全 文 ：天女木兰小孢子发生及雄配子体发育的观察
张风娟 1 ,徐兴友 1 ,陈凤敏 2 ,田艳波 1 ,靳小娜 1 ,陈发菊 3
( 1.河北科技师范学院 生命科学系 ,河北 昌黎 066600; 2.昌黎县第三中学 ,河北 昌黎 066600;
3.三峡大学 ,湖北宜昌 443002)
摘　要: 天女木兰是珍稀濒危植物 ,为给其有效保护措施的制定提供参考 ,从小孢子发生和雄配子体的发
育角度探讨天女木兰濒危原因。 研究结果表明 ,天女木兰花药具有 4个小孢子囊 ,花药壁 5～ 8层。 四分体排
列方式为平面对称型、四面体型和直线型 ,其中直线型较少 ;成熟花粉粒为二细胞型花粉粒 ;能育花粉率最高
达 84. 9%。 通过对天女木兰小孢子发育过程的研究发现 ,四分体时期有 2种不正常类型 ,说明天女木兰小孢
子发育过程中存在异常现象 ,这是导致天女木兰濒危的原因之一 ,但不是主要原因。
关键词: 生殖生物学 ;天女木兰 ;小孢子发生 ;雄配子体发育 ;濒危植物
中图分类号: Q944. 4　　　文献标识码: A　　　文章编号: 1003- 8981( 2008) 04- 0071- 05
Observation of Microsporogenesis and Male Gametophyte
Development inMagnolia sieboldii K.
ZHANG Feng- juan1 , XU Xing-you1 , CHEN Feng-min2 , TIAN Yan-bo1 , JIN Xiao-na1 , CHEN Fa-ju3
( 1. Depa rtment o f Life Science , Hebei No rma l Univ er sity o f Science & Technolog y, Chang li 066600, Hebei, China;
2. The Third High Schoo l o f Chang li County , Chang li 066600, Hebei, China;
3. China Th ree Go rges Univ ersity , Yichang 443002, Hubei, China )
Abstract: Magnolia sieboldii K. is a kind of endangered plant. In orde r to prov ide r eference
fo r making effectiv e pro tection measures, endanger ed reasons o f M . siebol dii K. w ere studied
from the aspect of micro spo ro genesis and male gam etophyte development. The results show ed
that th ere w ere four micro spo rangia in each young anther o f M . sieboldii K. , and anther wall
wa s composed of 5-8 laye rs. Micro spo re tetrads had thr ee ar rangement pa tterns o f decussate,
isobilate ral and linea r types, in w hich linear type was ra re. Ma ture po llen g rain wa s tw o-cell
type. The highest rate o f pollen germination w as up to 84. 9% . Th rough observ ing
micr ospor ogenesis in M . sieboldii K. , tw o abno rmal types o f tetrads w ere found. It w as
suggested tha t endangerment o f the species w as related to the abno rma l phenomenon
during micro spo rogenesis and male gametophyte developm ent , but it w as not consider ed as an
impo rtant facto r responsible fo r low seeding ra te.
