全 文 ：北京大学学报(自然科学版) ,第 45 卷, 第 3 期, 2009 年 5 月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 45, No. 3 (May 2009)
国家自然科学基金资助项目( 30370091)
收稿日期: 2008- 04-24; 修回日期: 2008- 05-13
豆科两型豆地上、地下花的比较胚胎学研究
单憬岗1 张义2 耿世磊3 饶广远1, ­
11 北京大学生命科学学院,北京 100871; 21 黑龙江大学农业资源与环境学院, 哈尔滨 150080;
31 华南农业大学生命科学学院,广州 510642; ­ 通讯作者, E-mail: rao@pku1 edu1 cn
摘要 两型豆同一植株上同时产生 3种类型的花,即地上开放花、地上闭锁花和地下闭锁花。它们分别发育成熟
于地上和地下。利用常规的石蜡切片和扫描电镜技术对地上和地下花的形态及胚胎学过程进行了研究。结果表
明: 1) 地上开放花的花药 4室, 绒毡层为腺质型,小孢子四分体四面体型,胞质分裂同时型, 二细胞型花粉, 胚珠弯
生,双珠被, 厚珠心,胚囊发育为单孢蓼型, 胚发育为柳叶菜型,核型胚乳; 2) 地下花的胚胎学特征与地上花基本相
同,主要差异表现在花药 2 室,小孢子四分体以四面体型为主(可见左右对称型) , 胞质分裂同时型与连续型共存。
同时,结合已有资料, 对豆科蝶形花亚科植物的胚胎学特征进行了比较分析, 探讨了两型豆属植物的系统位置。
关键词 两型豆; 豆科; 开放花; 闭锁花; 胚胎学
中图分类号 Q132
Comparative Embryology of Aerial and Subterranean Flowers of
Amphicarpaea edgeworthii Benth1 ( Leguminosae)
SHAN Jinggang
1
, ZHANG Yi
2
, GENG Shilei
3
, RAO Guangyuan
1, ­
11 College of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871; 21 College of Agricultural Resources and Environment,
Heilongjiang University, Harbin 150080; 31 College of Life Sciences, South China Agricultural University,
Guangzhou 510642; ­ Corresponding Author, E-mail: rao@pku. edu. cn
Abstr act Amphicarpaea edgeworthii Benth. is an amphicarpic legume widespread in China, of which three types of flowers can
be produced in the same individual: aerial chasmogamous flowers, aerial cleistogamous flowers, and subterranean cleistogamous
flowers. The morphological and embryological characteristics of aerial and subterranean flowers were examined by light and
scanning electronic microscopes. The anther of aerial chasmogamous flowers was 4- sporangiate, and of Glandular tapetum.
Cytokinesis of microspore mother cells in meiosis was of the Successive type, and tetrads were tetradedral. The mature pollen
grains were 2-celled. The ovule was biteguminous and crassinucellate. The development of embryo sacwas of the Polygonum type.
The embryogeny was of the Onagrad type, and endosperm development corresponded to the Nuclear type. The embryological
characteristics of the subterranean flowers were quite similar to those of aerial chasmogamous flowers. The main differences from
the latter were: the anther was 2- sporangiate; the meiosis of microspore mother cells was accompanied by the Simultaneous and
Successive types, and tetrads were tetrahedral and isobilateral. Meanwhile, embryological data available in Papilionoideae plants
were analyzed, and the phylogenetic position of A. edgeworthii was discussed.
