南瓜花粉发育解剖观察【库百科养殖网】

南瓜花粉发育解剖观察

摘 要： 为了解南瓜花粉发育的特点，对南瓜不同发育阶段的花药进行显微观察。结果表明，（1）南瓜成熟花粉含一个生殖细胞和一个营养细胞，为二细胞型花粉。（2）成熟花粉的营养细胞积累大量淀粉粒，故南瓜花粉为淀粉型花粉。（3）生殖细胞在与花粉壁相连时期呈凸透镜形，有细胞壁，进入营养细胞内部后变为球形，花粉成熟时延伸为纺锤形，细胞壁消失。（4）花粉壁有大量基粒棒和刺，不具覆盖层。关键词： 南瓜； 花粉； 淀粉； 发育科技工作者对被子植物花粉发育基本过程已经相当清楚，花药内分化出小孢子母细胞，母细胞减数分裂产生四分体小孢子，小孢子进行有丝分裂产生一个生殖细胞和一个营养细胞，生殖细胞有丝分裂产生两个精细胞[1]。虽然不同被子植物拥有相同的花粉发育基本途径，但花粉发育的一些细节因植物种类而有明显不同，例如，有些植物开花时花粉是二细胞的，而另一些植物开花时花粉是三细胞的[2]；成熟花粉所含贮藏物质在有些植物中是淀粉粒，另一些植物中是脂滴；生殖细胞的细胞壁退化时期和花粉壁的结构也因植物而异[1]，在很多植物中这些具体细节都有待进一步研究。瓜类作物胚胎学和生殖生物学已有很多研究[3-13]，但关于南瓜花粉发育过程中贮藏物质积累规律、生殖细胞形态变化模式、花粉壁表面纹饰以及成熟花粉发育水平等还鲜有报道。为详细了解南瓜花粉中淀粉的积累、生殖细胞的形状变化、生殖细胞的细胞壁发育、花粉壁的表面结构特征以及成熟花粉是二细胞还是三细胞类型，采用塑料制片技术对不同发育时期的南瓜花粉进行研究，为被子植物胚胎学增添资料，也为南瓜育种工作提供参考。1 材料与方法供试材料为“曲阜吊南瓜”（Cucurbita moschata Duoh. ‘Qufudiaonangua’）。采集不同发育时期的花药与成熟花粉，用2% 戊二醛和1%四氧化锇各固定2 h，梯度酒精脱水，环氧树脂包埋，Leica切片机切片，切片厚度1 μm。切片用甲苯胺蓝和高碘酸 希夫试剂染色，光学显微镜下观察并照相。2 结果与分析南瓜花药内分化出花粉母细胞，花粉母细胞比周围细胞大，含液泡（图版-A，见彩插34版）。之后，液泡变小（图版-B），减数分裂开始后液泡消失（图版-C）。花粉母细胞减数分裂伴随着胼胝质壁发育（图版-C-E）。相邻母细胞之间有直径1 μm左右的胞质通道（图版-D）。经过减数分裂，1个花粉母细胞产生4个小孢子，包藏在共同的胼胝壁中形成四分体（图版-F-G）。四分体间的纤维素壁和胼胝质壁解体后，小孢子游离于药室中（图版-H-I）。小孢子有丝分裂产生1个小的生殖细胞和一个大的营养细胞，形成二细胞花粉。刚产生的生殖细胞贴着花粉壁，凸透镜形，含液泡，有细胞壁（图版-K-L）。以后生殖细胞脱离花粉壁进入营养细胞内部，并向营养核靠近，变成球形，细胞壁消失（图版-M）。随着花粉发育成熟，生殖细胞延伸为梭形（图版-N-O）。开花期，花粉只含1个生殖细胞和1个营养细胞，为二细胞型花粉（图版-N-O）。成熟花粉球形，直径0.15 mm左右（图版-N）。小孢子母细胞、四分体小孢子和游离小孢子均不含淀粉粒 （图版-A-J），但小孢子核周围有大量质体（图版-I）。二细胞花粉时期，生殖细胞不含淀粉粒，而营养细胞积累大量淀粉粒（图版-K，M，O），因而南瓜花粉为淀粉质花粉。小孢子时期，花粉粒已经具备完整的花粉壁。花粉壁由透光性很差的孢粉素外壁和透光性较强的内壁构成。