南瓜花粉發育過程中絨氈層細胞的變化

張濤 劉林

摘 要： 為了解南瓜花粉發育過程中絨氈層的變化，對不同發育階段的南瓜絨氈層進行觀察。結果表明，南瓜絨氈層細胞在花粉母細胞減數分裂前呈四邊形；隨著花粉母細胞減數分裂開始，絨氈層細胞向花粉囊方向伸長；當減數分裂完成后，絨氈層的細胞壁解體，細胞膨大并向藥室內凸起；當花粉發育進入二細胞時期，少數絨氈層細胞退化，多數絨氈層細胞分化出大量造油體，造油體積累大量脂滴；當花粉發育進入二細胞晚期，絨氈層細胞完全解體。絨氈層細胞在原位解體，屬于腺質絨氈層。關鍵詞： 南瓜； 花藥壁； 絨氈層； 細胞Dynamics of Tapetal Cells during Pollen Development in PumpkinZHANG Tao1， LIU Lin2（1. Feichengzhen Junior Middle School， Feixian， Shandong 273400， China； 2. Institute of Modern Chinese Traditional Medicine， Linyi University， Linyi， Shandong276005， China）Abstract： In order to understand the dynamics of tapetal cells during pollen development in pumpkin，anthers at various developmental stages were investigated. Tapetal cells were quadrilateral before pollen mother cells began meiosis. As pollen mother cells began meiosis，tapetal cells elongated dramatically. After meiosis of pollen mother cells，cell walls of tapetum began degeneration，and tapetal cells enlarged unevenly，resulting in a curved surface. As pollen developed into 2-celled stage，a few tapetal cells degenerated quickly，while the long lived tapetal cells contained a large quantity of elaioplasts，which produced numerous lipid droplets. Tapetal cells were completely disappeared when pollen developed into late 2-celled stage. Since tapetal cells degenerated in situ，pumpkin tapetum belonged to glandular type.Key words： Pumpkin； Anther wall； Tapetum； Cell

被子植物雄配子體發育在花粉囊內進行，花粉囊由花藥壁包圍而成，花藥壁對雄配體發育和成熟花粉的散發具有重要作用。花藥壁由表皮、藥室內壁、中層和絨氈層構成，各層細胞在雄配子體發育過程中發生一系列特異性變化，如藥室內壁細胞形成帶狀次生壁，絨氈層細胞發生細胞壁降解、細胞退化以及貯藏物質積累[1-2]。

在花藥壁的各細胞層中，絨氈層對花粉發育所起的作用最受關注，它為配子體發育提供營養和適宜微環境，參與對雄配子體發育的調控[3-6]。絨氈層細胞的退化時期和貯藏物質的積累對確保雄配子體正常發育至關重要，絨氈層細胞退化時間提前或延遲都可能導致雄性不育[7-8]，所以絨氈層細胞退化和貯藏物質積累仍然是胚胎學和生殖生物學研究的重要內容[4-5，9]。盡管很多植物的絨氈層細胞退化解體時期及所積累貯藏物質的類型已有研究，但仍然有大量植物其絨氈層細胞活動特點和積累貯藏物質的方式并不清楚。南瓜是常見瓜類作物，該植物絨氈層細胞的退化特點和貯藏物質的積累形式還鮮有報道，因此，我們采用塑料制片技術對南瓜絨氈層細胞形態、細胞解體時期和細胞內貯藏物質進行顯微觀察，為認識南瓜絨氈層在雄配子體發育中的作用提供基礎資料，并為南瓜育種工作提供參考。

1 材料與方法

供試南瓜為‘曲阜吊南瓜（Cucurbita moschata Duoh.‘Qufudiaonangua），常規方法種植。采集不同發育時期的花藥，切成小于1 mm3的小塊，用2% 戊二醛和1% 四氧化鋨各固定2 h，梯度乙醇脫水，環氧樹脂包埋，Leica切片機切片，切片厚度1 μm。切片經甲苯胺藍和高碘酸-希夫試劑染色，光學顯微鏡下觀察并照相。

