中華鱗毛蕨配子體發(fā)育過程的觀察

陳 倩， 段映霞， 戴錫玲

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 上海 200234)

中華鱗毛蕨配子體發(fā)育過程的觀察

陳 倩， 段映霞， 戴錫玲①

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 上海 200234)

Abstract: Morphological variation during the gametophyte development process ofDryopterischinensis(Bak.) Koidz. was observed. The results show that the development process ofD.chinensiscan be divided into spore germination， filament formation， plate formation， prothallus formation， sexual organ formation and apogamety. The spores are bilaterally symmetric， monolete， surface with ridge fold ornamentation， elliptical in polar view， and approximately semicircle-shaped in equatorial view. The spore germination type is of Vittaria-type； the filaments with a length of 3-7 cells， not branched or occasionally branched， with single or double row cells； mature prothallus is symmetrically cordate， and the development type of prothallus is of Aspidium-type， with long unicellular clavate trichomes distributed on the surface and in the margin； with antheridium but archegonium is not observed， belongs to apogamety. One prothallium ofD.chinensisproduces one embryo， and young embryo can be generated within one month after the formation of antheridium； there are a lot of unicellular trichomes and some multicellular trichomes on the young embryo of sporophyte.

中華鱗毛蕨； 配子體發(fā)育； 無配子生殖

中華鱗毛蕨〔Dryopterischinensis(Bak.) Koidz.〕隸屬于鱗毛蕨科(Dryopteridaceae)鱗毛蕨屬(DryopterisAdanson)，主要分布于遼寧、山東、江蘇、江西、河南、安徽和浙江；該種較耐寒，常生于林陰下和水溝邊[1]173，是良好的地被景觀植物。

蕨類植物配子體形態(tài)和發(fā)育特征可以作為其分類和演化的重要依據(jù)[2]，鱗毛蕨屬約有230種[1]103。目前，雖然已有一些關(guān)于鱗毛蕨屬植物配子體發(fā)育及生殖生物學(xué)的研究報道[3-9]，但相對于該屬眾多的種類來說明顯不足。為此，作者在組織培養(yǎng)條件下，利用顯微技術(shù)對中華鱗毛蕨孢子萌發(fā)和配子體發(fā)育過程進(jìn)行詳細(xì)觀察，并記錄其配子體發(fā)育的各階段特征，以期為鱗毛蕨科植物的生殖生物學(xué)和系統(tǒng)分類學(xué)研究提供資料，并為中華鱗毛蕨的開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1材料

中華鱗毛蕨成熟孢子于2014年7月7日采自江西廬山，由上海師范大學(xué)曹建國教授鑒定。

1.2方法

在無菌條件(超凈工作臺)下，將孢子置于體積分?jǐn)?shù)5%NaClO溶液中充分震蕩搖勻，浸泡5 min后離心；無菌水清洗、離心3次；將孢子接種在裝有改良Knop’s無菌培養(yǎng)基(含10 g·L-1瓊脂，pH 7.0)的培養(yǎng)皿中，置于溫度25 ℃、光照度2 500 lx、光照時間12 h·d-1的條件下培養(yǎng)。重復(fù)培養(yǎng)3次，每次8皿。在配子體發(fā)育的各階段隨機(jī)取樣，用OLYMPUS BX53型光學(xué)顯微鏡(日本Olympus公司)觀察并拍照記錄。隨機(jī)測量20個樣本，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果和分析

中華鱗毛蕨配子體的整個發(fā)育過程可分為6個階段，各階段配子體的形態(tài)特征見圖1。

1)孢子萌發(fā)：孢子呈褐色，兩側(cè)對稱，具單裂縫；極面觀為橢圓形，赤道面觀為近半圓形；赤道軸長48.2～55.8 μm，極軸長32.1～39.7 μm；孢子表面具脊?fàn)铖薨櫦y飾(圖1-1)。

孢子萌發(fā)類型為書帶蕨型[10]。孢子接種5～8 d后從裂縫處開裂(圖1-2)，分裂成2個大小不等的細(xì)胞，較大的細(xì)胞為原葉體原始細(xì)胞，內(nèi)含葉綠體，較小的細(xì)胞形成假根(圖1-3)。

2)絲狀體形成：接種約14 d后，原葉體的原始細(xì)胞垂直于赤道面分裂并形成3細(xì)胞的單列絲狀體，細(xì)胞內(nèi)充滿葉綠體；絲狀體頂端可產(chǎn)生毛狀體，內(nèi)含少量葉綠體(圖1-4)。原始細(xì)胞也可橫裂或縱裂成4細(xì)胞球狀體，其中1個細(xì)胞橫裂形成單列絲狀體(圖1-5)，或其中2個細(xì)胞先后橫裂和縱裂形成具2個分支的雙列絲狀體，或僅橫裂成單列分支絲狀體，每一分支的前端可先后產(chǎn)生毛狀體。毛狀體長20～30 μm，寬8～15 μm(圖1-6)；絲狀體細(xì)胞呈短或長圓筒狀。

