全 文 ：植物学通报 2005, 22 (4): 419~425
Chinese Bulletin of Botany
①国家 973基金项目(2002CB111402-3-6)和国家自然科学基金项目(30170619)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mali:wrl@njau.edu.cn
收稿日期: 2004-08-30 接受日期: 2004-11-09 责任编辑: 崔郁英, 于昕
研 究 论 文
外来入侵种——紫茎泽兰花芽分化和胚胎学研究①
贺俊英 强 胜②
(南京农业大学杂草研究室 南京 210095)
摘要 应用石蜡切片法对紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)从花芽分化到胚胎形成的全过程进行系
统观察, 结果表明: 紫茎泽兰从刚孕花序至头状花序的直径(d)大小为1.6～1.8 mm时为花芽分化期; d在
1.8～2.0和3.8～4.0 mm范围内为大小孢子及雌雄配子体发育期, 其中d在2.3～3.5 mm之间时为减数分裂
的主要过程; 药壁分化过程为双子叶型, 胞质分裂为同时型, 绒毡层发育属腺质绒毡层, 成熟花粉粒为3-
细胞型; 胚囊发育属蓼形, 胚珠倒生, 单珠被, 薄珠心; 胚胎发育过程中有双胚现象。
关键词 紫茎泽兰, 花芽分化, 大孢子发育, 小孢子发育, 胚胎发育
Study of Floral Organ Differentiation and Embryology in
Eupatorium adenophorum — an Exotic Plant
HE Jun-Ying QIANG Sheng②
(Weed Research Laboratory , Nanjing Agriculture University, Nanjing 210095)
Abstract We observed floral organ differentiation, megasporogenesis, microsporogenesis and the
embryogenetic process in Eupatorium adenophorum by the paraffin section method. The floral bud
differentiated when the diameter of the anthodium was between 0 and 1.6-1.8 mm, and microspores,
megaspores, microgametophytes and megagametophytes developed when the diameter of the
anthodium was between 1.8-2.0 mm and 3.8-4.0 mm. Pollen mother cell meiosis mainly occurred
when the diameter of the anthodium was between 2.3 and 3.5 mm. Simultaneous cytokine styles,
secretory tapeta, 3-celled mature pollen grains, dicotylous-developed anther walls and the polygonum
type of mature embryo sacs were detected. In addition, the mature ovule was anatropous, unitegmic
and tenuinucellate. A biembryo was found during the embryonic development period.
Key words Eupatorium adenophorum, Floral organ differentiation, Megasporogenesis,
Microsporogenesis, Embryogenesis
紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)属菊
科泽兰属多年生半灌木植物, 是一种世界性的恶
性杂草。其花白色, 复伞房花序, 于每年2月至
4月开花结实并产生大量的种子, 据统计每一生
殖枝每年可产生4万粒成熟的种子, 种子又随风
借助冠毛到处传播, 再加上根与茎的无性繁殖能
420 22(4)
力, 使其传播与入侵能力极强(段惠, 2003)。紫
茎泽兰原产美洲的墨西哥至哥斯达黎加一带, 后
作为观赏植物被引种到欧洲、澳洲和亚洲, 现
已广泛入侵且危害世界热带、亚热带地区(强
胜,1998)。20世纪40年代紫茎泽兰由缅甸泰国
一带首入我国云南(赵国晶和马云萍, 1989), 现已
蔓延到四川、贵州、广西、西藏、湖南和
湖北等省区。其主要入侵农田、草地、草
原、路边、宅旁、经济林地和森林, 给农、