Key words Amphicarpaea edgeworthii Benth. ; Leguminosae; chasmogamous flowers; cleistogamous flowers; embryology
两型豆( Amphicarpaea edgeworthii Benth. )隶属豆
科、蝶形花亚科、两型豆属 ( Amphicarpaea Elliot) , 为
一年生缠绕草本[1 ]。该物种在中国分布广泛, 常见
于林下、溪边、路旁,适宜生长于阴湿且略有人为干
扰的生境。
两型豆最显著的特征在于它一个植株上同时产
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DOI：10.13209/j.0479-8023.2009.060
生3种类型的花,即地上开放花、地上闭锁花和地下
闭锁花 [2-3 ] ; 它们分别发育成熟于地上和地下, 形成
形态、大小迥异的果实,即俗称的/豆0。地上开放花
为典型的蝶形花 [4] ; 而两种闭锁花形态相同, 都是
不完全花,由 5个完全闭合的萼片、5个花瓣残基,
10个发育不同的雄蕊及 1 个心皮组成。开放花和
闭锁花,尤其是地上开放花和地下闭锁花的个体发
育研究表明,它们的花部各器官在形态发育的早期
基本一致, 但在发育过程中开放花和闭锁花之间出
现了形态分化[5 ]。同时, 研究还表明[6 ] , 闭锁花的
10个雄蕊发育不相等,仅靠近柱头侧的 2个雄蕊正
常发育、产生花药,花药仅具 2个药室而非开放花的
4个药室(见图 1)。我们的野外观察也发现地下闭
锁花形成的荚果呈圆形或椭圆形, 果皮薄、膜质不开
裂,通常内含 1粒种子。地上开放花发育成典型的
荚果, 内含 3~ 4粒种子。地上与地下种子在形态、
大小上存有较大的差别, 地下种子约为地上种子的
5~ 10倍(图 2( r) )。不知这种形态上的差异是否源
于形成种子的有性生殖过程。
关于两型豆地上、地下花的形态发生过程以及
在花器官上的差异已有研究[6] , 但对其内部结构以
及有性生殖过程还未见报道。本文运用常规石蜡切
片的方法,结合扫描电镜的观察, 探讨两型豆地上开
放花与地下闭锁花的大、小孢子发生, 以及雌、雄配
子体发育和胚胎发育过程, 比较分析两种花之间的
异同,为该属植物的生殖生物学及系统与进化研究
积累证据。
1 材料与方法
研究材料采自北京郊区金山和小龙门的两型豆
自然居群。所取地上、地下花的材料固定并保存于
FAA溶液中。一部分材料用于两型豆的胚胎学研
究, 以常规石蜡切片程序制片, 切片厚度为 8Lm, 用
番红染色,固绿复染。ZEISS 显微镜观察并照相。
另一部分材料用于花器官个体发育的扫描电镜
观察,观察材料经系列酒精脱水至 88%酒精, 解剖
镜下初步解剖,除去萼片; 接着脱水至无水酒精, 再
经无水酒精与乙酸异戊酯梯度脱水至纯乙酸异戊
酯; 然后临界点干燥,进一步解剖后喷金,在 Hitachi
S-800 SEM 30 KV下观察并照相。
( a)地下花个体发育后期扫描电镜照片,示雄蕊、雌蕊及一个退化花瓣的形态; ( b)地下花雄蕊之花药横切面图,示每个花药含两个药
室; ( c)地上开放花个体发育后期扫描电镜照片,示雄蕊群及雌蕊; ( d)地上开放花雄蕊之花药横切面图,示每个花药含 4个药室。
字母缩写: A 外轮雄蕊; a 内轮雄蕊; C 心皮; P 花瓣; St 柱头; T花丝管
比例尺: ( a) , ( b) , ( d) : 50 Lm; ( c) : 100 Lm
图 1 地上、地下花雌雄蕊形态及结构
Fig. 1 Figures showing the morphological and structural characteristics of pistil and stamens in aerial and subterranean flowers
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北京大学学报(自然科学版) 第 45 卷
