全 文 ：第 51 卷 第 6 期
2 0 1 5 年 6 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 6
Jun．，2 0 1 5
doi: 10．11707 / j．1001-7488．20150607
收稿日期:2014 － 10 － 27; 修回日期:2015 － 01 － 26。
基金项目:林业公益性行业专项经费项目(201104033)。
极度濒危植物水松大孢子发生、雌配子体发育及胚形成
徐刚标 刘雄盛 梁文斌
(中南林业科技大学生命科学与技术学院 长沙 410004)
摘 要: 【目的】通过对水松生殖发育解剖结构的研究，探讨水松属分类地位，分析水松种子严重败育的原因，进
一步为水松繁殖和保护提供丰富、完善的胚胎学研究资料。【方法】2011 年 9 月至 2013 年 9 月，采用石蜡切片技
术对水松大孢子发生、雌配子体发育和胚形成过程进行系统地显微观察，详细观测水松雌球果发育过程中外部形
态变化。【结果】9—11 月为水松雌球果芽分化期，12 月至翌年 5 月为大孢子发生和雌配子体发育期，6 月为受精
期，6 月下旬至 7 月为原胚发育期，8 月为早期胚发育期，9 月为后期胚发育期。大孢子母细胞减数分裂形成直线型
四分体，其中 3 个大孢子逐渐退化，仅靠近合点端的大孢子发育成为功能大孢子; 复合颈卵器由 6 ～ 17 个颈卵器构
成，外层有双核套层细胞。套层细胞具有明显的极性分布; 复合颈卵器大多数着生于雌配子体顶端，少数侧生; 中
央细胞不形成卵核和腹沟细胞，直接发育为成熟的卵细胞; 精细胞进入颈卵器时，不损伤颈细胞; 受精作用主要发
生在颈卵器中部，偶尔发生在颈卵器两端。精核与卵核融合过程中，精核的核仁发生解聚和复聚; 合子转移到合点
端后，进行有丝分裂形成原胚自由核; 受精作用属于有丝分裂前配子融合类型。原胚发育属松杉类标准型，为简单
多胚类型; 原胚发育形成原胚柄，但不形成初生胚柄。受精作用过程中，存在严重授粉不足现象。【结论】基于雌
配子游离核、颈卵器和颈细胞数目，颈卵器类型和着生位置，中央细胞及原胚发育等特征综合分析表明，水松属与
台湾杉属、水杉属、柳杉属、落羽杉属亲缘关系密切，与杉木属亲缘关系较近。授粉不足可能是水松大量瘪粒种子
形成的主要原因。
关键词: 大孢子发生; 配子体发育; 胚发生; 水松
中图分类号:S718. 47 文献标识码:A 文章编号:1001 － 7488(2015)06 － 0050 － 13
Megasporogenesis，Female Gametophyte Development and Embryogenesis
in Critically Endangered Glyptostrobus pensilis
Xu Gangbiao Liu Xiongsheng Liang Wenbin
(College of Life Science and Technology，Central-South University of Forestry Science and Technology Changsha 410004)
Abstract: 【Objective】This study aims to get insight of the systematic position of Glyptostrobus pensilis and to explore
developmental abnormalities of seeds of this species based on its reproductive developmental anatomy． Further to enrich
and complement the current understanding of G． pensilis in reproductive biology and to provide a theoretical basis for
designing conservation strategies for this species．【Method】During the period of three years from September，2011 to
September，2013，we observed morphological changes from cone buds emergence to seed cones formation and internal
changes during megasporogenesis，gametophyte development，and embryogenesis using paraffin-embedded-sectioning and
hematoxylin-staining． 【Ｒesult】From September to November，the bud scales differentiated into young ovulate cones，and
ovulate cones developed from December to May of following year． Fertilization took place in June． The proembryony
development was from late June to July; early embryo development was during August; mature embryo development was
during September． The meiotic division of the megasporocyte produced four megaspores in a linear tetrad formation． The
three megaspores near the micropyle disintegrated，while the megaspore near the chalaza developed into a functional
megaspore． The archegonia complex consisting of 6 to 17 archegonia covered by a layer of jacket cells with two nucleuses，
were positioned terminally or few laterally． The layer of jacket cells had obvious polarity distribution． The central cell did
not divide to form the egg nucleus and ventral canal nucleus． Instead，the central cell directly developed into a mature egg
