毛竹的花藥發育研究

周建梅,孫立方,2,馮 云,廉 超,冉 洪,張 瑩,郭起榮?

(1.國際竹藤中心國家林業局竹藤科學與技術重點開放實驗室,北京100102；2.南開大學生命科學院,天津300071)

毛竹的花藥發育研究

周建梅1,孫立方1,2,馮 云1,廉 超1,冉 洪1,張 瑩1,郭起榮1?

(1.國際竹藤中心國家林業局竹藤科學與技術重點開放實驗室,北京100102；2.南開大學生命科學院,天津300071)

竹類植物因有著較長的開花周期,其生殖生物學研究的報道相對較少。該研究采用石蠟切片與野外觀察的方法,對毛竹花藥的發育以及花藥發育與花序的關系進行了研究。結果表明:毛竹的花藥壁結構包括4層細胞:表皮細胞、藥室內壁細胞、中層細胞和絨氈層細胞。藥室內壁和中層都只有一層細胞,而且細胞形狀較扁,花藥發育后期藥室內壁會逐漸降解,而中層則會完全解體消失。花藥壁的發育為單子葉型,絨氈層為腺質型,而且只有一層,細胞徑向較長,最后也會消失。小孢子母細胞減數分裂時,胞質分裂方式為連續型。形成的小孢子經一次有絲分裂后逐漸形成成熟花粉粒,大多為二細胞型,很少產生三細胞型。此外,還發現毛竹花藥的發育與花序形態變化存在著相對應的關系。野外連續觀察和切片發現,隨著花序形態的不斷發育變化,首先花藥開始形成并不斷分化,藥壁各層也逐漸形成；接著小孢子逐漸成熟,各層也慢慢隨之解體、消失；最后花藥逐漸開裂并開始散粉。該研究結果不僅豐富了毛竹和竹類生殖生物學的研究內容,而且對毛竹種質的研究也具有重要意義。

毛竹,花藥,花藥壁,小孢子,花序,發育

竹類植物是禾本科(Poaceae/Gramineae)竹亞科(Bambusoideae)植物的總稱,全世界約有88屬1 400余種,其中我國竹類資源十分豐富,據不完全統計,共有34屬534種。我國以占3%森林面積的竹林,產生了超過18%的營林產值。據國家林業局2014年最新公布的第八次全國森林資源清查(2009 －2013)數據,我國竹林面積601萬hm2,占整個森林總面積在3%以上,占世界竹林總面積的1/3。作為一類生物學特性特殊的植物,竹子的開花時間在空間上不確定,形態上較為相似。竹類植物一般開花周期較長,多數一生只開一次花(Isagi,2004),植株開花多數死亡,這給竹類植物的生殖生物學研究工作帶來了很大的困難。近期已有對雷竹(Phyl-lostachys violascens)(何奇江等,2003)、巨龍竹(Den-drocalamus sinicus)(王曙光等,2006)、鵝毛竹(Shi-bataea chinensis)、異葉苦竹(Arundinaria simonii)(林樹燕,2009,2012)、月月竹(Menstruocalamus sichua-nensis) (劉靜,2008；林樹燕等,2009)、寒竹(Chi-monobambusa marmorea)(胡成華等,1994)等竹種的生殖生物學進行了研究。

毛竹(Phyllostachys edulis)屬禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoideae)剛竹屬(Phyllostachys)。竿高在20 m或以上,直徑在20 cm以上,節間在40 cm以上。毛竹是我國特有的、最重要的經濟竹種,也是我國分布最廣、栽培歷史長、栽培面積最大的竹種,據第八次全國森林資源清查報告顯示,面積已達443萬hm2,占竹林面積的74%,長期以來產生了巨大的經濟、生態、社會效益(江澤慧,2002)。因此,毛竹在我國竹產業發展中占有極其重要的地位。毛竹種質資源是重要的遺傳資源,蘊藏著對毛竹遺傳改良和育種起關鍵作用的重要基因,是竹產業可持續發展的物質基礎。像毛竹這樣常見的種類,其生殖生物學研究僅見喬士義和廖光廬(1984)的報道,孫立方等(2011)報道了毛竹的花器官形態與結構。本研究探討了毛竹的花藥發育過程,不同花序發育時序中花藥發育情況,為竹亞科及禾本科的生殖生物學研究提供資料。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料分別于2010－2012年,在廣西桂北海洋山深山野生毛竹林中采集。該地屬中亞熱帶地區,海拔近千米；年平均氣溫18～19℃,4－9月為雨季,年平均降水量1 750～2 000 mm。

