长白山区紫草小孢子发生的细胞形态学观察

， ， ， ， (.延边大学农学院， 吉林 延吉 3300, .龙井市智新镇农业技术推广站， 吉林 延边 33400 )

长白山区紫草小孢子发生的细胞形态学观察

吕爽1，付爽1，吴松权1，南海燕2，全雪丽1
(1.延边大学农学院， 吉林 延吉 133002, 2.龙井市智新镇农业技术推广站， 吉林 延边 133400 )

采用常规石蜡切片法，观察了长白山区紫草的小孢子发生过程和各时期的形态特征。结果表明：长白山区紫草小孢子发育直到四分体为止发育都正常，小孢子母细胞减数分裂为同时型，四分体排列方式为四面体型。小孢子发育受阻于四分体分离后的单核小孢子时期开始，是因为这时期绒毡层细胞异常膨胀，占满整个药室，小孢子没有可发育的空间，最终导致小孢子败育。

长白山区； 紫草； 小孢子发生； 细胞形态学

紫草(LithospermumerythrorhizonSieb.et Zucc.)，又称硬紫草，属于紫草科紫草属多年生草本植物[1-2]，紫草根是我国传统中药，根肥厚，暗紫色，其主要有效成分是紫草素[3]。紫草具有抗艾滋病、抗肿瘤、抗炎、止血抑菌、保护肝脏、抗氧化等多种药理作用，临床应用广泛[3]。近年来，紫草被大量采集，加之野生条件下形成的种子少，难以收集，加剧了紫草野生资源的破坏[2]。目前关于紫草的研究主要集中在化学成分及药理方面[2-6]，关于紫草胚胎学方面的研究甚少，尤其是小孢子发育方面的研究。因此，本研究采用常规石蜡切片法，观察研究了长白山区紫草小孢子发育的过程，以期为紫草的生殖生物学研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

多年生紫草植株采自延吉周边地区，经延边大学农学院石铁源教授鉴定后，栽种于延边大学农学院农园内，常规栽培管理。等紫草开花后(2015年5月28—30日)，取紫草植株上的不同大小的花蕾待用。

1.2 方 法

采集的新鲜材料(处于不同发育时期的花蕾)用FAA固定液立即固定并保存带回实验室。各材料经过逐级脱水、透明、浸蜡、包埋、修整、切片(切片厚度12μm)，之后用番红-固绿双重染色法染色，中性树胶封片，干燥后用OLYIMPUS显微镜观察，观察小孢子不同发育时期，并进行显微照相。

图版

2 结果与分析

紫草花为两性花，辐射对称花，总状聚伞花序，每朵花内有5枚雄蕊(图版1～2)。

2.1 紫草花药壁的发育

紫草每个花药横切面为蝶形，由4个花粉囊组成(图版2)。花药壁是由孢原细胞分裂产生的周缘细胞经过分裂分化形成。初期花药壁分化不明显(图版3)，各层细胞形态相似。随着花药的进一步发育花药壁分化越来越明显(图版3～6)，花药壁从外向内分别是表皮(1层细胞)、药室内壁(1层细胞)、中层(1层细胞)和绒毡层(1～2层细胞)(图版5)。四分体分离之前花药壁无异常现象，从四分体分离后形成小孢子开始绒毡层发育出现异常，即绒毡层细胞不断膨大，内部细胞质分布不均匀，出现大液泡，因体积不断增大占满整个药室，导致小孢子没有发育的空间，被绒毡层挤压、变形(图版6～7)。到后期虽然绒毡层萎缩、变小，但又被药室内壁的细胞纵向伸长和纤维化，占满整个药室(图版8～9)，导致小孢子仍然没有可发育的空间。总之，花药壁中最外层表皮的发育、药室内壁后期的径向伸长、增大、纤维化、中层细胞的解体都是正常的。只有绒毡层细胞发育出现不正常。到最后花粉囊壁各层干缩，变形，花粉囊有开裂迹象，但不是很明显(图版10)。此外，在药隔薄壁细胞中观察到簇状晶体。

