全 文 ：武汉植物学研究 2000, 18( 2) : 85～90
Journal of Wuhan Botanical Research
西瓜绒毡层和花粉发育的进一步观察
刘 林1 张恒悦2 范树国1 叶秀麟1 梁承邺1 张再君1
( 1 中国科学院华南植物研究所 广州 510650) ( 2 山东农业大学 泰安 271018)
提 要 绒毡层为 1 层同型细胞, 腺质性,幼期与其他药壁层相似,减数分裂开始后逐渐表现
出自己独有的特点。小孢子母细胞纤维素壁生存到四分体时期, 随着小孢子外壁出现而消失。
四分体时期,小孢子发育出网状原覆盖层和柱状原基粒棒。成熟花粉属 2-细胞型, 含丰富淀
粉和脂类物质, 生殖细胞具有流线型结构,呈梭形或柳叶形。营养核与生殖细胞联系密切。
关键词 西瓜, 绒毡层, 小孢子母细胞, 花粉
FURTHER OBSERVATION ON TAPETUM AND
POLLEN DEVELOPMENT IN WATERMELON
Liu Lin
1 Zhang Hengyue2 Fan Shuguo1 Ye Xiulin1
Liang Chengye1 Zhang Zaijun1
( 1 S outh Ch ina I nstitute of B otany, T he Chinese A cademy of S ci ences Guangzhou 510650) )
( 2 Depar tment of B otany , Shand ong Ag ri cultural Univ er si ty T aian 271018)
Abstract T apet um in wat ermelon is a layer o f homogenous and g landular cells. T apetal cells
ar e v ery similar in appearance to cells of ot her anther layer s at fir st, but gr adually
differentiate after micro spo re mo ther cells begin meiot ic division. M icro spo res form a
ret icular pr otectum and co lumnar pr obacules a s they ar e still encased in callose. Cellulosic
w alls of micr ospor e mot her cells become disappear ed during tetr ad stage . Po llens get m ature
at 2-celled sta ge. Generat ive cell has a str eamlined shape . Veget ativ e cell contains copious
star ch and lipid. I t is clear that ther e is a clo se connection betw een generat ive cell and
vegetative nucleus.
Key words Watermelon, Tapetum, M icr ospo r e mother cell, P ollen
Br ewbaker
〔1〕
60年代根据大量研究结果得出结论,葫芦科为二胞花粉植物,然而后来
出现了西瓜为三胞花粉植物的报道〔2〕。针对这一矛盾,我们采用薄切片方法对西瓜花药与
花粉发育做了进一步观察。本文探讨了这一问题,同时报道了与前人观点不同的一些新的
观察结果。
收稿日: 1999-01-17,修回日: 1999-03-21。第一作者:男, 1963年出生,博士生,从事植物生殖生物学研究。
1 材料与方法
