全 文 ：鹅掌楸属树种的胚胎学研究进展＊
尹增芳1 ,黄坚钦2 ,樊汝汶1
(1.南京林业大学森林资源与环境学院 ,江苏 南京 210037;2.浙江林学院生命科学学院 ,浙江 临安 311300)
摘 要:目前 , 鹅掌楸属树种的胚胎学研究可以划分为 3 个阶段 ,即描述胚胎学阶段 、比较胚胎学阶段以及实
验胚胎学阶段 ,研究内容涉及了雌 、雄配子体的构建 ,传粉与受精作用的完成 ,胚与胚乳的发育及种子的形成 ,
性细胞的分离以及未成熟胚的培养等方面。笔者概述了鹅掌楸属树种的一般胚胎学过程与杂交胚胎学的研
究结果 ,以及实验胚胎学的研究进展 , 并针对鹅掌楸属树种生殖细胞工程和体细胞胚胎发生系统的建立等研
究领域进行了展望性的讨论。
关键词:北美鹅掌楸;鹅掌楸;胚胎学;综述
中图分类号:S718 文献标识码:A 文章编号:1000-2006(2005)01-0088-05
Advances in Embryological Study of Liriodendron spp .
YIN Zeng-fang1 , HUANG Jian-qin2 , FAN Ru-wen1
(1.C ollege of Forest Resources and En vi ronmen t Nanjing Forest ry University , Nanjing 210037 , C hina;
2.Ins ti tu te of Life S cien ce Zhejiang Fores t ry College , Lin an 311300 , China)
Abstract:Possessing considerable vendibility ,Liriodendron spp .are kinds of important w ood-
y and ornamental t rees.Researchers have w ell done lo ts of research fo cusing on the basic em-
bryo logy o f breed techniques in Liriodendron spp .fo r a long time.Concerning embryological
researches o f Liriodendron spp .in detail , three stages should be divided , that is , descript ive ,
comparative , and experimental embryology .Most o f those re sea rches w ere focused on the de-
velopment of male and female gametophy te , the accomplishment of pollination and fer tiliza-
tion , the fo rmation of embryo and endosperm , the const ruct ion of seed (including hybrid
seed), the separation of sexual cell , and the cul ture of immature embryo.The resul ts of the
general embryolog ical process and hybrid embryolo gy as well as the advances o f experimental
embryolog y we re summarized in this paper.The prospect ive st rategy for further explorat ion ,
which includes generative cell engineering and somatic cell embryogenesis sy stem on this
