澳洲楊（大戟科）胚珠及其種子附屬結(jié)構(gòu)的個(gè)體發(fā)育研究

張 鑫，THOMAS Stützel，張志翔，于海燕，王利兵

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西楊陵712100；2波鴻魯爾大學(xué) 植物多樣性與進(jìn)化系 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，德國波鴻44780；3北京林業(yè)大學(xué) 自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，北京100083；4 中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京100091）

種子附屬物的結(jié)構(gòu)和發(fā)育呈現(xiàn)出各種不同的模式和生物學(xué)功能［1］。如果這些結(jié)構(gòu)被用來進(jìn)行進(jìn)化生物學(xué)研究，一個(gè)清晰的限定和區(qū)別不同類型的種子附屬物是關(guān)鍵，特別是一些類群中存在描述不完整，甚至是相互矛盾的情況。澳洲楊屬植物就是一個(gè)非常好的例子（圖1）。

Corner［2］記載了Homalanthuspopulneus（Geiseler．）Pax的胚珠和種子形態(tài)，描述其種子沒有附屬結(jié)構(gòu)，而Esser［3］在關(guān)于馬來西亞的澳洲楊屬植物修訂時(shí)，記載澳洲楊屬植物種子具有類似于假種皮的種子附屬結(jié)構(gòu)。后來Gardner［4］描述澳大利亞的澳洲楊（HomalanthuspopulifoliusGraham）的果實(shí)及種子結(jié)構(gòu)時(shí)認(rèn)為這個(gè)屬的種子有乳凸?fàn)畹姆N皮和發(fā)育良好的假種皮，同時(shí)他還強(qiáng)調(diào)Corner與Esser相互矛盾的觀察結(jié)果仍然需要繼續(xù)的研究才能確定。他指出詳細(xì)的個(gè)體發(fā)育研究是解決這個(gè)矛盾所必須的。Tokuoka［5］報(bào)道了澳洲楊屬植物的種子有肉質(zhì)化的假種皮（或種阜），這樣的報(bào)道使得區(qū)別種阜和假種皮更加混亂。Boesewinkel指出為了能理解種子的結(jié)構(gòu)，關(guān)于胚珠發(fā)育的知識(shí)是關(guān)鍵［6］，然而這些信息通常通過干燥的材料來獲得是非常困難的［4］。

圖1 澳洲楊的成熟果實(shí)和種子（黃色肉質(zhì)化結(jié)構(gòu)為種子附屬結(jié)構(gòu)）Fig．1 Mature fruit and seeds of H．populifolius Graham（showing the fleshy seed appendage）

澳洲楊或血色楊，屬大戟科植物，灌木或小喬木，分布于澳大利亞的東北和北部，所羅門群島和新圭亞那［3］。其生長(zhǎng)速度快，能夠被用作熱帶雨林恢復(fù)的先鋒樹種。在澳大利亞的植被景觀恢復(fù)工程中常被用作先鋒樹種［7］。本文通過研究澳洲楊從胚珠到種子成熟的整個(gè)發(fā)育過程來揭示本屬植物的種子附屬物結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過研究鴨腳西番蓮（Pasiflora citrinaJ．M．MacDougal）的假種皮結(jié)構(gòu)，并與澳洲楊的肉質(zhì)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，以明確種子附屬物的不同發(fā)育模式及其生物學(xué)功能。

1 材料和方法

1．1 材 料

本實(shí)驗(yàn)材料是澳洲楊和鴨腳西番蓮的不同發(fā)育時(shí)期花芽、花序、花及果實(shí)和種子；采樣時(shí)間為2011年的1月份到2012年的1月份，花芽、果實(shí)和種子時(shí)期每周取樣1次，花期每周取樣2次，每次取樣3～5個(gè)樣本；材料采自于德國波鴻魯爾大學(xué)植物園。

1．2 方 法

采集的新鮮材料立即用FAA 固定液固定，之后到實(shí)驗(yàn)室抽真空最少30min，使固定液完全浸入組織，然后室溫保存2d。之后用70%的酒精替換FAA 固定液進(jìn)行永久保存，在電鏡掃描之前，利用光學(xué)解剖鏡將胚珠從花中解剖出來；通過FDA（formaldeyde demethyl acetal）經(jīng) 過4℃冰箱下24 h脫水；利用BALZERS CPD 030進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥；將干燥的樣品通過導(dǎo)電膠，粘貼到鋁制樣臺(tái)上；在42～43 mA 強(qiáng)度的電流下噴金200s；然后利用ZEISS DSM 950進(jìn)行掃描電鏡觀察。所有的圖片經(jīng)過“Digital Image System 2．2”進(jìn)行儲(chǔ)存，像素設(shè)定為2 000×2 000，以防原始圖片的信息有所損失。原始圖片經(jīng)過Adobe Photoshop?整理為圖版，模式圖利用CorelDRAW X4繪制。

