吉志超,李祖任,高凱悅,張依楠,廖海民
(貴州大學 生命科學學院,貴州 貴陽550025)
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云煙87大小孢子形成和雌雄配子體發(fā)育觀察
吉志超,李祖任,高凱悅,張依楠,廖海民*
(貴州大學 生命科學學院,貴州 貴陽550025)
采取不同發(fā)育階段烤煙云煙87的花器官,采用常規(guī)石蠟切片法對其解剖結構進行研究。結果表明:烤煙云煙87花藥壁發(fā)育類型為基本型,分化完全的花藥壁由表皮、纖維層、中層和絨氈層構成,后者為腺質型絨氈層類型。小孢子母細胞減數(shù)分裂類型為同時型,四分體呈四面體型和十字交叉型,成熟花粉粒為二細胞型。烤煙云煙87的胚珠為倒生胚珠,薄珠心,胚珠多數(shù);大孢子母細胞由孢原細胞直接生成,胚囊發(fā)育類型為蓼型。
云煙87;大孢子;小孢子;雄配子體;雌配子體
云煙87是以云煙2號(母本)和K326(父本)雜交選育而成,2000年12月經國家品種審定委員會審定[1],該品種結合了其母本和父本的優(yōu)點,具有抗病性強、品質高、烘烤較易且適宜廣泛種植等特點[2]。根據(jù)貴州省煙草公司數(shù)據(jù)資料,2015年貴州省烤煙主栽品種主要有四種:云煙87、K326、云煙85、南江3號,其中云煙87占40%,約80萬畝。目前,對云煙87的研究主要集中在栽培、烘烤和品種特征等方面[1-6],廖菊夠等[7]對迪勃納氏煙草大小孢子發(fā)生及雌雄配子發(fā)育過程進行觀察研究,尚未見有關云煙87的胚胎學方面的研究報道。
大小孢子形成和雌雄配子體發(fā)育是植物進行生殖繁育的重要階段,研究云煙87的配子體發(fā)育規(guī)律既可以了解其生殖生長進程,同時也為研究煙草雜交育種提供理論基礎。運用石蠟切片技術對云煙87大小孢子的發(fā)生和雌雄配子體的發(fā)育進行了研究,以期了解該物種的生殖和繁衍特性,研究結果將為控制花期,制定有效的田間栽培措施,以及煙草種質資源的保持和開發(fā)利用提供理論依據(jù)。
1.1實驗材料
烤煙云煙87,來源為清鎮(zhèn)市煙草公司現(xiàn)代煙草農業(yè)蘆荻基地單元。取云煙87處在盛花期大小不同的花蕾,將雌蕊和雄蕊分離出,置于50%FAA固定液中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2實驗方法
本實驗采用石蠟切片法[8]。經過乙醇濃度遞增脫水、二甲苯透明、浸蠟、包埋、切片(厚度8~10 μm)、番紅-固綠染色、中性樹膠封片等過程。再用Olympus DP26顯微鏡觀察并拍照。
2.1小孢子發(fā)生和雄配子體的形成
烤煙云煙87的花為兩性花,每朵花中包含5個雄蕊,每個花藥具4個花粉囊(圖1-1)。小孢子發(fā)生起始于雄蕊原基,由一群具有旺盛分裂能力的細胞構成。雄蕊原基細胞不斷分裂逐漸呈四棱形,在其四個角隅處分化產生核大、質濃的孢原細胞(圖1-2),孢原細胞進行平周分裂形成初生壁細胞和初生造孢細胞,緊貼表皮為初生壁細胞,其內方為初生造孢細胞(圖1-3)。
