庫拉索蘆薈雌性不育的胚胎學(xué)研究

趙紅艷，柴志艷，王太霞，李景原

(1 新鄉(xiāng)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453002；2 許昌縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)，河南 許昌461000；3 河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

庫拉索蘆薈雌性不育的胚胎學(xué)研究

趙紅艷1，柴志艷2，王太霞3，李景原3

(1 新鄉(xiāng)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453002；2 許昌縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)，河南 許昌461000；3 河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

【目的】 了解庫拉索蘆薈(AloeveraL.)的開花過程以及有性生殖過程中大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)育的動態(tài)過程，為探討蘆薈的雌性不育提供胚胎學(xué)依據(jù)?！痉椒ā?以庫拉索蘆薈為材料，應(yīng)用植物解剖學(xué)和熒光顯微技術(shù)相結(jié)合的方法，從形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生殖生物學(xué)的角度對蘆薈雌性不育進(jìn)行研究。【結(jié)果】 在蘆薈雌配子體發(fā)育過程中，胚囊發(fā)育為四孢型。胚囊發(fā)育至四孢子期后出現(xiàn)了異常，四分體逐漸解聚，內(nèi)容物降解消失?！窘Y(jié)論】 庫拉索蘆薈大孢子母細(xì)胞最終沒有形成功能性的胚囊，不具備成熟的雌配子體，無法正常進(jìn)行受精結(jié)實(shí)，導(dǎo)致其雌性不育。

庫拉索蘆薈；形態(tài)學(xué)；胚胎學(xué)；雌性不育

蘆薈(Aloe)原產(chǎn)于南非[1]，是多年生常綠肉質(zhì)植物，葉片中含有大量蒽醌類和多糖類物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于制藥、化工產(chǎn)品及美容保健等行業(yè)，倍受人們的青睞。然而，蘆薈絕大多數(shù)不能結(jié)實(shí)，而且種植在我國北方地區(qū)的蘆薈一般不能產(chǎn)生種子，因此難以通過遺傳方法進(jìn)行改良和培育新品種。目前蘆薈屬植物以營養(yǎng)繁殖為主，這造成了蘆薈屬植物的品質(zhì)退化，種族衰退，不利于蘆薈產(chǎn)品的開發(fā)和利用。

目前，有關(guān)蘆薈的胚胎學(xué)研究主要局限于其雄性不育[2-7]，且主要集中在小孢子減數(shù)分裂異常和自交不親和方面[8-10]，對于蘆薈大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)育的研究尚未見報(bào)道，雌配子體及花粉的正常發(fā)育是實(shí)現(xiàn)受精結(jié)實(shí)的保證，因此迫切需要弄清楚蘆薈大孢子發(fā)生和雌配子體的整個發(fā)育過程。本研究通過觀察大孢子發(fā)育動態(tài)過程中的異?，F(xiàn)象，從細(xì)胞形態(tài)學(xué)和胚胎學(xué)角度闡明蘆薈不育的機(jī)理，以期為深入了解蘆薈的有性生殖及進(jìn)一步改進(jìn)遺傳育種措施、培育更為優(yōu)良的蘆薈品種提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料庫拉索蘆薈(AloeveraL.)取自河南省新鄉(xiāng)市，大田中盆栽，春、秋兩季各施復(fù)合肥1次，每周澆水1次，冬季移入溫室且使用加熱器控溫,于10～15 ℃越冬。取生長良好、長勢均勻、無病蟲害的4年生庫拉索蘆薈進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 方 法

1.2.1 蘆薈花期的形態(tài)學(xué)觀察 取供試庫拉索蘆薈，從2013-01-01開始，每天2次(09:00，15:00)觀察并記錄蘆薈花的整個開花過程，采用植物形態(tài)解剖學(xué)的方法和石蠟切片法觀察蘆薈雌蕊發(fā)育的形態(tài)特征。用Olympus CHS型(日本奧林巴斯)光學(xué)顯微鏡，觀察庫拉索蘆薈有性生殖過程中大孢子、雌配子體以及胚珠的發(fā)育過程；挑選具有代表性的切片，用Olympus BX51型(日本奧林巴斯)熒光顯微鏡在明場下進(jìn)行觀察并拍照。

