全 文 ：植物学通报 2006, 23 (6): 658~664
Chinese Bulletin of Botany
收稿日期: 2006-02-21; 接受日期: 2006-09-05
基金项目: 河南省高等学校创新人才工程培养基金
* Author for correspondence. E-mail: fudeshang@henu.edu.cn
.研究论文.
小盐芥大孢子发生和雌配子体发育
董美芳,胡楠,尚富德*
河南大学生命科学学院, 农业生物技术研究所, 开封 475001
摘要 本论文研究了小盐芥(Thellungiella halophila)大孢子发生和雌配子体发育过程及该阶段与花蕾、
花、果实外部形态的相关性。结果如下: 小盐芥雌蕊由2心皮组成, 侧膜胎座, 每室胚珠多数, 弯生, 双珠
被, 薄珠心。孢原细胞位于珠心表皮之下, 直接起大孢子母细胞的功能。大孢子四分体线形排列, 合点端
大孢子为功能大孢子, 胚囊发育为蓼型。
关键词 小盐芥, 大孢子发生, 雌配子体发育
Megasporogenesis and Female Gametophyte
Development of Thellungiella halophila
Meifang Dong, Nan Hu, Fude Shang*
College of Life Science, Institute of Agricultural Biotechnology, Henan University, Kaifeng 475001, China
Abstract We observed the course of megasporogenesis and the development of the female gametophyte of
Thellungiella halophila to study the relation between the development stages and the morphological character-
istics of flower bud, flower and fruit. The ovary is composed of 2 carpels where a parietal placentation is
formed, on which many campylotropous ovules grow. The ovule is bitegminous and tenuinucellate. The
archesporial cell lies under the nucellus epidermis, which develops into a functional megasporocyte. The
megaspore tetrad is linear. The chalazal megaspore develops into an embryo sac of the polygonum type.
Key words Thellungiella halophila, megasporogenesis, female gametophyte development
小盐芥(Thellungiella halophila )属十字花
科(Brassicaceae)盐芥属(Thellungiella)植物(周
太炎等,1987)。它最初被定名为 Arabidopsis
halophila, 划入拟南芥属(Arabidopsis), 是我国
本土的盐生十字花科植物, 分布于我国新疆、
哈萨克斯坦和俄罗斯(西伯利亚)。小盐芥与拟
南芥亲缘关系较近, 具有后者许多优点, 且耐盐
性明显高于后者。在植物抗逆性反应遗传分
析方面具有潜在的理论和实践价值, 已成为很有
价值的补充遗传模式系统(Ray et al., 2001)。本
文的内容是研究小盐芥的大孢子发生和雌配子
体发育, 旨在为小盐芥的开发利用提供基础理论
依据; 另一方面, 也为十字花科盐芥属的生殖生
物学和发育生物学方面的研究积累资料。
1 材料和方法
供试材料采自河南大学生命科学学院种质
资源与遗传工程实验室种植的小盐芥
(Thellungiella halophila )。取不同发育时期
的花蕾、花和果, 分别用卡尺量好, 按长度和
6592006 董美芳 等: 小盐芥大孢子发生和雌配子体发育
开放状态分放, 随即用FAA液(70%乙醇配制)
固定。常规石蜡切片法制片(李正理, 1987; 奇
文清和尤瑞麟, 1994; 张素菊等, 1994), 切片厚度
8~10 mm, 铁矾-苏木精染色, 固绿复染。NIKON
TE-300型倒置显微镜观察并摄影。
2 结果与分析
2.1 大孢子发生和雌配子体发育
