長白山區(qū)紫草小孢子發(fā)生的細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察

， ， ， ， (.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 吉林 延吉 3300, .龍井市智新鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站， 吉林 延邊 33400 )

長白山區(qū)紫草小孢子發(fā)生的細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察

呂爽1，付爽1，吳松權(quán)1，南海燕2，全雪麗1
(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 吉林 延吉 133002, 2.龍井市智新鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站， 吉林 延邊 133400 )

采用常規(guī)石蠟切片法，觀察了長白山區(qū)紫草的小孢子發(fā)生過程和各時期的形態(tài)特征。結(jié)果表明：長白山區(qū)紫草小孢子發(fā)育直到四分體為止發(fā)育都正常，小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂為同時型，四分體排列方式為四面體型。小孢子發(fā)育受阻于四分體分離后的單核小孢子時期開始，是因?yàn)檫@時期絨氈層細(xì)胞異常膨脹，占滿整個藥室，小孢子沒有可發(fā)育的空間，最終導(dǎo)致小孢子敗育。

長白山區(qū)； 紫草； 小孢子發(fā)生； 細(xì)胞形態(tài)學(xué)

紫草(LithospermumerythrorhizonSieb.et Zucc.)，又稱硬紫草，屬于紫草科紫草屬多年生草本植物[1-2]，紫草根是我國傳統(tǒng)中藥，根肥厚，暗紫色，其主要有效成分是紫草素[3]。紫草具有抗艾滋病、抗腫瘤、抗炎、止血抑菌、保護(hù)肝臟、抗氧化等多種藥理作用，臨床應(yīng)用廣泛[3]。近年來，紫草被大量采集，加之野生條件下形成的種子少，難以收集，加劇了紫草野生資源的破壞[2]。目前關(guān)于紫草的研究主要集中在化學(xué)成分及藥理方面[2-6]，關(guān)于紫草胚胎學(xué)方面的研究甚少，尤其是小孢子發(fā)育方面的研究。因此，本研究采用常規(guī)石蠟切片法，觀察研究了長白山區(qū)紫草小孢子發(fā)育的過程，以期為紫草的生殖生物學(xué)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

多年生紫草植株采自延吉周邊地區(qū)，經(jīng)延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院石鐵源教授鑒定后，栽種于延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)園內(nèi)，常規(guī)栽培管理。等紫草開花后(2015年5月28—30日)，取紫草植株上的不同大小的花蕾待用。

1.2 方 法

采集的新鮮材料(處于不同發(fā)育時期的花蕾)用FAA固定液立即固定并保存帶回實(shí)驗(yàn)室。各材料經(jīng)過逐級脫水、透明、浸蠟、包埋、修整、切片(切片厚度12μm)，之后用番紅-固綠雙重染色法染色，中性樹膠封片，干燥后用OLYIMPUS顯微鏡觀察，觀察小孢子不同發(fā)育時期，并進(jìn)行顯微照相。

圖版

2 結(jié)果與分析

紫草花為兩性花，輻射對稱花，總狀聚傘花序，每朵花內(nèi)有5枚雄蕊(圖版1～2)。

2.1 紫草花藥壁的發(fā)育

紫草每個花藥橫切面為蝶形，由4個花粉囊組成(圖版2)。花藥壁是由孢原細(xì)胞分裂產(chǎn)生的周緣細(xì)胞經(jīng)過分裂分化形成。初期花藥壁分化不明顯(圖版3)，各層細(xì)胞形態(tài)相似。隨著花藥的進(jìn)一步發(fā)育花藥壁分化越來越明顯(圖版3～6)，花藥壁從外向內(nèi)分別是表皮(1層細(xì)胞)、藥室內(nèi)壁(1層細(xì)胞)、中層(1層細(xì)胞)和絨氈層(1～2層細(xì)胞)(圖版5)。四分體分離之前花藥壁無異?，F(xiàn)象，從四分體分離后形成小孢子開始絨氈層發(fā)育出現(xiàn)異常，即絨氈層細(xì)胞不斷膨大，內(nèi)部細(xì)胞質(zhì)分布不均勻，出現(xiàn)大液泡，因體積不斷增大占滿整個藥室，導(dǎo)致小孢子沒有發(fā)育的空間，被絨氈層擠壓、變形(圖版6～7)。到后期雖然絨氈層萎縮、變小，但又被藥室內(nèi)壁的細(xì)胞縱向伸長和纖維化，占滿整個藥室(圖版8～9)，導(dǎo)致小孢子仍然沒有可發(fā)育的空間?？傊?，花藥壁中最外層表皮的發(fā)育、藥室內(nèi)壁后期的徑向伸長、增大、纖維化、中層細(xì)胞的解體都是正常的。只有絨氈層細(xì)胞發(fā)育出現(xiàn)不正常。到最后花粉囊壁各層干縮，變形，花粉囊有開裂跡象，但不是很明顯(圖版10)。此外，在藥隔薄壁細(xì)胞中觀察到簇狀晶體。

