全 文 ：乌蕨孢子壁的形成和发育
?
戴锡玲 , 曹建国 , 王全喜??
(上海师范大学生命与环境科学学院 , 上海 200234)
摘要 : 利用光镜、扫描电镜和透射电镜对鳞始蕨科 (Lindsaeaceae) 乌蕨 ( Stenoloma chusanumChing) 孢壁的
形成和发育进行了研究。结果表明乌蕨孢子两侧对称、单裂缝 , 表面具疣状纹饰。孢壁由内壁、外壁和周
壁三部分构成。外壁在四分体阶段已基本形成 , 其表面光滑 , 质地均匀 , 由孢粉素形成。周壁是由绒毡层
残余物在外壁表面沉积形成 , 可分为周壁内层、周壁中层和周壁外层三部分。在周壁中层与外层之间有一
层均匀的空间。最后 , 本文探讨了孢壁的形成和发育规律 , 研究结果对揭示孢子纹饰和孢壁各层的形成过
程、来源和稳定性有重要的意义 , 并为孢粉学和系统学研究提供基础资料。
关键词 : 乌蕨 ; 孢子发育 ; 孢壁
中图分类号 : Q 944.5 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700(2006)06 - 581 - 06
The Formation and Development of Sporoderm of
Stenoloma chusanum (Lindsaeaceae)
DAI Xi-Ling, CAO Jian-Guo, WANG Quan-Xi **
( Life and Environment Science College, Shanghai Normal University, Shanghai 200234 , China)
Abstract : The formationand development of sporodermof thefern Stenoloma chusanumChing (Lindsaeaceae) are studied
by means of light microcope (LM) , scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) .
The results as follow: the mature spores of Stenoloma chusanumChingare bilateral andmonolete . The surfaceof spore is
smooth and shows averrucateornamentation . Thesporodermconsists of endospore, exospore and perispore . Theexospore
which is formed by sporopolleninfinishes its formation in thetetrad stage . Its surface issmooth and its texture is uniform .
The perispore is formed by thetapetal residues which deposit on the outside of theexospore . The perisporecan be distin-
guished into three layers, i . e . anouter perispore layer, amiddleperispore layer and an inner perispore layer . It is obvi-
ous that a layer of space exists betweenthemiddle and theouter perispore layers . In the last, theformationand develop-
ment of the sporewall are discussed . The results will contributeto a better understanding of the origin, development and
formation process of the sporodermof ferns . It also can provide basic information for the palynology and phylogeny .
Key words: Stenoloma chusanum; Spore development; Sporoderm
孢子形态对研究蕨类植物分类和系统发育具
有重要意义 ( 吴兆洪和秦仁昌 , 1991; 王全喜
等 , 2001b)。有关蕨类植物孢子形态的研究已有
大量的报道 , 张玉龙等 ( 1976) 在其著作中 , 系
统描述了我国蕨类植物 52 科 174 属约 1000 种光
镜下的孢子形态。王全喜 ( 2001) 主要对产自中
国真蕨目各科植物孢子形态进行了扫描电镜的系
统研究。形态学观察只能看到孢子周壁的表面情
况 , 对孢子壁的形成和发育以及各个壁层的来源
尚不能解释。迄今为止 , 国内尚未见对蕨类孢子
云 南 植 物 研 究 2006 , 28 (6) : 581～586
Acta Botanica Yunnanica

?
?? ?通讯作者 : Author for correspondence . E - mail : wangqx@ shnu. edu. cn
收稿日期 : 2006 - 01 - 06 , 2006 - 03 - 20 接受发表
作者简介 : 戴锡玲 (1973 - ) 女 , 讲师 , 在读博士生 , 主要从事植物学教学与科研。 ?
