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Pollen Morphology of Melodorum fruticosum Lour.

美乐多(Melodorum fruticosum Lour.)花粉形态观察



全 文 :植物科学学报  2013ꎬ 31(5): 439~444
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 3724 / SP􀆰 J􀆰 1142􀆰 2013􀆰 50439
美乐多(Melodorum fruticosum Lour.)花粉形态观察
阳桂芳1ꎬ 刘 永1ꎬ2ꎬ3ꎬ 徐凤霞1∗
(1. 中国科学院华南植物园ꎬ 中国科学院资源保护与可持续利用重点实验室ꎬ 广州 510650ꎻ
2. 湖南农业大学作物种质创新与资源利用国家重点实验室培育基地和国家中药材生产(湖南)技术中心ꎬ 长沙 410128ꎻ
3. 湖南省中药提取工程研究中心ꎬ 长沙 410331)
摘  要: 利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察了美乐多(Melodorum fruticosum)的花粉形
态特征ꎮ 美乐多花粉为球形或扁圆形的单粒花粉ꎬ 外壁纹饰为微褶皱状ꎬ 有点状凹陷ꎬ 无任何萌发孔或萌发沟ꎮ
花粉外壁由外壁外层包括覆盖层(连续)、 覆盖下层、 基足层(1~3层薄片层结构ꎬ 偶断裂或扭曲至 6~10 层)和
外壁内层(连续)组成ꎮ 其中ꎬ 覆盖下层ꎬ 其厚度为整个花粉外壁厚度的 1 / 2ꎬ 为混合型结构ꎬ 即小柱状和颗粒
状同时存在ꎬ 但以颗粒状为主ꎮ 花粉内壁分为内壁外层和内壁内层ꎬ 其厚度逐渐变薄ꎮ 美乐多的花粉特征(单
粒、 无萌发孔或沟、 覆盖层连续、 基足层为薄片层结构、 花粉外壁内层薄等)与紫玉盘族其他类群一致ꎮ
关键词: 美乐多ꎻ 番荔枝科ꎻ 花粉形态ꎻ 无萌发孔
中图分类号: Q944􀆰 58          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2013)05 ̄0439 ̄06
      收稿日期: 2013 ̄04 ̄28ꎬ 修回日期: 2013 ̄06 ̄25ꎮ
  基金项目: 国家自然科学基金(31270227)ꎻ 科学院知识创新工程方向性项目(KSCX2 ̄EW ̄J ̄28)ꎻ 中国科学院植物资源保护与可持
续利用重点实验室基金资助项目(201216ZS)ꎮ
  作者简介: 阳桂芳(1986-)ꎬ 女ꎬ 博士研究生ꎬ 研究方向为植物结构与发育生物学(E ̄mail: ouyanggf@scbg􀆰 ac􀆰 cn)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: xfx@scbg􀆰 ac􀆰 cn)ꎮ
Pollen Morphology of Melodorum fruticosum Lour􀆰
YANG Gui ̄Fang1ꎬ LIU Yong1ꎬ2ꎬ3ꎬ XU Feng ̄Xia1∗
(1􀆰 Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Sustainable Utilizationꎬ South China Botanical Gardenꎬ
Chinese Academy of Sciencesꎬ Guangzhou 510650ꎬ Chinaꎻ 2􀆰 Hunan Provincial Key Laboratory of Crop Germplasm
Innovation and Utilization and National Chinese Medicinal Herbs (Hunan) Technology Centerꎬ Hunan Agricultural Universityꎬ
