全 文 ：1998年 10月
第 35卷第 5期
四川大学学报 (自然科学版 )
Journal o f Sichuan Univ ersity ( Na tural Science Edition)
Oct. 1998
Vol. 35 No. 5
攀枝花苏铁 (Cycas Panzhihuaensis L .
Zhou et S. Y. Yang )生殖生物学特性研究
—— 大孢子发生、受精前雌配子体及颈卵器的发育*
李 平 李旭峰 杜林方
(四川大学生物系 )
吴先军* *
(四川农业大学水稻研究所 )
摘要 报道了 C. panzhihuaensis胚珠的结构 、发育和受精前的雌配子体及颈卵器的发育 .幼小
胚珠由珠被、珠心组织组成 ,珠心组织内的功能大孢子经多次分裂形成游离核的雌配子体 ,最终
形成细胞的雌配子体 .人工授粉 15d后 ,颈卵器开始发育 ,颈卵器由 2个颈细胞和 1个中央细胞组
成 ,通常 2个颈卵器能正常发育 .
关键词 攀枝花苏铁 ,大孢子发生 ,雌配子体 ,颈卵器
中图法分类号 Q944. 4
攀枝花苏铁 (C. panzhihuaensis L. Zhou et S. Y. Yang )隶属苏铁科 ( Cycadaceae)苏铁属
( Cycas) ,是本世纪 70年代在我国金沙江流域发现的新种 [ 1] ,是世界上现存苏铁属植物自然分
布最北界 (北纬 26°36′～ 28°30′)的野生种 [ 2 ] ,该区域也是世界上面积最大 ( 1168hm2 )、数量最多
( 23万株 )的天然苏铁林 [3, 4 ] .在地史上 ,苏铁植物大量繁盛于中生代白垩纪末 ,随着被子植物的
兴盛 ,苏铁类植物大量灭绝 ,而 C . panzhihuaensis却历经了第三纪造山运动和第四纪冰川 ,繁
衍保留至今 ,实属罕见 .因此 ,它对研究古地理的变迁及其生物的演化有着重要意义 ,作为研究
珍稀古老物种基因更有不可替代的价值 [5 ] .此外 ,虽然该种起源古老 ,但在金沙江干热河谷的
特殊生态环境条件下因其种质的变异 ,故其染色体核型与其它种不同 ,被认为是一个新的类
型 .在外部形态上 ,也与其它种存在显著差异 ,是一个“好种” [ 6] .从发现该物种至今 ,其数量渐
减 ,除人为破坏外 ,是否还有内存的机制影响?为探索其致濒内在因素 ,研究其生殖生物学特
性 ,可为保护和持续利用珍稀植物提供科学依据 .
1 材料和方法
1. 1 材料
攀枝花苏铁采自四川省攀枝花市苏铁迁地保护中心 .
1. 2 方法
本文于 1998年 3月 4日收到
* 国家自然科学基金重大研究项目 ( 3939150) ,四川省科委资助的重点研究项目
* * 在四川大学攻读研究生期间参加该项目研究
按不同发育时期 ,间隔一定时间切取胚珠 , FPA固定 ,苯胺蕃红水溶液整体染色 ,并按常规石
蜡切片程序包埋 ,切片厚 8～ 10μm, PAS+ 爱氏苏木精稀释液染色 ,系列脱水 ,封片后观察摄
影 [7 ] .
2 观察结果
2. 1 胚珠的结构和发育
胚珠直生 ,珠柄不明显 ,着生在大孢子叶羽片下面叶轴的两侧 ,通常 4～ 6枚 (图版 -1) .成熟
的胚珠由珠被、珠孔、珠心喙、珠心组织和雌配子体组成 (图版 -1) .珠被分为三层 ,外层和内层
为肉质层 ,中层由坚硬的石细胞组成 ,以后珠被发育成种皮 .外层珠被由表皮、薄壁组织、单宁
细胞及粘液道组成并含有不分枝的维管束 ;内层珠被仅由薄壁组织和单宁细胞组成 ,不具粘液
道 ,有一束二叉分枝的外韧型维管束分布 .珠被在发育过程中由下向上生长 ,在顶部不汇合 ,形
成珠孔 ;珠心组织位于珠被以内 ,呈园球形 ,由薄壁细胞组成 ,中部细胞较大 ,排列稀疏 ,周围细
胞较小 ,排列紧密 .在珠心组织顶端有似种子蕨珠心柱的尖锐突起 ,称为珠心喙 ,此特征可认为
是苏铁胚珠形态演化中的原始性遗迹 (图版 -2) ,随着胚珠的发育 ,珠孔端的珠心喙周缘的表皮
细胞径向伸长 ,细胞内充满单宁物质 ,中间区域的珠心细胞解体 ,形成凹陷区域 ,成为传粉后贮
藏花粉的贮粉室或花粉室 ,并与珠孔道相联接 (图版 -2, 3) .
