全 文 ：药用植物湖北麦冬和山麦冬减数分裂及
花粉发育的比较研究
周　群１，周健丘１，王菁菁１，陆文亮２，王小刚１，陈家春１
（１．华中科技大学 同济药学院 天然药物化学与资源评价湖北省重点实验室，湖北 武汉 ４３００３０；
２．天津天士力集团，天津 ３００４０２）
［摘要］　目的：比较湖北麦冬和山麦冬减数分裂及花粉发育的差异，探讨湖北麦冬不育的细胞学实质。方法：采用常规
压片法，观察湖北麦冬和山麦冬的减数分裂行为及花粉发育过程。结果：山麦冬花粉母细胞减数分裂过程基本正常，染色体
能正常配对和分离。湖北麦冬花粉母细胞减数分裂过程中染色体行为异常，多表现为中期出现少数染色体及断片游离在纺
锤体外面，在后期出现染色体桥、断片和落后染色体，在末期出现单个染色体游离在细胞核外形成微核的现象。湖北麦冬花
粉发育异常，花粉畸形率为９５８１％（２０６６个）。山麦冬花粉发育基本正常，花粉畸形率为３４４％（２９４９个）。结论：湖北麦
冬减数分裂及花粉发育的异常是引起花粉败育的重要原因。
［关键词］　湖北麦冬；山麦冬；花粉母细胞；减数分裂；花粉发育
［收稿日期］　２００８１０２１
［基金项目］　高等学校博士学科点专项科研基金项目（２００６０４８７０７１）；
国家“十一五”科技支撑计划项目（２００６ＢＡＩ０６Ａ１５４）
［通信作者］　陈家春，Ｔｅｌ：（０２７）８３６９２７９３，Ｅｍａｉｌ：ｈｏｍｅｓｐｒｉｎｇｃｈｅｎ
＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
［作者简介］　周群，讲师，主要从事生药资源与品质评价研究，Ｅ
ｍａｉｌ：ｚｑｔｃｍ＠１６３．ｃｏｍ
　　湖北麦冬 Ｌｉｒｉｏｐｅｓｐｉｃａｔａ（Ｔｈｕｎｂ．）Ｌｏｕｒ．ｖａｒ．
ｐｒｏｌｉｆｅｒａＹ．Ｔ．Ｍａ是中药“山麦冬”的主要基原植
物，具有养阴生津，清心润肺之功效，是商品中药麦
冬类药材的主流品种［１］。湖北麦冬开花不结实，花
后期从花葶长出小叶或小植株［２］，在种植生产中行
无性繁殖。由于长期无性繁殖，种质呈明显的退化
趋势，严重影响其产量和质量，但湖北麦冬不育的
机制还未得到阐释。作者前期研究发现［３］，湖北麦
冬是由三倍体所形成的一个植物类群，其花粉粒不
甚饱满，提示可能是败育花粉；而原种山麦冬Ｌ．ｓｐｉ
ｃａｔａ（Ｔｈｕｎｂ．）Ｌｏｕｒ．为四倍体植物，开花可结实。
为揭示湖北麦冬不育的细胞学实质，本研究详细观
察了湖北麦冬和山麦冬花粉母细胞减数分裂和花粉
发育过程中的基本特征，为探索染色体倍性与花粉
败育之间的关系，及进一步对湖北麦冬进行品种改
良和选育提供理论依据。
１　材料
实验材料湖北麦冬Ｌ．ｓｐｉｃａｔａｖａｒ．ｐｒｏｌｉｆｅｒａ为采
自湖北省襄樊市襄城区欧庙镇（湖北麦冬ＧＡＰ试验
基地）的１０株栽培植株、山麦冬 Ｌ．ｓｐｉｃａｔａ为采自
湖北省襄樊市襄城区鹿门寺的１０株野生植株，均
经华中科技大学同济药学院陈家春教授鉴定确认
后，移栽于华中科技大学同济医学院苗圃内。凭证
植物标本存放于华中科技大学同济医学院药学院标
本室。
２　方法
于２００８年６月 －８月，分别取湖北麦冬花葶
（长度约为１０～１３ｃｍ）和山麦冬花葶 （长度约为
４～７ｃｍ）若干，取出幼小花药用卡诺液即乙醇冰
醋酸（３∶１）固定４ｈ以上。置于７０％乙醇中，放入
冰箱内，保存备用。参照李懋学和张

方的方
法［４］，花粉母细胞减数分裂用改良卡宝品红染色
和压片，置于 ＸＳＰＣ荧光显微镜下，对减数分裂
各个时期特征进行详细观察，拍照。花粉发育实验
另取花药同上法染色压片并置于Ｎｉｋｏｎ显微镜下观
察。花粉用氯化三苯基四氮唑 （ＴＴＣ）溶液染
色［５］，统计可育性。
３　结果
３．１　花粉母细胞减数分裂
３．１．１　山麦冬花粉母细胞减数分裂过程　在减数
分裂Ⅰ的前期，染色质逐渐凝集成染色体，核仁开始
分解并逐渐消失。包括细线期、偶线期、粗线期、双
线期和终变期。细线期染色质开始浓缩成细长、线
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状的染色线，多数缠绕在一起成网状分布。偶线期
同源染色体开始配对，染色体的配对是在染色体全