初生造孢細胞經多次有絲分裂形成小孢子母細胞,小孢子母細胞呈多邊形、體積較大、細胞核較為明顯(圖1-4)。小孢子母細胞經減數(shù)分裂形成小孢子,減數(shù)分裂的第一次分裂不產生細胞壁,其胞質分裂類型為同時型(圖1-6)。第二次分裂產生四個子細胞,在四個子核之間產生細胞壁,細胞質彼此分離。形成的4個小孢子聚集在一起,為四分體時期,四分體呈四面體型和十字交叉型,其中四面體型較多(圖1-7)。以后,四分體的胼胝質壁溶解,分離為四個小孢子(圖1-8)。剛被釋放出小孢子形狀不規(guī)則,體積較小,著色比較淺。之后小孢子的體積逐漸增大,呈圓形,表面具3個萌發(fā)溝(圖1-9)。剛開始小孢子早期細胞核位于細胞中央,為單核中央期(圖1-9),隨后由于中央大液泡形成,液泡把細胞核擠到了緊貼細胞壁的一側(圖1-10)。之后小孢子細胞發(fā)生一次不對稱的有絲分裂,進入雙核期,位于花粉粒中央的核為營養(yǎng)核,位于花粉粒貼近細胞壁位置的核為生殖核,因此烤煙云煙87的花粉粒屬于二細胞型花粉(圖1-11)。
初生壁細胞繼續(xù)進行多次垂周分裂和平周分裂形成多層細胞,這些細胞和位于最外層的表皮構成花藥壁。早期的花藥壁由外向內依次是:表皮、藥室內壁、中層、絨氈層(圖1-5)。
表皮位于最外層,為一層排列緊密的細胞構成,其外壁上具有角質膜,具有保護功能(圖1-5)。藥室內壁緊貼表皮,在中層之外,細胞較大,為一層細胞(圖1-5)。在花藥成熟時,藥室內壁細胞的內切向壁和徑向壁出現(xiàn)加厚,分化成纖維層(圖1-11)。在花粉囊的連接處則不形成纖維層,仍保持薄壁狀態(tài),以后此處開裂,花粉粒從此散出(圖1-12)。中層位于絨氈層和藥室內壁之間,由2層細胞構成,中層在小孢子發(fā)育過程中會逐漸解體(圖1-5)。位于花藥壁最內層的細胞為絨氈層,由一層體積較大且質濃厚的細胞構成。絨氈層的細胞具有分泌功能,對小孢子的發(fā)生有重要的作用。早期的絨氈層細胞是單核的,小孢子母細胞減數(shù)分裂時,絨氈層細胞活動開始活躍,細胞由單核變成兩核或多核(圖1-7),當減數(shù)分裂快結束時,也就是快到小孢子時期時,絨氈層開始出現(xiàn)退化(圖1-9),在小孢子發(fā)育的晚期,也就是花粉成熟時,絨氈層完全退化(圖1-12)。小孢子發(fā)生進程中,絨氈層細胞的原生質一直在其原位置,到花粉成熟時,細胞壁解體,細胞自溶,屬于腺質絨氈層類型。
2.2大孢子發(fā)生和雌配子的形成
烤煙云煙87子房由2個心皮合生成,2室,中軸胎座,倒生胚珠,多數(shù)胚珠(圖2-1,2)。在胚珠的珠孔端,表皮下面的一個細胞分化形成孢原細胞,其細胞的體積比周圍細胞大,質濃厚,核明顯,這個細胞不經過分裂直接成為大孢子母細胞(圖2-3,4)。大孢子母細胞在進行減數(shù)分裂形成大孢子前,細胞體積變大,細胞周圍被胼胝質包圍。
當大孢子母細胞體積增大到一定階段,即進行減數(shù)分裂,減數(shù)第一次分裂形成二分體(圖2-5),二分體繼續(xù)分裂,經減數(shù)第二次分裂形成四分體,四分體呈一字線排列(圖2-6,7)。4個大孢子中有3個退化,近合點端大孢子繼續(xù)發(fā)育為功能大孢子,此種胚囊發(fā)育類型為單孢子胚囊(圖2-8)。