在游离核的雌配子体早期 ,胚珠已分化出珠被、珠心和珠心喙 ,此时的几层珠被分化不明
显 .随着发育 ,珠心可分为两层 ,外层珠心细胞小 ,排列紧密 ,与珠心喙相连 ,内层珠心组织由十
余层体积较大排列稀疏的珠心细胞构成一椭圆形区 ,细胞中充满淀粉粒 , PAS呈正反应 .雌配
子体发育的营养主要来自内层珠心组织 ,因此 ,称为营养套层 ( nut ri tiv e jacket ) [8 ] .在营养套层
中 ,外层的几层细胞排列紧密 ,中间的细胞体积较大 ,且液泡化 ,最内层细胞常呈解体状态 ,随
着胚珠发育 ,营养套层细胞由内向外逐渐解体直至耗尽 (图版 -4, 5) .
2. 2 大孢子发生
根据我们 1992～ 1996的连续采样观察表明 ,C . panzhihuaensis在每年的 03-30～ 04-10左
右大孢子发生 ,此时的大孢子叶球极幼小 ,深埋陷在茎顶端的鳞叶之下 ,幼小的胚珠为乳白色 ,
已分化出珠被、珠心组织和珠心喙 .在珠心中央 ,有一个体积较大的细胞 ,其核大、细胞质浓稠 ,
即造孢细胞 ,它可从周围珠心组织中吸收营养 ,从而体积不断增大 ,并发育成大孢子母细胞 (图
版 -4, 5) .大孢子母细胞经二次减数分裂后 ,形成 4个直列的大孢子 ,随着发育 ,近珠孔端的 3个
大孢子逐渐退化 ,而合点端的那个大孢子 ,发育成有功能的大孢子 ,此时的大孢子叶球突出于
鳞叶之上 .
2. 3 受精前的雌配子体发育
雌配子体的发育始于功能大孢子核分裂 .随着发育 ,功能大孢子的体积显著膨大 ,紧接着
大孢子核进行一次有丝分裂后 ,形成二个游离核 ,之后又进行一系列的同步分裂 ,但不伴随有
壁的形成 ,大量的游离核处于共同的细胞质中 [ 9] ,游离核时期可持续六个月以上 ,随着胚珠发
育 ,大孢子囊也急骤增大 ,产生的游离核数目增多 ,并随着中央液泡的出现 ,游离核和细胞质沿
着大孢子囊的周沿分布 (图版 -6～ 8) ,当游离核达到一定数量后 ,在雌配子体的下端开始形成
细胞壁 ,将游离核分隔成细胞 ,最后形成细胞的雌配子体 .经观察 ,在人工授粉 20h后 ,即可见
到雌配子体周缘游离核开始形成细胞 ,并逐渐向中央推移 .成熟雌配子体细胞的形状、大小各
异 ,通常边缘的细胞小 ,排列紧密 ,而中部的细胞较大 (图版-9) .在游离核的雌配子体形成细胞
770 四川大学学报 (自然科学版 ) 第 35卷
雌配子体的同时 ,珠心最内一层的细胞排列整齐 ,略径向延长 ,其核大 ,细胞质浓稠 ,其内富含
淀粉粒 , PAS呈阳性反应 ,该层形成胚乳套层 ( endo sperm jacket ) ,紧紧地围绕着雌配子体 ,并
在雌配子体后期发育中 ,起着提供营养的功能 .
在雌配子体之外 ,包围着一层似蕨类植物的大孢子鞘的膜 ,即大孢子膜 .据报道 [10 ]:大孢
子膜有两层 ,外层是栓质化的 ,内层则含多种化合物 ,靠近雌配子的一面含果胶质 ,中间含纤维
素 ,与胚乳套层相邻处含栓质 .C . panzhihuaensis的大孢子膜厚 ,具孔 , PAS反应呈阳性 ,其细
致结构值得研究 .至此 ,受精前的胚珠由珠被、珠心喙、珠孔、花粉室、珠心、胚乳套层及大孢子
膜包围的雌配子体组成 .
2. 4 颈卵器的形成
在人工授粉 15d后 ,细胞的雌配子体已形成 ,并观察到颈卵器开始发育 ,即由雌配子体顶
部 (珠孔端 )第一层的个别细胞分化为颈卵器原始细胞 ,该细胞较周围的细胞横向伸长 ,体积较
大 ,核大 ,细胞质浓稠 ,原始细胞经一次不均等平周分裂 ,形成 2个大小不等的细胞 ,上面 1个较
小 ,即初生颈细胞 ,下面 1个大的是中央细胞 .中央细胞的细胞质浓稠 ,并充满大小不等的液泡 ,
在其顶部 ,有一含有较大核仁的细胞核 .初生颈细胞小 ,其上是凹陷的颈卵器室 (图版 -10) .授
粉 32d后 ,初生颈细胞进行垂周分裂 ,形成二个并列的颈细胞 ,突出于雌配子体之上 (图版 -
11) .通常认为 [11 ] , 2个颈细胞是苏铁目植物的共同特点 ,在以后的研究中发现 ,包含 Cyces属在
内的苏铁植物颈卵器的颈是由四个颈细胞组成 . C. panzhihuaensis的颈细胞是由二个颈细胞
组成 ,而且 ,颈卵器成熟时 ,颈细胞长大 ,向外突出到颈卵器室中 ,与文 [12, 13]对 C. circinalis
的报道类同 .
