全 文 ：植物学通报 2005, 22 (2): 147~152
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金项目(39970627)和国家科学技术部重大项目(2002BA515B05)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: yangcp@mail.nefu.edu.cn
收稿日期：2004-08-08 接受日期：2004-12-04 责任编辑：崔郁英, 于昕
研 究 论 文
东北地区白桦雌配子体的形成与
胚胎发育研究①
1刘雪梅 2杨传平②
1(东北林业大学生命科学学院 哈尔滨 150040) 2(东北林业大学林学院 哈尔滨 150040)
摘要 以20年生白桦(Betula platyphylla)的雌花序为材料, 研究了白桦的大孢子发生、雌配子体形成
和胚胎发育过程。结果表明：1)大孢子母细胞经过减数分裂形成直线排列的4个大孢子, 其中珠孔端的
3个大孢子退化, 合点端的大孢子进行3次有丝分裂, 形成八核胚囊, 8个核迅速细胞化, 最终发育为成熟
胚囊。胚囊发育类型为单孢子蓼型胚囊; 2)胚的发育经过原胚、球形胚、心形胚和鱼雷胚等阶段发育为
成熟胚; 胚柄在球形胚时期最发达, 但胚柄短小, 只由3个扁平细胞组成, 之后逐渐退化。本文同时对雌
花的结构和发育特点在桦木科各属中的异同、白桦胚胎发生类型及胚胎发育进程的同步性进行了讨论。
关键词 白桦, 大孢子发生, 雌配子体, 胚胎发育
Megagametophyte and Embryo Development of Betula
platyphylla in Northeastern China
1LIU Xue-Mei 2YANG Chuan-Ping②
1(College of Life Sciences of Northeast Forestry University, Harbin 150040)
2(Forestry College of Northeast Forestry University, Harbin 150040)
Abstract This paper describes megasporogenesis, megagametogenesis, and the process of
embryonic development of the female inflorescence in 20-year-old Betula platyphylla. Megaspore
mother cells undergo meiosis, which results in the formation of 4 megaspores in a row. The
chalazal-most cell develops into an 8-nuclei embryo sac after 3 rounds of mitosis. A mature
embryo sac is produced after cellularization and nuclear migration. The other cells of the tetrad
undergo degeneration. The mature embryo sac consists of an egg apparatus, a central cell, and
3 antipodal cells. The embryo sac is a monosporic Polygonum type. The zygote develops into a
mature embryo going through proembryo, globular, heart, and torpedo stages. The suspensor is
developed fully at the stage of globular embryo and consists of 3 cells, which are degenerated
later. The organization and development of the female flower and the type and synchrony of
embryogenesis in Betulaceae are also discussed.
Key words Betula platyphylla, Megasporogenesis, Megagametophyte, Embryo development
148 22(2)
白桦(Betula platyphylla)是中国东北地区
的主要用材树种之一。由于白桦用途广泛,
既可作为胶合板材, 又可作为纸浆材和工艺材
等, 因此世界范围内对桦树的研究日益广泛, 其
中主要以欧洲白桦(B. pendula)的研究较多
(Martti, 1973; Martin, 1991; Woodcock, 2003)。
国内关于白桦的研究主要集中于木材材性和
