南瓜花粉发育过程中绒毡层细胞的变化

张涛 刘林

摘 要： 为了解南瓜花粉发育过程中绒毡层的变化，对不同发育阶段的南瓜绒毡层进行观察。结果表明，南瓜绒毡层细胞在花粉母细胞减数分裂前呈四边形；随着花粉母细胞减数分裂开始，绒毡层细胞向花粉囊方向伸长；当减数分裂完成后，绒毡层的细胞壁解体，细胞膨大并向药室内凸起；当花粉发育进入二细胞时期，少数绒毡层细胞退化，多数绒毡层细胞分化出大量造油体，造油体积累大量脂滴；当花粉发育进入二细胞晚期，绒毡层细胞完全解体。绒毡层细胞在原位解体，属于腺质绒毡层。关键词： 南瓜； 花药壁； 绒毡层； 细胞Dynamics of Tapetal Cells during Pollen Development in PumpkinZHANG Tao1， LIU Lin2（1. Feichengzhen Junior Middle School， Feixian， Shandong 273400， China； 2. Institute of Modern Chinese Traditional Medicine， Linyi University， Linyi， Shandong276005， China）Abstract： In order to understand the dynamics of tapetal cells during pollen development in pumpkin，anthers at various developmental stages were investigated. Tapetal cells were quadrilateral before pollen mother cells began meiosis. As pollen mother cells began meiosis，tapetal cells elongated dramatically. After meiosis of pollen mother cells，cell walls of tapetum began degeneration，and tapetal cells enlarged unevenly，resulting in a curved surface. As pollen developed into 2-celled stage，a few tapetal cells degenerated quickly，while the long lived tapetal cells contained a large quantity of elaioplasts，which produced numerous lipid droplets. Tapetal cells were completely disappeared when pollen developed into late 2-celled stage. Since tapetal cells degenerated in situ，pumpkin tapetum belonged to glandular type.Key words： Pumpkin； Anther wall； Tapetum； Cell

被子植物雄配子体发育在花粉囊内进行，花粉囊由花药壁包围而成，花药壁对雄配体发育和成熟花粉的散发具有重要作用。花药壁由表皮、药室内壁、中层和绒毡层构成，各层细胞在雄配子体发育过程中发生一系列特异性变化，如药室内壁细胞形成带状次生壁，绒毡层细胞发生细胞壁降解、细胞退化以及贮藏物质积累[1-2]。

在花药壁的各细胞层中，绒毡层对花粉发育所起的作用最受关注，它为配子体发育提供营养和适宜微环境，参与对雄配子体发育的调控[3-6]。绒毡层细胞的退化时期和贮藏物质的积累对确保雄配子体正常发育至关重要，绒毡层细胞退化时间提前或延迟都可能导致雄性不育[7-8]，所以绒毡层细胞退化和贮藏物质积累仍然是胚胎学和生殖生物学研究的重要内容[4-5，9]。尽管很多植物的绒毡层细胞退化解体时期及所积累贮藏物质的类型已有研究，但仍然有大量植物其绒毡层细胞活动特点和积累贮藏物质的方式并不清楚。南瓜是常见瓜类作物，该植物绒毡层细胞的退化特点和贮藏物质的积累形式还鲜有报道，因此，我们采用塑料制片技术对南瓜绒毡层细胞形态、细胞解体时期和细胞内贮藏物质进行显微观察，为认识南瓜绒毡层在雄配子体发育中的作用提供基础资料，并为南瓜育种工作提供参考。

1 材料与方法

供试南瓜为‘曲阜吊南瓜（Cucurbita moschata Duoh.‘Qufudiaonangua），常规方法种植。采集不同发育时期的花药，切成小于1 mm3的小块，用2% 戊二醛和1% 四氧化锇各固定2 h，梯度乙醇脱水，环氧树脂包埋，Leica切片机切片，切片厚度1 μm。切片经甲苯胺蓝和高碘酸-希夫试剂染色，光学显微镜下观察并照相。

2 结果与分析

南瓜花药具2个花粉囊（图版-A，B），花粉囊是花粉发育的场所。2个花粉囊之间由药隔组织分隔，药隔组织由薄壁细胞组成（图版-B）。花粉囊由花药壁包围而成，花药壁包含多层细胞，最外是1层细胞的表皮，向内依次为1层细胞的药室内壁，2~3层细胞的中层，和1~2层细胞的绒毡层（图版-C）。

绒毡层细胞随着花粉发育进展而发生一系列相应变化。在花粉母细胞减数分裂前，绒毡层细胞基本呈四边形，细胞纵向和横向长度比约为1︰1（图版-C）。在花粉母细胞减数分裂开始后，绒毡层细胞向药室内伸长，而横向变化不大（图版-D，E）。当减数分裂进行到四分体时期，绒毡层细胞纵向伸长明显（图版-F，G）。随着减数分裂完成，绒毡层的细胞壁解体，细胞壁解体首先发生在面对药室的一面，而后纵向壁解体，结果细胞变成了主要由质膜包围的原生质体，原生质体向药室方向膨胀，呈现出圆滑凸面（图版-H，I）。在小孢子完成有丝分裂形成二细胞花粉时，少部分绒毡层细胞解体，而大部分细胞进一步膨大（图版-J）。二细胞花粉中期，绒毡层细胞分化出大量直径2~4 μm的造油体，含有大量脂滴，造油体主要位于细胞靠近药室的一端（图版-K，L）。花粉成熟时，绒毡层完全消失（图版-M）。绒毡层细胞在原位解体，不产生周原质团。显然，绒毡层细胞寿命不同，少数细胞寿命较短，在小孢子完成有丝分裂形成二细胞花粉时解体，寿命较长的细胞在二细胞花粉中期分化出油体，二细胞后期绒毡层细胞全部解体。