基金项目 : 国家自然科学基金资助 (No . 30270088 )
壁的形成和发育进行研究的报道 , 国外对蕨类植
物孢壁发育的研究也相对较少 , 已有的工作包
括 : Lugardon (1966 , 1969 , 1979) 研究了 Blech-
numspicant、 Equisetum maximum、 Osmunda regalis
和 Psilotum triquetrum 的孢 壁个体发 生 ; Uffelen
(1992 , 1993 , 1997 ) 对水龙骨科蕨类孢壁的发
育进行了研究 ; Uehara等 ( 1989 a, b , 1999) 研
究了 Equisetum arvense、 Ophioglossum thermale 和
Thelypteris decursive-pinnata 的 孢壁 的 发 育过 程 ;
Parkinson (1995) 对 Schizaea pectinata周壁的形成
进行了研究。而对孢子壁形成和发育的研究有助
于解释在成熟孢子中遇到的各种问题 , 有助于更
好的理解不同种之间、不同等级的分类类群之间
的演化关系 (Uffelen, 1993)。
乌蕨 ( Stenoloma chusanum Ching) 属真蕨目
( Filicales) 鳞 始 蕨 科 ( Lindsaeaceae)。王 全 喜
(2001) 主要对乌蕨孢子形态进行了扫描电镜研
究 , 但对乌蕨孢壁的形成及发育未进行研究。本
文利用光镜、扫描电镜和透射电镜相结合的方
法 , 对乌蕨孢壁的形成和发育进行了研究 , 这有
助于进一步了解真蕨类植物孢子外壁和周壁的来
源和形成方式 , 为蕨类植物的系统学和孢粉学研
究提供基础资料。
1 材料方法
1 .1 材料的采集和固定
材料采自上海师范大学植物园 , 选择生长良好的植株 ,
取不同发育时期的材料做现场固定 , 方法如下 : 把长有不
同发育时期孢子囊的小叶片迅速剪下 , 分别放入不同的瓶
中 , 用 3%的戊二醛溶液固定 , 保存于 0～4℃冰箱中备用。
1 .2 处理和观察
1 . 光镜观察 : 将不同时期的孢子囊从孢子叶上剥
离下来 , 用蒸馏水反复冲洗。制水封片之前将孢子囊刺
破 , 使孢子散发在载玻片上 , 去除孢子囊后盖上盖玻
片。用 Nikon HFX-DX 型光学显微镜观察照相。2 . 扫描
电镜观察 : 把经光镜检查后的不同时期的孢子囊从叶片
上剥离下来 , 放入 0.1 mol?L 磷酸缓冲液的小瓶中 , 用相
同缓冲液冲洗 3 次。乙醇逐级脱水 , 用乙酸异戊酯过渡 ,
CO2 临界点干燥 , 将干燥后的孢子囊放在铜台的双面胶
上 , 然后将孢子囊刺破 , 用 EIKO IB-3 型离子溅射仪喷
金。最后将材料置于 H-520 型扫描电子显微镜下观察照
相。3 . 透射电镜观察 : 用 1%锇酸水溶液在室温黑暗条
件下进行后固定过夜 , 用 0 .1 mol?L 磷酸缓冲液冲洗 , 经
丙酮逐级脱水后 , 将材料置于不同比例的丙酮与 Epon
812 树脂渗透液中逐级渗透 , 最后置于纯包埋剂中包埋 ,
并于 60℃烘箱中聚合。在 Ultracut E 型切片机上切片 , 切
片经醋酸双氧铀和柠檬酸铅染色。最后用 H-600 型透射
电子显微镜观察照相。
2 结果
2 .1 幼孢子囊的形成和结构
乌蕨孢子囊起源于单细胞 , 该细胞分裂形成
两个细胞的孢子囊原基 ( 图版Ⅰ : 1)。孢子囊原
基分化形成幼孢子囊 ( 图版Ⅰ : 2) , 它的外层为
一层囊壁细胞 , 其内为绒毡层和孢子母细胞。绒
毡层由两层细胞组成 , 细胞为长方形或扁圆形 ,
细胞核较小 , 细胞质内液泡大而明显 , 具有丰富
的造粉质体 , 其内可见到淀粉粒 ( 图版Ⅰ : 3 ) ;
孢子母细胞为多边形 , 细胞核较大 , 细胞质浓
密 , 液泡小而不明显 ( 图版Ⅰ : 4)。
2 .2 孢壁的形成和发育
2 .2 .1 孢子外壁的形成 乌蕨孢子在四分孢子
阶段 , 外壁已经基本形成 , 在光学显微镜下观
察 , 孢壁光滑、无色素沉积 ( 图版Ⅰ : 5 )。在扫
描电镜下观察 , 可见到孢子表面光滑或具微小疣
状突起 (图版Ⅰ: 6 , 7) , 在孢子的近极面有一条
隆起的裂缝 , 几乎纵贯孢子全长 (图版Ⅰ: 6)。在
透射电镜下 , 可以辨别出外壁可区分为内外两层 ,
内层较薄 , 染色较深 , 在四分体阶段 , 外壁内层
是由孢粉素构成的球状体沉积而成 ( 图版Ⅰ: 8 ,
箭头 ) , 在球状体的下方 , 还可见到一条清晰的白
线 (图版Ⅰ: 8 , 9, 箭 ) , 随着外壁的发育 , 球状