Key words: repr oductiv e biolog y; Magnolia sieboldii K. ; micro spo ro genesis; male gametophy te
development; endangered plant
生殖生物学是保护生物学研究的重要内容之一 ,生殖的失败是物种濒危的重要因素。物种濒危的原因有很
多 ,例如:花粉粒无活力 ,胚珠败育 ,心皮空间对胚珠的限制以及天然居群中低的种子萌发力和外界条件变化的
共同作用 [1～ 3 ] ;雌雄配子体发育过程中一定比率的不育和败育现象 [ 4] ;成熟胚囊未受精而退化以及在胚胎发育
过程中胚和胚乳组织提前解体 [5 ];雄性不育 ,低效率的传粉机制 ,部分胚胎的败育以及子房壁破裂导致的胚珠
经济林研究　 2008, 26( 4): 71-75
Nonwood　 Forest　Research 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
收稿日期: 2008-03-14
基金项目: 河北省科技攻关计划项目 ( 3220206)。
作者简介: 张风娟 ( 1969- ) ,女 ,河北唐山人。 教授 ,博士 ,主要从事植物学方面的教学与研究工作。
通讯作者: 陈发菊 ( 1965- ) ,女 ,湖北宜昌人。 副教授 ,博士后 ,主要从事植物学方面的研究。
DOI : 10. 14067 /j . cnki . 1003 -8981. 2008. 04. 001
裸露 [ 6] ;种子的成熟期 ,种子生命力保持期以及种子的休眠破除和萌发期与年周期性变化的气候条件不协调
等 [7 ]。生殖过程中的各个环节都会成为物种濒危的原因。
天女木兰 Magnol ia sieboldii K. , 又称天女花、小花木兰 ,属木兰科 Magnoliaceae木兰属 Magnolia的落叶
小乔木。天女木兰叶大肥厚 ,花色洁白 ,大而美丽 ,馨香浓郁 ,果实成熟时为淡紫色 ,呈棒槌形 ,种子鲜红色 ,由株
柄的细丝悬挂于外 ,极为美观 ,是观叶、观花、观果、芳香兼备的著名珍稀观赏树种。天女木兰的花、果、叶可以用
于提取高级香料并具有较高的药用价值 ,是有着较好开发前景的野生植物资源。在《中国植物红皮书》中天女木
兰被列为第 3类珍稀濒危植物 [ 8]。本研究中试图从有性生殖过程中小孢子发生及雄配子体发育的生殖生物学
特性及其异常现象来探讨天女木兰濒危的原因 ,以便为制定有效的保护措施提供参考。
1　材料和方法
供试材料均为采自青龙祖山的野生天女木兰。
2006年 3月 25日至 2006年 5月 26日每周采样 2次。用 FAA( 50%乙醇、冰乙酸、甲醛体积比为 90∶ 6∶ 4)
固定并保存。 小孢子的发育过程观察采用常规石蜡切片方法 ,切片厚度为 9～ 10μm,番红-固绿染色 ,使用
N IKON E-400显微镜镜检并拍照。小孢子减数分裂时期采用 1%的醋酸洋红进行染色 ,然后用 MO TIC O SFC-
18光学显微镜镜检并拍照。
采集天女木兰花蕾期、初花期和盛花期 3个不同开花时期的花粉 ,并于采集 2、 4、 6、 8、 10、 14、 18 h后分别测
花粉的萌发率 ,花粉萌发试验在简单培养基 ( 10%蔗糖+ 0. 05%硼酸 )中进行。
2　观察结果
天女木兰花顶生 ,雄蕊 74～ 81枚 ,长 7～ 9 mm。 2药室分离 ,药隔伸出呈三角状 ,具有 4个小孢子囊。雌蕊
17～ 20枚 ,每子房含胚珠 2粒。
2. 1　药室壁结构
早期花药的横切面 ,最外面是一层表皮 ,表皮以内是经过分化来的造孢细胞 (见图 1,表 1)。随着花药的生
长 ,造孢细胞继续发育 ,药室壁出现分化 ,绒毡层细胞呈多边形 (见图2)。小孢子母细胞时期 ,即将进行减数分裂
时 ,药室壁发育完全 ,从里到外由 5～ 8层细胞组成 ,分化为表皮、纤维层、中层和绒毡层 (见图 3,表 1)。表皮细胞
为 1层 ,纤维层 1层 ,中层 2～ 3层 ,绒毡层 1层 ,绒毡层细胞多为双核或多核细胞 ,是比较原始的类型 (见图 3)。
图 1　造孢细胞时期药室壁结构
Fig. 1　 Structure of anther wall at
sporogenous cell phase
图 2　分化初期药室壁结构
