牛膝菊大、小孢子发生和雌、雄配子体的发育

胡铁锋

(河北科技师范学院 河北秦皇岛，066004)

牛膝菊(Galinsona parviflora)系菊科牛膝菊属1年生草本植物，全草药用，有止血、消炎之功效［1］。该种为外来入侵物种，原产美洲大陆，种子繁殖力极强，适应性广，在我国大部分省区有分布。近年来在我国很多地区呈爆发式生长态势，常形成单优群落，对当地生态系统和生物多样性造成严重威胁，而目前对牛膝菊的基础生物学方面的研究还相当缺乏［2，3］。本研究通过对牛膝菊大小孢子和雌雄配子体发育的研究，填补其在胚胎学方面上研究的空白，同时也为有效控制和利用外侵植物牛膝菊提供一些参考依据。

1 材料与方法

供试材料取自东北林业大学校园内自然生长的牛膝菊植株。自2008年5月下旬开始，每天取牛膝菊花序上不同发育时期的花蕾，直至9月下旬。取材后用FAA固定后直接保存，爱氏苏木精整体染色，常规石蜡法制片，切片厚度为8～12 μm，Olympus AH-2型光学显微镜下观察并照相。

2 观察结果

2.1 大孢子发生及雌配子体发育

2.1.1 大孢子发生 牛膝菊子房1室，每室具1个倒生胚珠，单珠被，薄珠心。在胚珠发育初期，子房内表皮上出现球状突起，即胚珠原基，此时组织尚未分化。随后珠心表皮下第1层细胞分化出孢原细胞，孢原细胞与其他珠心细胞相比，体积大，细胞质浓厚，细胞核显著。牛膝菊珠心的孢原细胞为单孢原(图版1-1)。孢原细胞位于珠心表皮之下方，细胞体积及细胞核明显大于周围的珠心细胞，细胞质浓厚。孢原细胞直接发育成为大孢子母细胞，大孢子母细胞与珠心表皮细胞之间无细胞相隔，故牛膝菊为薄珠心。随之进入减数分裂期，大孢子母细胞纵向延长。减数第1次分裂前期I的细线期(图版1-2)，细线期是大孢子母细胞减数分裂的起点，此时染色质纤维凝集、折叠并螺旋化，核仁可见。进入偶线期(图版1-3)，随着同源染色体的配对发生，染色体逐渐松散，核仁明显。染色体进一步缩短进入粗线期(图版1-4)，粗线期时配对的染色体螺旋化加强，逐渐变粗变短，双线期(图版1-5)时染色体变得更短更粗，核仁体积也缩小很多，两对姐妹染色单体相交在一起，形成一至多个交叉点，最后进入终变期(图版1-6)，染色体缩短，进而移向核中央分布。经中期Ⅰ和后期Ⅰ，二分体很快形成(图版1-7)。经后期II末期II，形成四分体时期(图版1-8)。4个细胞排列为直线形。大孢子母细胞经过减数分裂产生4个大孢子后，其中3个大孢子退化，最终只有1个位于合点端的大孢子转变为功能大孢子(图版1-9)。

2.1.2 雌配子体发育 功能大孢子体积逐渐增大，中间出现一个大液泡，继而发育为单核胚囊(图版2-1)。单核胚囊经过1次有丝分裂形成二核胚囊，此时2个核分别位于胚囊的珠孔端和合点端(图版2-2)，两核之间有大液泡将个核的细胞质分开，再经过有丝分裂形成四核胚囊(图版2-3)。四核胚囊再进行1次有丝分裂，胚囊体积继续纵向延长，形成八核成熟胚囊(图版2-4)。成熟胚囊中近珠孔端有3个核，它们最后发育成为卵器(图版2-5)，其中1个核分化为卵细胞(图版2-6)，其余2个分化为助细胞(图版2-7)。合点端也有3个核组成细胞，即3个反足细胞(图版2-8)，它们在形成不久便退化消失。合点端和珠孔端各有一核移向胚囊中央，组成含有2个极核的中央细胞(图版2-9)。中央细胞的核较大，核仁明显。牛膝菊的胚囊发育属于蓼型［4］。

2.2 小孢子发生和雄配子体的发育

2.2.1 小孢子发生 牛膝菊花药发育早期，胞原细胞发生于4个角隅处的表皮之下，为多胞原。由胞原细胞分裂分化形成的造胞细胞发育产生小孢子母细胞(图版3-1)，随后小孢子母细胞开始减数分裂。减数分裂是一个连续的过程:减数分裂的前期Ⅰ可分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。细线期是小孢子母细胞减数分裂的起点，此时期的特点是染色质凝集，染色质纤维逐渐折叠、螺旋化、变短、变粗，包装成细纤维样的染色体结构，并与核仁联系在一起，位于核的一侧，可作为减数分裂启动的标志(图版3-2);进入偶线期，染色质逐渐松散，同源染色体开始配对，形成联会复合体，此时小孢子母细胞的核仁明显可见(图版3-3);粗线期时，染色体相联结，形成了复合的或双价的染色体;双线期的染色体比粗线期缩得更短更粗，核仁体积也缩小很多，不过有的仍附着在一定的染色体上，1对姐妹染色单体在某些区段与另1对分开，但由于这2对染色单体相交在一起，故可见染色体交叉端化，可见1至多个交叉(图版3-4);终变期时染色体缩得更短，变得更粗，染色体分散，并靠近核膜(图版3-5)。继而核膜消失，纺锤体形成，纺锤丝与染色体的着丝点连接，进入小孢子母细胞减数分裂中期Ⅰ，二价体集中排列在赤道面上(图版3-6)。随着二价体的2个同源染色体分开，分别向两极移动，标志着后期Ⅰ的到来(图版3-7)。在染色体到达两极以后，末期Ⅰ就开始了，此时核膜和核仁又同时出现，在2个子细胞核之间形成细胞板。至此，小孢子母细胞减数分裂Ⅰ完成了。小孢子母细胞核经过短暂的分裂间期后，进入第2次减数分裂。减数分裂Ⅱ开始时有一个很短的前期Ⅱ，伸展的染色体开始收缩和螺旋化，接着就出现了纺锤丝，染色体集中排列在赤道面上，进入中期Ⅱ。随后染色体从中期的赤道面开始向两极移动，标志着后期Ⅱ的到来(图版3-8)。最后染色体达到两极即为末期Ⅱ。经末期Ⅱ分裂完成时，逐渐形成了4个子核，每个子核都有自己的核膜及一套完整的单倍体染色体组。在4个子核之间产生壁，同时分隔成4个细胞，这时便形成了4分体小孢子。其胞质分裂为连续型，偶尔伴随有同时型(图版3-8;3-9)。四分体小孢子多数呈四面体形(图版3-10)。