外壁有刺，刺与刺之间有大量较细的基粒棒（图版-J）。壁表面没有覆盖层。南瓜雌雄异花，具有聚药雄蕊，5枚雄蕊花药联合而呈棒状花药柱（图版-P-U），但花丝分3体，4枚花丝两两联合形成2体，1枚花丝单独成为一体。花丝相对很短，花药相对较长，发生3次折叠。花药柱长度和颜色与花粉发育阶段的关系如表1。花药柱短于1 mm、呈白色或无色时（图版-P），花粉发育处于花粉母细胞阶段；花药柱长1 mm、呈乳白色时（图版-Q），花粉发育处于四分体阶段； 花药柱呈微黄色、长度3 mm时（图版-R），花粉发育处于游离小孢子阶段；花药柱浅黄色、长度5 mm时（图版-S），花粉发育处于二细胞花粉早期，生殖细胞从贴着花粉壁的位置向营养细胞内部转移，有细胞壁；花药柱黄色、长度9 mm时（图版-T），花粉发育处于二细胞花粉中期，生殖细胞向营养核靠近，细胞壁消失；花药柱深黄色、长17 mm时（图版-U），花粉成熟，生殖细胞呈梭形。3 讨 论花粉在发育过程中积累淀粉和脂类贮藏物质，为花粉管萌发和生长储备营养物质和能量。南瓜成熟花粉的贮藏物质以淀粉为主，属于淀粉质花粉类型。这与另一种瓜类作物西瓜明显不同，西瓜成熟花粉的贮藏物质以脂类物质为主[5-6， 14]，属于脂质花粉类型。南瓜与西瓜成熟花粉积累不同形式的贮藏物质，表明葫芦科是淀粉质花粉类型植物与脂质花粉类型植物的混合群体。考虑到南瓜成熟花粉粒直径约150 μm，而西瓜成熟花粉粒直径约60 μm，相差悬殊，猜测花粉粒积累贮藏物质的类型可能与花粉粒的大小相关，大型花粉粒倾向于积累淀粉，小型花粉粒倾向于积累脂类物质。这种选择可能与淀粉和脂肪所含能量的差异有关，相同质量的脂类在细胞内氧化所释放的能量约为淀粉的二倍，小型花粉积累脂类物质有利于在较小的空间内贮藏较多能量。但要得出准确的结论，还需要对其他瓜类植物的花粉进行观察。南瓜生殖细胞产生后贴着花粉壁，呈凸透镜形，有细胞壁；进入营养细胞内部以后逐渐变成球形，细胞壁消失；花粉成熟时变成纺锤形。南瓜生殖细胞的这一变化模式与西瓜[5-7， 14]生殖细胞完全相同，显示其在瓜类作物中有一定的共性。小孢子有丝分裂产生的大小悬殊的生殖细胞和营养细胞具有不同功能，生殖细胞未来产生精子，营养细胞则为受精的实现积累必需的物质与能量。生殖细胞一开始有细胞壁，形成与营养细胞之间的隔离，这有利于两个细胞沿不同的方向分化。当生殖细胞进入营养细胞内部，两者分化基本完成，这时细胞壁消失有助于两细胞密切交流。生殖细胞不积累贮藏物质，需要从营养细胞获取供应，细胞壁消失有利于两细胞之间的运输。根据开花时生殖细胞是否完成有丝分裂产生2个精子，可将花粉分为二细胞花粉和三细胞花粉2种类型[2]：开花时生殖细胞不分裂，花粉含2个生殖细胞和2个营养细胞，这样的花粉为二细胞花粉，相应地，具二细胞型花粉的植物为二细胞花粉植物；开花时生殖细胞分裂产生2个精细胞，这样的花含有3个细胞，为三细胞花粉，具三细胞花粉的植物为三细胞花粉植物。本研究表明，南瓜成熟花粉含有生殖细胞和营养细胞，为二细胞型花粉，南瓜为二细胞花粉植物。其他葫芦科植物，如西瓜[5-6， 14]、甜瓜[11]、苦瓜[2]、罗汉果[15]，也都是二细胞花粉植物，这显示二细胞花粉是葫芦科植物的共同特征。花粉壁可分为内壁和外壁，内壁由多糖成分构成，外壁由孢粉素构成，孢粉素是脂肪酸、酚和类胡萝卜素的复合物。外壁又可分为不连续的外层和连续的内层，外层变化很大，形成花粉粒网状、刺状和疣状等不同的表面特征[1]。