毛竹大孢子發(fā)生與雌配子體發(fā)育研究

郭起榮，周建梅，孫立方，2，廉 超，馮 云，冉 洪，張 瑩

(1.國際竹藤中心，國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100102;2.南開大學(xué) 生命科學(xué)院，天津 300071)

毛竹(Phyllostachys edulis)屬禾本科(Poaceae/Gramineae)竹亞科(Bambusoideae)，其開花周期較長，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載可達(dá)數(shù)十年或者百年以上［1-2］。毛竹一生只開一次花、結(jié)一次實(shí)，開花結(jié)實(shí)后通常死亡［3］。本文作者調(diào)查了廣西桂林境內(nèi)的開花毛竹林分，發(fā)現(xiàn)大部分存在著“花而不實(shí)”或者結(jié)實(shí)率低的現(xiàn)象。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，造成這種情況的原因可能是雌雄配子體的發(fā)育異常、雌雄異熟、傳粉有效性低、病蟲害等［4-6］。對于竹類植物來說，有性生殖中的每一個(gè)階段都很重要，其中的任何一個(gè)階段出現(xiàn)障礙，都可能造成生殖失敗。毛竹的有性生殖研究，國內(nèi)最早的是喬士義等［7］所報(bào)道的毛竹的胚胎發(fā)育研究觀察，文章初步揭示了毛竹的胚胎學(xué)特征。孫立方等［8］對毛竹的花器官形態(tài)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解剖觀察。本文在前人的研究基礎(chǔ)之上，采用石蠟切片技術(shù)和顯微觀察，研究毛竹的大孢子發(fā)生與雌配子體發(fā)育規(guī)律，探討其結(jié)實(shí)率低下的原因，以期為毛竹的生殖生物學(xué)積累材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料分別于2010—2012 年，在廣西桂北海洋山深山野生毛竹林中采集。該地屬中亞熱帶地區(qū)，海拔近千米，年平均氣溫18～19 ℃，年平均降水量1 750～2 000 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

標(biāo)記3 株有開花征兆的毛竹植株，從小枝開始膨大變粗到果實(shí)成熟期間，定期采樣(6～9 月份)，每隔1～3 d 采樣，取不同發(fā)育時(shí)期的小穗、小花、子房、花藥，用70% FAA 固定液(冰醋酸:福爾馬林體積分?jǐn)?shù)為90∶5∶5)固定24～48 h 以上，4 ℃冰箱保存。采用常規(guī)石蠟切片法連續(xù)制片［9］，切片厚度為5～10 μm，番紅-固綠染色，加拿大樹膠封片，OLYMPUS CX31 顯微鏡下觀察、拍照。

2 結(jié)果與分析

雌蕊是產(chǎn)生卵細(xì)胞(雌配子)的場所。雌蕊由2 個(gè)心皮組成的，心皮被認(rèn)為是葉的變態(tài)。雌蕊包括子房、花柱和柱頭。子房是雌蕊基部膨大的部分，著生在花托上，外圍為子房壁，內(nèi)有一個(gè)子室，子室中生有一個(gè)胚珠，胚珠是著生在子房內(nèi)的卵形小體，是由心皮內(nèi)側(cè)若干部位的細(xì)胞經(jīng)過快速分裂、生長后出現(xiàn)的突起所形成的。每一胚珠由珠心、珠被和珠柄組成。胚珠著生的心皮壁上形成的肉質(zhì)突起為胎座。卵細(xì)胞經(jīng)受精作用與一個(gè)精子融合成合子，以后發(fā)育為種子中的胚。

2.1 子房結(jié)構(gòu)

毛竹的子房為一室的單子房，如圖1 所示，胚珠單個(gè)，倒生，雙珠被，胚珠無柄，基部外延先形成內(nèi)珠被，而后外珠被才形成，在大孢子母細(xì)胞與珠心之間有多層細(xì)胞，屬厚珠心類型，胎座為側(cè)膜胎座。

2.2 大孢子發(fā)生

孢原細(xì)胞位于珠孔端珠心表皮下方細(xì)胞，在珠被覆蓋珠心前即已分化，細(xì)胞體積較大，細(xì)胞質(zhì)濃厚，具有顯著的細(xì)胞核，核內(nèi)具有核仁(圖2-A，B)。孢原細(xì)胞不形成囊壁細(xì)胞，直接發(fā)育成為大孢子母細(xì)胞，以后大孢子母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂，形成了二分體，沿珠孔下方的珠心處向內(nèi)形成“一”字型排列的四分體(圖2-C)。四分體中靠珠孔端一個(gè)大孢子發(fā)育為功能大孢子，其余的三個(gè)退化。

