全 文 ：热带亚热带植物学报 2003，11(3)：255-259
Joutna／oy Tropical and Subtropical Botany
四倍体双穗雀稗兼性无孢子生殖的研究
马国华 赵南先 黄学林2
(1．中国科学院华南植物研究所，广东 广州 510650；2．中山大学生命科学学院，广东广州 5l0275)
摘要：研究了四倍体双穗雀稗(Paspalum distichum L．)无孢子生殖胚囊、胚胎发育以及假受精特点。当其大孢子母细胞
发育至四分体阶段时，大多数情况下会发生四分体退化，同时有多个特化珠心细胞发育为 1-3个无孢子生殖胚囊的现
象。成熟无孢子生殖胚囊一般 3核，包括 1个卵细胞和 2个极核。卵细胞在抽穗前就能自发分裂形成原胚团，而极核则
在抽穗和传粉后参与假受精形成胚乳。当胚珠内存在多个无孢子生殖胚囊时，只是靠近珠孔端的 1个无孢子生殖胚囊
内的极核与精核结合，而其它的并不参与。种子成熟后出现很低频率的二胚苗。此外，还能观察到少量的有性生殖胚囊
的发育以及有性生殖胚囊和无孢子生殖胚囊在同一胚珠中的发育现象，因此判断该类群为兼性无孢子生殖体。
关键词：双穗雀稗；无融合生殖；无孢子生殖
中围分类号：Q944．4 文献标示码 ：A 文章编号：1005—3395(2003)03—0255--05
Facultative Apospory in Tetraploid Paspalum distichum L．
MA Guo．hua ZHAO Nan．Xian1 HUANG Xue．1 in2
(1．South China Institute of Botany,the Chinese Academy of Sciences．Guangzhou 510650，China；
2．Colege of Life Sciences，Zhongshan University，Guangzhou 510275，China)
Al~tract：Development ofaposporous embryo sac，embryo and pseudogamy were studied in tetraploid Paspalum
distichum． In most cases， shortly after the megasporocyte developed into a tetra& it began to deteriorate，
meanwhile scvb-：~al nucellar cells became active an d enlarged．Normally,1-3 nucellar cells developed into mature
aposporous embryo sacs characterized by 1 egg cell an d 2 polar nuclei． The eg cell could spontaneously develop
into proembryo prior to anthesis， whereas polar nuclei were involved in pseudogamy to develop endosperm after
heading an d pollination． W hen several aposporous sacs occurred in an ovule， only the sac near the micropyle
developed en dosperm while the other sacs did not． Th e f~equency oftwin·embryo seedlings geminated fiom
mature seeds Was lOW． Few sexual 8-nucleus embryo saCS as well as both sexual an d aposporous saCS in the same
ovule were found． It is sug ested that the tetraploid distichum is considered to be a facultative apomict
reproduced by apospory．
Key words：Paspalum distichum L．；Apomixis；Apospory
禾本科植物包括了全世界最重要的粮食作物，
同时也包含了最多的无融合生殖的种类。通过无融
合生殖将农作物 F 代的杂种优势固定下来，这对于
固定禾本科作物杂种优势的利用具有巨大的潜力 。
近一二十年来，无融合生殖研究已成为生物科学的
新热点。但从当前的研究进展来看，无融合生殖在
禾本科作物杂种优势的实际利用上还存在巨大的
困难。最关键的问题是无融合生殖基因库的缺乏以
及对禾本科无融合生殖的遗传学、分子生物学等方