field ,was also discussed.
Key words:Liriodendron tulipi f era;L.Chinense;Embryology ;Review
鹅掌楸属(Liriodendron)隶属木兰科 ,是重要的经济用材及园林观赏树种。有关木兰科(Magnoli-
aceae)植物的胚胎学研究已有 100多年的历史 ,早期研究主要集中在木兰属(Magnolia),而鹅掌楸属的
研究资料较少 ,国外学者只是初步研究了北美鹅掌楸(Liriodendron tul ipi fera L.)的胚胎发生和种子
发育过程 ,并以其为代表进行了属间比较[ 1 , 2] 。自 20世纪 80年代以来 ,鹅掌楸属植物胚胎学 ,杂交胚胎
学以及实验胚胎学研究取得了长足的进展 ,从一般胚胎学特征的描述 ,种间杂交种胚胎学过程的比较 ,
深入到实验胚胎学研究 ,研究内容涉及了鹅掌楸属植物花芽的形态发生[ 3] 、雌雄配子体的发育 、传粉与
受精过程 、胚胎特别是杂种胚的发生与发育 ,以及性细胞的分离和幼胚培养等研究领域 ,取得了突破性
的研究进展。鹅掌楸属植物鹅掌楸(L .chinense(Hemsl.)Sarg.)和北美鹅掌楸天然分布区各不相同 ,
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第 29 卷第 1 期
2005 年 1 月
南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
Journal of Nanjing Forest ry University(N atural Sciences Edition)
Vo l.29 , No.1
Jan., 2005
＊ 收稿日期:2004-08-12 修回日期:2004-12-24
基金项目:南京林业大学创新基金资助项目
作者简介:尹增芳(1966-),女 ,副教授 ,博士。
北美鹅掌楸分布于美国东部和加拿大东南部等地 ,鹅掌楸多分布于中国长江流域以南亚热带地区[ 4] 。
自 20世纪 30年代以来 ,南京地区引种栽植了北美鹅掌楸 ,其物候期特征与鹅掌楸非常相似。虽然北美
鹅掌楸花部特征与中国的鹅掌楸有很多差别 ,但是其大小孢子发生 、雌雄配子体发育等胚胎学过程几乎
完全相同 ,因此 ,笔者以鹅掌楸为例来综述鹅掌楸属树种的一般胚胎学研究进展 。
1 鹅掌楸属树种的一般胚胎学特征
1.1 鹅掌楸配子体的发生与发育
(1)雄配子体 鹅掌楸雄配子体的发生发育符合大多数被子植物的发育特征 ,在造孢细胞开始分化
形成花粉母细胞的过程中 ,其胞间层的溶解 ,胼胝质的沉积 ,染色质的凝集和细胞质 、细胞器的改组是同
步发生而又相伴发育的。小孢子母细胞减数分裂后 ,以形成缢裂沟的方式完成胞质分裂 ,构成左右对称
型或正四面体型四分体小孢子[ 5] 。单核小孢子在萌发孔的相对侧靠近小孢子壁处发生不均等的有丝分
裂形成大小不同的两个细胞 ,并进一步发育形成分隔生殖细胞和营养细胞的纤维素壁 。后期生殖细胞
和营养细胞间发生有规律的位移和形态变化 ,在营养细胞质中 ,生殖细胞被大量的脂质小泡所包裹 ,形
成脂体冠的结构 。生殖细胞的纤维素壁消失较迟 ,在与营养细胞核贴合并分离后 ,纤维素壁才完全解体
消失[ 6] 。在花粉萌发后花粉管进入柱头沟 ,管长为花粉直径的 4 ～ 10倍期间 ,生殖细胞进行不均等的有
丝分裂形成大小不同的两个精细胞 ,两个异型的精细胞与营养核一起组成雄性生殖单位[ 7] 。
花药壁组织的形成及在营养物质转输过程中的作用 ,极大地影响了鹅掌楸雄配子体的发生与发育
的过程。由药隔组织维管束组织运输来的营养物质以可溶性多糖的形式通过药室内壁 、中层 、绒毡层细
胞传送给小孢子母细胞 ,同时在中层和绒毡层细胞中进行物质合成代谢 ,进一步合成转化形成脂类和蛋
