全 文 ：文章编号:1000-694X(2002)03-0267-06
绵刺(Potaninia mongolica)无融合生殖
的胚胎学研究
收稿日期:2001-03-29;改回日期:2001-06-04
基金项目:国家自然科学基金项目(39860009;30060006);国家重点基础研究发展规划项目(G2000048704)资助
作者简介:王迎春(1966—),女(汉族),内蒙古和林县人 ,副教授 ,主要从事生殖生态学研究工作。
王迎春 , 田 虹 , 杨 持
(内蒙古大学生命科学学院 , 内蒙古呼和浩特 010021)
摘 要:研究绵刺(Potaninia mongolica)的胚胎发育过程 ,首次报道其有性生殖模式为无融合生殖的体细胞无孢子
生殖(Apospory),由合点端珠心细胞形成 3～ 7 个无孢子孢原 , 孢原细胞体积增大 , 形成单核胚囊 , 后经 3 次有丝分
裂形成多个八核七细胞的成熟胚囊 ,胚囊发育属山柳菊型。但一般只有一个胚囊可发育出成胚。胚囊发育过程中
具极性 ,由合点端向珠孔端延伸。未观察到有性生殖胚囊的发育。
关键词:无融合生殖;胚胎学;无孢子生殖;绵刺
中图分类号:Q945.53 文献标识码:A
绵刺(Potaninia mongolica Maxim)属蔷薇科一个
古老的单种属残遗物种 ,其分布范围十分狭窄 ,对干
旱环境具高度适应性。绵刺常以假死度过干旱季节 ,
自然更新以劈裂式营养繁殖形成环状集群。野外观
察发现绵刺的开花物候与降雨关系密切 ,特别干旱的
年份 ,全年不开花 ,秋雨充沛时可二次开花[ 1] 。有关
绵刺 、沙冬青等荒漠旱生植物的旱生特性已有一些研
究[ 2～ 5] ,但对绵刺有性生殖过程却未见报道。
一般来说 ,蔷薇科植物 ,特别是多倍体种类中具
有较强的进行无融合生殖的倾向 ,由珠心细胞或者
是珠心表皮细胞发育为体细胞孢原并形成不减数的
成熟胚囊 ,而有性生殖胚囊在竞争中常解体[ 6] 。本
文对绵刺胚胎学特征进行了观察研究 ,首次发现在
绵刺中存在体细胞无孢子生殖的无融合生殖方式 。
1 材料与方法
绵刺供试材料取自内蒙古乌海市境内 3 个种
群。4 ～ 7月 ,采集不同发育阶段的花蕾固定于 FAA
固定液中 ,室温保存 , 常规石蜡切片 ,厚度 8 ～ 10
μm 。铁矾 苏木精染色 ,中性树胶封片 , Nickon 显
微镜下观察并照相。
对不同发育时期的1 000枚花进行了观察。
2 观察结果
2.1 胚珠发育和无孢子生殖胚囊的起源
绵刺为直生胚珠 ,雌蕊由单心皮组成 ,子房内一
般含一个胚珠 ,在雌蕊发育早期 ,胚珠原基形成后 ,
未观察到珠心表皮下分化出孢原细胞 。小孢子四分
体时期 ,在珠心合点端形成一团细胞 ,细胞小且细胞
质浓 ,液泡化程度小 ,排列紧密 ,染色较深 ,与其它珠
心细胞有明显区别 。之后在珠心合点端的这团细胞
中央出现多个特化细胞 ,一般为 3至 7个 ,这些特化
细胞的共同特点为:细胞体积大 ,约为周围其它珠心
细胞的 3至 5倍 ,细胞质浓厚 ,染色较深 ,具小液泡
(照片Ⅰ中 1 , 2),这些细胞即为无孢子生殖胚囊的
原始细胞 。当胚囊原始细胞发育时 ,可观察到周围
珠心细胞被挤压解体的痕迹。在一个胚珠中 ,无论
是出现一个或多个无孢子生殖胚囊原始细胞 ,在发
育初期表现均较一致 ,即细胞体积逐渐增大 ,细胞核
大且核仁明显(照片 Ⅰ中 1)。少数胚珠中 ,当小孢
子刚从四分体释放时 ,由珠孔端珠心细胞膨大形成
多个无孢子孢原细胞(照片 Ⅰ中 3),此种情况进一
步的发育状况未观察到 。
2.2 无孢子生殖胚囊的形成
在胚囊原始细胞体积逐渐增大的过程中 ,细胞
质中出现多个小液泡 ,小液泡逐渐合并形成较大的
两个液泡 ,分别位于细胞的两极 ,细胞核位于细胞中
