全 文 ：濒危孑遗蕨类植物云贵水韭的胚胎发育∗
姜紫薇１ꎬ 刘保东１∗∗ꎬ 成　 晓２ꎬ 李晓东１
(１ 哈尔滨师范大学黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室ꎬ 哈尔滨　 １５００２５ꎻ
２ 中国科学院昆明植物研究所ꎬ 昆明　 ６５０２０１)
摘要: 云贵水韭 ( Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 是云贵高原特产的孑遗蕨类植物ꎬ 是研究云贵地区古生态和植物演化
的活化石ꎬ 是国家一级保护物种ꎬ 生殖过程及其濒危原因尚未查明ꎮ 本文在实现人工繁殖、 获得足量研究
材料的条件下ꎬ 用常规半薄切片法ꎬ 连续观察了云贵水韭胚胎发育的全过程ꎮ 其结果表明: (１) 合子没有
休眠期ꎻ (２) 合子分裂面与颈卵器长轴呈约 ３０°夹角ꎻ (３) 首先发育出第一叶原基和第一根原基ꎬ 且前者
早于后者ꎻ (４) 叶舌原始细胞在叶片发育初期就开始了细胞分裂ꎻ (５) 颈卵器开口端细胞常出现坏死溃败
现象并直接影响胚胎发育ꎻ (６) 容易出现畸形胚胎ꎻ (７) 片状结构发育迅速ꎬ 对第二叶原基和第三叶原基有
很好的保护作用ꎻ (８) 早期维管分化顺序等ꎮ 探讨了云贵水韭胚胎阶段的生殖生物学规律及其生殖濒危机
制ꎬ 分析了原始维管植物营养器官演化的溯祖形态ꎬ 为云贵水韭的有效保护积累了技术资料ꎮ
关键词: 云贵水韭ꎻ 胚胎发育ꎻ 器官起源ꎻ 濒危
中图分类号: Ｑ ９４４　 　 　 　 　 　 　 文献标志码: Ａ　 　 　 　 　 　 　 文章编号: ２０９５－０８４５(２０１５)０５－５３１－０６
Ｔｈｅ Ｅｍｂｒｙｏｎｉｃ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓꎬ
ａｎ Ｅｎｄａｎｇｅｒｅｄ ａｎｄ Ｒｅｌｉｃｔ Ｐｔｅｒｉｄｏｐｈｙｔａ
ＪＩＡＮＧ Ｚｉ￣ｗｅｉ１ꎬ ＬＩＵ Ｂａｏ￣ｄｏｎｇ１∗∗ꎬ ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏ２ꎬ ＬＩ Ｘｉａｏ￣ｄｏｎｇ１
(１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｌｏｇｙꎬ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅꎬ Ｈａｒｂｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｈａｒｂｉｎ １５００２５ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
２ Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｏｔａｎｙꎬ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓꎬ Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０２０１ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ ｉｓ ａ ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ｒｅｌｉｃｔ ｆｅｒｎ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ￣Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｌａｔｅａｕꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｎａｔｉｏｎａｌ ｌｅｖｅｌ ｐｒｏｔｅｃ￣
