牛膝菊大、小孢子發(fā)生和雌、雄配子體的發(fā)育

胡鐵鋒

(河北科技師范學(xué)院 河北秦皇島，066004)

牛膝菊(Galinsona parviflora)系菊科牛膝菊屬1年生草本植物，全草藥用，有止血、消炎之功效［1］。該種為外來入侵物種，原產(chǎn)美洲大陸，種子繁殖力極強(qiáng)，適應(yīng)性廣，在我國大部分省區(qū)有分布。近年來在我國很多地區(qū)呈爆發(fā)式生長態(tài)勢，常形成單優(yōu)群落，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成嚴(yán)重威脅，而目前對牛膝菊的基礎(chǔ)生物學(xué)方面的研究還相當(dāng)缺乏［2，3］。本研究通過對牛膝菊大小孢子和雌雄配子體發(fā)育的研究，填補(bǔ)其在胚胎學(xué)方面上研究的空白，同時也為有效控制和利用外侵植物牛膝菊提供一些參考依據(jù)。

1 材料與方法

供試材料取自東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)自然生長的牛膝菊植株。自2008年5月下旬開始，每天取牛膝菊花序上不同發(fā)育時期的花蕾，直至9月下旬。取材后用FAA固定后直接保存，愛氏蘇木精整體染色，常規(guī)石蠟法制片，切片厚度為8～12 μm，Olympus AH-2型光學(xué)顯微鏡下觀察并照相。

2 觀察結(jié)果

2.1 大孢子發(fā)生及雌配子體發(fā)育

2.1.1 大孢子發(fā)生 牛膝菊子房1室，每室具1個倒生胚珠，單珠被，薄珠心。在胚珠發(fā)育初期，子房內(nèi)表皮上出現(xiàn)球狀突起，即胚珠原基，此時組織尚未分化。隨后珠心表皮下第1層細(xì)胞分化出孢原細(xì)胞，孢原細(xì)胞與其他珠心細(xì)胞相比，體積大，細(xì)胞質(zhì)濃厚，細(xì)胞核顯著。牛膝菊珠心的孢原細(xì)胞為單孢原(圖版1-1)。孢原細(xì)胞位于珠心表皮之下方，細(xì)胞體積及細(xì)胞核明顯大于周圍的珠心細(xì)胞，細(xì)胞質(zhì)濃厚。孢原細(xì)胞直接發(fā)育成為大孢子母細(xì)胞，大孢子母細(xì)胞與珠心表皮細(xì)胞之間無細(xì)胞相隔，故牛膝菊為薄珠心。隨之進(jìn)入減數(shù)分裂期，大孢子母細(xì)胞縱向延長。減數(shù)第1次分裂前期I的細(xì)線期(圖版1-2)，細(xì)線期是大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂的起點，此時染色質(zhì)纖維凝集、折疊并螺旋化，核仁可見。進(jìn)入偶線期(圖版1-3)，隨著同源染色體的配對發(fā)生，染色體逐漸松散，核仁明顯。染色體進(jìn)一步縮短進(jìn)入粗線期(圖版1-4)，粗線期時配對的染色體螺旋化加強(qiáng)，逐漸變粗變短，雙線期(圖版1-5)時染色體變得更短更粗，核仁體積也縮小很多，兩對姐妹染色單體相交在一起，形成一至多個交叉點，最后進(jìn)入終變期(圖版1-6)，染色體縮短，進(jìn)而移向核中央分布。經(jīng)中期Ⅰ和后期Ⅰ，二分體很快形成(圖版1-7)。經(jīng)后期II末期II，形成四分體時期(圖版1-8)。4個細(xì)胞排列為直線形。大孢子母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂產(chǎn)生4個大孢子后，其中3個大孢子退化，最終只有1個位于合點端的大孢子轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ艽箧咦?圖版1-9)。

