麻疯树花发育的形态和解剖结构研究

李　雪,黄　剑,徐　刚,*,张余杰

(1.贵州大学精细化工研究开发中心，贵州贵阳550025；2.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；3.贵州大学昆虫研究所，贵州贵阳550025)



麻疯树花发育的形态和解剖结构研究

李雪1,2,黄剑1,徐刚1,3*,张余杰3

(1.贵州大学精细化工研究开发中心，贵州贵阳550025；2.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；3.贵州大学昆虫研究所，贵州贵阳550025)

摘要：为了揭示麻疯树(JatrophacarcasL.)花性别分化、大小孢子发生和雌雄配子体发育特点。利用扫描电子显微镜对麻疯树不同发育时期的花器官进行观察，利用光学显微镜分析了麻疯树大小孢子发生和雌雄配子体发育不同时期的花药和子房的石蜡切片。研究结果表明麻疯树雄花发育无须经历一个两性过程，雄花花药具有4个小孢子囊，成熟花粉粒为双核型；麻疯树雌花发育要经历一个两性花过程，在3枚心皮形成的同时，10枚雄蕊也形成；当心皮完全愈合后，雄蕊停止发育，最后退化；雌蕊心皮完全愈合后，胚囊开始发育；胚珠为倒生胚珠，具有珠心喙和珠孔塞；胚囊发育类型为蓼型。

关键词：麻疯树；花发育；大小孢子发生；配子体发育

麻疯树(JatrophacarcasL.)，又名臭油桐、黄肿树、小桐子等，属大戟科(Euphorbiaceae)麻疯树属(Jatropha)，落叶灌木或小乔木，其能在干旱贫瘠土壤中生长且种子含油量高(超过40%)，因此已被作为一种提炼柴油的优良能源植物[1-2]。据研究发现麻疯树不仅雌雄花比例低(1/10～1/30)，而且还存在胚珠败育的现象[3]，从而导致麻疯树挂果率及果实出籽低，严重影响了麻疯树的大规模种植。开展麻疯树花发育的形态和解剖结构研究一方面可以从形态解剖上揭示麻疯树花发育和性别分化机制，另一方面也为更深入研究麻疯树花发育机制奠定基础，从而为人工增加麻疯树雌雄花比例，提高挂果率和种籽产量提供理论依据和指导。

目前，有关麻疯树花发育过程的部分研究已有报道。刘焕芳等[4-6]详细地阐明了麻疯树花发育过程中花器官的外部形态变化，同时还报道了麻疯树小孢子发生和雄配子体发育过程，但是并未对雄花的孢原细胞和造孢细胞的发育时期进行研究；王秀荣等[7]虽然首次较为系统地报道了麻疯树大小孢子发生和雌雄配子体发育的状况，但尚未对麻疯树雌雄花发育(尤其是雌花)过程中某些重要的时期进行描述(如孢原细胞期、大孢子母细胞期、单核胚囊期和双核胚囊期等)。

本文采用扫描电镜和石蜡切片技术，对不同发育时期的麻疯树花器官进行观察研究，首次系统、全面地对麻疯树花性别分化、大小孢子发生与雌雄配子体发育进行研究，为进一步深入研究麻疯树花发育的机制奠定了坚实基础。

1材料与方法

1.1实验材料

麻疯树(JatrophacarcasL.)花序或花蕾：均采自贵州省黔西南州贞丰县鲁容乡。

1.2实验方法

材料采集：根据麻疯树的花期，于2014年5月采集不同发育阶段的麻疯树花蕾，部分材料用于扫描电镜观察，其余部分用FAA固定液保存带回实验室，4 ℃冰箱保存。

电镜扫描观察：参考文献[8-9]的方法进行扫描电镜观察，并记录各时期的发育特点。

显微结构观察：用不同浓度梯度的酒精对麻疯树不同发育时期的花蕾进行梯度脱水后，进行常规石蜡连续切片法切片，切片厚度为8～10 μm，番红固绿对染，中性树胶封片，最后在XS-213型显微镜下观察拍照。

