全 文 ：北京大学学报(自然科学版) ,第 36 卷, 第 2 期, 2000 年 3 月
Acta Scientiarum Naturalium
Universitatis Pekinensis, Vol. 36, No. 2 (Mar, 2000)
1) 国家自然科学基金资助重大项目( 39391500)
2) 通讯联系人
收稿日期: 1998- 12- 09; 修回日期: 1999- 06- 18
单穗升麻的花药和雄配子体发育1)
李 铭 陈晓麟
(重庆教育学院生物系,重庆, 400067)
尤 瑞 麟2)
(北京大学生命科学学院, 北京, 100871)
摘 要 为了探讨南川升麻( Cimicifuga nanchuanensis)濒危与其生殖过程的联系。对广布近缘种
单穗升麻( C. simplex)进行了部分对照研究。论述单穗升麻的小孢子发生和雄配子体发育以及花
药壁的发育。单穗升麻的花药具 4 个小孢子囊(药室) ,囊壁(花药壁)由表皮、药室内壁、中层和绒
毡层组成。绒毡层细胞在发育后期由单核分裂为 2 核,多原位解体 ,为腺质型;但大约有 12% 小孢
子囊的绒毡层在小孢子四分体释放时期进入花药室内, 成为变形绒毡层。小孢子母细胞在减数分
裂过程中胞质分裂为同时型,小孢子四分体为四面体型,成熟花粉为 2 胞型。
关键词 单穗升麻; 绒毡层; 小孢子发生; 雄配子体发育
中图分类号 Q 7
0 引 言
单穗升麻 Cimici faga simplex Wrmsk 隶属毛茛科 Ranuncrlaceae,为广布种。分布于我国
四川、甘肃、陕西、河北、内蒙和东北等地;蒙古,西伯利亚地区,日本均有分布[1]。在重庆市南
川金佛山地区的单穗升麻分布于海拔 1 700 m以下的阔叶林下,与其同属的近缘种南川升麻
C. nanchuanenesis Hsiao则仅局限于金佛山上海拔 1 700~ 2 000 m的地方,仅有 1个居群,个
体总数约 6 000~ 8 000株 [2 ],为我国濒危植物之一。为探讨南川升麻的有性生殖过程是否与
致濒机制有关, 在对南川升麻进行生殖生物学研究的同时, 又以单穗升麻作对照研究。升麻属
被认为是毛茛科中古老的属[3], 其系统位置原始。关于升麻属植物的胚胎学特征研究较少,
早期仅在 1938年被提及[4], 在对南川升麻的研究中才有了较为详细的描述[2, 5 ]。该研究在寻
找致危的生殖生物学因素的同时, 也为探讨升麻属的系统发育和胚胎学提供了资料。本文主
要论述单穗升麻的小孢子发生和雄配子体发育过程。大孢子发生、雌配子体和胚胎发育将另
文发表。
1 材料和方法
供试材料单穗升麻采自金佛山洋芋坪和黄草坪等地, 取自然生长植株上不同发育阶段的
DOI：10.13209/j.0479-8023.2000.027
花,分别用 FAA、CRF- Ó戊二醛等固定并保存。石蜡包埋,依不同花期切片厚度为 6~ 10 Lm;
铁矾-苏木精染色, 固绿或桔红 G 丁香饱和液复染;在 Niken Labophot- 2A 型研究显微镜上观
察并拍照。成熟花粉粒外形用电镜扫描观察并拍照。
2 观察结果
单穗升麻为多年生草本植物, 总状花序不分枝或基部有少数分枝。花两性,白色,花小,直
径约 5 mm;单被,萼片 4枚。退化雄蕊 2枚,乳白色, 呈椭圆形;顶端 2浅裂,膜质,为退化花药
残迹。退化雄蕊的花丝膨大, 上部扁平,基部呈勺状,明显厚于萼片;基部勺状凹陷处具蜜腺功
能。横切面观察显示其细胞腺质, 细胞核大, 胞质浓厚(图版 Ñ- 1, 1A)。雄蕊多数( 19~ 39枚) ,
离生,花药 4室,外向纵裂;雌蕊群由 1~ 5枚离生心皮组成,每心皮内具 5~ 9枚倒生胚珠。单
穗升麻雄蕊先熟,雄蕊脱落后柱头才进入可授期。
211 花药壁发育
早期花蕾的花被内最初形成的突起为雄蕊原基, 此时内部细胞无分化(图版 Ñ- 2) , 随后,
在幼小雄蕊上部将来形成花药的 4个角隅处表皮下分出 1个孢原细胞,孢原细胞平周分裂即
形成初生壁细胞和初生造孢细胞。初生壁细胞平周分裂形成药室内壁( 1层) ,中层( 1~ 2层)
和绒毡层( 1层)与表皮共同构成花药壁(图版 Ñ-3)。此时绒毡层细胞在形态上与其他药壁细
胞无明显差异。小孢子母细胞减数分裂前期 Ñ时,绒毡层细胞明显增大, 细胞质浓厚, 核大并
分裂形成 2核(图版 Ñ- 4) ;减数分裂后期 Ñ 时中层细胞开始退化;四分体时期, 药室内壁细胞
开始径向延长, 先发生于 4个角隅处,至四分体释放时期,整个药室内壁明显径向延长,且出现
加厚的壁即形成纤维层。在雄配子体发育初期, 花药两侧的 2个花粉囊之间的侧壁细胞开始
解体,至雄配子体发育成熟时已完全消失而成为 1室(图版 Ó - 18)。