ｔｅｄ ｓｐｅｃｉｅｓ ｃａｌｌｅｄ ｌｉｖｉｎｇ ｆｏｓｓｉｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐａｌｅｏｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｌａｎｔ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｉｎ Ｙｕｎｎａｎ ａｎｄ Ｇｕｉｚｈｏｕ ａｒｅａꎬ ｂｕｔ
ｉｔｓ ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｄａｎｇｅｒｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｕｎｃｌｅａｒ. Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｂｒｅｅｄｉｎｇ ａｎｄ ａｃ￣
ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｅｑｕａｔｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｅｍｂｒｙｏｎｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｉ􀆰 ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ. Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｂｒｙｏｎｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ: (１) Ｔｈｅ ｚｙｇｏｔｅ ｄｏｅｓｎ’ ｔ ｈａｖｅ
ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｄｏｒｍａｎｃｙꎻ (２) Ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｐｌａｎｅｓ ｏｆ ｚｙｇｏｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ａｘｉｓ ｏｆ ａｒｃｈｅｇｏｎｉｕｍ ｉｓ ａ￣
ｂｏｕｔ ３０°ꎻ (３) Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｌｅａｆ ｐｒｉｍｏｒｄｉｕｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｒｏｏｔ ｐｒｉｍｏｒｄｉｕｍ ｄｅｖｅｌｏｐ ｆｉｒｓｔ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｌｅａｆ ｐｒｉｍｏｒｄｉ￣
ｕｍ ｄｅｖｅｌｏｐ ｅａｒｌｉｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｒｏｏｔ ｐｒｉｍｏｒｄｉｕｍꎻ (４) Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｅｌｌｓ ｏｆ ｌｉｇｕｌｅ ｂｅｇｉｎ ｔｏ ｄｉｖｉｄｅ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｅａｆꎻ (５) Ｔｈｅ ｃｅｌｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｎ￣ｅｎｄ ｏｆ ａｒｃｈｅｇｏｎｉｕｍ ｏｆｔｅｎ ａｐｐｅａｒ ｎｅｃｒｏｓｉｓ ａｎｄ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｅｍｂｒｙ￣
ｏｎｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔꎻ (６) Ｔｈｅ ｅｍｂｒｙｏ ｍａｌｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｈａｐｐｅｎꎻ (７) Ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐ ｆａｓｔꎬ ａｎｄ ｉｔ
ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｏｏｄ ｐｒｏｔｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ａｎｄ ｔｈｉｒｄ ｌｅａｆ ｐｒｉｍｏｒｄｉｕｍꎻ (８) Ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｅａｒｌｙ ｖａｓｃｕｌａｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ. Ｔｈｅ ａｒ￣
ｔｉｃｌｅ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ ｂｉｏｌｏｇｙ ｒｅｇｕｌａｒ ａｎｄ ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ ｅｎｄａｎｇｅｒｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｉ􀆰 ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ. Ｔｈｅ ｃｏａｌｅｓ￣
ｃｅｎｔ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｖｅ ｏｒｇａｎｓ ｏｆ ｖａｓｃｕｌａｒ ｐｌａｎｔｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ
ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉ􀆰 ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ.
植 物 分 类 与 资 源 学 报　 ２０１５ꎬ ３７ (５): ５３１~５３６
Ｐｌａｎｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＤＯＩ: １０.７６７７ / ｙｎｚｗｙｊ２０１５１４１７１
∗
∗∗
基金项目: 国家自然科学基金 (３１１７０２９４)
通讯作者: Ａｕｔｈｏｒ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅꎻ Ｅ￣ｍａｉｌ: ９９ｂｄ＠１６３􀆰 ｃｏｍ
收稿日期: ２０１４－１２－１８ꎬ ２０１５－０３－２４接受发表
作者简介: 姜紫薇 (１９９５－) 女ꎬ 本科生ꎬ 主要从事生物研究ꎮ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓꎻ Ｅｍｂｒｙｏｎｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔꎻ Ｏｒｇａｎ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎꎻ Ｅｎｄａｎｇｅｒ
　 水韭科 (Ｉｓｏｅｔａｃｅａｅ) 是古老的孑遗石松类植
物ꎬ 多为水生或半水生的小型草本ꎬ 对原生态依
赖性强ꎬ 种群繁殖能力低下ꎬ 现存约 ２５０ 种ꎬ 零
散分布于世界各地ꎬ 数量极少ꎬ 多为珍稀濒危物
种ꎬ 在研究古生态及其物种演化方面具有重要意
义 (Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ １９９７)ꎮ 我国共有 ５种水韭ꎬ 均为
中国特有种ꎬ 是研究相关地区地质地貌变迁和植
物系统演化的活化石 ( Ｚｈａｎｇ 和 Ｔａｌｏｒꎬ ２０１３)ꎮ
但近几十年来ꎬ 所有种群急剧濒危甚至灭绝ꎬ 濒
