全 文 ：林业科学研究 2005, 18( 4) : 416~ 420
Forest Research
文章编号: 10011498( 2005) 04041605
油杉花粉个体发育中淀粉粒消长变化研究
李国平1, 2 , 黄群策1* , 秦广雍1
(1.郑州大学离子束生物工程省重点实验室,河南 郑州 450052; 2.莆田学院环境与生命科学系,福建 莆田 351100)
摘要 :对油杉小孢子发生、花粉形成和花粉萌发过程中淀粉粒的消长动态作了详细观察。油杉于 1 月后旬形成花粉
母细胞, 2月上旬完成减数分裂形成小孢子,小孢子经过连续 4 次有丝分裂后于 2月底形成 5细胞型的成熟花粉粒,
3 月初油杉开始传粉。油杉花粉个体发育中淀粉粒有明显的消长规律, 存在 2次淀粉粒积累高峰: 一次是花粉母细
胞进入减数分裂之前,另一次是小孢子进行有丝分裂之前。花粉个体发育中淀粉粒的分布也具规律性: 在减 I 中期
淀粉粒逐渐呈赤道区聚积,在减 I 后期淀粉粒均匀地移向二子核周围, 最终淀粉粒平均分配在 4 个子细胞内; 花粉
成熟发育期间,淀粉粒聚集在核的周围, 散粉前一天成熟花粉中的淀粉粒全部消失, 初步鉴定认为,淀粉粒转变为脂
肪。在花粉萌发实验中,淀粉粒重新在其花粉管中出现。初步认为, 成熟花粉粒中是否积累有淀粉粒并没有系统发
育意义,仅是一种传粉生物学特性之一。
关键词:油杉; 小孢子发生;花粉发育; 淀粉粒;消长规律
中图分类号: S791254 文献标识码: A
收稿日期: 20041229
基金项目: 国家 十五 科技攻关项目( 2001BA302B) ;福建省教育厅科研项目( JA02268)
作者简介: 李国平( 1966 ! ) ,男,副教授,博士生,主要从事离子束植物生物技术研究.
* 通讯作者.
致谢:本文研究过程中得到中国科学院植物研究所陈祖铿研究员的热情鼓励和悉心指导;莆田学院生物技术专业 2000级谢国春、王游
志同学协助材料采集固定,在此一并表示诚挚的感谢!
Studies on Regularity of Accumulation and Disappearance of Starch Grains
in Microsporogenesis and Malegametogenesis of Keteleeria f ortunei
LI Guoping1, 2 , HUANG Qunce1* , QIN Guangyong 1
( 1. Provincial Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, Henan, China;
2. Department of Environment and Life Science, Putian University, Put ian 351100, Fujian, China)
Abstract: The paper dealt with detailed studies on regularity of accumulation and disappearance of starch grains in microsporo
genesis, pollen development and pollen germination of Keteleeria f ortunei ( Murr. ) Carr. . The microspore mother cells (MMC)
were formed in late January, 2003 and then carried out meiosis from Jan. 26 to Feb. 5. Microspores were released from tetrads on
Feb. 9. Through four times of continuous mitosis, microspore developed into fivecelled pollen grain in later Feb. . The mature
pollen consisted of two prothallial cell, a sterile cell, a spermatogenous cell and a tube cell. The pollination occurred in early
Mar. , lasting about 8 days. The study indicated that starch grains accumulated and disappeared regularly at different phase during
pollen development. It was observed that there were two dominant peak accumulation of starch grains. One occurred just before
the meiosis of theMMC taking place and another appeared before themicrospore beginning mitosis. The amount of starch grains
gradually decreased with the division of the cells. And it was showed that the distribution of starch grains changed regularly with
the rhythm of pollen development. The starch grains aggregated gradually toward the equatorial region during the metaphase I and
then moved to the daughter nucleus during anaphase I , and finally distributed to the four daughter cells equally when the meiosis
of the MMC ended. During the maturation of pollen, the starch grains aggregated mainly around the nucleus. All of them disap
peared before pollination. The Sudan ∀ test indicated that they changed into fat. But they appeared again in the pollen tubes after
pollen grains were cultured in vitro and germinated. It was supposed that the reserve of starch grains in mature pollen was in line
with ecophysiological adaptations such as the respective pollination syndrome rather than systematics.
