濒危植物木根麦冬的胚胎学研究.DOC

1、濒危植物木根麦冬的胚胎学研究何 田 华 饶 广 远 尤 瑞 麟（北京大学生命科学学院 北京 100871）张 大 明（中国科学院植物研究所系统与进化植物学开放研究实验室 北京 100093）EMBRYOLOGICAL STUDIES ON ENDANGEREDOPHIOPOGON XYLORRHIZUS(LILIACEAE)He Tian-Hua Rao Guang-Yuan You Rui-Lin(College of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871)Zhang Da-Ming(Laboratory of Systematic

2、 and Evolutionary Botany,Institute of Botany,the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100093)Abstract The embryological studies on an endangered species Ophiopogon xylorrhizus are reported in this paper. The anther was four-sporangiate, and its wall was composed of four layers: epidermis, fibrous end

3、othelium, middle layer and glandular tapetum. Cytokinesis of microspore mother cell in meiosis was of the Successive type, and tetrads were tetrahedral or isobilateral. The mature pollen grains were 2-celled. Ovules were anatropous, bitegminous, and crassinucellate. Ovary wall ruptured 45 days after

4、 fertilization. The development of embryo sacs conformed to the Polygonum type. The two polar nuclei fused into a secondary nucleus before fertilization. The embryogeny was of the Asterad type, and endosperm development corresponded to the Nuclear type. About 55.8% individuals in the population of O

5、. xylorrhizus were found male sterile, and 43.3% of embryos aborted at early development stage. As a conclusion, we consider that (1)the failure of the xenogamy resulted from male sterility, autogamy and inefficient pollination agents, (2)embryo abortion and (3)exposure of young seeds during their e

6、arly development are the weak links in the sexual reproduction of O. xylorrhizus, which would contribute to the endangerment of this species.Key words Ophiopogon xylorrhizus; Gametophytic development; Fertilization; Embryo Development; Endangered Plant摘要 木根麦冬的花药壁分为 4 层,即：表皮、药室内壁、中层与绒毡层。绒毡层为腺质型。大孢子母细

7、胞减数分裂过程中的胞质分裂为连续型。小孢子四分体排列为左右对称型与四面体型。雌蕊子房壁在授粉后 45 天破裂。胚珠倒生，双珠被，厚珠心。大孢子四分体线形排列，胚囊发育为蓼型。极核在受精前融合成一个大的次生核。胚胎发育为紫菀型。核型胚乳。木根麦冬居群中存在雄性不育植株，约占 55.8。胚胎在其发育早期约有 43.3%败育。根据本研究的实验观察，（1） 雄性不育和自花授粉以及低效率的传粉机制而导致的异花传粉的失败；（2） 部分胚胎的败育；（3）子房壁破裂而导致胚珠裸露等是木根麦冬有性生殖过程中的薄弱环节，也可能是导致该植物濒危的部分因素。关键词 木根麦冬； 配子体发育； 受精过程； 胚胎发育； 濒

8、危植物木根麦冬 Ophiopogon xylorrhizus Wang et Tai 属于广义百合科Liliaceae s.l.，沿阶草族 Ophiopogoneae，沿阶草属 Ophiopogon。1978 年建立该种时仅记载在云南西双版纳州昆洛公路旁有生长（汪发瓒和唐进， 1978）。近年来的广泛调查表明该种在其模式产地已不存在，仅在西双版纳州勐腊县境内发现有 8 个小居群约 2000 株个体。木根麦冬是多年生草本植物，花期通常为3 月下旬到 4 月上旬，每个植株抽出一个花序，虫媒花，传粉昆虫主要是一种蓟马，其飞行能力很弱，传粉效率低。据野外的调查和实验观察，在木根麦冬居群中除异花授粉方式

9、外还存在相当多的自花授粉（何田华等，待发表资料）。雌蕊的子房壁在授粉后 45 天即破裂，胚珠裸露。受精胚珠发育为成熟种子约需 8 个月。在种子长时期的发育过程中，常可看到一些昆虫或小动物取食的现象。木根麦冬植株大多分布在海拔 5001000 m 的热带雨林或季雨林下的山沟溪旁，分布面积约 800 km2，且呈逐渐缩小的趋势（张大明, 1991 )。根据其居群大小和数量，它是热带雨林下多年生草本植物中一种比较典型的濒危物种。木根麦冬的繁殖方式为有性生殖，而目前尚无这方面的研究报道。本工作旨在通过对该种大、小孢子发生，雌、雄配子体发育，受精过程与胚胎发育过程的实验观察，检查有性生殖过程中是否存在薄