2.1.2 雌配子體發(fā)育 功能大孢子體積逐漸增大，中間出現(xiàn)一個大液泡，繼而發(fā)育為單核胚囊(圖版2-1)。單核胚囊經(jīng)過1次有絲分裂形成二核胚囊，此時2個核分別位于胚囊的珠孔端和合點端(圖版2-2)，兩核之間有大液泡將個核的細(xì)胞質(zhì)分開，再經(jīng)過有絲分裂形成四核胚囊(圖版2-3)。四核胚囊再進(jìn)行1次有絲分裂，胚囊體積繼續(xù)縱向延長，形成八核成熟胚囊(圖版2-4)。成熟胚囊中近珠孔端有3個核，它們最后發(fā)育成為卵器(圖版2-5)，其中1個核分化為卵細(xì)胞(圖版2-6)，其余2個分化為助細(xì)胞(圖版2-7)。合點端也有3個核組成細(xì)胞，即3個反足細(xì)胞(圖版2-8)，它們在形成不久便退化消失。合點端和珠孔端各有一核移向胚囊中央，組成含有2個極核的中央細(xì)胞(圖版2-9)。中央細(xì)胞的核較大，核仁明顯。牛膝菊的胚囊發(fā)育屬于蓼型［4］。

2.2 小孢子發(fā)生和雄配子體的發(fā)育

2.2.1 小孢子發(fā)生 牛膝菊花藥發(fā)育早期，胞原細(xì)胞發(fā)生于4個角隅處的表皮之下，為多胞原。由胞原細(xì)胞分裂分化形成的造胞細(xì)胞發(fā)育產(chǎn)生小孢子母細(xì)胞(圖版3-1)，隨后小孢子母細(xì)胞開始減數(shù)分裂。減數(shù)分裂是一個連續(xù)的過程:減數(shù)分裂的前期Ⅰ可分為細(xì)線期、偶線期、粗線期、雙線期和終變期。細(xì)線期是小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂的起點，此時期的特點是染色質(zhì)凝集，染色質(zhì)纖維逐漸折疊、螺旋化、變短、變粗，包裝成細(xì)纖維樣的染色體結(jié)構(gòu)，并與核仁聯(lián)系在一起，位于核的一側(cè)，可作為減數(shù)分裂啟動的標(biāo)志(圖版3-2);進(jìn)入偶線期，染色質(zhì)逐漸松散，同源染色體開始配對，形成聯(lián)會復(fù)合體，此時小孢子母細(xì)胞的核仁明顯可見(圖版3-3);粗線期時，染色體相聯(lián)結(jié)，形成了復(fù)合的或雙價的染色體;雙線期的染色體比粗線期縮得更短更粗，核仁體積也縮小很多，不過有的仍附著在一定的染色體上，1對姐妹染色單體在某些區(qū)段與另1對分開，但由于這2對染色單體相交在一起，故可見染色體交叉端化，可見1至多個交叉(圖版3-4);終變期時染色體縮得更短，變得更粗，染色體分散，并靠近核膜(圖版3-5)。繼而核膜消失，紡錘體形成，紡錘絲與染色體的著絲點連接，進(jìn)入小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂中期Ⅰ，二價體集中排列在赤道面上(圖版3-6)。隨著二價體的2個同源染色體分開，分別向兩極移動，標(biāo)志著后期Ⅰ的到來(圖版3-7)。在染色體到達(dá)兩極以后，末期Ⅰ就開始了，此時核膜和核仁又同時出現(xiàn)，在2個子細(xì)胞核之間形成細(xì)胞板。至此，小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂Ⅰ完成了。小孢子母細(xì)胞核經(jīng)過短暫的分裂間期后，進(jìn)入第2次減數(shù)分裂。減數(shù)分裂Ⅱ開始時有一個很短的前期Ⅱ，伸展的染色體開始收縮和螺旋化，接著就出現(xiàn)了紡錘絲，染色體集中排列在赤道面上，進(jìn)入中期Ⅱ。隨后染色體從中期的赤道面開始向兩極移動，標(biāo)志著后期Ⅱ的到來(圖版3-8)。最后染色體達(dá)到兩極即為末期Ⅱ。經(jīng)末期Ⅱ分裂完成時，逐漸形成了4個子核，每個子核都有自己的核膜及一套完整的單倍體染色體組。在4個子核之間產(chǎn)生壁，同時分隔成4個細(xì)胞，這時便形成了4分體小孢子。其胞質(zhì)分裂為連續(xù)型，偶爾伴隨有同時型(圖版3-8;3-9)。四分體小孢子多數(shù)呈四面體形(圖版3-10)。

