全 文 ：文章编号:1001 － 4829(2015)03 － 1246 － 05 DOI:10． 16213 / j． cnki． scjas． 2015． 03． 061
收稿日期:2014 － 01 － 26
基金项目:国家自然科学基金项目(31360489);云南省青年基
金项目(2013FD063);国家科技部 863 项目(2011AA100208);
云南省科技计划项目(2012BB011);国家观赏园艺工程技术研
究中心 (2012FU125X10);云南省农业科学院创新团队
(YAAS2014TD002)
作者简介:郑 洁(1990 －)，女，硕士研究生，研究方向为园林
植物与观赏园艺，* 为共同第一作者，＊＊为通讯作者，E-
mail:jiawenjie917@ aliyun． com。
东方百合可育品种及其不育突
变体花药形成的细胞学观察
郑 洁1，2，王有国1 * ，崔光芬2，王祥宁2，蒋亚莲2，
马璐琳2，段 青2，杜文文2，贾文杰2 ＊＊
(1．云南农业大学园林园艺学院，云南 昆明 650201;2．云南省农业科学院花卉研究所，云南 昆明 650205)
摘 要:为从细胞学角度研究东方百合雄性不育的机理，本试验利用石蜡切片法对东方百合雄性可育品种及其不育突变体花药发
育过程进行比较研究，确定不育突变体花药败育时期及方式。观察结果表明:正常东方百合可育品种的花药，经过造孢细胞、花粉
母细胞、四分体、单核花粉粒等时期，获得成熟的花粉粒;在花粉母细胞阶段，不育突变体花药的绒毡层即停止发育开始解体，花粉
母细胞不能进行正常的减数分裂形成四分体，随着花药的发育，花粉母细胞高度液泡化并逐步解体。研究认为:东方百合不育突
变体花粉败育可能发生在花粉母细胞时期，与绒毡层的提前解体有关。
关键词:东方百合;不育突变体;花粉母细胞;绒毡层
中图分类号:S682． 2 + 65 文献标识码:A
Cytological Observation of Anther Formation of Lilium
‘Oriental Hybrids’Normal Line and Male Sterile Mutant Line
ZHENG Jie1，2，WANG You-guo1 * ，CUI Guang-fen2，WANG Xiang-ning2，JIANG Ya-lian2，
MA Lu-lin2，DUAN Qing2，DU Wen-wen2，JIA Wen-jie2 ＊＊
(1． Gardening Forestry College of Yunnan Agricultural University，Yunnan Kunming 650201，China;2． Flower Ｒesearch Institute，Yunnan
Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Kunming 650205，China)
Abstract:In order to research the mechanism of male sterility about Lilium‘Oriental Hybrids’，the period and the way of the anthers abor-
tive were researched by using paraffin section． Through comparing the difference to anther development process between male sterile mutant
line and normal line，the results showed that in the normal line，a mature pollen needed through 4 stages which were sporogenous cell，mi-
crosporocyte，tetrad，mononuclear pollen stage respectively． However，the tapetum of male sterile mutant line collapsed during microsporo-
