库拉索芦荟雌性不育的胚胎学研究

赵红艳，柴志艳，王太霞，李景原

(1 新乡学院 生命科学技术学院,河南 新乡 453002；2 许昌县实验中学，河南 许昌461000；3 河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453000)

库拉索芦荟雌性不育的胚胎学研究

赵红艳1，柴志艳2，王太霞3，李景原3

(1 新乡学院 生命科学技术学院,河南 新乡 453002；2 许昌县实验中学，河南 许昌461000；3 河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453000)

【目的】 了解库拉索芦荟(AloeveraL.)的开花过程以及有性生殖过程中大孢子发生和雌配子体发育的动态过程，为探讨芦荟的雌性不育提供胚胎学依据。【方法】 以库拉索芦荟为材料，应用植物解剖学和荧光显微技术相结合的方法，从形态学、细胞学、生殖生物学的角度对芦荟雌性不育进行研究。【结果】 在芦荟雌配子体发育过程中，胚囊发育为四孢型。胚囊发育至四孢子期后出现了异常，四分体逐渐解聚，内容物降解消失。【结论】 库拉索芦荟大孢子母细胞最终没有形成功能性的胚囊，不具备成熟的雌配子体，无法正常进行受精结实，导致其雌性不育。

库拉索芦荟；形态学；胚胎学；雌性不育

芦荟(Aloe)原产于南非[1]，是多年生常绿肉质植物，叶片中含有大量蒽醌类和多糖类物质，被广泛应用于制药、化工产品及美容保健等行业，倍受人们的青睐。然而，芦荟绝大多数不能结实，而且种植在我国北方地区的芦荟一般不能产生种子，因此难以通过遗传方法进行改良和培育新品种。目前芦荟属植物以营养繁殖为主，这造成了芦荟属植物的品质退化，种族衰退，不利于芦荟产品的开发和利用。

目前，有关芦荟的胚胎学研究主要局限于其雄性不育[2-7]，且主要集中在小孢子减数分裂异常和自交不亲和方面[8-10]，对于芦荟大孢子发生和雌配子体发育的研究尚未见报道，雌配子体及花粉的正常发育是实现受精结实的保证，因此迫切需要弄清楚芦荟大孢子发生和雌配子体的整个发育过程。本研究通过观察大孢子发育动态过程中的异常现象，从细胞形态学和胚胎学角度阐明芦荟不育的机理，以期为深入了解芦荟的有性生殖及进一步改进遗传育种措施、培育更为优良的芦荟品种提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料库拉索芦荟(AloeveraL.)取自河南省新乡市，大田中盆栽，春、秋两季各施复合肥1次，每周浇水1次，冬季移入温室且使用加热器控温,于10～15 ℃越冬。取生长良好、长势均匀、无病虫害的4年生库拉索芦荟进行试验。

1.2 方 法

1.2.1 芦荟花期的形态学观察 取供试库拉索芦荟，从2013-01-01开始，每天2次(09:00，15:00)观察并记录芦荟花的整个开花过程，采用植物形态解剖学的方法和石蜡切片法观察芦荟雌蕊发育的形态特征。用Olympus CHS型(日本奥林巴斯)光学显微镜，观察库拉索芦荟有性生殖过程中大孢子、雌配子体以及胚珠的发育过程；挑选具有代表性的切片，用Olympus BX51型(日本奥林巴斯)荧光显微镜在明场下进行观察并拍照。

1.2.2 人工授粉对芦荟结实的影响 选取处于开花期的芦荟，对其进行人工授粉，观察植株的坐果情况。

2 结果与分析

2.1 芦荟花期的形态学观察

北方大田种植的库拉索芦荟，到冬季需搬到温室过冬。从2013-01-12开始，成年芦荟植株近顶端叶片之叶腋处长出总状花序幼体，2月初开始开花，每个花序上约有80～100朵小花，花从花序轴下部向上依次开放，边开边凋谢。花属于同被花，合生雌蕊；花柱单一，圆柱形，自子房顶部伸出，柱头膨大呈头状，有分泌物；子房上位，3心皮合生，3室，绿色；中轴胎座，胚珠多数。

2.2 芦荟花期的解剖学观察

芦荟雌蕊原基形成后，入冬休眠前发育至造孢细胞和胚珠孢原细胞阶段，次年春季，随芽的萌动，茎叶生长，性器官继续进行分化与发育。

2.2.1 胚珠的发育 库拉索芦荟的子房呈细长柱状，由3个心皮形成3个子房室，每个子房室中均有2串纵向排列的胚珠，这2串胚珠分别着生在心皮两侧的内面，形成中轴胎座。在芦荟幼小的子房中，心皮腹缝线处产生一团细胞，分裂增生发育成珠心。在珠心基部外围有些细胞分裂较快，形成了包围在珠心周围的内珠被，顶端形成珠孔。以同样方式，在内珠被外方又形成外珠被。胚珠以珠柄和胎座相连，库拉索芦荟胚珠的珠孔、珠心和合点的连线与珠柄成直角，珠孔偏向一侧，由此判断芦荟属于横生胚珠(图1-A)。