2.1.1 雌蕊的结构 小盐芥为 2心皮复雌蕊,
柱头头状稍2裂, 表皮细胞轴向延伸成乳头状,
细胞核位于中央偏一侧; 花柱极短, 中央为轴向
伸长、壁薄且排列疏松的细胞构成的引导组
织所充塞(图1A); 假隔膜将子房分为假2室, 胚
珠多数, 弯生(图1B), 双珠被, 薄珠心。
2.1.2 大孢子发生 在花蕾阶段, 胎座部位首
先形成胚珠原基(图 1C)。不久, 在其顶端的表
皮下分化出1个孢原细胞, 有时可同时分化出2
或3个孢原细胞(图1D), 但未观察到有2或3个
同时进一步发育者。孢原细胞以其体积大、
细胞质浓、细胞核显著与其他珠心细胞相区
别。孢原细胞直接发育成为大孢子母细胞, 珠
心顶端的表皮细胞也不分裂, 故小盐芥为薄珠心
类型。此时, 珠心近基部内、外珠被的分化已
开始(图 1E)。在珠被包围珠心约一半时, 大孢
子母细胞进入减数分裂期(图1F,G)。减数第一
次分裂后形成二分体(图1H)。一般情况下, 二
分体进行减数第二次分裂(图 1I)形成四分体。
大孢子四分体沿珠孔极-合点极轴呈直线排列
(图1J,K)。珠孔端3个大孢子先后退化, 唯合点
端大孢子发育为功能大孢子(图 1L,M)。此时,
内珠被包围约2/3的珠心, 而外珠被将前两者完
全包围。但也观察到三分体, 即仅合点端的二
分孢子发生减数第二次分裂, 珠孔端的二分孢子
则不再分裂(图1N), 从而形成三分体。合点端
的1个四分孢子为功能大孢子, 二分孢子和珠孔
端的四分孢子依次退化, 且前者的退化残迹比后
者明显要大(图 1O)。
2.1.3 雌配子体发育 当功能大孢子体积增
大、细胞质液泡化加强时, 便发育成单核胚囊
(图2A)。单核经1次有丝分裂(图2B)发育成二
核胚囊。早期时, 2核距离较近, 周围有小液泡;
后期时, 2核分别位于胚囊的珠孔端和合点端,
中央为一大液泡所占据(图 2C)。此时, 珠心完
全被内、外珠被包围, 仅留珠孔与子房室相通,
珠心表皮也退化。二核胚囊体积增大的同时,
2核分别进行有丝分裂, 形成四核胚囊(图2D)。
位于胚囊两端的4个核再分别进行1次有丝分
裂形成八核胚囊。起初, 珠孔端和合点端各 4
个核。随后, 珠孔端1核下移, 合点端1核上移,
构成并列的 2个极核。八核胚囊时期很短暂,
很快胚囊发生细胞化, 形成7细胞8核结构, 即
成熟胚囊(图 2E~G)。在成熟胚囊中, 2个助细
胞和卵细胞构成卵器, 呈“品”字形排列。两
者均纵向延长并明显极性化: 助细胞呈长梨形,
体积略小, 珠孔端形成丝状器, 细胞核位于珠孔
端, 合点端被液泡占据; 卵细胞呈梨形, 体积大,
核位于合点端, 液泡居于珠孔端(图2H~J)。2个
极核处于中央细胞的珠孔端, 两者融合发生在反
足细胞退化之后。3个反足细胞位于胚囊的合
点端, 单核, 但它们是短命的, 有的在胚囊细胞
化初期反足细胞即退化(图2K, L); 有的在胚囊
明显细胞化后还存在(图 2E), 不久后退化。成
熟胚囊中的 2个助细胞、1个卵细胞、含 2个
极核的中央细胞在结构和功能上联系密切, 共同
构成雌性生殖单位(female germ unit, FGU)(胡适
宜和杨弘远, 2002)。
3-细胞花粉粒在柱头上萌发, 形成的花粉
管在花柱中沿引导组织进入子房。作者未观
察到花粉管进入胚囊的途径。小盐芥受精过
程很短暂, 作者观察了几百个胚囊, 但只看到了
少数双受精的切片。2个极核在受精前融合成
次生核(图 2M)。卵细胞与精子的融合发生在
极核与精子的融合之前(图2N)。受精以后, 次
生核与1个精子融合为初生胚乳核, 卵细胞与另
一精子融合为受精卵。此时, 2个助细胞都降
解, 但降解程度不同(图 2O)。
660 23(6)
图 1
Fig. 1
6612006 董美芳 等: 小盐芥大孢子发生和雌配子体发育
图 1 小盐芥的柱头、花柱结构及大孢子发生
A. 柱头及花柱中的引导组织; B. 弯生胚珠; C.胚珠原基; D. 珠心表皮下的孢原细胞; E. 大孢子母细胞及发
生中的内外珠被; F~I. 大孢子母细胞减数分裂的不同时期(F.中期Ⅰ; G.后期Ⅰ; H.大孢子二分体; I.后期
Ⅱ); J. 示线形大孢子四分体(→); K. 示线性大孢子四分体, 珠孔端2个已退化; L, M. 示合点端功能大孢子
及此时内外珠被的状态; N. 示珠孔端二分体大孢子退化(→), 仅留合点端二分体大孢子; O. 示二分孢子
(→)比四分孢子(u)退化的残迹大。(A, B. Bar=40 µm; C~O. Bar=12 µm; F~O均为珠孔端向上) ArC. 孢原
细胞; CaO. 弯生胚珠; FM. 功能大孢子; II. 内珠被; MC. 大孢子母细胞; NuE. 珠心表皮; OI. 外珠被; OvA.