cyte stage，and meiosis of microsporocyte could not perform and tetrad could not form． With the developing of anther，the microsporocyte
would be vacuolization and gradually broke up． The abortion of Lilium‘Oriental Hybrids’may occur during the period of microsporocyte and
be related to tapetum disintegrate．
Key words:Lilium‘Oriental Hybrids’;Male sterile mutant line;Anther;Tapetum
百合(Lilium spp．)是百合科(Liliaceae)百合属
(Lilium)的多年生草本球根花卉，品种繁多，栽培历
史悠久，是世界著名的球根花卉之一。百合因花型
奇特、色泽高雅、叶色青翠深受人们喜爱。其中，东
方百合，以其花大与浓郁独特香味，作为一种高档切
花材料，市场需求量较大［1］，美中不足的是花药开
裂后，携带大量色素的花粉散落，对花瓣及环境造成
污染，极大地影响了花朵的观赏性和应用性。因此
培育雄性不育的百合品种，减少花粉污染，已成为百
合育种的一个重要目标［2］。
植物的雄性不育现象是自然界的普遍现象。目
前，已在植物 43 个科、162 个属的 617 个物种中发
现了雄性不育植株［3 ～ 4］。关于花粉败育的方式和时
期，前人做了很多工作。按花药受阻的时期和方式
可将植物雄性不育系分为无花粉囊型、花粉母细胞
6421
西 南 农 业 学 报
Southwest China Journal of Agricultural Sciences
2015 年 28 卷 3 期
Vol. 28 No. 3
败育型和单核花粉败育型 3 类败育类型［5］。梁燕和
王鸣［6］对结球白菜波里马胞质不育系的花药发育
进行细胞学研究，发现其花药发育受阻于孢原时期，
杨晓云和曹寿椿［7］对不结球白菜波里马胞质雄性
不育系花药发育研究发现其受阻于孢原细胞分化
期，没有孢原细胞分化，没有形成药室，属于无花粉
囊型败育;杨光圣等［8］对甘蓝型油菜显性细胞核雄
性不育系宜 3A 花药发育进行显微结构观察，发现
败育发生于花粉母细胞阶段，属于花粉母细胞败育
型;朱惠霞等［9］对花椰菜细胞质雄性不育系 09-Ｒ9
花药发育进行细胞学研究，发现败育发生在花粉母
细胞时期;黄邦全等［10］对紫菜薹细胞质雄性不育系
花药发育进行细胞学研究，发现兼有无花粉囊型和
单核败育型的特征。前人的这些研究成果为以后的
相关研究工作提供了重要的参考依据。
本研究通过比较东方百合可育品种及其不育突
变体花蕾外形及花药发育的细胞形态学变化特征，
明确不育突变体花药发育受阻的时期和方式，为研
究百合雄性不育发生过程的机理提供一定的理论依
据。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
试验材料东方百合可育品种及其不育突变体取
自云南省农业科学院花卉所百合栽培基地(海拔:
2122． 23 m)。2013 年 7 月上午 8:00 － 10:00 时，采
集不同发育时期东方百合可育品种及其突变不育体
的花蕾(花蕾长度在 0． 5 ～ 8． 5 cm)，并按大小不同
分级。
1． 2 试验方法
分级材料的一部分 (包括花蕾以内花药与雌
蕊)进行形态观测;分别取同时期的东方百合可育
品种及其不育突变体花蕾，解剖观测 2 种花雌蕊及
雄蕊在发育过程中形态特征的变化。另一部分材料
用 FAA固定液固定并保存，按照花蕾大小不同，用
苏木精染色液浸染 12 ～ 48 h。染色完成的材料用不
同浓度的酒精分 5 次梯度脱水后用番红染液复染。
按常规方法制作石蜡切片，具体方法参考文献［11］，
切片厚度为 7 μm，NIKON E800 光学显微镜下观察
并拍照片，用 Olympus 显微镜(日产)观察并拍照。
2 结果与分析
2． 1 百合不育突变体与可育品种花器官形态特征
观察
通过对东方百合可育品种及其不育突变体花器