表 1 具变形绒毡层的小孢子囊在各花中所占的百分比
Table 1 Percentages of microsporangia with amoeboid
tapetum in checked flowers
花的
序号
每花雄蕊群
小孢子
囊总数 /个
具变形绒毡层的
小孢子囊数 /个
具变形绒毡层的
小孢子囊比例 /%
1 148 20 13. 51
2 120 12 10. 00
3 136 16 11. 76
4 116 6 5. 17
5 112 20 17. 86
6 108 0 0. 00
7 128 20 15. 63
8 80 12 15. 00
9 116 24 20. 69
10 124 14 11. 29
平均数 118. 8 14. 4 12. 12
花药的绒毡层在小孢子母细胞
时期达到最高度的发育, 小孢子四分
体释放时多数在原位开始解体,为腺
质绒毡层类型。但在大约 12%的小
孢子囊中以变形绒毡层的方式解体
(见表 1) ,即绒毡层细胞的径向壁和
内切向壁解体, 相邻细胞的原生质体
互相融合并进入药室,在发育中的小
孢子之间形成周缘质团, 以后再逐渐
被发育的花粉粒吸收。在小孢子大
液泡期的小孢子囊内也可具有不同
类型的绒毡层类型。甚至同一花药
的不同小孢子囊也可出现不同的绒
毡层类型。具变形绒毡层的小孢子
囊内花粉粒发育正常,与具腺质绒毡
层的小孢子囊内的花粉粒没有明显
差异(图版 Ò - 10)。
187 第 2 期 李 铭等: 单穗升麻的花药和雄配子体发育
11 花基部横切面,示退化雄蕊基部的蜜腺。两箭头标记分泌细胞的范围, @43; 1A1 1中退化雄蕊的
局部(两条直线之间)放大并沿顺时针方向旋转 90b,示其腹面(右侧)分泌细胞的形态特征, @240; 21
雄蕊原基的纵切面,孢原细胞尚未分化, @380; 31 尚未明显分化的花药壁及次生造孢细胞(箭号) ,箭
头指分化尚不明显的绒毡层细胞, @320; 41 已开始减数分裂的小孢子母细胞(箭头所指) 及双核的
绒毡层细胞(箭号所指) , @310; 5~ 61 小孢子母细胞减数分裂, @400; 71 四面体形的小孢子四分
体(箭号) ,箭头指进入药室的绒毡层周缘质团, @440; 所用符号:C,萼片; Std,退化雄蕊
图版Ñ 单穗升麻花药和花粉发育( Ñ ) :退化雄蕊的结构、花药原基至小孢子
四分体形成
Plate Ñ Development of the anther and pollen in Cimici fuga simplex ( Ñ ) :
Structure of staminode, development from stamen primordium to the
formation of microspore tetrads
188 北 京 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 36 卷
81 刚释放出来的小孢子四分体, @560; 91 游离小孢子, 细胞核位于中央, @400;
101 一朵花中的花药横切面,示具腺质绒毡层 (上方, 箭头所指 )和变形绒毡层 (下
方,箭号所指)的小孢子囊及同一花药中不同的绒毡层类型(中部) , @80; 111 大液
泡期的小孢子,箭号示腺质绒毡层内切向壁上的颗粒, @420; 121 变形绒毡层,箭号
示周缘质团及其中的颗粒状物, @420; 131 腺质绒毡层细胞内切向壁上颗粒(箭头
所指)的放大, @500; 13A1 绒毡层膜上抗乙酰解的乌氏体 (箭号所指) , 箭头示花粉
粒在绒毡层膜上留下的印痕,那里乌氏体更为密集, @400; 所用符号: At, 变形绒毡
层; Gt ,腺质绒毡层; T,绒毡层; Tp,绒毡层周缘质团
图版Ò 单穗升麻花药和花粉发育( Ò ) :小孢子发育阶段
Plate Ò Development of the anther and pollen in Cimicifuga simplex ( Ò ) :
Microspore stage
189 第 2 期 李 铭等: 单穗升麻的花药和雄配子体发育
141 小孢子有丝分裂末期, @820; 151 小孢子有丝分裂后刚形成的凸透镜形贴壁的生殖细胞(箭头
所指) , @820; 161 由小孢子核均等分裂形成的球形生殖细胞(箭头所指)与营养核, @820; 171 成
熟的 2-细胞花粉粒,示生殖细胞与营养核, @800; 181 散粉前的成熟花药横切面的一部分,示 2-细
胞花粉粒和纤维状加厚的药室内壁, @300; 191 成熟花粉粒的扫描电子显微相片,示外壁的纹饰和
萌发沟, @4053; 所用符号: E,药室内壁