危原因尚不明确ꎬ 全部 ５种水韭都被列为国家一
级保护植物 (中华人民共和国国务院ꎬ １９９９)ꎮ
对于水韭科植物的研究多集中在系统分类
(Ｌｉｕ等ꎬ ２００５)、 生态调查 (朱文杰等ꎬ ２０１０)ꎬ
以及孢子体的形态结构 (Ｓｈａｎｅ和 Ｈｉｃｋｅｙꎬ ２００５)、
细胞遗传 (Ｈｅ和 Ｚｈａｎｇꎬ ２００４)、 分子系统 (Ｋａｒ￣
ｏｌ等ꎬ ２０１０) 等方面ꎬ 孢粉学作为种类鉴定的主
要依据ꎬ 科研成果相对较多 (刘星等ꎬ ２００８)ꎬ
叶舌的形态结构也一直是水韭的研究热点 (Ｓｈａ￣
ｎｅ和 Ｈｉｃｋｅｙꎬ ２００５)ꎮ 和蕨类精细的生殖研究相
比 (Ｃａｏ等ꎬ ２０１０)ꎬ 水韭生殖的成果较少ꎬ 迄今
为止ꎬ 主要成果是 Ｃｈａｒｌｅｓ (１９３３) 首次以 Ｉｓｏｅｔｅｓ
ｌｉｔｈｏｐｈｉｌａ为材料ꎬ 报道了孢子萌发、 配子体发育
以及胚胎发生等ꎬ 认为水韭类的生殖过程具有特
殊的系统学价值ꎻ Ｓｙｏｉｔ ( １９５４) 报道日本水韭
( Ｉ􀆰 ｊａｐｏｎｉｃａ) 游动精子的形态结构ꎻ Ｈｕａｎｇ 和
Ｃｈｉａｎｇ (１９８６) 研究了台湾水韭 Ｉ􀆰 ｔａｉｗａｎｓｉｓ 的配
子体发育ꎬ 并给出了颈卵器的发育模式ꎻ 而 Ｋａｒ￣
ｒｆａｌｔ (１９９９) 在报道 Ｉ􀆰 ａｎｄｉｃｏｌａ的生殖方式多样性
的同时ꎬ 强调颈卵器的特征与胚胎发育无关ꎻ
Ｃｏｃｈｒａｎ等 (１９９９) 就 Ｉｓｏｅｔｅｓ ｓｐ. 的精子形态结构
进行了细致观察ꎬ 刘虹和王青锋 (２００３) 在无菌
条件下培养中华水韭 ( Ｉ􀆰 ｓｉｎｅｎｓｉｓ) 的大孢子ꎬ 探
讨了温度对萌发率的影响ꎻ 路靖等 (２０１３) 相对
细致地研究了中华水韭的胚胎发育ꎬ 认为胚胎发
育具有重要的溯祖形态ꎬ 既蕴藏着生态演变的相
关信息ꎬ 也存在生殖过程的障碍性结构ꎬ 同时指
出水韭类胚胎发育的种间差异较大ꎬ 有必要进行
细致的比较胚胎学研究ꎮ 但由于水韭类的胚胎发
育过程完全是在雌配子体内完成ꎬ 雌配子体又是
独立发育的极微小球形个体ꎬ 直径不足 ０􀆰 ４ ｍｍꎬ
外面还包有坚硬的大孢子细胞壁 ( Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ
１９９７)ꎬ 在材料培养、 固定包埋、 定位切片等环
节ꎬ 存在多个技术性困难ꎬ 因此ꎬ 对其胚胎发育
过程的研究还十分匮乏 (Ｓｙｏｉｔｉꎬ １９５４)ꎮ
云贵水韭 ( Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 是云贵高原的
特有种ꎬ 已有数亿年的演化历史ꎬ 是云贵高原地
理变迁、 生态及其物种演化的活化石ꎬ 对高原生
态湿地环境监测及物种多样性研究具有重要意义
(陈进明等ꎬ ２００５)ꎮ 但近年来ꎬ 由于过度砍伐林
木、 开荒放牧、 滥挖池塘ꎬ 云贵水韭已呈间断式
分布ꎬ 濒临灭绝 (陈进明等ꎬ ２００５ꎻ 国家林业局
野生动物植物保护与自然保护区管理局ꎬ ２０１３)ꎬ
被国务院列为国家一级保护植物 (中华人民共和
国国务院ꎬ １９９９)ꎮ 特别是 ２００８ 年以来ꎬ 西南地
区频发寒潮和旱灾ꎬ 尤以贵州为严重ꎬ 使云贵水
韭面临日趋严峻的生存压力ꎬ 濒危程度快速向国
际极危级 (ＩＵＣＮ￣ＣＲ) 发展 (严岳鸿等ꎬ ２０１３)ꎬ
近几年在云贵水韭科研方面ꎬ 虽有一些关于形态
学 (Ｗａｎｇ等ꎬ ２００２)、 孢粉学 (李晓东等ꎬ ２０１３)、
生物地理 (庞新安等ꎬ ２００３) 等方面的成果报道ꎬ
但胚胎发育尚未查到相关文献ꎮ
胚胎特征是蕨类植物稳定的溯祖形态ꎬ 可以
为蕨类植物的系统分类提供重要依据 (吴兆洪和
秦仁昌ꎬ １９９１ꎻ Ｈｅ和 Ｚｈａｎｇꎬ ２０１２)ꎬ 生殖结构决
定了生殖能力的强弱 (Ｒａｇｈａｖａｎꎬ ２００５)ꎮ 本文
首次在成功进行孢子繁殖的基础上ꎬ 获得了充足
的材料ꎬ 用半薄切片法连续观察了云贵水韭胚胎
发育的详细过程ꎬ 以期为探讨水韭属植物的系统