供试材料西瓜( Citrullus lanatus)种植于山东农业大学校园内。将开花前不同发育阶
段的花药和从开放花朵收集的成熟花粉用 3%戊二醛 (磷酸缓冲液配制, pH6. 8)和1%锇
酸(重蒸水配制)作双固定。酒精系列脱水, Epon-812环氧树脂包埋。在 Reichert-J薄切片
机上切片,厚度 2 m。切片用 PAS 试剂与 TBO或 ABB复染。
2 观察结果
2. 1 绒毡层发生与分化
孢原细胞分裂产生壁细胞和造孢细胞。壁细胞分裂比造孢细胞快,结果在药壁发育的
早期前者就将后者包围(图版Ⅰ: 1)。之后,壁细胞继续分裂形成四层药壁: 1层药室内壁、2
层中层和 1层绒毡层。因此,包括表皮在内,花药壁有 5层 (图版Ⅰ: 2)。
位于药壁侧的绒毡层细胞与位于药隔侧的绒毡层细胞形态和大小非常近似, 没有明
显差别(图版Ⅰ: 2)。大多数绒毡层细胞生存到游离小孢子时期,少数到二细胞花粉时期,细
胞解体在原位进行,因此西瓜绒毡层属于腺质性。
药壁刚建成时,绒毡层与其他层具有一致的特点,细胞单核,液泡占据大部分空间(图
版Ⅰ: 2)。但是, 随着发育进展, 绒毡层沿着特定方向发育, 分化成与其它层明显不同的细
胞。首先,在细胞形状和胞质与液泡比例方面,绒毡层与其他药壁层有显著不同的变化。随
着花药生长,绒毡层细胞径向伸长, 向药室内延伸, 致使绒毡层细胞由多面体形变成乳突
状;与此同时,绒毡层细胞质与液泡的比例显著升高(图版Ⅰ: 8)。与绒毡层形成鲜明对比,
其他层细胞体积虽然增大, 但基本形态不变,始终保持高度液泡化,细胞质贴着细胞壁形
成非常薄的层(图版Ⅱ: 21)。其次,在合成和积累贮藏物质方面,绒毡层与其他层有明显差
异。小孢子减数分裂开始后,绒毡层细胞中脂类物质丰富,常常遍及细胞质但不形成大颗
粒,使整个细胞被锇酸染成深黑色(图版Ⅰ: 5)。当花粉发育进入二胞时期,绒毡层细胞中脂
类物质开始汇聚成较大颗粒(图版Ⅱ: 21) ;细胞解体时,脂类颗粒直径可达 4 m,随同其他
残余物进入药室(图版Ⅱ: 22)。与绒毡层相反,药室内壁及中层不积累脂类物质,但都含有
淀粉颗粒(图版Ⅱ: 22, 23)。
2. 2 小孢子母细胞的特点
小孢子发生过程符合一般规律, 此处只着重描述小孢子母细胞的变化特点。初产生的
小孢子母细胞有很浓的细胞质,细胞质与壁相接紧密, 致使细胞间界限难以辨出(图版Ⅰ:
2)。进入减数分裂时期,细胞质容易收缩,经酒精脱水处理后总是容易造成质壁分离(图版
Ⅰ: 3, 4)。由于质壁分离, 细胞间界限清晰,胞间连丝易于观察(图版Ⅰ: 3)。减数分裂时期小
孢子母细胞具有十分发达的胼胝质壁,壁厚度不均匀,细胞角隅处厚,其余部位薄。胼胝质
壁形成之后, 胞间连丝变成胞质通道,细胞质可以从中穿过(图版Ⅰ: 4)。
幼期花药中小孢子母细胞纤维素壁很薄,且由于细胞质紧贴着壁,使壁不易辨出(图
版Ⅰ: 2) ;减数分裂开始后由于质壁分离而容易观察(图版Ⅰ: 3) ;胼胝质壁形成时,由于两种
壁之间有较强反差,纤维素壁亦容易辨出(图版Ⅰ: 4)。四分体前期,纤维素壁仍然存在,将
同一药室中的四分体连在一起(图版Ⅰ: 5)。四分体后期,随着原覆盖层和原基粒棒形成,纤
86 武汉 植 物学 研究 第 18卷
维素壁完全消失, 四分体相互分开(图版Ⅰ: 6)。
2. 3 小孢子外壁发生和小孢子液泡化
四分体时期小孢子发育出外壁雏形。四分体早期,呈 PAS 正反应的原外壁贴着小孢
子表面形成(图版Ⅰ: 5) ;四分体后期, 小孢子发育出网状原覆盖层和柱状原基粒棒(图版Ⅰ
: 6)。包埋在胼胝质中的小孢子原覆盖层与游离小孢子的覆盖层(图版Ⅰ: 8)结构特点一致。
刚游离的小孢子形状很不稳定, 变化丰富, 类似变形虫(图版Ⅰ: 7)。
小孢子从四分体后期就开始产生小液泡(图版Ⅰ: 6) , 胼胝质壁消失后小液泡大量发生
(图版Ⅰ: 7) ,然后, 液泡相互合并(图版Ⅰ: 9) ,直到产生 1个大液泡,使小孢子呈现极性(图