Changsha 410128ꎬ Chinaꎻ 3􀆰 Herbal Extract Engineering Research Center (HerbEx)ꎬ Changsha 410331ꎬ China)
Abstract: The morphology and ultrastructure of pollen grains of Melodorum fruticosum Lour􀆰
are described based on observations using a scanning electron microscope ( SEM) and
transmission electron microscope ( TEM) . Pollen grains of M􀆰 fruticosum were globose or
oblate shapeꎬ with no visible aperture or any indication of a poleꎬ and the ornamentation was
rugulate􀆰 The pollen wall was composed of an outer exine and an inner intine layer􀆰 The exine
consisted of three distinct layers: tectumꎬ infratectum and foot layer􀆰 The tectum was
continuous and uniformly thickened􀆰 The infratectum was mixed with granules and columellaeꎬ
and nearly one half of the total exine in thickness􀆰 The foot layer was composed of undulating
foliations􀆰 The endexine was homogeneous and lamellated􀆰 The intine was two ̄layeredꎬ and
varied from two to one half times the exine in thickness􀆰 Except for the especially thickened
infratectum and foot layer foliations without white line in M􀆰 fruticosumꎬ the pollen characters
were similar to those of Uvarieae􀆰 Moreoverꎬ data on the relationship of aperture typesꎬ
variations of sporoderm thickness and evolution of tectum in Annonaceae were determined and
discussed􀆰
Key words: Melodorum fruticosumꎻ Annonaceaeꎻ Pollen morphologyꎻ Inaperture
番荔枝科(Annonaceae)在全世界约有 112 个
属ꎬ 2500余种ꎬ 多数生长于潮湿的低海拔热带雨
林中[1]ꎮ 番荔枝科隶属于被子植物的基部类群ꎬ
为木兰目 (Magnoliales)最大的一科ꎬ 与木兰科
(Magnoliaceae)和肉豆蔻科(Myristicaceae)有较
近的亲缘关系[2ꎬ3]ꎮ 番荔枝科植物为泛热带分布类
群ꎬ 是现存被子植物较原始类群中的一支ꎬ 在属间