面的研究还不够深入。
已证实禾本科黍亚科多个属的一些类群的无
融合生殖属于无孢子生殖多胚囊发育的类型，如狼
尾草属[31、雀稗属 、裂稃草属网等。其无孢子生殖胚
囊内的卵核不经受精即可 自发分裂而形成原胚团，
收稿日期：2002-09-02 接受日期：2003-01—07
基金项目：国家自然科学基金项 目(39780034)；中国科学院“九·五”重点项目(KZ952-Sl-1l2)资助
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热带亚热带植物学报 第 11卷
但极核需和精核结合才能发育形成胚乳，这种受精
作用称为假受精。在无孢子生殖多胚囊发育中，对
其假受精的过程，尚缺乏系统的了解。是 1个胚囊
参与假受精还是多个胚囊参与假受精?是哪个部位
的胚囊参与假受精?目前尚缺乏有关胚胎学方面的
证据。在雀稗属内，已有几个种的无孢子生殖普遍
存在多胚囊和多个原胚发育的现象【45】。但是种子成
熟后其二胚或多胚的频率均很低，其中原因如何，
尚有待于探讨。
雀稗属 (Paspalum)为禾本科黍亚科多年生或
一 年生草本植物。全世界有近 400种，主要分布于
热带和亚热带地区，其中许多种类为优良的牧草、
草坪草和水土保持植物，是黍亚科最有经济价值的
类群之一。雀稗属植物类群极其复杂，其中 80％以
上的类群为多倍体，染色体倍性从二倍体到十六倍
体都有，其中以四倍体居多 。自从Burton【 首次报
道雀稗属百喜草 notatum)的无融合生殖以来，不
断地有雀稗属无融合生殖种类被发现。到 目前为
止，已有 40多种雀稗属植物报道具无融合生殖特
性，是 目前禾本科中发现无融合生殖种类最多的
属 。其中多个种类已成为近期无融合生殖遗传
学、分子生物学研究最热门的模式材米斗』 坩。
双穗雀稗 (Paspalum distichum)为广泛分布于
全世界温带、热带、亚热带地区的草本植物，在我国
华南、西南、中南等地区均有分布。由于其繁殖力
强、适应性广，曾作为优 良牧草和水土保持植物推
广栽培，但在局部地区成为水稻田的恶性杂草。双
穗雀稗细胞型非常复杂，其染色体数 目有 2n：20、
40、48、60和 120，其中染色体数 2n=40和 60的类
群最为普遍【 。Bashaw等[2q曾罗列了一些禾本科
无融合生殖的类群，其中有六倍体双穗雀稗进行无
孢子生殖的报道，但缺乏有关无融合生殖胚胎学方
面的证据。有报道四倍体双穗雀稗的一些类群的花
粉母细 胞减 数分裂 期 间常 出现 异常 多变 的情
形旧，但也有报道四倍体的类群表现出正常的减数
分裂【2l1。我们在前期细胞学工作基础上，确定所收集
的双穗雀稗为四倍体类型 。初步的观察双穗雀稗
存在较严重的败育现象，通过种子结实繁殖率很
低。有关四倍体双穗雀稗的生殖方式如何，国内外
尚未见报道。本研究通过研究其胚囊、胚胎发育以
及种子的萌发，以揭示其无融合生殖的特性，并对
其无孢子生殖的多胚囊和多胚发育进行初步的研
究。
1材料和方法
双穗雀稗 (Paspalum distichumL．)取 自中国科
学院华南植物研究所内一水塘边，通过扦插进行盆
栽管理。在抽穗期间，取不同发育时期的花序用
FAA液固定2 d并在 75％乙醇中保存。剥出不同发
育时期的子房(tP常幼嫩的材料仅去外颖壳)，采用
铁 一苏木精染色。按常规石蜡切片法切片，切片厚度
为 8—10 la m。观察双穗雀稗胚珠内胚囊及胚胎的发
育。种子成熟后，放在培养皿中浸种催芽，观察其发
芽并统计二 (多)胚苗的频率。
2结果
2．1 胚囊发育
通过观察，胚珠内孢原细胞 (图版 I：1)能够
发育形成大孢子母细胞。而大孢子母细胞通过减数
分裂能够发育形成四分体 (图版 I：2)。之后出现
以下 3种情况：
大多数情况下，只观察到无融合生殖胚囊，胚
珠内只产生无孢子生殖胚囊的频率达 86％。四分体
细胞逐渐退化，与此同时，1-3个特化的珠心细胞开
始发育。特化珠心细胞较大，细胞核明显 (图版 I：
3)。随着它的进一步增大发育，在胚珠内形成融合
的胚囊腔。胚囊腔内发育形成多个无孢子生殖胚
囊。无孢子生殖胚囊经过一次有丝分裂，形成二核
胚囊 (图版 I：4)。无孢子生殖二核胚囊长梭形，中
间有明显的液泡。随着二核胚囊核的进一步发育，靠
近合点端的核往往能够分裂成为2核(图版 I：3)，最
终发育形成成熟的胚囊，通常情况下只包含 1个卵
核和 2个极核。在成熟的无孢子生殖胚囊内，始终
没有观察到助细胞或反足细胞的形成。由于胚珠内
多个特化珠心细胞的竞争发育，通常是靠近珠孔端
的特化珠心细胞优先发育为成熟胚囊，而靠近合点
端的特化珠心细胞较晚发育甚至不发育 (图版 I：
51。
少数情况下，只进行有性生殖，胚珠内只产生
一 个有性生殖胚囊的频率为 9％。四分体中靠近合
点端的大孢子发育为功能大孢子，并直接发育成为
有性生殖胚囊，由于没有特化珠心细胞的发育或无
