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Study on the Morphodifferentiation and Anther Structure in Flowers of Cardiospermum halicacabum Linn.

倒地铃花的形态分化与花药结构研究



全 文 :植物科学学报  2016ꎬ 34(2): 165~174
Plant Science Journal http: / / www.plantscience.cn
DOI:10􀆰 11913 / PSJ􀆰 2095-0837􀆰 2016􀆰 20165
仝盼盼ꎬ 王玲丽ꎬ 刘文哲. 倒地铃花的形态分化与花药结构研究[J] . 植物科学学报ꎬ 2016ꎬ 34(2): 165-174
Tong PPꎬ Wang LLꎬ Liu WZ. Study on the morphodifferentiation and anther structure in flowers of Cardiospermum halicacabum Linn.[J] .
Plant Science Journalꎬ 2016ꎬ 34(2): 165-174
倒地铃花的形态分化与花药结构研究
仝盼盼1ꎬ 王玲丽1ꎬ2ꎬ 刘文哲1∗
(1. 西北大学生命科学学院ꎬ 西安 710069ꎻ 2. 运城学院生命科学系ꎬ 山西运城 044000)
摘  要: 利用体视显微镜、 半薄切片和超薄切片法对倒地铃(Cardiospermum halicacabum Linn.)雄花和假两性
花开花过程及花药发育过程进行了观察和比较研究ꎮ 结果显示: (1)花蕾发育早期ꎬ 倒地铃雄花和假两性花的花
蕾形态没有区别ꎻ 花蕾发育后期ꎬ 雄花雌蕊退化ꎬ 假两性花雌蕊继续发育ꎬ 花蕾外部形态出现差异ꎻ 开花时雄
花花药开裂ꎬ 假两性花花药不开裂ꎮ (2)倒地铃雄花和假两性花均具四室花药ꎬ 呈蝶形ꎻ 花药壁细胞从外到内依
次是表皮、 药室内壁、 中层(2层)和绒毡层ꎻ 花药壁发育为基本型ꎬ 绒毡层为单核分泌型ꎬ 四分体为四面体型ꎬ
花粉粒两核ꎻ 开花时雄花和假两性花中层都有残留ꎻ 小孢子液泡化时ꎬ 绒毡层开始降解ꎬ 两核花粉粒时ꎬ 假两
性花绒毡层降解较快ꎮ (3)雄花药室内壁次生加厚完全ꎬ 裂口区发育ꎬ 连接同侧花粉囊的连接组织降解ꎬ 花药开
裂ꎻ 假两性花药室内壁次生加厚不完全ꎬ 具唇形细胞ꎬ 药隔细胞壁未降解ꎬ 同侧花粉囊未连通ꎬ 花药四室ꎬ 不
开裂ꎻ 假两性花成熟花粉粒细胞质稀少ꎬ 内壁不完整ꎮ 本研究结果表明ꎬ 倒地铃的雄花是由两性花在发育早期
雌蕊停止发育形成的ꎬ 假两性花则由两性花在发育晚期雄蕊功能退化造成的ꎮ
关键词: 倒地铃ꎻ 雄花ꎻ 假两性花ꎻ 小孢子ꎻ 雄配子体ꎻ 花药开裂
中图分类号: Q944ꎻ Q949􀆰755􀆰5      文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2016)02 ̄0165 ̄10
      收稿日期: 2015 ̄11 ̄23ꎬ 退修日期: 2015 ̄12 ̄07ꎮ
  基金项目: 国家自然科学基金资助项目(31270428)ꎮ
This work was supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China (31270428) .
  作者简介: 仝盼盼(1987-)ꎬ 女ꎬ 硕士研究生ꎬ 研究方向为植物发育解剖学(E ̄mail: tongpanpan0227@126􀆰 com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: lwenzhe@nwu􀆰 edu􀆰 com)ꎮ
Study on the Morphodifferentiation and Anther Structure in
Flowers of Cardiospermum halicacabum Linn.
TONG Pan ̄Pan1ꎬ WANG Ling ̄Li1ꎬ 2ꎬ LIU Wen ̄Zhe1∗
(1. College of Life Scienceꎬ Northwest Universityꎬ Xi􀆳an 710069ꎬ Chinaꎻ 2. Department of
Life Scienceꎬ Yuncheng Universityꎬ Yunchengꎬ Shanxi 044000ꎬ China)
Abstract: Flowering and stamen development in staminate and pseudo ̄bisexual flowers of
Cardiospermum halicacabum Linn. were studied using stereomicroscopyꎬ with semi ̄thin and
ultra ̄thin sections. Results showed that: (1) At the early development of flower budsꎬ no
differences were observed between staminate and pseudo ̄bisexual flower buds. At the late
development of flower budsꎬ the staminate flower pistils had degeneratedꎬ but the pseudo ̄
bisexual flower pistils were still developing. Thusꎬ both types of flower buds could be
distinguished by bud morphology. During anthesisꎬ the staminate flower anthers were
dehiscentꎬ whereas those of the pseudo ̄bisexual flowers were not. (2) The anthers were
tetrasporangiate in both types of flower. The wall consisted of an epidermisꎬ endotheliumꎬ two
middle layers and an uninucleate secretory tapetum. The development of the anther wall was
basic. The microspore tetrads were tetrahedral. Mature anthers had the remnants of a middle
layer in both types of flower. Tapetal cells of both types of flower began to degrade during
microspore vacuolizationꎻ when pollen was two ̄celledꎬ the tapetal cells in the pseudo ̄bisexual
flowers degraded faster than those of the staminate flowers. (3) The fibrillar thickenings in the
endothecium of the staminate flowers were well ̄developed. Two locules were formed by the
dissolution of the septum before anther dehiscence. In the pseudo ̄bisexual flowersꎬ only a few
endothecium cells were thickenedꎻ mature anthers had lip cells and were not dehiscentꎬ and
the anthers had four locules due to septum indissolubility. Mature pollen grain cytoplasm was
scarceꎬ and the intine was not complete. In conclusionꎬ at the early development stage of
bisexual flowersꎬ staminate flowers formed because the pistil stopped developingꎻ howeverꎬ
at late developmentꎬ pseudo ̄bisexual flowers formed because the anthers stopped developing.
