熊海燕

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

木蓮屬瀕危植物胚胎學(xué)研究進展

熊海燕

(長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

木蓮屬(Manglietia)瀕危植物的胚胎學(xué)研究主要涉及雌雄配子體的發(fā)育、傳粉與受精作用、胚及胚乳的發(fā)育以及種子的形成、屬內(nèi)外雜交親和性等。綜述了木蓮屬瀕危植物的一般胚胎學(xué)過程及雜交胚胎學(xué)的研究成果，并對木蓮屬瀕危植物生殖細胞工程和基因工程等研究領(lǐng)域進行展望。

木蓮屬(Manglietia)；瀕危種；胚胎學(xué)；綜述

木蓮屬(Manglietia)隸屬于木蘭科(Magnoliaceae)，全世界有30種，我國有21種，主要分布于喜馬拉雅、華南及馬來西亞[1]。木蘭科多數(shù)種為孑遺植物，其生存受到嚴重威脅，木蓮屬是木蘭科植物中最原始的類型，原產(chǎn)我國的21種中有8種屬珍稀瀕危植物[2]，具體為巴東木蓮(M.patungensis)、紅花木蓮(M.insignis)、香木蓮(M.aromatica)、落葉木蓮(M.decidua)、大葉木蓮(M.megaphylla)、大果木蓮(M.grandis)、厚葉木蓮(M.pachyphylla)、毛果木蓮(M.hebecarpa)。有關(guān)木蓮屬瀕危植物的胚胎學(xué)研究不多，研究內(nèi)容主要涉及到花部形態(tài)結(jié)構(gòu)、雌雄配子體的發(fā)育、雜交親和性、種子貯藏與萌發(fā)以及組織培養(yǎng)等。筆者對近年來幾種木蓮屬瀕危植物的胚胎學(xué)研究進展進行了綜述。

1 花部形態(tài)結(jié)構(gòu)

木蓮屬植物花兩性，頂生、單生，花被片通常為9枚，每輪3片，大小近等，外輪3片常常較薄而堅；花藥線形，開裂，花絲短，藥隔伸出，雄蕊群與雌蕊群相連接；雌蕊群無柄；心皮多數(shù)，腹面與花托愈合，背面通常有1條或數(shù)條縱溝紋，呈螺旋狀排列，每個心皮具有胚珠4顆或更多[3]。

2 一般胚胎學(xué)特征

2.1 小孢子和雄配子體發(fā)育

木蓮屬植物的小孢子和雄配子體的發(fā)生發(fā)育和大多數(shù)被子植物的發(fā)育特征基本一致。由花藥分化產(chǎn)生初生造孢細胞，分裂發(fā)育產(chǎn)生次生造孢細胞，繼續(xù)發(fā)育形成小孢子母細胞，小孢子母細胞的細胞質(zhì)濃縮、染色質(zhì)凝聚，進入減數(shù)分裂時期，其減數(shù)分裂為修飾性同時型。完成第一次減數(shù)分裂后，細胞質(zhì)發(fā)生縊裂，并不伴隨細胞板的形成。完成第二次減數(shù)分裂后，細胞質(zhì)再次發(fā)生縊裂，形成4個四分體小孢子。隨后四分體小孢子逐漸形成各自的細胞壁，被共同的胼胝質(zhì)壁包圍。四分體小孢子的排列方式有交叉型、左右對稱型和四面體型，偶有線型等。在這一時期，部分小孢子發(fā)生不同程度的變形。小孢子不斷積累細胞物質(zhì)，細胞核進行有絲分裂形成1個生殖核和1個營養(yǎng)核。隨著雄配子體的發(fā)育，生殖核逐漸脫離花粉粒細胞壁，形成生殖細胞，游離在營養(yǎng)細胞的細胞質(zhì)當中。木蓮屬的成熟花粉在散粉之前生殖細胞不發(fā)生有絲分裂，是二細胞性花粉粒[4～6]。

從木蓮屬植物花藥早期的橫切面觀察，最外面是一層表皮，表皮里面是一團分生組織，花藥繼續(xù)生長發(fā)育，在其4個角隅的位置分化出孢原細胞。孢原細胞進行平周分裂，形成初生壁細胞和初生造孢細胞。繼續(xù)發(fā)育形成成熟的小孢子母細胞即將分裂時，藥室壁發(fā)育完全，形成表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層。不同種的絨氈層層數(shù)有所不同：巴東木蓮、落葉木蓮的絨氈層只有1層細胞、香木蓮的有1～2層、而紅花木蓮的絨氈層細胞有2～3層[4～7]。絨氈層的層數(shù)和木蘭科其他屬的植物相似，也是比較原始的植物類型[8～13]。