官的观察，发现不育突变体花器官开放正常，花器官
大小、颜色以及雌蕊等方面均与可育品种接近。东
方百合可育品种及其不育突变体均为完全花，雄蕊
6 枚，但不育突变体在花药成熟后花粉囊内无花粉。
在花蕾初始时期，可育品种及其不育突变体花蕾中
的雌蕊与花药长度差异较小(图 1-2、11)。随着花
蕾的成熟，花药与雌蕊也不断生长(图 1)，在第 7 个
时期不育突变体花药即停止了伸长生长，雌蕊的花
柱仍继续伸长(图 1-7、8、9)，散粉期雌蕊长度达到
花药长度的两倍(图 1-9)。而百合可育品种随着花
蕾的不断膨大，花药和雌蕊持续生长，最后 2 者长度
相差不大(图 1-18)。
1 ～ 9:不育突变体不同时期花蕾;10 ～ 18:可育植株不同时期花蕾
1 － 9:The buds of male sterile plant in different periods;10 － 18:The buds of fertile plant in different periods
图 1 东方百合不育突变体和可育品种花蕾形态比较
Fig． 1 Buds shape of‘Oriental Hybrids’normal line and male sterile mutant line
74213 期 郑 洁等:东方百合可育品种及其不育突变体花药形成的细胞学观察
2． 2 东方百合雄性不育突变体和可育品种花药发
育细胞学观察
2． 2． 1 东方百合可育品种细胞学观察 (1)造孢
细胞时期。可育株花药呈典型的蝶形(图 2-1)，花
药 4 个角隅的孢原细胞起源于表皮内侧(图 2-2)，
由它进行平周分裂产生初生壁细胞和初生造孢细
胞。前者进行平周分裂和垂周分裂产生花粉囊壁的
药室内壁、中层和绒毡层，后者分裂形成花粉母细
胞。
(2)花粉母细胞时期。小孢子母细胞位于小孢
子囊的中央，细胞体积较大，核大质浓(图 2-3)，并
逐渐增大进入减数分裂时期。由外向内可清晰看到
表皮、纤维层、中层和绒毡层。表皮、纤维层和中层
细胞体积小、扁平、核小、着色浅。绒毡层细胞较大，
呈四边形且狭长，成圈状规则排列(图 2-4)。部分
绒毡层细胞出现双核及多核。同时，绒毡层细胞质
浓厚，染色较深，但核清晰易辨。
(3)四分体时期。小孢子母细胞减数分裂过程
中胞质分裂为同时型，在形成四分体时同时产生胼
胝质壁，把各个小孢子隔开(图 2-5)。同时，中层细
胞消失，绒毡层细胞逐渐增大。
(4)单核花粉期。减数分裂后，包裹着四分小
孢子的胼胝质壁解体，小孢子游离出来，此时绒毡层
细胞体积最大，并开始自我解体(图 2-6)，之后单
Ac． 孢原细胞;Sp． 造孢细胞;Mmc． 花粉母细胞;Td． 四分体;Ms． 小孢子;T． 绒毡层。1 ～ 8:可育品种;1． 幼小花药横切面(× 50);2．孢原
细胞(× 100);3．造孢细胞(× 100);4．花粉母细胞(× 100);5． 四分体时期(× 100);6． 小孢子(× 100);7． 双核花粉(× 100);8． 成熟花粉
期(× 50)。9 ～ 16:不育突变体;9． 幼小花药横切面(× 50);10．孢原细胞(× 100);11．造孢细胞(× 100);12．花粉母细胞发育不正常 (×
100);13．花粉母细胞液泡化(× 100);14 ～ 16．囊内物质逐渐解体，形成一个大空腔(× 50)
Ac． Archesporial cell;Sp． Sporogenous cells;Mmc． Microspore mother cells;Td． Tetrad of microspore;Ms． Microspore;T． Tapetum layer． 1 － 8:
fertile plant;1． Transection of a young anther (× 50) ;2． Archesporial cell(× 100) ;3． Sporogenous cell (× 100) ;4． Pollen mother cell (×
100) ;5． The tetrad stage (× 100) ;6． Microspore(× 100) ;7． Bicellular pollen (× 100) ;8． Mature pollen (× 100) ;9 － 16 male sterile plant:
9． Transection of a young anther (× 50) ;10． Archesporial cell(× 100) ;11． Sporogenous cell (× 100) ;12． bnormal microspore mother cells(×
100) ;13． The vacuoles of microspore mother cells(× 100) ;14 － 16． Capsule material gradually disintegrated，connected A large cavum(× 50)
图 2 百合可育品种及其雄性不育突变体花药发育的细胞学观察
Fig． 2 Anther cytology observation of normal line and male sterile mutant line
8421 西 南 农 业 学 报 28 卷
核花粉细胞体积增大，大多数小孢子有靠边现象，绒
毡层细胞变形，解体(图 2-7)。
(5)成熟花粉期。小孢子靠边后在贴近花粉壁
的位置进行有丝分裂，形成两核花粉，此时绒毡层已
全部解体，药室内壁纤维化成纤维层(图 2-8)，随后
花粉囊开裂，花粉散出。
2． 2． 2 东方百合不育突变体细胞学观察 通过细
胞学观察，发现不育突变体花药发育细胞学结构与
可育品种有很大差别。早期花药横切面外形与可育
品种花药相似，花药能形成 4 个外形正常的花粉囊
(图 2-9)，表皮细胞排列整齐，造孢细胞核大、细胞
质浓厚(图 2-10)，被绒毡层细胞紧紧包围。花粉母
细胞发育时期，绒毡层细胞停止发育(图 2-11)，花
粉母细胞出现高度液泡化(图 2-12)，绒毡层细胞解
体后内含物融合形成周原质团，侵入药室，将花粉母
细胞包裹［10］(图 2-13)，致使花粉母细胞不能正常
进入减数分裂时期。随后，花粉母细胞和内含物逐
渐降解(图 2-14)，花粉囊逐渐变形，囊壁变薄，囊内
物质全部解体(图 2-15)，至花药成熟时，花粉囊也
逐步解体，随后 2 个空腔扩大逐渐相连(图 2-16)，
形成 1 个大的空腔。
2． 3 花器官形态与花药的发育相关性
花器官的成熟度与花药的发育呈现一定的相关
关系。在一定程度上，花器官的成熟度可以反映花
药发育的阶段。全雪丽等［12］进行了这方面的研究，
证实了两者之间存在相关性。张彩霞等［13］也指出
减数分裂进程与花蕾花药长度及花粉大小基本呈正
相关。在整个实验的操作中，正是依据这样的相关
性准确获得各发育时期的花药，并将其作为细胞学
观察的实验材料。
从表 1 可知，花蕾长度在小于或等于 0． 5 cm
时，东方百合可育品种与不育突变体都处于造孢细
胞时期，并无太大差异;当花蕾长度为 0． 5 ～ 1． 0 cm
时，是花粉母细胞形成和减数分裂间期阶段，东方百
合可育品种与不育突变体差异较大;当花蕾在 1． 0
～ 2． 0 cm 时，可育品种出现减数分裂各个时期，此
时不育突变体因绒毡层的发育不完善开始解体，不
能进行减数分裂，囊内物质开始逐渐消失;花蕾在
2． 0 ～ 3． 0 cm 时，可育品种处于单核小孢子时期，不
育突变体无小孢子产生，花蕾在 3． 0 ～ 5． 0 cm 时，可
育品种花粉成熟形成双核花粉粒，这个时期是花药
培养的最佳时期［14］;随后，可育品种花粉囊开始开
裂，有花粉粒散出，而不育突变体开始干瘪或开裂无
花粉散出。
3 讨 论
3． 1 东方百合正常可育品种花药发育特点
本研究对东方百合正常可育品种花药发育进行
了显微观察，花药发育时主要特征为:花粉母细胞呈
同心圆排列，与大多数植物的圆形排列相似。减数
分裂的胞质分裂属连续型，这与“连续型存在于大
多数单子叶植物中，同时型常出现在双子叶植物
中”观点［15］相符。小孢子四分体属左右对称型和四
面体型，绒毡层属分泌型，在四分体之前花粉囊内发
育基本处于同步，而四分体后期出现发育不同步现
象，单核与双核花粉能同时看到。
3． 2 东方百合不育突变体无花粉败育的时期和方
式
不同作物、不同类型的雄性不育系雄性败育的
时期和特点各不相同，Laser 和 Lersten［16］曾指出，败
育几乎可能发生在花粉发育的所有阶段上。在双子