版Ⅰ: 10)。
2. 4 二胞花粉发育的主要特点
生殖细胞形状发生一系列与发育阶段相关的变化,可大致分为两个阶段。第一阶段生
殖细胞由扁形变成球形,发生在生殖细胞脱离花粉壁的过程中。生殖细胞贴着花粉壁产生
时呈凸透镜形(图版Ⅱ: 11) , 之后凸度不断增大(图版Ⅱ: 12) ,即将离开花粉壁时成为球形
(图版Ⅱ: 13)。第二阶段生殖细胞由球形延伸为流线型,发生在生殖细胞离开花粉壁之后。
生殖细胞离开花粉壁不久就开始伸长(图版Ⅱ: 15) , 到花粉成熟时成为梭形(图版Ⅱ: 16)或
柳叶形(图版Ⅱ: 17)。这种流线型结构有利于生殖细胞进入花粉管和在花粉管中移动。
生殖细胞与营养核联系密切。两者只在生殖细胞脱离花粉壁过程的后期和离开花粉
壁后不长一段时期呈分离状态(图版Ⅱ: 12, 13) , 其余时期总是连在一起(图版Ⅱ: 14～18)。
生殖细胞伸长时, 营养核也改变形状,有时形成凹陷,生殖细胞将一端镶嵌其中(图版Ⅱ:
15) ;生殖细胞伸长结束后, 营养核变成不规则状(图版Ⅱ: 16～18)。两者大部分时间连在一
起,并且形状变化同步,反应了相互间有密切的联系。
在配子体发育过程中, 营养核除与生殖细胞有密切联系之外, 还有其他一些特征。其
一, 核质密度有较明显变化, 初期密度较大(图版Ⅱ: 11) ,不久之后显著降低(图版Ⅱ: 12,
13) ,而成熟花粉中又致密(图版Ⅱ: 16～18)。其二,营养核有时含核仁小泡(图版Ⅱ: 12) ,有
时则有双核仁(图版Ⅱ: 13)。
小孢子的大液泡进入营养细胞之后要解体,解体过程与生殖细胞脱离花粉壁的过程
相巧合。当营养核与生殖细胞尚未分开时,细胞质开始侵入大液泡,将其分隔成数个小液
泡(图版Ⅱ: 11)。依这种方式多次重复,液泡逐渐变小(图版Ⅱ: 12, 13) ,到生殖细胞离开花粉
壁之后,液泡已基本消失。
营养细胞中淀粉和脂类物质十分丰富。成熟花粉中有较大油滴(图版Ⅱ: 19) ,个别情况
下花粉粒内充满淀粉粒和少量油滴(图版Ⅱ: 20)。
通过连续切片观察的取自 20 多株西瓜的 1 000多个成熟花粉粒, 都处于二细胞阶
段,没有生殖细胞分裂成精细胞的情况。
观察到一种非常特殊的情况,两个源于同一小孢子母细胞的花粉粒没有分开,在以后
的发育过程中逐渐发生融合,并且发育出两个生殖单位(图版Ⅱ: 18) ,表明细胞质的混合没
有影响配子体发育的程序。两个生殖单位相互靠近, 但没有同一单位内生殖细胞和营养核
那样接触密切,说明两生殖单位之间有一定的排斥性。
87 第 2期 刘 林等:西瓜绒毡层和花粉发育的进一步观察
3 讨论
3. 1 西瓜具有同型绒毡层
绒毡层通常由壁细胞衍生, 形成一层同型细胞。如果有其他细胞参与其发生,则形成
异型绒毡层。例如,汤氏阿列克( Alectr a thomsoni ) 〔3〕具有异型绒毡层,大细胞部分源于药
隔,其余细胞较小的部分则衍生于壁细胞。有些学者〔2〕认为西瓜具有异型绒毡层, 而我们
的结论正相反:西瓜具有同型绒毡层。本实验结果表明,西瓜花药壁发育早期,壁细胞就已
将造孢组织完全包围,意味着药隔侧有壁细胞分布, 这些细胞发育成药隔侧的绒毡层细
胞,排除了药隔组织参与绒毡层形成的可能性。另一方面,药隔侧与药壁侧的绒毡层细胞
形态及大小没有明显差异。
3. 2 小孢子母细胞纤维素壁解体时期
小孢子母细胞纤维素壁寿命在不同植物中表现不一,大致情况有2类。第一类是纤维
素壁于四分体形成之前退化, 例如,向日葵( H el ianthus annuus ) 〔4〕中,母细胞纤维素壁解
体和胼胝质壁发育同步, 减数分裂前期Ⅰ结束之后完全消失;在大麻( Cannabis sat iva) 〔5〕
中,减数分裂前期Ⅰ结束后纤维素壁只剩下一些残迹;多数胞质雄性不育系中纤维素壁也
在四分体形成之前解体〔6～8〕。第二类,纤维素壁一直生存到四分体时期,按照纤维素壁与