孢子生殖胚囊的存在 ，即胚珠内只有 1个有性胚
囊。成熟的有性生殖胚囊 8核。胚囊内没有原胚的
形成，只有通过双受精后才能分别形成合子胚和胚
乳。
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第 3期 马国华等：四倍体双穗雀稗兼性无孢子生殖的研究 257
在极少数情况下，无融合生殖胚囊和有性生殖
胚囊同时存在，其频率约为 5％。四分体中靠近珠孔
端的 3个细胞退化，而最靠近合点端的 1个细胞发
育为功能大孢子，并逐渐发育成为有性胚囊。在功
能大孢子发育成为有性生殖胚囊的同时，珠心内 1—
5个特化珠心细胞开始发育，逐渐形成无孢子生殖
胚囊。此时，胚珠内有性生殖胚囊和无孢子生殖胚
囊同时存在 (图版 I：7，8)。在这种胚珠中，早期发
育的有性生殖胚囊和无孢子生殖胚囊并不容易区
别。但是通常情况下，有性生殖胚囊先发育。我们观
察到：当有性生殖胚囊已发育到多核胚囊时，而无
孢子生殖胚囊仍然处于单核胚囊时期 (图版 I：7)。
有性生殖胚囊发育成熟后，其胚囊为 8核(包括 1个
卵核、2个助细胞、2个极核以及 3个反足细胞)，而
无融合生殖胚囊只含 1个卵核和 2个极核。通过观
察胚囊内的核数 目，可以有效地区分有性生殖胚囊
和无孢子生殖胚囊(图版 I：8)。有性生殖胚囊内的
卵核通过受精后才能发育成胚，而无孢子生殖胚囊
内的卵核在抽穗前往往可直接发育成原胚。
2．2 原胚的发育
在抽穗前，双穗雀稗无孢子生殖胚囊内的卵核
已自发分裂形成多核的原胚团。此时在无孢子生殖
胚囊 内，一方面，卵核 自发分裂形成多核的原胚团
(图版 I：6)；而另一方面，胚囊内的极核仍然存在。
表明双穗雀稗的无孢子生殖胚囊内卵的发育属于
自发的原胚发育，为典型的无融合生殖特性。在有
多个无孢子生殖胚囊存在的情形下，通常是靠近珠
孔端的胚囊内的卵核先发育形成原胚，而其它部位
的则相对较迟；在有多个原胚的情形下，除存在于
珠孔端外，也存在胚囊内其它部位如中部或合点
端。所有原胚都是靠近胚囊内壁。
2．3 假 受精
在授粉前，观察不到胚乳的发育。只有当授粉
后 12h或 l d后，才观察到初生胚乳核的形成。表
明双穗雀稗胚乳的发育需要极核和精核的结合才
能完成。由于无孢子生殖胚囊内已开始了原胚的发
育，它并不需要同精核结合就可发育为胚，因此双
穗雀稗无孢子生殖胚囊内的受精作用属假受精。
观察结果表明：在多个无孢子生殖胚囊存在的
情况下，只有靠近珠孔端的 1个无孢子生殖胚囊进
行假受精，并形成胚乳。而其它部位的胚囊内的极
核仍然存在，它们并不进行假受精(图版 I：9一l1)并
且不会自发的形成胚乳。由于胚乳的营养作用，通
常靠近珠孔端参与假受精的胚囊内的原胚能够正
常发育。而对于其它部位的胚囊内的卵核或原胚
团，因为得不到充足的营养，发育缓慢甚至退化，被
假受精后发育的胚乳排挤到边缘部位。那些部位通
常靠近合点端位置。通过切片观察，在种子发育几
乎成熟后，种子内只有 1个胚乳团的发育，目前尚
未发现 2个或多个胚乳团发育的例子。
假受精后，原胚团经过不断的分裂形成球形
胚。在有多个原胚发育的情况下，一般是靠近珠孔
端的原胚最先发育，最早成熟，而其它部位的原胚
发育迟缓甚至不发育(图版 I：12)。大部分情况下，
只有靠近珠孔端的胚能够发育成熟，而其它部位的
胚一般不能够发育成熟。
2．4 种子发芽观察
尽管无孢子生殖多胚囊和多个原胚团在胚珠
中普遍存在，但成熟种子发芽所形成的二胚苗频率
很低(3．7％)，目前尚未发现多胚苗的情形。
3讨论
在四倍体双穗雀稗的胚囊发育和胚胎发育过
程中，观察到多个特化珠心细胞发育为多个无孢子
生殖胚囊、原胚现象，可以肯定四倍体双穗雀稗属
无孢子生殖类型的无融合生殖。此外还观察到少量
的有性生殖胚囊的发育，因此四倍体双穗雀稗属于
兼性无融合生殖体。
在禾本科众多的无融合生殖种类中，同一胚珠
内同时存在有性生殖胚囊或无孢子生殖胚囊的现
象并不普遍。有报道草地早熟禾(Poa pratensis)双 一
多胚苗现象来源于存在有性生殖胚囊和特化珠心
发育形成无孢子生殖胚囊的情形[23-251。在雀稗属内，
也有报道同一胚珠 内存在有性生殖胚囊和无孢子
生殖胚囊的情况 71，但缺乏胚胎学方面的直接证
据。在大多数情况下，要么只进行有性生殖，其胚珠
内只有 1个胚囊，要么进行无融合生殖一胚珠内有
一 个或多个无融合生殖胚囊 (主要是无孢子生殖胚
囊)。通过我们对四倍体双穗雀稗兼性无孢子生殖的
胚囊和胚胎发育的研究，我们不仅发现无孢子生殖
胚囊和有性生殖胚囊同时存在于同一胚珠内，还观
察到有性生殖胚囊和无孢子生殖胚囊发育特征，其
有性生殖胚囊比无孢子生殖胚囊发育要早，这一结
果对于揭示植物无融合生殖以及有性生殖的发育
具有重要的意义。
在观察双穗雀稗的假受精过程中，我们观察到