Key words: Cardiospermum halicacabumꎻ Staminate flowerꎻ Pseudo ̄bisexual flowerꎻ Micro ̄
sporeꎻ Gametophyteꎻ Anther dehiscence
    无患子科(Sapindaceae)植物大部分种类是单
性花ꎬ 小部分为杂性或两性花[1]ꎮ 然而ꎬ 在具单
性或杂性花的种类中ꎬ 雌花或两性花中具有与雄花
中相似的雄蕊ꎬ 但其雄蕊往往不育ꎬ 这种雌花又是
形态上的两性花ꎬ Cao 等[2]将这种类型的花称为
假两性花ꎮ 例如荔枝(Litchi chinensis Sonn.) [3]、
龙眼 ( Dimocarpus longan Lour.) [4]、 文 冠 果
( Xanthoceras sorbifolium Bunge.) [5]、 Cardio ̄
spermum grandiflorum Swantz.[6]、 Urvillea
chacoensis Hunz.[6]、 Melicoccus lepidopetalus
Radlk.[7] 和 Handeliodendron bodinieri ( Levl.)
Rehd.[2]的雌花中都具有不育的雄蕊ꎮ 无患子科不
同类群植物雌花中雄蕊败育的形式及原因各有不
同ꎮ 第 1种类型是雌花中败育雄蕊的绒毡层降解缓
慢、 不完全降解或不降解ꎬ 并伴随着药室内壁加厚
不完全ꎬ 花药不裂ꎬ 最终导致假两性花中的雄蕊不
育ꎬ 如文冠果[8ꎬ 9]、 Cardiospermum grandiflorum
Swantz[6] . 和 Urvillea chacoensis Hunz.[6]都属于
此种类型ꎮ 第 2种类型是绒毡层降解不完全ꎬ 药室
内 壁 不 加 厚ꎬ 如 Melicoccus lepidopetalus
Hunz.[7]ꎮ 第 3种类型是败育发生在雄蕊发育的不
同时期ꎬ 例如龙眼雌花中雄蕊败育发生在雄蕊发育
的 3 个时期: (1)造孢细胞时期ꎬ 维管组织不发
达ꎬ 花药壁中层缺乏淀粉导致部分造孢细胞败育ꎻ
(2)四分体时期ꎬ 雌花雄蕊的小孢子母细胞减数分
裂部分不正常ꎬ 导致部分四分体败育ꎻ (3)小孢子
时期ꎬ 绒毡层提前解体ꎬ 导致小孢子营养不足而败
育[4]ꎮ 上述研究多针对无患子科的木本植物ꎬ 而
对草本植物的研究少有报道ꎮ
倒地铃(Cardiospermum halicacabum Linn.)
