李海微 張永勝 王非
(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040)
目前,我國(guó)園林綠化植物資源豐富,但高寒地區(qū)可用于垂直立體綠化的藤本植物資源有限,種類單一[1]。鐵線蓮屬植物具有花期長(zhǎng),適應(yīng)性強(qiáng)和較高的觀賞性,被譽(yù)為“攀緣植物皇后”[2]。大花鐵線蓮因花朵碩大、花色豐富、耐寒耐旱,而常常用于柵欄、屋頂花園、廊架以及亭子的綠化點(diǎn)綴[3]。作為東北地區(qū)固有的野生藤本資源,大花鐵線蓮兼具較高的觀賞特性和抗性,是垂直綠化的優(yōu)良材料。故本試驗(yàn)選用大花鐵線蓮進(jìn)行研究,一方面開(kāi)發(fā)對(duì)野生資源的園林利用,充分發(fā)揮其生態(tài)效益和觀賞價(jià)值;另一方面也可以擴(kuò)大高寒地區(qū)垂直綠化應(yīng)用的藤本植物種類的選擇。
花芽分化是植物開(kāi)花生物學(xué)的重要特征之一,而雌雄配子體的發(fā)育是花芽分化的一個(gè)延續(xù)過(guò)程。其過(guò)程的研究對(duì)于花期調(diào)控、提高植物開(kāi)花數(shù)量和質(zhì)量以及植物的遺傳育種工作開(kāi)展具有重要的意義[4-7]。目前,對(duì)大花鐵線蓮的研究主要集中在花部特征、花粉活力、繁育系統(tǒng)等方面[8-9]?;ㄑ糠只矫娴难芯旷r有,僅限于大花鐵線蓮3個(gè)花被類型的重被花起源方式的探索試驗(yàn)上[10],且并未對(duì)大花鐵線蓮生殖生物學(xué)方面進(jìn)行探討。因此,本試驗(yàn)針對(duì)大花鐵線蓮的野生栽培種的花芽分化過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和分析,同時(shí)在雌雄配子體發(fā)育方面進(jìn)行了探索和研究,從而為大花鐵線蓮的花期調(diào)控和雜交育種等方面研究奠定一定的基礎(chǔ)。
試驗(yàn)材料是從吉林省引至哈爾濱栽培了3年的大花鐵線蓮(Clematispatens)。試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)間為2017年4月份至2018年6月份。
花芽采集的時(shí)間為4—6月上旬。材料每5 d進(jìn)行1次采集(在花芽日變化不顯著時(shí)),或者每2 d取材1次(花芽變化較快的時(shí)期)。材料采集之后立即用FAA固定液進(jìn)行固定,于冰箱中4°固定24 h以上,之后放到酒精中進(jìn)行保存。
于2017年4月底至6月初,每隔3 d,于每日08:00—10:00進(jìn)行頂生單花的采集,將各個(gè)發(fā)育時(shí)期的大小各異的雌雄花蕾采集過(guò)后用FAA固定液固定并進(jìn)行保存。
采用常規(guī)石蠟法進(jìn)行制片。用LEICA RM 2255切片機(jī)將材料切割成若干個(gè)薄片,薄片的厚度8~10 μm。然后,用番紅對(duì)薄片進(jìn)行染色,中性樹(shù)膠封片,最后將封制好的材料放在LEICA DM 2255顯微鏡下觀察和拍攝。從材料采集到圖片拍攝,需要試驗(yàn)的反復(fù)操作,直至得到該生長(zhǎng)期的圖像,重復(fù)圖像擇優(yōu)。應(yīng)用Excel 2007和SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