Key words: Keteleeria f ortunei ; microsporogenesis; pollen development ; starch grain; regularity of accumulation and disap
pearance
花粉在植物生殖过程中起着极其重要的作用,
探讨花粉个体发育几乎成为各国科学家研究的热
点[ 1]。花粉个体发育过程中所需营养物质由绒毡层
提供,这些营养物质可能很快被代谢消耗, 也可能以
一定的方式暂时贮存, 淀粉粒是常见的营养贮存方
式之一。花粉中碳水化合物的贮存类型与花粉的寿
命和活力有关, 且具一定的系统发育意义[ 2~ 5]。淀
粉粒生物合成的异常可导致花粉的败育 [ 6, 7]。所以,
研究花粉发育过程中淀粉粒的消长规律与分布具有
重要的意义。
中国是世界上裸子植物最多的国家, 具有种类
丰富、起源古老、孑遗成分和特有成分繁多等特点。
我国在裸子植物特有属种的胚胎学及其系统分类学
等方面的研究是独具特色的[ 8]。有关马尾松( Pinus
massoniana Lamb. )、杉 木 ( Cunninghania lanceolata
(Lamb. ) Hook)、水松( Glyptostrobus pensilis ( Staunt . )
Koch)、黑松( Pinus thunbergii Parl. )、油松( Pinus tabu
laeformis Carr. )等花粉中淀粉粒的消长变化已有报
道[ 9~ 13] , 而油杉( Keteleeria fortunei ( Murr. ) Carr. )为
我国特有树种, 是古老的孑遗植物 [ 14, 15] ,尚未见任何
油杉胚胎学研究方面的报道。本文较详细报道了油
杉花粉个体发育过程中淀粉粒的消长动态变化, 为
其有性繁殖、育种研究提供基础参考资料。
1 材料和方法
实验材料取自福建省莆田市市郊广化寺旁树龄
约20 a的油杉野生植株,采集观察以其中一棵为主,
其它植株作辅助观察。采样时间 2003年 1月 14日
至2003年 3月 10日,每日上午 1次, 每次采 20~ 30
个小孢子叶球序, 均取自树冠中上部枝条。仔细剥
去外部包裹的鳞片, 迅速固定于卡诺液中, 24 h后换
至70%酒精,贮存于 4 # 冰箱中。醋酸洋红染色压
片法鉴定花粉个体发育时期; KII 液染色法检查花
粉个体发育中淀粉粒消长变化; 苏丹 ∀染色法鉴定
脂肪。成熟花粉萌发培养基为 10%蔗糖+ 100 mg∃
L
- 1硼酸+ 100 mg∃L- 1氯化钙, 25 # 下悬滴培养 48
h。所有制片均在 01ympusBX51型显微镜下进行观
察并摄像。
2 结果与分析
油杉于 1月后旬形成花粉母细胞, 2月上旬完成
减数分裂并形成小孢子。油杉减数分裂期从开始至
结束持续约 11 d。2月 9 日后, 四分体的胼胝质解
体,小孢子从四分体中释放出来, 小孢子经过连续 4
次有丝分裂后, 于 2月底形成 5细胞型的成熟花粉
粒,包含 2个原叶细胞、1个管细胞、1个精原细胞和
1个不育细胞。从小孢子至花粉成熟约经 18 d的生
长发育期, 3月初油杉开始传粉, 传粉约持续 8 d。
油杉成熟花粉萌发率不高, 在 10% 蔗糖+ 100 mg∃
L
- 1硼酸+ 100 mg∃L- 1氯化钙培养基中花粉萌发率
平均为 31. 6%。
油杉花粉个体发育中淀粉粒消长有明显的变化
规律(图版) : 多边形的造孢细胞内无明显的淀粉粒
(图版, 1) ,当造孢细胞转变为圆球形或椭圆形的花
粉母细胞时,开始积累淀粉粒。初期,花粉母细胞的
淀粉粒少、颗粒小, 并无一定的分布规律, 当花粉母
细胞即将进入减数分裂时积累较多的淀粉粒。前期
% , 母细胞中的淀粉粒主要分布在细胞核周围(图
版, 2) ;在减 I中期,淀粉粒逐渐向中期 I形成赤道板
的赤道区处聚集,淀粉粒几乎充满赤道区(图版, 3) ;
在减 I后期, 淀粉粒均匀地移向二子核周围(图版,
4) ;减 &中期至末期, 淀粉粒逐渐向左右分开, 平均
分配在四个子细胞内,在此过程中淀粉粒的颗粒逐
