全 文 ：园艺学报，2015，42 (9)：1831–1836.
Acta Horticulturae Sinica
doi：10.16420/j.issn.0513-353x.2015-0076；http：//www. ahs. ac. cn 1831
收稿日期：2015–03–19；修回日期：2015–07–30
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（31300545）
* E-mail：liulinlyu163@163.com
十字兰成熟花粉的超微特征
刘 林*
（临沂大学药学院，山东临沂 276000）
摘 要：为探讨十字兰花粉小块中成熟花粉的超微特征，采用透射电子显微技术对开花期的花粉进
行超微观察。结果表明：（1）花粉小块表面的花粉壁与花粉小块内部的花粉壁结构差异明显——表面的
花粉壁层次多，由外向内依次是覆盖层、基粒棒、外壁内层–1、外壁内层–2 和内壁；内部的花粉壁层
次少，缺少覆盖层和基粒棒。（2）成熟花粉的营养细胞和生殖细胞一样含大量高度凝集的染色质，占据
细胞核多半空间。（3）营养细胞中缺少脂滴、淀粉粒和贮藏蛋白，显示成熟花粉不贮藏大分子营养物质。
归纳起来，十字兰花粉小块表面和内部的花粉壁结构不同，营养细胞染色质凝集以及大分子贮藏物质缺
乏是成熟花粉最为显著的超微特征。
关键词：十字兰；成熟花粉；花粉壁；染色质；花粉贮藏物质
中图分类号：S 682.31 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2015）09-1831-06

Ultramicroscopic Characterization of Mature Pollen Grains of Habenaria
sagittifera
LIU Lin*
（School of Pharmacy，Linyi University，Linyi，Shandong 276000，China）
Abstract：In order to understand the ultramicroscopic features of mature pollen grains of Habenaria
sagittifera，transmission electron microscopy was applied to characterize the pollen grains in the massulae
of this species at anthesis. （1）Pollen walls on the surface of the massula consisted of more layers，
including tectum，baculum，nexine-1，nexine-2 and intine，while pollen walls within the massula was
comprised of fewer layers，lacking tectum and baculum.（2）Both vegetative and generative nuclei in
mature pollen grains were predominated by highly condensed chromatin，which occupied over half of the
inner space of the nuclei.（3）The pollen grains did not contain lipid bodies，starch grains，or storage
proteins，indicative of the absence of macromolecular storage reserves. In summary，the structural
difference between walls on the surface of the massula and walls within the massula，the highly condensed
status of the vegetative nucleus，and the absence of macromolecular storage reserves were the most
noticeable ultramicroscopic characteristics of the mature pollen grains of H. sagittifera.
Key words：Habenaria sagittifera；mature pollen grain；pollen wall；chromatin；pollen storage
reserve


Liu Lin.
Ultramicroscopic characterization of mature pollen grains of Habenaria sagittifera.
1832 Acta Horticulturae Sinica，2015，42 (9)：1831–1836.













图 1 十字兰花粉小块
花粉小块内花粉粒排列紧密，小块表面的花粉壁粗糙（黑色
箭头），内部的花粉壁平滑（白色箭头）。
Fig. 1 A massula of H. sagittifera
Pollen grains are arranged tightly. Pollen walls on the surface of the
massula have rough appearance（black arrows），and pollen walls
within the massula have smooth appearance（white arrows）.