10、弱环节，从而为探讨木根麦冬濒危的原因和机制以及制定科学、合理的保护措施提供资料。1 材料和方法本研究的试验材料取自野外的 3 个不同自然居群。在整个花期中，选取 63个花序不同发育阶段的约 900 朵花以及 236 枚受精后的幼小胚珠。纳瓦兴氏固定液固定，70酒精保存。常规石蜡切片，厚度 810 m。铁钒-苏木精染色，OLYMPUS BH-2 型光学显微镜观察、照相。2 观察结果木根麦冬的花序为总状花序，花为两性花。雄蕊 6 枚，花药 4 室、纵裂。雌蕊由 3 心皮组成，子房半下位，3 室，每室两个胚珠，中轴胎座。2.1 小孢子发生与雄配子体发育分化完全的花药药室由 4 层细胞组成：表皮、药室

11、内壁、中层与绒毡层，中层在单核花粉粒时已解体（图版: 12）；绒毡层细胞核大、质浓（图版： 4）。小孢子孢原细胞起源于花药原基的下表皮细胞，孢原细胞经多次分裂形成造孢细胞，随后发育成小孢子母细胞（图版： 1）。小孢子母细胞减数分裂过程中胞质分裂为连续型；小孢子四分体排列为左右对称形与四面体形，初形成的四分体为胼胝质所包围（图版： 3）。胼胝质在小孢子母细胞时就开始积累，并一直保持到四分体时期。此后胼胝质开始溶解,释放出先呈多面体形后呈圆球形的小孢子（图版： 4）。随着小孢子体内液泡化，其核被大液泡推向孢壁一侧，并在贴壁的位置分裂形成一个营养细胞和一个生殖细胞（图版： 5）。随着发育，生殖细胞逐

12、渐游离于营养细胞中；成熟的花粉为二细胞型（图版： 6）。生殖细胞的分裂与精子的形成在花粉萌发后的花粉管中进行。小孢子母细胞的减数分裂在同一朵花不同药室间最多相差一个时期。根据对 63 个植株，约 900 朵花的切片观察，发现 55.8的花序中所有花的花粉都败育（图版： 7）。2.2 大孢子发生及雌配子体发育木根麦冬的胚珠倒生，双珠被。孢原细胞经过一次分裂形成一个周缘细胞与一个造孢细胞，造孢细胞直接发育成大孢子母细胞；大孢子母细胞进行减数分裂形成线形排列的大孢子四分体，其中合点端的为功能大孢子（图版： 89）,进一步发育成单核胚囊（图版： 10）。单核胚囊进一步发育形成二核胚囊和四核胚囊（图版：

13、 1114）。初形成的四核胚囊中两个核分别位于珠孔端与合点端，另两个位于胚囊中部两侧（图版： 1214），随后位于中央的两个核分别移向两端，合点端与珠孔端的两个核各进行一次分裂形成八核胚囊（图版： 13）。八核胚囊很快进行胞质分裂，珠孔端分化出卵器和一个上极核，合点端分化出 3 个反足细胞和一个下极核。反足细胞呈“品”字形排列，受精前不退化。受精前，上、下极核融合形成次生核并移向合点端（图版： 47）。雌蕊的发育稍落后于雄蕊的发育，当雄蕊的小孢子母细胞减数分裂时，雌蕊的胚珠开始形成大孢子母细胞；雄配子体成熟时，胚珠处于二核胚囊或四核胚囊期。2.3 受精作用，胚与胚乳发育花粉萌发后，生殖细胞在花

14、粉管内分裂成两个精子。花粉管从珠孔端破坏一个助细胞进入胚囊，另一个助细胞在受精后不久也退化。受精后反足细胞不立即退化而形成具多核仁的细胞，直到四细胞原胚或稍晚阶段才解体。进入胚囊的两个精子分别与卵结合成合子，与次生核结合形成初生胚乳核。合子经一段时间休眠，此时的雌、雄性核仁尚未融合（图版： 8）。初生胚乳核的分裂早于合子，当其分裂 34 次后，合子才开始分裂。合子第一次分裂为横分裂（图版： 910）。二细胞原胚的顶细胞先进行一次纵分裂，而基细胞进行一次横分裂形成四细胞原胚，然后顶端细胞多次分裂和基细胞的衍生细胞形成球形胚（图版： 11），最后发育为成熟胚（图版： 12）。在胚的发育中，二细胞原