1.2.2 人工授粉對蘆薈結(jié)實(shí)的影響 選取處于開花期的蘆薈，對其進(jìn)行人工授粉，觀察植株的坐果情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆薈花期的形態(tài)學(xué)觀察

北方大田種植的庫拉索蘆薈，到冬季需搬到溫室過冬。從2013-01-12開始，成年蘆薈植株近頂端葉片之葉腋處長出總狀花序幼體，2月初開始開花，每個花序上約有80～100朵小花，花從花序軸下部向上依次開放，邊開邊凋謝?；▽儆谕换?，合生雌蕊；花柱單一，圓柱形，自子房頂部伸出，柱頭膨大呈頭狀，有分泌物；子房上位，3心皮合生，3室，綠色；中軸胎座，胚珠多數(shù)。

2.2 蘆薈花期的解剖學(xué)觀察

蘆薈雌蕊原基形成后，入冬休眠前發(fā)育至造孢細(xì)胞和胚珠孢原細(xì)胞階段，次年春季，隨芽的萌動，莖葉生長，性器官繼續(xù)進(jìn)行分化與發(fā)育。

2.2.1 胚珠的發(fā)育 庫拉索蘆薈的子房呈細(xì)長柱狀，由3個心皮形成3個子房室，每個子房室中均有2串縱向排列的胚珠，這2串胚珠分別著生在心皮兩側(cè)的內(nèi)面，形成中軸胎座。在蘆薈幼小的子房中，心皮腹縫線處產(chǎn)生一團(tuán)細(xì)胞，分裂增生發(fā)育成珠心。在珠心基部外圍有些細(xì)胞分裂較快，形成了包圍在珠心周圍的內(nèi)珠被，頂端形成珠孔。以同樣方式，在內(nèi)珠被外方又形成外珠被。胚珠以珠柄和胎座相連，庫拉索蘆薈胚珠的珠孔、珠心和合點(diǎn)的連線與珠柄成直角，珠孔偏向一側(cè)，由此判斷蘆薈屬于橫生胚珠(圖1-A)。

2.2.2 大孢子的發(fā)生 庫拉索蘆薈胚珠珠心由一團(tuán)薄壁組織細(xì)胞組成，大孢子的發(fā)生始于珠心中表皮下分化的1個孢原細(xì)胞，此孢原細(xì)胞在珠被原基剛出現(xiàn)時便開始分化。孢原細(xì)胞體積較大，細(xì)胞質(zhì)濃，細(xì)胞核明顯。當(dāng)孢原細(xì)胞的體積縱向增大時，細(xì)胞核也變大，染色質(zhì)凝聚于核仁周圍，然后孢原細(xì)胞分裂形成周緣細(xì)胞和造孢細(xì)胞。外部的周緣細(xì)胞進(jìn)行平周和垂周分裂增加珠心組織，內(nèi)部的造孢細(xì)胞直接發(fā)育成大孢子母細(xì)胞，大孢子母細(xì)胞包藏于珠心組織中(圖1-B)。珠心的發(fā)育過程表明，蘆薈屬于厚珠心胚珠。隨后，大孢子母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂的前期Ⅰ，歷經(jīng)細(xì)線期、偶線期、粗線期、雙線期、終變期、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ，形成2個大小相同的單倍體子核，即二分體，此時為二分體時期。二分體經(jīng)中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ，完成第2次減數(shù)分裂，產(chǎn)生4個同樣大小的單倍體子核(等二列排列)，此時稱為四分體時期或前四核期，形成的4個大孢子將全部參與胚囊的形成。

2.2.3 雌配子體的發(fā)育 大孢子母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生4個同樣大小的單倍體核，沒有形成壁， 4個大孢子核都參與了胚囊的形成。在4核的大孢子中，2個核在珠孔端，2個核在合點(diǎn)端，即呈2+2的排列。庫拉索蘆薈的4核大孢子在有絲分裂前，其核的排列符合四孢型胚囊的發(fā)育形式[11]，由此可以認(rèn)為，蘆薈的胚囊發(fā)育屬于四孢型。按照這種分裂方式，4核大孢子僅經(jīng)一次分裂就可產(chǎn)生8核，最后形成含1個卵器、2個極核和3個反足細(xì)胞的胚囊。然而，在試驗(yàn)中沒有見到這樣的胚囊，僅有2個單倍體小核的胚囊，且細(xì)胞高度液泡化，將核擠向細(xì)胞邊緣，緊貼細(xì)胞壁(圖1-C)。隨后，其中1個核也慢慢解聚，逐漸消失，這時可以看到僅剩1核的胚囊(圖1-D)，接著這個核也逐漸解聚，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物逐漸降解，最終剩下一團(tuán)殘余物(圖1-E，F(xiàn))。

