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        中國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

        2017-10-27 14:20:45翟書華殷根深侯思名
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年16期
        關(guān)鍵詞:胚囊胚珠菜花

        翟書華 殷根深 侯思名

        摘要:用石蠟切片法對我國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

        中圖分類號: S6823201文獻(xiàn)標(biāo)志碼:

        文章編號:1002-1302(2017)16-0229-02

        收稿日期:2017-04-09

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

        作者簡介:翟書華(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)水車前屬植物,別稱異葉水車前、龍爪菜、海菜等,多年生大型沉水植物,是中國特有的國家三級重點(diǎn)保護(hù)珍稀瀕危水生植物[1-2]。曾經(jīng)廣泛分布于中國西南、華南諸省,特別是在廣西西南部高原臺地的河溪與云南湖泊中能形成穩(wěn)定的沉水植物群落。可供觀賞、食用、藥用,也可作為鳥類、魚類等動(dòng)物的飼料,另外還可以用于環(huán)境監(jiān)測[3-4]。但是,由于水體污染、干旱、水位下降、人類的過度采撈等,導(dǎo)致海菜花的數(shù)量急劇下降[4]。近年來,海菜花屬植物在分類學(xué)、生態(tài)學(xué)、核型研究等方面的報(bào)道不斷增多[5-10],但是對海菜花有性生殖過程中大孢子的發(fā)生和雌配子體的發(fā)育未見報(bào)道。本研究對海菜花大孢子的發(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幪枮镠QH-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、螺類和換土等。

        12方法

        在開花期間采集雌花,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,呈狹長的不規(guī)則三棱柱狀,子房內(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)別于周圍的珠心細(xì)胞,孢原細(xì)胞經(jīng)過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),與周圍的珠心細(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)胞分化后很快就開始退化,細(xì)胞退化開始的時(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。在海菜花栽培過程中,要求水質(zhì)清澈,須經(jīng)常換水,否則易滋生大量藻類,吸附在海菜花葉片上,嚴(yán)重影響生長繁殖,隨著藻類數(shù)量的增加而導(dǎo)致死亡,這與李杰等報(bào)道的海菜花生長抑制藻類的結(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,其原始祖先為兩性花,在長期的演化過程中,花部器官逐漸發(fā)生了變化,由兩性花演變?yōu)閱涡曰ǎ掖菩郛愔?,這種改變帶來的生物學(xué)意義是顯而易見的??梢员苊庾越粠淼倪z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)花序的開放周期變長,提高了雄蕊的傳粉、花粉的擴(kuò)散及花粉輸出率等,增強(qiáng)了雌蕊接受外來花粉與受精的概率,從而使雄花與雌花的開放時(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]。

        通過對海菜花花的形態(tài)結(jié)構(gòu)與胚胎發(fā)育過程研究,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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