全 文 ：2002年 2月
第 32卷第 1期
西北大学学报 (自然科学版 )
Journa l o f No r th west Univ ersity( Na tural Science Edition)
Feb. 2002
Vo l. 32 No. 1
　　 收稿日期: 2000-10-12
　　 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 39770087)
　　 作者简介: 张林静 ( 1969-) ,女 ,山西临汾人 ,山西师范大学讲师 ,西北大学博士生 ,从事植物解剖和分子生态研究。
华山新麦草小孢子发生及雄配子体的形成
张林静 1, 2 ,王　丽 1 ,李智选1 ,赵桂仿 1
( 1. 西北大学 生命科学学院 ,秦岭生物多样性研究中心 ,陕西 西安　 710069; 2. 山西师范大学 生物学系 ,山西 临
汾　 041004)
摘要:采用石蜡切片、扫描电镜等方法对华山新麦草 ( Psathyrostachys huashanica Keng. )小孢子发
生和雄配子体形成过程进行了观察。 结果表明 ,小孢子母细胞减数分裂为连续型 ,四分体为左右对
称型 ,成熟花粉为 3-细胞型 ,与小麦属特征一致。花粉发育后期的营养竞争可能是近二核时期花粉
败育的主要原因。华山新麦草的花粉败育影响其有性生殖 ,但不能直接阻碍其有性生殖 ,因此 ,华山
新麦草花粉败育可能不是致濒的主要原因。
关　键　词: 华山新麦草 ;小孢子发生 ;雄配子体形成 ;花粉败育
中图分类号: Q94-336　　文献标识码: A　　文章编号: 1000-274Ⅹ ( 2002) 01-0077-04
　 　 华 山 新 麦 草 ( Psathyrostachys huashanica
Keng . )属禾本科禾亚科大麦族新麦草属的植物 ,仅
分布于陕西华山一带 ,是我国的特有种。由于新麦草
属是小麦属的近缘属 ,加之华山新麦草具有抗旱、抗
寒、早熟等许多优良的生物学特性 ,颇受植物系统学
家和育种工作者的关注。并已被用于杂交育种和转
基因研究 [1 ]。目前 ,该种已被列为国家一类珍稀保护
植物和急需保护的农作物野生种 [ 2]。过去关于华山
新麦草的研究多集中在系统进化和杂交育种方面 ,
而关于华山新麦草胚胎学及生殖生物学等一些基础
资料尚未见报道。 为了更好的保护这种农作物的野
生种质资源 ,探讨其致濒原因 ,有必要对其生殖生物
学进行深入的研究 ,为华山新麦草的胚胎学提供资
料。
1　材料与方法
1. 1　材　料
供试材料采自华山移至西北大学果园的栽培植
株及华山上的野生植株 ,本实验从 1998～ 2000年连
续 3年进行。 每年从 3月 9日开始 ,每隔 24 h采样
一次 ,直至种子成熟 ,历时 3个月。
1. 2　方　法
1. 2. 1　石蜡切片法　采用常规制片法。材料采集后
于纳瓦兴固定液固定 ,酒精系列脱水、透明、浸蜡、包
埋、切片 (厚度 8～ 10μm) ,铁矾苏木精染色 ,发育中
后期得样品加 PAS反应法 , Leica DMLB型显微镜
观察并摄影。
1. 2. 2　扫描电镜法　对接近成熟的花药采用
KYKY-2800型扫描电镜 ,观察花粉粒形态及花药
内部结构。材料用液氮冷冻干燥 ,置于冷台样品室 ,