cell． The sperm cell enters archegonium without damage to the neck cells． The fertilization mainly occurred in the center，
and occasionally upper or lower part of the archegonium． During the sperm-egg fusion process，the nucleolus of sperm
第 6 期 徐刚标等: 极度濒危植物水松大孢子发生、雌配子体发育及胚形成
nucleus broken down and gradually disappeared，then become apparent after fused with the egg nucleus． The zygote
gradually moved to the bottom of the archegonia，and undergoing mitosis to form proembryony free nuclei． The fertilization
is the type of pre-mitotic syngamy． The proembryony belongs to the standard type of coniferales， and has simple
polyembyrony pattern． The proembryony only developed into the prosuspensor but not formed the primary suspensor． It has
been observed that severe insufficient pollination during fertilization．【Conclusion】The gametophyte development and
embryogenesis in G． pensilis，such as number of free nuclei of megagametophyte，archegonia and neck cells，the type and
position of archegonia，development process of central cell and proembryony，were quite similar to genera Taiwania，
Metasequoia，Cryptomeria， Taxodium，reflecting a closer taxonomic relationship to these genera than to genus
Cunninghamia． Insufficient pollination might be an important cause for‘empty seeds’in G． pensilis．
Key words: megasporogenesis; gametophyte development; embryogenesis; Glyptostrobus pensilis
水松(Glyptostrobus pensilis) 为落叶或半落叶乔
木，单性花，雌雄同株，种子当年成熟。起源于中生
代，第四纪广泛分布于北半球，是第三纪特有的单种
属孑遗树种，对研究松杉类植物的系统发育、古植物
学及第四纪冰期气候等都具有重要的科学价值(于永
福，1995)。由于历史气候变化和人为破坏活动，水
松种群片断化极为严重，现零星分布于我国长江流域
以南、越南中部和老挝东部，天然种群和个体数量极
少，林下没有幼苗，自然更新十分困难，已处于极度濒
危状态(李发根等，2004; Tam et al．，2013)，被列为我
国一级保护植物和极小种群物种(国家林业局野生动
植物保护管理司等，2013)。
目前，对松杉类演化过程认识不很清楚 (杨永
等，2001)。传统植物分类中，杉科( Taxodiaceae)、
柏科(Cupressaceae)单独成科，但杉科、柏科中各属
的系统关系存在着诸多分歧(李春香等，2003)。近
年来，越来越多的研究资料表明，除杉科中金松属
(Sciadopitys)应独立为金松科( Sciadopityaceae)外，
柏科和杉科应合并为一个科( Gadek et al．，1993;
2000; 李春香等，2003; Singh，2006)，即广义柏科
(Cupressaceae sensu lato)。传统分类的杉科分为杉
木 亚 科 ( Cunninghamioideae )、密 叶 杉 亚 科
(Athrotaxidoideae)、台湾杉亚科( Taiwanioideae)、红
杉亚 科 ( Sequoioideae )，柏 科 分 为 柏 木 亚 科
(Cupressoideae)和松柏亚科(Calliirtoideae) ( Gadek
et al．，2000; Singh，2006)。松杉类植物雌性生殖的
形态特征及其演化过程具有重要的系统发育研究意
义(杨永等，2001)，有性生殖发育异常是植物濒危
的主要原因之一(高润梅，2002;Owens et al．，1991;
1998; 2008; Owens， 2006; Garcǐa et al．， 2000;
Gruwez et al．，2013)。因此，开展水松雌性生殖发育
解剖特征研究显得尤为迫切。
近 40 年来，水松研究主要集中在系统分类
(Schlarbaum et al．，1984; Hart，1987; Price et al．，
1989; 李 林初，1989; 1995; Gadek et al．，1993;
2000; Brunsfeld et al．，1994; Tsumura et al．，1995;
Charles et al．，1999; 韩丽娟等，1997; Kusumi et al．，
2000; 2002; 李春香等，2003)、遗传多样性( Li et
al．，2005; 吴则焰等，2012a; Averyanov et al．，2009;
Tam et al．，2013)、地理分布(李发根等，2004)、繁
殖技术 (吴则焰等，2012b)、化学组成 (斯缨等，
2003)等方面。有关水松生殖发育解剖结构研究，
早在 20 世纪中叶，王伏雄(1952; 1953)曾描述水松
雌、雄配子体发生及胚发育过程，Takaso 等 (1990)
曾比较水松与落羽杉 ( Taxodium distichum) 的个体
发育特征，刘雄盛等(2014)开展了水松小孢子发生
和雄配子体发育过程的显微观察。本研究拟采用石
蜡切片法研究水松大孢子发生、雌配子体和胚发育
的解剖特征，与部分松杉类植物进行比较，分析水松
种子严重败育原因，旨在为水松的系统分类、繁殖和
保护提供胚胎学基础资料。
1 材料与方法
1. 1 材料
研究材料取自江西省上饶市弋阳县庙脚村
(117° 21 E，28° 22 N，海拔 100 m)保存完好的 13
株古老水松。
1. 2 方法
1. 2. 1 物候期观测 根据水松生长生活习性，雌球
果芽分化至球果成熟期，在树体不同方位选择 10 个