或属内都具有丰富的形态多样性ꎮ 其中ꎬ 花粉形态
多样性最为丰富ꎬ 比任何其它科显示出更多的变
异ꎬ 如花粉形状、 萌发孔(沟)的类型与分布位置、
花粉外壁与内壁结构等ꎬ 这也一直是植物学家们研
究被子植物花粉的起源与演化以及研究番荔枝科形
态多样性演化和系统发育的热点[4-7]ꎮ
花粉是植物系统发育中较保守的器官之一ꎬ 花
粉的变异程度往往标志着该类群的进化水平ꎬ 是系
统发育研究中最有价值的证据ꎬ 番荔枝科花粉形态
特征的研究已受到广泛关注ꎮ Walker[8ꎬ9]早期利用
光学显微镜或扫描电子显微镜(SEM)对番荔枝科
花粉进行了较多的形态描述ꎮ 综合扫描电子显微镜
和透射电子显微镜(TEM)数据ꎬ 番荔枝科部分类群花
粉的超微结构已有详细报道ꎬ 如: Le Thomas[10ꎬ11]和
Couvreur等[12]对非洲地区类群如 Monodora 的研
究ꎻ Hesse 等[13] 和 Gabarayeva[14] 对蒙蒿子属
(Anaxagorea) 的研究ꎻ Waha 等[15] 对 Sapran ̄
thus、 暗罗属(Polyalthia)的研究ꎻ Waha 等[16]对
澳大利亚地区的双萌发沟(disulcate)类群的研究ꎻ
Le Thomas 等[17] 对 Fusaea、 Duguetia 的研究ꎻ
Su和 Saunders[18]对金钩花属(Pseuduvaria)四分
体花粉的研究ꎻ Chaowasku 等[19]对野独活族(Mi ̄
liusoids)的研究ꎻ Chaowasku 等[20]对 Neouvaria 的
研究ꎻ Chaowasku等[21]对Dendrokngstonia、 Mono ̄
carpia的研究ꎻ Xu和 Ronse de Craene[22]对亚洲地
区的分布类群如紫玉盘属 (Uvaria)、 假鹰爪属
(Desmos )、 瓜馥木属 ( Fissistigma )、 依兰属
(Cananga)等的研究ꎮ 以上研究都阐述了番荔枝
科花粉的覆盖下层( infratectum)结构有由颗粒状
向柱状和网状结构演化的趋势ꎮ Doyle 和 Le
Thomas[4ꎬ7]、 Doyle 等[5]、 Doyle[23]、 Mols 等[24]
分析了番荔枝科花粉的系统发育与演化关系ꎬ 一致
认为具单萌发沟、 覆盖下层( infratectum)颗粒状
单粒花粉的蒙蒿子属为番荔枝科的基部类群ꎬ 并由
此类型花粉衍生出覆盖下层柱状的单粒花粉(如:
malmeoidsꎬ Malmea)、 双萌发沟花粉[如: mili ̄
usoidsꎬ 野独活属(Miliusa)]、 无萌发孔(沟)花粉
[如: 四分体 Annonoidsꎬ 番荔枝属 (Annona)ꎬ
Monodora]和多合花粉木瓣树属(Xylopia)ꎻ 并推
测无萌发孔(沟)花粉类群中的紫玉盘分支(uvari ̄
oids)的花粉出现返祖现象ꎬ 即有覆盖下层颗粒状
的无萌发孔单花粉ꎮ 可见ꎬ 无萌发孔单粒花粉(紫
玉盘分支)类群对研究整个番荔枝科花粉特征多样
性与演化具有重要意义ꎮ
美乐多属(Melodorum)位于番荔枝亚科紫玉
盘族ꎬ 全属 10种ꎬ 分布于亚洲的西部热带地区[25ꎬ26]ꎮ
目前美乐多属的形态和分子数据较匮乏ꎬ 只有
Walker[8]用光学显微镜观察了美乐多属 2 个种的
花粉ꎬ 对花粉外部形态特征进行了研究ꎬ 以及
Saunders等[27]报道了美乐多属澳大利亚地区的 7
个种与紫玉盘属(Uvaria)的分子系统发育关系ꎮ 基
于此ꎬ 为了给美乐多属、 无萌发孔单粒花粉类群
(紫玉盘族)以及整个番荔枝科花粉的形态多样性
与演化关系提供新的数据ꎬ 本研究利用扫描电子显
微镜和透射电子显微镜ꎬ 首次对美乐多新鲜花粉的
超微结构进行了观察ꎮ