1.2 方法

標記3株有開花征兆的毛竹植株,從小枝開始膨大變粗到果實成熟期間(6－9月),定期采樣,每隔1～3 d采樣,取不同發育時期的小穗、小花、花藥,先用70%酒精的FAA固定液固定24～48 h,然后在4℃冰箱內保存。在變態小枝開始膨大變粗時進行拍照,觀察花序發育的表型變化。采用常規石蠟切片法制片(李正理,1996),切片厚度為5～10 μm,番紅—固綠染色,用加拿大樹膠封片,在OLYMPUS CX31顯微鏡下觀察、拍照。

2 結果與分析

大多數被子植物的花藥具有4個小孢子囊(花粉囊),少數具有2個,它們由藥隔組織分開。當花藥達到成熟時,每一側的2個小孢子囊往往隨藥隔消失而連通。每個小孢子囊包含藥室和由數層細胞組成的花藥壁。

2.1 花藥壁的發育

研究中發現,毛竹的花藥壁屬于單子葉型,花藥壁結構包括4層細胞:表皮細胞、藥室內壁細胞、中層細胞和絨氈層細胞。

2.1.1 表皮 在毛竹花藥發育過程中,表皮只進行垂周分裂增加細胞的數目以適應內部組織的迅速增長。初期表皮細胞(圖版I:A)為近方形,隨著花藥的擴大,逐漸擴展成扁長形,其仍然是一般的行使保護的功能,因此通常也有明顯的角質層。許多植物,特別是旱生習性的植物,表皮細胞最后彼此分離,當花藥成熟時僅留下干枯的痕跡。毛竹花粉發育成熟時,其表皮細胞內物質逐漸減少和解體,僅剩下細胞壁,藥室內花粉基本全部散出。

圖版Ⅰ 毛竹的花藥壁發育過程 A.初生壁細胞時期；B.小孢子母細胞時期4層藥壁(1.表皮,2.藥室內壁,3.中層,4.絨氈層)；C.單核小孢子靠邊期藥壁,絨氈層解體；D.花粉粒成熟時期,僅有2層壁。PlateⅠ Anther wall development process of P.edulis A.Primary wall cells；B.4 layers of anther at the microspore mother stage(1.Epider-mis,2.Endothecium,3.Middle layer,4.Tapetum)；C.Microspore is at binucleate stage,and tapetum is disintegrated；D.Only 2 layers of wall cells in the pollen grain mature period.

圖版Ⅱ 毛竹小孢子與雄配子體發育 A.未分化花藥；B.分化花藥；C.初生壁細胞和初生造孢細胞；D.次生造孢細胞；E.小孢子母細胞；F.單核靠邊期小孢子；G.小孢子收縮期；H.單核靠邊期；I.2核花粉粒；J.成熟花粉粒和花藥。PlateⅡ Microspore and development of male gametophyte of P.edulis A.Undifferentiated anther；B.Differentiated anther；C.Primary wall cells and primary sporogenous cells；D.Secondary sporogenous cells；E.Microsporoctyte mother cell；F.Tetrads；G.Contraction microspore；H. Middle microspore；I.2-nuclear pollen grain；J.Mature pollen grain and anther.