渐变小(图版, 5)。油杉花粉个体发育中四分体时期
约有 3 d,在四分体初期子细胞内几无淀粉粒(图版,
6) , 在四分体后期子细胞自身也积累少量淀粉粒, 主
要分布于细胞壁内侧(图版, 7) , 但这些淀粉粒很快
被消耗。刚从四分体中释放出来的小孢子中仅含有
少量淀粉粒,颗粒很小, 随着花粉生长发育, 体积增
大,开始又一次积累淀粉粒,淀粉粒的数量和颗粒逐
渐增加变大,小孢子即将进行第一次有丝分裂前, 淀
粉粒积累达到高峰, 分布于细胞核周围 (图版, 8)。
小孢子连续进行 4次有丝分裂, 形成 5细胞型成熟
花粉粒,在此过程中形成的胚性细胞、精子器原始细
417第 4期 李国平等: 油杉花粉个体发育中淀粉粒消长变化研究
图版 油杉花粉个体发育中淀粉粒消长变化
图版说明:图 1. 多边形的造孢细胞转变为圆球形或椭圆形的花粉母细胞时,开始在细胞核周围积累淀粉粒( ∋ 640) ;图 2.花粉母细胞进行
减数分裂之前淀粉粒积累达到一个高峰( ∋ 640) ;图 3. 在减 I 中期,淀粉粒聚集于赤道区处( ∋ 640) ;图 4. 在减 I后期,淀粉粒开始均匀地移向
二子核( ∋ 640) ;图 5. 减&后期至末期,淀粉粒逐渐向左右分开,平均分配给四个子核( ∋ 640) ;图 6.四分体初期,四个子细胞内几无淀粉粒( ∋
640) ;图 7. 四分体后期,亦见淀粉粒的积累( ∋ 370) ;图 8.小孢子单核居中期淀粉粒积累达到另一个高峰( ∋ 438) ;图 9.小孢子进行第一次有丝
分裂,第一原叶细胞内不具淀粉粒,而胚性细胞具丰富淀粉粒(醋酸洋红染色) ( ∋ 640) ;图 10~ 11.示原叶细胞内不具淀粉粒 图 10( ∋ 438) ,图 11
( ∋ 370) ;图 12. 刚形成的成熟花粉粒具丰富淀粉粒,积累于管细胞内( ∋ 438) ;图 13. 散粉前一天成熟花粉内的淀粉粒突然全部消失( ∋ 438) ;图
14.传粉期成熟花粉粒(苏丹∀染色) ,箭头示花粉粒内大小不同的油滴( ∋ 438) ;图 15.花粉管中聚集大量淀粉粒( ∋ 438)。
418 林 业 科 学 研 究 第 18 卷
胞、管细胞中都具有淀粉粒, 而 2 个原叶细胞、生殖
细胞、精原细胞(体细胞)和不育细胞(柄细胞)中均
无淀粉粒(图版, 9~ 11)。花粉成熟发育期间, 淀粉
粒聚集在核的周围。成熟花粉粒中管细胞占据大部
分体积,含有大量淀粉粒(图版, 12) , 但在散粉前一
天其中的淀粉粒突然全部消失(图版, 13) , 经用苏丹
∀染色初步鉴定表明: 淀粉粒全部转变为脂肪(图
版, 14) ,散出的成熟花粉中不具淀粉粒。在花粉萌
发实验中, 淀粉粒重新在其花粉管中出现 (图版,
15)。
3 结论与讨论
油杉花粉个体发育中淀粉粒有明显的消长规
律,存在两次淀粉粒积累高峰,一次是花粉母细胞进
入减数分裂之前, 另一次是小孢子进行有丝分裂之
前。从淀粉粒的积累时期可以看出: 淀粉粒的变化
与花粉个体发育密切相关。第 1次淀粉粒积累是为
花粉母细胞的减数分裂作好物质准备, 所积累的淀
粉粒在减数分裂过程中大部分被花粉粒迅速转化、
吸收和利用,刚从四分体中释放出来的小孢子中仅
含有少量淀粉粒, 颗粒很小。第 2次淀粉粒积累为
花粉的成熟过程储备能量,但在花粉成熟过程中, 花
粉粒内始终存在丰富的淀粉粒, 这与花粉母细胞减
数分裂过程中淀粉粒逐渐被消耗减少的情况有所不
同,其原因可能是花粉成熟所经历时间较长,有足够
的时间积累营养。
在四分体后期亦见子细胞自身积累少量淀粉
粒,但这些淀粉粒很快被消耗,所以并未出现淀粉粒
的积累高峰。在四分体时期, 气囊开始发育,细胞壁
开始增厚,细胞体积迅速增大,这些发育过程需要大
量的营养供应, 从绒毡层转运来的营养物质被迅速
地代谢转化成其它物质, 仅少量富余营养以淀粉粒
形式积累。肖德兴等[ 12] 认为淀粉粒的动态变化与
新细胞壁的形成有关; 吕世友等 [16] 在综述文献中指
出,淀粉粒的动态变化与细胞器的变化有相似之处,
它们与花粉发育中细胞质重组和新细胞壁的形成有
关;作者也观察到在四分体时期, 淀粉粒贴壁分布,
可能为气囊和细胞壁的发育直接提供物质支持。