圖1 蘆薈雌配子體發(fā)育過程的胚胎學(xué)觀察A．橫生胚珠(×100)；B．大孢子母細(xì)胞(×100)；C．只有2核的胚囊(×400)；D．只有1核的胚囊(×100)；E．只有原生質(zhì)團(tuán)的胚囊(×100)；F．?dāng)∮呐吣?×100)

2.3 人工授粉對蘆薈結(jié)實(shí)的影響

對開花期的蘆薈進(jìn)行人工授粉，促進(jìn)受精。結(jié)果顯示，自授粉后持續(xù)觀察直至花凋謝、花序軸枯干，也未見有果實(shí)和種子產(chǎn)生。

3 討 論

3.1 庫拉索蘆薈的雌性不育機(jī)理

由于雌蕊結(jié)構(gòu)及雌配子體發(fā)育的復(fù)雜性，目前，對于蘆薈雌性不育或雌蕊敗育的雌性不育機(jī)制的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)以此為切入點(diǎn)，首次從細(xì)胞學(xué)、胚胎學(xué)角度探討庫拉索蘆薈雌性不育的原因，對其胚胎發(fā)育的研究結(jié)果表明，它的胚胎學(xué)發(fā)育特征基本上與百合科的胚胎學(xué)特征[12]相一致。在我國北方引種的庫拉索蘆薈，在大棚或溫室保護(hù)下能安全越冬，也能開花，但是不產(chǎn)生果實(shí)和種子。從本試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在雌配子體發(fā)育過程中，大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂產(chǎn)生等二列排列的四分體，形成了四孢子胚囊，然而胚囊發(fā)育至四孢子期后出現(xiàn)了異常，四分體逐漸解聚，內(nèi)容物降解消失，沒有形成功能性的胚囊，不具備8核7細(xì)胞的胚囊基本結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)育成成熟的雌配子體，從而使庫拉索蘆薈無法正常進(jìn)行受精結(jié)實(shí)，最終導(dǎo)致雌性不育。庫拉索蘆薈的囊胚是在形成四孢型胚囊以后逐漸走向衰敗的，即雌蕊胚珠內(nèi)的大孢子母細(xì)胞雖然可以完成減數(shù)分裂，但功能性大孢子卻不能正常進(jìn)行有絲分裂，無法產(chǎn)生成熟的8核胚囊，這是其雌性不育的胚胎學(xué)原因。

3.2 人工授粉對蘆薈結(jié)實(shí)的影響

對開花期的蘆薈進(jìn)行人工授粉，也未見有果實(shí)和種子產(chǎn)生，說明導(dǎo)致庫拉索蘆薈不育的時期是在受精階段或受精之前，即導(dǎo)致其敗育的關(guān)鍵是雌配子體發(fā)育異常，即使是采用人工授粉，對于敗育的庫拉索蘆薈來說也不能使其受精結(jié)實(shí)。

[1] Gilbert M G,Demissew S.Notes on the genusAloein Ethiopia:Misinterpreted taxa [J].Kew-Bull,1992,47(4):647-653.

[2] 梁秀梅，卜秀玲．開普蘆薈和木立蘆薈的染色體核型分析 [J].植物研究，2001，21(1)：84-87.

Liang X M,Bu X L.Karyotype analysis ofAloeferoxmill andAloearboresensmill [J].Journal of Bulletin of Botanical Research,2001，21(1)：84-87.(in Chinese)

[3] 王永中，沈淑瑜．中國蘆薈染色體核型分析 [J].生物學(xué)雜志，1998，15(5)：42-43．

Wang Y Z,Shen S Y.Karyotype analysis of chromosome Chinese Aloe [J].Journal of Biology,1998，15(5)：42-43.(in Chinese)[4] 李愛華，魯坤存，陳 燦．沅江蘆薈染色體核型和Giemsa C-帶帶型 [J].生物學(xué)雜志，2003，20(4)：24-25.