观测点，观察球果外部形态。水松球果芽分化、大孢
子发生和雌配子发育期，每 5 天观测 1 次; 胚发育
期，每 7 天观测 1 次。每月中旬，用游标卡尺测量雌
球果大小。
1. 2. 2 样本采集 材料于 2011 年 11 月—2013 年
11 月采集，每次采集 15 ～ 20 个样本。9—11 月为雌
球果芽分化期、胚发育生长期(含 8 月)，每 5 天采
样 1 次; 12 月—翌年 5 月为大孢子发生、雌配子体
发育期，6 月下旬至 7 月为原胚发育期，每 3 天采样
1 次; 6 月为受精期，每天上、下午各采样 1 次。样
15
林 业 科 学 51 卷
本固定于 FAA 溶液中，带回实验室后，放入 4 ℃冰
箱保存。
1. 2. 3 显微结构观察 参考李正理(1987)和徐明
堂等(2008)石蜡切片方法。切片厚度为 8 ～ 12 m，
改良爱氏苏木精染色，中性树胶封片，用 Motic
BA410 显微镜观察雌球果发育过程的解剖特征。
2 结果与分析
2. 1 水松大孢子发生、雌配子体和胚发育各时期的
形态特征
11 月中下旬，雌球果芽开始分化形成雌球果。
雌球果芽圆形，中部稍膨大，红褐色，外裹鳞叶，单生
于具鳞叶的当年生或 2 年生小枝顶端(图 1A)。12
月初至翌年 1 月初，分化形成的雌球果外裹赤褐色
苞鳞。1 月，雌球果，卵圆形，顶端展开小口，外裹数
层苞鳞呈螺旋状排列(图 1B)。2 月中旬，雌球果外
被一轮珠鳞，呈漏斗状，浅绿色，顶端完全打开，露出
胚珠(图 1C)。3 月初至 4 月初，大孢子母细胞开始
形成，珠鳞稍向后弯曲，小孢子叶球呈紫褐色 (图
1D)。4 月，雌球果绿色变浓，珠鳞向内合生，形成锥
形胚珠，苞鳞加厚，向后弯曲 (图 1E)。5 月初至 6
月中旬，雌球果球形，顶端完全封闭，珠鳞加厚并与
苞鳞合生，雌配子体发育成熟。6 月下旬至 7 月下
旬，受精后的雌球果生长迅速，卵圆形，浓绿色，种鳞
木质化 (图 1F)。8—11 月，胚胎发育期。成熟的球
果黄绿色，倒卵形或近球形(横径 8 ～ 12 mm，纵径
15 ～ 20 mm)，具 15 ～ 20 枚种鳞。木质化种鳞基部
着生 2 粒种子，与较大的苞鳞合生。中部种鳞的上
部有 6 ～ 9 个反曲三角形状尖齿(图 1G)。雌球果授
粉前，少数球果发育异常、生长停滞(图 1H)。水松
雌球果生长变化曲线呈逐步上升趋势(图 2)，各月
份的雌球果外部形态及内部发育特征变化的相互关
系见表 1。
图 1 水松部分具雌球果枝条照片，示雌球果发育
Fig． 1 Portions of photographs of branches with ovulate cone of G． pensilis，showing development of ovulate cone
A．示即将分化的雌球果芽( cb) (2012 － 11 － 20) ; B．示顶端略开的雌球果( oc) (2013 － 01 － 04) ; C． 示顶端露出胚珠雌球果( oc)
(2013 － 02 － 18) ; D．示珠鳞后弯雌球果( oc)及小孢子叶球(ms) (2013 － 04 － 04) ; E． 示苞鳞加厚雌球果( oc) (2013 － 04 － 28) ;
F．示种鳞木质化球果( oc) (2013 － 06 － 25) ; G．示成熟球果( oc) (2013 － 11 － 05) ; H．示发育异常雌球果( aoc) (2013 － 04 － 04)。
A． Showing differentiating cone bud ( cb ) ( 2012 － 11 － 20 ) ; B． Showing ovulate cone ( oc )，a small incision formed in the top
(2013 － 01 － 04) ; C． Showing fully opened top to expose ovule cone ( oc) ( 2013 － 02 － 18 ) ; D． Showing ovulate cone ( oc) with
ovuliferous scale bent backward and red microstrobilus (ms) (2013 － 04 － 04 ) ; E． Showing ovulate cone ( oc) and ovuliferous scale
thickened (2013 － 04 － 28 ) ; F． Showing ovuliferous scale lignifications of ovulate cone ( oc) ( 2013 － 06 － 25 ) ; G． Showing mature
ovulate cone ( oc) (2013 － 11 － 05) ; H． Showing abortive ovulate cone ( aoc) (2013 － 04 － 04) ．
2. 2 大孢子发生与雌配子体发育的显微结构
11 月中下旬，雌球果芽的苞鳞近轴面基部与雌
球果轴之间出现细胞核大、细胞质浓、染色较深、排
列紧密的珠鳞原基组织(图 3A)。12 月初至翌年 1
月初，珠鳞原基组织细胞开始分裂。1 月下旬，珠鳞
原基细胞经多次有丝分裂形成椭圆形球状体，分化
出珠鳞原基和胚珠原基 (图 3B)。2 月初至 3 月初，
珠鳞原基分化形成珠鳞; 胚珠原基两侧细胞分化形
成珠被，中央细胞分化形成珠心(图 3C)。在珠心与
珠被相接的水平线上产生 1 团孢原细胞。孢原细胞
25
第 6 期 徐刚标等: 极度濒危植物水松大孢子发生、雌配子体发育及胚形成
的细胞质浓，细胞核大(图 3D)。珠被由 3 ～ 4 层长
方形细胞组成，珠心由多层薄壁细胞和孢原细胞组成
(图 3E)。3 月中旬，孢原细胞经过连续多次有丝分
裂形成造孢细胞。造孢细胞大，形状不规则，细胞内
充满内含物 (图 3F)。4 月初，造孢细胞分化形成大
孢子母细胞。大孢子母细胞细胞质浓，体积大，由 3
～ 5 层海绵组织细胞包围(图 3G)。此阶段，显微观
察发现，少部分胚珠发育异常 (图 3J)，外观表现为雌
球果生长发育停滞(图 1F)。4 月中上旬，大孢子母细
胞进行减数分裂，形成直线型四分体 (图 3H)，随即
靠近珠孔端的 3 个退化，并留有痕迹，只留下合点端
的 1 个大孢子发育形成功能大孢子(图 3I)。
表 1 水松雌球果发育过程中的外部形态变化及内部发育特征
Tab． 1 External morphological changes and internal features in the development process of ovulate cone of G． pensilis
月份
Month
外部形态
External morphology of ovulate cone
内部发育特征
Internal features of ovulate cone
11 圆锥形
，中部膨大，红褐色 Conical in shape，slightly swollen in
center，purple and reddish in color 珠鳞原基形成期