2.3 雌配子體發(fā)育

雌配子體的發(fā)育開始于成熟的功能大孢子(圖2-D)。當(dāng)功能大孢子成熟后，細(xì)胞壁逐漸解體，周圍細(xì)胞相繼相融，同時(shí)大孢子細(xì)胞核進(jìn)行第1 次有絲分裂，形成的2 個(gè)細(xì)胞分別位于核點(diǎn)端與珠孔端，為二核胚囊(圖2-E，F(xiàn))，以后二核胚囊進(jìn)行第2次分裂形成四核胚囊和第3 次分裂形成成熟胚囊(成熟的雌配子體)。胚囊珠孔端具有3 個(gè)細(xì)胞組成的卵器，包括一個(gè)卵細(xì)胞和兩個(gè)靠得較近的助細(xì)胞。卵細(xì)胞核大，在靠近卵器的位置，是由兩個(gè)并排的極核組成的中央細(xì)胞。在合點(diǎn)端可以觀察到大量的反足細(xì)胞。這是由于在形成八核胚囊之后，合點(diǎn)端的3 個(gè)反足細(xì)胞反復(fù)分裂而形成的。至此，成熟胚囊形成，雌配子體產(chǎn)生。成熟胚囊由位于珠孔端的卵器、中間的中央細(xì)胞以及靠近合點(diǎn)端的多個(gè)反足細(xì)胞組成。

圖1 毛竹子房縱切面Fig.1 Section of the ovary of Phyllostachys edulis

圖2 毛竹大孢子和胚囊發(fā)育Fig.2 The development of megaspore and embryo sac of Phyllostachys edulis

圖3 毛竹的成熟胚和穎果Fig.3 Mature embryo and caryopsis of Phyllostachys edulis

2.4 胚和穎果的發(fā)育

子房受精后，隨著胚和胚乳的發(fā)育，珠心、珠被和子房壁發(fā)生一系列變化。胚囊不斷向珠心深入擴(kuò)展，珠心逐漸被吸收;同時(shí)珠被自外而內(nèi)、子房壁自內(nèi)而外被擠毀。配體利用其周圍溶解的胚乳組織發(fā)育成幼胚，出現(xiàn)盾片、胚根鞘、胚根、胚芽及外胚葉等各器官原基(圖3)。當(dāng)穎果成熟時(shí)，珠心幾乎全部被胚乳所吸收，果皮僅由栓化的內(nèi)珠被內(nèi)層和栓化的子房外壁3～4 層細(xì)胞緊密結(jié)合而成。

3 結(jié)論與討論

毛竹子房2 心皮1 室，內(nèi)具1 個(gè)倒生胚珠;雙珠被，厚珠心。大孢子母細(xì)胞由1 個(gè)雌性孢原細(xì)胞直接發(fā)育而成，大孢子四分體呈“一”字型排列;靠珠孔端一個(gè)大孢子發(fā)育為功能大孢子，由功能大孢子發(fā)育為蓼型成熟胚囊，成熟胚囊即成熟的雌配子體包括1 個(gè)卵細(xì)胞，2 個(gè)助細(xì)胞，2 個(gè)極核組成的中央細(xì)胞及大量反足細(xì)胞，喬士義和廖光廬在1984 年對毛竹的胚胎發(fā)育觀察時(shí)得出毛竹的胎座為合點(diǎn)胎座，與本文所得結(jié)論有所不同。

本文對于毛竹子房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與之前所報(bào)道的雷竹(Phyllostachys violascens)［10］、寒竹(Chimonobambusa marmoreal)［11］、巨龍竹(Dendrocalamus sinicus)［3］及月月竹(Menstruocalamus sichuanensis)［12］的子房構(gòu)造基本相同，符合禾本科植物子房的特點(diǎn)。

成熟胚囊由位于珠孔端的卵器、中間的中央細(xì)胞以及靠近合點(diǎn)端的多個(gè)反足細(xì)胞組成。助細(xì)胞在植物受精過程中起到引導(dǎo)雄配子體進(jìn)入雌配子體的作用［13］，壽命較短，通常在受精作用完成后就破壞。反足細(xì)胞具有豐富的細(xì)胞質(zhì)，與珠心相連處具有發(fā)達(dá)的壁內(nèi)突，在受精前后逐漸消失，跟胚胎發(fā)育的營養(yǎng)有關(guān)［14］。

通過對毛竹的大孢子發(fā)生及雌配子體的發(fā)育研究，發(fā)現(xiàn)毛竹大部分胚囊發(fā)育正常，不是造成毛竹結(jié)實(shí)率低的主要原因。林樹燕等［12］在月月竹的花藥發(fā)育研究中發(fā)現(xiàn)小孢子收縮變形較嚴(yán)重，可能導(dǎo)致花粉活力變低;龐延軍等［4］在爬竹(Drepanostachyum scandeus)花藥分化、造孢組織分化、小孢子和雄配子形成時(shí)期均發(fā)現(xiàn)雄蕊發(fā)育異常。因此，雄配子體的發(fā)育異常可能是導(dǎo)致竹類植物結(jié)實(shí)率低的原因之一。在調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)開花毛竹林內(nèi)有病蟲害發(fā)生，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民需要在毛竹開花期內(nèi)多次噴灑農(nóng)藥，才能保證其正常結(jié)實(shí)。由此看來，病蟲害的發(fā)生，也可能是導(dǎo)致毛竹結(jié)實(shí)率低的原因之一。影響竹類植物結(jié)實(shí)率的因素是多方面的，除了內(nèi)部原因，營養(yǎng)或傳粉限制等外界環(huán)境條件也可能引起結(jié)實(shí)率低，此問題還需更進(jìn)一步的研究。

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