林、牧业生产及多种经营造成极大损失(向业
勋, 1991; Suwanketnikom, 1992), 被称为“绿色
杀手”, 所以阻止其进一步蔓延、传播是迫在
眉睫的任务。紫茎泽兰轻而小的种子是其传
播的主要途径。紫茎泽兰种子产量特别高, 若
能使种子产量下降势必会减轻它的疯狂传播。
花芽分化是植物开花结实的基础, 也是决定种子
产量的主要环节(韩燕来等, 1999; 欧阳彤,
2001)。因此本文对紫茎泽兰花芽分化和大小
孢子发育动态进行了详细的研究, 以期为用除草
剂抑制紫茎泽兰花期的正常发育及防除提供理
论依据。
1 材料和方法
1.1 实验材料
试验材料为南京农业大学杂草研究室盆栽
培育 3年的紫茎泽兰(Eupatorium adenopho-
rum), 其温度、湿度与南京的自然气候相当, 其
土壤湿度适中。
1.2 实验方法
1.2.1 花芽分化的研究方法 2004年2～4
月从紫茎泽兰刚孕花序开始逐渐取大小不同
的头状花序用FAA固定液固定, 常规石蜡切
片, 切片厚度为 8 mm, 经铁矾 -苏木精染色,
树胶封片。
1.2.2 大小孢子发育研究方法 选取不同大
小的头状花序,测量其直径后用卡诺液固定(孙
敬三和钱迎倩, 1987), 24小时后转入70%的酒
精储存, 常规石蜡切片, 切片厚度为8 mm, 铁矾-
苏木精染色, 固绿衬染, 树胶封片。
OLYMPUS BH-2型显微镜镜检, Nikon
E4500数码相机连接OLYMPUS BH-2型显微
镜拍照。
2 观察结果
2.1 花芽分化及其与外部形态大小的对应
关系
从纵切面观察, 可将紫茎泽兰花芽分化分
为以下几个阶段。
第一阶段花芽原基分化期: d<0.5 mm (d代
表头状花序的直径大小)时, 紫茎泽兰顶端叶片
的叶腋里分化出雏形花芽, 呈突起状, 在一个花
托上分化数个呈半圆形的球状原始体即花芽原
基(图1A), 紫茎泽兰头状花序均为管状花组成,
且外周的花比中间的发育稍早。
第二阶段花萼、花冠分化期(d在0.5～0.8
mm): d为0.5～0.6 mm时,花芽原基上分化出萼
片原基(图1B),随着萼片发育, 在萼筒内侧分化
出花瓣原基; 当d为0.6～0.8 mm时, 花瓣伸长,
其长度大于花萼的长度(图 1C)。
第三阶段雌、雄蕊分化期(d在 0.8～1.3
mm): d为0.8～1.0 mm时,雄蕊原基分化形成(图
1C), 由于是纵切面观察, 故在一朵花里只能看到
2个雄蕊; d为1.0～1.3 mm时, 雌蕊开始分化, 雌
蕊位于花器中央,心皮呈乳头状突起,然后向两
边纵向生长(图 1D)。
第四阶段分化完成期(d在1.3～1.8 mm): 随
着进一步发育, d为1.6～1.8 mm时,花的各部分
都分化完成,可观察到子房、花柱及花药孢原
细胞。花瓣逐渐伸长,把雄蕊和雌蕊覆盖,形成
花蕾(图 1E), 花萼退化为冠毛。
从以上得出, 头状花序从刚孕花序开始至
其直径大小为 1.6～1.8 mm是花芽分化时期。
历时7天左右。每个头状花序的花序托上含有
40～70朵花, 其发育进程不一, 从外向内逐步发
育。故外部大小和内部形态的对应关系主要
是以头状花序的最外一轮花和其稍内侧的花(即
4212005 贺俊英等: 外来入侵种——紫茎泽兰花芽分化和胚胎学研究
图1 紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)花芽分化和小孢子发育过程 A～E. 花芽分化过程: A. 花原基;
B. 花萼原基; C. 花冠雄蕊形成期; D. 雌蕊形成期; E. 分化完成期; F～J. 花药发育过程: F. 花药初期; G.
造孢细胞期; H. 花粉母细胞及四层药壁; I. 绒毡层开始自溶; J. 成熟花药; K～O. 小孢子发生与发育: K. 花
粉母细胞; L. 减数分裂Ⅰ中期; M. 减数分裂Ⅰ后期; N. 减数分裂Ⅱ后期; O. 四分体 (A-J. Bar=40 mm; K-
O. Bar=15 mm)
Fig.1 Floral organ differentiation and microsporogenesis of Eupatorium adenophorum. A-E. Floral organ
differentiation: A. Floral primodium; B. Calycinus primodium; C. Stage of petal and stamen; D. Pistil stage; E. Stage
of differential end; F-J. Anther Development: F. Primary anther; G. Stage of sporogenous cell; H. Pollen mother cell
and 4-layer walls; I. Disarranging tapetum; J. Mature anther; K-O. Microsporogenesis: K. Pollen mother cell; L.