如圖1所示,大花鐵線蓮花芽分化分5個(gè)時(shí)期,即營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、花芽分化初期、萼片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期。大花鐵線蓮4月下旬便開(kāi)始萌動(dòng)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),萌動(dòng)5~7 d時(shí)花芽開(kāi)始分化,大花鐵線蓮花芽分化主要是發(fā)生在頂芽,但是也存在一些發(fā)生在葉腋的特殊情況(圖1T),這種特殊情況是極少存在的。在5月中旬左右,大花鐵線蓮進(jìn)入開(kāi)花期,6月上旬開(kāi)始結(jié)實(shí),在這期間花芽分化繼續(xù)進(jìn)行,為群體花期的延長(zhǎng)提供了途徑。
營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期:大花鐵線蓮在植株萌動(dòng)后開(kāi)始營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),此時(shí)生長(zhǎng)錐細(xì)胞體積較小、排列整齊且分裂旺盛,整個(gè)生長(zhǎng)錐頭部較尖(圖1A)。在外觀上,大花鐵線蓮頂芽幼嫩,且外層包被多層葉芽,體積較小。
花芽分化初期:在分化初期,細(xì)胞體積變大,排列整齊(圖1B),生長(zhǎng)錐的橫縱莖顯著變長(zhǎng),其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)錐漸漸發(fā)展成闊圓、平坦的形狀,細(xì)胞核較為明顯。
花萼原基分化期:營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)錐在此時(shí)期繼續(xù)生長(zhǎng),與此同時(shí),花原基的兩側(cè)逐漸分化出萼片原基,形似兩個(gè)對(duì)稱的突起(圖1C)。隨后萼片原基內(nèi)細(xì)胞不斷分裂,萼片原基分化為萼片,逐漸包住萼片內(nèi)部的花芽原基(圖1D-G)。
雄蕊原基分化期:隨著花萼原基的不斷生長(zhǎng),大花鐵線蓮生殖生長(zhǎng)錐也在生長(zhǎng),體積變大(圖1H)。細(xì)胞繼續(xù)分裂,生殖生長(zhǎng)錐基部?jī)蓚?cè)細(xì)胞分裂旺盛且排列緊密(圖1I),隨后分化出雄蕊原基(圖1J),發(fā)育的順序是由下而上呈中心對(duì)稱進(jìn)行的(圖1J-P)。雄蕊原基不斷生長(zhǎng)分化,最終生長(zhǎng)為花藥和花柱,花藥里面分化出花粉,花粉在花粉囊內(nèi)產(chǎn)生(圖1U)。
雌蕊原基分化期:雄蕊原基呈現(xiàn)“向心型”發(fā)育,當(dāng)雄蕊發(fā)育到最后一輪的時(shí)候,雌蕊原基同時(shí)發(fā)生分化過(guò)程,雌蕊原基主要發(fā)生在生長(zhǎng)錐的頂部平滑的位置。隨著雌蕊原基不斷分化,數(shù)量越來(lái)越多(圖1Q-S)。與此同時(shí),大花鐵線蓮生長(zhǎng)錐的體積也在不斷縮小。雌蕊原基最終分化為雌蕊,結(jié)構(gòu)為倒生胚珠及其他附屬結(jié)構(gòu)(圖1V)。
在花芽分化的過(guò)程中,花芽的形態(tài)在發(fā)生著變化,同時(shí)花芽的體積和數(shù)量關(guān)系也在發(fā)生著變化,花芽在不同的分化階段橫縱長(zhǎng)度有所變化(表1)?;ㄑ繖M長(zhǎng)先變短后變長(zhǎng),到雌蕊原基分化期達(dá)到了最大值,平均為553 μm,從萼片原基到雄蕊原基增長(zhǎng)速度最快,增長(zhǎng)了84.8%。花芽的縱長(zhǎng)變化規(guī)律同橫長(zhǎng)類似,最快增長(zhǎng)速率達(dá)100.4%。花芽的橫縱長(zhǎng)從分化初期到分化結(jié)束分別增長(zhǎng)了235.2%和248.1%,花芽縱長(zhǎng)的增長(zhǎng)率要高于花芽橫長(zhǎng)的增長(zhǎng)率。