单板材的良种培育(李凯夫, 2000; 郭明辉,
2000), 对于桦木属(Betula)植物的生殖生物学
的基础研究, 尤其是雌配子体和胚胎发育的研
究极少。
桦木科的某些植物已有胚胎学的研究报
道, 邢树平等(1998)研究了“Ostrya virginiana
(Betulaceae) 的胚珠和胚囊发育及其系统学意
义”; 陈之端(1994)发表了“桦木科植物的系
统发育和地理分布(续)”; 陈之端(1994)根据胚
胎学研究探讨了桦木科植物的起源和系统发
育; 刘雪梅等(1998)研究了白桦雄配子体的发
育过程。上述文献提供了有关桦木科树木胚
胎学的某些信息, 但未见白桦或其他桦木属植
物在雌配子发育及胚胎学方面的系统研究和
报道。
本文通过对白桦大孢子发生、雌配子体
发育和胚、胚乳发育的研究, 试图为白桦杂
交育种、强化育种和分子标记辅助育种等育
种措施提供生殖生物学上的理论基础和依据,
同时也为林木胚胎学理论提供基础资料。更
重要的是, 在发育分子生物学中, 有性生殖发
育的分子生物学机理占据很重要的地位。因
此, 本文对白桦胚胎发育过程进行了解剖学研
究, 揭示了其发育进程和特点, 从而为研究桦
木属植物胚胎学方面不同发育阶段的分子机
理和基因克隆提供相关信息和参考资料。
1 材料和方法
1.1 材料
材料取自东北林业大学校园内20年生白
桦(Betula platyphylla)的雌花序和果序, 于
2000~2002年的4月底至8月中旬定期取材, 4
月底至6月中旬每天取材1~2次, 6月中旬至8
月中旬每 5~10天取材一次。
1.2 方法
取材后用 FAA固定液固定保存, 或用卡
诺固定液固定后, 转入70%酒精长期保存。采
用石蜡切片法制片, 切片厚度为6~10 mm。爱
氏苏木精染色和铁矾苏木精染色(王灶安 ,
1992; 锠郑国 和谷祝平, 1993)。OLYMPUS
AH-2型显微镜观察和摄影。
2 结果与分析
2.1 大孢子发生
在东北地区, 白桦大孢子发生的时间为5
月初至 5月中旬。孢原细胞源于珠心表皮下
的一个细胞。白桦多数为单孢原, 极少数具
双孢原(图1 A)。孢原细胞直接发育为大孢子
母细胞, 其细胞体积比孢原细胞更大, 细胞质
更浓(图1 B)。大孢子母细胞经过第一次减数
分裂形成二分体(图1 C)。 二分体再进行减数
分裂形成四分体。白桦大多数四分体的 4个
大孢子为直线型排列, 少数为“T”字型(图
1 D)。
2.2 雌配子体的形成
雌配子体形成开始于5月中旬, 至5月底
发育成熟。首先直线排列的4个大孢子中, 只
有合点端的 1个大孢子具功能。此功能大孢
子继续发育形成单核胚囊, 珠孔端的3个大孢
子则逐渐退化(图1 E)。单核胚囊进行核的第
一次有丝分裂, 形成二核胚囊, 之后两个核分
别迁移到胚囊的珠孔端和合点端, 并且被中间
一个大液泡隔开, 但两个核之间有细胞质相
连。二核胚囊时仍可看到珠孔端退化的大孢
子的痕迹(图1 F)。二核胚囊进行分裂形成四
核胚囊, 珠孔端和合点端各有两个核, 中间依
然被一个大液泡占据, 各核之间仍由细胞质相
连。图 1所示为其中 3个核(图 1 G), 另一核
在其连续切片上。四核胚囊再分裂形成八核
1492005 刘雪梅等: 东北地区白桦雌配子体的形成与胚胎发育研究
图 1 白桦雌配子体的形成 A. 两个孢原细胞; B. 大孢子母细胞; C. 减数分裂 I末期; D.“T”型大孢子四
分体; E. 单核胚囊及非功能型大孢子的退化痕迹; F. 二核胚囊; G. 四核胚囊, 另一个珠孔端的核在其连续
切片上; H. 八核胚囊, 另2个珠孔端的核在其连续切片上; I. 成熟胚囊中的卵细胞和2个极核 (A.×500; B.
×500; C.×450; D.×600; E.×700; F.×700; G.×700; H.×700; I.×700)
Fig.1 Megagametogenesis in Betula platyphylla A. Two archesporial cells; B. A megaspore mother cell; C. A
telophase I of a meiosis; D. A tetrad in “T” shape; E. A mononuclear embryo sac, the sign of degenerated
megaspores; F. A two-nucleate embryo sac; G. A four-nucleate embryo sac, the other nucleus of the micropylar end
is on its adjacent sections; H. An eight-nuclei embryo sac, the other two nuclei of micropylar end are on its adjacent
sections; I. An egg cell and two polar nuclei in the mature embryo sac (A.×500; B.×500; C.×450; D.×600; E.