观察并摄影。
1. 2. 3　花粉萌发力测定　花粉的培养基为蔗糖、
0. 6%琼脂和 0. 01%硼酸 ,分设 5个蔗糖浓度梯度 ,
即 15% , 20% , 25% , 30%和 35%。 分别撒上刚采集
的花粉 ,置于 27℃培养箱中 ,保持一定湿度 ,培养 2
d,观察花粉的萌发情况 ,并记录 ,如此重复 5次。
在光学显微镜下对石蜡切片中花粉异常率进行
统计 ,并在种子成熟后计测各穗结实率。
2　观察结果
2. 1　花药壁发育
从华山新麦草雄蕊原基的横切面上可看到一层
DOI : 10. 16152 /j . cnki . xdxbzr . 2002. 01. 025
表皮下一群分裂活跃的细胞 (图版Ⅰ , 1) ,随后 , 4个
角隅处表皮下分化出一个孢原细胞 (图版Ⅰ , 2)。孢
原细胞平周分裂 ,形成壁细胞和造孢细胞。壁细胞分
裂分化形成一层药室内壁 ,一层中层和一层绒毡层 ,
与表皮层一起构成完全分化的花药壁 (图版Ⅰ , 3,
4)。
表皮细胞 ,从横切面和纵切面上看 ,发育初期为
径向较长的立柱或近乎等径的正方形 ,以后逐渐切
向延长而径向缩短呈扁平状 ,以适应内部组织的增
长。表面有角质层 ,并有许多与花药纵轴平行的凹凸
而波曲的棱线。 在横切面上看 ,并伴有微小的锯齿
(图版Ⅱ , 18)。
药室内壁 ,位于表皮下方 ,一直保存到花药成熟
开裂。在单细胞花粉后期 ,开始在内切向壁和径切向
壁上出现纤维状加厚 ,在横切面 (图版Ⅱ , 18)和纵切
面 (图版Ⅱ , 19)均可见到。 在二细胞花粉时期 ,药室
内壁细胞中有颗粒状贮存物 ,颗粒大 ,数量多 ,分布
在整个细胞中 (图版Ⅱ , 16) ,到成熟花粉时期 ,这些
物质仍可见到 ,但较少 ,围绕在细胞壁附近 (图版Ⅱ ,
17) ,经高碘酸 -希夫试剂染色后 ,显 PAS正反应 ,推
测颗粒状贮存物质为淀粉。
中层:中层停止生长较早 ,在花粉母细胞减数分
裂前逐步解体 ,被吸收。
绒毡层位于最内层直接与花粉相邻。 在发育初
期 ,单核 ,与其他壁层细胞无明显区别 (图版Ⅰ , 3) ,
但至小孢子母细胞时期 ,体积增大 ,细胞质浓厚 ,后
来 ,进行一次核分裂 ,成为双核细胞。 绒毡层细胞在
小孢子发育后期开始解体。二胞花粉期 ,可看到一些
绒毡层细胞解体后残留贴于药壁 ,成熟花粉的药壁
中绒毡层基本消失。绒毡层细胞大小、形态均匀一
致 ,表明来源相同 ,位置基本固定 ,属于腺质型绒毡
层。扫描电镜观察 ,在小孢子发育后期 ,绒毡层朝药
室一侧的壁上可见到一些清晰的颗粒状结构 ,直径
0. 55μm左右 ,外形似圆球 ,上有数个小刺状突起
(图版Ⅱ , 20, 21) ,从分布位置和形态上类似于小麦
的乌氏体 [3 ]。
从上述花药壁各层的发育变化看 ,表皮一直维
持。药室内壁起初为薄壁细胞 ,以后随着体积增大 ,
其壁上纤维状 ,并有贮存物加厚。中层细胞短命 ,在
小孢子母细胞减数分裂前逐步解体。 绒毡层在小孢
子发育后期开始解体。因此 ,成熟花粉粒的药壁只剩
下表皮和纤维状加厚的药室内壁。
2. 2　小孢子及雄配子体发育
造孢细胞经数次有丝分裂形成小孢子母细胞 ,
小孢子母细胞减数分裂形成小孢子。小孢子母细胞
减数分裂 ,第一次分裂后形成细胞壁把二子核隔开