在花粉成熟过程中, 在小孢子有丝分裂所形成
的胚性细胞、精子器原始细胞、管细胞中有淀粉粒的
形成,而 2个原叶细胞、生殖细胞、精原细胞 (体细
胞)和不育细胞(柄细胞)中均无淀粉粒,这从一侧面
说明了小孢子所进行的 4次有丝分裂为不对称分
裂。小孢子在进入有丝分裂之前, 细胞核位移建立
起由近极面到远极面的轴向极性。产生极性是花粉
发育中的普遍现象, 也很可能是大多数植物小孢子
不对称分裂的前提条件之一[ 16]。
油杉成熟花粉粒中管细胞中含有大量淀粉粒,
但在散粉前一天淀粉粒突然全部消失, 经用苏丹 ∀
染色初步鉴定表明:淀粉粒全部转变为脂肪,这是油
杉花粉个体发育过程中淀粉粒消长变化的一个显著
特征。脂肪是由碳水化合物转化而来的, 正如在油
料种子成熟过程中,首先积累可溶性糖和淀粉,但其
含量随着种子发育而下降, 而同时脂肪含量开始逐
渐增加。在植物细胞中, 白色体和圆球体都能积聚
脂类物质,发育成油滴。油杉成熟花粉中脂肪形成
的生理生化过程有待以后进一步研究。作者认为,
油杉散粉前花粉粒中的淀粉粒转变为脂肪类物质,
可稳定花粉含水量, 避免传粉后因失水干瘪而丧失
活力,从而提高花粉粒的寿命; 另一方面, 油杉为风
媒传粉,贮存物质为脂肪类的花粉可能比贮存物质
为淀粉粒的花粉更适于在空中飞翔。总之, 油杉散
粉前花粉粒中的淀粉粒转变为脂肪类物质有一定的
传粉生物学意义,可能是对传粉的一种适应性特征。
据观察,水松花粉发育过程中也有淀粉粒积累,
但在形成管细胞和生殖细胞后全部消失 [ 12] ; 杉木成
熟花粉中也仅有极少量的淀粉粒[ 9] ; 而马尾松的成
熟花粉中积累了大量淀粉粒[ 10]。孔冬梅等[ 13] 对油
松花粉中的淀粉粒动态分布作了详细观察, 认为油
松成熟花粉有大量淀粉粒, 但淀粉粒在散粉前转移
到气囊。据 Baker [ 17]报道, 杉科植物成熟花粉中仅含
有胼胝质,松科植物不仅含有胼胝质并含有较多的
淀粉粒。油杉属于松科植物, 但处于传粉期的油杉
花粉中并无淀粉粒存在,这一观察结果与 Baker的结
论不一致。作者初步认为, 花粉个体发育中淀粉粒
的动态分布及成熟花粉粒中是否积累淀粉粒并没有
系统发育意义,而可能与物种的分布环境有关,是一
种传粉生物学特性之一。Bellani L 等 [ 2] 对 901 种植
物花粉中贮存的碳水化合物类型进行详细研究后认
为,只有少数科的植物花粉中的贮存物质类型是一
致的,花粉贮存物质的类型大多与植物的生态生理
适应性有关, 特别是与传粉生物学特性有关。飞散
花粉中所含的可溶性碳水化合物可降低细胞渗透
势,减少水分丧失, 且对细胞膜系统有保护作用, 所
以,花粉中可溶性碳水化合物的浓度与花粉的寿命
有关[ 18] 。
419第 4期 李国平等: 油杉花粉个体发育中淀粉粒消长变化研究
总之, 淀粉粒作为花粉发育过程中营养物质提
供者和营养储备形式之一,其消长动态变化与花粉
个体发育期密切相关。对淀粉粒消长规律的研究有
助于探索花粉发育的内在机制, 为油杉的林业生产
和生物多样性保护提供重要的科学依据。
参考文献:
[ 1] 陈祖铿. 花粉的个体发育[ J] . 植物杂志, 1989( 6) : 2~ 3
[ 2] Bellani L, Franchi G G, Nepi M, et al. Types of carbohydrate reserves
in pollen localization, systemat ic distribut ion and ecophysiological signifi
cance[ J] . Flora, 1996, 191 ( 2) : 143~ 159
[ 3] Pacini E. Types and meaning of pollen carbohydrate reserves [ J ] . Sex
Plant Reprod, 1996, 9: 362~ 366
[ 4] Franchi G G, Nepi M, Dafni A, et al. Part ially hydrated pollen: taxo