花药维管束周围的薄壁细胞积累大量淀粉粒。淀粉积累从花粉母细胞时期开始（图版-A，N），一直持续到花粉成熟（图版-O）。

3 讨 论

南瓜绒毡层有些细胞在小孢子完成有丝分裂时退化解体，大部分细胞生存到二细胞花粉早期至中期，这与西瓜[10-11]绒毡层非常相似。小孢子母细胞减数分裂期间，绒毡层起着简单地运输营养物质到药室的作用；小孢子母细胞减数分裂完成后，绒毡层细胞分泌胼胝质酶降解胼胝质壁，四分体小孢子得到释放；小孢子游离后，绒毡层细胞在花粉壁的形成上起重要作用，提供构成孢粉素的外壁物质以及外壁上的附属物如花粉鞘和含油层；绒毡层细胞完全降解后的降解物也可以作为花粉合成核酸、淀粉、脂类贮藏物质的原料。南瓜绒毡层中，寿命短的细胞经历小孢子母细胞时期、小孢子母细胞减数分裂时期和小孢子时期，显然在对小孢子母细胞和小孢子提供营养方面发挥了作用，在小孢子壁发育的早期阶段也发挥作用；寿命较长的绒毡层细胞存在到二细胞花粉早期和中期，对后期花粉营养和花粉壁发育发挥作用。

寿命较长的绒毡层细胞中分化出大量造油体，造油体合成并积累大量脂滴，这一现象在瓜类作物中是否普遍存在，尚缺少充分资料，但在十字花科植物中十分普遍[12]。在西瓜[11]中，绒毡层细胞不含造油体，脂类物质在内质网中积累，积累脂类物质的区域从内质网游离到细胞质基质后形成脂滴，这样的脂滴大小不均匀，与造油体中的脂滴明显不同。造油体积累的脂类物质主要为中性脂、极性脂和游离脂肪酸，中性脂主要为固醇酯和三酰甘油，固醇酯主要为豆固醇、菜油甾醇、谷固醇和胆固醇；极性脂主要为单半乳糖二酰甘油[12]。这些脂类物质最终转移到花粉表面，为花粉发育所利用，并在花粉外壁空隙内和壁表面形成花粉鞘[11]或含油层[1]。

绒毡层发育后期的细胞活动方式因植物种类而表现出很大区别[1]，有些植物中，绒毡层细胞在整个发育过程中始终维持在原来的位置，通过细胞的内表面分泌各种物质满足小孢子发育的需要，直到花粉成熟后绒毡层细胞完全自溶，具有这种活动特点的绒毡层称为腺质绒毡层或分泌绒毡层。另一些植物中，绒毡层细胞较早地发生内壁和径向壁解体，原生质体移动到花粉囊腔内，在那里融合形成绒毡层的周原质团，游离到小孢子之间的空隙中，具有这种活动特点的绒毡层称为变形绒毡层或周原质团绒毡层。南瓜绒毡层细胞的内壁和径向壁在小孢子母细胞减数分裂完成后解体，但细胞壁的解体并不引发周原质团的产生，细胞在原位解体，因此南瓜绒毡层属于腺质绒毡层。这与西瓜[10-11]绒毡层相同，但是否葫芦科植物都具有腺质绒毡层，还需要对葫芦科其他成员进一步观察。（本文图版见彩插22版）

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： 20-37.

[2]Deshpande P K，Bhuskute S M，Makde K H. Microsporogenesis and male gametophyte in some cucurbitaceae[J]. Phytomorphology，1986， 36（1/2）： 146-150.

[3] Zhang W，Sun Y，Timofejeva L，et al. Regulation of Arabidopsis tapetum development and function by DYSFUNCTIONAL TAPETUM1（DYT1）encoding a putative bHLH transcription factor[J]. Development，2006，133（16）： 3085-3095.

[4]Yeung E C，Oinam G S，Yeung S S，et al. Anther，pollen and tapetum development in safflower，Carthamus tinctorius L.[J]. Sex Plant Reprod，2011，24（4）： 307-317.

[5]Parish R W，Phan H A，Lacuone S，et al. Tapetal development and abiotic stress: a centre of vulnerability [J]. Functional Plant Biology，2012，39（7）： 553-559.

[6]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.

[7]李园园，杨 清，严继勇，等. 洋葱63A细胞质雄性不育与绒毡层的提早衰退有关[J]. 作物学报，2006，32（03）： 369-372.

[8]邱义兰，刘珠丽，李 红，等. 辣椒细胞质雄性不育花药败育及淀粉粒分布的细胞学观察[J]. 分子细胞生物学，2008，41（4）： 283-286.

[9]Galati B G，Monacci F，Gotelli M M，et al. Pollen，tapetum and orbicule development in Modiolastrum malvifolium（Malvaceae) [J]. Ann Bot，2007，99（4）： 755-763.

[10]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.

[11]刘 林，郑慧敏，李 芸，等. 西瓜绒毡层细胞退化超微结构研究[J]. 果树学报，2008，25（6）： 887-890.

[12]罗鑫娟，刘旭昊，王新宇. 绒毡层小体，一种在花药绒毡层细胞中新发现的含油细胞器[J]. 细胞生物学杂志，2006，28（1）： 61-65.

收稿日期： 2013-10-15； 修回日期： 2014-02-10

基金项目： 山东省自然科学基金（ZR2011CL002）； 临沂市科技局科技计划项目（010304）

作者简介： 张 涛，男，教师，从事农业生物技术教学与推广

通信作者： 刘 林，男，副教授，博士，从事植物发育学和细胞生物学研究。电话： 15653976105；电子信箱： liulinlyu163@163.com