2 結(jié)果與分析

2．1 澳洲楊的胚珠及種阜發(fā)育

澳洲楊的珠心橢球形（圖版Ⅰ，A）形成一個(gè)喙?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，延伸到內(nèi)珠被外（圖版Ⅰ，A）。外珠被在內(nèi)珠被的基部外沿發(fā)育（圖版Ⅰ，B）。隨著外珠被的生長(zhǎng)，胚珠漸漸向腹面彎曲。接著珠心縱向膨大，形成為一個(gè)舌狀結(jié)構(gòu)在兩層珠被外（圖版Ⅰ，C），最終珠心頂端碰到心皮內(nèi)面才被擠壓而停止向外生長(zhǎng)（圖版Ⅰ，D）。之后兩層珠被快速地生長(zhǎng)，速度快過珠心將其包裹。外珠被的生長(zhǎng)速度又快過內(nèi)珠被，如此胚珠形成外珠孔類型。外珠被在珠心和內(nèi)珠被外形成一個(gè)“連衣帽”結(jié)構(gòu)（圖版Ⅰ，D～F）。最終外珠被將整個(gè)胚珠包裹起來只留下一個(gè)縫隙——珠孔（圖版Ⅱ，A）。在外珠孔形成后，外珠被的邊緣增厚，增厚的組織逐漸擴(kuò)展到珠柄，形成一個(gè)圍繞珠孔和珠柄的環(huán)（圖版Ⅱ，B、C）——種阜。隨著種阜的生長(zhǎng)，其慢慢向下包裹部分種子（圖版Ⅱ，D）。這個(gè)結(jié)構(gòu)在種子成熟時(shí)會(huì)發(fā)育成一個(gè)肉質(zhì)化結(jié)構(gòu)并且包裹一半的種子（圖版Ⅱ，D～F）。

圖2 鴨腳西番蓮假種皮發(fā)育Fig．2 P．citrinaJ．M．MacDougal：developmental stages of aril

圖3 假種皮與種阜結(jié)構(gòu)模型Fig．3 Two models of aril and caruncula

2．2 鴨腳西番蓮的假種皮發(fā)育

鴨腳西番蓮的珠孔由內(nèi)珠被和腹側(cè)外珠被構(gòu)成，為內(nèi)珠孔類型（圖2，A）。其肉質(zhì)結(jié)構(gòu)起源于珠柄，且開始就是珠柄上的一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。其發(fā)育在花粉管進(jìn)入胚珠之后，隨著發(fā)育而將珠孔覆蓋（圖2，B）。研究發(fā)現(xiàn)不止一個(gè)花粉管同時(shí)進(jìn)入珠孔（圖2，B），大戟科假種皮與種阜結(jié)構(gòu)模型見圖3。

3 討 論

Gaertner［8］是第一個(gè)使用假種皮這個(gè)概念來描述種子的附屬結(jié)構(gòu)［1，9］。之后不同的研究者使用各自的概念來命名同樣的結(jié)構(gòu)，或者將不同的結(jié)構(gòu)置于同一個(gè)概念下［10－15］。如此一來，對(duì)于種子附屬結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)非常混亂，特別是對(duì)于一些種，因?yàn)椴牧嫌邢薅枋霾煌暾蛘呦嗷ッ艿那闆r時(shí)有發(fā)生。直到Kapil等［1］基于生長(zhǎng)模式與起源位置的不同將各種不同種子附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類。

澳洲楊屬的種子附屬結(jié)構(gòu)曾被記載為泡狀外種皮（似假種皮）［3］，發(fā)育良好的假種皮［4］和肉質(zhì)化假種皮（種阜）［5］。然而，以上研究者都沒進(jìn)行個(gè)體發(fā)育研究，多是通過干燥蠟葉標(biāo)本進(jìn)行推斷性描述。本研究結(jié)果可以清楚顯示，澳洲楊種子的附屬結(jié)構(gòu)從外珠孔發(fā)育而來，所以可以明確定義為種阜而非其他結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)果部分支持了Tokuoka的觀察，但同時(shí)也反映出Tokuoka沒有清楚地將假種皮與種阜區(qū)別開來。典型假種皮是一個(gè)由珠柄發(fā)育而來的環(huán)狀肉質(zhì)結(jié)構(gòu)，其發(fā)育會(huì)將珠孔與胚珠包裹起來，所以不能在假種皮上發(fā)現(xiàn)珠孔。而種阜是一個(gè)小的、碟形的結(jié)構(gòu)，其起源為外珠孔的環(huán)形附屬物，在種阜中心可以識(shí)別出珠孔。相對(duì)于是否起源于外珠孔及能否識(shí)別出珠孔，大小和形狀都不是診斷種阜的關(guān)鍵特征［16］。

