全 文 ：植物学通报 2005, 22 (增刊): 50~56
Chinese Bulletin of Botany
①国家科技基础条件平台项目(2004DKA30430)、中国科学院创新重要方向项目(KSCX2-3-04)和中国科学院农
办项目(NK-十五 -C-13)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: shilei67@263.net
收稿日期: 2004-07-20 接受日期: 2005-02-21 责任编辑: 孙冬花
实 验 简 报
傅氏凤尾蕨配子体发育的研究①
1,2张开梅 1石 雷②
1(中国科学院植物研究所 北京 100093) 2(中国科学院研究生院 北京 100039)
摘要 采用MS培养基、混合土和滤纸分别培养傅氏凤尾蕨孢子, 对其配子体发育过程用显微镜作了
详细观察。结果表明: 孢子呈四面体形, 大小为27.4 µm×10.3 µm, 三裂缝。孢子萌发的早晚因培养方
式不同而有差异, MS培养基培养需4天左右, 混合土培养需1周左右, 滤纸培养则要2周左右。孢子萌发
类型为书带蕨型, 原叶体发育类型为水蕨型。发育为片状体的时间也存在差异, MS培养基培养自接种
后需22天左右, 混合土培养需16天左右, 而滤纸培养需40天左右。原叶体裸露, 无毛状体。幼原叶体
形状不规则, 成熟原叶体呈心脏形。混合土培养自播种后4~11周左右出现性器官, 精子器近圆球形, 成
熟颈卵器颈部常向原叶体基部倾斜或弯曲。
关键词 傅氏凤尾蕨, 孢子萌发, 配子体发育
Gametophyte Development of Pteris fauriei
1,2ZHANG Kai-Mei 1SHI Lei②
1(Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, Beijng 100093)
2(Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijng 100039)
Abstract The spores of the Pteris fauriei were cultured in Murishige and Skoog medium,
mixed soil and filter paper, and all stages of gametophyte development were observed under
microcopy. The spore is tetrahedral, 27.4 µm×10.3 µm, and trilete. The spores germinated at
about 4 days in the medium, 1 week in the mixed soil and 2 weeks in the filter paper after
inoculation. The germination is of the Vittaria type, while the gametophyte development is of
the Ceratopteris type. The prothallial plates are formed about 22 days in medium, 16 days in
mixed soil and 40 days in filter paper. Prothalli are naked, without hairs. Abnormal shapes
occurred in the young prothalli. The mature prothalli are cordate-thalloid. The sex organs
formed about 4 to 11 weeks after spores were inoculated in the mixed soil. The antheridia are
subglobose. The archegonial neck was usually inclined or curved towards the base of the
prothallus at maturity.
Key words Pteris fauriei, Spore germination, Gametophyte development
