紅花石蒜小孢子發生及雄配子體發育研究

柳正葳　張　露　龍婉婉

紅花石蒜(Lycoris radiata Herb.)是一類經濟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“魔術花”,主要分布于長江中下游地區,尤其以溫暖地區種類繁多 [1]。本研究對石蒜小孢子發生、雄配子體的形成與發育及生物學特性進行觀察和研究,以豐富石蒜胚胎學和生物學資料,并為其切花生產提供理論依據。

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,統一上午采樣。采樣時每次取3~5個種球,剝去其鱗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石蠟切片,鐵礬-蘇木精染色,Olympus光學顯微鏡鏡檢并拍照。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 觀察結果

2.1藥壁組織的發育

石蒜具6枚雄蕊,3長3短排成一輪。花藥由四個小孢子囊組成,處于藥隔的四周,呈蝶形[圖版Ⅱ:5]。花藥有藥壁4層,從外到內依次由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胞,6月上旬至中旬,石蒜的花藥已由孢原細胞經平周分裂出的周緣細胞和初生造孢細胞形成發育時期,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,難以從形態上區分出各層;初生造孢細胞處于有絲分裂產生次生造孢細胞過程。隨花藥生長發育,花粉囊壁各層呈現出較明顯的差異:當造孢細胞由多邊形轉變成呈球狀的小孢子母細胞時[圖版Ⅱ:6,7],花粉囊壁最外一層細胞為表皮層,該層細胞通常呈扁平狀,徑向壁短于切向壁,細胞質少液泡大;緊靠表皮內部一層細胞為纖維層;中層由二層細胞組成位于纖維層內側;絨氈層位于花粉囊壁最內側,由一層徑向壁常長于切向壁的細胞構成,該層細胞最初含一個細胞核,隨后可產生多核現象。

在小孢子母細胞發育和小孢子形成發育過程中,中層和絨氈層細胞會逐漸完全解體。小孢子母細胞進入減數分裂時[圖版Ⅱ:8],中層細胞開始解體,絨氈層細胞徑向伸長,體積明顯增大,細胞質濃厚排列緊密。發育至四分體時,中層細胞幾乎全部解體,只留有一些殘痕,絨氈層脫離藥壁,細胞解體退化[圖版Ⅱ:9]。單核時期絨氈層細胞養分消耗最快,到二核花粉粒形成時,絨氈層細胞已差不多耗盡,纖維層細胞的細胞質和細胞核也會逐漸解體消失,但其細胞壁不發生解體[圖版Ⅱ:10]。至二細胞花粉后期花朵開放時其上下橫壁、徑向壁和內切向壁會產生條狀增厚。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小孢子的發生和發育

在花粉囊壁形成發育的同時,呈不規則多邊形的造孢細胞逐漸轉變成呈球形的小孢子母細胞。花粉母細胞的體積和核明顯大于花粉囊壁各層細胞的細胞核,細胞質比組成花粉囊壁的細胞更濃密時,表明小孢子母細胞即將進入減數過程。 其減數分裂過程核相的變化與其它大多數被子植物一樣,必須經歷減數分裂Ⅰ和減數分裂Ⅱ兩個時期,在染色體形態結構上要發生一系列變化。觀察如下:

2.2.1前期Ⅰ(ProphaseⅠ):石蒜減數分裂過程中在這一時期的時間相對是較長的,要經歷:細線期(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)小孢子母細胞減數分裂Ⅰ中期染色體螺旋化縮短達最大值,二價染色體以交叉處排列在細胞中部的赤道板上,二條染色體上的著絲粒以等距分別列于赤道板的兩側,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,分別移向細胞的兩極,到兩極后并不馬上解體形成新核,而是經過一個短暫的停滯過程[圖版Ⅰ:7]。

2.2.4末期Ⅰ(TelophaseⅠ)到達兩極的染色體進行解螺旋化,核膜、核仁重新出現形成兩個子核,組成紡綞絲的微管向小孢子母細胞中部的赤道面處聚集形成清晰的赤道板[圖版Ⅰ:8],隨后小孢子母細胞進行胞質分裂,在小孢子母細胞中部形成細胞壁,將兩個子核分隔產生二分體,此期細胞板和紡綞絲最為明顯。

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

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

2.2.6中期Ⅱ(MetaphaseⅡ)核膜、核仁重新消失,兩個子細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則的彼此反向的連接在赤道面上,從此期可看到子細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)到達兩極后,紡綞絲逐漸消失,核膜出現,染色體螺旋解體,在核內呈彌散狀,核仁也出現,在赤道板上產生細胞板,發生胞質分裂,各形成2個子細胞。

這樣經過減數分裂Ⅰ和減數分裂Ⅱ兩個時期,共形成4個子細胞,4個子細胞之間具有細胞壁,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所包圍,小孢子之間也被胼胝質所分隔。

2.3雄配子體的形成與發育

紅花石蒜小孢子母細胞四分體時期較短,隨著四個子細胞之間胼胝質的溶解,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胞,剛釋放出來的小孢子[圖版Ⅱ:1]體積小,形態不規則,隨后逐漸發育成側面看呈橢圓形的形狀。小孢子發育過程中,細胞核的形態結構和位置也要經過一系列的變化。剛形成的小孢子細胞壁薄,細胞質濃厚,細胞核結構松散位于小孢子的中央。隨后小孢子體積不斷增大,外壁呈現網狀增厚,小液泡合并成大液泡,細胞質成一薄層緊靠內壁,細胞核逐漸移向小孢子的一側,進入小孢子單核靠邊期[圖版Ⅱ:2]。當核移至靠近內壁的位置時,小孢子體積繼續增大,進入有絲分裂階段[圖版Ⅱ:3]。小孢子核在貼近花粉壁的位置進行不均等的有絲分裂,形成大小懸殊的2個細胞:大的為營養細胞,占據花粉的絕大部分體積,細胞核較大,其內有1個核仁;小的為生殖細胞,呈凸透鏡形,緊貼著花粉壁,只有少量細胞質而無液泡,細胞核圓形,其內有1個核仁。生殖細胞與營養細胞間存在明顯的細胞壁。隨著二細胞間細胞壁的消失,生殖細胞浸

到營養細胞的細胞質中,形成二細胞花粉[圖版Ⅱ:4]。

3 討論

從石蒜小孢子母細胞減數分裂過程的圖片來看,其胞質分裂為連續型,具有二分體時期,同一花粉囊中可產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多于四面體形的四分體,胼胝質壁的形成在后期Ⅰ已經開始,但在二分體到四分體形成過程中表現的非常明顯。由發育至即將開放花朵的花藥石蠟切片可以看到,形成該種空粒花粉的花粉囊中,藥壁結構較完整,絨氈層細胞無解體跡象 [圖版Ⅱ:12] 。

紅花石蒜在小孢子母細胞減數中期Ⅰ分裂～末期Ⅱ都有異常情況:出現單價體、落后染色體、單染色體橋、多染色體橋、染色體片段和微核現象,這些現象產生的主要原因是同源染色體存在缺失和重復區域、同源染色體提早分離、雜合臂內倒位、滯后染色體等所致,而減數分裂異常引起遺傳物質不均衡分配,致使產生部分敗育小孢子。石蒜的成熟花粉囊中,存在具有二核、三核和具有營養細胞和生殖細胞產生,但營養細胞中出現二核的花粉粒。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、正常受精結實,需進一步觀察研究。