为倒地铃属(Cardiospermum)一年生草质攀援藤
本植物ꎬ 又名风船葛、 金丝苦楝藤、 野苦瓜、 包袱
草等ꎮ 倒地铃属约有 12 种ꎬ 多数分布在美洲热带
地区ꎬ 少数广布于世界各热带和亚热带地区ꎮ 我国
仅有倒地铃 1 种ꎬ 主要分布在东部、 南部和西南
部ꎬ 北部少见ꎮ 倒地铃主要生长在田野、 灌丛、 路
边和林边[1]ꎬ 具有清热、 利尿、 祛瘀、 解毒等功
效ꎬ 常用于治疗肺炎、 风湿、 黄疸、 跌打损伤
等[10]ꎮ 近年来的研究表明ꎬ 倒地铃提取物具有抗
炎、 镇痛、 止泻、 抑菌、 镇静、 降血糖和提高小鼠
生育能力的作用[11 - 17]ꎮ 韦建华等[18]从倒地铃全
草提取出豆甾醇等 11种化合物ꎮ 陈君等[19]从倒地
铃有效部位提取出槲皮素等 8种化合物ꎮ 目前ꎬ 对
倒地铃的解剖学研究仅限于其开花期雌蕊的结构和
果实发育及开裂等方面[20ꎬ 21]ꎮ
倒地铃花期为 6 月 - 10 月ꎬ 其圆锥花序具有
长的总花柄ꎬ 每个总花柄上着生 3个聚伞花序ꎬ 每
个聚伞花序上具 3朵花ꎬ 中央一朵先开放ꎬ 两侧的
后开放ꎮ 从花的形态学来看ꎬ 倒地铃具有两种类型
的花: 雄花和两性花ꎮ 雄花具有 8 枚不等长的雄
蕊ꎬ 1枚极度退化的雌蕊ꎬ 不结实ꎻ 两性花由 8 枚
雄蕊围绕 1枚雌蕊构成ꎬ 雌蕊具 3裂的柱头ꎬ 授粉
后可发育形成果实ꎬ 而雄蕊花药成熟时不开裂ꎬ 即
雄蕊不育ꎮ
为了进一步探明无患子科植物功能性雌雄异花
的分化过程及雌花中雄性不育的原因ꎬ 我们以该科
的草本类型倒地铃为材料ꎬ 利用体视显微镜、 半薄
切片技术和超薄切片ꎬ 比较倒地铃雄花与假两性花
发育过程中的形态变化及雄蕊结构差异ꎬ 探讨该科
植物性别分化特征ꎬ 以期为无患子科雌花和雄花雄
661 植 物 科 学 学 报 第 34卷 
蕊的发育过程积累资料ꎮ
1  材料和方法
1􀆰 1  实验材料
于 2013年 4 月和 2014 年 4 月分别将倒地铃
种子播种于西北大学生物园内ꎬ 于同年花期 (6
月 - 10月)采集不同发育阶段的花蕾及开放的花
朵用于实验ꎮ
1􀆰 2  开花过程的形态学观察
取不同发育阶段的新鲜花蕾ꎬ 用游标卡尺测量
花蕾长度ꎻ 在体视显微镜下剥取花被ꎬ 观察雄蕊和
雌蕊形态并拍照ꎮ
1􀆰 3  半薄切片
取不同发育阶段的花蕾(以花蕾长度为标准)
及刚开放的花朵ꎬ 用 2􀆰5%戊二醛(0􀆰1 mol / L磷酸
缓冲液ꎬ pH 7􀆰0)预固定 3 hꎻ 取出并用磷酸缓冲
液漂洗 3次(每次 30 min)ꎬ 然后用 1%锇酸后固定
(4℃过夜)ꎬ 再用磷酸缓冲液漂洗 3 次 (每次
30 min)ꎻ 用梯度乙醇脱水ꎬ 环氧丙烷过渡ꎬ
Epon812树脂包埋ꎮ 用 Leica Ultracut R 型切片机
切片 (厚度 2 μm)ꎬ 甲苯胺蓝染色ꎬ 于 Nikon
eclipse 50i显微镜下观察并拍照ꎮ
1􀆰 4  超薄切片
材料固定、 包埋流程同半薄切片 (见 1􀆰3 小
节)ꎮ Leica EMUC6 (Reichert ̄Jung)型超薄切片
机(Viennaꎬ Austria)切片(厚度 70 nm)ꎬ 然后置
于铜网上ꎬ 用醋酸双氧铀 ̄柠檬酸铅双重染色ꎬ 于
日立 H ̄600 (Hitachi High ̄Technologies Corpora ̄
tionꎬ Tokyoꎬ Japan)透射电子显微镜下观察并拍
照ꎮ
2  结果
2􀆰 1  倒地铃开花过程的形态变化
发育早期的花(花蕾长度小于 1􀆰1 mm)ꎬ 从花
蕾形态上无法区分雄花和假两性花(图版Ⅰ: Aꎬ
B)ꎻ 此时ꎬ 花蕾剥去花被后能观察到 8 枚雄蕊原
基围绕 1 枚雌蕊原基ꎬ 雌蕊三心皮还未愈合(图版
Ⅰ: aꎬ b)ꎮ 花蕾长度为 1􀆰2~1􀆰3 mm 时ꎬ 从其外
部形态上依然无法区分雄花和假两性花(图版Ⅰ:
Cꎬ D)ꎻ 剥去花被后ꎬ 可区分出雄花和假两性花ꎬ
雄花中的雌蕊发育停滞甚至退化ꎬ 假两性雌蕊和雄