央 ,形成单核胚囊(照片 Ⅰ中 4 , 5)。多个无孢子生
殖胚囊原始细胞发育成单核胚囊过程中 ,胚囊的发
育大多是有先后顺序的 ,一般只有一个胚囊原始细
胞优先发育 ,液泡迅速膨大 ,其它原始细胞发育相对
第 22卷 第 3期
2002年 8月
中 国 沙 漠
JOURNAL OF DESERT RESEARCH
Vol.22 No.3
Aug.2002
照片Ⅰ 示绵刺无孢子生殖胚囊发育过程
PhotoⅠ Growing processes of aposporous embryo in Potaninia mongolia
1.示合点端无孢子孢原 ×600;2.示胚珠合点端发育中的胚囊 ×150;3.示珠孔端多个孢原 ×600;4.示单核胚囊 ×600;5.示 2个
单核胚囊 ,周围珠心细胞解体 ×600;6.示二核胚囊 ,珠心细胞解体 ×600;7.示双二核胚囊 ×600;8.示已伸长的二核胚囊 ×600;
9.示四核胚囊 ,胚囊两极各有两核 ×600;10.示多个四核胚囊 ×600;11.示多个胚囊 ,包括一个四核胚囊及合点端一个二核胚囊 ×
600;12.示卵细胞 ×600;13.示退化卵细胞 ,核 、质集中于合点端 ,珠孔端由大液泡占据 ×600;14.示珠孔端两个成熟胚囊 ×600
268 中 国 沙 漠 22卷
较迟;有的胚珠中则多个无孢子原始细胞发育较为
整齐 ,基本同步发育。第一个无孢子生殖单核胚囊
形成后 ,其周围珠心细胞解体 ,单核胚囊的胚囊腔增
大 ,随后细胞核进行一次有丝分裂 ,分裂方向与胚囊
纵轴平行 ,刚形成的二个核位于胚囊中央(照片Ⅰ中
6),以后二个核移向胚囊两极 ,胚囊中央由一个大的
中央液泡占据 ,细胞质也两极分布包围在细胞核周
围(照片Ⅰ中 7 ,8),胚囊体积增大 。以后 ,胚囊纵向
伸长 ,向珠孔端延伸 ,胚囊体积约为单核胚囊的 2
倍 ,胚囊周围的珠心细胞解体 ,与此同时 ,胚珠也生
长迅速。二核胚囊的两个核各自再进行一次有丝分
裂 ,形成四核胚囊(照片 Ⅰ中 9 , 10 , 11)。四核胚囊
形成后 ,胚囊迅速纵向伸长 ,移向珠孔端 。四核胚囊
呈管状 ,其细胞质集中分布于胚囊珠孔端和合点端 ,
染色较深 。胚囊的伸长类似于花粉管在花柱中的延
伸 ,是由胚囊珠孔端一侧的生长而伸长的 ,具一定极
性 ,合点端的二个核始终位于胚囊的另一端 ,胚囊中
央由大液泡占据。在管状胚囊伸长的过程中 ,珠心
细胞不断解体。在切片中 ,可观察到 3 ～ 4个四核胚
囊同时发育的情况(照片 Ⅰ中 10)。四核胚囊四个
核各自再进行一次有丝分裂 ,形成八核胚囊。八核
胚囊形成后 ,位于珠孔端的四个核中有三个形成卵
器(照片Ⅰ中 14),包括一个卵细胞 ,两个助细胞 ,合
点端三个核形成三个反足细胞(照片 Ⅱ中 1),珠孔
端 ,合点端各有一核向胚囊中央移动 ,靠拢 ,形成二
个极核 ,此时形成具有八核七细胞的成熟胚囊 。与
此同时 ,胚珠生长迅速 ,八核胚囊体积亦明显增大 ,
占据珠心大部分体积 ,可一直延伸到珠孔端珠心表
皮之下。成熟胚囊中 ,卵细胞体积较大 ,两个助细胞
在珠孔端的细胞壁加厚形成丝状器 ,合点端反足细
胞体积增大 ,但数量不增加 ,始终保持三个细胞。但
由于珠心中具多个成熟胚囊 ,因而合点端的反足细
胞可观察到多个(照片Ⅱ中 2)。
在同一胚珠中 ,可观察到单核 、2核 、4核胚囊同
时发育 ,即多个无孢子胚囊原始细胞的发育不同步 ,
一般靠近珠孔端的胚囊较早发育 ,而合点端的发育
相对较晚(照片 Ⅰ中 11);也可观察到同一胚珠中具
2至 3个四核胚囊或 2 至 4个成熟胚囊(照片 Ⅰ中
10 ,14),即由不同的无孢子孢原产生的胚囊发育基
本同步 ,但胚囊大小略有差异 ,说明它们虽处于同一
发育时期 ,但发育仍有先后顺序 。一般在胚珠发育