2.1.2 藥室內壁 毛竹藥室內壁只有一層細胞(圖版I:B,2),藥室內壁的內切向壁向外和向上發生帶狀或纖維狀的加厚,因這一特點也稱“纖維層”。藥室內壁細胞的外切向壁仍保持是薄壁的,加厚的壁除帶狀的外,還有呈球狀加厚、完整環帶狀等的變異形態。這種加厚壁的物質,一般認為是纖維素性質,在成熟時略為木質化。藥室內壁的這種加厚的特點,有助于花粉囊的開裂。毛竹花藥開裂時,靠近藥隔維管束的藥室外側各層藥壁細胞先逐漸溶解,然后開始開裂散粉。

表1 毛竹花序變化與花藥發育的對應關系Table 1 Relationship between the changes of inflorescences and the development of anther of P.edulis

2.1.3 中層 毛竹中層1層細胞(圖版I:B,3),由初生壁細胞內層分化而來,一般含有淀粉或其他貯藏物。中層出現在小孢子母細胞中后期,在小孢子母細胞末期時,中層的細胞已經開始發生變化,貯藏物質減少,細胞變為扁平,然后逐漸趨于解體和被吸收。在小孢子靠邊期時,一般中層已完全解體消失(圖版I:C)。

2.1.4 絨氈層 絨氈層是花藥壁的最內層(圖版I:B-4),也是由初生壁細胞內層分化而來,此層對小孢子或花粉的發育起重要的作用。在雄性不育系中花粉的發育與絨氈層機能失常相關,如絨氈層位置向藥室中間移動或其原生質體侵向藥室,擠壓小孢子而導致不育,通過觀察發現,毛竹絨氈層不存在此類情況。絨氈層通常為一層,少數植物具有二層或者多層,還有的植物是向表皮的絨氈層為單層,向藥隔的為多層。小孢子后期時,絨氈層徑向伸長。絨氈層的發育最終自我解體,小孢子靠邊時期已經開始解體,雄配子體即成熟花粉階段,絨氈層細胞僅留殘跡或已不存在(圖版I:C,D)。在整個發育過程中,緘氈層始終維持在原來的位置,因此,毛竹的絨氈層屬于腺質絨氈層。

2.2 小孢子發生與雄配子體發育

2.2.1 小孢子發生 從毛竹雄蕊原基最初形成的一個很小的花藥的橫切面來看,外面是一層表皮,表皮以內是一群分裂活躍的細胞(圖版Ⅱ:A)。后來,由于花藥的四個角隅的細胞分裂較快,使花藥變成為四個裂瓣的形狀(圖版Ⅱ:B),在每一瓣的表皮下分化出孢原細胞。孢原細胞經一次平周分裂和多次垂周分裂產生初生壁細胞和初生造孢細胞(圖版Ⅱ: C),初生造孢細胞再次分裂,形成次生造孢細胞(圖版Ⅱ:D),進而發育成小孢子母細胞(圖版Ⅱ:E),小孢子母細胞核大,無明顯的液泡,進一步發育,彼此進入減數分裂時期。小孢子母細胞減數分裂時,產生的小孢子四分體為左右對稱型(喬士義和廖光廬,1984)(圖版Ⅱ:F),胞質分裂方式為連續型。

2.2.2 雄配子體發育 小孢子四分體時期比較短暫,隨著胼胝質溶解,小孢子釋放出來,剛釋放出來的小孢子細胞質濃厚,細胞核位于中央,為收縮期的小孢子(圖版Ⅱ:G)。隨后小孢子逐漸膨大,長大變圓,中央出現大液泡,細胞核移到細胞的一側為單核靠邊期的小孢子(圖版Ⅱ:H)。整個細胞充滿細胞質,細胞核進行一次有絲分裂,形成雙核(圖版Ⅱ:I),靠花粉壁的為生殖細胞,占據細胞中央的為營養細胞。毛竹的成熟花粉粒大多是二細胞型,很少產生三細胞型(圖版Ⅱ:J)。

2.3 花藥發育與花序發育的關系

根據觀察發現,毛竹花藥的發育變化與花序的發育有相對應的關系(表1)。隨著花序的不斷發育變化,花藥不斷分化(圖版Ⅱ),藥壁各層逐漸形成。小孢子逐漸成熟時,各層也慢慢隨之解體、消失。