演化、 揭示水韭的生殖生物学规律及其生殖濒危
机制提供理论依据ꎬ 并为云贵水韭的有效保护提
供技术支撑ꎮ
１　 材料和方法
１􀆰 １　 材料
云贵水韭 (Ｉ􀆰 ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 由中科院昆明植物研究所成
晓教授于 ２０１１年 ９月提供ꎬ 原产地为贵州平坝ꎬ 在哈尔滨
师范大学温室 (北纬 ４５°５２′０６″ꎬ 东经 １２６°３２′５９″) 栽培繁
殖ꎮ 凭证标本存于哈尔滨师范大学植物标本室 (ＨＡＮＵ)ꎮ
１􀆰 ２　 方法
繁殖方法基本同刘保东 (２０１２)ꎬ 用改良的 １ / ２ＭＳ
培养基培养小孢子ꎬ 用暗棕壤浸出液配制 Ｋｎｏｐｓ 培养基
２３５　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 植 物 分 类 与 资 源 学 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第 ３７卷
培养大孢子ꎬ 适时用倒置显微镜下辅以人工授精ꎮ 定期
在显微镜下观察并选择不同发育阶段的雌配子体ꎬ 用
ＦＡＡ固定液固定ꎬ 普通半薄切片法切片并用甲苯胺蓝染
色ꎬ 用 Ｏｌｙｍｐｕｓ￣ ＢＸ５３显微成像系统观察并照相ꎮ
２　 观察结果
２􀆰 １　 合子及前期分裂
云贵水韭的合子呈卵圆形 (图 １: １)ꎬ 长轴
长约 ３０ μｍꎬ 细胞质染色较深ꎬ 细胞核明显ꎬ 由
一层相对明显的腹壁细胞包围ꎮ 合子没有休眠
期ꎬ 受精后的 １~２ ｄ即可斜向分裂成两个大小不
等的子细胞 (图 １: ２)ꎬ 分裂面与颈卵器长轴呈
约 ３０°夹角ꎬ 在两个子细胞的外侧与雌配子体之
间形成明显的空隙ꎬ 其后继续分裂ꎬ 形成四细胞
球形胚和八细胞球形胚 (图 １: ３)ꎬ 并与配子体
间出现一定空隙 (图 １: ３ ~ ４)ꎮ 受精后 ７ ｄ、 球
形胚胎达到十多个细胞时ꎬ 空隙消失ꎬ 球形胚胀
满整个颈卵器的腹腔ꎬ 受精 ２０ ｄ 后ꎬ 球形胚直
径能达到 １００ μｍꎬ 此时的胚胎细胞开始分化ꎬ
最早出现的基足细胞的体积明显大于分生细胞ꎬ
且胞质染色较浅ꎻ 向着颈卵器开口端分化出第一
叶原基ꎬ 向相反方向分化出第一根原基ꎬ 在球形
胚的中部、 基足的反方向ꎬ 会出现第一叶的叶舌
原始细胞 (图 １: ５)ꎮ 在基足和第一叶原基分化
前后ꎬ 颈卵器开口端常出现坏死溃败现象ꎬ 并且
能直接影响到胚胎的发育ꎬ 胚胎发育常常会停止
在这个时期 (图 １: ６)ꎬ 同时胚胎与雌配子体之
间会出现越来越大的空隙ꎬ 胚胎老化或坏死ꎮ
２􀆰 ２　 营养器官的形成
受精后约 ２０~３０ ｄꎬ 还容易出现分化紊乱的
畸形胚胎 (图 ２: １)ꎬ 其特征是基足边缘的细胞
界限模糊ꎬ 与分生区连接处的细胞质稀薄ꎬ 胚胎
中央或出现空腔ꎬ 分生区细胞细小而杂乱ꎬ 但与
雌配子体营养组织结合紧密ꎮ 正常发育的胚胎首
先在基足处与雌配子体营养组织间出现空隙ꎬ 在
第一叶原基迅速延长的同时ꎬ 第一叶叶舌原始细
胞开始分裂ꎬ 第二叶原基开始出现 (图 ２: ２)ꎬ
基足的形状有一定的差异ꎬ 但与其他组织的相互
关系稳定 (图 ２: ２ ~ ３)ꎮ 第二叶原基在发育初
期ꎬ 就有明显的四面体形顶端细胞出现ꎬ 外侧分
化出单层细胞的片状结构 (图 ２: ４)ꎮ 此后在第
一叶原基的基部有维管束发生ꎬ 继而向上下延伸ꎬ
图 １　 云贵水韭胚胎早期发育
１. 配子体 (Ｇ) 内的合子 (Ｚ)ꎬ 示细胞核 (Ｎ)ꎻ ２. 配子体 (Ｇ) 内的两细胞胚ꎻ ３、 ４: 配子体 (Ｇ) 内的球形胚 (ＧＥ)ꎻ
５. 形成第一叶原基 (ＦＬ) 和基足 (Ｆ)ꎻ ６. 配子体 (Ｇ) 的腐烂组织 (Ｄ) 及其败育的幼胚
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ ｅｍｂｒｙｏ