Metaphase Ⅰ; M. AnaphaseⅠ; N. Anaphase Ⅱ; O. Tetrahedral tetrad (A-J. Bar=40 mm; K-O. Bar=15 mm)
422 22(4)
发育相对较早的花)为观察比较的依据。
2.2 紫茎泽兰小孢子发育
2.2.1 花药发育的横切面观察 d为1.8～2.0
mm时, 花药具原表皮和孢原细胞(图1F, G)。随
着发育逐渐分化出药室内壁、中层和绒毡层;
在d为2.5 mm左右时, 花粉母细胞形成, 此时可
观察到发育完全的 4层药壁表皮、药室内壁、
中层、绒毡层(图 1H)。其中 d在 2.3～3.5 mm
是减数分裂的主要过程。d在3.5～4 mm时, 花
粉发育成熟, 花药壁破裂, 花粉粒散出(图1J)。
2.2.2 花药发育的纵切面观察 花粉母细胞
减数分裂——小孢子形成。d从2.3～2.5 mm开
始到 3.0～3.5 mm是减数分裂的各时期(图
1K~O), 小孢子母细胞经第一次减数分裂形成双
核细胞(图1M), 第二次减数分裂时双核同时分
裂形成四面体(图1N), 四分体(图1O)由胼胝质包
围, 最后 4个小孢子分开。四分体胞质分裂属
同时型。小孢子从四分体释放后(图2A), 细胞
体积扩大, 胞质发生液泡化, 形成中央大液泡(图
2B), 其细胞核移到一侧经有丝分裂形成2-细胞
花粉粒(图2C), 当花粉成熟时, 生殖细胞进行有
丝分裂形成3-细胞花粉粒(图2D), 故紫茎泽兰
成熟花粉粒为 3-细胞花粉粒。
在小孢子母细胞进行减数分裂的时候, 绒
毡层出现自我解体的迹象(图1I), 且随着小孢子
的发育继续解体, 到2核花粉时期仅留残迹或完
全消失, 但绒毡层在整个发育过程中始终保持在
原来的位置, 故为腺质绒毡层。从切片中还可
观察到同一花药的不同花粉囊之间减数分裂不
同步, 而同一花粉囊的花粉粒之间基本一致。
由于染色体太小, 无法对减数分裂Ⅰ前期的细线
期、偶线期、粗线期、双线期和终变期清楚
分辨出来。
2.3 大孢子发育
紫茎泽兰胚珠属倒生型、单珠被(图 2E)。
孢原细胞位于珠心表皮细胞下(图2F)。孢原细
胞直接发育成大孢子母细胞(图2G)。大孢子母
细胞行减数分裂形成线型四分体(图2H)。珠孔
端3个大孢子退化,合点端大孢子发育为单核胚
囊(图2I)。单核胚囊经核的有丝分裂形成二核
胚囊(图 2J)、四核胚囊(图 2K)、八核胚囊(图
2L)。其胚囊发育类型属蓼型胚囊。整个分化
过程较短, 类型 d在 3.0～4.0 mm范围内。
在紫茎泽兰雌、雄配子体的发育过程中,
发现同一朵花的雌配子体和雄配子体之间在发
育前期存在不同步现象,即雄性器官的发育稍早
于雌性器官, 但二者在发育末期同时成熟。其
相互对应关系表现为: 小孢子母细胞期对应于雌
性造孢期;小孢子四分体对应于大孢子母细胞
期;单核花粉粒期对应于大孢子母细胞减数分裂
期;二核花粉粒形成期对应于单核胚囊期;三核
花粉粒形成期对应于八核胚囊形成期;花粉粒和
图2 紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)成熟花粉粒和胚胎发育过程 A-D. 雄配子体发育: A. 单核花
粉粒; B. 单核靠边期; C. 2-细胞花粉; D. 3-细胞花粉; E-L. 大孢子及雌配子体发育: E. 倒生胚珠; F. 大孢子
造孢细胞; G. 大孢子母细胞; H. 直线型大孢子四体; I. 单核胚囊; J. 二核胚囊; K. 四核胚囊的侧面观; L. 成
熟胚囊(1个卵细胞 2助细胞之一 2个极核); M-R. 胚胎发育: M. 球形胚; N. 心形胚; O. 鱼雷形胚; P. 成熟
胚; Q. 双球形胚; R. 双心形胚 (A-L . Bar=15 mm; M-N Bar=40 mm; O-R Bar=60 mm)
Fig.2 Mature microspore and embryo development of Eupatorium adenophorum. A-D.microgametogenesis:
A. Monokaryotic microspore; B. Monokaryotic microspore with the nucleus located aside; C. 2-cell pollen grain;
D. 3-cell pollen grain; E-L. Megasporogenesis and megagametogenesis: E. Anatropous ovule; F. Megaspore
sporogenous cell; G. Megaspore mother cell; H. Linear megaspore tetrad; I. One-nucleate embryo sac; G. Two-
nucleate embryo sac; K. Four- nucleate embryo sac; L. Mature embryo sac(one egg, two polar nuclei and one of
two synergids); M-R. Embryo development: M. Globular embryo; N. Heart embryo; O. Torpedo embryo; P.