2.2 大孢子和雌配子體發(fā)育

木蓮屬植物胚珠倒生、雙珠被、厚珠心。各種間每心皮所具胚珠數(shù)不等。胚珠的發(fā)育起始于胎座表皮下層的1個或者幾個細胞，隨后進行平周分裂，產(chǎn)生一團細胞，使得胎座的一定部位突起成為胚珠原基，原基的前端即為珠心。胚囊發(fā)育于珠心組織，珠被原基開始形成時，在靠近珠孔一端的表皮層下面發(fā)育出1個與周圍不同的孢原細胞，經(jīng)過有絲分裂可以形成造孢細胞和周緣細胞，由造孢細胞發(fā)育成大孢子母細胞；周緣細胞可繼續(xù)進行垂周分裂或者平周分裂，形成珠心細胞[4，6]。被子植物的大孢子可分成單孢、雙孢和四孢型3種主要類型。單孢型又稱寥型，是指大孢子母細胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成的4個單倍體的大孢子，僅遠離珠孔端的1個具有功能的大孢子繼續(xù)發(fā)育，而其他3個相繼程序性死亡，最終形成單細胞胚囊。木蓮屬瀕危植物的胚囊發(fā)育形式為單孢寥型，具有寥型胚囊典型的七細胞結(jié)構(gòu)。

3 有性生殖過程中的原始性狀

木蘭科植物心皮離生、雄蕊多數(shù)并且螺旋狀排列、花粉單溝，一直被公認為較原始的植物類群，而木蓮屬又是木蘭科中較原始的類群，其花全部為頂生[14]。

在花粉發(fā)育形成小孢子四分體的過程中，細胞質(zhì)發(fā)生2次縊裂，并不伴隨細胞板的產(chǎn)生，并且小孢子減數(shù)分裂的過程為修飾性同時型。一般認為同時型比較原始，而連續(xù)型較為進化。木蓮屬作為木蘭科最為原始的屬，它的花粉形成方式也較為原始。在雌配子體發(fā)育過程中，雙珠被、厚珠心、以及胚囊為單孢寥型胚囊發(fā)育方式等特點也體現(xiàn)出木蓮屬的較為原始的胚胎學(xué)特征。

4 敗育現(xiàn)象

木蓮屬瀕危植物的雌雄配子體均出現(xiàn)不同程度的敗育。紅花木蓮雌配子體受精前約79.1%的卵細胞及87.0%的卵器已經(jīng)敗育[15]。紅花木蓮花藥發(fā)育早期，在次生造孢細胞、花粉母細胞以及減數(shù)分裂過程中均出現(xiàn)敗育現(xiàn)象，其花粉萌發(fā)率僅為14.7%～25.3%[5]。大果木蓮的花粉活力較低[16]。巴東木蓮遲滯染色體和斷片的發(fā)生頻率高達29.3%，在減數(shù)分裂的過程中，染色體組出現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)雜合變異、遲滯染色體以及染色體斷裂頻率高的異?，F(xiàn)象也可能是影響其雄配子體發(fā)育的因素[17]。

5 傳粉與受精

如果雌雄配子體的發(fā)育并無異常，植物能否成功結(jié)實還與植物的傳粉、花粉萌發(fā)、受精以及胚胎的正常發(fā)育過程息息相關(guān)。大果木蓮是蟲媒傳粉植物，除了蟲媒傳粉途徑，還存在借助風(fēng)媒傳粉的途徑。木蓮屬植物雌蕊成熟時，雄蕊群還被包在花被片內(nèi)，阻擋了花粉的傳播，限制了風(fēng)媒傳粉的作用。大果木蓮的繁育系統(tǒng)主要為專性異交，其生殖可能受到花粉和資源的限制。花粉管進入發(fā)育正常的胚囊，卻未必能成功完成受精作用，突變體可以引導(dǎo)花粉管的生長，然而助細胞卻不降解，不能最終完成受精過程[18～20]。