2 观察结果
211 地上开放花
21111 雌蕊、胎座及胚珠形态
两型豆地上开放花之雌蕊为单心皮雌蕊, 单室
子房内含 3~ 4个胚珠(通常为 3个)、边缘胎座、弯
生胚珠,子房基部具隔膜蜜腺。孢原时期,靠近珠心
基部形成内、外珠被原基, 进而形成内、外双珠被。
内、外珠被共同形成珠孔。珠心为厚珠心型。
21112 小孢子发生与雄配子体发育
地上开放花具二体雄蕊, 即10个雄蕊中 9个联
合、1个分离,每个雄蕊之花药含 4个药室。药室壁
由5层结构组成, 即表皮、药室内壁、2层中层、绒毡
层。花药壁的发育类型属基本型。绒毡层为腺质
型。在花药发育的早期, 孢原细胞起源于花药原基
4个角隅的表皮下细胞。孢原细胞较周围细胞体积
大、胞质浓、核较大, 经过 1次平周分裂,形成 1个初
生周缘细胞和 1个初生造孢细胞。初生造孢细胞再
经数次发育形成次生造孢细胞(图2( a) ) , 次生造孢
细胞直接发育成小孢子母细胞。此时绒毡层已出现
(图2( b) )。
小孢子母细胞减数分裂过程中的胞质分裂为同
时型, 四分体的排列为四面体型。在小孢子母细胞
减数分裂前期 I, 可以看到胼胝质壁在小孢子母细
胞周边开始积累,并一直保持到小孢子从四分体释
放才消失(图2( c) )。小孢子母细胞的减数分裂在同
一药室中基本同步, 但不同药室间相差较大 (图
2( c) )。
刚释放出来的小孢子多呈四面体形, 尔后发育
成圆球形(图2( d) )。随着小孢子的发育和液泡化程
度的增高,其细胞核慢慢移动向细胞一侧。随后, 小
孢子发生不均等的有丝分裂, 形成营养细胞和生殖
细胞。营养细胞占据花粉的绝大部分体积; 生殖细
胞较小,呈梭形或半月形,紧贴花粉壁。接着两细胞
间的细胞壁逐步消失, 生殖细胞慢慢融入营养细胞
的细胞质里, 变成长椭圆形。此时, 花粉发育成熟
(图2( e) )。
21113 大孢子发生和雌配子体发育
孢原细胞较周边细胞体积稍大、胞质浓、核稍
大,位于一层珠心表皮细胞下(图2( h) )。孢原细胞
经不等平周分裂产生 1个初生周缘细胞和 1个初生
造孢细胞, 后者不经分裂直接发育成大孢子母细胞
(图2( i) )。大孢子母细胞发育时,初生周缘细胞经
多次平周分裂将大孢子母细胞推入珠心组织深处,
形成厚珠心的胚珠。
胚囊发育方式为单孢的蓼型。大孢子母细胞经
减数分裂形成呈线形排列的四分体 (图2( j) )。随
后, 珠孔端3个大孢子逐渐退化,合点端的发育成功
能大孢子并进一步形成单核胚囊。单核胚囊之核经
有丝分裂形成两个核,随后形成具有极性的二核胚
囊(图2( k) )。两个核各进行两次有丝分裂后渐次形
成四核胚囊、八核胚囊(图2( l)和(m) )。八核胚囊很
快进行胞质分裂,珠孔端 4个核形成卵器和 1个上
极核,合点端的则分化出 3个反足细胞和 1个下极
核。成熟胚囊中的卵细胞珠孔端为一大液泡占据,
细胞核位于合点端(图2(m) ; 助细胞较大,珠孔端壁
具丝状器(图2(m) )。上、下极核在受精前不融合且
靠近卵器(图2( l) )。反足细胞呈/品0字形排列(图
2( l) ) , 存在时间较短,受精前退化。
21114 受精作用
地上花的成熟花粉具 2个细胞,即 1个营养细
胞和 1个生殖细胞。花粉粒落到柱头上后, 萌发出
花粉管,进入花粉管的生殖细胞经分裂形成 2个精
子。花粉管经 1个助细胞进入胚囊并释放出两个精
子, 其一与卵结合成合子(图2( f) ) ,另一精子则游向
中央细胞的极核, 与此同时上、下极核开始融合并与
精子结合形成初生胚乳核。
21115 胚与胚乳发育
2111511 胚的发育
合子分裂前要经历休眠。此时期的合子体积随
液泡缩小而变小, 胞质变浓, 核与细胞器都分布在合
点端,珠孔端只有少量细胞器与 1个大液泡, 合子成
为高度极化的细胞。合子首次分裂为横分裂, 形成
二细胞原胚, 其基细胞明显大于顶细胞,顶细胞则具