2 結果與分析

南瓜花藥具2個花粉囊（圖版-A，B），花粉囊是花粉發育的場所。2個花粉囊之間由藥隔組織分隔，藥隔組織由薄壁細胞組成（圖版-B）。花粉囊由花藥壁包圍而成，花藥壁包含多層細胞，最外是1層細胞的表皮，向內依次為1層細胞的藥室內壁，2~3層細胞的中層，和1~2層細胞的絨氈層（圖版-C）。

絨氈層細胞隨著花粉發育進展而發生一系列相應變化。在花粉母細胞減數分裂前，絨氈層細胞基本呈四邊形，細胞縱向和橫向長度比約為1︰1（圖版-C）。在花粉母細胞減數分裂開始后，絨氈層細胞向藥室內伸長，而橫向變化不大（圖版-D，E）。當減數分裂進行到四分體時期，絨氈層細胞縱向伸長明顯（圖版-F，G）。隨著減數分裂完成，絨氈層的細胞壁解體，細胞壁解體首先發生在面對藥室的一面，而后縱向壁解體，結果細胞變成了主要由質膜包圍的原生質體，原生質體向藥室方向膨脹，呈現出圓滑凸面（圖版-H，I）。在小孢子完成有絲分裂形成二細胞花粉時，少部分絨氈層細胞解體，而大部分細胞進一步膨大（圖版-J）。二細胞花粉中期，絨氈層細胞分化出大量直徑2~4 μm的造油體，含有大量脂滴，造油體主要位于細胞靠近藥室的一端（圖版-K，L）。花粉成熟時，絨氈層完全消失（圖版-M）。絨氈層細胞在原位解體，不產生周原質團。顯然，絨氈層細胞壽命不同，少數細胞壽命較短，在小孢子完成有絲分裂形成二細胞花粉時解體，壽命較長的細胞在二細胞花粉中期分化出油體，二細胞后期絨氈層細胞全部解體。

花藥維管束周圍的薄壁細胞積累大量淀粉粒。淀粉積累從花粉母細胞時期開始（圖版-A，N），一直持續到花粉成熟（圖版-O）。

3 討 論

南瓜絨氈層有些細胞在小孢子完成有絲分裂時退化解體，大部分細胞生存到二細胞花粉早期至中期，這與西瓜[10-11]絨氈層非常相似。小孢子母細胞減數分裂期間，絨氈層起著簡單地運輸營養物質到藥室的作用；小孢子母細胞減數分裂完成后，絨氈層細胞分泌胼胝質酶降解胼胝質壁，四分體小孢子得到釋放；小孢子游離后，絨氈層細胞在花粉壁的形成上起重要作用，提供構成孢粉素的外壁物質以及外壁上的附屬物如花粉鞘和含油層；絨氈層細胞完全降解后的降解物也可以作為花粉合成核酸、淀粉、脂類貯藏物質的原料。南瓜絨氈層中，壽命短的細胞經歷小孢子母細胞時期、小孢子母細胞減數分裂時期和小孢子時期，顯然在對小孢子母細胞和小孢子提供營養方面發揮了作用，在小孢子壁發育的早期階段也發揮作用；壽命較長的絨氈層細胞存在到二細胞花粉早期和中期，對后期花粉營養和花粉壁發育發揮作用。

壽命較長的絨氈層細胞中分化出大量造油體，造油體合成并積累大量脂滴，這一現象在瓜類作物中是否普遍存在，尚缺少充分資料，但在十字花科植物中十分普遍[12]。在西瓜[11]中，絨氈層細胞不含造油體，脂類物質在內質網中積累，積累脂類物質的區域從內質網游離到細胞質基質后形成脂滴，這樣的脂滴大小不均勻，與造油體中的脂滴明顯不同。造油體積累的脂類物質主要為中性脂、極性脂和游離脂肪酸，中性脂主要為固醇酯和三酰甘油，固醇酯主要為豆固醇、菜油甾醇、谷固醇和膽固醇；極性脂主要為單半乳糖二酰甘油[12]。這些脂類物質最終轉移到花粉表面，為花粉發育所利用，并在花粉外壁空隙內和壁表面形成花粉鞘[11]或含油層[1]。