１. Ｚｙｇｏｔｅ (Ｚ) ｉｎ ｇａｍｅｔｏｐｈｙｔｅ (Ｇ) ｗｉｔｈ ｎｕｃｌｅｕｓ (Ｎ)ꎻ ２. Ｅｍｂｒｙｏ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ｇａｍｅｔｏｐｈｙｔｅ (Ｇ)ꎻ ３ꎬ ４. Ｇｌｏｂｕｌａｒ ｅｍｂｒｙｏ (ＧＥ) ｉｎ
ｇａｍｅｔｏｐｈｙｔｅ (Ｇ)ꎻ ５. Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｌｅａｆ (ＦＬ) ａｎｄ ｆｏｏｔ (Ｆ)ꎻ ６. Ｄｅｃａｙ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ (Ｄ) ｉｎ ｇａｍｅｔｏｐｈｙｔｅ (Ｇ) ａｎｄ ｙｏｕｎｇ ａｂｏｒｔｉｖｅ ｅｍｂｒｙｏ
３３５５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 姜紫薇等: 濒危孑遗蕨类植物云贵水韭的胚胎发育　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
图 ２　 云贵水韭胚胎的分化
１. 有败育胚胎 (Ｅ) 的配子体 (Ｇ)ꎻ ２. 胚胎分化出显著突出的基足 (Ｆ)、 第一叶原基 (ＦＬ)、 第一叶舌 (Ｌ) 和第二叶原基
(Ｌ２Ｐ)ꎻ ３. 胚胎分化出较突出的基足 (Ｆ)ꎻ ４. 出现片状结构 (ＳＳ) 和第二叶顶端细胞 (ＡＣ)ꎻ ５. 维管束 (ＶＢ) 开始出现ꎻ
６. 片状结构 (ＳＳ) 和叶舌 (Ｌ) 迅速生长ꎻ ７. 第一根 (ＦＲ) 发育明显ꎻ ８. 出现第三叶原基 (Ｌ３Ｐ)ꎻ
９. 第一叶和第一根中形成维管束 (ＶＢ)ꎬ 片状结构 (ＳＳ) 发育迅速
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅ ｏｆ Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ ｅｍｂｒｙｏ
１. Ｇａｍｅｔｏｐｈｙｔｅ ｗｉｔｈ ａｂｏｒｔｉｖｅ ｅｍｂｒｙｏ (Ｅ)ꎻ ２. Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｆｉｒｓｔ ｌｅａｆ (ＦＬ)ꎬ ｆｏｏｔ (Ｆ)ꎬ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｅａｆ ｐｒｉｍｏｒｄｉｕｍ (Ｌ２Ｐ) ａｎｄ ｆｉｒｓｔ
ｌｉｇｕｌｅ (Ｌ) ｗｉｔｈ ｅｍｂｒｙｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎꎻ ３. Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｆｏｏｔ (Ｆ) ｗｉｔｈ ｅｍｂｒｙｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎꎻ ４. Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｓｈｅｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ (ＳＳ)
ａｎｄ ａｐｉｃａｌ ｃｅｌｌ (ＡＣ) ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｅａｆꎻ ５. Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｓｃｕｌａｒ ｂｕｎｄｌｅ (ＶＢ)ꎻ ６. Ｒａｐｉｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｓｈｅｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ (ＳＳ) ａｎｄ ｌｉｇｕｌｅ (Ｌ)ꎻ
７. Ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｒｏｏｔ (ＦＲ)ꎻ ８. Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｌｅａｆ ｐｒｉｍｏｒｄｉｕｍ (Ｌ３Ｆ)ꎻ ９. Ｖａｓｃｕｌａｒ ｂｕｎｄｌｅ (ＶＢ)
ｆｏｒｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｌｅａｆ ａｎｄ ｆｉｒｓｔ ｒｏｏｔꎬ ｗｉｔｈ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｈｅｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
尽管第一叶尚被雌配子体包围ꎬ 但已逐渐呈绿
色ꎬ 基足与雌配子体间的空隙进一步加大ꎬ 基足
表面细胞的体积缩减并排列紧密ꎬ 由吸收组织向
保护组织转变 (图 ２: ５)ꎻ 同时第一叶的叶舌与
第二叶原基外侧的片状结构都较快发育ꎬ 在第一
根原基的基部开始有维管束发生 (图 ２: ６)ꎮ 受
精后约 ４０ ｄꎬ 第一叶首先突破雌配子体的保护鞘
(图 ２: ７)ꎬ 在第三叶原基开始分化的同时ꎬ 基
部会产生维管束ꎬ 片状结构发展为 １ ~ ２ 层细胞
(图 ２: ８)ꎬ 其后第一根也突破了雌配子体ꎬ 并
完全与第一叶的维管束相连ꎬ 形成能够独立自养
的幼孢子体ꎮ 在绿色的第一叶迅速延长至 １ ｃｍ
前ꎬ 第二、 第三叶原基都停止发育ꎬ 只是片状结
构发育迅速 (图 ２: ９)ꎮ
３　 讨论
云贵水韭 ( Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 在胚胎发育阶
段ꎬ 存在败育现象ꎬ 可能存在两个败育原因ꎬ 一
是颈卵器完成受精前后ꎬ 从颈沟分泌出较多的有
机物质ꎬ 这些有机物是由凋亡的颈沟细胞产生ꎬ
４３５　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 植 物 分 类 与 资 源 学 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第 ３７卷
其作用是为精子提供诱导物质、 辅助营养以及合
适的游动媒介 (Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ １９９７ꎻ Ｒａｇｈａｖａｎꎬ ２００５)ꎬ
但水韭类的雌配子体为壁内发育ꎬ 对大孢子壁的
依赖性较强ꎬ 一旦被菌类感染ꎬ 容易大面积坏死
溃败 (图 １: ６)ꎬ 尤其是雌配子体内始终含有丰
富的营养物质ꎬ 在完成受精后ꎬ 开放而又充满营
养物的颈沟令胚胎与外界直接相通 (Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ
１９９７)ꎬ 发育中的胚胎易受感染而败育ꎻ 二是基
足细胞吸收能力受阻ꎬ 胚胎分化常发生紊乱 (图
２: １)ꎬ 其原因可能源自遗传因素ꎬ 也可能来自
环境干扰ꎮ
植物体都是由单细胞发展而来ꎬ 合子是水韭
孢子体世代的起始细胞 (Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ １９９７ꎻ Ｒａｇｈａ￣
ｖａｎꎬ ２００５)ꎬ 无论是经典的生物重演率 (Ｖａｓｈ￣
ｉｓｈｔａꎬ １９９７)ꎬ 还是最新的形态溯祖理论 (Ｈｅ 和
Ｚｈａｎｇꎬ ２０１２)ꎬ 都认为胚胎发育与系统发生有密
切的关系ꎮ 关于生殖结构的溯祖形态ꎬ 综合实验
结果得出如下初步结论ꎮ
一是关于合子初次分裂的方向问题ꎮ Ｖａｓｈ￣
ｉｓｈｔａ (１９９７)、 Ｃｈａｒｌｅｓ (１９３３) 都认为胚胎最初几
次的分裂方向和分裂次序对器官发生起决定性作
用ꎬ Ｃｈａｒｌｅｓ (１９３３)、 路靖等 (２０１３) 都认为合
子分裂方向与颈卵器长轴呈约 ２０°夹角ꎬ 云贵水