6 種子的形成與貯藏

木蓮屬植物的種子出土發(fā)芽所需要的時間比含笑屬的長，這與含笑屬植物種子比木蓮屬種子的種皮薄有密切的關(guān)系[21]。盡管有些紅花木蓮生長良好，結(jié)籽率卻較低，卵細胞是植物雙受精形成合子的重要前體物質(zhì)之一，卵細胞敗育率高，是導(dǎo)致紅花木蓮結(jié)籽率較低的重要原因[15]。巴東木蓮為有胚乳種子，在種子成熟時，形態(tài)上種胚芽端和根端分化，但胚發(fā)育不完全，種胚萌發(fā)還需要形態(tài)后熟的過程。巴東木蓮的種子胚乳和種皮中都存在能抑制種子萌發(fā)的物質(zhì)。因此，形態(tài)休眠和生理休眠的共同作用導(dǎo)致了巴東木蓮種子的休眠。研究表明，一個長期的低溫保濕過程，可以有效地促進巴東木蓮種胚的形態(tài)后熟和種胚內(nèi)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，巴東木蓮自身的種子結(jié)構(gòu)和自然條件下所處的環(huán)境抑制了種子的萌發(fā)[22]。巴東木蓮種子在貯藏和萌發(fā)過程中的同工酶分析進一步驗證，低溫保濕貯藏的種子SOD、POD同工酶的表達明顯高于在室溫干燥環(huán)境下貯藏的種子[23]。

7 種間雜交的特征

木蓮屬屬內(nèi)表現(xiàn)出很高的雜交親和性，紅花木蓮與川滇木蓮、中緬木蓮雜交都能得到正常的雜交種子，而紅花木蓮與山玉蘭雜交苗長勢差，最后死亡。紅花木蓮與云南含笑雜交、中緬木蓮與廣玉蘭雜交能結(jié)實，但雜交種子不萌發(fā)。說明木蓮屬、木蘭屬及含笑屬的兩亞屬之間雜交不親和，表現(xiàn)出生殖隔離[24]。

8 展望

近年來，木蓮屬瀕危植物的胚胎學(xué)研究取得了一些進展，對木蓮屬瀕危植物的大小孢子的發(fā)生以及雌雄配子體的形成發(fā)育、傳粉受精途徑、胚胎的發(fā)生發(fā)育及種子的貯藏萌發(fā)、屬內(nèi)以及與木蘭科其他屬屬間雜交的研究均取得了一定的成果。從胚胎學(xué)角度分析造成木蓮屬植物瀕危的原因，可能與大小孢子生殖細胞發(fā)育的異常與敗育、花粉活力及濃度較低、傳粉條件差以及生殖生長進程緩慢、種子萌發(fā)的生物學(xué)特性等有關(guān)。目前關(guān)于木蓮屬瀕危植物的研究大多停留在基礎(chǔ)研究方面，僅巴東木蓮有應(yīng)用冬芽為外植體進行單芽苗培養(yǎng)和叢生芽誘導(dǎo)的報道[25]，雖然在試驗中生根率不高，但為建立無性繁殖系統(tǒng)提供了參考，為挽救瀕危植物的生存提供了新的思路。為了有效保護瀕危物種，今后可以對木蓮屬瀕危樹種建立以分離性細胞為起點的實驗操作系統(tǒng)，利用分離的性細胞開展有性生殖過程的細胞生物學(xué)研究，促進性細胞的發(fā)育，實現(xiàn)體外性細胞的培養(yǎng)與保存，以及生殖細胞的融合等。另外，從分子水平上研究木蓮屬瀕危植物胚胎發(fā)生發(fā)育的機理，闡明控制胚胎發(fā)育的因素，并弄清與這些因素有關(guān)的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而培育出生長良好并具有優(yōu)良性狀的個體。

[1]劉玉壺，夏念合，楊惠秋.木蘭科(Magnoliaceae)的起源、進化和地理分布[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報，1995，3(4)：1～12.

[2]傅立國.中國植物紅皮書·稀有瀕危植物(第一冊)[M].北京：科學(xué)出版社，1991：404～455.

[3]劉玉壺.中國植物志·第30卷第一分冊(木蘭科)[M].北京：科學(xué)出版社，1996： 85.

[4]潘躍芝，龔洵，梁漢興.瀕危植物香木蓮的胚胎學(xué)研究[J].武漢植物學(xué)研究，2003，21(1)：1～8.