nomic distribution, ecological and evolutionary significance[ J] . Plant Syst
Evol, 2002, 234 ( 14) : 211~ 227
[ 5] Speranza A, Calzoni G L, Pacini E. Occurrence of monoor disaccharides
and polysaccharide reserves inmature pollen grains[ J] . Sexual Plant Re
production, 1997, 10 ( 2) : 110~ 115
[ 6] Datta R, Chamusco K C, Chourey P S. Starch biosynthesis during pollen
maturation is associated with altered patterns of gene expression in maize
[ J] . Plant Physiology, 2002, 130 ( 4) : 1645~ 1656
[ 7] Datta R, Chourey P S, Pring D R, et al . Gene expression analysis of su
crosestarch metabolism during pol len maturation in cytoplasmic male
sterile and fert ile l ines of sorghum [ J ] . Sexual Plant Reproduction,
2001, 14 ( 3) : 127~ 134
[ 8] Hu S Y. Development of plant embryology in China[ J] . Acta Botanica
Sinica, 2002, 44( 9) : 1022~ 1042
[ 9] 肖德兴.杉木小孢子发生和花粉发育中的淀粉粒和胼胝体[ J] .江
西农业大学学报, 1990, 12(4) : 73~ 78
[ 10] 肖德兴.马尾松花粉中的淀粉粒和胼胝体 [ J] .实验生物学报,
1994, 27( 1) : 37~ 43
[ 11] 肖德兴,陈祖铿. 黑松花粉个体发育的研究[ J] .植物学报, 1990,
32(11) : 847~ 851
[ 12] 肖德兴.水松花粉中的淀粉粒和胼胝体[ J] .江西农业大学学报,
1997, 19( 3) : 107~ 110
[ 13] 孔冬梅,常培英,程芳琴.油松花粉中的淀粉粒[ J ] .江西农业大
学学报, 2001, 21(1) : 38~ 41
[ 14] 郑万钧,傅立国.中国植物志( 第七卷) [M ] .北京:科学出版杜,
1978: 168~ 196
[ 15] 林来官.福建植物志(第一卷) [ M] .福州:福建科学技术出版社,
1982: 275~ 277
[ 16] 吕世友,李彦舫,陈祖铿, 等. 花粉发育的研究进展 [ J] .植物学
通报, 2001, 18( 3) : 340~ 346
[ 17] Baker H G, Baker I . Ome evolut ionary and taxonomic implicat ions of
variat ion in the chemical composition of pollen[ A] . In: Mulcahy D L,
Ottaviano E. Pollen biology and implications in plant breeding[M ] . New
York: Elsevier, 1983: 43~ 52
[ 18] Nepi M, Franchi G G, Pacini E. Pollen hydrat ion status at dispersal:
cytophysiological features and strategies[ J] . Protoplasma , 2001, 216 (3
4) : 171~ 180
420 林 业 科 学 研 究 第 18 卷