十字兰属于兰科玉凤花属（Habenaria）植物，突出的形态学特征是花小，直径不足 1 cm，唇
瓣裂成十字形，花粉囊内含有花粉小块（陈心启和吉占和，1997）。关于十字兰以小块形式存在的花
粉，有以下几个问题尚待解答：第一，花粉通常是游离的，花粉壁由外壁和内壁组成，外壁又由外
层和内层组成，外层是一层基粒棒，或者在基粒棒外还有一覆盖层，内层分为内层–1 和内层–2
（Knox，1984），十字兰花粉聚集成花粉小块，在这种紧密结合状态下，花粉壁的结构有无变化？
第二，植物开花后花粉通常以游离状态散播，这样的花粉含有大量贮藏物质，包括淀粉粒和脂滴两
种形式，风媒植物以淀粉粒为主，虫媒植物以脂滴为主（胡适宜，1982）。十字兰开花后，由昆虫移
动包含花粉小块的整个花粉囊而实现传粉（Suetsugu & Tanaka，2014），花粉小块中花粉的贮藏物质
是淀粉粒还是脂滴？第三，植物开花时，花粉发育所达到的水平不同，有些植物花粉发育到二细胞
时期，含有一个生殖细胞和一个营养细胞，属于二细胞花粉；有些植物花粉发育到三细胞时期，含
有一个营养细胞和两个精细胞，属于三细胞花粉。报道过的兰科植物成熟花粉是二细胞花粉
（Brewbaker，1967；伍成厚 等，2012），十字兰成熟花粉是否也是二细胞花粉？第四，成熟花粉的
营养核具有变形虫一样多变的形态，染色质处于解凝集状态（McCue et al.，2011），十字兰花粉小
块中，成熟花粉的营养核是否变形，营养细胞的染色质是否呈高度解凝集状态？本研究中用光学显
微技术和透射电子显微技术对十字兰开花期的花粉小块进行了观察。
1 材料与方法
供试十字兰（Habenaria sagittifera）采集于福建和江西。2013 至 2014 年，每年 8—9 月从植株
上采下开放的花朵，立即置于 2.5%戊二醛（磷酸缓冲液配制，pH 6.8）固定液。
于实验室内取出花粉团，经 12 h 初固定，再用 1%四氧化锇溶液固定 12 h。梯度酒精脱水，
Epon-812 环氧树脂包埋。用玻璃刀切 1.5 µm
厚半薄切片，用钻石刀切 60 nm 厚超薄切片。
半薄切片用甲苯胺蓝–O、高碘酸–希夫试剂、
苏丹黑 B 或考马斯蓝染色，光学显微镜下观察
花粉块结构，鉴定花粉是否含有淀粉粒、脂滴
或贮藏蛋白。超薄切片用醋酸双氧铀染色 30
min，再用柠檬酸铅复染 5 min，透射电镜下观
察并照相。
2 结果与分析
光学显微镜下观察，花粉小块呈四面体或
多面体形，边长约 130 µm（图 1）。花粉小块
是由大量花粉粒粘合在一起的复合体，相互粘
连的花粉粒多呈不规则三角形或四边形，边长
12 ~ 15 µm，花粉粒最伸展方向长约 25 µm。花
粉粒排列紧密，花粉块内基本没有间隙。花粉
小块表面的花粉壁与内部的花粉壁差异明显，
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十字兰成熟花粉的超微特征.
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表面的花粉壁粗糙，有疣状突起，内部的花粉壁平滑。用组织化学方法检测，没有观察到淀粉粒、
脂滴和贮藏蛋白质。
电子显微下观察，花粉小块表面的花粉壁与内部的花粉壁结构差异是：表面的花粉壁包含较多
层次，由外向内依次为覆盖层、基粒棒、外壁内层–1、外壁内层–2 和内壁（图 2，A）；小块内部
的花粉壁层次较少，缺少覆盖层和基粒棒（图 2，B、C）。覆盖层和基粒棒组成外壁外层，外壁内
层–1 和内层–2 组成外壁内层。在花粉小块表面，外壁内层–1 与内层–2 之间有明显区别，内层–1
由电子染色较浅的基质和电子染色较深的棒状结构组成，而内层–2 电子密度较均匀（图 2，A、C）。
在花粉小块内部，相邻花粉的外壁内层紧密结合，融为一体（图 2，B），内壁结构较疏松。


图 2 十字兰成熟花粉的壁、生殖细胞和营养核超微图片
A：花粉小块表面花粉壁结构；B：花粉小块内部花粉壁结构；C：花粉小块表面花粉壁与内部花粉壁，外壁内层 1 含有电子染色深的棒状
结构（箭头），花粉含有大量小泡；D：营养核和生殖细胞（纵切面），异染色质占据核多半空间，细胞质中小泡丰富；E：营养核和生殖
细胞（横切面），异染色质占据核多半空间，细胞质内小泡丰富。BA. 基粒棒；GC. 生殖细胞；GN. 生殖细胞核；HC. 异染色质；
IT. 花粉内壁；N1. 外壁内层–1；N2. 外壁内层–2；PW. 花粉壁；TT. 覆盖层；V. 小泡；VC. 营养细胞；VN. 营养核。
Fig. 2 Ultramicroscopic images of walls，generative cells and vegetative nuclei of mature pollen grains of H. sagittifera
A：The structure of pollen walls on the surface of the massula；B：The structure of pollen walls within the massula；C：Pollen walls on the massula
surface are different to those within the massula，the nexine 1 contains dark rods，and numerous vesicles are present in the cytoplasm；D：The
vegetative nucleus and the generative cell（longitudinal section）are present，the vegetative and generative nuclei are predominated by
heterochromatin，and the cytoplasm contains numerous vesicles；E：The vegetative nucleus and the generative cell（cross section）
are present，the vegetative and generative nuclei are predominated by heterochromatin，and the cytoplasm contains numerous vesicles.