表1 大花鐵線蓮花芽分化不同時(shí)期橫縱長(zhǎng)度
2.3.1 花藥壁發(fā)育
大花鐵線蓮的花藥具有4個(gè)小孢子囊,位于4個(gè)角隅處的細(xì)胞迅速分裂形成花藥雛體(圖2A-D),細(xì)胞繼續(xù)分裂逐漸形成形似蝴蝶型的成熟花藥(圖2E)。最初形成的花藥雛體中存在分裂能力較強(qiáng)的細(xì)胞,其形態(tài)各不相同(圖2F)。隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行,表皮里側(cè)的細(xì)胞分化出孢原細(xì)胞,經(jīng)平周分裂形成初生壁細(xì)胞和造孢細(xì)胞(圖2G、H)。造孢細(xì)胞不斷分裂分化(圖2J、K),為花粉母細(xì)胞的形成奠定基礎(chǔ)。而初生壁細(xì)胞經(jīng)過(guò)分裂則形成2層次生壁細(xì)胞(圖2L、M)。這2層次生壁細(xì)胞從外至內(nèi)分化成藥室內(nèi)壁,中層和絨氈層多層細(xì)胞結(jié)構(gòu),即花藥壁。隨著花藥發(fā)育的進(jìn)行,細(xì)胞體積逐漸變大但藥室內(nèi)壁的儲(chǔ)藏物質(zhì)逐漸變少(圖2O-X),后期稱為纖維層。中層細(xì)胞起初含有豐富的淀粉等物質(zhì),具有兩層結(jié)構(gòu)(圖2O),到花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂的時(shí)期,中層細(xì)胞被周圍擠壓,靠里的一層結(jié)構(gòu)被吸收掉(圖2P-S),另一層細(xì)胞也被擠壓而變得扁平但不消失,最終在成熟的花藥層細(xì)胞中類似于纖維層(圖2X)。隨著小孢子逐漸分化成為花粉,絨氈層在此過(guò)程中漸漸解體(圖2T-W)。最終,在花粉成熟階段,絨氈層僅留一點(diǎn)或完全解體(圖2X)。
A.營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期;B.花芽分化初期;C-E.萼片原基分化期;E-I.生殖生長(zhǎng)錐;J.雄蕊原基分化期;K-P.雄蕊原基增多,外層雄蕊逐漸生成;Q-S.雌蕊原基分化期;T.腋生花芽;U.花藥結(jié)構(gòu);V.雌蕊結(jié)構(gòu);GC.營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)錐;RC.生殖生長(zhǎng)錐;CaP.花萼原基;Ca.花萼;SP.雄蕊原基;PP.雌蕊原基;St.花柱(顯微標(biāo)尺:A-Q,T,U,V=100 μm;R-S=20 μm)。
A-E.花藥發(fā)育成型過(guò)程;F.花藥雛體;G-I.孢原細(xì)胞平周分裂;J-K.初生造孢細(xì)胞分裂;L.初生壁細(xì)胞分裂;M.初生壁細(xì)胞平周分裂形成兩層次生壁細(xì)胞;N.次生壁細(xì)胞分裂;O.花藥壁(小孢子母細(xì)胞時(shí));P-V.花藥壁(小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí));W.花藥壁(單核小孢子時(shí));X.花藥壁(成熟花粉時(shí));asc.孢原細(xì)胞;psc.初生造孢細(xì)胞;epi.表皮;end.藥室內(nèi)壁;ml.中層;tap.絨氈層(顯微標(biāo)尺:A-E=50 μm,F(xiàn)-X=20 μm)。
2.3.2 小孢子產(chǎn)生
