鳞毛蕨科3种植物配子体发育的研究

李懿宸 齐 晶 郑书忆 张剑锋 戴锡玲

(上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234)

鳞毛蕨科3种植物配子体发育的研究

李懿宸 齐 晶 郑书忆 张剑锋 戴锡玲*

(上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234)

利用光学显微镜详细观察鳞毛蕨科(Dryopteridaceae)3属3种植物，即耳蕨属的棕鳞耳蕨(Polystichumpolyblepharum)、鳞毛蕨属的黑足鳞毛蕨(Dryopterisfuscipes)和鞭叶蕨属的鞭叶蕨(Cyrtomidictyumlepidocaulon)配子体发育过程，记录配子体各发育阶段的特征。结果表明：棕鳞耳蕨、黑足鳞毛蕨和鞭叶蕨的孢子都为单裂缝，孢子萌发类型为书带蕨型，配子体发育类型为三叉蕨型，性器官为薄囊蕨型，成熟原叶体为对称的心脏形，具毛状体；3属的属间差异包括孢子颜色、孢子纹饰、萌发时间、丝状体长度、片状体形状、毛状体和假根等特征，上述特征在属间存在交叉现象，因此，孢子形态和配子体发育特征不能作为区分耳蕨属、鳞毛蕨属和鞭叶蕨属的形态依据。

鳞毛蕨科；棕鳞耳蕨；黑足鳞毛蕨；鞭叶蕨；配子体发育

鳞毛蕨科(Dryopteridaceae)约14属，1200余种，分布于世界各洲，但主要集中于北半球温带和亚热带高山地带，中国有13属，共472种，分布全国各地，尤以长江以南最为丰富[1]。蕨类植物孢子形态及配子体发育的不同特征是讨论复杂类群系统演化的重要理论依据，比较配子体不同发育时期的形态特征更有助于阐明其亲缘关系[2]。有关鳞毛蕨科孢子形态的研究有：张玉龙等研究了约1 000种蕨类植物的孢子形态，其中涉及该科10属54种植物的孢子形态[3]；王全喜等在对中国水龙骨目植物孢子形态的研究中观察了该科9属71种1变型植物的孢子形态特征[4]；卢金梅等研究了该科及其相近类群的19属65种植物的孢子形态[5]；刘家熙等对北京产鳞毛蕨属(Dryopteris)4种植物孢子形态特征进行了详细观察[6]；张玉菊等对云南的复叶耳蕨属(Arachniodes)植物孢子形态进行研究[7]。在鳞毛蕨科配子体发育的研究中，国内的王全喜、曾汉元、罗顺元等人做了大量工作[8～15]，较系统地研究了鳞毛蕨属8种、贯众属(Cyrtomium)3种、柳叶蕨属(Cyrtogonellum)3种、耳蕨属(Polystichum)2种、毛枝蕨属(Leptorumohra)1种、黔蕨属(Phanerophlebiopsis)1种的配子体发育过程；国外的Choo、Mendoza[16～17]等对Elaphoglossum、Olfersia等属的配子体发育进行研究；Momose观察了部分日本产鳞毛蕨属和耳蕨属植物成熟配子体形态[18]。鳞毛蕨科种类众多，上述研究还很薄弱。

棕鳞耳蕨(Polystichumpolyblepharum)是鳞毛蕨科耳蕨属植物[19]，观赏价值高，根状茎可入药[20]。黑足鳞毛蕨(Dryopterisfuscipes)是鳞毛蕨科鳞毛蕨属植物[1]。鞭叶蕨(Cyrtomidictyumlepidocaulon)是鳞毛蕨科鞭叶蕨属(Cyrtomidictyum)植物[19]。王全喜等利用扫描电镜观察了棕鳞耳蕨的孢子形态[4]，张玉龙等和卢金梅利用光镜和扫描电镜观察了鞭叶蕨的孢子形态[3,5]。王全喜等[8]对棕鳞耳蕨配子体发育进行了初步研究。Chandra和Nayar研究了棕鳞耳蕨配子体的部分形态特征[21]。

本文利用光学显微镜详细观察记录了棕鳞耳蕨、黑足鳞毛蕨和鞭叶蕨配子体发育各时期的形态特征，以期为鳞毛蕨科植物分类及演化研究提供配子体方面的依据，并为其开发利用积累基础资料。