512005 张开梅等: 傅氏凤尾蕨配子体发育的研究
有关蕨类植物配子体发育的研究, 国内外
许多人已做过大量的工作(Nayar and Kaur,
1971; 包文美等, 1985, 1986, 1987, 1988, 1994,
1995a, 1995b; 包文美和敖志文, 1986; 刘保东
等, 1991), 但凤尾蕨科(Pteridaceae)凤尾蕨属
(Pteris)植物配子体研究的种类却是非常有限,
也不够详尽。至今已研究过的种类有: 大叶
凤尾蕨( P t e r i s c r e t i c a )、蜈蚣草( P t e r i s
vittata)、凤尾蕨(Pteris mullufida)、彩叶凤
尾蕨(Pter i s asper icau l i s )、溪边凤尾蕨
( P t e r i s e x c e l s a )、刺齿凤尾蕨( P t e r i s
dispar)、Pteris umbrosa及井栏边草(Pteris
multifida)(Nayar and Kaur, 1971; 张德明和陈
定如, 1991; 郑若仙, 1992; 蒋丽娟, 1999; 曾汉
元和丁炳扬, 2 0 0 3 )。傅氏凤尾蕨( P t e r i s
fauriei)隶属凤尾蕨属, 产台湾、广东和广西
等地 , 越南北部及日本均有分布(吴兆洪 ,
1990)。它不但具有观赏性, 还可药用, 其叶可
收敛止血(刘勇和姚振生, 1996)。此外, 其嫩
叶可煮食或炒食, 老叶连柄晒干后, 可泡茶饮
用。目前尚未有人做过傅氏凤尾蕨配子体发
育方面的研究工作。本文对傅氏凤尾蕨配子
体发育各阶段进行了研究。
1 材料和方法
1.1 孢子的采集
傅氏凤尾蕨于2003年年末采自广西那坡
县。将带有成熟孢子的叶片自植物体上剪下,
置一端开口的纸袋中, 放干燥通风处待孢子囊
自然开裂弹出孢子, 约1周后将孢子去杂并收
集于硫酸纸袋中。
1.2 培养方法
取其孢子按 3种方法培养。
1.2.1 MS固体培养基无菌培养 MS为基
本培养基, 不加蔗糖, 琼脂为固化剂。培养基
经高压灭菌后, 分装到培养皿中。孢子按下
述方法灭菌: 取孢子置于1.5 mL离心管内, 滴
加无菌水, 旋涡混合器混合使成悬浊液, 412 g
离心 1分钟, 弃上清液。如此重复 4~5遍。离
心管内再滴入1 mL的5% NaOCl水溶液, 灭菌
4分钟, 无菌水冲洗4~5遍, 获得无菌孢子悬浊
液。用滴管吸取此悬浊液, 滴加在培养基表
面, 并涂布均匀。接种后将培养皿放入塑料
盘中, 以玻璃覆盖, 盘的底部铺有多层纱布, 培
养过程中始终保持纱布湿润, 以保证孢子萌发
所需湿度。先置黑暗处保存 24小时。培养
室温度为(25±2) ℃; 荧光灯光源, 连续光照, 光
照强度2 000~2 300 lx。
1.2.2 混合土培养 将过细筛的草炭土和细
沙按1:1的体积均匀混合后放入底部有孔的塑
料盘(大小为 25 cm×20 cm×5 cm)内, 基质
厚度约3 cm, 待基质表面整平且压实后将塑料
盘洇水。将孢子均匀地撒播在土壤表面, 用
保鲜膜封盘口, 在保鲜膜上戳几个小洞。如
覆盖几天后的保鲜膜上结有一层水雾, 则混
合土湿度适合孢子萌发。傅氏凤尾蕨配子
体性器官出现后, 每天用喷壶喷水1～2次, 以
利受精。混合土培养条件同MS固体培养基
无菌培养。
1.2.3 滤纸培养 将按 1.2.1节中方法灭菌
后的孢子均匀接种于无菌培养皿内的经无菌
水湿润的滤纸上, 培养皿置于1个装有无菌水
的无菌大培养皿中, 以保持湿度。培养条件
同 1.2 .1 节。
按以上 3种方法进行的孢子培养依其各
发育阶段进行显微镜活体观察并用 N i k o n
ECLIPSE E600相机照相。
2 观察结果
2.1 孢子及孢子萌发
孢子黑褐色, 呈四面体形, 辐射对称。镜
下见其外壁具突起, 三裂缝。孢子赤道面观
为肾形(图1A), 极面观为钝三角形, 三角成为
三突, 向极面突出(图 1B)。孢子大小为(19～
40)27.4 mm×10.3(10～12) mm。
孢子吸涨后, 渐变为绿色, 滤纸培养 2周
52 22(增刊)
图 1
Fig.1
532005 张开梅等: 傅氏凤尾蕨配子体发育的研究
左右, 可见孢子内有多数叶绿体产生, 稍后, 孢
子壁自裂缝处裂开, 产生初生假根1～3条, 有
的假根内含有叶绿体, 有的假根近乎无色透明