为二分体 ,二分体再经一次分裂形成四分体。此种胞
质分裂方式为连续型。
四分体时期小孢子没有明显的液泡 ,四分体为
共同的胼胝质包围 , 4个小孢子之间也为明显的胼
胝质壁所分开 (图版Ⅰ , 7)。华山新麦草的四分体几
乎均为左右对称型。 由于小孢子母细胞的分裂有严
格的方向性 ,即第一次分裂方向与花药纵轴平行 (图
版Ⅰ , 6, 9) ,第二次分裂方向与花药纵轴垂直 ,并且
同一药室小孢子母细胞的减数分裂高度同步 (图版
Ⅰ , 9) ,故在横切面上可看到四分体的 2个小孢子
(图版Ⅰ , 8) ,在纵切面上 ,为“田”字形四分体 (图版
Ⅰ , 7)。以后 ,四分体相互分开成为单核小孢子 (图版
Ⅰ , 10)。
小孢子进一步发育 ,经一次不均等分裂形成二
细胞花粉 ,二细胞花粉内生殖细胞呈透镜状 ,贴于壁
内侧 (图版Ⅱ , 11) ,随后 ,游离于营养细胞质中 ,再进
行一次有丝分裂形成两枚精子 ,这样成熟花粉为 3-
细胞型。每粒花粉具一个萌发孔 ,成熟的花粉粒直径
20μm左右。
精子为柳叶形或眉形 ,大多是两条精子平行位
于营养核的一侧 (图版Ⅱ , 14) ,也有两条精子呈眉状
“八”字形排列 (图版Ⅱ , 15)。
连续 3年切片观察表明 ,从二细胞花粉时期开
始 ,有许多花粉原生质体收缩、变形 (图版Ⅱ , 12)或
质壁分离 (图版Ⅱ , 13)。 有的进一步收缩成一团 ,最
后变瘪 ,有的原生质体完全解体为空虚的花粉粒。经
花粉生活力测定 ,结果表明花粉萌发率 2%左右。石
蜡切片观察统计显示 ,花粉异常率 (主要包括肉眼可
辨的产生质壁分离的、变形的和空瘪的花粉数 )为
60% ～ 70%。经对成熟华山新麦草的麦穗统计 ,结实
率仅为 7%～ 15% 。可以说明 ,华山新麦草花粉败育
现象较为严重 ,从而结实率偏低。
3　讨　论
华山新麦草花药具 4个花粉囊 ,小孢子母细胞
减数分裂为连续型 ,小孢子四分体为左右对称型 ,成
熟花粉粒为 3-细胞型 ,这些特征与小麦相同 ,与前
人研究的禾本科的胚胎学特征基本一致 [4 ]。 华山新
麦草的成熟花粉粒与小麦基本相同又略有差异 ,均
含有两枚精子和一个营养细胞 ,但它们的相对位置
不同。我们在 3年的大量切片中 ,观察到华山新麦草
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精子排列存在两种情况。一种是两枚精子近乎平行
位于营养核一侧 ,与小麦相似 ,华山新麦草大多数花
粉粒属此类 ,从花药横切 (图版Ⅱ , 13)和纵切 (图版
Ⅱ , 14)可以说明。 另一种是华山新麦草有少数花粉
的两条眉状精子呈“八”字形排列 (图版Ⅱ , 15)。
华山新麦草花粉发育后期 ,主要在近双核期 ,许
多花粉原生质体收缩 ,质壁分离或变形 ,有的解体成
为空瘪 ,表现为花粉败育。有较多研究将花粉败育归
因于绒毡层异常 [ 5] ,理由是绒毡层对小孢子的发育
有营养功能。 有些植物如小麦、大麦、水稻、高粱、甜
菜、亚麻、胡萝卜 [5 ]等的不育系花药绒毡层发育不正
常 ,有绒毡层肥大生长、延迟退化或提早解体等反常
行为。 但是 ,也有人认为花粉败育与绒毡层关系不
大。北京大学生物学系植物遗传育种专业 [6 ]对小麦