蕊均正常发育ꎬ 雌蕊子房上位(图版Ⅰ: cꎬ d)ꎮ
当花蕾长度为 1􀆰6 ~1􀆰8 mm 时ꎬ 从外部形态上可
区别雄花和假两性花ꎬ 雄花花蕾呈圆柱状ꎬ 假两性
花花蕾呈椭圆形(图版Ⅰ: Eꎬ F)ꎻ 去除花被后ꎬ
雄花雌蕊退化ꎬ 假两性花雌雄蕊均发育正常(图版
Ⅰ: eꎬ f)ꎮ 花蕾长度达 2􀆰5~2􀆰7 mm即将开花时ꎬ
雄花花蕾顶部平齐ꎬ 假两性花花蕾顶部稍尖(图版
Ⅰ: Gꎬ H)ꎻ 此时ꎬ 雄花的花药、 花丝迅速增长ꎬ
花药横向开裂(图版Ⅰ: g)ꎻ 而假两性花的花药、
花丝短ꎬ 花药不开裂ꎬ 雌蕊发育完全ꎬ 柱头三裂ꎬ
高于雄蕊群(图版Ⅰ: h)ꎮ 开花时ꎬ 雄花及假两性
花均具 4枚乳白色的花瓣ꎬ 两两对生(图版Ⅰ: Iꎬ
J)ꎻ 每枚花瓣向内分生出 1枚小花瓣ꎬ 4枚小花瓣
紧抱雄蕊或雄蕊和柱头ꎬ 其中 2枚尖端具橘黄色的
密导ꎬ 花盘上具 2个乳突状的蜜腺(图版Ⅰ: iꎬ j)ꎻ
此时ꎬ 假两性花花药仍未开裂(图版Ⅰ: Iꎬ J)ꎮ
2􀆰 2  倒地铃雄花和假两性花花药发育过程的相似
特征
倒地铃花药发育过程参照 Sanders 等[22]对拟
南芥花药发育时期的分类方法ꎮ 在两核花粉粒之
前ꎬ 雄花和假两性花的花药发育过程相似ꎮ 下面我
们根据显微镜下的观察结果ꎬ 对倒地铃雄花和假两
性花发育的相似阶段进行描述ꎮ
    (1)造孢细胞时期
花药原基的孢原细胞平周分裂形成初生壁细胞
和初生造孢细胞ꎮ 初生造孢细胞经过分裂分化形成
次生造孢细胞(图版Ⅱ: A)ꎮ 次生造孢细胞排列紧
密ꎬ 细胞质染色均匀ꎬ 无明显液泡ꎬ 细胞核较大
(图版Ⅱ: Aꎬ B)ꎮ 初生壁细胞分裂分化成两层次
生周缘细胞(图版Ⅱ: A)ꎮ 外侧次生周缘细胞分裂
分化形成药室内壁和中层外层细胞ꎬ 内侧次生周缘
细胞分裂分化形成中层内层和绒毡层细胞(图版
Ⅱ: B)ꎮ 维管组织和药隔薄壁细胞已形成(图版
Ⅱ: B)ꎮ
    (2)小孢子母细胞时期
小孢子母细胞刚形成时ꎬ 染色均匀ꎬ 体积增
大ꎬ 细胞间隙变大ꎬ 尚未形成胼胝质壁(图版Ⅱ:
C)ꎮ 随后小孢子母细胞呈圆形ꎬ 积累胼胝质壁(图
版Ⅱ: D)ꎮ 分化完全的花药四室ꎬ 呈蝶形(图版
Ⅱ: C)ꎮ 花药壁由外到内依次是表皮、 药室内壁、
中层(2层)和绒毡层(图版Ⅱ: C)ꎮ 表皮、 药室内
壁和中层细胞排列整齐ꎬ 细胞染色均匀(图版Ⅱ:
C)ꎮ 绒毡层细胞与小孢子母细胞紧密相连ꎬ 细胞
761  第 2期                        仝盼盼等: 倒地铃花的形态分化与花药结构研究
质染色均匀ꎬ 个别细胞中有大液泡(图版Ⅱ: C)ꎮ
然而ꎬ 小孢子母细胞胼胝质积累时ꎬ 表皮和药室内
壁细胞质的细胞核被大液泡挤到一侧 (图版Ⅱ:
D)ꎮ 中层内层细胞降解ꎬ 靠近维管组织中层内层
细胞依然清晰可见ꎬ 中层外层细胞呈扁平状(图版
Ⅱ: D)ꎮ 绒毡层液泡化ꎬ 体积增大ꎬ 细胞核大ꎬ
核仁明显(图版Ⅱ: D)ꎮ
    (3)四分体时期
小孢子母细胞减数分裂第一次分裂后不形成细
胞壁ꎬ 只形成 2个细胞核ꎬ 减数分裂第二次分裂时
2个细胞核同时分裂ꎬ 最后在 4 个细胞核之间形成
细胞壁ꎬ 形成四面体排列的四分体(图版Ⅱ: Eꎬ
F)ꎮ 四分体时期的小孢子染色深且均匀ꎬ 核仁明
显(图版Ⅱ: F)ꎮ 四分体形成过程中ꎬ 中层外层细
胞降解(图版Ⅱ: E)ꎬ 但到四分体时期仍有残留
(图版Ⅱ: F)ꎮ 绒毡层持续液泡化(图版Ⅱ: F)ꎮ
    (4)单核小孢子早期
刚释放的小孢子ꎬ 呈三角形ꎬ 只具内壁ꎬ 细胞
质染色均匀ꎬ 细胞核位于小孢子中央ꎬ 故又称单核
中位期(图版Ⅱ: G)ꎮ 此时ꎬ 花粉囊增大ꎬ 药室内
壁细胞增大ꎬ 中层细胞沿花粉囊辐射状伸长(图版
Ⅱ: G)ꎮ 增大的花粉囊ꎬ 为花粉的进一步发育提
供了空间ꎮ 绒毡层细胞远离小孢子ꎬ 染色较深ꎬ 出
现明显的质壁分离现象(图版Ⅱ: G)ꎮ
    (5)单核小孢子晚期