1 材料与方法

1.1 孢子的采集

实验用孢子的采集信息详见表1。将带有成熟孢子的叶片置于洁净的信封内，于干燥通风处让孢子自然散落，约7 d后将孢子去杂并收集于硫酸纸袋中，放置4℃冰箱中保存待用。凭证标本存放在上海师范大学蕨类植物标本室(SHNU)。

表1 材料来源

1.2 培养方法

采用改良knop’s培养基[22]无菌培养。将5%次氯酸钠溶液倒入放有孢子的离心管中充分震荡摇匀后离心，无菌水漂洗3遍，在超净台上接种于改良knop’s培养基上。置于ZRX-300E型智能人工型气候培养箱中培养，12 h光照，12 h黑暗，光照强度2 000 Lux，温度为25±1℃，湿度为60%～70%。重复培养4次，每次5份。在配子体发育各个阶段用Nikon E800型光学显微镜进行活体观察并拍照。所有数据由20个数据取平均值得来。

2 观察结果

2.1 棕鳞耳蕨配子体的发育

2.1.1 孢子及孢子萌发

棕鳞耳蕨的孢子深黄褐色，单裂缝，裂缝长约为孢子全长2/3，极面观为椭圆形，赤道面观为肾形，孢子壁厚，表面具脊状纹饰，孢子大小为(28～39)34 μm×46(37～55) μm(图版Ⅰ:1)。

接种15 d左右，孢子萌发。萌发时，孢子壁自裂缝处开裂，产生一条初生假根，初生假根较细弱，直径约9～12 μm，初生假根生长方向与原叶体原始细胞分裂产生丝状体的方向垂直(图版Ⅰ:2)，孢子萌发类型为书带蕨型(Vittaria-type)[23]。

2.1.2 丝状体

接种20 d左右，原叶体原始细胞经过连续分裂形成丝状体。丝状体常为单列，具3～5个细胞(图版Ⅰ:3)，丝状体顶端出现第一个毛状体(图版Ⅰ:4)；有时在丝状体2～4个细胞长时，丝状体前端纵裂为双列细胞。丝状体细胞圆筒形，壁薄。孢子壁此时尚未脱落。

2.1.3 片状体

接种30 d左右，丝状体顶端毛状体相邻的第二个细胞纵向分裂，进入片状体阶段；若丝状体时期不出现毛状体，则丝状体前端细胞斜向分裂，进入片状体阶段(图版Ⅰ:5)。片状体最初为舌状(图版Ⅰ:6)，随后在片状体前端中央出现生长点(图版Ⅰ:7)。

2.1.4 原叶体

接种40 d左右，片状体前端分生组织活跃地细胞分裂，进入幼原叶体阶段。分生组织细胞体积小，排列紧密。幼原叶体两翼不发达，随着发育，两侧细胞增多，细胞大小均匀，生长点逐渐下陷(图版Ⅰ:8)。幼原叶体阶段，毛状体开始在其背腹面出现。

接种55 d左右，原叶体发育成熟，成熟原叶体为宽圆状心脏形，两翼略向左右扩展，体薄，长约1.5～6 mm，宽约1～4 mm。原叶体边缘细胞较小，排列整齐紧密；两翼细胞较大，四边形，细胞内叶绿体大多呈椭球状，分布均匀(图版Ⅰ:9)。原叶体发育为三叉蕨型(Aspidium-type)[23]。

2.1.5 性器官

接种55 d左右，精子器出现，混生于假根丛中，每个原叶体上的精子器数量在十余个到几十个不等。精子器近球形，直径约45～55 μm，由3个细胞(基细胞、环细胞和盖细胞)组成。精子器成熟时，其内充满精细胞，侧面观扁圆球形(图版Ⅰ:10)。

接种约60 d，颈卵器出现。颈卵器长于原叶体生长点之下到基部假根附近这一范围内，每个原叶体上的颈卵器数量在几个到十几个之间。成熟的颈卵器顶面观为铜钱状，由4列细胞组成，颈部直径约40～50 μm，侧面观可见其颈部高80～100 μm，为4～5层细胞(图版Ⅰ:11)。性器官类型为薄囊蕨型[23]。