颈卵器形成后 ,中央细胞迅速增大 ,且高度液泡化 ,颈卵器外的一层雌配子体细胞分化为
包围着颈卵器的套层 ( jacket lay er) ,该层细胞小 ,排列紧密 ,细胞核较大 ,细胞质内富含淀粉
粒 , PAS反应呈阳性 (图版 -10) .与文 [10]的报道类同 ,大孢子膜与颈卵器套层紧密接触 ,由于
大孢子膜上具孔 ,因此 ,相邻的颈卵器套层的细胞质可通过孔“伸入”到中央细胞 ,似吸器 ,便于
雌配子体向中央细胞输送营养物质 (图版-11) .授粉 41～ 45d后 ,中央细胞体积进一步膨大 ,液
泡多而密集 ,在授粉 65d后 ,颈卵器已达到成熟 ,颈卵器长 1. 82mm,宽 0. 6～ 0. 8mm ,中央细胞
长 1. 51mm,宽 0. 5～ 0. 7mm[9 ] ,核膜皱折 ,核膜内表面分布许多颗粒状物质 ,中央细胞边缘的
细胞质浓稠 ,含有一些性质和作用不明的颗粒状物质 ,中央细胞具内突壁 ,可从套层细胞中吸
收营养 (图版 -12) .
2. 5 胚珠发育的时间进程
苏铁类植物的大孢子是在大孢子叶原基的起源时间发生的 ,根据我们 1992～ 1996年对 C .
panzhihuaensis授粉前、后胚珠的观察 ,其发育进程如附表 .
附表 攀枝花苏铁胚珠发育的时间进程
时 期 胚珠发育时期 胚珠长度 ( m m)
1993 03-30～ 04-02
1994 04-10～ 04-11
1995 04-01～ 04-02
1996 04-08～ 04-10
胚珠发生 1
771第 5期 李平等: 攀枝花苏铁 (Cycas Panzhihuaensis L . Zhou et S. Y. Yang )生殖生物学特性研究
(续附表 )
1993 03-30～ 04-05
1994 04-11～ 04-12
1995 04-02～ 04-05
1996 04-11～ 04-12
大孢子母细胞形成至减数分裂 1～ 2
1993 04-06～ 04-08
1994 04-12～ 04-15
1995 04-05～ 04-06
1996 04-12～ 04～ 13
大孢子四分体形成 3～ 4
1993 04-08～ 04-10
1994 04-13～ 04-15
1995 04-06～ 04-08
1996 04-13～ 04-14
功能大孢子发育 4～ 5
1993 04-12～ 05-20
1994 04-17～ 05-16
1996 04-13～ 05-18
雌配子体游离核分裂 5～ 12
1992 05-15～ 05-20
1993 05-20～ 05-25
1994 05-20～ 05-30
细胞的雌配子体形成 ,颈卵器原始细胞发育 15～ 17
1992 05-18～ 05-22
1993 05-25～ 05-30
1994 05-25～ 06-04
1996 05-20～ 06-01
颈卵器形成 17～ 18
1992 05-20～ 07-15
1993 05-25～ 07-20
1994 05-25～ 07-25
1995 05-25～ 07-30
1996 05-20～ 06-01
颈卵器中央细胞发育 18～ 25
1993年 7月下旬
1994年 , 1995年
9月上旬
1996年 8月下旬
受精作用 ,胚胎发生至分化 23～ 26
3 讨论
1.苏铁类植物雌配子体在发育过程中 ,其游离核停止分裂时的数目因种不同而异 ,据报
道 [10, 12, 13 ] ,在 C. circinal is的幼小胚珠中 ,可以看到分裂仅 5次以上的游离核时期的雌配子体即
开始形成细胞 ,在 Dioon edude游离核停止分裂并形成细胞时 ,大约有 1000个游离核 , En-
cephalartes poggei超过 3000个 ,而在 C. revoluta中 ,仅 256个核即开始形成细胞 ,虽然 ,C .
panzhihuaensis人工授粉 20h后 ,即可见到雌配子体周围的游离核开始形成细胞 ,但常见其游
离核的持续时期一般在 6个月以上 ,且游离核数目多 ,难以计算 .从游离核雌配子体发育至细胞
雌配子体形成的时间较长 ,若在此段期间 ,环境条件发生变化 ,是否会导致胚珠败育?这是值得
进一步研究的问题 .
