紅花石蒜小孢子發(fā)生及雄配子體發(fā)育研究

柳正葳　張　露　龍婉婉

紅花石蒜(Lycoris radiata Herb.)是一類經(jīng)濟(jì)價值較大的球根花卉植物,素有“中國郁金香”之美稱。因石蒜開花時無葉陪伴,夏秋季葉落后花莖突然從裸露的地面開出美麗的花朵,頗為奇特,在國外又稱之為“魔術(shù)花”,主要分布于長江中下游地區(qū),尤其以溫暖地區(qū)種類繁多 [1]。本研究對石蒜小孢子發(fā)生、雄配子體的形成與發(fā)育及生物學(xué)特性進(jìn)行觀察和研究,以豐富石蒜胚胎學(xué)和生物學(xué)資料,并為其切花生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

供試材料:露地栽培紅花石蒜,種植地位于東經(jīng)115°27′至116°35′、北緯28°10′至29°11′之間;氣候濕潤溫和、雨量充沛。采樣日期在2005年4月中下旬到9月上旬,隔3天采樣1次,統(tǒng)一上午采樣。采樣時每次取3~5個種球,剝?nèi)テ澉[葉取出花芽或剝開花朵取出雄蕊、雌蕊。用FAA[FAA固定液:70%乙醇90ml+冰醋酸5ml+福爾馬林5ml]固定并保存。胚胎觀察主要用常規(guī)石蠟切片,鐵礬-蘇木精染色,Olympus光學(xué)顯微鏡鏡檢并拍照。實驗還采用了壓碎制片法,具體操作程序參照朱徵介紹的方法。

2 觀察結(jié)果

2.1藥壁組織的發(fā)育

石蒜具6枚雄蕊,3長3短排成一輪?；ㄋ幱伤膫€小孢子囊組成,處于藥隔的四周,呈蝶形[圖版Ⅱ:5]?；ㄋ幱兴幈?層,從外到內(nèi)依次由1層表皮、2層中層和1層絨氈層組成。雄蕊原基形成后在每一瓣的表皮下分化出孢原細(xì)胞,6月上旬至中旬,石蒜的花藥已由孢原細(xì)胞經(jīng)平周分裂出的周緣細(xì)胞和初生造孢細(xì)胞形成發(fā)育時期,藥隔組織也基本分化形成。此時組成花粉囊壁的纖維層、中層和絨氈層還未完全形成,難以從形態(tài)上區(qū)分出各層;初生造孢細(xì)胞處于有絲分裂產(chǎn)生次生造孢細(xì)胞過程。隨花藥生長發(fā)育,花粉囊壁各層呈現(xiàn)出較明顯的差異:當(dāng)造孢細(xì)胞由多邊形轉(zhuǎn)變成呈球狀的小孢子母細(xì)胞時[圖版Ⅱ:6,7],花粉囊壁最外一層細(xì)胞為表皮層,該層細(xì)胞通常呈扁平狀,徑向壁短于切向壁,細(xì)胞質(zhì)少液泡大;緊靠表皮內(nèi)部一層細(xì)胞為纖維層;中層由二層細(xì)胞組成位于纖維層內(nèi)側(cè);絨氈層位于花粉囊壁最內(nèi)側(cè),由一層徑向壁常長于切向壁的細(xì)胞構(gòu)成,該層細(xì)胞最初含一個細(xì)胞核,隨后可產(chǎn)生多核現(xiàn)象。

在小孢子母細(xì)胞發(fā)育和小孢子形成發(fā)育過程中,中層和絨氈層細(xì)胞會逐漸完全解體。小孢子母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂時[圖版Ⅱ:8],中層細(xì)胞開始解體,絨氈層細(xì)胞徑向伸長,體積明顯增大,細(xì)胞質(zhì)濃厚排列緊密。發(fā)育至四分體時,中層細(xì)胞幾乎全部解體,只留有一些殘痕,絨氈層脫離藥壁,細(xì)胞解體退化[圖版Ⅱ:9]。單核時期絨氈層細(xì)胞養(yǎng)分消耗最快,到二核花粉粒形成時,絨氈層細(xì)胞已差不多耗盡,纖維層細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核也會逐漸解體消失,但其細(xì)胞壁不發(fā)生解體[圖版Ⅱ:10]。至二細(xì)胞花粉后期花朵開放時其上下橫壁、徑向壁和內(nèi)切向壁會產(chǎn)生條狀增厚。9月花藥成熟后,相鄰兩個小孢子囊之間裂開,花粉散出,花藥壁僅留下表皮和纖維層[圖版Ⅱ:11]。