2结果与分析

2.1不同时期花器官外部形态

本实验过程中采用电镜扫描进行观察，主要研究内容为雌雄花的发育进程。

在花序轴上，花序原基出现于苞片腋内(图版I-1)。首先在花序原基上分化出两个大小不同的花原基，之后第一枚萼片出现(图版I-2)；随着花原基的长大，其余4枚萼片也相继产生(图I-3,I-4)；当花萼发生后，在萼片内侧，5枚花瓣原基几乎同时出现(图版I-4,I-5)，此后花开始性别分化。

整个雄花发育过程中，不需经历一个两性花时期，自始至终均是单性花。5枚花瓣原基出现后，外轮5枚雄蕊原基相继产生(图版I-6)，5枚内轮雄蕊原基紧随其后(图版I-7)；最后雄蕊发育成熟(图版I-8,I-9,I-10)，包括外轮雄蕊、内轮雄蕊、花萼、花瓣(均为5枚)。

雌花的发育和雄花不同，需经历一个两性花时期：在心皮原基分化之前，雌花的发育和雄花相同，而在5枚花瓣原基全部形成后(图版I-5)，于中央组织处形成3枚心皮原基，且在其外侧围绕3枚心皮原基形成了10枚雄蕊原基(图版I-11,I-12,I-13)；雄蕊先是随着心皮的发育而发育，而当3枚心皮愈合后即停止发育(图版I-14)，最后子房形成，雄蕊变小退化(图版I-15)；成熟的雌花花萼、花瓣均为5枚，子房3室，花柱3枚，基部合生。

2.2不同时期的花蕾

本实验采用石蜡切片的方式进行观察，主要包括大小孢子的发生及雌雄配子的形成过程。

2.2.1小孢子的发生及雄配子的形成麻疯树雄蕊由花药和花丝组成，花药具4个小孢子囊，花药壁发育为双子叶型。成熟的花药由外向内依次为表皮、药室内壁、中层和绒毡层。

图版Ⅰ：B.苞片和苞片原基；C.心皮和心皮原基；F.花原基；I.花序原基；P.花瓣和花瓣原基；S1.外轮雄蕊；S2.内轮雄蕊；Se1-Se5.第一片萼片，第二片萼片，……，第5片萼片。1.花序原基，2.花序原基上两个大小不同的花原基，第一枚萼片出现。3.3枚大小不同萼片出现。4.5枚大小不同的萼片出现。5.5枚花瓣原基同时出现。6.外轮雄蕊原基出现。7.内轮雄蕊原基出现。8.外轮雄蕊发育要快于内轮雄蕊。9.发育中的10枚雄蕊。10.成熟的花药。11-12.心皮原基开始出现。13.雄蕊和心皮继续发育。14.心皮开始合拢，雄蕊停止发育。15.子房形成，雄蕊变小最后退化。PlateⅠ:B.bracts and bract primordia;C.carpels and carpel primordia;F.floral primordia;I.inflorescence primordia;P.petals and petal primordia;S1.the outer whorl of stamen;S2.the inner whorl of stamen;Se1-Se5.the first sepal,the second sepal,…,the fifth sepal (according to the order of initiation) respectively.1.Inflorescence primordiumum.2.Two floral primordia in different sizes initiate in the center of the inflorescence primordiumum.The first sepal primordiumum initiates.3.Three different sizes sepals appear.4.Five different sizes sepals appear.5.Five petals primordia appeared simultaneously.6.The initiation of the outer whorl of stamen primordia.7.The initiation of the inner whorl of stamen primordia.8.Stamens of the outer whorl develop faster than the inner whorl.9.ten stamens in development.10.The mature anthers.11-12.Carpel primordia initiate.13.Stamens and carpels continue to develop.14.Carpels close up gradually and stamens stop developing.15.Ovary formation,stamen smaller finally degraded.