成熟时 ,可观察到珠心具 3至 5个成熟胚囊 ,但在以
后的切片中极少观察到多胚现象 ,它们之中一般只
有一个胚囊可继续发育形成胚 ,其它的成熟胚囊逐渐
退化解体 ,退化的成熟胚囊中卵细胞一般在珠孔端具
大液泡 ,核缩小位于合点端 ,助细胞退化 ,但可观察到
残留的丝状器 , 反足细胞亦很快退化解体(照片Ⅰ中
13)。可继续发育的胚囊中 ,可观察到发育中的卵细
胞体积大 ,核大 ,位于细胞中央 ,核仁明显 ,细胞质浓
厚 ,无大液泡出现(照片Ⅰ中 12 ,照片Ⅱ中 3)。
2.3 胚和胚乳的发育
绵刺花粉发育虽存在一定败育现象 ,但大多数
花粉囊均能正常成熟 ,当花粉发育成熟并散粉时 ,无
孢子胚囊亦基本发育成熟。由野外观察以及绵刺花
部特征和石蜡切片观察分析 ,绵刺传粉方式应为自
花传粉(另文报导)。绵刺无融合生殖胚形成过程中
需要传粉的刺激 ,只有传粉后 ,极核才开始分裂 ,卵
细胞在胚乳游离核形成后才开始分裂 。
绵刺的无孢子生殖成熟胚囊在开花时已经形
成 ,成熟胚囊属山柳菊型 ,包括八核七细胞 。开花当
天 ,花粉囊开裂 ,花粉散出 ,落在柱头上 ,刺激极核很
快分裂形成游离的胚乳核。绵刺的两个极核在分裂
之前不进行融合 ,始终保持两个核紧贴在一起。开
花后 ,成熟胚囊继续发育 ,卵细胞体积增大 ,细胞质
浓 ,未观察到细胞内有大的液泡产生 ,助细胞开始解
体(照片 Ⅱ中 3),反足细胞解体相对较晚 。卵细胞
首先进行一次横分裂 ,形成二个细胞 ,此时胚乳游离
核包围在珠孔端二细胞胚周围(照片 Ⅱ中 4),以后
靠近珠孔端的基细胞进行多次横分裂形成 4 ～ 5个
细胞的胚柄 ,而顶细胞多次分裂后形成球形胚(照片
Ⅱ中 5)。在此时期 ,珠孔端仍有多个未解体的成熟
胚囊(照片 Ⅱ中 6)。球胚期具 8 ～ 10 个细胞的胚
柄 ,靠近珠孔端的细胞膨大 ,胚柄细胞内液泡化明显
(照片Ⅱ中 5),而合点端的三个反足细胞仍未解体。
鱼雷型胚初期 ,胚乳细胞化开始 ,从珠孔端向合点端
延伸(照片 Ⅱ中 7)。之后胚的两片子叶伸长 ,随着
胚的生长 ,胚周围的胚乳细胞解体(照片Ⅱ中 8)。发
育成熟的胚由胚根 、胚轴 、和两片直生的子叶组成 ,占
据整个子房 ,胚乳只保留 1 ～ 2层细胞位于种皮内侧
(照片Ⅱ中9)。一个胚珠一般只发育出一粒种子。只
在球胚期观察到少数双胚现象(照片Ⅱ中 6)。
3 讨论
3.1 无孢子生殖胚囊的发育类型
绵刺胚囊原始细胞体积增大并在两极出现大液
泡形成单核胚囊 , 经三次连续的有丝分裂形成八核
269 3期 王迎春等:绵刺(Potaninia mongolica)无融合生殖的胚胎学研究
照片Ⅱ 绵刺无孢子生殖成熟胚囊发育过程
Photo Ⅱ Growing processes of mature aposporous embryo in Potaninia mongolica
1.示合点端三个反足细胞×600;2.示合点端多个反足细胞 ×600;3.示开花当天卵细胞结构 ×600;4.示卵细胞第一次
横分裂 ×600;5.示球型胚及胚柄结构 ,胚柄周围具胚乳游离核 ×300;6.示珠孔端四个胚囊 , 其中两个胚囊中具球型
胚 ,另外两个胚囊中具助细胞和卵细胞 ×600;7.示早鱼雷型胚 ×150;8.示鱼雷型胚 ×60;9.示鱼雷型胚时期宿存的
1～ 2层胚乳细胞及珠被最内层细胞 ×300
270 中 国 沙 漠 22卷
胚囊(照片 Ⅲ)。之后八核胚囊分化为八核七细胞的
成熟胚囊 ,在珠孔端由卵细胞和两个助细胞形成卵
器 ,合点端形成三个大的反足细胞 ,胚囊中央由中央
细胞占据 ,包含两个极核。这种无孢子八核胚囊在
山柳菊属 、还阳参属 、金丝桃属 、早熟禾属 、楼悌草
属 、毛茛属 、茅香属及甜菜属中均有报道[ 7 ～ 9] ,但在