胚珠原基; SP. 柱头乳突; TT. 引导组织
Fig. 1 Stigma, style structure and megasporogenesis of Thellungiella halophila
A. Stigma and the transmitting tissue of style; B. Campylotropous ovule; C. Ovule anlage; D. Archesporial cell
(s) under epidermis of nucellus; E. Megasporocyte and origining inner and outer integument; F-I. Miosis of
megasporocyte (F. MetaphaseⅠ; G. AnaphaseⅠ; H. The dyad; I. AnaphaseⅡ); J. Linear tetrad (→); K. Linear
tetrad showing two degenerating megaspore at the micropylar end; L, M. Functional megaspore at the chalazal
end; three degenerated megaspores at the micropyle end; inner and outer integument at the same time; N. Degen-
erated dyad at the micropylar end (→); O. Vestiges of dyad (→) and tetrad (u). (A, B. Bar=40 µm; C-O. Bar=12
µm; F-O. Chalazal end upward) ArC. Archesporial cell; CaO. Campylotropous ovule; FM. Functional megaspore;
II. Inner integument; MC. Megaspore mother cell; NuE. Nucellus epidermis; OI. Outer integument; OvA. Ovule
anlage; SP. Stigma papillla; TT. Transmitting tissue
→
2.2 生殖过程各阶段与花蕾、花、果外部
形态的相关性
观察表明, 小盐芥大、小孢子发生和雌、
雄配子体发育进程存在差异: 雄性器官的产生和
发育时间较早, 早期进程较紧凑, 单核靠边期以
后减缓, 持续时间较长; 雌性生殖器官的产生和
发育时间较晚, 同一子房中胚珠的发育是基本
同步的, 但外部形态相同的花蕾中内部胚珠的发
育极不同步。尽管如此, 花开放以前, 雄配子
体及绝大多数雌配子体均已发育成熟, 为其自花
传粉创造了条件。由此也说明, 小盐芥并不是
严格的自花传粉, 而是以自花传粉为主, 但可能
存在少量的异花传粉。花盛开前后, 是核融合
时期。以后, 随着胚的发育, 子房迅速伸长。
至胚成熟时, 果实长达19 mm (表1)。
3 讨论
单个的孢原细胞起源于珠心表皮之下, 直
接起大孢子母细胞的功能。所以其为薄珠心
类型。珠心外有 2层珠被。也存在珠心表皮
下同时产生2~3个孢原细胞的情况, 但发现只1
个孢原细胞继续发育, 成为大孢子母细胞。
绝大多数大孢子母细胞经减数分裂形成沿
珠孔-合点轴直线排列的四分孢子, 以后, 珠孔
端3个大孢子依次退化, 仅合点端大孢子为功能
大孢子。作者也观察到, 大孢子母细胞经减数
第1次分裂形成二分体后, 只有合点端二分体继
续减数第2次分裂形成三分体。合点端的1个
四分孢子为功能大孢子, 二分孢子和珠孔端的四
分孢子依次退化, 且前者的退化残迹比后者明显
要大。这与潘跃芝和龚洵(2002)对红花木莲大
孢子发生的研究结果一致。
功能大孢子从周围吸收营养, 体积增大, 成
为单核胚囊, 核经 3次有丝分裂形成八核胚
囊。根据胡适宜(1982)对被子植物胚囊发育类
型的划分, 小盐芥的胚囊发育属于单孢子胚囊
中的蓼型胚囊。花蕾刚开始露白, 长1.8 mm以
下时, 胚囊已发育成熟, 形成 7细胞 8核结构。
这说明, 在早期花蕾较小时, 外部形态虽然变化
不大, 但内部发育较快。在开花前, 大多数雌
配子体分化完成, 为自花传粉提供了条件; 少数
雌配子体未成熟, 说明小盐芥不是严格的自花
传粉植物。
珠心组织在单核胚囊时期即开始退化。
662 23(6)
图 2
Fig. 2
6632006 董美芳 等: 小盐芥大孢子发生和雌配子体发育
单核胚囊时期, 内珠被只包围了大约2/3珠心;
而外珠被已包围内珠被, 并将珠心封闭在内, 此
时珠心表皮开始退化。二核胚囊晚期, 珠心完
全被内、外珠被包被, 仅留珠孔与子房室相通,
珠心表皮也退化。珠被发育至将珠心包围的
时间与拟南芥中大致相同(Cory et al.,1997)。
反足细胞是短命的, 在胚囊细胞退化后不
久即退化。极核融合发生在反足细胞退化之
后、受精作用发生之前, 与 Cory 等(1997)和
Gary 等(1998)在拟南芥中观察到的极核融合时
图 2 小盐芥雌配子体发育
A. 单核胚囊; B. 单核胚囊有丝分裂中期; C. 二核胚囊及内外珠被完全包围珠心; D. 四核(→)胚囊; E~G. 同
一切片的3个不同聚焦照片, 示成熟胚囊 (E. 示2个助细胞和2个反足细胞(→); F. 示卵细胞和2个反足
细胞; G. 示含2个极核的中央细胞); H, I. 同一切片的2个不同聚焦照片, 示雌性生殖单位及丝状器; J. 示
2个助细胞; K, L. 同一切片的2个不同聚焦照片, 示胚囊细胞化早期正在退化的反足细胞; M. 2个极核在
受精前融合成次生核; N. 双受精; O. 示受精卵和初生胚乳核及双受精完成后不同退化程度的助细胞。
(A~O. Bar=12 µm,均为珠孔端向上) An. 反足细胞; DM. 退化大孢子; Egg. 卵细胞; EN. 卵核; FA. 丝状器;