(1)小孢子的发生。在麻疯树雄花花蕾长约为0.40 mm时，将其横切观察，此时花药原基已形成，在花药原基隅角处表皮下分化形成一个孢原细胞(图版II-1)，之后其进行平周分裂形成内外两层细胞，外层为初生周缘细胞，内层为初生造孢细胞(图版II-2)，此时雄花花蕾长约为0.45 mm；初生周缘细胞将来分裂形成两层次生周缘细胞，初生造胞细胞则分裂形成小孢子母细胞(图版II-3)；小孢子母细胞发育到一定程度后开始进行第一次减数分裂，此时可清晰的分辨出药室内壁中层、绒毡层，雄花花蕾长约0.53 mm(图版II-3)，随后完成第二次减数分裂形成四分体，四分体呈四面体型(图版II-4)，此时雄花花蕾长约1.10 mm；小孢子最后释放到药室中形成单核花粉粒(图版II-6)。

图版Ⅱ：a.孢原细胞；b.初生造孢细；c.周缘细；d.小孢子母细；e.四分；f.绒毡层；g.单核花粉；h.二核；i.液泡；j.生殖细胞；k.营养细胞。1.孢原细胞。2.孢原细胞分裂，初生造孢细胞和周缘细胞形成。3.小孢子母细胞以及小孢子母细胞第一次减数分裂。4.小孢子四分体。5.小孢子四分体后期。6.单核花粉粒。7-8.二核花粉粒。9.2-细胞花粉粒。PlateⅡ:a.Archesporial cell;b.Primary sporogenous cell;c.Parietal cell;d.Microsporocyte cell;e.Tetrad;f.Tapetumum;g.Monocytes pollen;h.2-nuclear;i.Vacuole;j.Germ cell;k.Vegetative cell.1.The archesporial cell.2.The archesporial cell division,primary sporogenous cell and parietal cell formation.3.Microsporocyte cell and Microsporocyte cell in meiosisI.4.Microspore tetrad.5.Tetrad at later.6.Monocytes pollen.7-8.2-uncleate pollen.9.2-celled pollen.

(2)雄配子体的形成。单核花粉粒形成后，进一步生长发育，体积变大，当雄花花蕾长约1.50 mm时，进行一次核分裂，形成二核花粉粒，细胞质液泡化，占据细胞大部分体积，并将细胞核挤到细胞一侧(图版II-7,II-8)；当雄花花蕾长约2.50 mm时，绒毡层消失，在二核花粉粒内，围着两个核产生一大一小的两个细胞，形成二胞花粉粒，大的为营养细胞，小的为生殖细胞(图版II-9)；最后生殖细胞与花粉内壁分离，游离于营养细胞的细胞质中形成了二核型的成熟花粉粒，其呈圆形，花药四室，药壁由表皮、纤维层组成。

图版Ⅲ：a.孢原细胞；b.初生造孢细胞；c.周缘细胞；d.大孢子母细胞；e.大孢子母细胞减数分裂Ⅰ；f.功能大孢；g.内珠被；h.外珠被；i.极核；j.珠孔塞；k.珠心喙。1.孢原细胞。2.孢原细胞分裂，初生造孢细胞和周缘细胞形成。3.大孢子母细胞。4.大孢子母细胞减数分裂Ⅰ。5.大孢子母细胞减数分裂Ⅱ(功能大孢子与退化的三个大孢子)。6.单核胚囊期。7.二核胚囊期。8.8核胚囊期。9.成熟胚囊。10.大孢子母细胞时期的珠孔塞。11.大孢子母细胞减数分裂Ⅰ时期的珠孔塞。12.珠心喙。Plate Ⅲ:a.chesporial cell;b.Primary sporogenous cell;c.Parietal cell;d.Megaspore mother cell;e.Meiosis I of megasporocyte;f.Functional megaspore;g.Secundine;h.Outer integumument;i.Polar nucleus;j.Obturato;k.The nucellar beak.1.The archesporial cell.2.The archesporial cell division,primary sporogenous cell and parietal cell formation.3.Megaspore mother cell.4.Meiosis I of megasporocyte.5.meiosis Ⅱof megasporocyte.(A functional megaspore.with three degenerated megaspores).6.The uni-nucleate embryo sac.7.A 2-uncleate embryo sac.8.A 8-uncleate embryo sac.9.The mature embryo sac.10.Obturator in megasporocyte stage.11.Obturator in meiosis I of megasporocyte.12.The nucellar beak.