2.2小孢子的發(fā)生和發(fā)育

在花粉囊壁形成發(fā)育的同時,呈不規(guī)則多邊形的造孢細(xì)胞逐漸轉(zhuǎn)變成呈球形的小孢子母細(xì)胞?；ǚ勰讣?xì)胞的體積和核明顯大于花粉囊壁各層細(xì)胞的細(xì)胞核,細(xì)胞質(zhì)比組成花粉囊壁的細(xì)胞更濃密時,表明小孢子母細(xì)胞即將進(jìn)入減數(shù)過程。 其減數(shù)分裂過程核相的變化與其它大多數(shù)被子植物一樣,必須經(jīng)歷減數(shù)分裂Ⅰ和減數(shù)分裂Ⅱ兩個時期,在染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)上要發(fā)生一系列變化。觀察如下:

2.2.1前期Ⅰ(ProphaseⅠ):石蒜減數(shù)分裂過程中在這一時期的時間相對是較長的,要經(jīng)歷:細(xì)線期(Leptotene):[圖版Ⅰ:1];偶線期(Zygotene):[圖版Ⅰ:2];粗線期(Pachytene):[圖版Ⅰ:3];雙線期(Diplotene):[圖版Ⅰ:4];終變期(Diakinesis):[圖版Ⅰ:5]。

2.2.2中期Ⅰ(MetaphaseⅠ)小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂Ⅰ中期染色體螺旋化縮短達(dá)最大值,二價染色體以交叉處排列在細(xì)胞中部的赤道板上,二條染色體上的著絲粒以等距分別列于赤道板的兩側(cè),此時紡綞絲明顯[圖版Ⅰ:6]。

2.2.3后期Ⅰ(AnaphaseⅠ)兩組染色體在紡綞絲的牽引下,分別移向細(xì)胞的兩極,到兩極后并不馬上解體形成新核,而是經(jīng)過一個短暫的停滯過程[圖版Ⅰ:7]。

2.2.4末期Ⅰ(TelophaseⅠ)到達(dá)兩極的染色體進(jìn)行解螺旋化,核膜、核仁重新出現(xiàn)形成兩個子核,組成紡綞絲的微管向小孢子母細(xì)胞中部的赤道面處聚集形成清晰的赤道板[圖版Ⅰ:8],隨后小孢子母細(xì)胞進(jìn)行胞質(zhì)分裂,在小孢子母細(xì)胞中部形成細(xì)胞壁,將兩個子核分隔產(chǎn)生二分體,此期細(xì)胞板和紡綞絲最為明顯。

第1次減數(shù)分裂結(jié)束后,二分體形成[圖版Ⅰ:9],細(xì)胞會處一短暫的不分裂狀態(tài),染色體不會馬上解體消失,小孢子母細(xì)胞緊接著進(jìn)入第二次減數(shù)分裂時期:

2.2.5前期Ⅱ(ProphaseⅡ)染色體重新螺旋縮短,核膜逐漸消失,核內(nèi)染色體較減數(shù)分裂Ⅰ前期要粗且相互盤繞成團(tuán);

2.2.6中期Ⅱ(MetaphaseⅡ)核膜、核仁重新消失,兩個子細(xì)胞的染色體都以著絲粒排列在赤道板上,每條染色體中的兩條染色單體規(guī)則的彼此反向的連接在赤道面上,從此期可看到子細(xì)胞在分裂時間上有所差異[圖版Ⅰ:10];

2.2.7后期Ⅱ(AnaphaseⅡ)著絲粒分開,兩個子核內(nèi)染色單體分離,在紡綞絲的牽引下再次向兩極移動,每一極區(qū)各有一套完整的單倍的染色體組[圖版Ⅰ:11];

2.2.8末期Ⅱ(TelophaseⅡ)到達(dá)兩極后,紡綞絲逐漸消失,核膜出現(xiàn),染色體螺旋解體,在核內(nèi)呈彌散狀,核仁也出現(xiàn),在赤道板上產(chǎn)生細(xì)胞板,發(fā)生胞質(zhì)分裂,各形成2個子細(xì)胞。