体层和白线消失 ( 图版Ⅰ: 10)。外壁染色较浅 ,
厚度不均 , 在远极面较薄 , 宽约 1μm, 在近极
面较厚 , 裂缝基部厚度可达到 1 .5μm左右 , 外
壁表面较光滑或具微小疣状突起。孢子裂缝呈顶
端狭 , 基部宽的三角形 , 外壁完全形成后 , 裂缝
的高度可达 4 .5～5μm (图版Ⅰ : 8 , 9)。
2 .2 .2 孢子周壁的形成 孢子外壁形成后 , 可
见到孢子的外方有大量的绒毡层残余物 ( 图版
Ⅰ : 10 ) , 这些绒毡层残余物在成熟外壁表面迅
速沉积形成了孢子周壁内层 ( 图版Ⅰ : 11 )。周
壁内层形成初期 , 绒毡层物质在外壁表面疏松分
布 , 内部有许多空隙 ( 图版Ⅰ : 11)。在光镜下 ,
周壁内层为一些片层状物 , 这些片状物有色素沉
285 云 南 植 物 研 究 28 卷
积 , 呈桔黄色 ( 图版Ⅰ : 12 ) 。在扫描电镜下 ,
这些片层上具有许多蜂窝状结构 ( 图版Ⅰ : 13 ) ,
这些片状物在孢子的近极面分布的较多 , 远极面
分布较少 , 但周壁内层并没有覆盖孢子裂缝。在
透射电镜下 , 周壁内层只覆盖到裂缝的中部 ( 图
版Ⅱ : 26)。随着周壁内层的发育 , 这些疏松结
构的片状物逐渐变成较紧实的一层 , 但表面仍有
小的蜂窝状结构和小孔分布 , 与外壁结合不紧
密 , 易开裂脱离 ( 图版Ⅰ : 14 , 15)。
周壁内层形成后 , 绒毡层物质继续在周壁内
层的表面沉积形成周壁中层。在光镜下 , 周壁中
层表面由疣状突起构成 ( 图版Ⅱ : 16 )。在扫描
电镜下 , 疣状突起非常明显 ( 图版Ⅱ : 17～20 ) ,
在孢子裂缝上也出现了相同的疣状突起 ( 图版
Ⅱ : 20 ) , 在疣状突起表面和突起之间还有丝状
物连接 (图版Ⅱ : 19 , 箭 )。随着周壁中层的进
一步发育 , 突起的表面分布有大量细小的颗粒 ,
直径约 0 .15μm (图版Ⅱ : 17 , 21) , 这些颗粒在
孢子表面沉积 , 逐渐填入突起之间的缝隙 , 使得
孢子表面越来越平滑 ( 图版Ⅱ : 17)。
周壁中层形成后 , 在孢子表面还会形成一层
较薄的周壁外层。周壁外层表面较光滑 , 亦呈现
疣状突起的形态 , 也就是孢子的表面纹饰 ( 图版
Ⅱ : 22～25 )。在扫描电镜下 , 可清晰见到周壁
外层与周壁中层之间具有一层较大的空间。在透
射电镜下 , 成熟孢子各层十分清晰 ( 图版Ⅱ : 26
～28) , 周壁内层厚约 0 .8～1.0μm。周壁中层厚
约 0 .4～0 .6μm, 表面疣状纹饰的轮廓 , 疣的高
低、直径不等。周壁外层较薄 , 由一些薄的层片
构成 , 厚约 0 .2～0 .3μm, 周壁外层与周壁中层
之间的宽约 0 .4～1 .0μm。周壁外层与中层之间
结合不十分紧密 , 有时会发生脱落。周壁与外壁
之间的结合得不很紧密 , 有时也会发生开裂分离
的现象 ( 图版Ⅱ : 27)。
3 讨论
真蕨目蕨类孢子壁通常可分为 3 层 , 即孢子
周壁、孢子外壁和孢子内壁 , 但内壁在静止的孢
子中通常是不存在的 , 只有在孢子萌发时才会显
现 ( Tryon and Lugardon, 1991 )。因此 , 本文只对
乌蕨孢子的外壁和周壁进行了研究。王全喜
(2001a) 对乌蕨孢子的形态进行了扫描电镜的观
察 , 表明乌蕨孢子外壁光滑 , 周壁明显 , 表面平
滑或呈疣状纹饰。但未对孢壁各层的来源及其稳
定性等进行研究。
本文的研究表明乌蕨孢子外壁是由两层构成
的 , 外壁内层较薄 , 由球形的孢粉素沉积形成。
外壁外 层 较厚 , 是由 不 定型 的 孢粉 素 构成。
Uffelen (1993) 指出水龙骨科植物 ( Drynaria) 孢
子外壁内层是沉积在质膜表面的一层暗的孢粉素
层 ; 外壁外层的形成过程较为复杂 , 但仍然是由
不同 形 式 的 孢 粉 素 构 成。 Tryon and Lugardon
(1991) 指出构成外壁的物质是孢粉素 , 很难被
乙酰水解 , 因此 , 外壁对孢子具有很好的保护作
用。在研究苔藓孢子外壁内层形成时 , Brown and
Lemmon ( 1988 ) 观察到了一条白线 , 他们认为这
条白线可能表明外壁内层是由孢子原生质分泌的
物质和孢子之外的物质共同形成的。我们在四分
体时期也观察到白线 的存在 ( 图版 Ⅰ : 8 , 9
箭 ) , 但有关其来源尚需进行深入的研究。
蕨类植物的孢子周壁分为 3 种类型 , 即实心
型 (solid type)、空心型 ( cavity type) 和棒状型