图版Ó 单穗升麻花药和花粉发育( Ó ) :雄配子体阶段
Plate Ó Development of the anther and pollen in Cimici fuga simplex ( Ó ) : Male gameto-
phyte stage
在小孢子发育后期(大液泡期) , 2种类型的绒毡层中均可观察到一些清晰的颗粒状结构,
在腺质绒毡层中较为集中地分布于药室内切向壁一侧(图版Ò -11, 13) ,在变形绒毡层中则分
布于小孢子周围的周原质团中(图版 Ò - 12)。用乙酸酐和浓硫酸混合液(体积比为 9B1)处理
这一时期的花药,得到绒毡层膜,膜上有密接的颗粒状物。这种分布于绒毡层膜上并能抗乙酰
解的颗粒应该是乌氏体( Ubisch body) ,或球状体( orbicule) (图版 Ò - 13A)。
212 小孢子发生及雄配子体发育
初生造孢细胞经数次不定向的分裂后, 形成多角形排列更紧密的次生造孢细胞(图版 Ñ-
3) ,次生造孢细胞继续发育,即行使小孢子母细胞的功能(图版 Ñ-4)。小孢子母细胞在减数分
裂Ñ期后, 2核之间不形成壁, 双核细胞包埋在共同的胼胝质壁中(图版 Ñ- 5) , 减数分裂 Ò 期
后,在 4个核之间产生壁,胞质分裂为同时型(图版 Ñ- 6, 7)。小孢子四分体为四面体形(图版
Ñ- 7)。胼胝质壁解体后小孢子四分体互相分离(图版 Ñ- 8) ,此时的小孢子仍呈多面体形, 细胞
核大,位于细胞中央,液泡不明显。很快细胞变圆,可见明显外壁(图版 Ñ-9)。至小孢子发育
后期,液泡化程度增高,中央大液泡将细胞核挤至细胞边缘(图版 Ò- 11, 12)。
在同一花朵中, 花药表现出明显的向心式发育。外围花药的花粉粒较内侧花药的发育快,
同一花药中不同药室的花粉粒发育有时不同步,同一药室内花粉发育基本同步。
小孢子进一步发育, 经一次不均等有丝分裂形成 2-细胞花粉(图版 Ó - 14, 15) , 进入雄配子
190 北 京 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 36 卷
体阶段。2-细胞花粉内生殖细胞呈梭形,最初贴于花粉壁内侧,随后脱离花粉壁并游离于营养
细胞质中(图版 Ó - 15, 17)。也有少量小孢子的有丝分裂为均等分裂,形成圆球状的生殖细胞
(图版 Ó - 16) , 与营养核形状、大小相近。成熟花药中,除有少数败育的花粉粒外, 多数花粉粒
发育正常(图版 Ó - 18) , 花粉粒即以此 2-细胞状态散放。此时花粉粒呈椭球形, 具 3条萌发沟,
表面具疣状纹饰(图版Ó - 19)。
与雌蕊发育相比较, 雄蕊的发育明显超前。在小孢子母细胞减数分裂前期 Ñ时,胚珠原基
才刚刚形成;当单核花粉粒(小孢子)形成时, 雌蕊正处于大孢子母细胞时期。
3 讨 论
单穗升麻花药具 4个花粉囊, 小孢子母细胞减数分裂的胞质分裂为同时型,小孢子四分体
呈四面体型,成熟花粉粒为 2-细胞型,这些特征与南川升麻相同,且符合前人所研究的毛茛科
植物的胚胎学特征[6 ]。单穗升麻的花药绒毡层发育与南川升麻基本相同又略有差异。南川
升麻的绒毡层为腺质型, 而在某些药室中绒毡层细胞间的隔壁消失, 以变形绒毡层方式解体的
现象发生较少, 被认为是发育过程中的异常现象[5]。在单穗升麻花粉发育的小孢子时期可明
显观察到腺质型和变形型绒毡层,后者发生的频率较高,可达 12%。据报道,双子叶植物中有
11个科兼备两种类型的绒毡层[7] ,毛茛科也在其中。根据我们的文献调查, 在升麻属植物及
其近缘种中两种类型绒毡层的分布情况比较复杂:在 Anemonopsis macrophylla 同一朵花的不
同雄蕊中存在腺质绒毡层和变形绒毡层 [8 ],与本文报道的单穗升麻相似;在一种类叶升麻属
植物( Actaea spica ta )中则全部为变形绒毡层 [9 ];而小升麻( Cimici fuga acer ina )中只有分泌绒
毡层一种形式[10] ,与前述南川升麻基本相同。除了在南川升麻外, 具变形绒毡层的花药中花
粉粒发育正常。可以说明在升麻属及其近缘种中除分泌绒毡层外, 变形绒毡层常常也是绒毡
层正常解体的一种方式。
在小孢子时期, 分泌绒毡层的内切向壁上可清晰地观察到一种白色颗粒状结构,从分布的
位置和形态上, 很像乌氏体,但在变形绒毡层的周原质团中,也有类似的颗粒状结构,通常认为
乌氏体只在腺质绒毡层产生而不发生在变形绒毡层中[11]。用乙酰解的方法处理单穗升麻的
花药,分离出的绒毡层膜碎片上有密集的抗乙酰解的颗粒状物, 其直径与花药切片上所见到的
颗粒相近,从而可以确认这些颗粒状物至少有一部分是乌氏体, 或称球状体。但是由于单穗升