×700; F.×700; G.×700; H.×700; I.×700)
150 22(2)
胚囊, 胚囊两端分别有四个核, 有的核中有2个
核仁(图 1 H)。随着核的分裂, 胚囊的体积迅
速增大, 尤其在长轴方向上显著, 这主要是由于
液泡的增大而引起。接着发生细胞化和核的
迁移, 最终发育为成熟胚囊(图 1 I; 图 2 A)。
成熟胚囊的中央细胞有一个很大的液泡,
2个极核距离较近, 位于细胞的中心部分(图1
I)。卵细胞的核与细胞质大部分位于细胞的
合点端, 较大的液泡则位于珠孔端, 卵细胞的
核和核仁与极核相比都较小(图 1 I; 图 2 B)。
2个助细胞和卵细胞呈三角形排列, 2个助细胞
的核和大部分细胞质都分布在其珠孔端(图2
A)。由于没有确切观察到受精作用, 所以无
法断定两极核是融合为次生核, 还是初生胚乳
核(图 2 B)。
从以上发育过程来看, 白桦的胚囊发育类
型为典型的单孢子蓼型胚囊。
2.3 原胚的发育
原胚发育时间为 5月底至 6月初。合子
和卵细胞相比, 体积增大, 细胞质更浓厚, 此时
初生胚乳核已经分裂产生几个游离胚乳核(图
2 C)。合子第一次分裂形成大小和形态都不
同的 2个细胞; 基部的为基细胞, 与胚囊壁相
连; 另一个是顶细胞, 体积较小, 细胞质浓, 这
时称作二细胞原胚。在本文图中 2个细胞的
核都具有 2个核仁(图 2 D)。
二细胞原胚的顶细胞进行一次纵裂, 基细
胞进行一次横裂, 形成“T”型的四细胞原
胚, 基部第一个细胞内含有一个大液泡(图 2
E)。四细胞原胚再经过许多次分裂为球形胚,
此时是胚柄发育的最旺盛时期, 但白桦的胚柄相
对于其他某些植物是不发达的, 仅仅由3个细胞
组成, 基部第一个细胞含较大液泡, 其他2个细
胞形状扁平(图 2 F), 此后胚柄逐渐退化。
2.4 胚的发育
胚的发育从 6月初原胚形成后一直持续
到 8 月底。球形胚进一步分裂产生子叶原
基。子叶原基中的细胞继续分裂, 形成心形
胚, 这时的胚柄呈现解体的状态(图 2 G)。心
形胚的子叶原基继续分裂, 形成鱼雷胚, 此时
胚柄仅留有退化的痕迹(图2 H), 而胚乳在球形
胚时已经开始细胞化, 鱼雷胚时期胚乳组织仍
比较发达。在鱼雷胚后期, 胚柄完全消失(图
2 I)。当继续发育为成熟胚时, 已分化出子
叶、胚芽和胚根等结构, 子叶中贮存有大量
的淀粉粒, 胚乳几乎被消耗尽, 子叶则代替胚
乳储藏营养以供将来幼苗的发育(图 2 J)。
3 讨论
本研究结果显示，白桦胚珠呈倒生、单
珠被、厚珠心、线型大孢子四分体和蓼型胚
囊, 这些与邢树平等(1998)所总结的桦木属的
特征一致, 而且这几个特征在桦木科内各属间
也表现为较高的一致性。在某些特征上, 白
桦和其他各属相比有所不同, 例如, 白桦的孢
原细胞只有1个, 最终发育为一个胚囊, 极个别
有2个孢原细胞, 但未发现多胚囊。其他各属
(虎榛子属除外)均为多孢原, 并具有多胚囊现
象。白桦与桤木属(Alnus)、桦木属和榛属
一样, 都是合点端大孢子为功能型大孢子, 而
虎榛子属(Ostryopsis)、鹅耳栎属(Carpinus)
和铁木属(Ostrya)除了合点端第一个细胞外, 其
他 3个也作为功能大孢子。白桦的传粉和受
精间隔期为一个月左右, 与虎榛子属相同。
白桦的胚乳类型为核型, 这与已报道的5个属
(铁木属除外)(邢树平等, 1998)是一致的。
白桦的胚囊发育类型为典型的单孢子蓼
型胚囊, 据文献报道, 在研究过的有花植物中,
有70%属于此类胚囊(杨弘远等, 2001)。胚的
发育经历两个时期, 第一个时期是由二细胞原
胚至球形胚的阶段；第二个时期是由心形胚
至成熟胚阶段，胚柄短小,由 3个细胞组成。
白桦二细胞原胚的基细胞是否参与胚体的形
成, 目前还没有直接证据来定论。邢树平等
1512005 刘雪梅等: 东北地区白桦雌配子体的形成与胚胎发育研究
图2 白桦的胚胎发育 A. 成熟胚囊中的2个助细胞和2个极核; B. 卵细胞和初生胚乳核; C. 合子中含有
雄性小核仁; D. 二细胞原胚; E. 四细胞原胚; F. 球形原胚; G. 具有三细胞胚柄的心形胚; H. 鱼雷胚; I. 鱼雷