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
实验材料美乐多(Melodorum fruticosum Lour􀆰 )
采自西双版纳热带植物园(XTBGꎬ Xishuangbanna
Tropical Botanical Garden)ꎮ 采集成熟花(花被片
已经打开)ꎬ 储存于 70% FAA(70%酒精: 甲醛 ∶ 冰
醋酸 = 90 ∶ 5 ∶ 5)ꎮ 凭证标本 [刘永 ( Liu Y􀆰 )
20110303]存放于华南植物园标本馆( IBSC her ̄
bariumꎬ South China Botanical Garden)ꎮ
1􀆰 2  方法
扫描电子显微镜样品制备(1): 将储存于 70%
酒精的花粉直接粘台ꎬ 自然晾干ꎬ 真空喷镀仪喷金
镀膜ꎬ 于 JSM ̄6360LV 扫描电子显微镜下观察与
拍照ꎬ 用 SMile View 软件测量花粉赤道轴和极轴
(分别测 25颗)ꎬ 用 Excel软件统计ꎮ
扫描电子显微镜样品制备(2): 花粉经 0􀆰 1 mol / L
044 植 物 科 学 学 报 第 31卷 
磷酸缓冲液换洗 3 次 (2 h)、 系列酒精 (30% ~
100%)和叔丁醇脱水、 -20℃冷冻、 JFD ̄310 冷冻
干燥仪干燥、 粘台、 真空喷镀仪喷金镀膜ꎬ 于
JSM ̄6360LV扫描电子显微镜下观察与拍照ꎮ
透射电子显微镜样品制备: 花粉样品经 1%戊
二醛固定(24 h以上)、 1%锇酸双固定、 系列酒精
脱水(30%~100%)、 环氧丙烷过渡、 Spurr 包埋、
EM ̄UC6切片机切片(80 nm)、 染色(醋酸双氧铀 ̄
柠檬酸铅)ꎬ 于 JEM ̄1010 透射电子显微镜下观察
与拍照ꎮ
孢粉学术语参照 Punt等[28]的方法描述ꎮ
2  观察结果
经扫描电镜观察ꎬ 美乐多的花粉粒以单粒存
在ꎬ 两侧对称ꎬ 测得其赤道轴平均值为 43􀆰 83
(39􀆰 1~48􀆰 8) μmꎬ 极轴为 28􀆰 99(18􀆰 2~34􀆰 8) μmꎬ
一面为近似球形ꎬ 另一面为椭圆形ꎬ 无法区分近极
面观与远极面观(图版Ⅰ: A、 B)ꎮ 在美乐多花粉
粒的表面没有观察到任何类似萌发孔或萌发沟的结
构ꎮ 花粉粒外壁纹饰为微褶皱状ꎬ 有点状凹陷ꎬ 但
其表面凹凸不平ꎬ 呈大波浪状(图版Ⅰ: D)ꎮ
经透射电镜观察ꎬ 花粉壁明显分为花粉外壁
(exine)和花粉内壁( intine)两部分(图版Ⅰ: C、
E、 F、 G、 H)ꎮ 花粉外壁由外壁外层(ectexine)
[包括覆盖层( tectum)、 覆盖下层( infratectum)、
基足层( foot layer)] 和外壁内层(endexine)组成ꎬ
厚度基本一致(图版Ⅰ: F、 H)ꎮ 覆盖层连续ꎬ 较
厚ꎬ 分布均匀ꎮ 覆盖下层发育较好ꎬ 其厚度约为整
个外壁的 1 / 2ꎬ 厚于覆盖层ꎬ 为混合型结构ꎬ 即小
柱状(columellaes)和颗粒状(granules)同时存在ꎬ
但以颗粒状为主ꎬ 小柱多连接覆盖层和基足层ꎬ 长
度大于其直径(图版Ⅰ: E、 F、 G、 H)ꎮ 基足层ꎬ
明显薄于覆盖层与覆盖下层ꎬ 常由 1~3 层连续的
薄片层结构( foliations)组成(图版Ⅰ: E、 G)ꎮ 片
层结构排列紧密ꎬ 厚度相同ꎬ 但局部区域偶尔会断
裂或扭曲ꎬ 成 6~10 层(图版Ⅰ: F、 H)ꎮ 基足层
下面有一层连续的、 薄的、 电子密度明显不同的外
壁内层ꎬ 厚度分布均匀(图版Ⅰ: C、 E、 F、 G、
H)ꎮ 花粉内壁可分为内壁外层(exintine)和内壁内
层(endintine)2层(图版Ⅰ: C)ꎮ 花粉内壁厚度分
布不均匀ꎬ 从约为花粉外壁厚度的 2倍至约为花粉
外壁厚度的 1 / 3递减(图版Ⅰ: C、 E、 G)ꎮ