關(guān)于假種皮與種阜的區(qū)別，本文作者在有關(guān)衛(wèi)矛科植物肉質(zhì)化種子附屬結(jié)構(gòu)的文章中有過詳細(xì)討論，并指出了衛(wèi)矛科植物具有種阜而非假種皮［17］。Kloos指出西番蓮屬植物的假種皮起源于配子體時(shí)期，且全部是表皮細(xì)胞發(fā)育而來［18］。然而本文的結(jié)果顯示，假種皮的發(fā)生是在花粉管進(jìn)入珠心之后。從功能考慮，如果假種皮起源于配子體時(shí)期，其過早的發(fā)育很可能會(huì)阻礙花粉管進(jìn)入珠心的唯一通道——珠孔，因?yàn)榧俜N皮的發(fā)育會(huì)覆蓋珠孔。或者假種皮的發(fā)育本身就是需要受精作用來啟動(dòng)，通過覆蓋珠孔來阻擋其他花粉管繼續(xù)進(jìn)入珠心。然而種阜并沒有關(guān)閉珠孔的功能，其發(fā)生是否早于受精，要解答這些問題還需要更進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

致謝：感謝德國波鴻魯爾大學(xué)植物園為本研究提供實(shí)驗(yàn)材料；感謝英國皇家植物園的Simon Mayo教授對(duì)于本文撰寫過程中提供的寶貴建議；感謝波鴻魯爾大學(xué)Sabine Adler女士在參考文獻(xiàn)查閱與翻譯上的幫助；感謝國家留學(xué)基金委對(duì)本研究的支持。

圖版Ⅰ 澳洲楊胚珠的連續(xù)發(fā)育過程PlateⅠ The successive developmental stages of the ovule in H．populifolius Graham

圖版Ⅱ 澳洲楊種阜的連續(xù)發(fā)育過程PlateⅡ The successive developmental stages of the caruncula in H．populifolius Graham

［1］KAPIL R N，BOR J，BOUMAN F．Seed appendages in angiosperms［J］．BotanischeJahrbücherfürSystematik，Pflanzengeschichteund Pflanzengeographie，1980，101：555－573．

［2］CORNER EJH．The Seeds of Dicotyledons（Vols．1and 2）［M］．Cambridge：Cambridge University，1976．

［3］ESSER H J．A revision of omalanthus（Euphorbiaceae）in Malesia［J］．Blumea，1997，42：421－466．

［4］GARDNER RHO．Notes on the fruit and seed ofHomalanthus（Euphorbiaceae）［J］．Adansonia，1999，21（2）：301－305．

［5］TOKUOKA T，TOBE H．Ovule and seed in Euphorbiodeae（Euphorbiaceae）：structure and systematic implications［J］．JournalofPlant Research，2002，115：361－374．

［6］BOESEWINKEL E D，BOUMAN E．The seed：structure［M］／／JOHRI B M．Embryology of Angiosperms．Berlin：Springer－Verlag，1984：567－610．

［7］FLOYD A G．Rainforest Trees of Mainland South－Eastern Australia（Second Edition）［M］．Terania：Rainforest Publishing，b＆w illustrations，2008．

［8］GAERTNER J．De Fructibus et Seminibus Plantarum［M］．Stuttgart，1788．

［9］RODRIGUEZ－RIAN O，F(xiàn)RANCISCO J，VALTUEN A，etal．Megasporogenesis，megagametogenesis and ontogeny of the aril inCytisus striatusandC．multiflorus（Leguminosae：Papilionoideae）［J］．AnnalsofBotany，2006，98：777－791．

［10］PLANCHON M J E．Développements et caractères des vrais et des faux arilles［J］．AnnalesdesSciencesNaturelles；Botanique，1845，3：275－312．

［11］BAILLON H．Sur I′origine de I′arille des Carumbium［J］．Adasonia，1867，6：348－351．

［12］PFEIFFER A．Die Arillargebilde der Pflanzensamen［J］．BotanischeJahrbücherfürSystematik，PflanzengeschichteundPflanzengeographie，1891，13：492－540．

［13］CORNER E J H．The durian theory or the origin of the modern tree［J］．AnnalsofBotany，1949，13（4）：367－414．

［14］CORNER E J H．The durian theory extended I［J］．Phytomorphology，1953，3：465－476．

［15］VAN DER P I J L L．Principles of dispersal in higher plants［M］．Springer，Berlin，Heidelberg，New York，1972．

［16］BAILLON H．Etude générale du groupe des Euphorbiacées［M］．Paris，1858．

［17］ZHANG X，ZHANG Z，STüTZEL T．Aril development in Celastraceae［J］．FeddesRepertorium，2012，122：445－455．

［18］KLOOS A，BOUMAN F．Case studies in aril developmentPassiflorasuberosaandTurneraulmifolia［J］．BeitraegeZurBiologieDer Pflanzen，1980：49－66．