白质 。在此过程中 ,蛋白质的动态变化与花粉母细胞的减数分裂密切相关 。而且在单核小孢子时期 ,绒
毡层细胞大量合成脂类物质参与花粉壁以及花粉鞘类物质的合成[ 8] 。
(2)雌配子体 鹅掌楸雌配子体的发生与发育过程包括胚珠原基的形成与发育 、大孢子的发生以及
胚囊的发育等阶段。当雌蕊原基发育至基部开始卷合时 ,卷合的心皮边缘出现染色较深的细胞群 ,这些
细胞进行平周分裂直接发育形成胚珠原基。成熟胚珠多数为典型的倒生型胚珠 ,少数为直生型 。珠孔
端的珠心细胞发生伸长生长 ,伸长至内珠孔口处形成珠心喙 ,合点端部分细胞排列整齐 ,细胞壁较厚 ,组
成承珠盘的结构 。珠心内的大孢子母细胞减数分裂形成直线形大孢子四分体 ,但只有合点端的一个大
孢子进一步发育形成八核胚囊 ,成熟胚囊中卵器成倒“品”字形 ,卵细胞近卵圆形 ,初生极核相互贴接至
开花 5 d后才相互融合 ,反足细胞随着胚囊的成熟而退化 ,此时胚囊为倒梨形结构 ,为典型的蓼型胚囊
特征 。在胚珠及胚囊发育过程中淀粉粒的动态变化 ,发现多糖类物质经胚珠合点向珠被 、珠心 、胚囊转
移 ,具有向心运输 、积累的特征 ,为胚囊的发育提供营养物质[ 9] 。
1.2 鹅掌楸有性生殖过程中的原始性状
在花粉发育过程中 ,小孢子四分体的形成主要是由于缢裂沟的发生和发育 ,并且缢裂沟的发育方式
属于同时型和连续型之间的过渡类型 ,只有极少数花粉的发育为连续型。一般认为同时型较原始 ,连续
型较进化 ,因此鹅掌楸花粉的形成方式属于较为原始的类型[ 4] 。鹅掌楸花粉发育的原始性也同样体现
在花粉壁的形成过程中 ,花粉外壁内层的结构为片层结构 ,与许多裸子植物花粉壁的结构相似 ,其壁的
形成是界于裸子植物与被子植物之间的过渡类型 ,表明了鹅掌楸原始的系统分类位置[ 5] 。同样 ,鹅掌楸
离心皮雌蕊的发生重演了大孢子叶至心皮的过程 ,心皮最终也未分化完善 ,腹缝线结合处仅由数层结合
不够紧密的细胞组成[ 10] 。雌配子体发育过程的原始性状还表现在边缘胎座 、厚珠心 、具有珠心喙等
特征[ 1 , 9] 。
1.3 败育现象
鹅掌楸雌 、雄配子体发育过程中存在败育现象 ,是限制鹅掌楸生殖成功的重要因素之一。雄配子体
的败育多发生在四分体形成之前 ,少数发生在四分体形成之后 ,是由于花粉形成过程中存在异常现象造
成的[ 10] 。花粉的败育导致了花粉产量和质量的降低 ,从而影响鹅掌楸生殖过程中传粉受精及结籽的能
力。同样地 ,鹅掌楸雌配子体发育过程亦存在败育现象 。研究结果表明 ,在胚囊形成的每一个阶段都存
在败育现象 ,尤其以大孢子四分体阶段最多[ 11] 。秦慧贞等研究了败育胚囊的细胞学特征 ,发现大孢子
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2005 年 总第 115 期 尹增芳等:鹅掌楸属树种的胚胎学研究进展
液泡化以后 ,不少成为一个长椭圆形的空腔 ,追踪不到胚囊核 ,或胚囊停留在 1 ～ 2 核时期 ,核不呈完整
的圆形 ,核仁不清楚或核质浓缩 ,这类胚囊一般不发育 。即使是发育成熟的胚囊 ,周缘常破裂 ,卵细胞和
助细胞的界限不清晰 ,或助细胞过早消失 ,仅留下发育不全的卵细胞 。此外胚囊成熟约需 5 ～ 6 d ,若不
及时受精 ,胚囊就会解体[ 12] 。
1.4 传粉与受精
鹅掌楸的花为虫媒花 ,主要依靠蜜蜂 、蝇类和甲虫类进行传粉。在自然条件下 ,鹅掌楸不同花期开
放的花朵 ,所接收到的花粉量是不一致的 ,在中期开放的花朵接受的花粉量较多 。同时研究还发现在鹅
掌楸花的离心皮雌蕊中 ,下部柱头接受了花粉较多 ,中部柱头次之 ,而上部柱头接受的花粉最少[ 13] 。在
花绽放初期 ,呈翅状伸展柱头表面分泌形成传粉滴 ,在未授粉的状态下 ,传粉滴可维持 3 d左右 ,第4天 ,
未传粉的柱头变褐枯萎。一般地 ,从传粉到双受精作用的完成大约需要 5 d左右的时间[ 15 ] 。
花粉被传播到柱头上以后 ,很快发生水合作用 ,此时花粉形态为圆球形 ,2 h 后花粉萌发 ,花粉管穿