[5]潘躍芝，龔洵，梁漢興.瀕危植物紅花木蓮小孢子發(fā)生及雄配子體發(fā)育的研究[J].云南植物研究，2001，23(1)：85～90.

[6]陳發(fā)菊，李鳳蘭，梁宏偉，等.珍稀瀕危植物巴東木蓮胚胎學(xué)研究[J].植物研究，2008，28(6)： 857～662.

[7]肖德興，俞志雄.華木蓮花藥的發(fā)生發(fā)育[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報，2004，12(4)：309～312.

[8]Hayashi Y.The comparative embrology of the Magnoliaceae (S.L.) in relation to the systematic consideration of the family[J].Sci Rep Tohoku Univ Ser Ⅳ(Biol)，1965，31：29～44.

[9]Hayashi Y.Embryology of the family Magnoliaceae sens.lat.Ⅳ.Microsporogensis and development of the male gametophyte in Michelia figo spreng[J].Sci Rep Tohoku Univ Ser Ⅳ(Biol)，1966，32：111～118.

[10]Hayashi Y.Embryology of Magnolia salilifolia[J].J Jap Bot，1984，59：289～307.

[11]尤錄祥，樊汝汶.北美鵝掌楸混合芽的發(fā)生和分化[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，17(1)：49～53.

[12]Fan R W，Yin Z F.Ultrastructure and development of the tapetum inLiriodendronchinese(Hesml) Sarg[J].Chinese J Bot，1995，7(2)：133～138.

[13]Liao J P，Chen Z L，Cai X Z，etal.Embryology ofManglietiaglaucavar.sumatrana andMicheliaguangxiensisand the abnormal development[A].Liu Y H，F(xiàn)an H M，Chen Z Y，etal.Proceeding of the international symposium on the family Magnoliaceae[C].Beijing: Science Press，2000：177～187.

[14]龔洵，施蘇華，潘躍芝，等.中國木蘭亞科植物的主要分類性狀觀察[J].云南植物研究，2003，25(4)：447～456.

[15]潘躍芝，龔洵.瀕危植物紅花木蓮大孢子發(fā)生和雌配子體發(fā)育的研究[J].西北植物學(xué)報，2002，22(5)：1209～1214.

[16]付玉嬪，陳少瑜，吳濤，等.瀕危植物大果木蓮和中緬木蓮的花部特征及繁育系統(tǒng)比較[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38(4)：6～10.

[17]何子燦，李曉東，李建強.瀕危植物巴東木蓮花粉母細胞減數(shù)分裂觀察[J].植物分類學(xué)報，2005，43(6)：526～532.

[18]Christensen C A,Gorsich S W,Brown R H,et al.Mitochondrial GFA2 is required for synergid cell death inArabidopsis[J].Plant Cell,2002,14:2215～2232.

[19]Huck N,Moore J M,Federer M,etal.TheArabidopsismutant feronia disrupts the female gametophytic control of pollen tube reception[J].Development,2003,130:2149～2159.

[20]Rotman N，Rozier F，Boavida L，etal.Female control of male gamete delivery during fertilization inArabidopsisthaliana[J].Current Biology，2003，13：432～436.

[21]梁寧，石雷，楊揚.8種木蘭科植物種子的發(fā)芽、成苗試驗[J].西部林業(yè)科學(xué)，2006，35(3)：72～75.

[22]陳發(fā)菊，梁宏偉，王旭，等.瀕危植物巴東木蓮種子休眠與萌發(fā)特性的研究[J].生物多樣性，2007，15(5)：492～499.

[23]張德春，張博，劉曦，等.巴東木蓮種子貯藏和萌發(fā)過程中同工酶分析[J].西北植物學(xué)報，2011，31(7)：1453～1457.

[24]龔洵，潘躍芝，楊志云.木蘭科植物的雜交親和性[J].云南植物研究，2001，23(3)：339～344.

[25]陳發(fā)菊，張麗萍，盧斌，等.長江三峽珍稀植物——巴東木蓮冬芽的組織培養(yǎng)[J].生物學(xué)通報，2000，35(6)：36～37.

[編輯] 余文斌

2017-03-20

熊海燕(1983-)，女，碩士生，研究方向為園林植物與應(yīng)用，328246689@qq.com。

Q949.74.1；Q945.5

A

1673-1409(2017)10-0043-03

[引著格式]熊海燕.木蓮屬瀕危植物胚胎學(xué)研究進展[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017，14(10)：43～45,55.