Mature embryo; Q. Bi-globular embryo; R. Bi-heart embryo (A-L . Bar=15 mm; M-N Bar=40 mm; O-R Bar=60
mm)
→
4232005 贺俊英等: 外来入侵种——紫茎泽兰花芽分化和胚胎学研究
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胚囊同时成熟。
2.4 胚胎发育
紫茎泽兰胚胎发育过程遵循一般双子叶植
物的发育规律, 经球形胚(图 2M)、心形胚(图
2N)、鱼雷形胚(图 2O)到成熟胚(图 2P)。胚乳
的发育形式为核型胚乳。在球形胚时期,胚乳
细胞充满整个胚囊,在心形胚时期,胚周围的胚
乳细胞开始解体,并呈现被胚吸收的迹象, 与此
同时,该胚乳外围形成1层排列紧密的胚乳细胞
层, 此细胞层在双子叶胚时,残留于成熟的瘦果
中(图2P)。紫茎泽兰有双胚现象的存在(图2Q,
R), 双胚率达 1.5%。
3 讨论
紫茎泽兰这一恶性外来杂草现已分布于我
国的云南、四川、贵州、广西、西藏、湖
北和湖南等地区, 对入侵区的农林牧业造成极大
的损失, 而且仍以每年大约60 km的速度,随西
南风向东和向北传播扩散(强胜, 1998)。紫茎泽
兰短距离的传播扩散主要是由其自身轻而小的
瘦果种子在风力的作用下完成, 长距离的传播则
借助于人及交通运输工具等实现。紫茎泽兰
结实力非常强, 每株每年可结种子3.0～4.5万粒,
多的可达 10万粒(刘伦辉等, 1989; 段惠等,
2003)。另外每当紫茎泽兰开花时, 花粉会引起
人过敏、进入动物眼睛和鼻腔后会引起糜烂
流脓,乃至死亡。因此作者从决定紫茎泽兰种
子产量的有性生殖器官入手, 详细研究紫茎泽
兰花期发育全过程的特征得出结论: d为0～
1.8 mm时是花芽分化时期; d为2.3～3.5 mm时
是花粉母细胞减数分裂主要时期; d为4 mm左
右时是成熟花粉粒和胚囊形成期。这为进一
步用除草剂抑制紫茎泽兰花期各阶段的正常发
育并降低种子量以及确定具体的除草时间提供
了有益的资料。
紫茎泽兰同一朵花大小孢子的发育进程在
前期存在一定的差异,雄性器官的产生和发育时
间较雌性器官早,但两者在开花前夕基本同时成
熟。前人认为这种现象可能与遗传和环境有
关(Bajon et al., 1999; Galati and Strittmatter, 1999),
也可能与花芽分化的先后顺序及花粉管到达子
房需要一定的时间有关(韩雪梅等, 1998; 陈国菊
等, 1999),笔者认为紫茎泽兰的这种现象可能是
自身的遗传条件决定的。另外紫茎泽兰小孢
子母细胞减数分裂时在同一个药室内是同步的,
而同一个花药的4个药室则不尽相同,一般相差
2～3个时期,从而造成四分体、雄配子体形成
不同步, .植物中这种不同步现象的主要原因有:
花粉母细胞之间胞间联丝的有无和多少
(Moataoni and Pichot, 2001)、胼胝质壁的形
成不同步(Ranganath and Nagashree, 2000)及绒
毡层的发育程度不同(Rowley et al., 1999)等。
笔者在观察中也发现只有绒毡层形成多核细胞
开始自溶时, 花粉母细胞减数分裂才开始, 因此
很可能与绒毡层的发育有关。
在胚胎的发育过程中, 除正常的各时期胚
外,在实验中还观察到双胚现象。植物双胚的
来源存在以下几种可能(Hu et al., 1995; Burson,
1997; 乔伯克尼尔和邵继荣, 1999; 高建伟等,
2000): 其一, 从胚囊中卵以外的细胞(常为助细
胞)经受精或不受精发育而成; 其二, 一个受精卵
分裂成二个或多个独立的胚; 其三, 胚珠中有二
个胚囊形成双胚; 其四, 由不定胚产生(珠心或珠
被细胞发育而来)。无融合生殖具有双胚珠、
双胚囊、双胚、双苗等特点(蔡雪等, 1997), 反
之有双胚不一定都是无融合生殖, 但这种现象与
无融合生殖密切相关, 可作为研究的线索。国
外学者Holmgren在研究紫茎泽兰的减数分裂
过程中发现了无融合生殖(强胜, 1998), 认为该种
是无融合生殖的三倍体,但仍无胚胎学方面的证
据, 紫茎泽兰的双胚究竟是否是由胚囊外体细胞
发育(即无融合生殖)所形成需进一步研究, 这可
能会成为研究其无融合生殖的重要胚胎学依
据。但由于紫茎泽兰为头状花序, 其中每一花
序包括40～70朵小花, 在开花时整个花序的直
径仅为5 mm左右, 故无法通过人工去雄观察胚
4252005 贺俊英等: 外来入侵种——紫茎泽兰花芽分化和胚胎学研究
参 考 文 献
胎发育的途径来证实这一现象, 还有待于改进方
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