15、胚的顶细胞和基细胞共同参与了胚体的形成。胚胎发育为紫菀型。胚乳发育为核型（胡适宜，1982）。在对 236 枚受精后的胚珠的切片观察中，发现约有 43.3的幼胚败育，败育主要发生在 4 细胞原胚到 8 细胞原胚阶段（图版： 14）.木根麦冬胚珠的内、外珠被的分化分别始于孢原细胞和大孢子母细胞时期。内珠被在其发育过程中比较稳定，通常由两层细胞组成；而外珠被从分化开始，组成细胞的层数不断增加，至成熟胚囊期，珠孔端的外珠被通常由 67 层细胞组成，愈靠近合点端，细胞层数愈多（图版： 13）。雌蕊受粉后，外珠被的细胞分裂加快，合点端的薄壁细胞尤其如此。受粉后 45 天，合子开始分裂时，子房壁即被迅速生

16、长的胚珠顶破，破裂一般沿子房顶部成不规则状（图版： 15）。胚珠裸露，直到发育为种子。子房壁破裂后失去了对种子的保护作用，使种子被昆虫等取食的机会增加。成熟种子的外珠被肉质化。3 讨 论木根麦冬的花药壁结构，绒毡层类型，小孢子母细胞减数分裂特征，小孢子四分体及成熟花粉，雌蕊结构，胚与胚乳发育方式等均与百合科沿阶草属麦冬的胚胎学特征基本一致（Johri, 1992； 李平等，1992，1989； Dahlgren，1985）。根据对木根麦冬 63 个植株不同发育时期的 900 朵花的切片观察，发现其大、小孢子发生以及雌配子体的发育都是正常的，但发现有 55.8%植株的雄配子体发育全部败育，其余植

17、株雄性发育全部正常。此结果说明一些植株的“两性花”实为功能性雌性花。另据对 236 枚受精胚珠的切片观察，其中约有 43.3%的胚珠的胚胎败育，败育时期主要在 4 细胞原胚到 8 细胞原胚阶段。我们的野外观察和传粉生物学的实验结果表明，自花授粉与异花授粉在木根麦冬的同一居群中同时存在（何田华等，未发表的资料）。因此胚胎败育可能是由于晚期的自交不亲和或早期的自交衰退所致（Ramsy et al.，1993； He et al.，1998）。而雄性不育的原因尚需进一步研究。子房在被子植物中能保护胚珠和种子的发育以及帮助散布种子，而木根麦冬的子房壁在受精后不久即破裂。上述事实表明在木根麦冬这种植物中

18、，子房已失去保护种子和帮助散布种子的功能，仅对受精前的胚珠有保护作用。这种现象产生的生物学背景和意义尚不清楚，但无疑对种子的发育是不利的，尤其对木根麦冬这类需 78 个月种子才发育成熟的植物。总之，（1）雄性不育、自花受粉以及低效率的传粉机制所导致的异花传粉失败，（2） 部分胚胎败育，（3）子房壁破裂而导致的胚珠裸露等是木根麦冬有性生殖过程中的薄弱环节，可能是导致该植物濒危的部分因素。* 家自然科学基金重大项目“中国主要濒危植物的保护生物学研究”，项目编号 39391500。The project supported by the National Natural Science Founda

19、tion of China(39391500).1997-09-29 收稿，1998-01-05 收修改稿。* 通讯联系人 Author for correspondence. 张大明，1991.博士学位论文:沿阶草族的染色体研究及系统学问题的探讨.中国科学院植物研究所.参考文献李平, 刘冬梅, 1991. 麦冬的双受精、胚和胚乳发育的研究. 四川大学学报（自然科学版）， 28（专集）： 8087李平, 郑学经, 黄旭, 1989. 麦冬的胚胎学研究大、小孢子发生，雌、雄配子体形成过程及多糖动态. 四川大学学报（自然科学版）， 26（1）： 18胡适宜，1982. 被子植物胚胎学. 北京：高等

