木莲属濒危植物胚胎学研究进展

熊海燕

(长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

木莲属濒危植物胚胎学研究进展

熊海燕

(长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

木莲属(Manglietia)濒危植物的胚胎学研究主要涉及雌雄配子体的发育、传粉与受精作用、胚及胚乳的发育以及种子的形成、属内外杂交亲和性等。综述了木莲属濒危植物的一般胚胎学过程及杂交胚胎学的研究成果，并对木莲属濒危植物生殖细胞工程和基因工程等研究领域进行展望。

木莲属(Manglietia)；濒危种；胚胎学；综述

木莲属(Manglietia)隶属于木兰科(Magnoliaceae)，全世界有30种，我国有21种，主要分布于喜马拉雅、华南及马来西亚[1]。木兰科多数种为孑遗植物，其生存受到严重威胁，木莲属是木兰科植物中最原始的类型，原产我国的21种中有8种属珍稀濒危植物[2]，具体为巴东木莲(M.patungensis)、红花木莲(M.insignis)、香木莲(M.aromatica)、落叶木莲(M.decidua)、大叶木莲(M.megaphylla)、大果木莲(M.grandis)、厚叶木莲(M.pachyphylla)、毛果木莲(M.hebecarpa)。有关木莲属濒危植物的胚胎学研究不多，研究内容主要涉及到花部形态结构、雌雄配子体的发育、杂交亲和性、种子贮藏与萌发以及组织培养等。笔者对近年来几种木莲属濒危植物的胚胎学研究进展进行了综述。

1 花部形态结构

木莲属植物花两性，顶生、单生，花被片通常为9枚，每轮3片，大小近等，外轮3片常常较薄而坚；花药线形，开裂，花丝短，药隔伸出，雄蕊群与雌蕊群相连接；雌蕊群无柄；心皮多数，腹面与花托愈合，背面通常有1条或数条纵沟纹，呈螺旋状排列，每个心皮具有胚珠4颗或更多[3]。

2 一般胚胎学特征

2.1 小孢子和雄配子体发育

木莲属植物的小孢子和雄配子体的发生发育和大多数被子植物的发育特征基本一致。由花药分化产生初生造孢细胞，分裂发育产生次生造孢细胞，继续发育形成小孢子母细胞，小孢子母细胞的细胞质浓缩、染色质凝聚，进入减数分裂时期，其减数分裂为修饰性同时型。完成第一次减数分裂后，细胞质发生缢裂，并不伴随细胞板的形成。完成第二次减数分裂后，细胞质再次发生缢裂，形成4个四分体小孢子。随后四分体小孢子逐渐形成各自的细胞壁，被共同的胼胝质壁包围。四分体小孢子的排列方式有交叉型、左右对称型和四面体型，偶有线型等。在这一时期，部分小孢子发生不同程度的变形。小孢子不断积累细胞物质，细胞核进行有丝分裂形成1个生殖核和1个营养核。随着雄配子体的发育，生殖核逐渐脱离花粉粒细胞壁，形成生殖细胞，游离在营养细胞的细胞质当中。木莲属的成熟花粉在散粉之前生殖细胞不发生有丝分裂，是二细胞性花粉粒[4～6]。

从木莲属植物花药早期的横切面观察，最外面是一层表皮，表皮里面是一团分生组织，花药继续生长发育，在其4个角隅的位置分化出孢原细胞。孢原细胞进行平周分裂，形成初生壁细胞和初生造孢细胞。继续发育形成成熟的小孢子母细胞即将分裂时，药室壁发育完全，形成表皮、药室内壁、中层和绒毡层。不同种的绒毡层层数有所不同：巴东木莲、落叶木莲的绒毡层只有1层细胞、香木莲的有1～2层、而红花木莲的绒毡层细胞有2～3层[4～7]。绒毡层的层数和木兰科其他属的植物相似，也是比较原始的植物类型[8～13]。

2.2 大孢子和雌配子体发育

木莲属植物胚珠倒生、双珠被、厚珠心。各种间每心皮所具胚珠数不等。胚珠的发育起始于胎座表皮下层的1个或者几个细胞，随后进行平周分裂，产生一团细胞，使得胎座的一定部位突起成为胚珠原基，原基的前端即为珠心。胚囊发育于珠心组织，珠被原基开始形成时，在靠近珠孔一端的表皮层下面发育出1个与周围不同的孢原细胞，经过有丝分裂可以形成造孢细胞和周缘细胞，由造孢细胞发育成大孢子母细胞；周缘细胞可继续进行垂周分裂或者平周分裂，形成珠心细胞[4，6]。被子植物的大孢子可分成单孢、双孢和四孢型3种主要类型。单孢型又称寥型，是指大孢子母细胞经过减数分裂形成的4个单倍体的大孢子，仅远离珠孔端的1个具有功能的大孢子继续发育，而其他3个相继程序性死亡，最终形成单细胞胚囊。木莲属濒危植物的胚囊发育形式为单孢寥型，具有寥型胚囊典型的七细胞结构。