叶植物中，多发生于四分体形成之前，其特点是花粉
母细胞减数分裂不正常，其胼胝质较正常花粉母细
胞提早溶解，使其彼此之间相互粘连。在单子叶植
表 1 花器官的形态与花药发育的相关性
Table 1 Correlation of flower organ morphology and anther development
花蕾大小(cm)
Size of bud
花药大小(cm)
Size of
anther
花药发育时期
Anther development stage
囊内特征
Characteristic of inside of pollen sac
可育品种
Fertile plant
不育突变体
Male sterile plant
＜ 0． 5 ＜ 0． 5 造孢细胞时期 多角形 多角形
0． 5 ～ 1 0． 5 ～ 0． 8 花粉母细胞时期 母细胞大，多角形 花粉母细胞异常
1． 0 ～ 2． 0 0． 8 ～ 1． 2 减数分裂时期 出现减数分裂各时期 花粉母细胞液泡化
2． 0 ～ 3． 0 1． 2 ～ 1． 6 单核小孢子 小孢子释放，绒毡层开始解体 无小孢子产生
3． 0 ～ 5． 0 1． 8 ～ 2． 3 双核花粉 绒毡层几乎全部解体，纤维层加厚 无花粉产生，囊内开始分解
5． 0 ～ 6． 0 2． 3 ～ 3 成熟花粉粒 花粉囊微开裂，囊内有很多花粉粒 无变化
＞ 6 ＞ 3 花粉粒散出 Pollen 花粉囊开裂，囊内有极少花粉粒
94213 期 郑 洁等:东方百合可育品种及其不育突变体花药形成的细胞学观察
物中，多发生于四分体阶段之后的小孢子发育阶段，
其特点是小孢子原生质体解体，以致形成空瘪的花
粉［17］。到目前为止，有关东方百合雄性不育花药发
育的解剖学研究还比较少。张克中等［18］对王百合
雄性不育突变体小孢子败育的细胞学研究观察显示
其雄性败育于花粉母细胞阶段，其特点是花粉母细
胞减数分裂异常，及花粉母细胞形成时期至减数分
裂末期 I 绒毡层行为异常而导致败育。本研究发
现，东方百合败育也发生在花粉母细胞阶段，绒毡层
不继续发育而提前解体导致花粉母细胞不能正常进
行减数分裂。
3． 3 绒毡层对花粉败育的作用
绒毡层对花粉的正常发育具有决定作用。绒毡
层所处的位置，向外是紧贴周围母体组织，向内与花
粉母细胞密切相连，花粉的形成与发育过程中所需
的营养物质和水分等都必须通过绒毡层输送或经它
同化，并且其本身细胞的解体也能供应花粉的形成
和发育。如果绒毡层细胞发育异常，会直接影响花
粉母细胞的营养供应，使代谢旺盛的花粉母细胞处
于饥饿状态，严重的会使其停止生长发育，最后退化
和解体［19］。植物雄性不育发生过程中，绒毡层异常
的表现很多，如绒毡层始终未分化［20］、绒毡层提前
解体或推迟解体［21］、绒毡层细胞质稀少高度液泡
化，使细胞迅速膨大而被挤向药室等。其中，绒毡层
提早解体对雄性不育的机理研究较为成熟。绒毡层
细胞提早解体，无法为小孢子母细胞减数分裂提供
能源物质，也不能及时分泌胼胝质酶，使小孢子无法
从四分体中释放出来，或是绒毡层细胞壁解体后细
胞内含物融合形成同原质团，侵入药室引起小孢子
败育。在本研究中，东方百合不育系败育现象与 Ts-
vetova等［22］观察到的情况相似，即绒毡层的提前解
体导致其内含物流出形成周原质团导致败育，由此
可推知东方百合不育突变体败育主要是由于绒毡层
细胞在花粉母细胞形成时停止发育开始解体，不能
为花粉母细胞正常的减数分裂提供充足的营养物质
且其内含物引起小孢子败育，从而导致雄性不育现
象的发生。
本研究从形态学、细胞学以及 2 者的相关性上
做了研究，结合前人研究结果得出以下结论。
(1)从形态学上发现，东方百合雄性不育突变
体雄蕊瘦弱，其他花器官正常，如花器官大小、颜色
以及雌蕊等方面均与可育系接近。
(2)细胞学观察发现，东方百合雄性不育突变
体花药能形成外形正常的花粉囊，花粉母细胞未进
行减数分裂即解体，囊内的物质随着花药的发育逐
渐解体，最终无花粉粒产生。导致东方百合雄性不
育突变体花粉败育的主要原因可能是绒毡层的提前
解体。
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(责任编辑 王家银)
0521 西 南 农 业 学 报 28 卷