3  讨论
萌发孔ꎬ 为特化的花粉壁区域ꎬ 通常在纹饰和
(或)结构上不同于其他花粉壁区域ꎬ 主要是花粉
管萌发的区域ꎬ 同时运输水分及其他物质等[28]ꎮ
萌发孔区域的花粉壁结构不同程度地变异ꎬ 会产生
多种萌发孔类型ꎮ 番荔枝科中ꎬ 花粉壁厚度(萌发
孔区域)的变化ꎬ 在不同的类群中有不同的类型ꎮ
主要可划分为 4种类型: 类型Ⅰꎬ 萌发孔区域的花
粉外壁变薄、 被破坏掉ꎬ 花粉内壁为萌发区域类
型ꎬ 大多数番荔枝科萌发孔的花粉壁为外壁和内壁
外层变薄而内壁内层加厚类型ꎬ 如野独活属(Mili ̄
usa) [19]、 Sapranthus[15]、 藤春属(Alphonsea) [22]
等ꎻ 内壁外层增厚和内壁内层无变化类型ꎬ 如暗罗
属(Polyalthia) [15]、 瓜馥木属(Fissistigma) [16]等ꎻ
内壁外层和内壁内层都增厚向外突起ꎬ 如蒙蒿子属
( Anaxagorea ) [13]、 Dendrokngstonia 和 Mono ̄
carpia[21]等ꎮ 类型Ⅱꎬ 萌发孔区域的花粉外壁增
厚ꎬ 内壁增厚ꎬ 但萌发区域为花粉外壁ꎬ 如暗罗
属[15]ꎮ 类型Ⅲꎬ 花粉壁无外壁与内壁分化ꎬ 萌发
区域为整个花粉壁ꎬ 如暗罗属[15]ꎮ 类型Ⅳꎬ 花粉
外壁的厚度基本上无变化ꎬ 分布均匀类型: 内壁增
厚(内壁外层变薄与内壁内层增厚)ꎬ 如 Ancana、
Haiplostichanthus、 Fitzalania[16]和暗罗属[22]ꎻ 内壁
的厚度无明显变化ꎬ 如 Isoloda[12]、 Neouvaria[20]、
Desmos chinensi、 Uvaria microcarpa[22]ꎻ 内壁厚度
变薄ꎬ 如 Oncodostigma hainanense[29]ꎮ 本研究
发现ꎬ 美乐多属于类型Ⅳꎬ 花粉外壁厚度一致ꎬ
内壁逐渐变薄ꎬ 与蕉木和大花紫玉盘等的特征一
致[22] ꎮ 花粉外壁厚度分布均匀ꎬ 内壁厚度一致或
逐渐变薄的类群ꎬ 其萌发孔区域仍很难确定ꎬ 需
更多有关花粉实验与技术来证明ꎮ 萌发孔区域的
花粉壁结构厚度变异这一特征的演化关系和系统
学意义尚未确定ꎬ 有待进一步研究ꎮ
Walker(1974)将被子植物花粉覆盖层划分为
三大基本类型ꎬ 即连续覆盖层( tectate)、 半覆盖
层(semitectate)以及无覆盖层( intectate)ꎮ 连续
覆盖层(屋顶状)ꎬ 可以进一步划分为无穿孔覆盖
144  第 5期                  阳桂芳等: 美乐多(Melodorum fruticosum Lour􀆰 )花粉形态观察
层( tectate ̄perforate)和小穿孔覆盖层 ( tectate ̄
perforate)ꎮ 小穿孔覆盖层小孔直径增大至大于小
孔间的花粉壁宽度时形成网状覆盖层( reticulum)
即为半覆盖层ꎮ 被子植物的花粉外壁结构主要进化
趋势是: 无穿孔覆盖层花粉-小穿孔覆盖层花粉-
半覆盖层花粉ꎬ 更罕见的是向无覆盖层花粉粒演
化[30]ꎮ Doyle 和 Le Thomas[7]推测在番荔枝科中ꎬ
无穿孔或小穿孔覆盖层花粉是原始的ꎬ 向大孔或网
状覆盖层(即半覆盖层)花粉演化ꎬ 但在其演化过
程中有多次返祖(如紫玉盘族花粉为无穿孔覆盖层
花粉)现象ꎬ 而如 Ophrypetalum 等无覆盖层花粉
来源于网状覆盖层花粉ꎮ 美乐多为连续覆盖层花
粉ꎬ 偶尔有点状凹陷ꎬ 与紫玉盘族其他类群的覆盖
层特征一致ꎬ 与颗粒状覆盖下层一起为返祖特征如
紫玉盘属(Uvaria)、 瓜馥木属(Fissistigma) [22]等ꎮ
在番荔枝科中ꎬ 覆盖下层( infratectum)结构
有颗粒状(granular)、 柱状(columellae)和混合型
(颗粒状和柱状)ꎬ 其中颗粒状结构为原始性状ꎬ
