红花石蒜小孢子发生及雄配子体发育研究

柳正葳　张　露　龙婉婉

红花石蒜(Lycoris radiata Herb.)是一类经济价值较大的球根花卉植物,素有“中国郁金香”之美称。因石蒜开花时无叶陪伴,夏秋季叶落后花茎突然从裸露的地面开出美丽的花朵,颇为奇特,在国外又称之为“魔术花”,主要分布于长江中下游地区,尤其以温暖地区种类繁多 [1]。本研究对石蒜小孢子发生、雄配子体的形成与发育及生物学特性进行观察和研究,以丰富石蒜胚胎学和生物学资料,并为其切花生产提供理论依据。

1 材料与方法

供试材料:露地栽培红花石蒜,种植地位于东经115°27′至116°35′、北纬28°10′至29°11′之间;气候湿润温和、雨量充沛。采样日期在2005年4月中下旬到9月上旬,隔3天采样1次,统一上午采样。采样时每次取3~5个种球,剥去其鳞叶取出花芽或剥开花朵取出雄蕊、雌蕊。用FAA[FAA固定液:70%乙醇90ml+冰醋酸5ml+福尔马林5ml]固定并保存。胚胎观察主要用常规石蜡切片,铁矾-苏木精染色,Olympus光学显微镜镜检并拍照。实验还采用了压碎制片法,具体操作程序参照朱徵介绍的方法。

2 观察结果

2.1药壁组织的发育

石蒜具6枚雄蕊,3长3短排成一轮。花药由四个小孢子囊组成,处于药隔的四周,呈蝶形[图版Ⅱ:5]。花药有药壁4层,从外到内依次由1层表皮、2层中层和1层绒毡层组成。雄蕊原基形成后在每一瓣的表皮下分化出孢原细胞,6月上旬至中旬,石蒜的花药已由孢原细胞经平周分裂出的周缘细胞和初生造孢细胞形成发育时期,药隔组织也基本分化形成。此时组成花粉囊壁的纤维层、中层和绒毡层还未完全形成,难以从形态上区分出各层;初生造孢细胞处于有丝分裂产生次生造孢细胞过程。随花药生长发育,花粉囊壁各层呈现出较明显的差异:当造孢细胞由多边形转变成呈球状的小孢子母细胞时[图版Ⅱ:6,7],花粉囊壁最外一层细胞为表皮层,该层细胞通常呈扁平状,径向壁短于切向壁,细胞质少液泡大;紧靠表皮内部一层细胞为纤维层;中层由二层细胞组成位于纤维层内侧;绒毡层位于花粉囊壁最内侧,由一层径向壁常长于切向壁的细胞构成,该层细胞最初含一个细胞核,随后可产生多核现象。

在小孢子母细胞发育和小孢子形成发育过程中,中层和绒毡层细胞会逐渐完全解体。小孢子母细胞进入减数分裂时[图版Ⅱ:8],中层细胞开始解体,绒毡层细胞径向伸长,体积明显增大,细胞质浓厚排列紧密。发育至四分体时,中层细胞几乎全部解体,只留有一些残痕,绒毡层脱离药壁,细胞解体退化[图版Ⅱ:9]。单核时期绒毡层细胞养分消耗最快,到二核花粉粒形成时,绒毡层细胞已差不多耗尽,纤维层细胞的细胞质和细胞核也会逐渐解体消失,但其细胞壁不发生解体[图版Ⅱ:10]。至二细胞花粉后期花朵开放时其上下横壁、径向壁和内切向壁会产生条状增厚。9月花药成熟后,相邻两个小孢子囊之间裂开,花粉散出,花药壁仅留下表皮和纤维层[图版Ⅱ:11]。

2.2小孢子的发生和发育

在花粉囊壁形成发育的同时,呈不规则多边形的造孢细胞逐渐转变成呈球形的小孢子母细胞。花粉母细胞的体积和核明显大于花粉囊壁各层细胞的细胞核,细胞质比组成花粉囊壁的细胞更浓密时,表明小孢子母细胞即将进入减数过程。 其减数分裂过程核相的变化与其它大多数被子植物一样,必须经历减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ两个时期,在染色体形态结构上要发生一系列变化。观察如下:

2.2.1前期Ⅰ(ProphaseⅠ):石蒜减数分裂过程中在这一时期的时间相对是较长的,要经历:细线期(Leptotene):[图版Ⅰ:1];偶线期(Zygotene):[图版Ⅰ:2];粗线期(Pachytene):[图版Ⅰ:3];双线期(Diplotene):[图版Ⅰ:4];终变期(Diakinesis):[图版Ⅰ:5]。

2.2.2中期Ⅰ(MetaphaseⅠ)小孢子母细胞减数分裂Ⅰ中期染色体螺旋化缩短达最大值,二价染色体以交叉处排列在细胞中部的赤道板上,二条染色体上的着丝粒以等距分别列于赤道板的两侧,此时纺缍丝明显[图版Ⅰ:6]。