這樣經(jīng)過減數(shù)分裂Ⅰ和減數(shù)分裂Ⅱ兩個時期,共形成4個子細(xì)胞,4個子細(xì)胞之間具有細(xì)胞壁,被同時分隔成四個小孢子,這個時期通常被稱作是小孢子四分體時期[圖版Ⅰ:12],4個小孢子被共同的胼胝質(zhì)所包圍,小孢子之間也被胼胝質(zhì)所分隔。

2.3雄配子體的形成與發(fā)育

紅花石蒜小孢子母細(xì)胞四分體時期較短,隨著四個子細(xì)胞之間胼胝質(zhì)的溶解,小孢子彼此分開,釋放到花粉囊中。從四分體中分散出來的小孢子是雄配子體的第一個細(xì)胞,剛釋放出來的小孢子[圖版Ⅱ:1]體積小,形態(tài)不規(guī)則,隨后逐漸發(fā)育成側(cè)面看呈橢圓形的形狀。小孢子發(fā)育過程中,細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)和位置也要經(jīng)過一系列的變化。剛形成的小孢子細(xì)胞壁薄,細(xì)胞質(zhì)濃厚,細(xì)胞核結(jié)構(gòu)松散位于小孢子的中央。隨后小孢子體積不斷增大,外壁呈現(xiàn)網(wǎng)狀增厚,小液泡合并成大液泡,細(xì)胞質(zhì)成一薄層緊靠內(nèi)壁,細(xì)胞核逐漸移向小孢子的一側(cè),進(jìn)入小孢子單核靠邊期[圖版Ⅱ:2]。當(dāng)核移至靠近內(nèi)壁的位置時,小孢子體積繼續(xù)增大,進(jìn)入有絲分裂階段[圖版Ⅱ:3]。小孢子核在貼近花粉壁的位置進(jìn)行不均等的有絲分裂,形成大小懸殊的2個細(xì)胞:大的為營養(yǎng)細(xì)胞,占據(jù)花粉的絕大部分體積,細(xì)胞核較大,其內(nèi)有1個核仁;小的為生殖細(xì)胞,呈凸透鏡形,緊貼著花粉壁,只有少量細(xì)胞質(zhì)而無液泡,細(xì)胞核圓形,其內(nèi)有1個核仁。生殖細(xì)胞與營養(yǎng)細(xì)胞間存在明顯的細(xì)胞壁。隨著二細(xì)胞間細(xì)胞壁的消失,生殖細(xì)胞浸

到營養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中,形成二細(xì)胞花粉[圖版Ⅱ:4]。

3 討論

從石蒜小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂過程的圖片來看,其胞質(zhì)分裂為連續(xù)型,具有二分體時期,同一花粉囊中可產(chǎn)生左右對稱和四面體形兩種類型的四分體,但左右對稱四分體通常遠(yuǎn)多于四面體形的四分體,胼胝質(zhì)壁的形成在后期Ⅰ已經(jīng)開始,但在二分體到四分體形成過程中表現(xiàn)的非常明顯。由發(fā)育至即將開放花朵的花藥石蠟切片可以看到,形成該種空?；ǚ鄣幕ǚ勰抑?藥壁結(jié)構(gòu)較完整,絨氈層細(xì)胞無解體跡象 [圖版Ⅱ:12] 。

紅花石蒜在小孢子母細(xì)胞減數(shù)中期Ⅰ分裂～末期Ⅱ都有異常情況:出現(xiàn)單價體、落后染色體、單染色體橋、多染色體橋、染色體片段和微核現(xiàn)象,這些現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是同源染色體存在缺失和重復(fù)區(qū)域、同源染色體提早分離、雜合臂內(nèi)倒位、滯后染色體等所致,而減數(shù)分裂異常引起遺傳物質(zhì)不均衡分配,致使產(chǎn)生部分?jǐn)∮℃咦印Ｊ獾某墒旎ǚ勰抑?存在具有二核、三核和具有營養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞產(chǎn)生,但營養(yǎng)細(xì)胞中出現(xiàn)二核的花粉粒。這些花粉粒的形成途徑,它們的倍性是單倍性還是二倍性,以及是否可以萌發(fā)、正常受精結(jié)實,需進(jìn)一步觀察研究。