小孢子体积增大并液泡化ꎬ 细胞质和细胞核被
挤到小孢子的边缘ꎬ 又称为单核靠边期(图版Ⅱ:
H)ꎮ 此时期形成了小孢子花粉外壁ꎬ 小孢子具有
3个萌发孔ꎬ 分别位于三角形花粉的 3 个角(图版
Ⅱ: H)ꎮ 随着花药室的增大ꎬ 表皮细胞更加扁平ꎬ
中层细胞只具降解的残余(图版Ⅱ: H)ꎮ 绒毡层细
胞具大液泡ꎬ 细胞核变形ꎬ 有降解的迹象(图版
Ⅱ: H)ꎮ
2􀆰 3  倒地铃雄花和假两性花花药发育过程的不同
特征
进入两核花粉粒时期ꎬ 雄花和假两性花的花药
结构差异越来越明显ꎬ 两者表现出不同的特征ꎮ
    (1)两核花粉粒时期
雄花小孢子细胞核进行一次不均等分裂ꎬ 形成
了一个大的营养细胞和一个紧贴花粉壁的小生殖细
胞(图版Ⅱ: I)ꎮ 随后生殖细胞逐渐由边缘移动至
小孢子中央ꎬ 整个生殖细胞浸润在细胞质浓厚的营
养细胞中(图版Ⅱ: J)ꎮ 刚进入两核花粉粒时ꎬ 药
室内壁细胞径向壁和内切向壁已开始出现不均匀的
次生壁加厚(图版Ⅱ: I)ꎮ 中层细胞有残留ꎬ 绒毡
层细胞进一步降解ꎬ 细胞核严重变形(图版Ⅱ: I)ꎮ
当生殖细胞移向花粉粒中央时ꎬ 药室内壁已完全加
厚ꎬ 绒毡层细胞质减少(图版Ⅱ: J)ꎮ
与雄花相比ꎬ 此时假两性花花粉粒存在明显的
小液泡ꎬ 细胞质收缩ꎬ 偶见空花粉粒 (图版Ⅱ:
M)ꎮ 随后ꎬ 花粉粒液泡化程度增加ꎬ 细胞质收缩
更严重ꎬ 具有降解现象(图版Ⅱ: N)ꎮ 进入两核花
粉粒时期ꎬ 药室内壁细胞次生壁加厚只停留在靠近
维管组织的药室内壁细胞(图版Ⅱ: N)ꎮ 绒毡层细
胞质比雄花明显少(图版Ⅱ: Iꎬ M)ꎮ 当生殖细胞
移到花粉粒中央时ꎬ 假两性花绒毡层细胞已基本降
解ꎬ 仅剩细胞壁和少量细胞质ꎮ (图版Ⅱ: Jꎬ N)ꎮ
    (2)成熟花粉粒时期
雄花成熟的花粉粒为两核花粉粒 (图版Ⅱ:
K)ꎮ 营养物质丰富ꎬ 染色较深(图版Ⅱ: K)ꎮ 花
药裂口区发育ꎬ 2个花药室连通成一个大的花药室
(图版Ⅱ: K)ꎮ 中层细胞有残留ꎬ 绒毡层细胞基本
降解(图版Ⅱ: Kꎬ Q)ꎮ 开花时ꎬ 花药从裂口区开
裂ꎬ 散出花粉ꎬ 此时花粉粒染色深ꎬ 充满大量淀粉
粒和油滴(图版Ⅱ: R)ꎮ
与雄花相比ꎬ 此时假两性花成熟花粉粒细胞质
明显皱缩ꎬ 严重液泡化(图版Ⅱ: O)ꎮ 药室内壁加
厚未扩大ꎬ 具唇形细胞ꎬ 同侧花粉囊连接组织细胞
原生质体降解仅残留细胞壁ꎬ 但未连通(图版Ⅱ:
Oꎬ S)ꎮ 中层细胞有残留ꎬ 绒毡层细胞具降解后的
残余(图版Ⅱ: O)ꎮ 开花时ꎬ 假两性花的花粉囊收
缩变形ꎬ 花粉粒畸形ꎬ 细胞质严重皱缩ꎬ 缺乏营养
物质ꎬ 花粉壁内壁部分降解(图版Ⅱ: Pꎬ T)ꎮ 花
药保持四室花粉囊ꎬ 不开裂(图版Ⅱ: P)ꎮ
3 讨论
3􀆰 1  倒地铃功能性单性花分化过程
倒地铃花蕾发育早期(花蕾长度小于 1􀆰1 mm)
为两性花阶段ꎮ 当花蕾长度为 1􀆰2 ~1􀆰3 mm 时ꎬ
大部分“两性花”中的雌蕊发育停滞甚至退化ꎬ 形
成雄花ꎮ 小部分“两性花”雌雄蕊正常发育ꎮ 此时
雄花和假两性花开始分化ꎬ 但从花蕾外部形态仍无
法区别ꎮ 当花蕾长度为 1􀆰6 ~1􀆰8 mm 时ꎬ 假两性
花雌蕊体积不断增大ꎬ 雄花雌蕊进一步退化ꎬ 仅从
861 植 物 科 学 学 报 第 34卷 
花蕾形态上即可区别雄花和假两性花ꎮ 因此ꎬ 我们
认为雌蕊的发育状况是区分倒地铃雄花和假两性花
的关键ꎮ
性别分化过程的形态学研究表明ꎬ 大多数单性
花植物在形态分化早期都经历“两性时期” [23]ꎬ 其
中一种性别在特定的阶段发育停滞甚至退化ꎬ 使这
种生殖器官败育而丧失功能ꎬ 这种停滞在不同种类
植物中往往在花发育的不同阶段发生ꎬ 例如玉米
(Zea mays Linn.)是在雌雄分化的早期[24]ꎻ 白麦
瓶草(Silene latifolia Linn.)是在出现雌、 雄蕊后的
发育中期[25]ꎻ 芦笋(Asparagus officinalis Linn.)
