fā)育，可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸的含量在不育花藥中都低于可育花藥，特別是在單核期、花粉成熟期的含量?jī)烧卟罹喔?，這些生理代謝上的異常與小孢子母細(xì)胞敗育關(guān)系密切。

植物抗氧化酶的活性與植物雄性不育密切相關(guān)。厚軸茶雄性不育株花蕾發(fā)育過(guò)程中POD活性升高，各發(fā)育時(shí)期都顯著高于可育株；而不育株SOD和CAT的活性呈降低趨勢(shì)（蔣會(huì)兵等，2020）。西瓜和玉米的雄性不育株在花蕾發(fā)育過(guò)程中POD活性顯著升高，CAT活性明顯降低（王永琦等 2016；周國(guó)昌等2018）。不育系的POD活性顯著上升會(huì)引起吲哚乙酸類物質(zhì)分解，造成IAA虧損，引起不育系內(nèi)源激素含量的變化或使激素平衡體系受到破壞，從而使調(diào)節(jié)功能紊亂，物質(zhì)合成或調(diào)運(yùn)的不足使雄蕊活性偏低，最終導(dǎo)致雄性器官不育（馮小磊等，2012；劉子涵等，2017；楊龍樹(shù)等，2017）。本研究發(fā)現(xiàn)，峨眉擬單性木蘭不育花藥的POD 活性在各發(fā)育時(shí)期都高于可育花藥，整體呈上升趨勢(shì)；而CAT活性整體呈遞減趨勢(shì)，顯著低于可育花藥，這可能會(huì)造成活性氧的積累，因?qū)π℃咦幽讣?xì)胞的發(fā)育產(chǎn)生毒害而造成敗育，這與以上報(bào)道的結(jié)果基本一致。

3.3 兩性花中雄性不育的生殖策略

擬單性木蘭屬的花一直被認(rèn)為是雄花兩性花異株（胡先骕和鄭萬(wàn)鈞，1951；劉玉壺等，1995），本研究在細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理生化基礎(chǔ)上進(jìn)一步證實(shí)了峨眉擬單性木蘭實(shí)為隱形雌雄異株，這是比木蘭科中木蓮屬、含笑屬兩性花植物較為進(jìn)化的特征。一些瀕危植物通過(guò)選擇性敗育來(lái)提高后代的適合度，可能是生長(zhǎng)在資源貧乏的環(huán)境下，在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的一種生殖保障（徐濤等，2012）。

新疆阿魏（Ferula sinkiangensis）雄性不育植株通過(guò)功能性雌花的花藥敗育，減少了對(duì)雄蕊的資源投入，而將植株能量用于形成雌蕊、產(chǎn)生更多的雌花，以生產(chǎn)更多的異交后代（何爽和譚敦炎，2022）。從我們的野外調(diào)查來(lái)看，峨眉擬單性木蘭野外種群分布區(qū)域狹窄，生長(zhǎng)在懸崖峭壁上，環(huán)境資源非常有限。峨眉擬單性木蘭兩性花中的雄性選擇敗育，為雌蕊和胚珠的正常發(fā)育提供了充足營(yíng)養(yǎng)，有利于生殖取得成功。雌株需從雄株上獲取正?；ǚ蹃?lái)完成授粉且結(jié)實(shí)，這種專性異交的繁育系統(tǒng)促進(jìn)了居群的雜種優(yōu)勢(shì)作用，可以提高后代對(duì)惡劣環(huán)境的抵抗力。雄性不育的兩性花植株與雄全異株個(gè)體共存的性系統(tǒng)體現(xiàn)了峨眉擬單性木蘭特有的資源配置模式。然而，這種雄性不育是由環(huán)境因素引起還是由基因決定，這個(gè)問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入研究。

綜上所述，通過(guò)對(duì)峨眉擬單性木蘭兩種雄蕊的細(xì)胞發(fā)育結(jié)構(gòu)、部分生理生化特性的比較研究，發(fā)現(xiàn)小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂的異常是導(dǎo)致兩性花中雄性不育的主要原因。不育雄蕊在不同發(fā)育時(shí)期的可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量偏低，POD活性升高，CAT活性降低，與可育雄蕊之間存在顯著性差異，說(shuō)明它們的異常可能與兩性花中的雄性不育存在相關(guān)性。今后還有待于從激素、分子等方面對(duì)峨眉擬單性木蘭雄性不育機(jī)理開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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（ 責(zé)任編輯 蔣巧媛 ）

基金項(xiàng)目： ??四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2023YFS0378）； 2022年中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目； 國(guó)際植物園保護(hù)聯(lián)盟項(xiàng)目（BGCI30414）。

第一作者： ?余道平（1978-），碩士，副研究員，主要從事珍稀瀕危植物的保育研究，（E-mail）550265856@qq.com.