(图 1C,D)。接种到MS培养基中的孢子培养
4天左右就可观察到这一现象, 而经混合土培
养的孢子则需1周左右。3种培养方法孢子萌
发方式均为书带蕨型(vittaria-type)(Nayar and
Kaur, 1971), 孢子壁宿存。
2.2 丝状体
滤纸培养 18天左右, 原叶体母细胞经过
连续数次横分裂, 形成 3～8个细胞的丝状体
(图1E), 再过大约2周, 丝状体基部大都产生分
枝2～6条(图1F), 各自发育成片状体。而MS
培养基培养18天左右, 大多数原叶体母细胞经
过连续数次横分裂后形成的丝状体细胞数可
达10～25个, 细胞筒状, 直径与长度几乎相等
(图1G)。经混合土培养不到2周, 原叶体母细
胞经过横分裂产生3～7个丝状体细胞时, 其顶
端即可产生顶端细胞。
2.3 片状体
丝状体的顶端细胞一经分裂, 便进入片
状体阶段(图 1H)。从丝状体进入片状体阶
段, 混合土培养需要16天左右, MS培养基培
养自接种后需要22天左右, 而滤纸培养需要
4 0 天左右。
2.4 原叶体
片状体前端的一侧或中央出现一列小型
长细胞, 其中居中的4个为分生组织, 由于它的
分裂活动, 细胞数目有规律的增多, 使前端变
为扁平宽阔, 分生组织位于一侧者, 成为不对
称的幼原叶体(图1I), 位于中央的, 则为对称的
幼原叶体(图1J), 而且这种不对称现象极为普
遍。而后又在其前端再次出现分生组织, 逐
渐使其趋于对称, 最终大多都为典型的心脏
形。幼原叶体生长不正常时, 在它们的边缘
某处的细胞产生乳头状突起, 并进行分裂, 成
为丝状体和片状体, 最后形成心脏形幼原叶体
(图1K, L), 它们的发育过程与孢子萌发后细胞
分裂的情况类似, 与生长正常的原叶体相比, 它
们产生性器官的时间推迟。这种营养繁殖现
象在MS培养基培养和混合土培养过程中都
会发生, 以MS培养基中居多。
成熟原叶体绿色 , 发育类型为水蕨型
(ceratopteris-type)(Nayar and Kaur, 1971)。
原叶体裸露, 无任何毛状体。边缘细胞长方
形或多角形(图1M)。原叶体呈宽圆状倒卵形,
后端急尖, 一般为5 mm×2.5 mm, 两翼宽大,
向左右扩展为宽卵形,前端上升,内侧呈“V”
图 1 傅氏凤尾蕨孢子的萌发及配子体发育 A. 孢子赤道面观(bar=15 mm); B. 孢子极面观(bar=15
mm); C, D. 孢子萌发(bar=15 mm); E. 水培18天左右形成的丝状体(bar=15 mm); F. 水培丝状体产生分
枝(bar=15 mm); G. MS培养基培养18天左右形成的丝状体(bar=30 mm); H. 土培产生的片状体(bar=15
mm); I. 土培产生的不对称的幼原叶体(bar=15 mm); J. 土培产生的对称的幼原叶体(bar=15 mm); K. 不
正常的幼原叶体上产生丝状体(bar=15 mm); L. 不正常的原叶体上产生新的原叶体(bar=15 mm); M. 原
叶体的边缘细胞(bar=15 mm); N. 成熟的原叶体(bar=60 mm); O. 成熟原叶体的内侧呈“V”字形叉
开(bar=15 mm); P. 细胞示叶绿体(bar=15 mm)
Fig.1 Stages of the spore germination and the gametophyte development of pteris fauriei A. Spore in
equatorial view(bar=15 mm); B. Spore in polar view(bar=15 mm); C, D. Spore germination(bar=15 mm); E.
Filament(bar=15 mm); F. Divarications initiated from the filament cultured in the distilled water(bar=15
mm); G. Filament formed in the MS medium about 18 days(bar=30 mm); H. Prothallial plate formed in the
soil medium(bar=15 mm); I. Anisomerous young prothallus formed in the soil medium(bar=15 mm); J.
