全 文 ：第 23 卷　第 1 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2003年　1 月
Vol.23　No.1　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Jan., 　2003
蕨类植物桂皮紫萁颈卵器和精子器形态和发育的研究
曹建国1　包文美2　戴绍军2
(1.哈尔滨师范大学呼兰学院 ,哈尔滨 150500)
(2.哈尔滨师范大学生物系 ,哈尔滨 150080)
摘　要　利用扫描电镜技术和树脂切片技术对蕨类植物桂皮紫萁(Osmunda cinnamomea L.var.
asiatica Fernald)的颈卵器和精子器的形态和发育进行了细致的研究。颈卵器发生于雌配子体的
腹面 ,颈部由 4列壁细胞构成 , 6 ～ 7个细胞高 ,内部含有颈沟细胞 、腹沟细胞和卵细胞 ,卵细胞在
整个发育过程中 ,造粉体和囊泡最为显著 ,颈卵器内的卵细胞成熟时产生卵膜和分离腔。精子器
发生于雄配子体的边缘及腹面 ,由 7 ～ 8个壁细胞螺旋状围绕而成 ,壁细胞内为产精组织 ,精子成
熟时精子器盖细胞开裂释放出游动精子
关键词　桂皮紫萁;配子体;颈卵器;精子器
STUDYON THE MORPHOLOGY AND DEVELOPMENT
OF THE ARCHEGONIUM AND ANTHERIDIUM
OF THE FERN OSMUNDA CINNAMOMEA
CAO Jian-Guo1　BAO Wen-Mei1　DAI Shao-Jun2
(1.Hulan college Harbin No rmal University ,Harbin 150500)
(2.Biology Department of Harbin Normal University ,Harbin 150080)
Abstract　In present paper , the morphology and development of the archegonium and antheridium of
the fern Osmunda cinnamomea L.var.asiat ica Fernald w as observed by means of Scanning Electron
microscope(SEM)and resin section.The archegonium formed in the undersurface of the female ga-
metophyte consists of 4 row w all cells and 6 ～ 7cells high in the neck.The inner of the archegonium
includes the neck canal cell , the venter canal cell and the egg.The amyloplast and vesicle in the egg
are prominent in all stages.The egg forms egg membrane and separate cavity w hen i t matures.The
antheridium fo rmed on the margin and the lower surface of the male gametophy te consists of 7 ～ 8
wall cell.The inner of the antheridium is spermatogenouse tissue.As the spermatid mature the cap
cell dehisces and the spermatozoids are discharged through the cap cell.
Key words　Osmunda cinnamomea;gametophy te;archegonium;antheridium
　　蕨类植物是植物界中的一个重要类群 ,在其生
活史中具有各自独立生存的两种植物体 ,即孢子体