四分体的胼胝质壁解体的顺序又可分为 2 种情况: 一是二者同时解体, 在韭菜( A llium
tuber osum )
〔9〕中可观察到这种情况;二是纤维素壁比胼胝壁早解体, 在仙客来( Cyclamen
p er sicum)
〔9〕、熊足铁筷子( H ellebor us f oet idus) 〔10〕和作者观察的西瓜中都是这样。
我们注意到, 西瓜小孢子母细胞纤维素壁退化与小孢子外壁发育在时间上巧合:纤维
素壁尚未出现解体迹象时, 小孢子纤维素性质的原外壁已经形成, 但孢粉素性质的外壁没
有开始发育; 纤维素壁完全消失时,原覆盖层和原基粒棒已很发达。这种巧合对小孢子有
利,因为小孢子发育出自己的壁之前,会受到纤维素壁和胼胝质壁的共同保护。具体保护
机制尚不清楚, 在此仅做猜测: 纤维素壁将四分体粘连在一起,使由绒毡层合成的分解胼
胝质的酶很难大量地到达胼胝质壁, 由此保护了胼胝质, 而胼胝质壁更有效地防止破坏性
物质接近小孢子。
3. 3 葫芦科为 2-细胞花粉植物
为了解 2-细胞型和 3-细胞型花粉在被子植物中的分布规律, Brew baker〔1〕研究了近
2 000种植物,涉及 265 科、1 219属, 其中有葫芦科的 6个属: Bryonia、M icramp elis、苦瓜
属(Momordica)、甜瓜属( Cucumis)、南瓜属( Cucubita)和葫芦属( L agenaria)。根据葫芦科
花粉的特点和该科在进化中的地位, Brew baker 得出结论: 葫芦科为 2-细胞花粉植物。后
来在罗汉果〔11〕及红瓜属( Coccinia)与马 儿属(M elothr ia) 〔12〕中得到的观察结果都与这一
结论相符合。在西瓜中, 本实验对不同植株的 1 000多个成熟花粉粒进行连续切片观察,
结果表明成熟的花粉只含生殖细胞和营养细胞,与 Br ew-baker 的结论一致。我们认为过
去关于西瓜为 3-细胞花粉植物的结论很可能得自于个别现象。事实上,有些 2-细胞花粉
型植物确实会发育出极少数 3-细胞花粉粒,尤其在较老的花朵中。这种情况往往会导致
类型划分上的错误,例如, 辣椒属( Cap sicum)、茄属 ( Solanum )、芭蕉属( Musa)、柑桔属
( Cit rus)、金鱼藻属( Cer atophy llum)、火筒树属( L eea)、可可树属( T heobr oma)、天蓝绣球
88 武汉 植 物学 研究 第 18卷
属 ( Phlox )、山道楝属( Sandor icum )、蔓长春花属 ( Vinca)、黄眼草属( Xy ris )、水芋属
( Cal la)、Myosurus、N eurada以及 Batis 等都是 2-细胞花粉植物, 但是, 由于观察到过极
少数 3-细胞花粉粒, 结果这些植物在很长时期内被错误地归属于 3-细胞花粉植物,直到
60年代 Brewbaker〔1〕给予纠正。
参 考 文 献
1 Br ew baker J L. T he dist rib ut ion an d phylogenet ic signi ficance of bin ucleate and t rinucleate pol len grains in th e
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2 李树贤,陆新德.西瓜小孢子囊及雄配子体发生的观察.西北植物学报, 1992, 12( 1) : 79～82
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12 Deshpande P K, Bhu skute S M, Makde K H. Microsporogenes is and male gam etophyte in some Cucur bitaceae.