( rodlet type) (Tryon and Lugardon, 1991)。乌蕨孢
子周壁可分为 3 层 , 周壁外层与周壁中层之间有
较大的空间 ( 图版Ⅱ : 26 , 28 ) , 因此 , 乌蕨孢
子周壁应属于空心型。王全喜 ( 2001a) 对乌蕨
成熟孢子形态的扫描电镜的观察表明乌蕨孢子外
壁光滑 , 周壁明显 , 二者易于区分。这表明乌蕨
成熟孢子周壁的稳定性较差 , 容易剥落。Tryon
and Lugardon (1991) 指出周壁的理化性质以及超
微结构均与外壁有明显差别 , 因此周壁容易与外
壁之间发生分离。这一点在本研究得到证实 , 不
但周壁的外层容易发生剥落 , 周壁与外壁之间也
容易发生分离 , 导致成熟孢子暴露出孢子外壁的
现象。关于周壁的来源 , Uffelen ( 1993 ) 指出
Drynaria 孢子周壁是由绒毡层残余物在外壁表面
快速沉积形成。Tryon and Lugardon ( 1991 ) 指出
周壁是由衰老的原生质绒毡层 ( plasmodial tape-
tum) 所分泌的丝状 - 颗粒状物质形成。本研究
表明外壁完全形成之后 , 孢子外面有大量的绒毡
层的残余物 , 这些残余物能快速沉积到孢子外壁
的表面 ( 图版Ⅰ : 10 , 11 ) , 作者支持他们的观
点。周壁的性质与外壁区分明显 , 除了与保护作
用有关外 , 还可能与孢子的传播等有关。
3856 期 戴锡玲等 : 乌蕨孢子壁的形成和发育
〔参 考 文 献〕
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图版说明
图版Ⅰ : 1 . 孢子囊原基 (TEM ) ; 2 , 3 . 幼 孢子囊 (TEM ) , 示
绒毡层细胞 ; 4 . 幼孢子囊 ( TEM 观察 ) , 示多边形的孢子母细
胞 ; 5～ 7 . 孢子外壁 形成时期 : 5 . LM 观察 ; 6 . 近极面 及裂
缝 ; 7 . 远极面 ; 8 . 四分体时期孢子外壁已基本形成 ( TEM 观
察) ( 箭头示球形的孢粉素 , 箭示白线 ) ; 9 . 孢子裂缝的横切
(箭示白线 ) ; 10 . 外壁形成时期 , 孢子外方有大量的绒毡层残
余物 ; 11 . 绒毡层残余物沉积到外壁的表面 ; 12～13 . 周壁内
层形成早期 (LM 和 SEM 观察 ) ; 14 , 15 . 周壁内层形成的后期
(LM 和 SEM 观察 )。T , 绒毡层细胞 ; SMC, 孢子母细胞 ; E , 孢
子外壁 ; TR , 绒毡层残余物 ; Pi , 周壁内层。标尺 : 2 μm (8～
11) ; 5μm ( 1～4 , 13 , 15 ) ; 10μm (5～7 , 12 , 14 )。
图版Ⅱ: 16～21 . 孢子周壁中层观察 : 16 . LM 观察 ; 17 . SEM 观
察 ; 18 . 中层形成时仍可见到孢子周围的绒毡层残余物 ; 19 . 疣
状突起表面放大 (箭示丝状物 ) ; 20 . 中层形成时近极面的情况 ;
21 . 中层形成后期 , 孢子表面有许多细小的颗粒 ; 22 . 成熟孢子
(SEM 观察 ) , 示孢子周壁外层表面的光滑 ; 23 , 24 . 成熟孢子照
片 (LM 和 SEM 观察 ) ; 25 . 成熟孢子周壁外层破裂露出壁中层 ;
26 . 成熟孢子近极面横切 (TEM 观察 ) ; 27, 28 . 成 熟孢子 TEM
观察。TR , 绒毡层 残余物 ; E , 孢 子外壁 ; Pi , 周壁内层 ; Pm,
周壁中层 ; Po, 周壁外层。标尺 : 2μm (21 , 26 , 27 , 28) ; 3μm
(19 , 20) ; 5μm (17 , 18, 22 , 24 , 25) ; 10μm (16 , 23)。
Explanation of Plates
Plate I . 1 . The initial cell of sporangium (TEM observation) ; 2 , 3 .
Theyoung sporangium observed under TEM , showing the tapetum cells;
4 . The young sporangium observed under TEM, showing the polygonal
spore mother cells; 5 - 7 . Spore in the stage only with exospore layer:
5 . LM observation; 6 . Showing the proximal face and aperture; 7 .