和配子体 。我们在自然界习见的植物体是它的孢
子体 ,具有根茎叶的分化 。而蕨类植物的配子体很
基金项目:国家自然科学基金(39774213)和黑龙江省自然科学基金资助项目。
第一作者简介:曹建国(1968-),男 ,博士 ,讲师 ,主要从事植物学研究。
收稿日期:2002-10-31
小 ,通常只有 1 个毫米左右 ,在自然界中很难被人
们发现 ,因此人们对配子体及其有性生殖了解不很
深入 。
桂皮紫萁是我省重要的经济植物 ,属于蕨类植
物紫萁科 ,因其幼叶叶柄密被棕色绒毛 ,俗称牛毛
广或牛毛管 。其嫩叶可供食用 ,又称为“薇菜” ,味
道鲜美 ,营养丰富 ,是我省著名山野菜 ,日本人尤其
喜食 ,我省每年都有大量出口 。但由于多年来的滥
采滥挖 ,其野生资源日益枯竭 ,种群数量明显下降 ,
有导致濒危的危险。而在自然条件下 ,桂皮紫萁主
要通过无性方式进行繁殖 ,繁殖速度慢 ,不利于种
群的扩大和人工栽培 。因此 ,研究桂皮紫萁的有性
生殖 ,通过有性生殖方式快速繁殖不失为一条有效
的途径 ,这对保护和开发这一重要的经济植物具有
重要的意义。在此方面 ,韩见宇等对桂皮紫萁的孢
子繁殖进行了研究 ,对孢子繁殖的条件进行了摸
索[ 1] 。包文美[ 2]和袁艺[ 3] 等分别对桂皮紫萁和紫
萁(Osmunda japonica)的配子体发育进行了研究 。
然而他们对配子体的生殖器官未进行详细的研究 ,
本文利用扫描电镜和树脂薄切片技术对桂皮紫萁
颈卵器和精子器的发育进行了细致的研究 ,以便对
桂皮紫萁的有性生殖过程进行详细的了解 ,为人工
繁殖桂皮紫萁提供理论依据。同时 ,也使广大生物
学工作者能对蕨类植物配子体及其生殖器官有更
详细深入的了解 。
1 材料和方法
1.1 孢子的采集和培养
桂皮紫萁(Osmunda cinnamomea L.var asi-
atica Fernald)孢子是于 5 月下旬采自尚志老山 。
按包文美[ 2]方法培养 ,将孢子接种于改良 Knop s
固体培养基上 , 20℃,连续光照培养 ,配子体约在 6
～ 8周开始分化出精子器 ,在 8 ～ 10 周开始分化形
成颈卵器 。
1.2 薄切片的制备
在解剖镜下选取发育良好的配子体 ,分别将带
有精子器和颈卵器的配子体部分切成长条形 ,将切
取的材料迅速放在 0.1M 磷酸缓冲液配制的 5%
的戊二醛中 ,室温下固定 6 ～ 12h ,然后用同样的缓
冲液冲洗 4h(每 0.5h 换一次缓冲液),转入 2%的
锇酸中室温下固定 2h ,再用 0.1M 磷酸缓冲液冲
洗4h ,经系列丙酮(30%, 50%, 70%, 85%, 95%,
100%)脱水 ,每步 30min ,纯丙酮脱水二次 ,每次
1h ,最后用 Epon812环氧树脂渗透并包埋 ,经 60℃
聚合 24h得到包埋块。
包埋块经修整 ,在 LKB-Nova 切片机上切 1
～ 2μm 厚的薄切片 ,把薄切片捞在载玻片上 ,用甲
苯胺兰染色 1 ～ 2分钟 ,水洗 ,烘干即可进行光镜观
察并照相 。对淀粉粒的观察是用 PAS 反应法[ 4] ,
染色后用树脂封片 ,光镜观察并照相。
1.3扫描材料的制备
把配子体材料经 5%的戊二醛和 2%的锇酸双
固定后 ,经冲洗及系列酒精脱水 ,乙酸异戊酯置换 ,
(CO2)临界点干燥 ,粘台后用离子溅射仪喷金 ,用 S
-520扫描电镜观察并照相。
2 观察结果
2.1 桂皮紫萁的雌配子体及其颈卵器形成和发
育
2.1.1 雌配子体的形成和发育
配子体是由孢子萌发产生的 ,桂皮紫萁的孢子
接种在 Knop s培养基上 , 2 ～ 3 天即可萌发 ,孢子
萌发后经过丝状体阶段和片状体阶段发育成为成
熟的配子体 ,成熟的配子体又称原叶体 ,原叶体的
分化程度较低 ,仅由原叶体细胞和假根组成 。桂皮
紫萁的原叶体在培养条件下主要分为两种 ,如果接
种密度较低 ,原叶体呈心形 ,较大 ,可达 1.5mm 左
右 ,其前端有一凹陷 ,称为生长点 ,自生长点至原叶
体基部是由 6-7层细胞构成 ,称为中肋 ,中肋的两
侧由单层细胞构成 ,称为两翼(图版 I:1)。自接种
后 10周左右 ,在配子体腹面中肋的两侧各产生一