BA. Baculum；GC. Generative cell；GN. Generative nucleus；HC. Heterochromatin；IT. Intine；N1. Nexine-1；N2. Nexine-2；
PW. Pollen wall；TT. Tectum；V. Vesicle；VC. Vegetative cell；VN. Vegetative nucleus.
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成熟花粉为二细胞型，每一花粉粒含有 1 个营养细胞和 1 个生殖细胞，营养细胞大，占据花粉
粒绝大部分内部空间，生殖细胞小，悬浮于营养细胞的细胞质之中（图 2，D、E）。
营养细胞的细胞核椭球形，4 µm × 6 µm，具有平滑的表面，不发生凹陷或变形，染色质处于较
为凝集的状态，超过一半的空间被电子染色深的异染色质占据，常染色质相对较少（图 2，D、E）。
细胞质中最丰富的细胞器是小泡（图 2，C ~ E），小泡大小不一，直径 0.1 ~ 0.5 µm，内含一些无定
形物质（图 3）。线粒体内嵴不发达；质体为原质体，不积累淀粉或其它贮藏物质（图 3，A）。细胞
质中还有内质网等其它细胞器，但是缺少脂滴；脂滴是一种由磷脂单分子层膜包围的、贮藏脂类物
质的细胞器。
生殖细胞具有明显的极性，分化出较大的头部和较细长的尾部，头部大部分空间被细胞核占据，
尾部只含有细胞质，末端常弯曲（图 2，D；图 3，B）。生殖细胞总长度 10 ~ 12 µm，头部和尾部分
别长 5 ~ 6 µm，头部直径 4 ~ 6 µm，尾部直径 1 ~ 2 µm。生殖细胞与营养细胞之间没有细胞壁，两
者之间有一层基本透明的带，带内分散一些无定形物质（图 2，D、E）。与营养细胞的核类似，生
殖细胞的核大部分区域被电子染色很深的异染色质占据，只有少部分区域电子染色较浅（图 2，D、
E），表明异染色质较多，常染色质较少。细胞质浓，不含大液泡，线粒体内嵴不发达（图 3，B）。
生殖细胞中没有脂滴，也缺少质体。生殖细胞缺少质体决定了十字兰质体的遗传方式为单亲母系遗
传。

图 3 十字兰成熟花粉营养细胞和生殖细胞局部超微图片
A：营养细胞的一部分，含有线粒体、质体和大小不等的小泡；B：生殖细胞的尾部，可见线粒体。
GC. 生殖细胞；M. 线粒体；P. 质体；V. 小泡。
Fig. 3 Ultramicroscopic images of portions of vegetative and generative cells of mature pollen grains of H. sagittifera
A：Portion of the vegetative cell，containing mitochondria，plastids，and vesicles of varied dimensions；
B：The tail portion of the generative cell，containing mitochondria.
GC. Generative cell；M. Mitochondrion；P. Plastid；V. Vesicle.
3 讨论
植物花粉壁结构复杂，由多层构成，首先分为以多糖为主的内壁和孢粉素为主的外壁，外壁又
分为外壁外层和外壁内层，外壁外层变化大，或者只含一层基粒棒，或者包含覆盖层和基粒棒两层，
外壁外层赋予花粉表面纹饰，外壁内层包括内层–1 和内层–2（Knox，1984）。十字兰花粉粒相互
粘连形成花粉小块，小块表面的花粉壁与内部的花粉壁结构差异显著，主要表现在外壁，小块表面
刘 林.