1： 孢子Spore； 2，3： 萌發(fā)的孢子Germinative spore； 4-6： 絲狀體Filament； 7-10： 片狀體Plate； 11： 幼原葉體Young prothallus； 12： 成熟原葉體Mature prothallus； 13： 假根，箭頭示橫隔Rhizoid， the arrow showing diaphragm； 14： 毛狀體Trichome； 15： 精子器Antheridium； 16： 幼胚Young embryo； 17： 胚芽Embryo bud； 18： 胚芽表面單細(xì)胞毛狀體Unicellular trichome on surface of embryo bud； 19： 胚芽表面多細(xì)胞毛狀體Multicellular trichome on surface of embryo bud； 20： 胚芽表面毛狀體Trichome on surface of embryo bud； 21： 幼態(tài)葉Juvenile leaf.圖1 中華鱗毛蕨發(fā)育過程中配子體的變化Fig. 1 Changes of gametophyte during development process of Dryopteris chinensis (Bak.) Koidz.

3)片狀體形成：接種約26 d后，絲狀體的頂端細(xì)胞斜向分裂，并在分裂面的下方產(chǎn)生1個前端細(xì)胞；前端細(xì)胞進(jìn)行橫裂和縱裂產(chǎn)生片狀體(圖1-7～9)，最終形成廣闊板狀片狀體，其前端邊緣產(chǎn)生更多毛狀體(圖1-10)。分支雙列絲狀體的2分支發(fā)育程度不同，其中一個分支進(jìn)入片狀體階段，另一個分支保持絲狀體形態(tài)并逐漸形成勺狀、掃帚狀等分支片狀體(圖1-7，10)。片狀體末期，在其前端中央出現(xiàn)3或4個細(xì)胞組成的分生組織(圖1-10)。

4)原葉體形成：接種約55 d后，分生組織分裂形成幼原葉體，其前端中央生長點處凹陷，兩翼上延；幼原葉體的長度遠(yuǎn)大于其寬度，兩側(cè)的邊緣細(xì)胞常連同毛狀體向外突出，使原葉體邊緣具粗齒狀不規(guī)則突起(圖1-11)。繼續(xù)培養(yǎng)約10 d，幼原葉體逐漸發(fā)育成熟；成熟原葉體呈倒卵狀心形或三角狀卵形，兩翼略向左右擴(kuò)展，邊緣有波折；長寬相近，一般長3.0～3.5 mm，最長可達(dá)7.0 mm，寬3.5～4.0 mm，最寬可達(dá)8.0 mm；兩翼、邊緣細(xì)胞及生長點附近的細(xì)胞呈近方形，近中脈的細(xì)胞呈不規(guī)則多邊形(圖1-12)。

配子體發(fā)育類型為三叉蕨型[10]。隨發(fā)育的推進(jìn)，原葉體基部邊緣和腹部產(chǎn)生許多直徑約11 μm的次生假根；假根初為無色透明，成熟后呈紅褐色；少數(shù)假根基部具橫隔(圖1-13)。在原葉體的背腹面及邊緣均分布有單細(xì)胞毛狀體，常呈乳頭狀，長短不一，一般長30～45 μm，寬8～15 μm，覆蓋帽狀腺體，有時早脫落，毛狀體始終含有少量葉綠體。原葉體邊緣每隔2～4(～7)個細(xì)胞產(chǎn)生 1條毛狀體，平均1個成熟原葉體上約有90條毛狀體(圖1-14)。

5)性器官形成：原葉體發(fā)育成熟后，在其尾部或假根附近開始產(chǎn)生長圓球狀或圓球狀精子器，直徑20～25 μm，高30～42 μm，其內(nèi)具多個球狀精細(xì)胞(圖1-15)，每個原葉體上產(chǎn)生約10個精子器。經(jīng)多次重復(fù)培養(yǎng)，在原葉體上未觀察到頸卵器。

6)無配子生殖：培養(yǎng)約3個月，原葉體通過無配子生殖發(fā)育成幼孢子體。精子器出現(xiàn)后約1個月，可觀察到從原葉體前端凹陷處下方中肋上長出幼胚，呈圓錐狀突起(圖1-16)；隨后，幼胚發(fā)育成分支狀胚芽(圖1-17)；胚芽表面和邊緣具大量單細(xì)胞毛狀體和少量多細(xì)胞毛狀體，毛狀體頂端乳突狀，具豐富帽狀腺體，并含少量葉綠體(圖1-18，19)；胚芽繼續(xù)發(fā)育為叉柱狀，頂端略彎曲，表面有大量毛狀體(圖1-20)。