过柱头毛间的分泌物向下生长 ,通过解体的柱头沟进入花柱沟。在花粉管长度为花粉直径的 4 ～ 10倍
期间 ,生殖细胞分裂形成两个精细胞 ,同一花粉管的两个精子在大小 、形态上存在明显的差异 ,即精子具
有二型性 ,与营养核一起形成雄性生殖单位(Male Ge rm Uni t)[ 7] 。72 h以后 ,花粉管到达胚珠 ,从珠孔
口进入后 ,穿过珠心喙到达胚囊 ,其后花粉管进入助细胞 ,释放两个精细胞 ,鹅掌楸的双受精过程属于典
型的有丝分裂前型[ 15] 。
1.5 种子的形成
鹅掌楸胚乳发育类型为核型胚乳。黄坚钦等在传粉后 10 d的材料中 ,观察到初生胚乳核首先在珠
孔端经两次分裂形成四个游离胚乳核 ,然后逐渐发育形成细胞壁。鹅掌楸胚的发育稍滞后于胚乳 。受
精后 2 ～ 3周 ,合子处于休眠状态 ,此时胚乳细胞开始形成。授粉后 5周 ,可在珠孔端观察到 8-细胞的
原胚 。第 7 ～ 8周 ,在珠孔端形成球形胚或心形胚 。第 14 ～ 15周 ,鱼雷胚形成 ,这时胚轴胚根已经分化
形成 。第 15 ～ 16周 ,开始子叶胚的分化[ 14] 。此时种皮也逐渐发育形成 ,最终种皮由外珠被外表皮形成
的膜层和中层形成的气室以及内外珠被的内表皮形成的硬化层组成 ,与胚和胚乳一起构成种子[ 15] 。
2 鹅掌楸属种间杂交的胚胎学特征
杂交育种工作的关键在于能获得具有生活力的杂交种子 ,了解有性杂交过程中亲和性及其胚胎发
育状况是杂交育种研究领域中的一个重要课题。早在 20世纪 60年代 ,通过杂交育种手段成功地培育
了鹅掌楸属的 F1代优良品种 ,但缺乏系统的胚胎学资料 。自 1987年以来 ,针对中国鹅掌楸与北美鹅掌
楸不同组合的种间杂交后胚胎发生发育过程进行了系统的研究 ,现已查明了发生杂交障碍的发育阶段 ,
为杂交育种工作提供了详实的胚胎学理论依据。
2.1 花粉萌发与花粉管生长
鹅掌楸属树种柱头对花粉的选择性不强 ,不同杂交组合间花粉的萌发状况相似 。有关花粉管的早
期生长行为的研究表明 ,鹅掌楸属种内与种间正 、反交是亲和的[ 16 , 17] ,但花粉管在花柱沟内生长速度较
慢 ,并且在此阶段多数花粉管解体破裂 ,所以杂交组合之间的识别反映发生在花柱组织中 。通过花柱到
达珠孔的花粉管的数量较少 ,有可能导致受精几率的降低[ 18] 。
2.2 结籽率
观察比较鹅掌楸属单株自然状态下与人工辅助授粉在不同杂交组合中结籽率的变化 ,发现单株在
自然状态下 ,结籽率几乎为 0。附近有少量花粉源 ,即有少量授粉花枝时 ,能进行自然授粉 ,结籽率可达
到 3.23%。以北美鹅掌楸为父本时 ,结籽率可提高到 20.83%,最高可达 37.50%。以鹅掌楸为父本 ,
控制授粉的平均结籽率最低为 15.04%, 最高为 24.88%,而单个聚合果的最高结籽率可达 63.4%,可
见控制授粉的效果十分显著[ 18] 。影响结籽率的因素是多方面的 ,S teinhubel G .认为北美鹅掌楸花被分
化不明显 ,花冠没有特异的结构 ,传粉者不具专一性 ,花粉/胚珠的比值下降 ,可授期短 ,单花花期不遇 ,
自花不亲和等因素可能严重影响了北美鹅掌楸的结籽率水平[ 19] 。在不同杂交组合中 ,不仅花粉 、胚珠
和胚囊存在败育现象 ,而且花粉萌发后大量花粉管滞留在花柱沟中 ,可见发生于柱头沟的不亲和 ,导致
花粉管进入花柱组织受阻 。即使花粉管生长至胚珠 ,也会表现为扭曲 、盘绕的现象 ,从而阻碍了受精作
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南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 29 卷 第 1 期
用的完成 ,导致结籽率降低[ 11 , 16 , 17 , 20 ～ 22] 。方炎明等研究了连续 3年内天然群体与人工群体的生育力 ,发