排颈卵器(图版 I:2),该配子体为雌配子体。随着
培养时间的延长 ,雌配子体上的颈卵器会随配子体
的生长而不断产生 ,老的颈卵器不断的衰亡 ,幼的
颈卵器不断的产生 。
2.1.2 颈卵器的形成和发育
桂皮紫萁的颈卵器产生于原叶体的表皮细胞 ,
接种 8 ～ 10周后 ,雌配子体生长点下方腹面中肋两
侧的表皮细胞可发生转变 ,成为颈卵器原始细胞
(initial cell)。颈卵器原始细胞连续进行两次平周
分裂形成三层细胞 ,其表皮细胞和第三层细胞将来
发育成为颈卵器的壁细胞 ,中间层的细胞此时称为
初生细胞(primary cell)(图版 I:3)。表层的壁细胞
首先经过两次垂周分裂形成四个细胞(图版 I:2)。
这四个细胞此后可经过多次平周分裂形成颈卵器
颈部 ,突出于雌配子体的表面共有 6 ～ 7层 ,呈顶端
略窄的圆柱形 ,发育成熟时颈卵器颈部高可达 90
～ 120μm ,宽约 50 ～ 60μm(图版 I:2)。
431 期　　　　　　　　　　　　　　曹建国等:蕨类植物桂皮紫萁颈卵器和精子器形态和发育的研究
颈卵器内部的初生细胞产生后并不马上进行
下一步分裂 ,而是细胞成熟化 ,表现为细胞的体积
增大和明显的液泡化(图版 I:4)。经过一段成熟
期 ,初生细胞再一次进行细胞分裂形成两个大小不
等的细胞 ,顶部的细胞从初生细胞中获得原生质
少 ,细胞的体积小 ,为颈沟细胞(neck canal cell),基
部的细胞从初生细胞中获得原生质多 ,体积较大 ,
此细胞称为中央细胞(central cell)(图版 I:5)。通
过 PAS 反应可知中央细胞细胞核的周围均匀分布
着一层造粉体 ,每个造粉体内含 1-数个淀粉粒
(图版 I:6)。中央细胞产生后同样不立刻进行细
胞分裂而是细胞成熟化产生较大的液泡(图版 I:
7),中央细胞成熟化之后可再一次进行不等细胞分
裂形成两个细胞 ,贴近颈沟的细胞从中央细胞中获
得原生质少 ,体积小 ,它位于颈卵器的腹部 ,称为腹
沟细胞(venter canal cell);而位于颈卵器底部的细
胞从中央细胞中获得原生质多 ,体积较大 ,此细胞
为卵细胞(egg);在卵细胞产生的同时 ,颈沟细胞的
细胞核进行一次核分裂而细胞质不分裂 ,从而形成
一个双核的颈沟细胞 ,它纵向拉长 ,纵贯整个颈部
(图版 I:8)。至此 , 颈卵器从形态上已经发育完
全 ,但此时卵还未发育成熟。
刚产生的卵称为幼卵。此时 ,颈沟细胞 、腹沟
细胞和卵细胞与颈卵器的壁细胞结合紧密 ,颈卵器
的颈部不能开裂发生受精作用。但随着颈卵器内
幼卵的发育 ,可见到卵细胞内有许多囊泡的产生
(图版 II:1),当卵进一步发育时 ,卵细胞内的囊泡
消失 ,与此同时 ,在卵的周围产生卵膜(egg mem-
brane)和分离腔(separate cavity);在卵的侧面和下
方分离腔宽度约为 1.0微米 ,在卵的上方 ,分离腔
宽度大可达 5 ～ 10微米左右(图版 II:2)。卵膜和
分离腔把卵和配子体的其它部分分隔开来 ,对保护
卵和幼孢子体的发育可能具有重要意义 。在卵发
生变化的同时 ,颈沟细胞和腹沟细胞也发生与卵类
似的变化 ,产生分离腔。通过 PAS 反应可见分离
腔内的物质呈浅粉色 ,可能是水溶性多糖类物质 ,
而卵细胞核的周围具有染色深的造粉体 ,其内含多
数淀粉粒(图版 II:3)。当颈沟细胞和腹沟细胞产
生分离腔后 ,颈卵器的颈部细胞可吸水膨胀 ,使颈
部开裂 ,等待精子的到来 。
2.2 雄配子体及其精子器的形成和发育
在进行配子体培养时 ,如果孢子的接种密集较
大 ,其萌发后形成的配子体狭心状 ,由单层细胞构
成 ,无中肋 ,自接种后 6 ～ 8周产生精子器 (图版
II:4),该原叶体称为雄配子体 。精子器多发生在
雄配子体边缘或腹面 ,可达数个至数十个 ,并随着
培养时间的延长 ,雄配子体上的精子器也会随配子
体的生长而不断产生 ,老的精子器不断的衰亡 ,幼
的精子器不断的产生。
桂皮紫萁的精子器是由雄配子体边缘及腹面
的表皮细胞分化而来 ,发育成熟的精子器呈圆球
状 ,直径可达 60μm 左右 。精子器的壁是由 7 ～ 8