柱状为衍生的性状ꎬ 与木兰目其他类群一致[7]ꎮ
紫玉盘族大部分类群为覆盖下层颗粒状花粉ꎬ 可能
为返祖现象也可能是原始性状的保留ꎬ 其演化关系
尚未明确ꎮ 本研究发现ꎬ 美乐多花粉的覆盖下层为
颗粒状和柱状混合型结构(颗粒为主)ꎬ 是颗粒状
覆盖下层和柱状覆盖下层的中间过渡型ꎬ 而且其覆
盖下层厚度大于覆盖层和基足层的厚度ꎮ 而紫玉盘
族大部分类群花粉外壁(尤其是覆盖下层厚度小于
覆盖层或基足层的厚度ꎬ 如紫玉盘花粉外壁的厚度
较薄[22]ꎬ 符合假设(由于花粉外壁厚度减少ꎬ 小柱
丢失)ꎬ 可推测紫玉盘族花粉的颗粒状覆盖下层是
起源于颗粒状和柱状混合型覆盖下层(中间过渡
型)ꎮ
木兰目中大部分类群的花粉内壁为 2层ꎬ 但木
兰科、 瓣蕊花科(Himantandraceae)和肉豆蔻科少
数类群为 3层ꎮ 番荔枝科花粉内壁常为 2层或无分
层ꎬ 偶有 3层[6ꎬ31ꎬ32]ꎮ 美乐多的花粉内壁ꎬ 有内壁
外层和内壁内层之分ꎬ 其厚度分布不均匀ꎬ 从约为
花粉外壁厚度的 2倍至约为花粉外壁厚度的 1 / 3递
减ꎮ 在美乐多花粉内壁外层外有一层连续、 薄的、
电子密度明显不同的外壁内层ꎬ 厚度均匀ꎮ 花粉外
壁内层和花粉内壁结构对萌发孔(沟)的形成有重
大作用ꎬ 它们的关系有待进一步探讨ꎮ
致谢: 感谢华南植物园木兰园杨科明协助采集材料ꎬ
华南植物园公共实验室徐信兰和胡晓颖高级工程师在制片
和拍照工作中的耐心指导ꎮ
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344  第 5期                  阳桂芳等: 美乐多(Melodorum fruticosum Lour􀆰 )花粉形态观察
阳桂芳等: 图版Ⅰ YANG Gui ̄Fang et al􀆰 : Plate Ⅰ
A B
C D
E F
G H
t
c
fl
exi
endi
t
c
fl
in
g
g
t
g
c
fl
t
g
fl in
c
fl
c
g
t
10 μm 10 μm
0.5 μm 2 μm
0.2 μm
0.2 μm
0.2 μm
0.2 μm
扫描电子显微镜和透射电子显微镜下美乐多花粉形态ꎮ Aꎬ B: 单粒扁圆形花粉ꎻ D: 示微褶皱状花粉外壁纹饰ꎻ Cꎬ Eꎬ G: 花粉
壁结构ꎬ 示花粉外壁和逐渐变薄的花粉内壁ꎻ Fꎬ H: 外壁结构ꎬ 示覆盖层、 覆盖下层(颗粒状和柱状)、 基足层和外壁内层ꎮ t:
覆盖层ꎻ c: 柱状的覆盖下层ꎻ g: 颗粒状的覆盖下层ꎻ fl: 基足层ꎻ exi: 内壁外层ꎻ endi: 内壁内层ꎻ in: 内壁ꎮ 箭头指外壁内层ꎮ
SEM and TEM views of pollen grains of Melodorum fruticosum Lour􀆰 Aꎬ B: Single pollen grainꎻ D: Ornamentation of exineꎬ mi ̄
cro ̄rugulate ornamentationꎻ Cꎬ Eꎬ G: Detail of pollen wallꎬ showing exine and thinned intineꎻ Fꎬ H: Detail of exineꎬ showing
tectumꎬ infratectum with granula and columellaꎬ foot layerꎬ and endexine (arrowhead) . t: Tectumꎻ c: Columellaꎻ g: Granu ̄
laꎻ fl: Foot layerꎻ endi: Endintineꎻ exi: Exintineꎻ in: Intine􀆰 Arrowheads endexine􀆰
(责任编辑: 张 平)
444 植 物 科 学 学 报 第 31卷