Appearance of ovuliferous primordia
12 椭圆形，形成苞鳞 Oval in shape，bracts formed 珠鳞原基分裂期 Division of ovuliferous primordial cells
1
卵圆形，外部数层螺旋状排列赤褐色苞鳞，顶端展开 Oblong in
shape，covered by spirally arranged reddish brown bracts，a small
incision formed in the top
珠鳞原基细胞分裂期 Division of ovuliferous primordial cells
2 顶端露出胚珠
，漏斗状，浅绿色，外被珠鳞 Fully opened top to
expose ovule，round ovuliferous scale outside，light green in color 胚珠和珠被形成期
Formation of nucellus and integument
3 珠鳞稍微向后弯曲 Ovuliferous scale bent backward 造孢细胞形成期 Formation of sporogenous cells
4 珠鳞向内合生
，形成锥形胚珠 Ovuliferous scale connate inwardly
forming a tapered ovule 功能大孢子形成期
Formation of functional megaspore
5 珠鳞加厚
，基部合生，顶端完全封闭 Ovuliferous scale thickened，
connate basally，with a completely closed apex
雌配子体游离核形成期
Formation of free nuclei of megagametophyte
6 椭圆形
，鲜嫩绿色。种鳞开始木质化 Oval in shape，light green in
color． Ovuliferous scale started lignification
复合 颈 卵 器 发 育 期，受 精 Development of composite
archegonia; sperm-egg fusion to form zygote
7
外观与颜色无变化。种鳞木质化，扁平，基部楔形，先端尖
No change in shape and color． Ovuliferous scale lignified and
flattened，with base cuneate and apex needle
原胚发育期
Development of proembryony
8
纵径增大明显，近卵形，黄绿色。种鳞先端条形，外翻
Enlarged in longitudinal diameter，obovate in shape，yellow green in
color． Ovuliferous scale upside narrow，turned outwardly
早期胚发育期
Development of early embryo
9 中部种鳞上端形成
6 ～ 9 个反曲三角形状尖齿 Ovuliferous scale
with 6 － 9 curved triangularly shaped teeth 后期胚发育期
Differentiation of late embryo
10—11 外观无明显变化
，种子成熟 No significant change in shape，mature
seeds formed inside 胚成熟期
Formation of mature embryo
图 2 水松雌球果生长曲线
Fig． 2 The growth curve of ovulate cone of G． pensilis
4 月下旬至 5 月初，珠心中央保留下来的功能
大孢子进行同步分裂，形成无壁、细胞质不分开的雌
配子体游离核。新形成的雌配子体游离核分布在大
液泡周围的稀薄细胞质中，其中，合点端和珠孔端的
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林 业 科 学 51 卷
图 3 显微镜下水松部分雌球果纵切面照片，示大孢子发生过程
Fig． 3 A portions of micrographs of longitudinal section of ovulate cone of G． pensilis，showing megasporogenesis
A．示珠鳞原基( pos) ; B．示珠鳞原基( pos)和胚珠原基( po)部分; C． 示胚珠已分化出的珠被( it)与珠心( nuc) ; D． 示珠心中的孢
原细胞( ac) ; E． 示珠心组织中的薄壁细胞 ( pcc)和孢原细胞 ( ac) ; F． 示珠心中的造孢细胞 ( spoc) 部分; G． 示大孢子母细胞
(mmc) ; H．示直线型四分体 ( lt)。I． 示功能性大孢子( fm) ; J．示珠心中发育异常胚珠( ao)。
A． Showing primordium of ovuliferous scale ( pos) ; B． Showing a portion of primordium of ovuliferous scale ( pos) and primordium of ovule
( po) ; C． Showing the differentiation of nucellus( nuc) and integument( it) of young ovule; D． Showing archesporial cell ( ac) in nucellus;
E． Showing parenchyma cells( pcc) and archesporial cells( ac) ; F． Showing sporogenous cell ( spoc) in part of nucellus; G． Showing
megaspore mother cell (mmc) ; H． Showing linear tetrad ( lt) formed through meiosis of the megaspore mother cell; I． Showing functional
megaspore ( fm) ; J． Showing abortive ovule ( ao) in part of nucellus．
雌配子体游离核较多(图 4A)。随着进一步同步分
裂，雌配子体游离核数目增多，分布均匀(图 4B)。5
月下旬，雌配子体游离核开始细胞化，雌配子体为囊
状，中央有 1 个大液泡(图 4C)。6 月初，雌配子体
游离核向中心分裂 (图 4D)，从珠孔端向合点端方
向进行，直到完全充满雌配子体。6 月上旬，雌配子
体游离核汇合于雌配子体中央，原来无壁的雌配子
体游离核全部形成有壁的细胞，雌配子体变为白色
透明胶冻状。此时期，珠孔顶部一群细胞体积显著