浓厚的细胞质(图2( n) )。基细胞将发育成胚柄, 顶
细胞将发育成胚体。胚柄液泡化程度很高。地上花
胚胎发育类型为柳叶菜型[7]。二细胞原胚的顶细胞
纵裂、基细胞横裂相继形成三细胞和四细胞原胚。
由四细胞发育成八细胞原胚后, 胚体细胞分裂速度
明显快于胚柄细胞。原胚经多次分裂后逐次形成棒
状胚(图2( o) )、球形胚(图2( p) )。球形胚的胚体顶
端两侧分裂速度加快、形成子叶原基相继形成了心
形胚和鱼雷胚。随后胚体又进一步发育形成两片子
叶、胚芽、胚轴和胚根(图2( q) )。
2111512 胚乳的发育
两型豆地上花的胚乳发育方式为核型[8 ]。初生
胚乳核的首次分裂早于合子, 且分裂(图2( g) )速度
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第 3 期 单憬岗等: 豆科两型豆地上、地下花的比较胚胎学研究

(a)小孢子次生造孢细胞; ( b)小孢子母细胞; ( c)小孢子四分体; ( d) 单核花粉粒; ( e)二胞花粉粒, 箭头示生殖细胞; ( f)受精
卵,精核(箭头所示)、卵核尚未融合; ( g)分裂中的胚乳核; ( h)大孢子孢原细胞(箭头所示) ; ( i)大孢子母细胞; ( j)大孢子四分
体; ( k)二核胚囊; ( l) , ( m)八核胚囊的两张连续切片; (n)二细胞原胚; ( o)棒状胚; ( p)球形胚; ( q)幼胚; ( r)地上、地下种子大
小比较,大者为地下种子
字母缩写: Ant 反足细胞; Ca 顶细胞; Cb基细胞; EC 卵细胞; PN 极核; Syn 助细胞
比例尺: ( a) , ( b) , ( g)- ( i) , ( l) , ( m) : 10Lm; ( c) , ( j ), ( k) , ( o) : 25 Lm; (d)- ( f) , ( n) : 5 Lm; ( p) : 50 Lm; ( q) : 200 Lm; ( r) : 4 mm
图 2 地上开放花的胚胎学特征及地上、地下种子的比较
Fig12 The embryological characteristics of aerial flowers and the comparison of aerial and subterranean seeds
398
北京大学学报(自然科学版) 第 45 卷
( a)小孢子次生造孢细胞; ( b)小孢子母细胞; ( c)小孢子二分体两个核同时分裂,为同时型胞质分裂; ( d)即将形成的四面体型小孢子
四分体(处于分裂末期) ; ( e)单核花粉粒; ( f)二胞花粉粒,箭头所示为生殖细胞; ( g)大孢子孢原细胞(箭头所示) ; ( h)大孢子母细胞;
( i)大孢子四分体; ( j)二核胚囊; ( k)八核胚囊时期; ( l)棒状原胚; ( m)心形胚; ( n)正常发育的胚珠与败育胚珠(箭头所示) ; ( o)幼胚
字母缩写: Ant 反足细胞; EC卵细胞; PN 极核
比例尺: ( a) , ( b) , ( i) , ( k) , ( l) : 25 Lm; ( c)-( h) , ( j) : 10 Lm; ( m) : 50Lm; ( n) : 200 Lm; (o) : 100Lm
图 3 地下花的胚胎学特征
Fig. 3 The embryological characteristics of subterranean flowers
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第 3 期 单憬岗等: 豆科两型豆地上、地下花的比较胚胎学研究
比合子快。胚乳核多次分裂后以游离状态分布于细
胞质中。当胚发育至小球形胚时,胚乳游离核之间
以自由壁的形式开始细胞化。但随着胚体的进一步
发育,胚体周围的胚乳细胞又开始解体。当子叶、胚
根、胚轴分化形成时,大部分胚乳细胞已解体。
212 地下花
地下花的胚胎学发育过程与地上开放花的十分
相似, 只存在少量差异。本文仅阐述地下闭锁花与