雄性不育研究认为花粉败育发生在小孢子发育后期
以后 ,而此时绒毡层是正常的 ,二者并无直接关系。
本研究表明 ,华山新麦草花粉败育时期在近双核期 ,
而此时从绒毡层形态、结构、存在时期、分布位置来
看未发现异常 ,故认为华山新麦草花粉败育与绒毡
层关系不大 ,与前人对小麦的研究结果一致 [5, 6 ]。
大部分植物花药发育后期 ,药室内壁纤维状加
厚 ,是花药开裂的一种适应机制 ,一般不具备储存物
质 ,但有些植物不育系如玉蜀黍 ( Zea mays L. ) [7 ]、
萝卜 (Raphanus sat ivus L. )、大葱、百合 ( Lil ium ) [8 ]、
木豆 (Cajanus cajan ( L. ) Mi llsp. ) [9 ]等 ,它们的药室
内壁细胞贮存代谢产物如脂类、糖类等 ,并且这些不
育系花粉败育 ,表现为药室内壁纤维层组织十分发
达 ,华山新麦草有类似现象。 根据我们观察 ,华山新
麦草在花粉发育近双核时 ,药室内壁纤维状加厚 ,并
贮存大量颗粒状物质 ,这些物质可能部分来源于绒
毡层。绒毡层外接药室内壁 ,内邻花粉粒 ,因此 ,它提
供的养料同时被药室内壁和花粉粒吸收 ,由于药室
内壁强烈的加厚和大量颗粒状物质储积 ,从而绒毡
层提供的营养较多地转向位于其外侧的药室内壁 ,
有可能导致位于内侧的小孢子争取不到足够的发育
需要的营养 ,而使原生质体收缩变形 ,以致解体 ,最
后花粉粒空瘪败育。 因此 ,可以认为 ,花粉发育后期
的营养竞争可能是导致华山新麦草花粉败育的主要
原因。
华山新麦草濒危的原因是复杂多样的 ,是其自
身的生物学特性、地理环境和历史人文等因子综合
作用的结果 [10 ]。 从生殖生物学角度分析 ,通过对其
花粉形成过程的研究 ,发现在发育后期 ,部分花粉粒
发育异常。其花粉萌发率 2%左右 ,花粉异常率 60%
～ 70% ,自然条件下结实率在 10%左右。 可见花粉
败育严重 ,结实率也非常低 ,花粉生活力低下。一般
来说 ,有性生殖有利于植物对不同环境的适应能力 ,
因而可以保证植物的兴旺发达、种族延续、长期生
存。 花粉的正常发育是实现受精结实有性生殖的保
证。 华山新麦草高比例的花粉败育对其有性生殖有
影响 ,但不能直接阻碍有性生殖 ,这可能不是构成华
山新麦草濒危的主要原因。
参考文献:
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(编　辑　徐象平 )
—79—　第 1期　　　　　　　　　　　　张林静等:华山新麦草小孢子发生及雄配子体的形成　　　　　　　　　　　　　　　
The microsporogenesis and male gamephyte development of
psathyrostachys huashanica Keng
ZHANG Lin-jing
1, 2
, W ANG Li
1
, LI Zhi-xuan
1
, ZHAO Gui-fang
1
( 1. Co lleg e o f life science, Biodiv e rsity resea rch cente r o f Qinling M ts. , No rthw est Unive rsity , Xi′an 710069, China; 2.