2.2.2 雄配子體發(fā)育 剛解散的小孢子，細(xì)胞壁還未形成，細(xì)胞質(zhì)濃厚，細(xì)胞核位于細(xì)胞中央。緊接著，細(xì)胞壁逐漸增厚，開始形成萌發(fā)孔(圖版3-11)。細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)小液泡。小液泡逐漸融合，形成中央大液泡，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核被擠到細(xì)胞的邊緣，此為小孢子單核靠邊期(圖版3-12)。細(xì)胞核在貼近花粉壁的位置進(jìn)行有絲分裂，形成1個營養(yǎng)核和1個生殖核。隨后，2核之間形成細(xì)胞壁，并將細(xì)胞質(zhì)分成不均等的2部分，形成大小懸殊的2個細(xì)胞，大的為營養(yǎng)細(xì)胞，小的為生殖細(xì)胞(圖版3-13)。生殖細(xì)胞開始呈凸透鏡狀，緊貼花粉壁，隨著生殖細(xì)胞和營養(yǎng)細(xì)胞之間的細(xì)胞壁消失，生殖細(xì)胞逐漸脫離花粉粒細(xì)胞壁，浸入營養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。這時，2-細(xì)胞花粉粒形成(圖版3-14)。雄配子體發(fā)育完成［5，6］。

2.2.3 花藥壁的發(fā)育 初生壁細(xì)胞平周分裂，產(chǎn)生內(nèi)外2層細(xì)胞，內(nèi)層細(xì)胞直接發(fā)育為絨氈層，外層細(xì)胞形成藥室內(nèi)壁。由表皮、藥室內(nèi)壁和絨氈層共同組成花藥的壁。因此，牛膝菊的花藥壁發(fā)育是簡化型(圖版3-1)。藥室內(nèi)壁細(xì)胞最終發(fā)育為細(xì)胞壁條狀加厚的纖維層，絨氈層細(xì)胞壁在小孢子四分體時期開始破壞并呈變形蟲狀(圖版3-10)?；ǚ鄢墒旌螅幨冶陂_裂，只剩不完整的表皮和纖維層。

3 討 論

牛膝菊的一些胚胎學(xué)特征與菊科的胚胎學(xué)基本特征［7］是相符合的，絨氈層為變形絨氈層;小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂時胞質(zhì)分裂為連續(xù)型，產(chǎn)生四面體型四分體。子房1室，每室1個倒生胚珠;具單珠被，薄珠心;大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂形成的4個大孢子呈直線形排列，其中位于合點端的為功能大孢子;蓼型胚囊。

本研究中發(fā)現(xiàn)牛膝菊也具有一些新的特征，最明顯的是花藥壁類型與其他菊科植物不同，多數(shù)菊科植物是雙子葉型［8，9］，而牛膝菊是簡化型，即只有表皮，藥室內(nèi)壁和絨氈層，無中層結(jié)構(gòu)。為花粉粒的發(fā)育提供營養(yǎng)是其絨氈層和藥室內(nèi)壁，研究表明［10，11］，花藥的藥室內(nèi)壁除了在初期起保護(hù)作用外，還起到了貯藏營養(yǎng)的作用，為后期花粉粒的發(fā)育提供營養(yǎng)。缺少中層使牛膝菊花藥結(jié)構(gòu)更加簡化，同時節(jié)省了在中層發(fā)育上所需的養(yǎng)分，將有限的營養(yǎng)物質(zhì)盡可能多地提供給花粉粒的發(fā)育。

大量野外觀察表明，牛膝菊無營養(yǎng)繁殖方式存在，其生殖方式只有有性生殖，這種專一性繁殖方式使其產(chǎn)生的后代具有豐富的遺傳性和變異性，擴(kuò)展和適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)。另外，大量胚胎學(xué)觀察表明，牛膝菊雌、雄配子體發(fā)育過程幾乎沒有敗育現(xiàn)象。這些也可能是其成為外侵物種的重要內(nèi)在因素。

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(責(zé)任編輯:石瑞珍)