3 討論與結論

毛竹的花藥壁結構包括4層細胞:表皮細胞、藥室內壁細胞、中層細胞和絨氈層細胞。藥室內壁與中層細胞比較扁,在小孢子靠邊期時,一般中層已完全解體消失；絨氈層細胞則徑向較長,細胞質濃厚,絨氈層的發育最終自我解體。花藥壁的發育為單子葉型,絨氈層為腺質型。小孢子母細胞減數分裂時,胞質分裂方式為連續型。成熟花粉粒大多是二細胞型,很少產生三細胞型。花藥壁結構與前人所報道的巨龍竹、鵝毛竹、月月竹等竹類植物的花藥壁結構一致,符合禾本科植物的基本特征。然而,不同于黃堅欽等(1999)報道的雷竹的花藥壁由表皮層、2層中層和絨氈層4層細胞組成,且在整個發育過程中始終無藥室內壁的形成與分化,表皮層發育起到藥室內壁的作用。研究發現,毛竹花藥壁的絨氈層為質腺型,與之前喬士義等報道的毛竹花藥壁絨氈層為分泌型不同。

毛竹花序的外部形態特征與花藥的發育有相對應關系。在發育早期,花序包裹在葉片內,為花原基、減數分裂等容易受外界影響的生理過程提供比較穩定的環境,保障生殖器官發育。隨著花藥的發育,成熟花粉粒形成,花序葉片變黃逐漸脫落暴露于空氣中,為花粉散播做好準備。

HE QJ,WANG KH,HUA XQ,et al,2003.The observational study on spica and flower organs of Phyllostachys violascens[J].Zhe-jiang For Sci Technol,23(2):10－11. [何奇江,汪奎宏,華錫奇,等,2003.雷竹花穗和花器的觀察研究[J].浙江林業科技,23(2):10－11.]

HU CH,YU FG,PANG YJ,et al,1994.The embryologic observa-tion and research of Chimonobambusa marmorea[J].J Bamb Res,13(4):6－11. [胡成華,喻富根,龐延軍,等,1994.寒竹胚胎學觀察與研究[J].竹子研究匯刊,13(4):6－11.]

HUANG JQ,HUANG HH,HE FJ,et al,1999.The formation of mi-crospore and the development of male gametophyte of Phyl-lostachys violascens[J].J Bamb Res,18(3):55－58. [黃堅欽,黃華宏,何福基,等,1999.雷竹的小孢子發生和雄配子體形成[J].竹子研究匯刊,18(3):55－58.]

JIANG ZH,2002.World bamboo[M].Shenyang:Liaoning Sci-ence and Technique Press:11－18. [江澤慧,2002.世界竹藤[M].沈陽:遼寧科技出版社:11－18.]

LI ZL,1996.lice－making of plant tissue[M].Beijing:Beijing U-niversity Press:129－137. [李正理,1996.植物組織制片[M].北京:北京大學出版社:129－137.]

LIN SY,DING YL,2012.The development of the female and male gametophyte of Shibataea chinensis[J].Acta Bot Boreal-Occident Sin,32(5):907－914. [林樹燕,丁雨龍,2012.鵝毛竹大小孢子即雌雄配子體發育[J].西北植物學報,32(5):907－914.]

LIN SY,HAO JJ,XIN H,et al,2009.Megaspore and microspore occurre and female and male gametophyte of Menstruocalamus sichuanensis[J].J Nanjing For Univ:Nat Sci Ed,(3):9－12.[林樹燕,郝娟娟,辛華,等,2009.月月竹大、小孢子發生和雌、雄配子體發育研究[J].南京林業大學學報:自然科學版,(3):9－12.]

LIN SY,2009.Studies on the reproductive biology of Shibataea chinensis and Arundinaria simonii f.albostriatus[D].Nanjing: Nanjing Forestry University. [林樹燕,2009.鵝毛竹和異葉苦竹的生殖生物學研究[D].南京:南京林業大學.]

LIU J,2008.Studies on blossom biology of Chimonobambusa si-chuanensis[D].Nanjing:Nanjing Forestry University. [劉靜,2008.月月竹開花生物學研究[D].南京:南京林業大學.]

QIAO SY,LIAO GL,1984.The embryologic observation of Phyl-lostachys edulis[J].Bamb Res,3(1):15－23. [喬士義,廖光廬,1984.毛竹的胚胎發育學觀察[J].竹類研究,3(1):15－23.]