小孢子母細(xì)胞由最初的初生造孢細(xì)胞經(jīng)多次的有絲分裂而得到(圖3A),之后不斷發(fā)育,歷經(jīng)2次減數(shù)分裂得到4個(gè)細(xì)胞核(圖3B-I)。而4個(gè)細(xì)胞核進(jìn)行胞質(zhì)分裂形成四面體型或者左右對(duì)稱型的四分體(圖3J-O),即為4個(gè)小孢子。最初分化得到的4個(gè)小孢子依舊處在胼胝質(zhì)壁內(nèi),且互相隔離。后期在絨氈層解體時(shí)會(huì)分泌出胼胝質(zhì)酶,胼胝質(zhì)壁在酶的作用下而分解(圖3P-W)。自此,從中釋放出的4小孢子成為了獨(dú)立狀態(tài),并形成4個(gè)單核的花粉粒(圖3X)。大花鐵線蓮的減數(shù)過(guò)程中,在減數(shù)第一次分裂完成之后有的能立即產(chǎn)生新的細(xì)胞壁,有的不立即產(chǎn)生新的細(xì)胞壁,上述兩種情況同時(shí)出現(xiàn),因此認(rèn)為,大花鐵線蓮胞質(zhì)分裂時(shí),連續(xù)型和同時(shí)型2種分裂方式同時(shí)存在。
A.小孢子母細(xì)胞;B減數(shù)I前期細(xì)線期;C.減數(shù)I前期偶線期;D.減數(shù)I前期粗線期;E.減數(shù)I前期雙線期;F.減數(shù)I前期終變期;G.減數(shù)I中期;H.減數(shù)I后期;I.減數(shù)I末期;J.減數(shù)Ⅱ前期;K.減數(shù)Ⅱ中期;L、M.減數(shù)Ⅱ后期;N.四面體型四分體;O.左右對(duì)稱型四分體;P-U.胼胝質(zhì)溶解;V、W.釋放到藥室中的小孢子;X.單核小孢子(顯微標(biāo)尺:A-X=20 μm)。
2.3.3 雄配子體發(fā)育
單核花粉粒隨著胼胝質(zhì)的溶解而逐漸呈分散的游離狀態(tài)(圖4A)。剛分散開(kāi)的單核花粉粒細(xì)胞在顯微鏡下觀察可以看到,細(xì)胞沒(méi)有明顯的液泡,呈干癟皺縮狀,細(xì)胞壁較薄,細(xì)胞核此時(shí)處于細(xì)胞的中心位置,周圍有大量的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器。隨后,單核花粉粒吸收大量的營(yíng)養(yǎng),體積也隨之變大,大液泡逐漸在視野中呈現(xiàn)出來(lái),并且將細(xì)胞核擠到一旁,此時(shí)期稱之為單核靠邊期(圖4B)。單核小孢子繼續(xù)發(fā)育,經(jīng)有絲分裂變成了二細(xì)胞花粉,在花粉粒中存在雙核,因有絲分裂過(guò)程中胞質(zhì)分裂不均等,2個(gè)子核大小不一,體積較大的為營(yíng)養(yǎng)核,另外一個(gè)是小體積的生殖核(圖4C-F)。二細(xì)胞花粉粒逐漸成熟,在外形上呈近圓形且可見(jiàn)兩層花粉壁,而外壁上能夠觀察到萌發(fā)孔的痕跡(圖4G、H)。
A.單核花粉粒;B.單核靠邊期小孢子;C-E.營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞與生殖細(xì)胞的產(chǎn)生過(guò)程;F.初期形成的二細(xì)胞花粉粒;G、H.逐漸成熟的二細(xì)胞花粉(顯微標(biāo)尺:A-H=20 μm)。
經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),大花鐵線蓮花藥壁的發(fā)育過(guò)程和小孢子及雄配子的發(fā)育過(guò)程在發(fā)育時(shí)間上存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)花藥壁完成最后的發(fā)育過(guò)程時(shí),二細(xì)胞花粉也發(fā)育成熟(表2)。
表2 小孢子及雄配子發(fā)育階段對(duì)應(yīng)的花藥壁發(fā)育階段
2.4.1 大孢子發(fā)生