2.2 紫草小孢子各發(fā)育階段的細(xì)胞學(xué)特征

造胞細(xì)胞經(jīng)過分裂后形成小孢子母細(xì)胞，體積較大，核明顯，呈多邊形(圖版3)，此時絨氈層細(xì)胞分化還不是很明顯。小孢子母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂，經(jīng)第1次分裂后形成的2個核之間沒有形成細(xì)胞壁，因此沒有二分體時期(圖版4)。這時期絨氈層細(xì)胞已經(jīng)出現(xiàn)膨大，大多部位出現(xiàn)2層絨氈層細(xì)胞。在第2次分裂后形成的4個核之間產(chǎn)生細(xì)胞壁，即四分體時期(圖版5)。因二分體時期沒有出現(xiàn)細(xì)胞壁，減數(shù)分裂屬同時型。四分體為四面體型，被胼胝質(zhì)包圍，四分體形態(tài)正常。四分體能夠正常分離后形成小孢子。但從小孢子發(fā)育開始出現(xiàn)異常。因周圍的絨氈層細(xì)胞異常膨大，內(nèi)部出現(xiàn)大液泡，可見單核或雙核，絨氈層細(xì)胞繼續(xù)膨大，有的成為特大細(xì)胞，侵入藥室擠壓小孢子，導(dǎo)致小孢子發(fā)育沒有空間，被擠壓，粘連在一起(圖版6～9)，最后小孢子細(xì)胞和部分殘留的絨氈層細(xì)胞粘連在藥室內(nèi)壁內(nèi)側(cè)，最終徹底敗育(圖版10)。

3 討論與結(jié)論

絨氈層細(xì)胞是花藥壁最內(nèi)一層細(xì)胞，是最接近花粉母細(xì)胞和小孢子的細(xì)胞。絨氈層主要功能是將來自植物體內(nèi)的各種物質(zhì)進(jìn)行加工轉(zhuǎn)化并輸入藥室為小孢子發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)和酶，同時為雄配子體的發(fā)育創(chuàng)造了一個特殊的空間環(huán)境[7]。大量研究表明，小孢子發(fā)生過程中絨氈層的正常發(fā)育與花粉生長有著緊密的聯(lián)系[8]。幾乎所有的雄性不育植物小孢子的敗育都與絨氈層有關(guān)[9-12]。不同植物雄性不育材料敗育的時期不一，從雄蕊分化到成熟花粉形成的各個時期都有可能，單子葉植物多數(shù)發(fā)生在單核和雙核期，雙子葉植物多發(fā)生在四分體至小孢子形成期[12]，且敗育的方式也多種多樣，主要表現(xiàn)在減數(shù)分裂時期絨氈層細(xì)胞液泡化、中層細(xì)胞肥大、小孢子淀粉粒減少、孢粉素沉積異常、花粉內(nèi)壁不能正常形成等。同時, 敗育的原因也是多方面的, 歸納起來, 與絨氈層、胼胝質(zhì)、ATP 酶、Ca2+濃度、細(xì)胞骨架和細(xì)胞程序性死亡等因素有關(guān)[8]。

本研究發(fā)現(xiàn)，長白山區(qū)紫草小孢子發(fā)育出現(xiàn)敗育現(xiàn)象，敗育從四分體分離后的小孢子時期開始，這說明絨氈層能正常分泌胼胝質(zhì)酶，降解胼胝質(zhì)壁，使四分體分離。小孢子時期開始絨氈層異常膨脹，液泡化明顯，占滿整個藥室，小孢子被擠壓、變形、粘連，無法正常發(fā)育，最終無法形成正常的花粉粒，導(dǎo)致雄性不育。因此，可以認(rèn)為長白山區(qū)紫草花粉敗育是由于絨氈層細(xì)胞在花粉形成和發(fā)育過程中過度肥大液泡化引起的。

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Cyto-morphological Observations of Microspore Development ofLithospermumerythrorhizonin Changbai Mountain

LüShuang1,FUShuang1,WUSongquan1,NANHaiyan2,QUANXueli1
(1.Agricultural College of Yanbian University,Yanji Jilin 133002，China；2.Center for Popularization of Agricultural Technical of Zhixin Town,Yanbian Jilin 133400，China)

Microsporogenesis and morphological characteristics ofLithospermumerythrorhizonof Changbai mountain were observed with the method of paraffin.The results showed that microspore development was normal till tetrad,microspore mothercell meiosis belonged to simultaneous type and the arrangement of microspore tetrads was tetrahedral inL.erythrorhizon.Microspore development ofL.erythrorhizonwas hindered at the initiation of mononuclear microspore stage after tetrad separated.This was because tapetal cells were abnormal expansion and occupied the whole anther chamber so that microspores had no developmental space and finally leaded to abortion.

hangbai mountain;Lithospermumerythrorhizon; microspore development;cell morphology

2016-10-13

校級教育教學(xué)研究項(xiàng)目(延大教發(fā)[2014] 13號)。

呂 爽(1993—)，女，碩士研究生，研究方向：中草藥生物技術(shù)。

全雪麗(1973—)，女，博士，碩士生導(dǎo)師，教授，研究方向：植物學(xué)教學(xué)與科研；E-mail:qxl2000@aliyun.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.02.030

S 567.23+9

A

1001-4705(2017)02-0030-03