2.2.2大孢子的发生及雌配子的形成麻疯树雌蕊子房多为3室，每室一颗倒生胚珠，中轴胎座；在心皮完全愈合以前，胚原基开始出现，子房中轴上产生一团突起的组织，即为胚原基，将来发育为胚珠。

(1)大孢子的发生。3枚心皮完全愈合前，胚原基出现，在珠心表皮细胞下的第二层分化出孢原细胞；孢原细胞比其周围细胞大，细胞质浓，有明显的细胞核，此时子房长约0.30 mm(图版III-1)；之后孢原细胞平周分裂，产生内外两个细胞，外侧为周缘细胞，将来发育为珠心细胞，内侧则为初生造孢细胞(图版III-2)，此时子房长约为0.60 mm；初生造孢细胞进一步发育为大孢子母细胞，在此过程中初生造孢细胞明显生长，此时子房长约为0.90 mm(图版III-3 )；大孢子母细胞进行第一次减数分裂，形成二分体(图版III-4)，此时心皮接近愈合，内外珠被清晰可辨，子房长约1.00 mm；大孢子母细胞进行第二次减数分裂形成四个细胞，近珠孔端的三个退化，而合点端的一个增大为功能大孢子(图版III-5)，此时外珠被长度超过内珠被，子房长约1.20 mm。

(2)雌配子体的形成。功能大孢子形成后进一步发育，形成单核胚囊(图版III-6)，外珠被顶端合拢，把珠心包裹起来，子房长约1.50 mm；接着功能大孢子进行一次有丝分裂产生两个细胞，分别移至胚囊的两端，形成二核胚囊期(图版III-7)，子房约为2.50 mm；然后这两个细胞分别连续进行2次有丝分裂，各自产生4核，发育为八核胚囊(图版III-8)，此时子房长约3.20 mm，其中两个核移至胚囊中央形成极核(图版III-9)，最后发育为8核7细胞的成熟胚囊。此外，通过对麻疯树上述发育过程的观察，发现麻疯树胚珠具有珠孔塞结构(图版III-10,III-11)，其发生在孢原细胞分裂为周缘细胞和大孢子母细胞时期，由珠孔一侧的薄壁细胞形成；珠心顶端延伸穿出内外珠被形成一狭长形的结构，此为珠心喙(图版III-12)。

3讨论与结论

麻疯树雄花和雌花的发育过程不同，雄花的发育不需要经历一个两性花过程，而雌花则需要。在雌花发育过程中，当5枚花瓣原基形成后，10枚雄蕊和3枚心皮几乎同时形成；当心皮完全愈合后，雄蕊停止发育，最后退化，这样就形成雌花；如果雄蕊不退化并继续发育，这样就形成两性花，两性花在麻疯树上常有发现[10]。因此要通过人工处理增加雌雄花比例，只有在花性别生理分化之前进行。据报道，潘邦珍等用6-BA 处理直径约为5.00 mm的花序芽，显著提高了雌雄花比例[11]。