2.1.6 毛状体

毛状体为单细胞，呈棒状，内含叶绿体，长约7～15 μm，顶端具腺体分泌物，大多早脱落(图版Ⅰ:12)。毛状体最早见于丝状体末期顶端，或在片状体后期和幼原叶体时期首次出现，最终在原叶体边缘和背腹面表面均有分布(图版Ⅰ:13)。原叶体上半部与毛状体相连的边缘细胞一般不突出，原叶体下半部与毛状体相连的边缘细胞部分突出，一般突出1～2个细胞，在边缘分布均匀而紧密，每隔1～3个边缘细胞生一个毛状体。

2.1.7 假根

孢子萌发时产生一条初生假根，随后在丝状体、片状体基部次生假根逐渐增多，到原叶体时基部的背腹面都长有大量假根。假根最初为无色管状，基部比尖端粗，直径平均约12 μm，假根内含少量的叶绿体或无，部分假根发生弯曲，随着原叶体生长假根逐渐变成黄褐色(图版Ⅰ:14)。

2.2 黑足鳞毛蕨配子体的发育

2.2.1 孢子及孢子萌发

黑足鳞毛蕨的孢子呈褐色，单裂缝，裂缝几达孢子全长的3/4，极面观为椭圆形，赤道面观为半圆形，左右对称，孢子表面具脊状褶皱纹饰，褶皱相连呈网状，孢子大小为(15～40)32.5 μm×51.25(25～80) μm(图版Ⅰ:15)。

接种7 d左右，孢子开始萌发，萌发时首先伸出一条假根(图版Ⅰ:16)，初生假根为透明管状，孢子萌发为书带蕨型[23]。

2.2.2 丝状体

接种10 d左右，随着原叶体原始细胞分裂，发育成为单列丝状体，长为2～7个细胞(图版Ⅰ:17)；有时丝状体前端细胞纵裂，在2～5个细胞时形成双列丝状体(图版Ⅰ:18)。丝状体细胞圆筒形或短圆筒形。孢子壁此时脱落。丝状体顶端出现楔形顶端细胞，随后进入片状体阶段。

2.2.3 片状体

接种14 d左右，楔形顶端细胞向左右两侧斜向分裂，成为片状体。当片状体前端4～5个细胞宽时，在其顶端一侧衍生出第一条毛状体，内含叶绿体(图版Ⅰ:19)，并以同样的方式在另一侧又产生第二条毛状体，以此类推。片状体最初为勺形，随着不断地生长发育，顶端细胞被片状体前端中央的分生组织所代替(图版Ⅱ:1)。

2.2.4 原叶体

接种30 d左右，由于分生组织的活动，生长点逐渐下陷，进入幼原叶体阶段。幼原叶体两侧边缘陆续产生毛状体(图版Ⅱ:2)。成熟原叶体呈宽倒卵状心脏形，两翼展开，稍有波折，长约2.5～7.5 mm，宽约2～5 mm。生长点处细胞较小，为方形或长方形，紧密排列；两翼细胞较大，为多边形，细胞内叶绿体丰富，分布均匀(图版Ⅱ:3)。原叶体的发育为三叉蕨型[23]。

2.2.5 性器官

接种45 d左右，开始出现精子器。精子器分布于假根丛中，近圆球形，直径约45～50 μm，由3个细胞(基细胞、环细胞和盖细胞)组成。精子器成熟时，盖细胞孔裂，精子溢出(图版Ⅱ:4)。

颈卵器晚于精子器出现，一般长于原叶体生长点之下。成熟的颈卵器由4列细胞组成，3～5层细胞高，直径约50～70 μm，颈卵器受精后内部逐渐变为褐色(图版Ⅱ:5)。

2.2.6 毛状体

毛状体单细胞，最早见于片状体前端4～5个细胞宽时，呈细长棒状，高约10 μm，内含叶绿体。随后，在原叶体边缘及背腹面均有丰富的毛状体。与毛状体相连的边缘细胞部分向外突出，每隔1～2个边缘细胞生有一个毛状体。成熟毛状体叶绿体大多位于头部，顶端具腺体分泌物，部分脱落(图版Ⅱ:6)。