20、教育出版社. 20194汪发瓒, 唐进, 1978. 中国植物志. 第 15 卷. 北京：科学出版社. 123170Dahlgren R M T, Clifford H T, Yeo P F, 1985. The Families of the Monocotyledons Structure, Evolution and Taxonomy. Berlin： Springer-Verlag. 137140He T H, Rao G Y, You R L, Ge S, 1998. Mating system of Ophiopogon xylorrhizus (Liliaceae): An en

21、dangered species in Southwest China. Int J plant Sci. 159: (in press)Johri B M, Ambegaokar K B, Srivastava P S, 1992. Comparative Embryology of Angiosperms. Vol 2. Berlin: Springer-Verlag. 862871Ramsy M, Prakash N, Cairns S, 1993. Breeding systems of disjunct populations of Christmas Bells(Blandford

22、ia grandiflora R. Br., Liliaceae): Variation in self-fertility and an ovular mechanism regulating self-fertilization. Aust J Bot， 41: 3547图版说明 Explanation of platesAnt.反足细胞； Ca.顶细胞； Cb.基细胞； EA.卵器； PN.极核； SN.次生核；Syn.助细胞; Z.合子图版 1. 花药壁与小孢子母细胞； 2. 小孢子母细胞减数分裂； 3. 左右对称型排列与四面体型排列的小孢子四分体； 4. 单核小孢子； 5. 小孢子分

23、裂为 2-细胞花粉； 6. 成熟的 2-细胞花粉； 7. 败育的小孢子； 8. 大孢子母细胞减数分裂； 9. 线形排列的大孢子四分体，珠孔端 3 个退化，合点端一个发育为功能大孢子； 10. 单核胚囊； 11. 二核胚囊； 1214. 同一胚囊的 3 个连续切片，示四核胚囊。（1. 200； 3，56. 1000； 45，714. 400）Ant. Antipodal cells; Ca. Apical cell; Cb. Basal cell; EA. Egg apparatus; PN. Polar nucleus; SN. Secondary nucleus; Syn. Synergid

24、 cells； Z. ZygotePlate 1. Anther wall and microspore mother cells; 2. Meiosis of the microspore mother cells; 3. Tetrahedral and isobilateral microspore tetrad; 4. Uninucleus microspore; 5. Bicellular pollen grains; 6. Mature pollen grains; 7. Aborted microspores; 8. Meiosis of the megaspore mother

25、cell; 9. Linear megaspore tetrad; 10. Uninucleus embryo sac with megaspores degenerated; 11. 2-nucleate embryo sac; 1214. Three consecutive sections, showing 4-nucleate embryo sac. （1. 200； 3，56. 1000； 45，714. 400）图版 13. 同一胚囊的 3 个连续切片，示四核胚囊中 4 个核分裂形成八核胚囊； 4. 两个助细胞； 5. 上、下极核融合形成次生核； 6. 卵细胞； 7. 初生胚乳核和

26、开始退化的反足细胞； 8. 受精卵，精、卵核核仁尚未融合，初生胚乳核已分裂形成胚乳核； 9. 合子第一次横分裂； 10. 二细胞原胚； 11. 球形胚； 12. 接近成熟的胚，箭头所指为胚芽处； 13. 胚珠与子房壁； 14. 败育的受精胚珠； 15. 正在生长的幼小种子顶破子房壁，箭头所指为破裂的子房壁。（18. 400; 910. 600； 11. 1000； 1214. 100； 15. 18）Plate 13. The consecutive sections, showing nuclei division in the 4-nucleate embryo sac; 4. Syner

27、gid cells; 5. Formation of the secondary nucleus; 6. Egg; 7. Primary endosperm nucleus and the degenerating antipodal cells; 8. Zygote, in which the male and female nucleoli not fused yet, and primary endosperm nucleus already divided; 9. The zygote dividing transversly; 10. 2-cellular proembryo; 11. globular proembryo; 12. Embryo nearly matured, arrow showing embryonic bud; 13. Mature ovule and ovary wall; 14. Aborted fertilized ovule; 15. Young seeds and ruptured ovary wall, arrow heading to ovary wall. （18. 400; 910. 600; 11. 1000; 1214. 100; 15. 18）