FE. 受精卵; II. 内珠被; OI. 外珠被; PN. 极核; Sac. 胚囊; SCN. 精细胞核; SN. 次生核; Sy. 助细胞; SyN. 助细
胞核; PEN. 初生胚乳核
Fig. 2 Female gametophyte development of Thellungiella halophila
A. Uninucleate embryo sac; B. Uninucleate embryo sac at mitosis metaphase; C. Two-nucleate embryo sac; D.
Four-nucleate(→) embryo sac; E-G. Three different focus pictures of the same section for mature embryo sac
(E. Two synergids and two antipodal cells(→); F. Egg cell and two antipodal cells; G. Two polar nuclei in the
central cell); H, I. Two different focus pictures of the same section showing female germ unit and filiform
apparatus in its synergids; J. Two synergids; K, L. Two different focus pictures of the same section showing three
degenerating antipodal cells at early stage of cellularization of embryo sac; M. Polar nuclei fusion before fertilization;
N. Double fertilization; O. Fertilized egg and primary endosperm nucleus and synergids at the different degenera-
tion degree (A-O. Bar=12 µm, chalazal end upward) An. Antipodal cell; DM. Degenerated megaspore; Egg. Egg
cell; EN. Egg nucleus; FA. Filiform appratus; FE. Fertilezed egg; II. Inner integument; OI. Outer integument; PN.
Polar nucleus; Sac. Embryo sac; SCN. Perm cell nucleus; SN. Secondary nucleus; Sy. Synergid; SyN. Synergid
nucleus; PEN. Primary endosperm nucleus
→
表 1 花蕾外部形态与雌配子体发育的对应关系
Table 1 The relationships between exterior character and female gametophyte development
The exterior shape of flower bud (mm) The stages of megasporogenesis and female gametophyte development
Length of flower bud 0.3-0.5 Ovule primodium or archesporial cell
Length of flower bud 0.5-0.8 Archesporial cell, macrospore mother cell or macrospore mother cell
in miosis
Length of flower bud 0.8-1.1 Macrospore mother cell in miosis, macrospore tetrad or functional
macrospore
Flower bud grows white slightly, length Functional macrospore, single-nucleus embryo sac or two-nuclei
1.1-1.4 embryo sac
Flower bud grows white, length 1.4-1.8 Four-nuclei embryo sac, eight-nuclei embryo sac or mature embryo sac
Flower has blossomed, length 1.8-2.1 Eight-nuclei embryo sac or mature embryo sac or double fertilization
Flower blossomed thoroughly,ovary Mature embryo sac or double fertilization
length 2.2-3.0
Ovary length 3.1-4.5 Double fertilization
Ovary length 4.6-12 Proembryo
Ovary length 13-19 Heart-shape embryo-mature embryo
664 23(6)
间是一致的。
受精作用前, 极核融合为次生核。卵细胞
与精子的融合发生在极核与精子的融合之前。
精核与卵核的融合发生在合子的有丝分裂之
前。所以, 其受精作用类型为有丝分裂前型。
雄性生殖器官发育较雌性为早, 但在花蕾
露白时(蕾长1.4~1.8 mm)雄配子体和绝大多数雌
配子体均已发育成熟, 为自花传粉创造了条件。
花盛开前后, 是核融合时期。以后, 随着胚的
发育, 子房迅速伸长。至胚成熟时, 果实长达
19 mm。
参考文献
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科学出版社), pp. 91-102.
胡适宜 (1982). 被子植物胚胎学. (北京:高等教育出版
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李正理 (1987). 植物制片技术. (北京:科学出版社), pp.
138-148.
(责任编辑: 孙冬花)
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潘跃芝, 龚洵 (2002). 濒危植物红花木莲大孢子发生
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