3 有性生殖过程中的原始性状

木兰科植物心皮离生、雄蕊多数并且螺旋状排列、花粉单沟，一直被公认为较原始的植物类群，而木莲属又是木兰科中较原始的类群，其花全部为顶生[14]。

在花粉发育形成小孢子四分体的过程中，细胞质发生2次缢裂，并不伴随细胞板的产生，并且小孢子减数分裂的过程为修饰性同时型。一般认为同时型比较原始，而连续型较为进化。木莲属作为木兰科最为原始的属，它的花粉形成方式也较为原始。在雌配子体发育过程中，双珠被、厚珠心、以及胚囊为单孢寥型胚囊发育方式等特点也体现出木莲属的较为原始的胚胎学特征。

4 败育现象

木莲属濒危植物的雌雄配子体均出现不同程度的败育。红花木莲雌配子体受精前约79.1%的卵细胞及87.0%的卵器已经败育[15]。红花木莲花药发育早期，在次生造孢细胞、花粉母细胞以及减数分裂过程中均出现败育现象，其花粉萌发率仅为14.7%～25.3%[5]。大果木莲的花粉活力较低[16]。巴东木莲迟滞染色体和断片的发生频率高达29.3%，在减数分裂的过程中，染色体组出现染色体结构杂合变异、迟滞染色体以及染色体断裂频率高的异常现象也可能是影响其雄配子体发育的因素[17]。

5 传粉与受精

如果雌雄配子体的发育并无异常，植物能否成功结实还与植物的传粉、花粉萌发、受精以及胚胎的正常发育过程息息相关。大果木莲是虫媒传粉植物，除了虫媒传粉途径，还存在借助风媒传粉的途径。木莲属植物雌蕊成熟时，雄蕊群还被包在花被片内，阻挡了花粉的传播，限制了风媒传粉的作用。大果木莲的繁育系统主要为专性异交，其生殖可能受到花粉和资源的限制。花粉管进入发育正常的胚囊，却未必能成功完成受精作用，突变体可以引导花粉管的生长，然而助细胞却不降解，不能最终完成受精过程[18～20]。

6 种子的形成与贮藏

木莲属植物的种子出土发芽所需要的时间比含笑属的长，这与含笑属植物种子比木莲属种子的种皮薄有密切的关系[21]。尽管有些红花木莲生长良好，结籽率却较低，卵细胞是植物双受精形成合子的重要前体物质之一，卵细胞败育率高，是导致红花木莲结籽率较低的重要原因[15]。巴东木莲为有胚乳种子，在种子成熟时，形态上种胚芽端和根端分化，但胚发育不完全，种胚萌发还需要形态后熟的过程。巴东木莲的种子胚乳和种皮中都存在能抑制种子萌发的物质。因此，形态休眠和生理休眠的共同作用导致了巴东木莲种子的休眠。研究表明，一个长期的低温保湿过程，可以有效地促进巴东木莲种胚的形态后熟和种胚内物质的相互转化，巴东木莲自身的种子结构和自然条件下所处的环境抑制了种子的萌发[22]。巴东木莲种子在贮藏和萌发过程中的同工酶分析进一步验证，低温保湿贮藏的种子SOD、POD同工酶的表达明显高于在室温干燥环境下贮藏的种子[23]。

7 种间杂交的特征

木莲属属内表现出很高的杂交亲和性，红花木莲与川滇木莲、中缅木莲杂交都能得到正常的杂交种子，而红花木莲与山玉兰杂交苗长势差，最后死亡。红花木莲与云南含笑杂交、中缅木莲与广玉兰杂交能结实，但杂交种子不萌发。说明木莲属、木兰属及含笑属的两亚属之间杂交不亲和，表现出生殖隔离[24]。

8 展望

近年来，木莲属濒危植物的胚胎学研究取得了一些进展，对木莲属濒危植物的大小孢子的发生以及雌雄配子体的形成发育、传粉受精途径、胚胎的发生发育及种子的贮藏萌发、属内以及与木兰科其他属属间杂交的研究均取得了一定的成果。从胚胎学角度分析造成木莲属植物濒危的原因，可能与大小孢子生殖细胞发育的异常与败育、花粉活力及浓度较低、传粉条件差以及生殖生长进程缓慢、种子萌发的生物学特性等有关。目前关于木莲属濒危植物的研究大多停留在基础研究方面，仅巴东木莲有应用冬芽为外植体进行单芽苗培养和丛生芽诱导的报道[25]，虽然在试验中生根率不高，但为建立无性繁殖系统提供了参考，为挽救濒危植物的生存提供了新的思路。为了有效保护濒危物种，今后可以对木莲属濒危树种建立以分离性细胞为起点的实验操作系统，利用分离的性细胞开展有性生殖过程的细胞生物学研究，促进性细胞的发育，实现体外性细胞的培养与保存，以及生殖细胞的融合等。另外，从分子水平上研究木莲属濒危植物胚胎发生发育的机理，阐明控制胚胎发育的因素，并弄清与这些因素有关的信号调节系统，从而培育出生长良好并具有优良性状的个体。

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[编辑] 余文斌

2017-03-20

熊海燕(1983-)，女，硕士生，研究方向为园林植物与应用，328246689@qq.com。

Q949.74.1；Q945.5

A

1673-1409(2017)10-0043-03

[引著格式]熊海燕.木莲属濒危植物胚胎学研究进展[J].长江大学学报(自科版)，2017，14(10)：43～45,55.