Fig. 2　 Structure of anther wall at
initial diff erent iation phase
图 3　小孢子母细胞时期药室壁结构
Fig. 3　 Structure of anther wall at
microsporocyte cell phase
　　 4月下旬 ,小孢子母细胞开始进行减数分裂 ,中层细胞开始解体 ,但绒毡层细胞发达 ,且胞质浓厚 ,排列紧
密 (见图 4)。当减数分裂完成时 ,中层细胞几乎全部解体 ,绒毡层开始解体 ,二细胞花粉粒形成时 ,绒毡层细胞质
已基本耗尽 ,仅留有细胞壁结构 ,纤维层细胞内向壁出现纤维状加厚 (见图 5)。 6月上旬花药成熟后 ,花粉
散出。 　　　
72 经　　济　　林　　研　　究 第 26卷　
表 1　小孢子及雄配子体各发育时期的药室壁结构
Table 1　 Structure of anther wall during development of microspores and male gemetophytes
小孢子发生及雄配子体形成各时期
Phases of microspores development
and male gam etophytes formation
药室壁结构 St ructure of an th er wall
表皮
Epidermis
纤维层
Fib rous layer
中层
Middle layer
绒毡层
Tapetum
造孢细胞时期
Sporogenous cell phase
矩形 ,切向加长 矩形 ,切向加长 矩形 ,切向加长 矩形 ,切向加长
小孢子母细胞时期
Microspo rocyte cel l phase
矩形 ,切向加长 矩形 ,切向加长 出现 多边形 , 2核或多核
单核小孢子时期
Mononuclear microspore phase
扁平 ,出现退化 近方形 ,径向加长 部分退化 开始解体
二细胞花粉粒时期
2-celled pollen g rain phase
完全退化 垂周壁带状加厚 完全退化 部分残留
　　
2. 2　小孢子发生和雄配子体的发育
天女木兰的雄蕊在每年的 3月下旬分化出造孢细胞 (见图 6)。 4月初造孢细胞体积增大 ,呈多边形 ,排列紧
密 ,细胞质浓厚 ,直接行使小孢子母细胞的功能 (见图7)。小孢子母细胞细胞质浓缩 ,染色质开始凝聚 ,进入减数
分裂前期。其减数分裂完成后 ,形成 4个四分体小孢子 (见图 8)。四分体小孢子逐渐形成自己的细胞壁 ,并被共
同的胼胝质壁包围着 ,四分体排列方式有四面体、左右对称型和直线型 3种类型 ,其中直线型四分体所占的比
例最少 (见图 9)。
图 4　小孢子母细胞减数分裂期药
室壁结构
Fig. 4　 Structure of anther wall at
microsporocyte cell meiosis
phase
图 5　二细胞花粉期药室壁结构
Fig. 5　 Structure of anther wall at
2-celled pollen grain phase
图 6　造孢细胞
Fig. 6　 Sporogenousce cell
图 8　减数分裂中的小孢子母细胞
Fig. 8　Microsporocyte cell in meiosis
　　
图 7　小孢子母细胞
Fig. 7　 microsporocyte cell
73第 4期 张风娟等: 天女木兰小孢子发生及雄配子体发育的观察
a左右对称型四分体
Isobi lateral tet rad
b立体型四分体
Decussate tetrad
c直线型四分体
Linear tet rad
图 9　 3种排列方式的小孢子四分体
Fig. 9　 Three arrangement patterns of microspore tetrads
　　小孢子在四分体时期发生不同程度的变形 ,刚从四分体释放出来的小孢子细胞质浓厚 ,细胞核几乎位于细
胞中央 (见图 10)。随着小孢子的继续发育 ,细胞发生变形 ,细胞核被挤到细胞的边缘 ,小孢子细胞形状不规则 ,
多为长椭圆形、半球形 (见图 11)。 单核靠边期的小孢子不断积累细胞物质 ,细胞核分裂后形成 1个大的营养核
和 1个小的生殖核。随着雄配子体的发育 ,生殖核脱离花粉粒细胞壁 ,形成 1个小而圆的生殖细胞 ,游离于营养