2.2.7 假根

假根的基本特征同棕鳞耳蕨，内含叶绿体(图版Ⅱ:7)，顶端膨大(图版Ⅱ:8)，偶有分叉现象。假根直径约12～20 μm，最长的可达1.2 mm。

2.3 鞭叶蕨配子体的发育

2.3.1 孢子及孢子萌发

鞭叶蕨的孢子呈黄褐色，单裂缝，裂缝长度为孢子全长的2/3左右，两侧对称，孢子极面观为椭圆形，赤道面观为豆形，孢子大小为(20～25)23.5 μm×35(30～37.5) μm，孢子表面具翅状褶皱，疏松地包于孢子表面(图版Ⅱ:9)。

接种11 d左右，孢子萌发。萌发时，孢子自裂缝处开裂，伸出突起，成为初生假根。孢子萌发类型为书带蕨型[23]。

2.3.2 丝状体

接种15 d左右，原叶体原始细胞经横分裂成单列丝状体。丝状体长3～6个细胞，细胞圆筒形或短圆筒形，侧壁向外鼓出，孢子壁尚未脱落(图版Ⅱ:10)。

2.3.3 片状体

接种20 d左右，丝状体前端细胞一经纵裂，便进入片状体阶段(图版Ⅱ:11)。片状体前端4～5个细胞宽时出现第一条毛状体。片状体最初为扫帚状，基部呈细长柄状(图版Ⅱ:12)。随后，在片状体前端中央或略偏一侧出现一列小型分生组织细胞，中央发生为常见。

2.3.4 原叶体

接种30 d左右，分生组织分裂产生幼原叶体。幼原叶体顶部中间向下凹陷，两侧强力向上生长，对称或不对称，并不断产生毛状体，毛状体稀疏(图版Ⅱ:13)。幼原叶体后期，逐渐发育为对称心形(图版Ⅱ:14)。

接种45 d左右，原叶体成熟，呈宽圆状倒卵状的心脏形，后端渐尖为尾状，体薄，两翼宽大略左右扩展，长约3～7.6 mm，宽约2～6 mm。原叶体边缘细胞紧密排列，方形或长方形，两翼细胞较大且不规则(图版Ⅱ:15)。原叶体发育为三叉蕨型[23]。

2.3.5 性器官

接种50 d左右，出现性器官颈卵器。颈卵器发生于成熟原叶体腹面分生组织的下方，位于中脉范围内。颈部由4列细胞组成，3～5层细胞高，直径约为40～45 μm(图版Ⅱ:16)。

2.3.6 毛状体

毛状体为单细胞，呈棒状，其中含有叶绿体，高约8～10 μm。在片状体前端4～5个细胞宽时即出现。毛状体在原叶体边缘分布稀疏，数量较少。毛状体基部与原叶体相连的边缘细胞不向外突出(图版Ⅱ:17)。

2.3.7 假根

假根的基本特征同棕鳞耳蕨，次生假根直而长，不含叶绿体，壁呈淡棕色(图版Ⅱ:11，13，15)。

3 讨论

通过本文观察发现，棕鳞耳蕨的孢子萌发时间、萌发类型、丝状体、毛状体形态和原叶体发育类型等特征与王全喜等[8]的研究相一致。但本文观察棕鳞耳蕨孢子具脊状纹饰、毛状体最早出现在丝状体阶段、成熟原叶体边缘的毛状体紧密且明显，与王全喜等[4,8]研究显示的孢子具窗孔状纹饰、毛状体最早在片状体前端宽至10余个细胞时出现、成熟原叶体边缘毛状体稀疏且不明显等有差异。分析原因可能为：①关于孢子纹饰的描述，在光学显微镜下观察孢子具明显的脊状纹饰，而扫描电子显微镜下才能看到脊状纹饰表面具有窗孔状纹饰，所以本文认为脊状纹饰为棕鳞耳蕨孢子的主要纹饰，窗孔为次级纹饰；②对于毛状体的差异，本文认为前人对毛状体出现时间的观察不够详尽。棕鳞耳蕨毛状体的最早出现时间分三种情况，分别是丝状体时期、片状体时期及幼原叶体时期；③对于毛状体的描述，本文认为毛状体的形态特征比较稳定，但毛状体的数量可能受环境影响而不稳定。本文观察鞭叶蕨孢子具翅状褶皱纹饰，与卢金梅等[5]研究显示孢子具颗粒状纹饰有差异。在光学显微镜下观察孢子具明显的翅状纹饰，而扫描电子显微镜下才能看到其表面具有颗粒状纹饰。所以，本文认为翅状纹饰为鞭叶蕨孢子的主要纹饰，颗粒为次级纹饰。