则出现在大孢子和小孢子的发生期[26]ꎮ 倒地铃单
性花也是两性花蕾发育后期相应性别器官发育停滞
甚至退化形成的ꎬ 即在小孢子液泡化之前ꎬ 同一朵
花中雄蕊和雌蕊都正常发育ꎬ 两核花粉粒时期大部
分“两性花”中的雌蕊发育停滞ꎬ 形成雄花ꎮ 此时ꎬ
小部分“两性花”雌蕊和雄蕊都在正常发育ꎬ 直到
进入双核花粉粒之后“两性花”的花药才开始败育ꎬ
形成假两性花ꎬ 即功能性的雌花ꎬ 这与文冠果花的
分化过程相似[5]ꎮ 然而ꎬ 进入双核花粉粒之后ꎬ
雌、 雄蕊已分化形成ꎬ 故推测倒地铃假两性花的形
成不仅仅是发育停滞ꎬ 其雄性功能的退化可能与细
胞程序性死亡有关[27]ꎮ
至于无患子科雌花中无功能雄蕊存在的意义有
不同的看法ꎬ 如 Mayer 等[28]研究认为可能起到吸
引传粉者的作用ꎻ Cane[29]研究认为雌花中无功能
的雄蕊不具有吸引传粉者的作用ꎬ 也不会发育成有
功能的雄蕊ꎬ 而会在未来的进化过程中逐渐退化消
失ꎬ 最终发育成单性花ꎮ 倒地铃开花时ꎬ 雄花和假
两性花均具蜜导和蜜腺ꎬ 且所处位置和结构相似
(图版Ⅰ: iꎬ j)ꎬ 故我们认为假两性花不育雄蕊吸
引传粉者的可能性更大ꎮ
3􀆰 2  倒地铃雄花和假两性花花药的相似发育过程
与吕雪芹等[9]对文冠果的研究结果一致ꎬ 本
研究发现倒地铃在两核花粉粒时期之前ꎬ 雄花和假
两性花的花药发育过程相似ꎮ 倒地铃花药具有 4个
花粉囊、 呈蝶形ꎬ 分别位于药隔薄壁组织和维管束
的两侧ꎬ 其发育完好的花药壁细胞从外到内依次
是: 表皮、 药室内壁、 中层(2 层)和绒毡层ꎮ 与
Allophylus zeylanicus Linn.[30] 和 Lepidopetalum
jackianum Radlk.[31]双子叶型花药壁发育不同的
是ꎬ 倒地铃花药壁发育为基本型ꎮ 同时与 Cardio ̄
spermum grandiflorum Swantz.[6]、 Urvillea chac ̄
oensis Hunz.[6]、 Delavaya toxocarpa Franch.[32]
和 Handeliodendron bodinieri (Levl.) Rehd.[2]相
似ꎬ 倒地铃具有典型的单核分泌型绒毡层ꎬ 小孢子
母细胞减数分裂的方式为同时型ꎬ 四分体为四面体
形ꎬ 未见四角形四分体[33]ꎮ 其花粉粒成熟时为
两核ꎮ
3􀆰 3  假两性花的雄性不育
植物雄性不育表型多样ꎬ 如: 雄性器官缺失、
造孢组织发育异常、 花粉粒在发育各个阶段的降解
及花药不开裂等[34]ꎮ 从已有的研究[6 - 9]可知ꎬ 无
患子科雌花中雄蕊不育主要与花药中层残留、 药室
内壁加厚、 绒毡层降解、 连接同侧 2个花粉囊的药
隔薄壁组织有关ꎮ 倒地铃雄花和假两性花成熟花药
中都存在中层残留ꎬ 二者并无差异ꎬ 与 Solís 等[6]
的观点不同ꎬ 我们认为倒地铃中层细胞残留不是影
响假两性花花粉粒败育和花药不开裂的原因ꎮ
绒毡层是花药壁的最内层孢子体细胞ꎬ 可将孢
子体的营养物质转运至雄配子体ꎬ 对花粉粒的发育
至关重要[35ꎬ 36]ꎮ 红菜薹(Brassica campestris L.
ssp. chinensis Linn. var. utilis Tsen et Lee.)萝卜
细胞质雄性不育系花药绒毡层细胞挤压四分体ꎬ 导
致四分体和绒毡层同时解体而败育[37]ꎻ 大白菜(B.