2.2 紫草小孢子各发育阶段的细胞学特征

造胞细胞经过分裂后形成小孢子母细胞，体积较大，核明显，呈多边形(图版3)，此时绒毡层细胞分化还不是很明显。小孢子母细胞进入减数分裂，经第1次分裂后形成的2个核之间没有形成细胞壁，因此没有二分体时期(图版4)。这时期绒毡层细胞已经出现膨大，大多部位出现2层绒毡层细胞。在第2次分裂后形成的4个核之间产生细胞壁，即四分体时期(图版5)。因二分体时期没有出现细胞壁，减数分裂属同时型。四分体为四面体型，被胼胝质包围，四分体形态正常。四分体能够正常分离后形成小孢子。但从小孢子发育开始出现异常。因周围的绒毡层细胞异常膨大，内部出现大液泡，可见单核或双核，绒毡层细胞继续膨大，有的成为特大细胞，侵入药室挤压小孢子，导致小孢子发育没有空间，被挤压，粘连在一起(图版6～9)，最后小孢子细胞和部分残留的绒毡层细胞粘连在药室内壁内侧，最终彻底败育(图版10)。

3 讨论与结论

绒毡层细胞是花药壁最内一层细胞，是最接近花粉母细胞和小孢子的细胞。绒毡层主要功能是将来自植物体内的各种物质进行加工转化并输入药室为小孢子发育提供营养物质和酶，同时为雄配子体的发育创造了一个特殊的空间环境[7]。大量研究表明，小孢子发生过程中绒毡层的正常发育与花粉生长有着紧密的联系[8]。几乎所有的雄性不育植物小孢子的败育都与绒毡层有关[9-12]。不同植物雄性不育材料败育的时期不一，从雄蕊分化到成熟花粉形成的各个时期都有可能，单子叶植物多数发生在单核和双核期，双子叶植物多发生在四分体至小孢子形成期[12]，且败育的方式也多种多样，主要表现在减数分裂时期绒毡层细胞液泡化、中层细胞肥大、小孢子淀粉粒减少、孢粉素沉积异常、花粉内壁不能正常形成等。同时, 败育的原因也是多方面的, 归纳起来, 与绒毡层、胼胝质、ATP 酶、Ca2+浓度、细胞骨架和细胞程序性死亡等因素有关[8]。

本研究发现，长白山区紫草小孢子发育出现败育现象，败育从四分体分离后的小孢子时期开始，这说明绒毡层能正常分泌胼胝质酶，降解胼胝质壁，使四分体分离。小孢子时期开始绒毡层异常膨胀，液泡化明显，占满整个药室，小孢子被挤压、变形、粘连，无法正常发育，最终无法形成正常的花粉粒，导致雄性不育。因此，可以认为长白山区紫草花粉败育是由于绒毡层细胞在花粉形成和发育过程中过度肥大液泡化引起的。

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Cyto-morphological Observations of Microspore Development ofLithospermumerythrorhizonin Changbai Mountain

LÜShuang1,FUShuang1,WUSongquan1,NANHaiyan2,QUANXueli1
(1.Agricultural College of Yanbian University,Yanji Jilin 133002，China；2.Center for Popularization of Agricultural Technical of Zhixin Town,Yanbian Jilin 133400，China)

Microsporogenesis and morphological characteristics ofLithospermumerythrorhizonof Changbai mountain were observed with the method of paraffin.The results showed that microspore development was normal till tetrad,microspore mothercell meiosis belonged to simultaneous type and the arrangement of microspore tetrads was tetrahedral inL.erythrorhizon.Microspore development ofL.erythrorhizonwas hindered at the initiation of mononuclear microspore stage after tetrad separated.This was because tapetal cells were abnormal expansion and occupied the whole anther chamber so that microspores had no developmental space and finally leaded to abortion.

hangbai mountain;Lithospermumerythrorhizon; microspore development;cell morphology

2016-10-13

校级教育教学研究项目(延大教发[2014] 13号)。

吕 爽(1993—)，女，硕士研究生，研究方向：中草药生物技术。

全雪丽(1973—)，女，博士，硕士生导师，教授，研究方向：植物学教学与科研；E-mail:qxl2000@aliyun.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.02.030

S 567.23+9

A

1001-4705(2017)02-0030-03