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图 版 说 明
CO.连接组织; EN.药室内壁; EP.表皮; GC.生殖细胞; M .中层; MC.小孢子母细胞; PC.壁细胞; SC .造孢细胞;
T .绒毡层; VN.营养核
图版Ⅰ: 1～10,图版Ⅱ: 11～15, 21～23以 PAS试剂和 TBO 复染;图版Ⅱ: 16～20为 PAS与 ABB复染。图中比例线段代
表 20m。
图 版 Ⅰ
1.幼期花药,示造孢细胞( SC)被壁细胞(箭号)包围; 2. 示刚产生的小孢子母细胞和花药壁; 3.示减数分裂开始时母
细胞的细胞质、纤维素壁(短箭号)和胞间连丝(长箭号) ; 4.示减数分裂前期Ⅰ母细胞的纤维素壁(短箭号)、胼胝质壁
和胞质通道(长箭号) ; 5. 四分体早期,原外壁贴着小孢子表面(长箭号) .注意小孢子母细胞纤维素壁依然存在(短箭
号) ,绒毡层呈深黑色; 6.示四分体后期小孢子有网状原覆盖层(三角号)、柱状原基粒棒(箭号)及一些小液泡; 7.刚游
离的小孢子,形状不稳定,含大量小液泡; 8.游离小孢子时期,绒毡层呈乳突状,细胞质与液泡的比例高.小孢子外壁
具有网状结构(箭号) ; 9.小孢子中液泡在合并(箭号) ; 10.示液泡化的小孢子有极性
图 版 Ⅱ
11.刚产生的二胞花粉,示锥形营养核、凸透镜形生殖细胞和正被细胞质分隔的大液泡; 12.示生殖细胞凸度增大和营
养细胞有小液泡和核仁小泡; 13.生殖细胞球形,将离开花粉壁,营养细胞中液泡进一步变小,核含双核仁; 14.生殖细
89 第 2期 刘 林等:西瓜绒毡层和花粉发育的进一步观察
胞与营养核接触; 15.生殖细胞延伸,营养核弯曲产生凹陷; 16～20为成熟花粉; 16. 营养核不规则, 生殖细胞梭形;
17.营养核不规则,生殖细胞柳叶形; 18.两花粉融合,含两个梭形生殖细胞和两个营养核; 19.示花粉内油滴(箭号) ;
20.示淀粉粒充满花粉; 21～23为二胞时期花药壁; 21.示表皮、药室内壁和中层细胞质没有增加,绒毡层细胞含脂类
颗粒(箭号) ; 22.中层细胞含淀粉粒( 短箭号) , 绒毡层细胞中及进入药室的绒毡层物质中有圆球形脂类颗粒 (长箭
号) ; 23.药室内壁含丰富淀粉粒(箭号)
Explanation of Plates
CO. connect ive; EN. endothecium; EP, epidermis ; GC. generat ive cell; M . middle layer; MC. microspore m other cell;
PC. prietal cell ; SC . sporogen ous cell; T , tapetum ; VN. vegetative n ucleus
Figs. 1～15, 21～23 stain ed w ith PAS and TBO, Figs. 16～20 stained w ith PAS and ABB. Short line in every fig ure is
20 m.