SUN LF,GUO QR,WANG Q,et al,2011.Flower organs morpholo-gy and structure of Phyllostachys edulis[J].For Sci,48(11): 124－129. [孫立方,郭起榮,王青,等,2011.毛竹花器官的形態與結構[J].林業科學,48(11):124－129.]

SUN LF,2012.The productive biological and seed yield increasing technique studies of Phyllostachys edulis[D].Beijing:Chinese Academy of Forestry Science. [孫立方,2012.毛竹生殖生物學和種實產量提高技術研究[D].北京:中國林業科學研究院.]

WANG SG,PU XL,DING YL,et al,2006.The structures of reproduc-tive organs and development of the female and male gametophyte of Dendrocalamus sinicus[J].Bull Bot Res,26(3):270－274. [王曙光,普曉蘭,丁雨龍,等,2006.巨龍竹生殖器官形態結構及雌雄配子體的發育[J].植物研究,26(3):270－274.]

ZHOU FC,1998.Bamboo cultivation[M].Beijing:Chinese For-estry Press. [周芳純,1998.竹林培育學[M].北京:中國林業出版社.]

Observation on anther development of Phyllostachys edulis

ZHOU Jian-Mei1,SUN Li-Fang1,2,FENG Yun1,LIAN Chao1,RAN Hong1,ZHANG Ying1,GUO Qi-Rong1?

(1.International Center for Bamboo and Rattan；SFA Key Laboratory of Bamboo and Rattan Science and Technology,Beijing 100102,China；2.College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin 300071,China)

Because of the long flowering stage,studies about the reproductive biology of bamboos were rarely fewer.In this research,the anther development of Phyllostachys edulis was studied by paraffin section,and the process of anther development of P.edulis was also analysed,including the development process of the anther,anther wall and microspore. The results showed that the anther wall of P.edulis contains four layer of cells,which were epidermal cells,endothecium cells,middle layer cells and tapetum cells.There was only a layer of cells with flat shape in endothecium cells and mid-dle layer cells.At the end of the anther development when microspore goes to pull over,endothecium cells would de-grade gradually and the middle layer cells would break up and disappeared.The development of anther wall was monocot-yledonous type,and the tapetum belonged to secretory type with a layer of cells growing in radial direction,the final de-velopment of tapetum disappeared by themselves.The type of cytokinesis of microsporocyte meioticdivision was succes-sive,and the generated microspore from which then fomated mature pollen by one mitosis process.Mature pollen grains were mostly two-celled,rarely three-celled.In addition,we found that there was a corresponding relationship between the development of anther and continuous morphology change of the inflorescence.Based on the results of continuous ob-servation on the inflorescence and paraffin section assays,we also found that unceasing development and division of an-ther occurred with the continuous development of inflorescence,and anther wall layers of cells were gradually formed. Then microspore became mature gradually and the layers of the anther degraded and disappeared during the process,and then mature pollen spilled out from the dehiscenced anther.Our research would enrich the studies on the reproductive bi-ology of bamboos and also was of great significance to the study on the germplasm of moso bamboo.

Phyllostachys edulis,anther,anther wall,microspore,inflorescence,development

S718.5

A

1000-3142(2016)02-0231-05

10.11931/guihaia.gxzw201405012

周建梅,孫立方,馮云,等.毛竹的花藥發育研究[J].廣西植物,2016,36(2):231－235

ZHOU JM,SUN LF,FENG Y,et al.Observation on anther development of Phyllostachys edulis[J].Guihaia,2016,36(2):231－235

2014-05-06

2015-07-12

國家科技支撐計劃項目(2012BAD23B05)[Supported by National Key technology Research and Development Program of China(2012BAD23B05)]。

周建梅(1986－),女,重慶市人,碩士研究生,從事竹子種質研究,(E-mail)jianmeizhou＠sina.cn。

?通訊作者:郭起榮,男,教授、博導,一直從事森林(竹子)種質資源研究,(E-mail)QRGUO＠icbr.ac.cn。