棕鳞耳蕨、黑足鳞毛蕨和鞭叶蕨的孢子均具复杂纹饰、萌发速度快、孢子萌发类型为书带蕨型、原叶体成熟迅速、原叶体表面及边缘都可产生毛状体、精子器具有3个壁细胞(盖细胞、环细胞、基细胞)、颈卵器较短且颈部为3～5层细胞高、原叶体发育类型为三叉蕨型等。因此，这3种植物在孢子形态和配子体发育方面表现出进化的特征[24]。

结合本文和已有研究[3～5,8～10,12～15,18,21,23]，耳蕨属、鳞毛蕨属和鞭叶蕨属的孢子萌发类型均为书带蕨型、配子体发育类型均为三叉蕨型、成熟原叶体均是对称的心脏形、精子器均由3个壁细胞组成、颈卵器颈部较短且均为3～6层细胞高；但3属间在孢子颜色、孢子纹饰、萌发时间、丝状体长度、片状体形态、毛状体出现时间和形态及腺体分泌物是否脱落、假根等方面存在差异，并且这些差异出现属间交叉现象。因此，孢子形态和配子体发育特征不能作为区分耳蕨属、鳞毛蕨属和鞭叶蕨属的形态依据。

1.中国科学院中国植物志编委会.中国植物志5卷1册[M].北京:科学出版社,2000.

2.Atkinson L R.The gametophyte and family relationships[M].New York:Academic Press,1973.

3.中国科学院北京植物研究所古植物研究室孢粉组.中国蕨类植物孢子形态[M].北京:科学出版社,1976.

4.王全喜,戴锡玲.中国水龙骨目(真蕨目)植物孢子形态的研究[M].北京:科学出版社,2010.

5.卢金梅,李德铢,吴丁.鳞毛蕨科的孢子形态研究[J].云南植物研究,2007,29(4):397-408.

6.刘家熙,李学东,陈阜东.北京鳞毛蕨属孢子形态研究[J].首都师范大学学报:自然科学版,1997,18(3):82-84.

7.张玉菊,刘拥军,周新茂,等.云南复叶耳蕨属植物孢子形态研究[J].西北植物学报,2012,32(11):2215-2223.

8.王全喜,邵成文,曹建国,等.东北蕨类植物配子体发育的研究Ⅺ.鳞毛蕨科[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,1995,4(11):83-89.

9.曾汉元,丁炳扬.蕨类植物配子体发育的研究[J].植物研究,2003,23(2):154-158.

10.Guo Z Y,Liu H M.Gametophyte Morphology and Development of Three Species ofCyrtogonellumChing(Dryopteridaceae) [J].American Fern Journal,2013,103(3):153-165.

11.郭治友,刘红梅,张宪春,等.粗齿黔蕨配子体发育的研究[J].热带亚热带植物学报,2010,18(1):54-58.

12.张开梅,石雷,张宪春.三角鳞毛蕨配子体发育的研究[J].武汉植物学研究,2005,23(3):276-279.

13.黄庆阳,肖自添,常缨.香鳞毛蕨配子体发育的研究[J].植物研究,2006,26(3):266-269.

14.罗顺元,王任翔,麻维华.红盖鳞毛蕨配子体的发育[J].广西师范大学学报:自然科学版,2007,25(3):105-108.

15.欧阳婵娟,唐源江,王瑞江.变异鳞毛蕨的孢子培养与配子体发育研究[J].热带亚热带植物学报,2008,16(4):344-349.

16.Choo T Y S,Matos F B,Moran R C.The Gametophytes and Young Sporophytes ofElaphoglossumdecursivum(Dryopteridaceae) in Costa Rica[J].American Fern Journal,2014,104(2):49-57.