功能大孢子的細胞核發(fā)生連續(xù)的3次有絲分裂。第一次有絲分裂形成二核胚囊(圖2-9),二核胚囊體積進一步增大,兩個細胞核分別移向珠孔端和合點端,第二次有絲分裂形成四核胚囊(圖2-10),第三次有絲分裂形成八核胚囊,此時在大孢子母細胞中的珠孔端和合點端分別具有四個核,之后這兩端分別有一個核向胚囊中央移動并相互靠攏,構成含有兩個核的中央細胞,剩下合點端的3個核形成3個反足細胞,珠孔端的3個細胞核形成3個卵器,包括2個助細胞和1個卵細胞,其中助細胞靠近珠孔,卵細胞靠近中央細胞。至此,一個含有7細胞8核的成熟胚囊形成(圖2-11,12)。
圖1 云煙87小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育
1.花橫切;2.孢原細胞出現(xiàn),箭頭示孢原細胞;3.花藥橫切,出現(xiàn)初生壁細胞和初生造孢細胞;4.小孢子母細胞時期;5.分化完全的花藥壁;6.小孢子母細胞減數(shù)分裂時期;7.四分體時期;8.四分體分離為四個小孢子,箭頭示四分體剛分離;9.小孢子具3個萌發(fā)溝;10.雙核期初始;11.二細胞型花粉;12.成熟花粉時期
PC.周緣細胞;SC.造孢細胞;MMC.小孢子母細胞;Ep.表皮;En.藥室內壁;MI.中層;Ta.絨氈層細胞;Ty.四分體
圖2 云煙87大孢子發(fā)生和雌配子體的形成
1.子房橫切;2.心皮縱切;3.孢原細胞時期,箭頭示孢原細胞;4.大孢子母細胞;5.二分體時期,箭頭示二分體;6.四分體早期,箭頭示四分體呈一字線排列;7.四分體晚期,箭頭示近合點端一個大孢子與其余三個大孢子分離;8.功能大孢子;9.二核胚囊;10.四核胚囊,箭頭示合點端和珠孔端分別具有兩個核;11.成熟胚囊,箭頭示卵器;12.成熟胚囊,示反足細胞、極核
Me.大孢子母細胞;OI.株被;EC.卵細胞;Sy.助細胞;PN.極核;AC.反足細胞
云煙87在小孢子發(fā)生過程中,小孢子母細胞減數(shù)分裂類型為同時型[9]。根據(jù)Davis[10]對被子植物花藥壁發(fā)育類型的劃分,云煙87的花藥壁發(fā)育屬于基本類型。在云煙87雄配子體形成過程中,小孢子依次經歷的過程為:四分體、單核中央期、單核靠邊期、雙核期,分化成熟的花粉為二細胞型花粉。成熟花粉粒的生殖細胞在花粉管中分裂形成2個精子, 這種花粉類型約占被子植物1/3[11]。 這與全雪麗[12]等對煙草吉煙9號品種小孢子的發(fā)育研究基本一致。這為煙草雜交育種及云煙87的單倍體育種研究提供依據(jù)。
云煙87的大孢子母細胞由珠心表皮下的孢原細胞直接形成,屬于薄珠心類型[9]。大孢子母細胞為單孢子胚囊型,70%被子植物的胚囊為該類型[13]。在雌配子體的形成過程中,單孢子胚囊中的未退化的大孢子發(fā)育為功能大孢子,功能大孢子經過3次連續(xù)的有絲分裂,形成7細胞8核胚囊,因此胚囊發(fā)育屬于蓼型胚囊。符合對茄科植物胚胎學特征的描述,只是與辣椒的7細胞7核胚囊[14]不同。通過對比云煙87大小孢子的發(fā)育時間,發(fā)現(xiàn)當雄蕊發(fā)育為四分體時,雌蕊開始發(fā)育。與廖菊夠[15]等對迪勃納氏煙草描述小孢子發(fā)育早于大孢子有所不同。
[1] 李永平,王穎寬,馬文廣,等. 烤煙新品種云煙87的選育及特征特性[J]. 中國煙草科學,2001(4): 38-42.