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热带亚热带植物学报 第 11卷
多个无孢子生殖胚囊同时存在，但只是靠近珠孔端
的 1个胚囊发生了假受精，而其它的无孢子生殖胚
囊则没有。假受精后，对于参与假受精的胚囊，由于
胚乳的营养作用，其胚的发育得以延续。但是没有
参与假受精的胚囊被发育扩张的胚乳排挤到胚珠
的边缘，不能得到正常的发育，最终退化或胚发育
不良。这一结果对于我们解释雀稗属多个种存在高
频率的多个无孢子生殖胚囊或多个原胚的发育，却
只产生低频率的二 (多)胚苗现象[4,51是一个有力的
证据 。
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图版说明
图版 I
A：孢原细胞；as：无孢子生殖胚囊；e：胚；ec：卵细胞；el：胚乳；
nc：珠心细胞；pn：极核：pe：原胚；ss：有性生殖胚囊；t：四分体；vc：
液泡
1．孢原细胞；x500
2．四分体，其中远离珠孔端的大孢子已退化；x250
3．四分体退化的同时，出现几个特化的珠心细胞并发育为单核
胚囊；x250
4．几个二核的无孢子生殖胚囊；x250
5．同一胚珠内 2个成熟的无孢子生殖胚囊，包括 1个卵核和 2
个极核；x250
6．抽穗前原胚的发育；x250
7．同一胚珠内有性生殖胚囊处于多核时期，而无孢子生殖胚囊
则尚处于单核期；x500
8．成熟有性生殖胚囊和无孢子生殖胚囊同在一胚珠中；x500
9一l1．连续切片—假受精，示靠近珠孔端的无孢子生殖胚囊参
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第 3期 马国华等：四倍体双穗雀稗兼性无孢子生殖的研究 259
与假受精：而另一个靠近合点端的胚囊则未参与假受精，其原胚和
极核仍然存在；x250
l2．二胚 (正纵切)．×100
Explanation ofplates
Plate l
A：Archesporial cell；aS：Aposporous embryo sac,e：Embryo；ec：
Egg c~ll；cn：Endosperm；rig：Nue~lar ce ll；pn：Pollar nuclei；pe：
Proembryo；ss：Sexual~nbryo sac；t：T酏rad：VC"Vacuole．
1．Alc 翻喇 cel；x500
2．Tempi．Oneofthemegasporesdegenera~d；x250
3．Soon~Lfterthefunctionalmegasporedegenerated,5ome specialized
nucellar cellsb~con~activeandenlargedtOdevelopinto single-nucleus
aposporous embryo sacs；x250
4．Se veral 2-nucleus apospomus embryo sacs in an ovule；x250
5．Twomatured apo~otousem bryo sacsoccurin anovulewhichare
characterizedbyone eggcellandtwopolarnuclei；x250
6．Aproembryobeforeanthesis；x250
7． A sexualem bryo sacand several single-nucleus apospomas sacs
in an ovu le；x500
8．Se xualan daposporousm bryo sacin the sameovu le；~250
9一I1．Successive secti0ns：Pseudogamy。showing one aposporous
em brjo sacwhichis嗽 resttOmicropyleisinvolvedin pseudogamytO
developinto endosperm, while an other~ rous sacisnotinvolved
becausetheproembryoandpolar nucleiare stillvisible；x250
12．Two em bryos(1ongitudinal section)．×100
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马国华等：四倍体双穗雀稗兼性无孢 r生殖的研究
MA Guo—hua et a1．：Facultative Apospory in Tetraploid Pa~pdum distichum L
See explanation at the end oftext
i霉
图版 I
PlateI
矗 -
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