campestris Linn. ssp. pekinensis)新型细胞质雄
性不育系 6w ̄9605A的绒毡层细胞异常肥大ꎬ 挤压
小孢子ꎬ 导致小孢子和绒毡层解体[38]ꎻ 绒毡层提
早解体导致鱼腥草(Houttuynia cordata Thunb.)雄
性不育[39]ꎮ 与前人对文冠果[9]、 Melicoccus lepi ̄
dopetalus Hunz.[7] 及 Cardiospermum grandiflo ̄
rum Swantz.[6]和 Urvillea chacoensis Hunz.[6]的
研究结果不同ꎬ 本研究中倒地铃在两核花粉粒早
期ꎬ 假两性花绒毡层细胞质少ꎬ 且降解速度较快ꎬ
导致其花粉粒营养供应不足而降解ꎬ 我们认为绒毡
层在两核花粉粒时期的较快降解应是两性花雄性不
育的原因之一ꎻ 进入两核花粉粒之后ꎬ 假两性花花
粉粒出现液泡化、 细胞质皱缩等降解现象ꎬ 且开花
时花粉粒畸形ꎬ 细胞质稀少ꎬ 花粉内壁部分降解ꎮ
因此ꎬ 我们推测倒地铃的假两性花花粉粒可能经历
了细胞程序性死亡的过程ꎮ
药室内壁次生加厚、 裂口区发育以及药隔连接
组织的降解是花药开裂的重要条件[27ꎬ 40 - 42]ꎮ 与
Melicoccus lepidopetalus Hunz. 雌花花药药室内
961  第 2期                        仝盼盼等: 倒地铃花的形态分化与花药结构研究
壁不加厚不同[7]ꎬ 倒地铃的假两性花药室内壁次
生壁加厚不完全ꎻ 与文冠果[8]的孕花不具唇形细
胞不同ꎬ 倒地铃的假两性花花药具唇形细胞ꎮ 倒地
铃假两性花花药同侧 2个花粉囊之间的连接组织的
细胞质降解ꎬ 但其细胞壁未降解ꎬ 导致花药同侧花
粉囊未连通ꎬ 开花时假两性花花药依然维持四室并
且不开裂ꎮ 本研究认为ꎬ 倒地铃假两性花药室内壁
加厚不完全和连接组织壁不降解应该是花药不开裂
的原因ꎮ
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171  第 2期                        仝盼盼等: 倒地铃花的形态分化与花药结构研究
图 版 说 明
图版Ⅰ: 花发育过程形态观察ꎮ
A ~ H: 花蕾形态观察ꎮ Aꎬ B: 两性花ꎻ Cꎬ Eꎬ G: 雄花ꎻ Dꎬ Fꎬ H: 假两性花ꎮ a ~ h: 花蕾(A ~ H)去除花被后的雄蕊和
雌蕊形态ꎮ aꎬ b:两性花ꎻ cꎬ eꎬ g:雄花ꎻ dꎬ fꎬ h:假两性花ꎮ I:开花时雄花ꎻ J:开花时假两性花ꎻ i:雄花蜜腺ꎬ 红色箭头
指蜜腺ꎻ j: 假两性花蜜腺ꎬ 红色箭头指花蜜腺ꎮ
图版Ⅱ: 雄花和假两性花花药发育过程的光镜和透射电镜观察ꎮ
SPC: 次生周缘细胞ꎻ SSC: 次生造孢细胞ꎻ EP: 表皮细胞ꎻ V: 维管束ꎻ C: 药隔连接组织ꎻ EN: 药室内壁ꎻ ML: 中层细
胞ꎻ TA: 绒毡层ꎻ MMC: 小孢子母细胞ꎻ YMS: 刚形成的小孢子ꎮ A ~ H: 雄花和假两性花的共同发育过程ꎮ A: 次生周缘
细胞和次生造孢细胞期ꎻ B: 正在发育的花药壁细胞ꎬ 红色箭头示正在分裂的细胞ꎻ C: 小孢子母细胞(不具胼胝质壁)ꎬ 黑
色箭头示绒毡层中的大液泡ꎻ D: 小孢子母细胞(具胼胝质壁)ꎻ E: 减数分裂ꎬ 黑色箭头示正在分裂的小孢子母细胞ꎻ F:
四分体ꎬ 红色箭头示中层ꎻ G: 刚释放的小孢子ꎬ 红色箭头示绒毡层ꎻ H: 小孢子液泡化ꎬ 红色箭头示变形的细胞核ꎮ I ~
L: 雄花花药发育ꎮ I: 两核花粉粒早期ꎬ 红色箭头示生殖细胞和营养细胞的细胞核ꎻ J: 两核花粉粒后期ꎬ 红色箭头示生殖
细胞和营养细胞的细胞核ꎻ K: 即将开裂花药ꎬ 黑色箭头示营养细胞的细胞核和生殖细胞ꎻ L: 开裂的花药ꎬ 黑色箭头示残
留中层细胞ꎮ M ~ P: 假两性花花药发育ꎮ M: 两核花粉粒早期ꎬ 红色箭头示生殖细胞和营养细胞的细胞核ꎻ N: 两核花粉
粒后期ꎬ 黑色箭头示绒毡层ꎬ 红色箭头示生殖细胞和营养细胞的细胞核ꎻ O: 即将开花时花药ꎬ 黑色箭头示残留的中层细
胞ꎬ 红色箭头示唇形细胞ꎻ P: 开花时ꎬ 花药开裂ꎮ Q ~ T: 雄花和假两性花花药壁和花粉粒电镜照片ꎮ Q: 开花时雄花花
药壁ꎬ 黑色箭头示绒毡层ꎻ R: 雄花成熟花粉粒ꎻ S: 假两性花即将开花时药隔细胞ꎻ T: 开花时假两性花花药壁细胞和花
粉粒ꎬ 黑色箭头示绒毡层ꎮ
Explanation of plate
PlateⅠ: Morphological observation of flowers in different developmental stages.