麻疯树雄蕊的花药具4个花粉囊，花药壁发育为双子叶型，其由表皮、药室内壁、中层和绒毡层组成，四分体为四面体型，成熟花粉粒为二核细胞型，这些特征与刘焕芳等[4]的研究结论基本一致。绒毡层为小孢子和花粉发育提供营养，在二胞花粉粒形成时，绒毡层溶解；据研究发现，在麻疯树成熟花粉粒形成过程中，小孢子的发育异常会导致花粉败育，而这可能与绒毡层的过早溶解有关[5,12]。要深入小孢子发育异常导致花粉败育的具体原因可挑选处于0.53～1.50 mm的雄花花蕾，此时雄花花蕾处于小孢子母细胞发育时期。

麻疯树胚囊发育特点及结构都与同为大戟科的巴西橡胶树相似[13]。麻疯树胚珠为倒生胚珠[7,13-14]，成熟的胚珠有珠心喙和珠孔塞结构[13-16]；珠心喙发达，较长，伸出珠孔，并与珠孔塞相接，这种结构可能有利于引导花粉管进入胚囊[13,15]。麻疯树孢原细胞的发生是在雌蕊心皮完全愈合后，此时子房长约0.30 mm。胚囊的发育要经过单核胚囊、双核胚囊、四核胚囊和八核胚囊期。造孢细胞在发育形成大孢子母细胞后，大孢子母细胞经过减数分裂形成单列四分体，之后珠孔端的3个退化，合点端的一个则发育为功能大孢子；功能大孢子先后进行3次有丝分裂，第一次分裂产生两个细胞，然后每个细胞连续进行两次细胞核分裂形成8核胚囊，最终形成典型的7细胞成熟胚囊，从其发育特点来看，麻疯树胚囊的发育类型是典型的蓼型[14,17]。充分的环境资源有利于雌花的发育，可以增加雌雄花比例，而由于环境资源的限制，雌花会发生败育[18]。雌花的败育可能发生在大孢子母细胞发生时期或其减数分裂期 (从败育雌花花蕾的大小来判断)，此时雌花发育这几个时期对营养的供应比较敏感，其确切原因还需进一步研究。

本研究从花器官的外部形态，花药和子房内部显微结构等方面系统、全面地对麻疯树花性别分化、大小孢子发生与雌雄配子体发育过程进行了分析，探明了麻疯树花的发育过程，尤其是大小孢子发生与雌雄配体发育时花器官的外部形态特征，为进一步深入研究麻疯树花发育过程中的发育机制奠定了坚实基础。

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The Morphological Development and Anatomical Structure

of Flowers ofJatrophacurcas

LI Xue1,2,HUANG Jian1,XU Gang1,3*,ZHANG Yu-jie3

(1.Center for Research and Development of Fine Chemicals of Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.College of Life Science of Guizhou University,Guiyang 550025,China;3.Institute of Entomology of Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Abstract：In order to study the process of sex differentiation,microsporogenesis and megasporogenesis and the development of male and female gametophytes inJatrophacurcas,the flower organs in different development stages were observed Electronic microscope,and the paraffin sections of anther and ovary in different development stages were analyzed using optical microscope.As a result,some valuable information was obtained.The development of the male flower did not experience an amphoteric phase,and its anther had 4 microsporangia,and mature pollen was of double karyotype.The female flower showed an amphoteric phase during its development process,and the development of stamens was then retarded and the stamens were degraded after the coalescence of carpels;the embryo sac began to grow after the coalescence of carpels,and the ovules were anatropous ovules with a nucellus beak and an obturator;the type of embryo sac development was of knotweed type.

Key words:Jatrophacurcas;development of flower;megasporogenesis and microsporogenesis;gametophyte development

作者简介：李雪(1989—)，女，硕士生，主要从事植物发育生物学研究，E-mail:1412790609@qq.com；*通信作者：徐刚，副研究员，E-mail:xg335300@aliyun.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(31460184)

收稿日期：2015-07-30修回日期：2015-09-17

中图分类号：Q944.5

文献标志码：A

文章编号：1000-2286(2015)06-1037-07

李雪,黄剑,徐刚,等.麻疯树花发育的形态和解剖结构研究[J].江西农业大学学报，2015，37(6)：1037-1043.