韭 ( Ｉｓｏｅｔｅｓ ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 接近 ３０°ꎬ 基本支持上述
观点ꎮ
二是雌配子体与胚胎之间的分界沟问题ꎮ
Ｈｉｌｇｅｒ 等 (２００２) 发现 Ｉ􀆰 ｌｙｃｏｐｏｄｉｏｐｈｙｔａ 的分界沟
出现较晚ꎬ 与配子体的营养转移方式和消耗程度
有关ꎬ 指出分界沟与世代交替有密切的关系ꎮ 本
文发现云贵水韭 ( Ｉ􀆰 ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 不仅在胚胎发
育的中后期出现了分界沟ꎬ 而且在胚胎早期也出
现过分界沟 (图 １: ２~３)ꎬ 只是后来由于胚胎体
积的迅速增加ꎬ 分界沟很快消失 (图 １: ４ ~ ５)ꎬ
笔者认为分界沟的出现次数、 持续时间和空间特
征等都值得进一步关注ꎮ
三是片状结构的发现及其系统学意义ꎮ 云贵
水韭 ( Ｉ􀆰 ｙｕｎｇｕｉｅｎｓｉｓ) 的片状结构是伴随第二叶
原基的出现而出现的ꎬ 由 １ ~ ２ 层细胞构成ꎬ 对
第二叶原基有直接的保护作用ꎬ 而与第一叶及其
叶舌无关ꎮ 考虑到第二、 第三叶原基的发生间隔
较短ꎬ 都停留在数个至数十个细胞阶段ꎬ 显著落
后于第一叶的形态发育ꎬ 所以片状结构的保护对
象应该是整个茎干端 (图 ２: ４~９)ꎮ 片状结构或
称鳞片状结构是陆生植物甚至是耐旱植物所普遍
具有的结构ꎬ 原生性水生植物没有鳞片状保护结
构 (Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ １９９７ꎻ Ｈｅ和 Ｚｈａｎｇꎬ ２０１２)ꎬ 似乎
表明云贵水韭在系统演化中经历过陆生甚至旱
生ꎬ 其异型孢子、 配子体壁内发育、 具有叶舌
等特征也支持这一推测ꎬ 因为与其近缘的旱生植
物卷柏类ꎬ 也具有相同的形态特征 ( Ｚｈａｎｇ 和
Ｔａｌｏｒꎬ ２０１３ꎻ Ａｄｒｉａｎｃｅ 和 Ｅｒｎｅｓｔꎬ １９５９)ꎮ 从功能
来看ꎬ 这种片状结构可能与叶舌或缘膜一样
(Ｓｈａｎｅ和 Ｈｉｃｋｅｙꎬ ２００５)ꎬ 具有保护、 分泌或滋
润的功能ꎮ 路靖等 ( ２０１３) 在研究中华水韭
( Ｉ􀆰 ｓｉｎｅｎｓｉｓ) 胚胎发育后指出ꎬ 水韭可能先是适
应过陆生环境ꎬ 水生习性可能是次生的ꎬ 本文首
次发现的片状结构支持了路靖等的上述观点ꎮ
四是关于根叶优先假说的证据ꎮ 裸蕨 (Ｐｓｉ￣
ｌｏｐｈｙｔｏｎ) 是最早登陆的有茎无根的维管植物ꎬ
古芦木 (Ａｒｃｈａｅｏｃａｌａｍｉｔｅｓ) 的茎干极其发达ꎬ 现
存的松叶蕨 (Ｐｓｉｌｏｔｕｍ ｎｕｄｕｍ) 有茎无根ꎬ 因此ꎬ
经典的轴理论认为茎是植物界最早出现的器官
(Ａｄｒｉａｎｃｅ和 Ｅｒｎｅｓｔꎬ １９５９)ꎮ 但 Ｎａｙａｒ (１９９２) 通
过研究蕨类的营养器官ꎬ 提出了 “根叶优先发生
学说”ꎬ 认为维管植物最早的器官是根和叶同时
起源ꎬ 茎是根叶基部残留维管束的集合ꎬ 赵二兰
等 (２０１４) 对蕨类胚胎研究的成果也支持了 Ｎａｙａｒ
的观点ꎮ 尽管蕨类经典系统 (吴兆洪等ꎬ １９９１)
主张水韭类是孤立演化的ꎬ 但现代分子系统主张
把水韭科 ( Ｉｓｏｅｔａｃｅａｅ)、 卷柏科 ( Ｓｅｌａｇｅｉｎｅｌｌａｃｅ￣
ａｅ) 归到石松类 (Ｌｙｃｏｐｈｙｔｅｓ)ꎬ 与其他所有蕨类
呈并列关系ꎬ 主张维管植物多元论 (Ｐｒｙｅｒ 等ꎬ
２００１)ꎮ 从云贵水韭胚胎发育的三个层面即原始
细胞、 原基 (组织)、 维管束 (器官) 来看ꎬ 都是
第一叶和第一根早于茎干发育ꎬ 第一叶在突破帽
状体之前就具有光合能力ꎬ 而且早于第一根突破
帽状体ꎮ 石松类的胚胎发育 (Ｖａｓｈｉｓｈｔａꎬ １９９７) 以
及已知的水韭类胚胎特征 (路靖等ꎬ ２０１２)ꎬ 都是
第一叶早于第一根ꎬ 在支持蕨类植物 “根叶优先
发生” 的基础上ꎬ 石松类应为 “叶根优先发生”ꎮ
〔参　 考　 文　 献〕
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