个环细胞螺旋围绕而形成 ,顶端为盖细胞 ,基部通
过基细胞与配子体相连 ,(图版 II:5 , 6);壁细胞的
里面为产精组织(spermatogenous t issue),最初为一
个精原细胞 ,精原细胞通过连续若干次有丝分裂形
成精母细胞(spermatocy te),精母细胞进行最后一
次有丝分裂形成精子细胞(spermatid),最后由精子
细胞分化形成成熟精子细胞(mature spermatid)
(图版 II:6)。当精子器的盖细胞开裂后 ,成熟精子
细胞可从精子器中溢出并释放出游动精子(sper-
matozoid)(图版 II:7 , 8),游动精子借助于水游进
颈卵器 ,完成受精作用。
桂皮紫萁雌雄配子体在培养条件和营养状况
发生变化时会发生相互转化 ,在试验过程中我们把
于密集培养条件下产生的雄配子体经无菌水漂洗
后转接于新培养基上 ,经 20天连续光照培养 ,原来
较为瘦小的雄配子体发育成较为肥大的雌配子体 ,
并且在中肋的两侧产生了颈卵器 。如果把雌配子
体集中转接于新培养基上 ,经 20天连续光照培养 ,
发现配子体上除了具有颈卵器之外 ,在配子体的基
部产生了大量的精子器 。
3 讨论
通常情况下 ,桂皮紫萁产生精子器的配子体不
再产生颈卵器 ,产生颈卵器的配子体也不再产生精
子器 ,因此桂皮紫萁属于雌雄异株 。但在营养发生
改变时 ,桂皮紫萁配子体的性别也会发生变化 ,如
雄配子体获得充分的营养和生产空间会产生颈卵
器 ,雌配子体营养不足时也会产生精子器。
颈卵器内部的初生细胞和中央细胞形成后要
经过细胞成熟化过程 ,表现为细胞的体积增大和明
显的液泡化。我们认为这可能是积累营养物质的
过程 ,在初生细胞和中央细胞细胞核的周围均匀分
布着一层造粉体 ,每个造粉体内含丰富的淀粉粒 。
此外 ,初生细胞和中央细胞进行不等的细胞分裂 ,
这种营养物质的积累和不等细胞分裂保证了卵可
从中获得丰富的营养物质 ,将来为受精卵和幼胚的
44 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　23 卷
发育提供能量。
桂皮紫萁卵在整个发育过程中其内均具有大
量的淀粉粒 ,这与真蕨类植物中原始的种类 ,如块
茎蕨相似[ 5] 。蕨类植物卵成熟时产生卵膜和分离
腔 ,与已知的其它蕨类植物相同[ 6] 。通过 PAS 反
应可见分离腔内的物质呈浅粉色 ,可能是水溶性多
糖类物质。分离腔和卵膜把卵和配子体的其它部
分分隔开来 ,这对保护卵和幼孢子体的发育可能具
有重要意义 ,腔内的水溶多糖类物质可能与养分供
应有关。在卵发生变化的同时 ,颈沟细胞和腹沟细
胞也发生与卵类似的变化 ,产生分离腔 。当颈卵器
成熟后其颈部顶端的细胞开裂或反卷 ,为精子的进
入提供通道。
桂皮紫萁发育成熟的精子器的壁由 7 ～ 8个细
胞螺旋状围绕形成 ,而真蕨类较进化的种 ,如蕨
(Pteridium aqui linum)和鳞毛蕨属(Dryopteris)
的精子器仅有基细胞 、环细胞和盖细胞;桂皮紫萁
颈卵器颈部有 6 ～ 7 层细胞构成 ,蕨和鳞毛蕨的颈
卵器的颈部由 3 ～ 4 层细胞构成 ,可见桂皮紫萁较
进化的真蕨类植物的颈卵器较复杂。从真蕨植物
生殖器官演化来看 ,越进化的种其生殖器官越简
化 ,可以说明桂皮紫萁在真蕨类植物中是较原始的
种类 。
参 考 文 献
1.韩见宇 , 董燕 , 孙超 , 等.桂皮紫萁的孢子繁殖.贵州科
学 , 1998 , 16(1):69 ～ 72
2.包文美 , 敖志文 ,刘保东.东北蕨类植物配子体发育的研
究(Ⅲ).紫 萁科.植物研究 , 1986 , 6(3):117～ 120
3.袁艺 , 卢佩玲 , 藤艳芬 , 等.紫萁配子体发育的研究.安
徽农业大学学报 , 1999 , 26(4):502 ～ 505
4.孙敬三 , 钱迎倩主编.植物细胞研究方法.北京:科学
出版社 , 1987
5.Bell P R.Features of egg cells of living reprsentatives of an-
cient families of Ferns.Ann Bot , 1986 , 57:613 ～ 621.