Symmetrical young prothallus formed in the soil medium(bar=15 mm); K. Filament formed in the abnor-
mal prothallus(bar=15 mm); L. Formation of the new prothallus in the abnormal prothallus(bar=15 mm);
M. Marginal cells of the prothallus(bar=15 mm); N. Mature prothallus(bar=60 mm); O. The two wings of
the prothallus in V-shaped(bar=15 mm); P. Cells showing the chloroplast(bar=15 mm)
←
54 22(增刊)
图 2
Fig.2
552005 张开梅等: 傅氏凤尾蕨配子体发育的研究
字形叉开(图 1N,O)。幼细胞内叶绿体近圆盘
形, 老细胞内有些呈圆盘形或椭圆形, 有些则
呈哑铃形, 中间隘入, 大小为20 mm×10 mm,
叶绿体内均具杆状或颗粒状结构(图 1P)。
2.5 假根
孢子萌发初期产生的假根 1～3条, 是由
营养细胞外突延长分裂而产生。多数假根分
布于原叶体腹面下部。假根直径25 mm左右,
长约300～2 000 mm, 少数假根幼时内含叶绿体,
但长大逐渐同大部分假根一样变为无色, 且多
发生弯曲, 顶端稍细(图2A)。MS培养基中产
生的假根较混合土培养和滤纸培养产生的假
根粗壮。
2.6 性器官
混合土培养自播种后4~11周左右陆续出
现性器官。精子器多生于原叶体中下部或假
根附近, 可达几个至几十个(图2B)。精子器近
圆球形, 由3细胞组成, 直径40 mm左右, 高45
mm左右, 基细胞略低于环细胞, 精子器成熟时,
盖细胞破裂(图2C), 精子自精子器中逸出并做
旋转运动, 有时按顺时针方向, 有时按逆时针
方向, 并且速度由快逐渐变慢, 大约6分钟后,
精子若不与卵结合即死亡而且随即解体。颈
卵器位于原叶体生长点下方中脉处, 每个原叶
体上有数个至数十个颈卵器(图2D), 成熟颈卵
器细长, 颈部3～5层细胞, 高达80～100 mm, 直
径40～50 mm, 常向原叶体基部倾斜或弯曲(图
2E)。接种到MS培养基中产生的性器官较混
合土培养产生的性器官体积小(图 2F)。滤纸
培养不能正常产生性器官。
2.7 胚的发育
幼胚第一叶无拳卷现象并且具多个单细
胞毛状体, 毛状体可以不断生长并发生2～4次
横裂, 成为多细胞毛(图 2G)。幼孢子体长出
后, 原叶体仍继续发育(图2H), 原叶体上寄生
的幼孢子体数目不等(图 2I,J,K)。用MS培养
基或用混合土培养出的傅氏凤尾蕨配子体均
有 80%左右发育为幼孢子苗(图 2H)。
3 讨论
傅氏凤尾蕨的孢子四面体形, 初生假根偶
尔出现叶绿体, 表现为真蕨类植物中原始的类
型。此外, 毛状体的出现是一个进化性状。
一般来说, 只有进化地位较高等的蕨类植物的
原叶体 , 才具有毛状体(曾汉元和丁炳扬 ,
2003)。虽然毛状体在蕨类植物进化中的意义
还有待深入研究, 但上述特征结合起来似乎能
表明傅氏凤尾蕨的进化地位不高。然而傅氏
凤尾蕨的颈卵器和精子器较小, 此特征又说明
傅氏凤尾蕨为进化的类型。它的进化地位值
得探讨。
李兆亮等(1995)认为在蕨类植物的原叶体
培养过程中, 当原叶体由绿色转变为浅褐色时,
表明精子器已经成熟了。而曾汉元和丁炳扬
图2 傅氏凤尾蕨孢子的萌发及配子体发育 A. 假根(bar=30 mm); B. 精子器群(bar=15 mm); C. 精子器
示盖细胞破裂(bar=15 mm); D. 未成熟的颈卵器群(箭头示颈卵器)(bar=15 mm); E. 成熟颈卵器(bar=15
mm); F. MS培养基中产生体积较小的性器官(示精子器)(bar=15 mm); G. 幼胚第一叶上的毛状体(bar=60
mm); H. 大多数配子体发育为幼孢子体并继续生长(索尼F717数码相机拍摄); I, J, K. 原叶体上寄生幼
孢子体(索尼 F717数码相机拍摄)
Fig.2 Stages of the spore germination and the gametophyte development of pteris fauriei A. Rhizoid
(bar=30 mm); B. Antheridium groups(bar=15 mm); C. Antheridium showing the break of the top cell
(bar=15 mm); D. Immature archegonium groups (the arrow shows archegonium)(bar=15 mm); E. The