絨氈層發育后期的細胞活動方式因植物種類而表現出很大區別[1]，有些植物中，絨氈層細胞在整個發育過程中始終維持在原來的位置，通過細胞的內表面分泌各種物質滿足小孢子發育的需要，直到花粉成熟后絨氈層細胞完全自溶，具有這種活動特點的絨氈層稱為腺質絨氈層或分泌絨氈層。另一些植物中，絨氈層細胞較早地發生內壁和徑向壁解體，原生質體移動到花粉囊腔內，在那里融合形成絨氈層的周原質團，游離到小孢子之間的空隙中，具有這種活動特點的絨氈層稱為變形絨氈層或周原質團絨氈層。南瓜絨氈層細胞的內壁和徑向壁在小孢子母細胞減數分裂完成后解體，但細胞壁的解體并不引發周原質團的產生，細胞在原位解體，因此南瓜絨氈層屬于腺質絨氈層。這與西瓜[10-11]絨氈層相同，但是否葫蘆科植物都具有腺質絨氈層，還需要對葫蘆科其他成員進一步觀察。（本文圖版見彩插22版）

參考文獻

[1]胡適宜. 被子植物胚胎學[M]. 北京: 高等教育出版社，1984： 20-37.

[2]Deshpande P K，Bhuskute S M，Makde K H. Microsporogenesis and male gametophyte in some cucurbitaceae[J]. Phytomorphology，1986， 36（1/2）： 146-150.

[3] Zhang W，Sun Y，Timofejeva L，et al. Regulation of Arabidopsis tapetum development and function by DYSFUNCTIONAL TAPETUM1（DYT1）encoding a putative bHLH transcription factor[J]. Development，2006，133（16）： 3085-3095.

[4]Yeung E C，Oinam G S，Yeung S S，et al. Anther，pollen and tapetum development in safflower，Carthamus tinctorius L.[J]. Sex Plant Reprod，2011，24（4）： 307-317.

[5]Parish R W，Phan H A，Lacuone S，et al. Tapetal development and abiotic stress: a centre of vulnerability [J]. Functional Plant Biology，2012，39（7）： 553-559.

[6]彭 杰，申家恒，劉小意，等. 苦瓜胚胎學研究[J]. 武漢植物學研究，2004，22（1）： 8-14.

[7]李園園，楊 清，嚴繼勇，等. 洋蔥63A細胞質雄性不育與絨氈層的提早衰退有關[J]. 作物學報，2006，32（03）： 369-372.

[8]邱義蘭，劉珠麗，李 紅，等. 辣椒細胞質雄性不育花藥敗育及淀粉粒分布的細胞學觀察[J]. 分子細胞生物學，2008，41（4）： 283-286.

[9]Galati B G，Monacci F，Gotelli M M，et al. Pollen，tapetum and orbicule development in Modiolastrum malvifolium（Malvaceae) [J]. Ann Bot，2007，99（4）： 755-763.

[10]劉 林，張恒悅，范樹國，等. 西瓜絨氈層和花粉發育的進一步觀察[J]. 武漢植物學研究，2000，18（2）： 85-90.

[11]劉 林，鄭慧敏，李 蕓，等. 西瓜絨氈層細胞退化超微結構研究[J]. 果樹學報，2008，25（6）： 887-890.

[12]羅鑫娟，劉旭昊，王新宇. 絨氈層小體，一種在花藥絨氈層細胞中新發現的含油細胞器[J]. 細胞生物學雜志，2006，28（1）： 61-65.

收稿日期： 2013-10-15； 修回日期： 2014-02-10

基金項目： 山東省自然科學基金（ZR2011CL002）； 臨沂市科技局科技計劃項目（010304）

作者簡介： 張 濤，男，教師，從事農業生物技術教學與推廣

通信作者： 劉 林，男，副教授，博士，從事植物發育學和細胞生物學研究。電話： 15653976105；電子信箱： liulinlyu163@163.com