增大，形成颈卵器原始细胞(图 4E)。颈卵器原始细
胞卵形或长圆形，细胞核较大，细胞质薄，中央被大
液泡占据。颈卵器原始细胞经过 1 次不均等的平周
分裂，形成中央细胞和初生颈细胞(图 4F)。初生颈
细胞经过有丝分裂形成 4 ～ 6 个颈细胞，位于中央细
胞顶部。中央细胞的液泡大，位于细胞边缘的细胞
核明显 (图 4G)。6 月中旬，中央细胞直接发育为
卵细胞。随着卵细胞进一步发育，卵细胞的液泡逐
渐减少，细胞质变浓。成熟卵细胞呈梭形，有少量密
集小液泡，细胞质浓，核仁较大(图 4H)。颈卵器
6 ～ 17个，由成熟卵细胞和颈细胞组成，被一层具双
核的套层细胞包围，构成复合颈卵器。大多数复合
颈卵器顶生(图 4I)，少数侧生 (图 4J)。随着颈卵
器进一步发育，雌配子体的周围细胞不断增殖，使颈
卵器深深陷入雌配子体中，颈卵器壁不断增厚，雌配
子体发育成熟。
2. 3 受精作用
6 月初，花粉管到达颈卵器顶部，雄配子体发育
完全，形成 2 个精细胞。6 月中旬，花粉管末端破
45
第 6 期 徐刚标等: 极度濒危植物水松大孢子发生、雌配子体发育及胚形成
图 4 显微镜下水松部分雌配子体纵切面照片，示配子体发育过程
Fig． 4 Portions of micrographs of longitudinal section of megagametophyte of G． pensilis，showing female gametophyte development
A．示初期雌配子体游离核( fnm) ; B．示中期雌配子体游离核( fnm) ; C．示有部分细胞壁雌配子体游离核 ( fnm) ; D．示雌配子体游
离核( fnm)向中心分裂; E．示颈卵器原始细胞( ai) ; F．示中央细胞( cc)和初生颈细胞( pnc) ; G． 示中央细胞( cc)和颈细胞( nc) ;
H．示成熟卵细胞( ec) ; I．示卵细胞( ec)和套层细腻( jc) ; J． 示侧生颈卵器( la)。
A． Showing early free nucleus of megagametophyte ( fnm) ; B． Showing metaphase free nucleus of megagametophyte ( fnm) ; C． Showing the
late free nucleus of megagametophyte( fnm) ; D． Showing free nucleus ( fnm) division to the center; E． Showing archegonial initials ( ai) ;
F． Showing central cell ( cc) and primary neck cell ( pnc) ; G． Showing central cell ( cc) and neck cell ( nc) ; H． Showing mature egg cell
( ec) ; I． Showing the mature egg cells ( ec) and jacket cells ( jc) ; J． Showing lateral archegonium ( la) ．
裂，将 2 个精细胞及其花粉管中其他内含物释放到
颈卵器中。精细胞进入颈卵器时，前端逐渐拉伸变
细，后部逐渐变大 (图 5A)，从颈细胞的间隙中穿
过，不损伤颈细胞。精细胞完全进入颈卵器后，变为
圆形。精核与卵核接触时，精核和卵核的接触面变
成扁平，紧接着卵核接触面向内凹陷，将精核吞入
(图 5B)。精核体积小，卵核体积大，2 个核周围细
胞质出现小液泡 (图 5C)。
精卵融合过程中，首先是精核的核质逐渐散开，
核仁逐渐松散，但卵核无明显的结构和形态变化(图
5D); 紧接着，精核的核仁重新聚合，与卵核融合(图
5E)。精核和卵核完全融合形成合子时，合子周围形
成一层染色较深的细胞质(图 5F)。精核进入卵核
后，能清楚观察到精核和卵核的核膜存在(图 5C)。
精卵融合多数发生在颈卵器中部(图 5C，D，E)，也
可以发生在颈卵器两端(图 5G)。显微观察发现，一
些颈卵器中卵细胞未发生受精作用(图 5H)。
2. 4 胚发育
7 月初，卵细胞受精后，形成合子。新形成的合
子，逐渐移动到颈卵器的合点端，经过有丝分裂形成
2 个原胚游离核 (图 6A)。第 2 次分裂形成 4 个原
胚游离核(图 6B)，第 3 次分裂产生 8 个原胚游离
核。8 个原胚游离核分为上层的开放层和下层的原
胚细胞。随着原胚进一步发育，开放层分裂形成上
层细胞和原胚柄细胞。水松原胚由上层细胞、原胚
柄和初生胚细胞 3 层组成(图 6C)。显微观察发现，
合子发育成为原胚期间，双核套层细胞只分布在复
合颈卵器的中下部(6D)。
8 月上旬，上层细胞逐渐消失解体，原胚柄细胞伸
长，将初生胚细胞推入雌配子体深处(图 6E)，此时，
55
林 业 科 学 51 卷
图 5 显微镜下水松部分颈卵器纵切面照片，示受精过程
Fig． 5 Portions of sectional micrographs of the longitudinal section of archegonia of G． pensilis，showing fertilization
A．示成熟卵细胞( ec)和进入颈卵器精细胞( sc)，颈细胞( nc)没有损伤; B．示精卵融合时卵核( en)、精核( sn)和没有损伤的颈细胞
( nc) ; C － E． 示精卵核融合在颈卵器中部［C．示精核( sn)进入卵细胞时卵核( en) ; D．示精核( sn)进入卵核后核仁解聚; E．示精卵
核融合后卵细胞核( en)和复聚精核( sn)］; F．示受精完成形成合子( z ) ; G．示精卵融合发生在颈卵器上部; H． 示授粉不充分: 上
排 2 个颈卵器中卵细胞受精形成合子( z)，下排 2 个颈卵器中卵细胞未受精。
A． Showing mature egg cell ( ec) and sperm cell ( sc) entry into archegonium，neck cells( nc) not damaging; B． Showing fusion between egg
cell ( en)，sperm nucleus ( sn) and neck cells ( nc) not damaging; C － E． Showing nucleus fusions occur in the middle part of archegonium
［C． Showing sperm nucleus ( sn) into egg nucleus ( en) ; D． Showing nucleolus breakdown of sperm nucleus ( sn) ; E． Showing sperm
nucleus ( sn) and egg nucleus ( en) after fusion］; F． Showing zygote ( z) formed after fertilization; G． Showing fusion between sperm