17.Mendoza A,Riba R.Comparative Research of Gametophytes ofOlfersiaalataandOlfersiacervina(Dryopteridaceae)[J].American Fern Journal,2002,92(3):229-238.

18.Momose S.Prothallia of the Japanese ferns[M].University of Tokyo Press,1967.

19.中国科学院中国植物志编委会.中国植物志5卷2册[M].北京:科学出版社,2001.

20.浙江植物志编辑委员会.浙江植物志1卷[M].杭州:浙江科学技术出版社,1993.

21.Chandra P,Nayar B K.Morphology of some polystichoid ferns:Ⅰ.The gametophytes ofArachniodes,CyrtomiumandPolystichum[J].Bot J Linn Soc,1970,63:265-276.

22.包文美,敖志文,陈发生.东北蕨类植物配子体发育的研究I.水龙骨科[J].植物研究,1985,5(4):101-114.

23.Nayar B K,Kaur S.Gametophytes of homosporous ferns[J].Botanical Review,1971,37(3):295-396.

24.吴兆洪,秦仁昌.中国蕨类植物科属志[M].北京:科学出版社,1991.

图版Ⅰ 1～14.棕鳞耳蕨配子体的发育:1.孢子，2.孢子萌发，3～4.丝状体，5～7.片状体，8.幼原叶体，9.成熟原叶体，10.精子器，11.颈卵器，12～13.毛状体，14.假根；15～19.黑足鳞毛蕨配子体的发育:15.孢子；16.孢子萌发；17～18.丝状体；19.片状体PlateⅠ 1-14.Gametophyte development of P.polyblepharum:1.Spore,2.Spore germination,3-4.Protonema,5-7.Plate,8.Young prothallus,9.Mature prothallus,10.Antheridium,11.Archegonium,12-13.Hairs,14.Rhizoids; 15-19.Gametophyte development of D.fuscipes:15.Spore,16.Spore germination,17-18.Protonema,19.Plate

图版Ⅱ 1～8.黑足鳞毛蕨配子体的发育:1～2.幼原叶体,3.成熟原叶体,4.精子器,5.颈卵器,6.毛状体,7～8.假根；9～17.鞭叶蕨配子体的发育:9.孢子,10.丝状体,11～12.片状体,13～14.幼原叶体,15.成熟原叶体,16.颈卵器,17.毛状体PlateⅡ 1-8.Gametophyte development of D.fuscipes:1.Plate,2.Young prothallus,3.Mature prothallus,4.Antheridium,5.Archegonium,6.Hairs,7-8.Rhizoids; 9-17.Gametophyte development of C.lepidocaulon:9.Spore,10-11.Protonema,12.Plate,13-14.Young prothallus,15.Mature prothallus,16.Archegonium,17.Hairs

GametophyteDevelopmentofThreeSpeciesofDryopteridaceae

LI Yi-Chen QI Jing ZHENG Shu-Yi ZHANG Jian-Feng DAI Xi-Ling*

(Life and Environment Science College,Shanghai Normal University,Shanghai 200234)

We observed the spore germination and gametophyte development of three species ofPolystichumpolyblepharum,DryopterisfuscipesandCyrtomidictyumlepidocaulonbelonging to Dryopteridaceae by using light microscopy, and recorded the characteristics of gametophytes of different development stages. The spores of three species are monolete; the germination is centripetal-type and the gametophyte development is aspidium-type; sex organs are of the type of leptosporangiate; mature gametophytes are cordate with hairs; differences among three species include spore color, spore ornamentation, germination time, filament length, plate shape, hairs, and rhizoids. These characteristics are overlapping between the three genera. Therefore, spore morphology and development of gametophyte can’t be the evidences distinguishing the three generaPolystichum,DryopterisandCyrtomidictyum.

Dryopteridaceae；Polystichumpolyblepharum；Dryopterisfuscipes；Cyrtomidictyumlepidocaulon；gametophyte development

上海市自然科学基金(15ZR1430500)；上海市教育委员会大学生创新项目(B-9117-13-007065)

李懿宸(1992—)，女，硕士研究生，主要从事蕨类植物研究。

* 通信作者：E-mail:daixiling2010@shnu.edu.cn

2015-07-08

S682.35

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.03.003