麻药室中变形绒毡层只占 12%, 且分布无一定规律,尚不能断定在变形绒毡层的周原质团中
所见到的颗粒状物是否也是乌氏体,这种颗粒状结构的实质还有待进一步确认。
致谢:本文作者在研究中多次得到奇文清博士的帮助, 协助采集了不少实验材料并进行了
探讨,中国科学院植物研究所杨亲二研究员也提供了一些文献, 在此一并表示感谢。
参 考 文 献
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3 Jensen U, Greven B. Serological Aspects and Phylogenetic Relationships of the Magnoliidae. Taxon, 1984, 33:
563~ 577
191 第 2 期 李 铭等: 单穗升麻的花药和雄配子体发育
4 Earle T T. Embryology of Certain Ranales. Bot Gaz, 1938, 100: 257~ 275
5 张英涛,陈朱希昭, 奇文清,等. 濒危植物南川升麻的小孢子发生和雄配子体发育. 北京大学学报 (自然科
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11 Bhojwani S S, Bhatnagar S P . The Embryology of the Angiosperms. New York: Vikas Publishing House Pvt
Ltd, 1974. 15
A Study on the Development of the Anther and the
Male Gametophyte in Cimicifuga simplex Wormsk
LI Ming CHEN Xiaolin
( Depa r tment of Biology, Chongqing College of Educa tion, Chongqing, 400067)
YOU Ruilin
( College of Life Sciences, Peking University, Beijing , 100871 )
Abstr act For the approach to the relations between the endangered situation and their sexual reproductive
processes in Cimicifuga nanchuanensis, some comparative studies were made in C. simplex, a close and
widespread species. The present paper deals with the microsporogenesis and the development of its male
gametophytes and the anther wall. The anther possesses four microsparangia with its wall composed of
four layers: epidermis, endothecium, middle layers and a 2-nucleate celled tapetum. Most of the antheral
tapetum are in situ disintegrated. However , it is found that in about 12% of the locules, tape tual
periplasmodia move into anther cavities forming so- called amoeboid tapetum when the microspore tetrads
are released. The cytokinesis of microspore mother cells and wall formation is of simultaneous type and the
te trahedral microspore tetrads are formed. The mature pollen grains are 2- celled.
Key words Cimici faga simplex Wormsk; tapetum; microsporogenesis; male gametophyte development
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