nucleus ( sn) and egg nucleus ( en) in the upper part of archegonium; H． Showing incomplete fertilization: zygotes ( z) formed in the upper
two archegonia，egg cells in the lower two archegonia．
初生胚细胞尚未发生分裂(图 6F)。初生胚细胞经
过 1 次有丝分裂，形成 2 层细胞，上部的细胞及下部
的胚细胞 (图 6G)。随着原胚柄伸长，细胞质变为
稀薄(图 6H)。8 月下旬，胚细胞经过多次有丝分
裂，形成胚细胞群(图 6I)。胚细胞群的上部细胞形
成胚管。胚管细胞较长，细胞质稀薄，液泡大(图
6J)。由于原胚时期存在多个初生胚细胞，每个初生
胚细胞都有可能独立发育形成为幼胚，因此，水松早
期胚发育阶段，存在简单多胚现象(图 6K)。8 月下
旬，仅有 1 个幼胚被选择留下，其他幼胚逐渐萎缩。
留下来的幼胚不断生长，形成棒状的幼胚(图 6L)。
9 月上旬，幼胚呈圆柱状。幼胚前端的自由先
端呈半圆形(图 6M)，位于自由先端中心的根原分
生组织，其下面的细胞纵横排列，侧面的细胞斜向排
列。随着幼胚进一步发育，自由先端发育成苗端，根
原分生组织细胞向上分裂产生原形成层，向侧分裂
形成胚皮层，向下分裂产生根冠。苗端与根冠之间
的胚轴无髓(图 6N)。苗端两侧的细胞经过多次平
周分裂，分化形成子叶(图 6O)。11 月上旬，种子完
全成熟。种子褐色，长 4 ～ 7 mm，宽 3 ～ 4 mm，椭圆
形，略扁，有 4 ～ 7 mm 长翅(图 6P)。
2013 年 11 月中旬，随机抽取 500 粒成熟水松
种子统计发现，饱满种子 172 粒，种皮、外观与正常
种子相似但没有胚或胚过小的“瘪粒种子”(图 6P)
328 粒，说明水松种子败育极为严重。
3 讨论
3. 1 水松大孢子发生和雌配子体发育
裸子植物大孢子母细胞减数分裂形成四分体有
3 种方式:第 1 种是大孢子母细胞第 1 次减数分裂
形成 2 个二分体，第 2 次分裂形成直列 4 个大孢子，
其中靠近珠孔端的 3 个大孢子退化，合点端的大孢
子发育为功能大孢子。太白红杉 ( Larix chinensis)
(俞晓敏等，2004)、云南松(Pinus yunnanensis) (刘
成运，1985)、樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)
(田成玉等，2006)等属于这种类型。第 2 种是大孢
子母细胞第 1 次分裂形成二分体，上面的二分体细
胞停止分裂，下面的二分体细胞进行分裂，形成 3 个
大孢子。乔松(Pinus wallichiana)、侧柏(Platycladus
orientalis) (Maheshwari et al．，1967 )等属于这种类
65
第 6 期 徐刚标等: 极度濒危植物水松大孢子发生、雌配子体发育及胚形成
图 6 种子外观及显微镜下水松部分雌球果纵切面照片，示胚胎发育过程
Fig． 6 The seeds appearance and portions of micrographs of longitudinal section of ovulate cone of G． pensilis，
showing the embryonic development
A． 示合子分裂形成 2 个原胚游离核( pe) ; B．示 4 个原胚游离核( pe) ; C． 示 8 细胞原胚中的上层细胞( uc)、胚柄层细胞( spc)和原
胚细胞( pc) ; D． 示合子( z)及分布在复合颈卵器下部的套层细胞( jc)部分:下排 2 个颈卵器中有合子但上排 2 个颈卵器中没有合
子; E．示被推进颈卵器深处的原胚( pe) ; F．示未发生分裂的初生胚细胞( pec) ; G．示分裂形成 2 个细胞的初生胚细胞( pec) ; H．
示初生胚柄细胞( esc) ; I．示胚细胞进行多次分裂形成的胚细胞群( emc) ; J．示胚细胞群向后生长形成的胚管( et) ; K．示简单多胚
( spe) ; L．示幼胚( e) ; M．示自由先端( fa)和根原分生组织( rgm)部分; N．示成熟胚的胚轴( pa) ; O．示成熟胚的子叶( ct)部分; P．
水松种子照片，示饱满( ps)和瘪粒( ss)种子。
A． Showing proembryony ( pe) with two nuclei by mitosis of the zygote; B． Showing proembryony ( pe) with four free nuclei; C． Showing
upper cells ( uc)，suspensor cells ( spc) and proembryony cells ( pc) of proembryony consisting of eight cells; D． Showing jacket cells( jc)
sprinkled throughout the lower part of archegonia during zygote development，zygotes ( z) formed in the lower two archegonia and no zygotes
in the upper two archegonia; E． Showing proembryony ( pe) in the bottom of an archegonium; F． Showing primary embryonal cell ( pec) ;
G． Showing cleavage of the primary embryonal cell ( pec) into two cells with the upper one larger than the lower one; H． Showing embryonal
suspensor cells ( esc) ; I． Showing formation of embryonal cell group ( emc) after multiple cleavages of primary embryonal cell; J． Showing
formation of embryonal tube ( et) ; K． Showing simple polyembryony ( spe) ; L． Showing young embryo ( e) ; M． Showing free apex( fa) and
root generative meristem( rgm) of embryo; N． Showing embryonal axis( pa) of mature embryo; O． Showing the two cotyledons( ct) of mature