[2] 張麗,姬厚偉,黃錫娟,等. 貴州煙區(qū)烤煙品種云煙87主要化學成分特征分析[J]. 安徽農業(yè)科學,2015,43(20): 288-290,399.
[3] 賈宏昉,尹貴寧,黃化剛,等. 低磷脅迫對云煙87糖代謝及營養(yǎng)元素吸收的影響機理初探[J]. 中國農業(yè)科技導報,2014,16,(3): 36-41.
[4] 范才銀,曾惠宇,林志,等. K326和云煙87在湘南煙區(qū)農藝特性及產量差異性研究[J]. 湖南農業(yè)科學,2012,(13): 33-35.
[5] 丁雪丹,肖玉,周紫燕,等. 干旱對云煙87和K326的農藝性狀影響研究[J]. 江西農業(yè)大學學報,2012,34(5): 893-898.
[6] 龔婷,查宏波,魏世強,等. 不同光質處理對云煙87生長及品質的影響[J]. 西南大學學報,2013,35(1): 29-34.
[7] 廖菊夠,康洪梅,代瑾然,等. 煙草大小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育研究[J]. 西北植物學報,2013,33(1): 11-16.
[8] 李祖仁,胡楠,楊吉剛,等. 繁縷和鵝腸菜的花維管系統(tǒng)比較解剖學研究及其系統(tǒng)學意義[J]. 植物科學學報,2013,31(6): 525-532.
[9] 胡適宜. 被子植物胚胎學[M]. 北京: 高等教育出版社,1985: 75.
[10] Davis G L. Systematic embryo logy of the angiosperms john wiley and sons[M]. Inc. New York,London: Sydney,1966:267-268.
[11] 胡適宜,楊弘遠. 被子植物受精生物學[M]. 北京科學出版社,2002: 54-60.
[12] 全雪麗,李虎林,具紅光,等. 煙草吉煙9號品種小孢子發(fā)育時期與花器官形態(tài)的相關性[J]. 煙草科技,2014,(10):75-78.
[13] 胡正海. 植物解剖學[M]. 北京: 高等教育出版社,2010: 289-294.
[14] 申家恒,李偉,楊虹,等. 辣椒大小孢子發(fā)生與雌雄配子體發(fā)育的研究[J]. 園藝學報,2007,34(6): 1443-1452.
[15] 廖菊夠,康洪梅,代瑾然,等. 煙草大小孢子發(fā)生和雌雄配子體發(fā)育研究[J]. 西北植物學報,2013,33(1): 11-16.
The Megasporogenesis and Microsporogensis of Flue-cured Tobaccovar. Yunyan87 and Its Male and Female Gametophyte Formation
JIZhi-chao,LIZu-ren,GAOKai-yue,ZHANGYi-nan,LIAOHai-min*
(CollegeofLifeSciences,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)
Anatomical structure of the floral organ of Flue-cured tobacco var. Yunyan 87 at different development stage was studied by common plant paraffin section. The results showed that,the anther wall wasdefined as basis development type,which contained glandulartapetummiddle layer,endotheca and epidermis. The meiosis of microspore mother cells was the simultaneous type,the tetrad arranged as tetrahedral or decussate tetrad. The mature pollens belong to 2-cell type.The ovule of Flue-cured tobacco var. Yunyan 87 wasanatropous,thin nucellus and numerous. The megaspore mother cell wasdeveloped from the archesporial cell and the megaspore at the chalazal end developed into the polygonum type embryosac.
Yunyan87;Megaspore;Microspore;Femalegametophyte;Male gametophyte
1008-0457(2016)03-0039-05國際DOI編碼:10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.03.007
2016-03-04;修回日期:2016-04-08
貴陽市現(xiàn)代農業(yè)與農村科技計劃(2013筑科合同[2013102]4-6號)。
廖海民(1965-),男,博士,教授,主要研究方向:植物分類及形態(tài)解剖學研究;E-mail: lhaimin@163.com。
Q944.5
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