2.2.3后期Ⅰ(AnaphaseⅠ)两组染色体在纺缍丝的牵引下,分别移向细胞的两极,到两极后并不马上解体形成新核,而是经过一个短暂的停滞过程[图版Ⅰ:7]。

2.2.4末期Ⅰ(TelophaseⅠ)到达两极的染色体进行解螺旋化,核膜、核仁重新出现形成两个子核,组成纺缍丝的微管向小孢子母细胞中部的赤道面处聚集形成清晰的赤道板[图版Ⅰ:8],随后小孢子母细胞进行胞质分裂,在小孢子母细胞中部形成细胞壁,将两个子核分隔产生二分体,此期细胞板和纺缍丝最为明显。

第1次减数分裂结束后,二分体形成[图版Ⅰ:9],细胞会处一短暂的不分裂状态,染色体不会马上解体消失,小孢子母细胞紧接着进入第二次减数分裂时期:

2.2.5前期Ⅱ(ProphaseⅡ)染色体重新螺旋缩短,核膜逐渐消失,核内染色体较减数分裂Ⅰ前期要粗且相互盘绕成团;

2.2.6中期Ⅱ(MetaphaseⅡ)核膜、核仁重新消失,两个子细胞的染色体都以着丝粒排列在赤道板上,每条染色体中的两条染色单体规则的彼此反向的连接在赤道面上,从此期可看到子细胞在分裂时间上有所差异[图版Ⅰ:10];

2.2.7后期Ⅱ(AnaphaseⅡ)着丝粒分开,两个子核内染色单体分离,在纺缍丝的牵引下再次向两极移动,每一极区各有一套完整的单倍的染色体组[图版Ⅰ:11];

2.2.8末期Ⅱ(TelophaseⅡ)到达两极后,纺缍丝逐渐消失,核膜出现,染色体螺旋解体,在核内呈弥散状,核仁也出现,在赤道板上产生细胞板,发生胞质分裂,各形成2个子细胞。

这样经过减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ两个时期,共形成4个子细胞,4个子细胞之间具有细胞壁,被同时分隔成四个小孢子,这个时期通常被称作是小孢子四分体时期[图版Ⅰ:12],4个小孢子被共同的胼胝质所包围,小孢子之间也被胼胝质所分隔。

2.3雄配子体的形成与发育

红花石蒜小孢子母细胞四分体时期较短,随着四个子细胞之间胼胝质的溶解,小孢子彼此分开,释放到花粉囊中。从四分体中分散出来的小孢子是雄配子体的第一个细胞,刚释放出来的小孢子[图版Ⅱ:1]体积小,形态不规则,随后逐渐发育成侧面看呈椭圆形的形状。小孢子发育过程中,细胞核的形态结构和位置也要经过一系列的变化。刚形成的小孢子细胞壁薄,细胞质浓厚,细胞核结构松散位于小孢子的中央。随后小孢子体积不断增大,外壁呈现网状增厚,小液泡合并成大液泡,细胞质成一薄层紧靠内壁,细胞核逐渐移向小孢子的一侧,进入小孢子单核靠边期[图版Ⅱ:2]。当核移至靠近内壁的位置时,小孢子体积继续增大,进入有丝分裂阶段[图版Ⅱ:3]。小孢子核在贴近花粉壁的位置进行不均等的有丝分裂,形成大小悬殊的2个细胞:大的为营养细胞,占据花粉的绝大部分体积,细胞核较大,其内有1个核仁;小的为生殖细胞,呈凸透镜形,紧贴着花粉壁,只有少量细胞质而无液泡,细胞核圆形,其内有1个核仁。生殖细胞与营养细胞间存在明显的细胞壁。随着二细胞间细胞壁的消失,生殖细胞浸

到营养细胞的细胞质中,形成二细胞花粉[图版Ⅱ:4]。

3 讨论

从石蒜小孢子母细胞减数分裂过程的图片来看,其胞质分裂为连续型,具有二分体时期,同一花粉囊中可产生左右对称和四面体形两种类型的四分体,但左右对称四分体通常远多于四面体形的四分体,胼胝质壁的形成在后期Ⅰ已经开始,但在二分体到四分体形成过程中表现的非常明显。由发育至即将开放花朵的花药石蜡切片可以看到,形成该种空粒花粉的花粉囊中,药壁结构较完整,绒毡层细胞无解体迹象 [图版Ⅱ:12] 。

红花石蒜在小孢子母细胞减数中期Ⅰ分裂～末期Ⅱ都有异常情况:出现单价体、落后染色体、单染色体桥、多染色体桥、染色体片段和微核现象,这些现象产生的主要原因是同源染色体存在缺失和重复区域、同源染色体提早分离、杂合臂内倒位、滞后染色体等所致,而减数分裂异常引起遗传物质不均衡分配,致使产生部分败育小孢子。石蒜的成熟花粉囊中,存在具有二核、三核和具有营养细胞和生殖细胞产生,但营养细胞中出现二核的花粉粒。这些花粉粒的形成途径,它们的倍性是单倍性还是二倍性,以及是否可以萌发、正常受精结实,需进一步观察研究。