胚后期, 胚柄完全退化; J. 成熟胚 (A. ×700; B. ×700; C. ×1000; D. ×700; E. ×700; F. ×400; G. ×400;
H. ×670; I. ×680; J. ×700)
Fig.2 The process of embryonic development in Betula platyphylla A. Two synergids and two polar nuclei in
mature embryo sac; B. An egg cell and primary endosperm nucleus; C. The sperm nuclei in the egg cell; D. A two-
celled proembryo; E. A four-celled proembryo; F. A globular embryo; G. A heart-staged embryo with a three-
celled suspensor; H. A torpedo-shaped embryo; I. The later stage of torpedo-shaped embryo, the suspensor
completely degenereted; J. A mature embryo.(A. ×700; B. ×700; C. ×1000; D. ×700; E. ×700; F. ×400;
G. ×400; H. ×670; I. ×680; J. ×700)
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参 考 文 献
(1998)认为, 桦木属的胚胎发生类型为紫菀型,
即基细胞和顶细胞都参加胚体的形成。从胚
的发育过程来看, 随着细胞数量的增加, 细胞
的体积逐渐减小, 但细胞核在细胞中所占相对
体积在增加。这与文献中报道的其他植物是
一致的, 核质之间比例的变化不是由于幼胚细
胞核的增大, 而是因为细胞体积的减少, 这种变
化据推测与分化有关, 即一般只有细胞达到最
小体积时才能分化(胡适宜和杨弘远, 2002)。
本研究发现, 在不同年份、不同单株、
不同花序甚至同一朵花不同子房室的 2个胚
珠, 雌配子体形成和胚胎发育进程都是不同
的。在 2000、2001和 2002三个不同年份中,
发育进程相差5~10天, 其原因是受当年周围环
境的温度、湿度等气候条件的影响而致; 在
同一年份的不同单株或同一单株的不同花序
中, 也表现出发育的不同步。白桦同一子房
内不同子房室的 2个胚珠的发育进程也不完
全同步, 而且最终的结果差别很大。在受精
之前, 2个胚珠的发育进程虽不同步, 但差别不
大; 在受精之后, 两个胚珠的发育显著不同, 其
陈之端 (1994) 桦木科植物的系统发育和地理分布(续)．
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邢树平, 陈之端, 路安民 (1998) Ostrya virginiana
(Betulaceae)的胚珠和胚囊发育及其系统学意义．植
中1个发育迅速, 体积明显大于另1个胚珠, 体
积较大的胚珠中继续进行胚和胚乳的发育, 而
较小的胚珠则停止发育并逐渐退化萎缩。最
终, 成熟的种实内只有1个成熟胚, 而另1个胚
珠则退化。
有性生殖发育进程和特点的研究, 是有效
进行杂交育种、分子标记辅助育种和相关机
理研究的基础。虽然桦木科某些植物在花的
结构和胚胎学特征方面已有报道(邢树平等,
1998), 但桦木科内各属间有很大差异, 对于气
候寒冷的东北地区的主要树种之一——白桦
未见相关报道。受气候条件的影响, 此地区
白桦的有性发育周期和越冬状态不同于其他
地区, 例如, 雌雄配子体发育和胚胎发育主要
集中在最适气候条件的一个月之内完成, 时间
长短随每年环境条件的不同而表现出较大差
异; 雄花以单核小孢子形式在冬季宿存(刘雪梅
等, 1998)等等。因此, 本研究主要为东北地区
的白桦杂交育种、花发育分子机理及其他相
关研究提供基础资料。
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