Showing the distal face; 8 . In the tetraspore stage, the exospore has
been formed almost completely ( TEM observation ) , some rounded
sporopolleninous bodies ( arrowheads) and a white line are visible in the
inner layer of exospore; 9 . The cross section of aperture, thewhite line
also exist ( arrow) ; 10 . There are many tapetal residues ( TR ) outside
the exospore in the stageof exospore formation; 11 . The tapetal residues
have been deposited on the surfaceof exospore; 12 , 13 . The early stage
of the inner perispore layer formation, LM and SEM observation; 14 ,
15 . The late stage of the inner perispore layer formation, LM and SEM
observation . T , tapetum cells; SMC , spore mother cells; TR , tapetal
residues; E, exospore; Pi , inner perispore . ars: 2 μm ( 8 - 11 ) ; 5
μm (1 - 4 , 13 , 15) ; 10μm (5 - 7 , 12 , 14) .
Plate II . 16 - 21 . Theformation of themiddle perispore layer : 16 . LM
observation; 17 . SEM observation; 18 . The tapetal residues are also
visible in the stage of the middle layer formation; 19 . Magnification of
surface of the middle layer showing the verrucate projections, sometimes
the filaments are visible connecting the projections; 20 . The proximal
face and aperture in this stage; 21 . In the late stage of the formation of
the middle layer, many small grains are visible on the surface of the
spore; 22 . The mature spore showing the surface of spore; 23 , 24 .
Themature spore under LM and SEM; 25 . The mature spore, some
parts of the sporewall has been broken . The middle and outer layers are
visible . 26 . Proximal section of mature spore; 27 - 28 . TEM observa-
tion of mature spores . TR , tapetal residues; E, exospore; Pi , inner
perispore . Bars: 2 μm ( 21 , 26 , 27 , 28 ) ; 3 μm (19 , 20 ) ; 5 μm
(17 , 18 , 22 , 24 , 25) ; 10μm (16 , 23) .
485 云 南 植 物 研 究 28 卷
戴锡玲等 : 图版Ⅰ DAI Xi-Ling et al: PlateⅠ
5856 期 戴锡玲等 : 乌蕨孢子壁的形成和发育
戴锡玲等 : 图版Ⅱ DAI Xi-Ling et al: PlateⅡ
685 云 南 植 物 研 究 28 卷