蔷薇科的绵刺属中则是首次进行有关无融合生殖及
其发生方式的报道 。蔷薇科中无孢子生殖胚囊的发
育类型与禾本科中山柳菊型相类似[ 11] ,绵刺无融合
生殖类型也属于山柳菊型。在实验中未观察到有性
胚囊的发育或者有性与无性生殖胚囊同时发育成熟
的现象 。绵刺的胚胎发育是否属于专性无融合生殖
还需进一步从细胞学 、遗传学 、传粉生物学等角度进
行深入研究加以证实。
照片Ⅲ 无孢子胚囊形成过程示意图
Photo Ⅲ Sketch showing the fo rming process of apospo rous
embryo sac in Potaninia mongolica Maxim
3.2 绵刺的生殖对策及进化生物学意义
绵刺多个胚囊原始细胞同时发育形成多个成熟
胚囊 ,但一般只有一个成熟胚囊可以继续发育形成
胚 ,因此绵刺中极少观察到多胚现象 ,其余成熟胚囊
中细胞退化 ,最终成熟胚囊解体。在观察中发现 ,能
够发育的成熟胚囊 ,在开花传粉后 ,极核很快分裂形
成初生胚乳核 ,不久卵细胞亦开始分裂。而最终退
化的成熟胚囊 ,在开花后 ,极核不分裂 ,卵细胞内很
快液泡化 ,珠孔端产生大液泡 , 核缩小并位于合点
端。
这一现象是由什么机制决定的 ?研究中发现绵
刺发育过程中的营养分配致关重要 。在西鄂尔多斯
高原营养极度贫乏 ,严重干旱缺水的条件下 ,分配给
胚胎发育的营养成分是十分有限的 ,因而为保证种
子成熟 ,选择其中的一个胚囊 ,集中供给养份 ,使其
继续发育形成胚 ,以保证种子成熟 。如果多个成熟
胚囊同时发育 ,则可能由于营养不良而全部败育 ,从
而不能形成种子 ,因而这种有选择的发育很可能是
保障种子形成的一种不得已的决策 。那么在多个成
熟胚囊中就存在一种资源竞争机制 ,究竟哪个胚囊
能够优先发育取决于这个胚囊能否获得足够的养
分 ,获得营养的胚囊极核就可能很快分裂 ,开始胚胎
发育过程 ,否则 ,极核得不到养分就不能分裂 ,因而
最终败育的胚囊极核不分裂 。在胚囊发育中我们观
察到 ,在同一胚珠中 ,虽然多个无孢子孢原都可以形
成成熟胚囊 ,但这一形成过程是有先后顺序的 ,即使
在同一胚珠中存在多个四核胚囊 ,但胚囊的大小并
不一致 ,总是存在着一定差异 ,即最大的胚囊发育速
度快于其它胚囊 ,将来首先发育成熟 ,这个发育速度
较快的胚囊就可能优先获得下一步发育所需营养而
继续发育 。除此之外 ,可能与无孢子孢原所处的位
置也有一定关系 ,一般靠近珠孔端的一个无孢子孢
原首先体积膨大 ,形成单核胚囊 ,最终优先发育为成
熟胚囊 。因为靠近珠孔端的胚囊较容易吸收来自珠
心的营养 ,因此较有利于继续发育。
绵刺的繁育系统十分经济实用 ,首先绵刺具有
无融合生殖和营养繁殖混合的繁育系统 ,其营养繁
殖以劈裂生长形成环状集群或由茎匍匐地面被沙土
覆盖 ,形成不定根和不定芽而衍生成新的植株[ 1] ,
271 3期 王迎春等:绵刺(Potaninia mongolica)无融合生殖的胚胎学研究
这种生殖方式在繁育系统中占有较大比例 ,对种群
繁衍意义重大。其次 ,绵刺有性生殖采取无融合生
殖方式形成种子 ,并行自花传粉来刺激极核和卵的
分裂 ,避免了传粉和受精的限制对种子形成的影响 ,
对保障种子的形成具重要意义。另外 ,绵刺以休眠
的方式度过干旱季节 ,而在降雨丰富的年份可通过
延长花期 ,甚至二次开花来增加种子产量。因此 ,绵
刺对荒漠环境的适应能力很强 。绵刺被认为是古地
中海东岸东亚植物区系的成分 ,其祖先很可能并不
是真正的荒漠植物 ,现有的特征是经过长期干旱环境
改造而适应形成的[ 1] 。牛俊杰等认为鄂尔多斯沙漠
化早已存在[ 10] ,绵刺的无融合生殖方式是否也应被
看作是在长期进化过程中对干旱环境的适应呢? 作