6.Bell P R.Game togenesis and fertilization in ferns.In:A F
Dyer ed.The experamental Biology of ferns.Londo:Ac-
demic Press , 1979
图 版 说 明
Am:造粉体;An:精子器;Ar:颈卵器;BC:基细胞;CC:盖细
胞;CenC:中心细胞;E:卵细胞;N:细胞核;NCC:颈沟细胞;
PC:初生细胞;RC:环细胞;S:淀粉粒;SC:分离腔;Sp:精
子;Spd:精子细胞;V:液泡;VCC:腹沟细胞;Ve:囊泡;WC:
壁细胞。
图版Ⅰ :
1.成熟的雌配子体 ,中肋的两侧产生了颈卵器 , 基部具有假
根(×150)。 2.发育时期不同的两个颈卵器(×850)。 3.颈
卵器分化的初期 , 示初生细胞(×1000)。 4.成熟化的初生
细胞(×900)。 5.初生细胞分化出中央细胞和颈沟细胞(×
900)。6.中央细胞的 PAS 反应照片 ,显示造粉体中具有淀
粉粒(×900)。 7.成熟化的中央细胞 , 具有大而明显的液泡
(×900)。 8.刚成熟的颈卵器 , 示颈沟细胞 , 腹沟细胞和卵
细胞 ,卵细胞中具有小的囊泡(×900)。
图版Ⅱ:
1.卵细胞内含有大量淀粉粒 ,产生了小囊泡(×900)。 2.完
全成熟的卵 , 产生了分离腔和卵膜(×900)。 3.成熟卵的
PAS 反应示淀粉粒(×900)。4.成熟的雄配子体 ,在腹面和
边缘产生了精子器(×70)。 5.发育时期不同的两个精子器
(×1100)。 6.精子器的纵切 , 示内部的精子细胞(×900)。
7.精子器成熟后盖细胞开裂 , 游动精子释放出来(×1600)。
8.成熟精子器的纵切 ,示内部的成熟精子细胞(×900)。
Explanation of Plates
Am:amy loplast;An:antheridium;Ar:archegonium;BC:
basal cell;CC:cap cell;CenC:central cell;E:egg;N:nu-
cleus;NCC:neck canal cell;PC:primary cell;RC:ring cell;
S:starch;SC:separate cavity;Sp:sperm;Spd:spermatid;
V:vacuole;VCC:venter canal cell;Ve:vesicle;WC:w all
cell.
Plate Ⅰ
1.A mature female gametophy te, the archegonium formed in
two-side of the rib , the rhizoids formed in the base of the ga-
metophy te(×150).2.Two archegonia belong to different
developmental stages(× 850).3.the early development stage
of the archegonium , show ing the primary cell(×1000).4.
The maturing primary cell( ×900).5.The primary cell
fo rmed a central cell and a neck canal cell(×900).6.The
picture of PAS reaction of the central cell , several starches in
the amy loplast(×900).7.The maturing central cell , with
some big and obvious vacuole(×900).8.The new -formed
mature archegonium , showing the neck canal cell , venter
canal cell and egg in w hich some small vesicles seen(×900).
Plate Ⅱ
1.The young egg , w hich includes abundant starches and vesi-
cle(× 900).2.The completely ma tured egg w hich formed
separate cavity and egg membrane(×900).3.The PAS reac-
tion of mature egg , showing the starches(×900).4.A ma-
ture male gametophy te , the antheridia formed in the lower
surface and border of it(×70).5.Two antheridia belong to
different developmental stages(×1100).6.The longitudinal
section of the antheridium , showing the inner spermatid(×
900).7.The mature antheridium , the cap cell opening and the
spermatozoids setting free(×1600).8.The longitudinal sec-
tion of the mature antheridium , showing the inner mature
spermatid(×900).
451 期　　　　　　　　　　　　　　曹建国等:蕨类植物桂皮紫萁颈卵器和精子器形态和发育的研究