mature archegonium(bar=15 mm); F. Small sex organs formed in the MS medium (shows Antheridium)
(bar=15 mm); G. Hair of the first leaf of the young embryo(bar=60 mm); H. Most gametophytes developed
to young sporophytes and continued to grow (photo was taken by Sony F717); I, J, K. Autoeciousness of
the young sporophyte on the prothallus (photos were taken by Sony F717)
←
56 22(增刊)
(2003)认为当原叶体上出现晶亮水珠时, 精子
器即已成熟, 但此时原叶体仍为绿色。我们
同意后者的观点。
傅氏凤尾蕨配子体的形状和大小与培养
方式的不同有关, 如在丝状体阶段, 混合土培
养产生3～7细胞的丝状体, MS培养基培养形
成的丝状体细胞数可达10～25个, 滤纸培养先
形成3～8细胞的丝状体, 而后丝状体基部大都
产生分枝。不同的培养方式中营养和水分等
都存在差异, 因此, 蕨类植物配子体的形状和
大小与营养、水分等诸多因素有关, 这与曾
汉元和丁炳扬(2003)报道的蕨类植物配子体的
形状和大小与播种密度、温度、光照、营
养和水分等因素有关基本一致。
Nayar 和Kaur(1971)认为凤尾蕨属植物的
假根内不含叶绿体, 我们在实验中却观察到, 傅
氏凤尾蕨产生的某些初生假根内含叶绿体。
参 考 文 献
包文美, 敖志文 (1986) 东北蕨类植物配子体发育的
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包文美, 敖志文, 陈发生 (1985) 东北蕨类植物配子体
发育的研究Ⅰ.水龙骨科. 植物研究, 5: 101-114
包文美, 敖志文, 刘保东 (1986) 东北蕨类植物配子体
发育的研究Ⅲ. 紫萁科. 植物研究, 6: 117-125
包文美,敖志文,刘保东 (1987) 东北蕨类植物配子体发
育的研究Ⅳ. 铁线蕨科. 植物研究, 7: 63-71
包文美, 敖志文, 刘保东, 施心路 (1988) 东北蕨类植
物配子体发育的研究Ⅴ. 球子蕨科. 植物研究, 8 :
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包文美, 王全喜, 敖志文 (1994) 东北蕨类植物配子体
发育的研究Ⅶ. 金星蕨科. 植物研究, 14: 409-415
包文美, 王全喜, 敖志文 (1995a) 东北蕨类植物配子
体发育的研究Ⅵ. 中国蕨科. 植物研究, 15: 373-376
包文美, 王全喜, 敖志文 (1995b) 东北蕨类植物配子
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蒋丽娟 (1999) 凤尾蕨的繁殖生物学研究. 湖南林业
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李兆亮, 原永兵, 曹宗巽 (1995) 藻类植物和蕨类植物
有性生殖的细胞学和生物化学研究现状. 植物学通
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吴兆洪 (1990) 中国植物志(第 3卷第 1分册). 科学出
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Nayar BK, Kaur S (1971) Gametophytes of homo-
sporous ferns. The Botanical Review, 37: 295-396
此差异是否由于培养方法和条件不同所致, 有
待进一步研究。
与混合土培养相比, MS培养基培养过程
中原叶体常出现营养繁殖现象, 我们认为造成
这种现象的原因与MS培养基中比较丰富的
营养有关, 这使配子体处于营养生长的状态, 不
利于配子体受精。
蕨类植物配子体可用于分子生物学和遗
传学等研究, 本文已通过不同培养方式培养
出傅氏凤尾蕨的配子体, 并对配子体发育各
阶段进行了细致的观察, 为实验生物学家开
展分子生物学及遗传学等研究提供了一种
可能性的材料。
本文利用MS培养基或用混合土培养出
的傅氏凤尾蕨配子体均有80%左右发育为幼
孢子苗, 为傅氏凤尾蕨的规模化生产提供了可
靠的依据。