embryo; P． The photograph of seeds of G． pensilis，showing plump seeds ( ps) and shriveled seeds( ss) ．
75
林 业 科 学 51 卷
型。第 3 种是大孢子母细胞减数分裂形成 4 个或 3
个大孢子，珠孔端大孢子不退化，几个大孢子同时发
育，如白豆杉 ( Pseudotaxus chienii ) (陈 祖 铿 等，
1979)。水松大孢子母细胞减数分裂属于第 1 种
类型。
裸子植物雌配子体发育突出特征是雌配子体游
离核时期较长。水松从进入雌配子体游离核到完全
细胞化需 2 个月左右，这期间雌配子体游离核进行
同步分裂，形成的雌配子体游离核数目成倍增加，细
胞化雌配子体游离核数目为 1 600 ～ 2 000(王伏雄，
1952)。杉木亚科、台湾杉亚科、红杉亚科植物雌配子
体游离核不进行同步分裂，雌配子体游离核数目不成
倍增加。细胞化雌配子体游离核数目因物种不同而
异，水杉(Metasequoia glyptostroboides)为1 764 ～ 1 872
(王伏雄等，1964 )，柳杉 ( Cryptomeria fortunei) 为
3 000 ～ 4 000 ( 刘 洪 谔 等， 1986 )， 巨 杉
( Sequoiadendron giganteum ) 为 6 000，台 湾 杉
(Taiwania cryptomerioides) 为 1 019 ～ 1 021，秃杉
(Taiwania flousiana) 为 1 019 ～ 1 021 (王伏雄等，
1980; Williams，2009)。
裸子植物有单生型和复合型 2 种颈卵器类型。
水松颈卵器聚集在一起(图 4H，I，J)，为典型的柏科
植物复合颈卵器类型，颈卵器和颈细胞的数目分别
为 6 ～ 17 和 4 ～ 6 个。落羽杉属( Taxodium)颈卵器
和颈细胞数目分别为 12 ～ 20 和 4 ～ 6 个、柳杉属
(Cryptomeria ) 分 别为 13 ～ 37 和 4 个、水 杉 属
(Metasequoia) 分别为 8 ～ 11 和 4 ～ 6 个、杉木属
(Cunninghamia ) 分别为 13 ～ 24 和 2 个、巨杉属
(Sequoiadendron)分别为 50 ～ 60 和 4 个、台湾杉属
(Taiwania)分别为 4 ～ 9 和 4 个(于永福等，1996;
Williams，2009)。生殖发育过程的简化是植物的演
化趋势，游离核、颈卵器以及颈细胞数目多少在一定
程度上反映了植物的进化状态(于永福等，1996)。
据此分析，水松属与水杉属、落羽杉属、柳杉属和台
湾杉属亲缘关系较近。
水松复合颈卵器与水杉属 (王伏雄等，1964)、
柳杉属 (刘洪谔等，1986 )、台湾杉属 (胡玉熹等，
1995)颈卵器一样，主要着生在雌配子体顶部(图
4I)，偶尔着生于雌配子体侧面(图 4J)。落羽杉属、
杉木属颈卵器为顶生，密叶杉属 ( Athrotaxis)、巨杉
属和北美红杉属 ( Sequoia ) 为侧生 (王伏雄等，
1980)。颈卵器侧生可能是植物在进化过程中自身
组织为适应环境而衍化出来的特化现象 (王伏雄
等，1964)。据此推测，水松属与水杉属、柳杉属和
台湾杉属亲缘关系密切。
水松复合型颈卵器外周的双核套层细胞，结构
非常特殊，与雄配子体中绒毡层细胞的结构特征
(刘雄盛等，2014)非常相似。在合子发育为原胚期
间，不像其他裸子植物那样完全包围在颈卵器外，只
分布在复合颈卵器的中下部，具有明显极性分布特
点 ( 图 6D )。 对 云 杉 ( Picea glauca × Picea
engelmannii) ( Owens et al．，1990 ) 和 加 州 山 松
(Pinus monticola)( Owens et al．，2000) 颈卵器的结
构与功能研究发现，在细胞间隙以及朝向颈卵器腔
的细胞壁表面可以观察到许多分泌物质积累，颈卵
器壁从套层细胞中吸收营养，套层细胞通过细胞壁
的胞质通道与中央细胞或卵细胞进行交流，为其提
供营养物质和信息来源。
裸子植物中央细胞一般在发育后期进行 1 次不
均等分裂形成 1 个卵细胞和 1 个腹沟细胞，腹沟细
胞形成不久后随即解体消失(王伏雄等，1964; 陈祖
铿等，1980a; Pennell et al．，1988; Owens et al．，
1990; 2000; 田成玉等，2006)。水松中央细胞发育
过程与杉木(Cunninghamia lanceolata)、秃杉 (王伏
雄等，1980)相似，不分裂形成卵细胞和腹沟细胞，
直接发育为成熟卵细胞。Friedman(1998)认为，腹
沟细胞存在可能是一种较进化的性状。据此推测，
水松属与杉木属、台湾杉属亲缘关系较近，为广义柏
科中较为原始类群。
与白皮松(Pinus bungeana) (陈祖铿等，1982)
和花旗松 ( Pseudotsuga menziesii ) ( Owens et al．，
1991)一样，水松成熟卵细胞中出现大量内含物(图
4H，I)。柏木亚科、松柏亚科植物的成熟卵细胞中
有一团浓稠的细胞质聚合物，这些聚合物由白色体、
线粒体等细胞器组成(陈祖铿等，1980a)。穗花杉
属(Amentotaxus)和三尖杉属(Cephalotaxus)植物卵
细胞发育过程中，出现许多拟核仁颗粒星散分布，卵
核下有成团的细胞质存在(陈祖铿等，1985)。这些
现象说明针叶树雌配子体细胞中的内含物可能是其
发育的主要营养物质(成小飞，1995)。
3. 2 水松受精作用和胚发育
裸子植物从传粉到受精时间间隔较长，松属
(Pinus)植物需 13 个月左右，榧树属 ( Torreya)需
3 ～ 4个月，红豆杉属 ( Taxus)需 1 ～ 2 个月，福建柏
(Fokienia hodginsii)需 2 个月左右，北美乔柏(Thuja
plicata)需 3 个月左右，白豆杉需 1. 5 个月左右(陈
祖铿 等， 1980b; 1982; 1985; Harrington et al．，
2010)。水松撒粉期为 2 月中旬至 3 月初 (刘雄盛
等，2014)，从传粉到受精大约 4 个月。
植物受精作用分为有丝分裂前和分裂后配子融
合 2 种类型。被子植物一般属于有丝分裂前配子融
合，大部分裸子植物属有丝分裂后配子融合 (胡适
85
第 6 期 徐刚标等: 极度濒危植物水松大孢子发生、雌配子体发育及胚形成
宜等，1979)。三尖杉属、冷杉属(Abies)、油松(Pinus
tabulaeformis)、欧 洲 黑 松 ( Pinus nigra )、银 杉
(Cathaya argyrophylla) (王伏雄等，1974)以及白皮
松 (陈祖铿等，1982) 等植物受精作用属有丝分裂
后配子融合。与水杉、福建柏以及白豆杉一样，水松
受精作用属于有丝分裂前配子融合类型，据此推测，
水 松 属 比 松 科 ( Pinaceae )、 三 尖 杉 科
(Cephalotaxaceae)进化。
裸子植物颈细胞是雄配子进入颈卵器的通道，
颈细胞结构是否保持完整可能与植物种类有关(田