南瓜花粉外壁外层由基粒棒和刺构成，赋予花粉刺状表面特征，这与西瓜花粉不同，西瓜花粉外壁外层由基粒棒和网状覆盖层构成，没有刺，因而花粉表面具有网状结构[16]。显然，葫芦科植物具有不同的花粉壁结构，花粉壁的结构与花粉粒的大小是否存在联系，还需要对其他瓜类植物花粉进行观察。参考文献[1] 胡适宜. 被子植物胚胎学[M]. 北京： 高等教育出版社，1984： 38-66.[2] Brewbaker J L. The distribution and phylogenetic significance of binucleate and trinucleate pollen grains in the angiosperms[J]. American Journal of Botany，1967，54： 1069-1083.[3] Deshpande P K，Bhuskute S M，Makde K H. Microsporogenesis and male gametophyte in some cucurbitaceae[J]. Phytomorphology，1986，36（1-2）： 146-150.[4] 李树贤，陆新德.西瓜小孢子囊发育及雄配子体发生的观察[J]. 西北植物学报，1992，12（1）： 79-82.[5] 刘 林，许秋生，张再君，等. 西瓜小孢子发育过程中几种细胞器的变化[J]. 武汉植物学研究，2000，18（4）： 266-270.[6] 刘 林，张恒悦，范树国，等. 西瓜绒毡层和花粉发育的进一步观察[J]. 武汉植物学研究，2000，18（2）： 85-90.[7] 刘 林，李淑兰. 西瓜生殖细胞向圆球形变化的超微结构研究[J]. 武汉植物学研究，2003，21（4）： 281-287.[8] 王 萍，赵清岩，王若菁，等. 籽用南瓜种子成熟过程中主要营养成分的变化[J]. 园艺学报，2001，28（1）： 47-51.[9] 曹清河，陈劲枫，钱春桃，等. 黄瓜花粉母细胞减数分裂及其雄配子体发育的细胞学研究[J]. 西北植物学报，2004，24（9）： 1721-1726.[10] 彭 杰，申家恒，刘小意，等. 苦瓜胚胎学研究[J]. 武汉植物学研究， 2004，22（1）： 8-14.[11] 谢 冰，王秀峰，樊治成. 西葫芦未受精胚珠离体培养条件的优化及胚囊植株的产生[J]. 中国农业科学，2006，39（1）： 132-138.[12] 张永兵，陈劲枫，伊鸿平，等. 甜瓜花粉母细胞减数分裂及雄配子体的细胞学研究[J]. 西北植物学报，2011，31（3）： 0446-0450.[13] Liu L. Ultrastructural study on dynamics of plastids and mitochondria during microgametogenesis in watermelon[J]. Micron，2012，43（2/3）： 412-417.[14] 刘 林，员冬梅，张松焕，等. 西瓜成熟花粉的超微结构[J]. 果树学报，2007，24（3）： 385-388.[15] 张振珏，莫晓旭，钱南芬. 罗汉果大小孢子发生与雌雄配子体发育[J]. 植物学报，1990，32（2）： 157-159.[16] 刘 林. 西瓜花粉壁超微结构与花粉ATP酶细胞化学定位[J]. 植物学通报，2002，19（5）： 588-594.