者认为至少应被看作是一种保障种子形成的生殖保
险。
参考文献(References):
[ 1] 中国科学院内蒙古宁夏综合考察队.内蒙古植被[ M ] .北京:科
学出版社 , 1985.
[ 2] 刘果厚 ,王树森 ,任霞.三种濒危植物种子萌发期抗盐性 、抗旱性
研究[ J] .内蒙古林学院学报 , 1999 , 21:32-37.
[ 3] 刘果厚 ,贺晓 ,吴丽芝,等.国家重点保护植物绵刺的适应性及其
保护的研究[ J] .内蒙古林学院学报 , 1997 , 19(4):20-24
[ 4] 王继和 ,吴春荣 ,张盹明 ,等.甘肃荒漠区濒危植物绵刺生理生态
学特性的研究[ J] .中国沙漠 , 2000 , 20(4):397-403.
[ 5] 蒋志荣.沙冬青抗旱机理的探讨[ J] .中国沙漠 , 2000, 20(3):71
-74.
[ 6] Davis G L.Apomixis in Compositea[ J] .Phytomorphology , 1967 ,
17:270-277.
[ 7] 温沁山 ,叶秀鳞 ,黎垣庆 ,等.非洲狼尾草无融合生殖胚胎学研究
[ J] .植物学报 , 1998 ,40(7):598-604.
[ 8] Hanna W W , Bashaw E C.Apomixis:Its identif ication and use in
plant breeding [ J] .Crop S ci., 1987 , 27:1136-1139.
[ 9] 孟金陵 ,等.植物生殖遗传学[ M] .北京:科学出版社 , 1997.119-
126.
[ 10] 牛俊杰 ,赵淑贞.关于历史时期鄂尔多斯高原沙漠化问题[ J] .
中国沙漠 , 2000 , 20(1):67-70.
Embryological study on Apomixis in Potaninia mongolica
WANG Ying-chun , TIAN Hong , YANG Chi
(Col lege of Li fe S ciences , Inner Mongolia Univer si ty , Hohhot 010021 , China)
Abstract:Embryology of Potaninia mongol ica is studied in this paper.The results firstly show that the mode of
reproduction conforms to apospory .Three to seven aposporous archespores are developed from nucellar cells in
chalazal end.The archespores increase and form uninuclear embryo sac , which undergoes three mitoses to form
several eight-nucleated mature embryo sac as Hieracium type.But embryo is developed from only one embryo
sac.Development of apospo rous embryo sacs show s polarity , which ex tend from micropy lar end to chalazal end.
No normal sexuparous embryo sac is found.
Key words:apomixis;Embryology ;apospory ;Potaninia mongolica
272 中 国 沙 漠 22卷