2.2.2 雄配子体发育 刚解散的小孢子，细胞壁还未形成，细胞质浓厚，细胞核位于细胞中央。紧接着，细胞壁逐渐增厚，开始形成萌发孔(图版3-11)。细胞质中出现小液泡。小液泡逐渐融合，形成中央大液泡，细胞质和细胞核被挤到细胞的边缘，此为小孢子单核靠边期(图版3-12)。细胞核在贴近花粉壁的位置进行有丝分裂，形成1个营养核和1个生殖核。随后，2核之间形成细胞壁，并将细胞质分成不均等的2部分，形成大小悬殊的2个细胞，大的为营养细胞，小的为生殖细胞(图版3-13)。生殖细胞开始呈凸透镜状，紧贴花粉壁，随着生殖细胞和营养细胞之间的细胞壁消失，生殖细胞逐渐脱离花粉粒细胞壁，浸入营养细胞的细胞质中。这时，2-细胞花粉粒形成(图版3-14)。雄配子体发育完成［5，6］。

2.2.3 花药壁的发育 初生壁细胞平周分裂，产生内外2层细胞，内层细胞直接发育为绒毡层，外层细胞形成药室内壁。由表皮、药室内壁和绒毡层共同组成花药的壁。因此，牛膝菊的花药壁发育是简化型(图版3-1)。药室内壁细胞最终发育为细胞壁条状加厚的纤维层，绒毡层细胞壁在小孢子四分体时期开始破坏并呈变形虫状(图版3-10)。花粉成熟后，药室壁开裂，只剩不完整的表皮和纤维层。

3 讨 论

牛膝菊的一些胚胎学特征与菊科的胚胎学基本特征［7］是相符合的，绒毡层为变形绒毡层;小孢子母细胞减数分裂时胞质分裂为连续型，产生四面体型四分体。子房1室，每室1个倒生胚珠;具单珠被，薄珠心;大孢子母细胞减数分裂形成的4个大孢子呈直线形排列，其中位于合点端的为功能大孢子;蓼型胚囊。

本研究中发现牛膝菊也具有一些新的特征，最明显的是花药壁类型与其他菊科植物不同，多数菊科植物是双子叶型［8，9］，而牛膝菊是简化型，即只有表皮，药室内壁和绒毡层，无中层结构。为花粉粒的发育提供营养是其绒毡层和药室内壁，研究表明［10，11］，花药的药室内壁除了在初期起保护作用外，还起到了贮藏营养的作用，为后期花粉粒的发育提供营养。缺少中层使牛膝菊花药结构更加简化，同时节省了在中层发育上所需的养分，将有限的营养物质尽可能多地提供给花粉粒的发育。

大量野外观察表明，牛膝菊无营养繁殖方式存在，其生殖方式只有有性生殖，这种专一性繁殖方式使其产生的后代具有丰富的遗传性和变异性，扩展和适应环境的能力更强。另外，大量胚胎学观察表明，牛膝菊雌、雄配子体发育过程几乎没有败育现象。这些也可能是其成为外侵物种的重要内在因素。

［1］ 林鎔.中国植物志75卷·菊科［M］.北京:科学出版社，1979.

［2］ 齐淑艳，徐文铎，文言.外来入侵植物牛膝菊种群构件生物量结构［J］.应用生态学报，2006，17(12):2 283-2 286.

［3］ 齐淑艳，徐文铎.外来入侵植物粗毛牛膝菊在辽宁地区的新发现［J］.辽宁林业科技，2008(4):20-21.

［4］ DAVIS L G.Systematic embryology of the angiosperms［M］.New York:John Wiley and Sons Inc，1966.

［5］ 曾贞，董利娟，杨阳，等.茉莉花胚胎学研究——Ⅰ小孢子发生与雄配子体发育［J］.茶叶通讯，2002(1):14-17

［6］ 杨春雪，申家恒.星星草大、小孢子发生和雌、雄配子体发育的观察［J］.武汉植物学研究，2003，21(6):464-470.

［7］ 马虹，王迎春，曹瑞，等.革苞菊胚胎学研究——I.大小孢子发生和雌雄配子体发育［J］.西北植物学报，2000，20(3):461-466.

［8］ 刘建全.珠毛蟹甲草的大小孢子发生及雌雄配子体发育［J］.武汉植物学研究，2000，18(2):163-164.

［9］ 牛佳田.花药壁及其中绒毡层的结构与功能［J］.生物学通报，1995，30(10):8-9.

［10］ 姚雅琴，张改生.小麦花药药壁表皮细胞结构与功能研究［J］.西北植物学报，2001，21(2):273-277.

［11］ 胡适宜.被子植物胚胎学［M］.北京:人民教育出版社，2005.

(责任编辑:石瑞珍)