A - H: Flower buds. Aꎬ B: Bisexual flower budsꎻ Cꎬ Eꎬ G: Staminate flower budsꎻ Dꎬ Fꎬ H: Pseudo ̄bisexual flower
buds. a - h: Stamen and pistilꎬ which correspond with A - Hꎬ respectively. aꎬ b: Bisexual flower budsꎻ cꎬ eꎬ g:
Staminate flower budsꎻ dꎬ fꎬ h: Pseudo ̄bisexual flower buds. I: Staminate flowerꎻ J: Pseudo ̄bisexual flowerꎻ i: Floral
nectary of staminate flower. red arrow indicates nectaryꎻ j: Floral nectary of pseudo ̄bisexual flowerꎬ red arrow indicates
nectary.
Plate Ⅱ: Light and transmission electron micrographs at different developmental stages of the anther in staminate and
pseudo ̄bisexual flowers.
SPC: Secondary parietal cellꎻ SSC: Secondary sporogenous cellꎻ EP: Epidermisꎻ V: Vascular bundleꎻ C: Connective
tissueꎻ EN: Endotheciumꎻ ML: Middle layerꎻ TA: Tapetalꎻ MMC: Microspore mother cellꎻ YMS: Young microspore. A -
H: Same developmental process in staminate and pseudo ̄bisexual flowers. A: Anther primordiumꎻ B: Anther wall
developmental stageꎬ red arrows show mitosis cellsꎻ C: Microspore mother cell (without callose wall)ꎬ black arrow
shows tapetal cellsꎻ D: Microspore mother cell (with callose wall)ꎻ E: Meiosis of microspore mother cellꎬ black arrow
shows dividing micropore mother cellꎻ F: Tetrad stageꎬ red arrow shows middle layersꎻ G: Young microspore stageꎬ red
arrow shows tapetal cellsꎻ H: Vacuolization of microsporeꎬ red arrow shows deformed nucleus. I - L: Developmental
stages of anther in staminate flower. I: Early stage of two ̄celled pollenꎬ red arrow shows generative cell and vegetative
cell nucleusꎻ J: Later stage of two ̄celled pollenꎬ red arrow shows generative cell and vegetative cell nucleusꎻ K: Non ̄
dehiscence antherꎬ black arrow shows generative cell and vegetative cell nucleusꎻ L: Dehiscence antherꎬ black arrow
shows middle layers. M - P: Developmental stages of anther in pseudo ̄bisexual flower. M: Early stage of two ̄celled
pollenꎬ red arrow shows generative cell and vegetative cell nucleusꎻ N: Later stage of two ̄celled pollenꎬ black arrow
shows tapetal cellsꎬ red arrow shows generative cell and vegetative cell nucleusꎻ O: Non ̄dehiscence antherꎬ black
arrow shows middle layersꎬ and red arrow shows lip cellsꎻ P: At anthesisꎬ non ̄dehiscence anther. Q - T: Transmission
electron micrographs of anther wall and mature pollen grain in staminate and pseudo ̄bisexual flowers. Q: Anther wall of
staminate flower at anthesisꎬ black arrow shows tapetalꎻ R: Mature pollen grain of staminate flowerꎻ S: Septum of
pseudo ̄bisexual flower before anthesisꎻ T: Anther wall and mature pollen grain of pseudo ̄bisexual flower at anthesisꎬ
black arrow shows tapetal cells.
271 植 物 科 学 学 报 第 34卷 
仝盼盼等: 图版Ⅰ TONG Pan ̄Pan et al.: Plate Ⅰ
A B C D
E F G H
I J
500 mμ 500 mμ 500 mμ 500 mμ
200 mμ 200 mμ 200 mμ500 mμ
500 mμ
200 mμ
1000 mμ
500 mμ 500 mμ 500 mμ
200 mμ 500 mμ 500 mμ
500 mμ500 mμ 1000 mμ
a b c d
e f g h
i j
See explanation at the end of text
371  第 2期                        仝盼盼等: 倒地铃花的形态分化与花药结构研究
仝盼盼等: 图版Ⅱ TONG Pan ̄Pan et al.: Plate Ⅱ
EP
EN
ML TA
MMC
SSC
C V
SPC
SSC
EP
YMS
A B C D
E F G H
I J K L
M N O P
Q R S T
25 mμ 25 mμ
25 mμ
25 mμ 25 mμ 50 mμ
50 mμ50 mμ
50 mμ
50 mμ 50 mμ
50 mμ
50 mμ 50 mμ
50 mμ
50 mμ
2 mμ2 mμ2 mμ 2 mμ
See explanation at the end of text
(责任编辑: 张 平)
471 植 物 科 学 学 报 第 34卷