细胞的细胞质中 ,即形成二细胞花粉粒 (见图 12)。 在花药散粉之前 ,生殖细胞不再发生有丝分裂。
图 10　单核期小孢子
Fig. 10　Microspores at uninucleate
phase
图 11　单核靠边期小孢子
Fig. 11　 Microspores at late
mononuclear phase
图 12　二细胞花粉粒
Fig. 12　 2-celled pollen grains
2. 3　不同开花时期花粉的萌发率
表 2　不同开花时期天女木兰的花粉萌发率
Table 2　 Germination rates of pollens in M. siebold ii at diff erent
f lowering stages %
开花时期
Flow ering stag es
不同培养时间的萌发率
Germination rate in dif f erent time
2 h 4 h 6 h 10 h 14 h 18 h
花蕾期 Bud stag e 10. 2 29. 4 49. 8 72. 0 75. 1 75. 1
初花期 Ini tial f low ering s tage 14. 3 31. 4 70. 5 81. 5 84. 9 84. 9
盛花期 Ful l fl ow ering s tage 2. 3 10. 2 23. 5 24. 1 24. 8 24. 8
　　不同开花时期天女木兰花粉的萌
发率见表 2。由表 2可以看出 ,随着培养
时间的延长 ,同一开花时期所采花粉的
萌发率逐渐提高 ,并于培养后 14～ 18 h
花粉的萌发率达到最大值 ;花蕾期、初
花期、盛花期 3个时期中 ,初花期所采花
粉的萌发率最大 ,最高可达 84. 9%。
2. 4　小孢子形成过程中的败育现象
在有性生殖过程中 ,雌、雄配子体
发育正常与否及其结合的有效性等多种因素都直接影响着结实率的高低。在研究天女木兰的雄配子体发育过
程中 ,通过对石蜡切片的观察发现了如下异常现象。
74 经　　济　　林　　研　　究 第 26卷　
图 13　不正常的四分体结构
Fig. 13　 Abnormal tetrad structures
　　 ( 1)不等分裂　在减数分裂Ⅱ期 ,
1个子核分裂 ,另 1个子核不分裂
(见图 13a )或进行不均等分裂 (见图
13b ) ,有碍四分体的正常形成 ,从而
产生不等四分体。
( 2)小孢子败育　由花粉粒萌发
试验结果可知 ,天女木兰花粉粒的最
大萌发率为 84. 9% ,即有 15. 1%的花
粉粒不能萌发 ,这可能也是导致天女
木兰结实率低的原因之一。
3　讨　论
天女木兰具有 4个小孢子囊 ,花粉囊壁结构从外到内依次为表皮、药室内壁、中层和绒毡层。四分体的排列
方式为立体型和左右对称型 ,偶为直线型。 成熟花粉粒为二细胞型。这些特征与木莲属、含笑属和鹅掌楸属十
分相似。
但在其小孢子发育过程中的四分体时期除存在正常的 3种类型 (平面型、立体型、直线型 )外 ,还有 2种不正
常类型 (见图 13) ,因此可以推测这种不正常个体有 2种生成方式:一是经过减数第 1次分裂形成的 2个细胞 ,其
中只有 1个小孢子进行第 2次分裂 ,四分体时形成 3个小孢子 (见图 13a ) ;另一种方式是经过第 1次减数分裂形
成的 2个子细胞都进行第 2次分裂 ,但其中 1个不能完成正常的减数分裂Ⅱ期 ,四分体时期形成 3个小孢子和 1
个不完全退化的小孢子 (见图 13b)。
通过在青龙祖山进行实地考察发现 ,天女木兰的生存环境十分特殊 ,它虽然长势良好 ,但结籽率较低。根据
花粉萌发试验结果:花粉粒的最大萌发率为 84. 9% ,即 15. 1%的花粉不萌发 ,说明有一定数量的小孢子发生败
育。结合石蜡切片观察发现小孢子发育过程中四分体时期出现了不正常配子。由此可知小孢子的发育不正常
是导致天女木兰结实率低的原因 ,也是导致天女木兰濒危的原因之一 ,但不是主要原因 ,说明还存在其它的因
素 ,例如 ,能否正常受精结籽 ,成熟花粉粒在柱头上的萌发情况以及与雌配子体有效结合等问题 ,这些还需要进
一步研究探讨。
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[本文编校:闻　丽 ]
75第 4期 张风娟等: 天女木兰小孢子发生及雄配子体发育的观察