Depar tment of Bio log y , Shanxi Normal Univ er sity , Linfen, Shanxi 041004, China)
Abstract: The micro spo rogenesis and the male gametophyte development of psathyrostachys huashanica
Keng w ere observ ed by means o f paraff in , SEM ( Scanning Elect ron Microscope) and others. The resul ts
show that microsporal mother cells divide acco rding to successiv e type, tetrads range symmetrically , po llens
get mature at 3-celled stage, these cha racteristics a re in line w ith that of Tri ticum. At the late period of
pollen development , nut ri tional competi tio n betw een endo thecium and pol len g rains is probably the main
reason fo r po llen abo rtion nea r two-celled stag e. Po llen part ly abor ting has impact on sexual reproduction,
but cannot di rect ly prevent f rom i t. Therefo re , pollen abortion is probably not the main reason fo r
endangering o f psathyrostachys huashanica Keng.
Key words: psathyrostachys huashanica; microspro genesis; male gameptophyte fo rmation; po llen abo rtion
图　版　说　明
图版Ⅰ : 1.雄蕊原基× 1 043; 2.孢原细胞× 1 289; 3.发育中的药壁 3层细胞× 1 100; 4.完全分化的药壁× 1 360; 5.小孢
子母细胞准备减数分裂× 1 785; 6.减数分裂中期Ⅰ (纵切 )× 1 600; 7.四分体 (纵切 )× 2 400; 8.横切面上看到四分体的 2个小
孢子× 1 218; 9.同一花粉囊减数分裂同步× 1 760; 10.单核花粉粒× 1 412;
图版Ⅱ : 11.二细胞时期花粉粒× 1 187; 12.二胞花粉粒原生质体收缩细胞变形× 1 120; 13.横切面上成熟花粉粒× 973;
14.纵切面上成熟花粉粒× 1 116; 15.两条眉状精子呈“八”字形排列× 1 200; 16.发育前期药室内壁储存大量颗粒状物质×
1 230; 17.发育后期颗粒状物质减少 ,只围绕在细胞壁周围× 1 556; 18.药室内壁纤维状加厚 ,表皮波曲具锯齿 (横切 )× 1 293;
19.纵切面上药室内壁纤维状加厚× 1 023; 20.乌氏体× 5 000; 21.乌氏体× 2 000
·学术动态·
我校“国家基础学科人才培养基地”建设成效显著
近年来 ,我校把基地作为学校的“特区”和“ 211工程”重点学科建设项目 ,累计投入 1 032万元专项经费 ,
用于基地的各项建设。 与此同时 ,学校和基地对院系所在基地专业进行了深层次的教学改革。 比如: 改革招
生制度、采取招收优秀保送生、实行提前单独录取、减免学杂费等措施 ,多渠道吸引优秀生源 ;配备具有高级
职称的教师承担教学工作 ,实行班主任和导师双重管理制 ,精心组织教学 ,强化教学管理 ;在借阅图书、扩大
奖学金比例等方面 ,给予基地班政策上的倾斜 ,实行本科—硕士分流培养 ,把激励与竞争机制引入学生的学
习中。
这些改革措施取得了可喜成果 ,基础学科专业的生源有了保证 ,人才培养质量不断提高。从 1994年起 ,
“基地”专业学生的入学成绩比重点院校录取分数线平均高出 40分以上。从考取和保送研究生的比例来看 ,
基地班已毕业的 246名学生 ,有 161名学生攻读硕士学位 ,占学生总数的 65. 4% ;物理学首届基地班毕业 16
名硕士生 , 14名报考攻读博士生 ,全部被录取 ,其中 85%考入国家一流科研院所和重点高校 ,第二届基地班
毕业的 14名硕士生 ,今年又全部考取博士生。 另外 ,一些特优人才也已脱颖而出。对此 ,教育部和社会给予
了广泛肯定和赞誉 ,《中国教育报》、《光明日报》、《中国青年报》等媒体 ,都多次对我校基础性人才培养所取得
的成绩进行了报道。在教育部和国家自然科学基金委组织的两次基地中期评估中 ,我校 4个基地都顺利通过
了国家评估 ,地质学基地还取得了优秀的好成绩。 (薛　鲍 )
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