Li A H,Lu K C,Chen C.Yuanjiang aloe karyotype and Giemsa C-band [J].Journal of Biology,2003，20(4)：24-25.(in Chinese)

[5] 丁為群，張孜孜，王愛紅．三種蘆薈的區(qū)別及其遺傳差異 [J].安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002,16(2)：8-12.

Ding W Q,Zhang Z Z,Wang A H.The difference between the three kinds of aloe and its genetic differences [J].Journal of Anhui Technical Teachers College,2002,16(2)：8-12.(in Chinese)

[6] 曲春香，沈頌東，孟祥勛，等．木立蘆薈的試管快速繁殖及核型分析 [J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002(4):54-55.

Qu C X,Shen S D,Meng X X，et al.Invitrorapid propagation ofAloearborescensMill and karyotype analysis [J].Jiangsu Agricultural Sciences,2002(4)：54-55.(in Chinese)

[7] 紀(jì)春燕，馬玉心，催大練．蘆薈屬四種植物染色體核型研究 [J].中國林副特產(chǎn)，2002(3)：15-16．

Ji C Y,Ma Y X,Cui D L.Study on chromosome karyotype of fourAloeplant [J].Journal of Chinese Forest by Products,2002(3)：15-16.(in Chinese)

[8] Spare A B. Meiosis and pollen mitosis inAloebarbadensisMill [J].Cyrologia,1975,40:525-533.

[9] Brandham P E.Meiotic crossing-over between sites on opposite sides of the cen tormeres of homoeologues is frequent in hybrid Aloeaceae [J].Genome,1990,33:170-176.

[10] 呂 琳，何聰芬，董銀卯，等．木立蘆薈小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂與花粉育性關(guān)系的初步研究 [J].遺傳，2005，27(3)：429-434.

Lü L,He C F,Dong Y M,et al.Preliminary study on the relationship between meiosis of pollen mother cells and pollen abortion ofAloearboresensMill [J].Journal of Herenditas,2005，27(3)：429-434.(in Chinese)

[11] 胡適宜.被子植物胚胎學(xué) [M].北京:人民教育出版社，1983.

Hu S Y.Embryology of angiosperms [M].Beijing:People’s Education Press,1983.(in Chinese)

[12] Davis G L.Systematic embryology of the angiosperms [J].New York:John Wiley and Sons Inc,1966,49/50:157-159.

Embryology ofAloeveraL.female sterility

ZHAO Hong-yan1,CHAI Zhi-yan2,WANG Tai-xia3,LI Jing-yuan3

(1SchoolofLifeSciencesandTechnology,XinxiangUniversity,Xinxiang,Henan453002,China；2XuchangCountyExperimentalMiddleSchool,Xuchang,Henan461000,China；3CollegeofLifeSciences,HenanNormalUniversity,Xinxiang,Henan453000,China)

【Objective】 In this paper,the flowering process and dynamics of microsporogenesis and female gametophyte development during sexual reproduction process ofAloeveraL.were investigated.【Method】 Using plant-anatomy and fluorescence micro technology,the female sterility ofAloeveraL. was investigated from the perspectives of morphology,cytology,and reproductive biology.【Result】 During the development of female gametophyte,Therefore,embryo sac growth of aloe was tetrasporic type.After abnormality appeared at the later stage,the tetrad depolymerized and contents degenerated and vanished.【Conclusion】 The megaspore mother cell failed to form functional embryo sac and did not have mature female gametophyte.It was unable to conduct fertilization and caused the female sterility.

AloeveraL.;morphology;embryology;female sterility

時間:2015-09-09 15:41

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.020

2014-03-07

河南省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(072102270018)； 河南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2006180016)

趙紅艷(1973-)，女，河南平頂山人，講師，碩士，主要從事藥用植物與種質(zhì)資源研究。 E-mail：zhaohongyan92@sohu.com

Q745.78

A

1671-9387(2015)10-0152-03

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150909.1541.040.html