长的若干位点同时进行的。此期由于同源染色体的
联会，故染色体比细线期明显增粗而且染色体也明
显松散开来。粗线期染色体较粗、仍较长且相互缠
绕。此时同源染色体配对已完成，联会的２条染色
体结合很紧密，以致结合的界线不易分清。有的染
色体出现花束形结构。双线期发生交叉的染色单体
开始分开，由于交叉常常不止发生在１个点上，因此
染色体呈现出 Ｘ，Ｖ，８，０等形状。终变期染色体显
著收缩变粗，达到最小长度，并向核周边移动，在核
内较均匀地分散开，核仁变小并逐渐消失（图１）。
在减数分裂Ⅰ的中期，染色体排列在赤道板上。
后期Ⅰ，成对的同源染色体各自发生分离，并分别向
两极移动。末期Ⅰ移至两极的染色体解螺旋，二分
体形成（图１）。
在第２次减数分裂中，中期Ⅱ染色体排列在赤
道板上，后期Ⅱ每条染色体的２条染色单体开始向
两极移动，末期Ⅱ四分体形成，呈左右对称排
列（图１）。
３．１．２　湖北麦冬花粉母细胞减数分裂过程中的异
常现象　在减数分裂Ⅰ的前期，染色质凝集成染色
线并逐渐变粗变短，包括细线期、偶线期、粗线期、双
线期和终变期。在中期Ⅰ，大多数细胞中的染色体
联会出现紊乱。如有些染色体游离于赤道板外形成
落后染色体；有些染色体不形成中期赤道板，往往无
序地分散在细胞内，并形成 １个或多个染色体桥。
落后染色体和染色体桥在中期Ⅰ细胞中所占比例为
８１３９％。少数细胞中的染色体全部排列在赤道板
上（图１）。
在减数分裂Ⅰ的后期，染色体的分离也呈现明
显不规则，在染色体组外常有游离的落后染色体滞
留，有的随机散落在细胞中。染色体在向两极分离
过程中，染色体桥可能断裂形成断片（图１）。少数
细胞出现不均等分离现象，即分向两极的染色体很
不均衡。经统计，具有异常行为的细胞所占比例为
９０１２％。
在减数分裂末期Ⅰ，移至两极的染色体解螺旋，
二分体形成。在异常小孢子母细胞中，染色体断片
及游离在细胞内的落后染色体形成微核（图１），在
不同的细胞中微核的大小和数目不等。
在第２次减数分裂中，中期Ⅱ染色体排列在赤
道板上，后期Ⅱ每条染色体的两条染色单体开始向
两极移动，末期Ⅱ四分体形成，后期Ⅱ和末期Ⅱ均有
大量落后染色体及染色体桥出现。四分体呈左右对
称排列，少数为四面体形。最后，形成很多含有微核
的小孢子（图 １）。具微核的小孢子所占比例为
９１０４％。另外，湖北麦冬在后期Ⅱ和末期Ⅱ中出现
少数不同步分裂的现象。
３．２　花粉发育
３．２．１　山麦冬花粉发育过程　刚从四分体中释放
出来的单核小孢子，其细胞壁较薄，小孢子细胞呈不
规则形状，细胞核位于中央，随着细胞质液泡化，形
成１个中央大液泡，细胞质成薄层贴着细胞壁，核随
着从中央移到细胞的一侧。接着，细胞核进行１次
不等有丝分裂，形成２个细胞，体积较大的为营养细
胞，呈透镜状的为生殖细胞，随后生殖细胞逐渐与花
粉壁脱离，游离至营养核附近，染色较深的为生殖细
胞，较浅的为营养细胞。生殖细胞进行分裂形成２
个精细胞。成熟花粉大小均匀，为三细胞型花粉，极
面观为长椭圆形或椭圆形，左右对称，单槽萌发沟，
表面纹饰为皱波状具穿孔（图２）。同时也观察到
败育花粉，其外形明显小于正常花粉。氯化三苯基
四氮唑（ＴＴＣ）溶液染色试验表明花粉有较高活力，
观察了２９４９个成熟花粉，败育花粉占３４４％。
３．２．２　湖北麦冬花粉发育过程中的异常现象　从
四分体释放出来的小孢子在大小和外部形态方面差
异较大，细胞壁较薄，细胞质浓厚，细胞核位于中央，
液泡不明显。随着花药的发育，小孢子发生了异常，
呈现出细胞质收缩，胞质逐渐稀薄，不形成大液泡，
到小孢子晚期时表现出空瘪状态和不规则形状，细
胞核内散在数个大小不一，形状不规则的核状物。
只有极少数小孢子显示出了正常的发育，形成两细
胞型花粉。成熟花粉大小不一，形状多不规则，表面
常有皱褶，且很多花粉粒破裂（图２）。花粉氯化三
苯基四氮唑（ＴＴＣ）溶液染色试验表明花粉没有活
力，观察了２０６６个成熟花粉，败育花粉占９５８１％。
４　讨论
湖北麦冬为三倍体植物［３］，本研究发现其花粉
母细胞减数分裂过程中染色体行为异常，表现为在
中期出现的少数染色体游离在纺锤体外面；在后期
染色体移向两极时出现的染色体桥、落后染色体和
断片现象；在末期出现少数染色体游离在细胞核外