成玉等，2006 )。崖柏属 ( Thuja )、短叶红豆杉
(Taxus brevifolia ) 及 云 杉 ( Picea glauca × Picea
engelmannii)颈细胞在花粉管进入颈卵器前自行解
体(Ｒunions et al．，1999)。水松与金松 ( Sciadopitys
verticillata) (王頔等，2014)一样，受精作用过程中，
颈细胞没有受到损伤(图 5A、5B)。颈细胞没有破
坏被认为是较为古老的特征(王頔等，2014)。这进
一步说明，水松在广义柏科中分类地位相对原始。
裸子植物受精作用一般发生在颈卵器中部，有
丝分裂形成原胚游离核(陈祖铿等，1982; Pennell et
al．，1988)。水松受精作用比较特殊，多数发生在颈
卵器中部(图 5C，D，E)，也可发生在颈卵器两端(图
5G)。精核与卵核融合前，精核的核仁发生解聚(图
5D)和复聚(图 5E)，形成的合子大多数转移到合点
端进行有丝分裂(图 6A)。这些特殊现象，在其他
裸子植物中未见报道。
针叶树［南洋杉科(Araucariaceae)除外］原胚发
育基本上分为 2 种类型。松科各属原胚发育属于松
型原 胚，罗 汉 松 科 ( Podocarpaceae )、红 豆 杉 科
(Taxaceae)以及广义柏科中的柏木亚科、松柏亚科
植物的原胚属于罗汉松型或称标准型，这是一种专
化类型(陈祖铿等，1979)。水松原胚发育属于罗汉
松型。
与三尖杉属植物、白豆杉和欧洲刺柏( Juniperus
communis)一样(陈祖铿等，1979; Ｒohr et al．，1997;
Gruwez et al．，2013)，水松原胚柄层细胞伸长把初生
胚细胞团推入雌配子体深处。
水杉属、巨杉属和金松属(Sciadopitys)原胚具有
原胚柄和初生胚柄，红杉属只有初生胚柄没有原胚
柄。水松属同台湾杉属、杉木属、柳杉属、落羽杉属
一样，形成原胚柄但不形成初生胚柄 (王伏雄等，
1980)。
裸子植物原胚发育有简单多胚和裂生多胚 2 种
类型。松属、银杉属(Cathaya)、雪松属(Cedrus)、油
杉属(Keteleeria)、铁杉属(Tsuga)等多数针叶植物的
多胚属裂生多胚(陈祖铿等，1982); 水松与云南油
杉( Keteleeria evelyniana)，落叶松属( Larix)、黄杉属
(Pseudotsuga)、云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)、金钱
松属(Pseudolarix)植物 (王伏雄等，1960; 1974; 陈
祖铿等，1982; 李楠等，1996)一样，为简单多胚。
对于裂生多胚的演化问题，存在 2 种对立的观点
(于永福等，1996; 李楠等，1996)。
3. 3 水松属系统地位
水松与其他裸子植物雌性生殖构造的形态学比
较表明，大孢子发生、雌配子体发育和胚形成等方面
都表现出与许多广义柏科植物极相似之处。尤其是
自由核数目，颈卵器类型、数目和位置，中央细胞发
育方式，颈细胞不损伤、原胚发育特征，是对水松分
类系统地位确定的有力补充。
基于水松与落羽杉球果形态特征极为相似，胚
珠都起源于 2 个胚珠原基，Takaso 等(1990)认为，
它们有着密切的类群关系。水松茎次生韧皮部的显
微结构分析表明，水松属与水杉属和落羽杉属有较
近的亲缘关系(韩丽娟等，1997)。免疫学标记及雌
球果、花粉特征研究表明，水松属、柏木属、金松属、
落羽杉属、杉木属、柳杉属亲缘关系相近 ( Hart，
1987; Price et al．，1989; Charles et al．，1999 )。
Tsumura 等(1995)利用 ＲFLP 标记分析针叶树叶绿
体 DNA 变异，证实水松属与金松属亲缘关系密切，
与水杉属遗传距离相近。核型细胞学分析结果显
示，水杉属、红杉属、巨杉属、落羽杉属、水松属亲缘
关系很近 ( Schlarbaum et al．，1984; 李林初，1989;
1995)。基于叶绿体基因间隔序列 rbcL ( Gadek et
al．，1993; Brunsfeld et al．，1994)，matK，chlL，trnL-
trnF IGS 和 trnL 内含子标记(Kusumi et al．，2000)，
以及核基因组序列 28S rＲNA (李春香等，2003)探
讨的广义柏科内各属关系不完全一致，但水松属与
落羽杉属、柳杉属聚成一支系，红杉属、巨杉属、密叶
杉属聚成一支系。
本研究根据水松雌配子体游离核数目、颈卵器
类型和数目、颈细胞多少、颈卵器着生位置、中央细
胞及原胚发育等特征综合分析表明，水松属与台湾
杉属、柳杉属、水杉属、落羽杉属亲缘关系密切，与杉
木属亲缘较近。这与大多数前人的研究结果基本一
致。本研究为水松属系统地位的确定提供了胚胎学
证据。
3. 4 水松种子败育的可能原因
王伏雄(1952; 1953)曾描述了水松雌配子体和
胚发育过程，发现许多雌球果发育不正常，部分胚珠
败育形成皱粒种子，作者将其归结为材料采集等原
因(王伏雄，1952)。水松小孢子发育没有出现异常
现象(刘雄盛等，2014)，但本研究发现水松形成大
95
林 业 科 学 51 卷
量瘪粒种子。
引起针叶树种子败育因素很多，有性生殖过程
各阶段，如，胚珠授粉不足、胚发育异常，早期或后
期自交不亲和，以及种子成熟期病虫害等都可能引
起(Owens et al．，2008)。雌配子体和胚发育不正
常，经常产生保留着雌配子体或败育胚残迹的所谓
“瘪粒种子” ( Owens et al．，1998; 2008; Owens，
2006; Garcǐa et al．，2000)。
一般认为，授粉不足是大多数针叶树种胚珠败
育的主要原因，如，樟子松(王丽娟等，1993)、欧洲
刺柏 ( Gruwez et al．，2013 )、太 平 洋 冷 杉 ( Abies
amabilis) ( Owens et al．，1998 )、欧洲云杉 ( Picea
abies) (Owens et al．，2001) 等树种。但由于授粉不
足造 成 高 达 30% 败 育 种 子 的 针 叶 树 并 不 多
(Owens，1995; Owens et al．，1998)。多数广义柏科
植物，没有受精的胚珠能继续正常发育，部分形成与
正常种子外貌一样的瘪粒种子 ( Owens，1995;
Gruwez et al．，2013)。
本研究发现，水松大孢子发生和雌配子体发育
过程中虽然出现了一些异常现象，但整体上不影响
水松雌配子体的正常发育，能形成正常的成熟卵细
胞。这表明，水松雌配子体发育过程基本正常，授粉
不足(图 5H，6D)可能是产生不育的瘪粒种子的主
要原因。
为了进一步证实上述水松种子败育的可能机
制，将对 20 世纪 60 年代种植在广东省斗门县水松
人工林开展辅助授粉试验，比较人工辅助授粉与自
然授粉的水松胚发育过程中显微结构，以探讨水松
大量瘪粒种子产生的真实原因。
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