在子房的胎座上著生著胚珠(圖5I),胚珠原基(圖5A、B)就是由大花鐵線蓮子房腹縫線(圖5H)內(nèi)表皮下的一些細(xì)胞經(jīng)過(guò)不斷地平周分裂而產(chǎn)生的。原基尾端細(xì)胞經(jīng)發(fā)育而成了珠柄,與胎座連在一起,另一端形成突起,即為珠心。珠心尾部有一群細(xì)胞分裂旺盛,經(jīng)不斷分裂不斷延伸把珠心包圍起來(lái)而形成珠被。發(fā)育完善的胚珠為單室、單珠被和單個(gè)倒生的胚珠(圖5C-E)。但是也有一個(gè)胎座上存在兩個(gè)胚珠的情況,且兩個(gè)胚珠發(fā)育進(jìn)程存在差異(圖5F、G)。隨著珠心和珠被的繼續(xù)發(fā)育,靠近珠孔一端的珠心表皮下細(xì)胞逐漸分化出了孢原細(xì)胞(圖5J),經(jīng)平周分裂,形成二分體。接著分裂生成1個(gè)線型的大孢子四分體(圖5K-N)。四分體中,3個(gè)周緣細(xì)胞接近珠孔端,后期逐漸地退化消失完全,而遠(yuǎn)離珠孔端的的造孢細(xì)胞繼續(xù)發(fā)育最終形成單核胚囊(圖5K-T)。
2.4.2 雌配子體發(fā)育
單核胚囊在發(fā)育過(guò)程中吸收很多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),所以體積逐漸增大,在整個(gè)珠心組織中占很大的空間位置(圖6A)。隨后發(fā)生一次有絲分裂形成2個(gè)子核,多數(shù)橫向排列,鮮有縱向排列(圖6B、C)。不久,2個(gè)子核向胚囊的兩極移動(dòng),生成二核胚囊(圖6D、E),又發(fā)生一次有絲分裂形成了四核胚囊(圖6J),但是有時(shí)兩端的子核分裂可能存在不同步現(xiàn)象或者其他狀況,胚囊內(nèi)可見(jiàn)3個(gè)核(圖6H、I)。四核胚囊的加倍分裂,最終胚囊擁有8個(gè)細(xì)胞核。8個(gè)細(xì)胞核的去向不一,其中,胚囊兩端的2個(gè)細(xì)胞核向中間靠攏,發(fā)育成含有2個(gè)極核的1個(gè)中央細(xì)胞。珠孔端的3個(gè)核最終分化成為1個(gè)較大的卵細(xì)胞和2個(gè)助細(xì)胞。合點(diǎn)端的3個(gè)核分化成3個(gè)反足細(xì)胞。最終,發(fā)育成為8核7細(xì)胞的成熟胚囊(圖6X)。
大花鐵線蓮的卵細(xì)胞多數(shù)位于珠孔端(圖6M、N),鮮見(jiàn)位于合點(diǎn)端(圖6O)。已經(jīng)成熟的卵細(xì)胞中細(xì)胞器的數(shù)量會(huì)減少,珠孔端的大液泡散開(kāi)成為小液泡,細(xì)胞核會(huì)更加貼近合點(diǎn)端(圖6K)。
2個(gè)助細(xì)胞緊緊相鄰,與卵細(xì)胞呈三角鼎力之勢(shì)(圖6L)。助細(xì)胞代謝旺盛,且豐富的細(xì)胞器使得細(xì)胞質(zhì)染色較深(圖6P)。助細(xì)胞在珠孔端的細(xì)胞壁向細(xì)胞腔內(nèi)分生成絲狀器(圖6Q)。
中央細(xì)胞的核是極核,有縱向和橫向兩種排列狀態(tài)(圖6R-S),中央細(xì)胞表現(xiàn)為一定的極性,常向珠孔端靠近(圖6T-U),有時(shí)也靠向反足細(xì)胞(圖6V)。
3個(gè)反足細(xì)胞在胚囊內(nèi)一般呈三角形排列(圖6W)。
通過(guò)對(duì)大花鐵線蓮胚胎學(xué)的初步研究,可以發(fā)現(xiàn),大花鐵線蓮花芽分化分為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、花芽分化初期、萼片原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期,共5個(gè)階段。當(dāng)植物的芽頂端形狀改變或體積變大時(shí),認(rèn)為這是花芽分化開(kāi)始的跡象。大花鐵線蓮在花芽分化過(guò)程中,生長(zhǎng)錐由尖銳逐漸平坦,這與袁德義[11]等的觀點(diǎn)十分相符。