地上开放花在花器官和胚胎学发育过程中的相异之
处,具体体现在如下几个方面: 1) 地上开放花每一
子房含 3~ 4个胚珠, 通常为 3个且均能发育成种
子; 地下花则含 1~ 2个胚珠,一般为 2个,但只有 1
个能发育成种子(图3( n) ) ; 2) 地上花有隔膜蜜腺,
地下花没有; 3) 地上花每花药含 4个药室, 地下花
的为 2个(图 1) ; 4) 地上花 10个雄蕊均发育成熟,
地下花的则有 8个败育, 仅柱头侧 2雄蕊发育成熟
(图 1( a)和( c) ) ; 5) 地上花小孢子母细胞减数分裂
时胞质分裂为同时型; 地下花的既有同时型, 也有
连续型; 6) 地上花小孢子四分体的排列为四面体
型,地下花的以四面体为主,也可见左右对称型; 7)
地下花大孢子四分体排列除线形外还有少量 T形,
地上花则全为线形。
3 讨论
两型豆地上花有开放花和闭锁花两种形态,而
地下花则全为闭锁花。从形态上看, 开放花与闭锁
花的最大区别在于前者为典型的蝶形花; 而后者为
不完全花,萼片 5个、闭合,花瓣 5 个、发育不完全,
雄蕊 10个、离生,心皮 1个。同时, 开放花雄蕊之花
药由 4个药室组成, 而闭锁花的仅具 2个药室。此
外,开放花之雌蕊所形成的果实为典型的荚果,通常
含3粒种子,而闭锁花所形成的果实圆形或椭圆形,
果皮薄、膜质不开裂,通常含 1粒种子。这也是该种
植物 ) ) ) 三籽两型豆名称之由来。
两型豆隶属豆科、蝶形花亚科、菜豆族、大豆亚
族、两型豆属,其地上、地下花的胚胎学发育过程十
分相似,只存有细微差异。为了解两型豆在豆科尤
其是蝶形花亚科中的系统地位,我们对已发表的蝶
形花亚科植物的胚胎学资料进行了比较分析。结果
表明大豆亚族大豆属的栽培大豆、半野生大豆、野生
大豆[9 ] ,葛属葛藤[10 ]以及本文所研究的两型豆, 它
们在绝大多数胚胎学特征上高度一致, 略有差异的
仅表现在小孢子胞质分裂、小孢子四分体形状、大孢
子四分体形状、花药壁层次等方面。就两型豆而言,
它与该亚族大豆的胚胎学特征非常相似。在该亚族
植物中仅两型豆具有地下闭锁花, 因此大豆与两型
豆胚胎学方面的差异也主要体现在地下闭锁花与地
上开放花之间的不同上, 即前者花药 4室, 药壁 5
层, 后者有些花药 2室,药壁 4层; 其次是小孢子胞
质分裂,大豆是同时型, 两型豆兼具同时型和连续
型。
迄今已报道的菜豆族其他亚族植物的胚胎学资
料较少, 仅发现有红小豆 [11- 13 ]、长豇豆[14-15]和绿豆 [16 ]
的不完全资料。经比较分析发现它们与大豆亚族已
存有一定差异,主要表现在长豇豆的绒毡层为变形
绒毡层, 而大豆亚族的为腺质绒毡层; 大豆亚族植
物胚胎发生类型为柳叶菜型, 绿豆除柳叶菜型外还
存在茄型,而红小豆全部是十字花科型。
从整个蝶形花亚科 [17 ]看来, 根据对菜豆族、山
羊豆族(蒙古黄芪 [18 ]、膜荚黄芪[19 ]、甘草[20 ])和野决
明族(沙冬青[21-22]、矮沙冬青[23-24 ])植物的胚胎学资
料分析, 族间的分异要大于族内, 但总体而言并不太
显著,如都是二细胞成熟花粉,边缘胎座,胚珠弯生、
双珠被、厚珠心, 蓼型胚囊, 短命反足细胞, 核型胚
乳, 等等。本亚科植物在胚胎学方面的分异主要体
现在胚发生类型与药壁发育类型上。在胚发生类型
方面,比较特殊的就是上文提及的红小豆和绿豆。
蝶形花亚科植物药壁发育一般为基本型, 特别的是
甘草为双子叶型、黄芪属为单子叶型。除胚发生及
药壁发育类型之外,该亚科植物在其他胚胎学性状
上分异不大[25-26]。
胚胎学性状相对稳定, 一向被认为比大多数形
态、解剖学性状更保守,因此在研究高级分类单元(属
以上)的系统发育时,更具有系统学意义[27]。从上述
资料来看,两型豆与大豆亚族植物的亲缘关系最近,
其次为菜豆族,这与其现有系统分类比较吻合。
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