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的外壁具有覆盖层和基粒棒，内部的花粉壁缺少覆盖层和基粒棒，这是十字兰花粉的一个显著超微
特征。这个特征是否为兰科植物复合花粉所共有，尚需进一步研究。花粉小块内部，相邻花粉的外
壁内层紧密结合，融为一体，是将花粉粒粘合在一起的机制，对维持花粉小块的稳定具有重要作
用。
花粉萌发和花粉管生长需要消耗大量营养，营养源自花粉积累的贮藏物质。花粉贮藏物质是贮
藏在营养细胞中的物质，包括淀粉粒和脂滴两种形式。按照开花时花粉所含的贮藏物质是淀粉或脂
肪，可将花粉分为脂肪质花粉和淀粉质花粉两大类型（胡适宜，1982），贮藏物质以脂滴为主的花粉
为脂肪质花粉，如西瓜花粉（刘林 等，2000，2007）和拟南芥花粉（van Aelst et al.，1993；Niewiadomski
et al.，2005）；贮藏物质以淀粉为主的花粉为淀粉质花粉，如南瓜花粉（张涛 等，2013）。本研究的
结果表明十字兰的成熟花粉既不含淀粉粒也不含脂滴，既不属于淀粉质花粉也不属于脂肪质花粉，
而是另一种花粉类型。因此认为，按照有无大分子贮藏物质及贮藏物质形式，可将植物花粉分为 3
种类型：淀粉质花粉、脂肪质花粉和无贮藏物质花粉。缺少大分子贮藏物质，是十字兰成熟花粉的
另一个突出超微特征。十字兰成熟花粉缺少大分子贮藏物质，意味着花粉贮藏物质可能已经转化成
可溶性小分子；营养细胞含有无数小泡，小分子营养物质可能就贮藏在这些小泡中。贮藏物质类型
与花粉大小有一定关系，体积小的花粉倾向于积累脂滴，体积大的花粉倾向于积累淀粉，如西瓜与
南瓜成熟花粉粒相比，前者小（直径 60 µm），积累脂滴（刘林 等，2007），后者大（直径 300 µm），
积累淀粉（张涛 等，2013）。十字兰成熟花粉粒伸展方向上最长不过 25 µm，不含脂滴和淀粉粒，
是否与花粉小有关？
成熟花粉营养细胞的染色质通常呈高度解凝聚状态（刘林 等，2007；McCue et al.，2011），而
十字兰花粉，不论生殖核还是营养核，所含异染色质的量明显较多，高度凝集的异染色质占据细胞
核一半以上的空间。营养核的染色质处于凝集状态，是十字兰成熟花粉又一个非常突出的超微特征。
异染色质结构的形成通常引起基因表达的抑制（Elgin，1996；van Steensel，2011），因此十字兰成
熟花粉的基因表达水平低，花粉粒处于不活跃状态，这可能有利于花粉活力的维持。
被子植物开花时花粉发育所达到的水平不同，使成熟花粉含有的细胞数量不同，如果花粉只含
1 个营养细胞和 1 个生殖细胞，为二细胞花粉，相应地，具有二细胞花粉的植物称为二细胞花粉植
物；如果开花时生殖细胞已经完成分裂生成两个精细胞，花粉含有 3 个细胞，则为三细胞花粉，相
应地，具有三细胞花粉的植物称为三细胞花粉植物（胡适宜，1982）。十字兰开花时花粉含有 1 个营
养细胞和 1 个生殖细胞，因此是二细胞花粉植物。兰科包含 450 属，Brewbaker（1967）对其中 14
个属内研究过的植物进行总结，发现都是二细胞花粉植物，基于这些观察，从系统发育的角度预测
兰科植物都是二细胞花粉植物。后来的研究表明蝴蝶兰属（Phalaenopsis）中的蝴蝶兰是二细胞花粉
植物（伍成厚 等，2012），玉凤花属（Habenaria）的 H. arinaria 是二细胞花粉植物（Liu，2015），
本研究的结果表明玉凤花属的十字兰（H. sagittifera）也是二细胞花粉植物，与 Brewbaker（1967）
的预测一致。

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