幼胚長出約21 d，在胚芽頂端逐漸發(fā)育出第1片幼態(tài)葉。每個成熟原葉體通常只發(fā)育出1株幼孢子體。幼態(tài)葉具短柄和1對不對稱的中裂缺刻，呈三叉狀；其葉面和邊緣具大量單細(xì)胞毛狀體(圖1-21)。

3 討 論

中華鱗毛蕨的孢子萌發(fā)類型為書帶蕨型，配子體發(fā)育類型為三叉蕨型，與王全喜等[3]、黃慶陽等[5]和張開梅等[7]對其他鱗毛蕨屬種類配子體發(fā)育的觀察結(jié)果一致，并支持“書帶蕨型孢子萌發(fā)方式和三叉蕨型原葉體發(fā)育方式在鱗毛蕨屬配子體發(fā)育中可能有普遍性”[11]的結(jié)論。

鱗毛蕨屬絲狀體可橫裂或縱裂為單列或雙列絲狀體[3，5-8]，部分種類僅具單列絲狀體[3-4]，而中華鱗毛蕨不僅具有單列絲狀體，還具有單列或雙列分支絲狀體。可見，鱗毛蕨屬在絲狀體時期有3種類型：單列絲狀體、雙列絲狀體、單列或雙列分支絲狀體。中華鱗毛蕨絲狀體時期的形態(tài)多樣性導(dǎo)致其片狀體初期的形狀多樣，在紅蓋鱗毛蕨〔D.erythrosora(Eaton) O. Ktze.〕[8]配子體發(fā)育過程中也存在此現(xiàn)象。

在不具專一性的無配子生殖蕨類中，因自然環(huán)境或生理不適宜，受精作用被抑制，從而誘導(dǎo)出無配子生殖[10]。中華鱗毛蕨不產(chǎn)生頸卵器，進(jìn)行無配子生殖，而同屬其他植物均能產(chǎn)生兩性器官[4-8]，具體原因有待進(jìn)一步研究。

[1] 中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會. 中國植物志： 第五卷第一分冊[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2000.

[2] ATKINSON L R， STOKEY A G. Comparative morphology of the gametophyte of homosporous ferns[J]. Phytomorphology， 1964， 14：51-70.

[3] 王全喜， 邵誠文， 曹建國， 等. 東北蕨類植物配子體發(fā)育的研究Ⅺ. 鱗毛蕨科[J]. 哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報， 1995， 4(11)： 83-89.

[4] 歐陽嬋娟， 唐源江， 王瑞江. 變異鱗毛蕨的孢子培養(yǎng)與配子體發(fā)育研究[J]. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報， 2008， 16(4)： 344-349.

[5] 黃慶陽， 肖自添， 常 纓. 香鱗毛蕨配子體發(fā)育的研究[J]. 植物研究， 2006， 26(3)： 266-269.

[6] 李懿宸， 齊 晶， 鄭書憶， 等. 鱗毛蕨科3種植物配子體發(fā)育的研究[J]. 植物研究， 2016， 36(3)： 334-340.

[7] 張開梅， 石 雷， 張憲春. 三角鱗毛蕨配子體發(fā)育的研究[J]. 武漢植物學(xué)研究， 2005， 23(3)： 276-279.

[8] 羅順元， 王任翔， 麻維華. 紅蓋鱗毛蕨配子體的發(fā)育[J]. 廣西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2007， 25(3)： 105-108.

[9] MOMOSE S. Prothallia of the Japanese Ferns (Filicales)[M]. Tokyo： University of Tokyo Press， 1967： 40.

[10] NAYAR B K，KAUR S. Gametophytes of homosporous ferns[J]. The Botanical Review， 1971， 37： 295-396.

[11] 曾漢元， 丁炳揚(yáng). 蕨類植物配子體發(fā)育的研究[J]. 植物研究， 2003， 23(2)： 154-158.

(責(zé)任編輯： 郭嚴(yán)冬)

ObservationongametophytedevelopmentprocessofDryopterischinensis

CHEN Qian， DUAN Yingxia， DAI Xiling①

(College of Life and Environmental Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China)，J.PlantResour. &Environ.， 2017，26(3)： 115-117

Q944.5； Q945.51

A

1674-7895(2017)03-0115-03

10.3969/j.issn.1674-7895.2017.03.16

2016-11-04

上海市自然科學(xué)基金資助項目(15ZR1430500)； 上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(14DZ2260400)； 上海市綠化和市容管理局科學(xué)技術(shù)項目(G152430)

陳 倩(1995—)，女，海南儋州人，本科，主要從事蕨類植物配子體發(fā)育方面的研究。

①通信作者E-mail： daixiling2010@shnu.edu.cn

KeywordsDryopterischinensis(Bak.) Koidz.； gametophyte development； apogamety