2.在人工授粉 20h后 ,可见雌配子体下端的大孢子囊壁向内皱折 ,可形成似壁内突 ,并渐
延伸 ,将游离核包围 ,形成细胞 .细胞壁形成的过程极似被子植物核型胚乳细胞壁的形成方式 .
3.在雌配子体发育过程中 ,从珠被、珠心组织和胚乳套层中淀粉粒呈向心递减的趋势 ,可
推测胚乳套层起着似绒毡层的作用 ,其提供营养物质的方式不是“消耗”自己 ,而是以胞间转运
的形式 ,将珠心 ,甚至珠被中的营养物质运至雌配子体 .
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图版说明
1.幼嫩大孢子叶轴纵切 ,示幼小胚珠 (↑ )着生在叶轴两侧 ,胚珠直生 ,珠柄不显著 ,× 60; 2.幼小胚珠的珠孔端
纵切 ,示珠被、珠孔 ,珠孔道及在珠孔中由粘液状物质包裹的花粉粒 (↑示 ) ,× 60; 3.幼小胚珠 (下部 )纵切 ,示
珠心喙 ,花粉室 (花粉室中的花粉粒↑示 )珠心组织及游离核分布在大孢子膜内侧 (↑示 ) ,× 60; 4.幼小胚珠纵
切 ,示珠心组织中心的大孢子母细胞 (↑示 ) ,× 150; 5.幼小胚珠纵切 ,示大孢子母细胞第一次有丝分裂后形成
的两个游离核 ,× 75; 6.幼小胚珠纵切 ,示游离核分布在细胞质中 (↑示 ) ,周围是营养套层 (↑示 ) ,× 75; 7.幼
小胚珠纵切 ,示珠孔道 (↗示 )、珠心喙 (↑示 )、珠心及游离核的雌配子体 ,× 30; 8.是图 7的放大 ,示游离核的雌
配子体、周围的营养套层及营养套层外围退化的珠心细胞 (↑示 ) ,× 75; 9.人工授粉 20h后的胚珠纵切 ,示游
离核的雌配子体向心地形成细胞 ,× 75; 10.人工授粉 20d后的胚珠纵切 ,示颈卵器结构 ,颈卵器套层已形成 ,
× 30; 11.人工授粉 32d后的胚珠纵切 ,示颈卵器及颈卵器套层结构 ,中央细胞高度液泡化 ,细胞核位于细胞顶
部 ,× 75; 12.人工授粉 65d后的胚珠纵切 ,示成熟的颈卵器 ,↑示二个颈细胞 ,× 30
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参 考 文 献
1 周林 ,杨思源 ,傅立国等 .植物分类学报 , 1981, 19( 3): 335～ 338
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4 管仲天 .中国苏铁植物 .成都:四川科技出版社 , 1996
5 徐仁等 .中国晚三叠世宝鼎植物群 ,北京:科学出版社 , 1979
6 杨涤清 ,朱燮桴 .植物分类学学报 , 1985, 23( 5): 352～ 354
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11 K. N .墨叶尔著 ,吴长春等译 .颈卵器植物分类学 .北京: 高等教育出版社 , 1959
12 Chamberlain C J. Cymnospo rms, St ructure and Clolution, Johnson Reprint Co rp. New York, 1935
13 Swamy B G L. Ame r. J. Bo t, 1948, 35( 2) 77～ 88
STUDIESON REPRODUCTIVE BIOLOGYOFCYCAS PANZHIHUAENSIS
L. ZHOU ET S. Y. YANG——Ⅰ MEGASPOROGENSIS AND FEMALE GAME-
TOPHYTE, ARCHEGENIUM ON THE BEFORE OF FERTILIZATION
Li Ping Li Xuf eng Du Linf ang
( Dept. of Bio logy , Sichuan Univ ersi ty )
Wu X ianjun
( Rice Research Insti tute, Sichuan Ag rical ture Univ ersi ty )
Abstract The autho rs repo rt the st ructure and development of the Ovule of C. panzhi-
huaensis and the development of the female gametophyte and a rchegonium on the before of
the fertilization. The f ree nuclear female gametophy te comes f rom the fission of the function
megaspore, and then fo rms cell gametophyte. Af ter the po llina tion 15 days, the development
o f archegonium begins, and two neck cells and one central cell comprise an a rchegonium.
Usually , the development of tw o archegonia can be prog ress no rmally.
Key words Cycas panzhihuaensis , megaspo ro gensis, female gametophyte, archegonium
775第 5期 李平等: 攀枝花苏铁 (Cycas Panzhihuaensis L . Zhou et S. Y. Yang )生殖生物学特性研究