的微核现象。在减数分裂 Ｉ的过程中这些染色体
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１～１２．山麦冬：１．细线期；２．偶线期；３．粗线期；４．粗线期花束形染色体；５．双线期；６．终变期；７．中期Ⅰ；８．后期Ⅰ；９．末期Ⅰ；
１０．中期Ⅱ；１１．后期Ⅱ；１２．末期Ⅱ。１３～２４．湖北麦冬：１３．终变期；１４．中期Ⅰ（示落后染色体）；１５．中期Ⅰ（示落后染色体）；
１６．中期Ⅰ（示染色体桥）；１７．中期Ⅰ（极面观）；１８．后期Ⅰ（示染色体桥）；１９．末期Ⅰ（示微核）；２０．中期Ⅱ；２１．后期Ⅱ；
２２．末期Ⅱ（四分体）；２３．四分体（四面体形）；２４．含微核的小孢子。
图１　山麦冬和湖北麦冬花粉母细胞减数分裂各时期图
的异常行为也常有出现。最终，减数分裂完成后形
成了许多含有微核的小孢子。有些学者认为额外的
染色体桥和断片是染色体直接断裂的产物。落后染
色体的存在可能源于某些染色体同源化的程度不
高［６］。这些落后染色体到达末期后，随机分布或丢
失或游离于主核之外，从而造成染色体的不均匀分
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１～７．山麦冬：１．四分体时期，示４个小孢子开始分离；２．早期小孢子；３．晚期小孢子；４．分裂形成生殖细胞（透镜形）和营养细胞；
５．生殖细胞游离于营养细胞的细胞质中；６．分裂完成，形成１个营养细胞和２个精子；７．成熟花粉。８～１５．湖北麦冬：
８．四分体时期，示４个小孢子开始分离；９．早期小孢子；１０～１２．单核小孢子发育异常；１３．分裂完成，形成１个营养细胞和１个生殖细胞
（颜色较深的）；１４～１５．败育花粉。
图２　山麦冬和湖北麦冬花粉发育各时期图
配，导致了遗传物质减少或增加，形成遗传组成不平
衡的配子［７］，是导致花粉败育的重要原因。而在细
胞核外形成的染色体微核也会导致小孢子细胞死
亡。经统计，湖北麦冬花粉的成熟率在５％以下，这
说明减数分裂的过程异常，花粉的育性很低。因此，
湖北麦冬花粉败育是其减数分裂异常所致。湖北麦
冬减数分裂过程中高频率的染色体异常行为进一步
支持了其为三倍体植物的观点［３］。
山麦冬为四倍体植物［３］，其花粉母细胞在减数
分裂过程中染色体能正常配对和分离。虽然在后期
和末期出现一定数量的异常现象，但其畸形率均低
于５％，且统计花粉的成熟率也在９５％以上，两者基
本吻合，这说明其减数分裂的过程是正常的，花粉的
能育性很高［８］。
湖北麦冬和山麦冬小孢子发生类型均为连续
型，四分体主要为左右对称形。花粉发育过程基本
上是同步进行的，但并不是完全一致的。百合科植
物的成熟花粉通常为二细胞型，而三细胞型仅存在
于少数植物中。山麦冬大多数的小孢子发育正常，
成熟花粉为三细胞型［９］；湖北麦冬大多数小孢子发
育异常，产生了许多异常花粉，只有少数小孢子显示
出了正常的发育，形成两细胞型花粉。
以上研究表明，湖北麦冬减数分裂行为紊乱及
花粉发育异常是导致其不育的重要原因。
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第３４卷第１０期
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ＺＨＯＵＱｕｎ１，ＺＨＯＵＪｉａｎｑｉｕ１，ＷＡＮＧＪｉｎｇｊｉｎｇ１，ＬＵＷｅｎｌｉａｎｇ２，ＷＡＮＧＸｉａｏｇａｎｇ１，ＣＨＥＮＪｉａｃｈｕｎ１
（１．ＨｕｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮａｔｕｒａｌＭｅｄｉｃｉｎａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，ＴｏｎｇｊｉＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，
ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００３０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＴｉａｎｊｉｎＴａｓｌｙＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４０２，Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ：ＴｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔｅｒｉｌｉｔｙｏｆＬｉｒｉｏｐｅｓｐｉｃａｔａｖａｒ．ｐｒｏｌｉｆｅｒａ．Ｍｅｔｈｏｄ：Ｍｅｉｏｔｉｃｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄ
ｐｏｌｅｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＬ．ｓｐｉｃａｔａｖａｒ．ｐｒｏｌｉｆｅｒａｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＩｔｓｐｒｏｔｏｖａｒｉｅｔｙＬ．ｓｐｉｃａｔａｗａｓａｌｓｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｆｏｒｃｏｍｐａｒｉ
ｓｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔ：Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｅｉｏｓｉｓｏｆｍｉｃｒｏｓｐｏｒｅｍｏｔｈｅｒｃｅｌｓ（ＭＭＣ），ｍｏｓｔｏｆｃｅｌｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｎｏｒｍａｌｙｉｎＬ．ｓｐｉｃａｔａ，ｂｕｔａｂｎｏｒｍａｌｙｉｎ
Ｌ．ｓｐｉｃａｔａｖａｒ．ｐｒｏｌｉｆｅｒａ．Ｔｈｅａｂｎｏｒｍｉｔｙｗａｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：ｓｏｍｅｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｓｏｒｔｈｅｉｒｆｒａｇｍｅｎｔｓｍｏｖｅｄｏｕｔｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｏｆｔｈｅｃｅｌａｔ
ｍｅｔａｐｈａｓｅ；ｓｏｍｅｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｂｒｉｄｇｅｓ，ｆｒａｇｍｅｎｔｓａｎｄｌａｇｇｉｎｇｏｎｅｓｗｅｒｅｆｏｒｍｅｄａｔａｎａｐｈａｓｅ；ａｎｄｍａｎｙｍｉｃｒｏｓｐｏｒｅｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｔｈｅｍｉ
ｃｒｏｎｕｃｌｅｕｓａｔｔｈｅｔｅｌｏｐｈａｓｅ．ＴｈｅｐｏｌｅｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓａｂｎｏｒｍａｌｉｎＬ．ｓｐｉｃａｔａｖａｒ．ｐｒｏｌｉｆｅｒａａｎｄｎｏｒｍａｌｉｎＬ．ｓｐｉｃａｔａ，ｗｉｔｈｔｈｅａｂｅｒ
ｒａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｐｏｌｅｎｗａｓ９５．８１％ ａｎｄ３．４４％ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ：Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｓｏｍｅａｂｎｏｒｍａｌｉｔｉｅｓｏｆｍｅｉｏｔｉｃｂｅｈａｖ
ｉｏｒａｎｄｐｏｌｅｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｓｆｏｒｉｎｄｕｃｉｎｇｍｉｃｒｏｓｐｏｒｅａｂｏｒｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
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