2.2.2 大孢子的发生 库拉索芦荟胚珠珠心由一团薄壁组织细胞组成，大孢子的发生始于珠心中表皮下分化的1个孢原细胞，此孢原细胞在珠被原基刚出现时便开始分化。孢原细胞体积较大，细胞质浓，细胞核明显。当孢原细胞的体积纵向增大时，细胞核也变大，染色质凝聚于核仁周围，然后孢原细胞分裂形成周缘细胞和造孢细胞。外部的周缘细胞进行平周和垂周分裂增加珠心组织，内部的造孢细胞直接发育成大孢子母细胞，大孢子母细胞包藏于珠心组织中(图1-B)。珠心的发育过程表明，芦荟属于厚珠心胚珠。随后，大孢子母细胞进入减数分裂的前期Ⅰ，历经细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ，形成2个大小相同的单倍体子核，即二分体，此时为二分体时期。二分体经中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ，完成第2次减数分裂，产生4个同样大小的单倍体子核(等二列排列)，此时称为四分体时期或前四核期，形成的4个大孢子将全部参与胚囊的形成。

2.2.3 雌配子体的发育 大孢子母细胞经减数分裂产生4个同样大小的单倍体核，没有形成壁， 4个大孢子核都参与了胚囊的形成。在4核的大孢子中，2个核在珠孔端，2个核在合点端，即呈2+2的排列。库拉索芦荟的4核大孢子在有丝分裂前，其核的排列符合四孢型胚囊的发育形式[11]，由此可以认为，芦荟的胚囊发育属于四孢型。按照这种分裂方式，4核大孢子仅经一次分裂就可产生8核，最后形成含1个卵器、2个极核和3个反足细胞的胚囊。然而，在试验中没有见到这样的胚囊，仅有2个单倍体小核的胚囊，且细胞高度液泡化，将核挤向细胞边缘，紧贴细胞壁(图1-C)。随后，其中1个核也慢慢解聚，逐渐消失，这时可以看到仅剩1核的胚囊(图1-D)，接着这个核也逐渐解聚，细胞质内容物逐渐降解，最终剩下一团残余物(图1-E，F)。

图1 芦荟雌配子体发育过程的胚胎学观察A．横生胚珠(×100)；B．大孢子母细胞(×100)；C．只有2核的胚囊(×400)；D．只有1核的胚囊(×100)；E．只有原生质团的胚囊(×100)；F．败育的胚囊(×100)

2.3 人工授粉对芦荟结实的影响

对开花期的芦荟进行人工授粉，促进受精。结果显示，自授粉后持续观察直至花凋谢、花序轴枯干，也未见有果实和种子产生。

3 讨 论

3.1 库拉索芦荟的雌性不育机理

由于雌蕊结构及雌配子体发育的复杂性，目前，对于芦荟雌性不育或雌蕊败育的雌性不育机制的研究报道较少。本试验以此为切入点，首次从细胞学、胚胎学角度探讨库拉索芦荟雌性不育的原因，对其胚胎发育的研究结果表明，它的胚胎学发育特征基本上与百合科的胚胎学特征[12]相一致。在我国北方引种的库拉索芦荟，在大棚或温室保护下能安全越冬，也能开花，但是不产生果实和种子。从本试验结果分析可知，在雌配子体发育过程中，大孢子母细胞减数分裂产生等二列排列的四分体，形成了四孢子胚囊，然而胚囊发育至四孢子期后出现了异常，四分体逐渐解聚，内容物降解消失，没有形成功能性的胚囊，不具备8核7细胞的胚囊基本结构，没有发育成成熟的雌配子体，从而使库拉索芦荟无法正常进行受精结实，最终导致雌性不育。库拉索芦荟的囊胚是在形成四孢型胚囊以后逐渐走向衰败的，即雌蕊胚珠内的大孢子母细胞虽然可以完成减数分裂，但功能性大孢子却不能正常进行有丝分裂，无法产生成熟的8核胚囊，这是其雌性不育的胚胎学原因。

3.2 人工授粉对芦荟结实的影响

对开花期的芦荟进行人工授粉，也未见有果实和种子产生，说明导致库拉索芦荟不育的时期是在受精阶段或受精之前，即导致其败育的关键是雌配子体发育异常，即使是采用人工授粉，对于败育的库拉索芦荟来说也不能使其受精结实。

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Embryology ofAloeveraL.female sterility

ZHAO Hong-yan1,CHAI Zhi-yan2,WANG Tai-xia3,LI Jing-yuan3

(1SchoolofLifeSciencesandTechnology,XinxiangUniversity,Xinxiang,Henan453002,China；2XuchangCountyExperimentalMiddleSchool,Xuchang,Henan461000,China；3CollegeofLifeSciences,HenanNormalUniversity,Xinxiang,Henan453000,China)

【Objective】 In this paper,the flowering process and dynamics of microsporogenesis and female gametophyte development during sexual reproduction process ofAloeveraL.were investigated.【Method】 Using plant-anatomy and fluorescence micro technology,the female sterility ofAloeveraL. was investigated from the perspectives of morphology,cytology,and reproductive biology.【Result】 During the development of female gametophyte,Therefore,embryo sac growth of aloe was tetrasporic type.After abnormality appeared at the later stage,the tetrad depolymerized and contents degenerated and vanished.【Conclusion】 The megaspore mother cell failed to form functional embryo sac and did not have mature female gametophyte.It was unable to conduct fertilization and caused the female sterility.

AloeveraL.;morphology;embryology;female sterility

时间:2015-09-09 15:41

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.020

2014-03-07

河南省科技厅重点攻关项目(072102270018)； 河南省教育厅自然科学基金项目(2006180016)

赵红艳(1973-)，女，河南平顶山人，讲师，硕士，主要从事药用植物与种质资源研究。 E-mail：zhaohongyan92@sohu.com

Q745.78

A

1671-9387(2015)10-0152-03

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150909.1541.040.html