P lat e Ⅰ
1. Young anther . S how ing sporogenous cell s ( SC) surrou nded w ith prietal cel ls ( arrow ) ; 2. S how ing newly form ed
microspore mother cel ls and an th er w all ; 3. M icrospore moth er cel ls at m eiosis , show ing shrin ked cytoplasm, cel lulos ic
w al ls ( short arrow ) and plasmadesmata ( long arrow ) ; 4. M icrospore mother cell s at meiotic prophase-Ⅰ, s how ing
cellu losic wall s ( short arrow ) , callose w al l, and cytoplasmic ch an nel ( lon g arrow ) ; 5. M icrospores at ear ly tetrad
stage having a layer of p riexin e ( long arrow ) . Cellulosic w alls ( s hort arrow ) st ill exist ing , tapetal cel ls black ; 6.
Sh ow ing microspores w ith ret iculate protectum ( t riang le) and column ar probacules ( arrow ) at late tet rad stage. Note
sm all vacu oles in cytoplasm; 7. New ly f reed microspores have am oebic shapes and con tain numerous small vacuoles;
8. At f ree microspore stage. T apetal cel ls are papillar an d h ave a high proport ion of cytoplasm to vacuoles. T ectum of
microspore show s a ret icular p at tern ( ar row ) ; 9. Vacuoles m erging in spores ( arrow ) ; 10. Show ing polar izat ion of
vacuolized spore
P lat e Ⅱ
11. New ly formed vegetat ive nucleus being conic, g enerat ive cell being convex-shaped, the vacuole f rom sp ore being
broken up b y invasion of cytoplasm; 12. Gen erat ive cell becomes m ore convexing, vegetat ive cell containin g smal l
vacuoles, vegetative nucleu s having nucleolear vacuole; 13. Gener at ive cell is about to depar t pol len w all , vacuoles in
vegetat ive cel l furth er b roken , vegetat ive n ucleus containing tw o nu cleoli; 14. Gen erat ive cell keeps close to vegetat ive
nucleu s; 15. Generat ive cell elon gat ing, vegetat ive nu cleus b endin g; 16～20. Matu re pollens . 16. Vegetative nucleus
irregularly sh aped, generative cel l shu tt le-sh aped; 17.Vegetat ive nucleus i rregularly shaped, generat ive cell bent ; 18.
A pol len d erived f rom mer ging of two pollens , containin g 2 shut t le-shaped generat ive cells and 2 irregular vegetat ive
nuc-lei ; 19. Sh owin g a lar ge lipidic lump ( arrow ) ; 20.A pollen fu ll of starch grains as w ell as s ome lipid ic lumps ; 21
～23. Anther w all during 2-celled s tage. 21. Cel ls of epidermis , middle layers, and endothecium st ill highly vacuoliz ed,
tapetal cel ls containing sm all irregular l ipid dr op let s ( ar row) ; 22. Cel ls of middle layer s including starch grains ( short
ar row ) , t apetal cel ls con taining spher ical lipidic droplet s ( long arrow ) ; 23. Endoth ecium containing copius starch
grains ( ar row)
90 武汉 植 物学 研究 第 18卷
刘 林等:西瓜绒毡层和花粉发育的进一步观察 图版Ⅰ
Liu Lin et al.: Further observ at ion on tapetum and pollen development in
w atermelon Plate Ⅰ
See explanat ion at the end o f tex t
刘 林等:图版Ⅱ Liu Lin et al . : P late Ⅱ
See explanat ion at the end o f tex t