大花鐵線蓮花藥4室,花藥壁由表皮、藥室內(nèi)壁、1~2層中層和1層絨氈層構(gòu)成。絨氈層類型為腺質(zhì)絨氈層。這與毛茛科的側(cè)金盞[12]、金蓮花和驢蹄草的觀測(cè)結(jié)果相同[13]。一般認(rèn)為,絨氈層細(xì)胞消失的過(guò)程就是為小孢子發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)的過(guò)程[14]。大花鐵線蓮絨氈層是由內(nèi)層的次生壁細(xì)胞發(fā)育而成,當(dāng)花粉母細(xì)胞將近完成減數(shù)分裂時(shí),絨氈層細(xì)胞開(kāi)始逐漸解體,最終,花粉成熟時(shí)絨氈層完全消失或僅存一點(diǎn)殘留。由此可以證明,絨氈層的狀態(tài)滿足小孢子發(fā)育過(guò)程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求。
大花鐵線蓮的小孢子母細(xì)胞孢質(zhì)分裂方式為連續(xù)型和同時(shí)型均存在,形成左右對(duì)稱型和四面體型的四分體,成熟花粉為2-細(xì)胞型。Heslop-Harrison[15]認(rèn)為,胞間連絲的存在令同一藥室內(nèi)的小孢子母細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行減數(shù)分裂。而大花鐵線蓮最初的小孢子母細(xì)胞多呈不規(guī)則型且存在胞間連絲,在后期的減數(shù)分裂過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常,較為同步,這與上述觀點(diǎn)吻合。
大花鐵線蓮子房為單室,單胚珠、單珠被、倒生胚珠。大孢子母細(xì)胞是由子房腹縫線內(nèi)表皮下的一些細(xì)胞分化得到的孢原細(xì)胞,經(jīng)平周分裂發(fā)育成造孢細(xì)胞,造孢細(xì)胞進(jìn)一步分化而得到的。這和Tamura[16]所描述的毛茛科植物大孢子母細(xì)胞的由來(lái)十分接近。大孢子母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)分裂生成直線型四分體,胚囊為蓼型發(fā)育,含有7細(xì)胞8核。這些表現(xiàn)與已報(bào)道的鐵線蓮的胚胎學(xué)特征頗為相似[17-18]。
大花鐵線蓮的一朵花上會(huì)有多株雌蕊,各個(gè)雌蕊之間的發(fā)育存在著差異。此外,雌蕊和雄蕊的發(fā)育表現(xiàn)不同步,存在雌雄異熟的現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為雄蕊發(fā)育比雌蕊更早。這在核桃[19]、板栗[20]等植物中也出現(xiàn)過(guò)類似情況。植物的這種雌雄發(fā)育不同步的現(xiàn)象能有效延長(zhǎng)授粉期[21]。
文中對(duì)東北地區(qū)大花鐵線蓮的花芽分化和花器官發(fā)育特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)大花鐵線蓮在生長(zhǎng)過(guò)程中,花的外部形態(tài)特征和內(nèi)部的配子體發(fā)育有相應(yīng)的對(duì)照關(guān)系。通過(guò)對(duì)外部形態(tài)特征的觀察,可以更好地掌握其內(nèi)部雌雄蕊的發(fā)育進(jìn)程,以便預(yù)測(cè)花期、人工授粉加強(qiáng)管理等。本試驗(yàn)使鐵線蓮屬植物的雌雄配子體發(fā)育和大小孢子相關(guān)的胚胎學(xué)研究更加豐富,也為大花鐵線蓮花粉、胚珠組織培養(yǎng)、遺傳育種及分子生物學(xué)提供可靠的理論依據(jù)。