现不同群体间结籽率有显著差异 ,同一群体不同年份间可塑性极大 ,在一个群体中个体间 、聚合果间以
及聚合果内不同部位间饱满果实数和种子数的方差分量各不相同 ,饱满果实数与总果实数不呈负相关 ,
说明结籽率不受资源限制 ,花粉限制可能是结籽率低的重要原因之一 ,花粉通过交配系统的进化与选择
以及环境压力而起作用 ,结果限制了鹅掌楸的生殖成功[ 23] 。
3 鹅掌楸属树种的实验胚胎学研究
在研究鹅掌楸属树种有性生殖过程的形态发生规律基础上 ,深入地研究其控制途径是当前鹅掌楸
属树种胚胎学研究发展的主流 。迄今为止 ,鹅掌楸的实验胚胎学研究多集中于性细胞的分离 、胚的离体
培养等方面 ,并取得了一定的研究进展 。
3.1 鹅掌楸性细胞的分离
性细胞的分离和纯化开辟了植物体外受精系统的实验研究领域 ,是实验胚胎学以及植物生殖工程
技术发展的基础之一 。成熟的鹅掌楸花粉多为二细胞型 ,利用含 10%蔗糖的 BK 培养基体外培养花
粉 ,其萌发率可达 85%以上 ,生殖细胞的花粉管中分裂形成 2个精细胞 。利用研磨法并结合密度梯度
离心技术可获得大量精细胞 ,研究证实利用上述方法所获得的精细胞在室温条件下可存活 4 h[ 24] 。此
外 ,笔者利用果胶酶 、纤维素酶混合液在 25 ～ 28 ℃下震荡处理 8 h左右 ,并结合压片法可分离鹅掌楸发
育成熟的胚囊 ,但由于鹅掌楸离心皮雌蕊中只有 1 ～ 2枚胚珠发育 ,胚囊发育过程中亦存在败育现象 ,胚
珠具厚珠心等因素 ,严重影响了所分离的胚囊数量 ,很难大量富集成熟胚囊 ,因此雌配子的分离技术尚
需进一步的研究 。
3.2 胚的培养
胚的培养大致可以划分为两类 ,即未成熟胚的培养和成熟胚的培养。相对于成熟胚而言 ,未成熟胚
的培养要求更复杂的培养基 。Merkle 等将北美鹅掌楸未成熟的合子胚培养在添加了 2 ,4-D和 BA 等
成分的改良 Blaydes 培养基上 ,在培养了 2个月后获得黄白色的愈伤组织 ,将愈伤组织转移至基本培养
基 1个月后 ,获得体细胞胚 ,但转化率很低 , 如果利用悬浮培养的方法则可获得高达 70%的转化
率[ 25 ～ 27] 。陈金慧等发现培养基中外源激素的配比对杂种鹅掌楸胚性愈伤组织的诱导及生长有很大的
影响 ,2 ,4-D过高或过低均不利于愈伤组织的发生。细胞分裂素 ZT 是杂种鹅掌楸体细胞发生时的关
键因素 ,在适当的浓度范围内(1.0 ～ 4.0mg/L),随着 ZT 浓度的升高 ,体细胞胚胎发生的频率亦随之上
升。加入适当的 ABA ,不仅能够抑制畸形胚的发生 ,而且也能够提高体细胞胚的萌发率 。此外 ,适宜的
渗透压水平可提高杂种鹅掌楸体胚的诱导能力[ 28] 。
在鹅掌楸属树种中 ,体细胞胚胎发生能力与胚的发育状态有着极为显著的联系 。传粉受精 8个月
后 ,处于球形胚和心形胚时期的胚胎 ,其体细胞发生能力最强[ 26 , 28] 。胚胎发育早期或成熟胚都不利于
体胚的诱导 ,而且影响外植体发育状态的积温水平 ,甚至是不同的基因型均可影响体细胞胚胎的发
生[ 28] 。
4 鹅掌楸属胚胎学研究展望
多年来 ,鹅掌楸属树种的胚胎学研究已经获得长足的进展 ,详尽地阐明了鹅掌楸属树种大 、小孢子
的发生 ,雌 、雄配子体的形成 ,传粉与受精途径 ,以及胚胎与杂种胚的发生发育过程 ,不仅为鹅掌楸的杂
交育种技术的发展提供了基础资料 ,而且也为丰富木本植物胚胎学理论宝库提供了重要的理论依据。
鹅掌楸属树种实验胚胎学研究的进展 ,开辟了鹅掌楸属树种的生殖生物学和体外生殖工程的研究领域。
遵循植物生殖生物学的发展方向 ,笔者认为鹅掌楸属树种的生殖细胞工程 、体细胞胚胎发生系统的建立
等应是今后鹅掌楸属树种胚胎学研究的重点领域 。
4.1 生殖细胞工程
建立以性细胞分离为起点的实验操作系统 ,是今后鹅掌楸实验胚胎学研究的努力方向 ,利用分离的
性细胞进一步地开展有性生殖过程中特别发育阶段的细胞生物学研究 ,包括超微结构 、细胞骨架 、免疫
学 、生物化学 、分子生物学等内容的研究 ,可以更加有效地促进人们对鹅掌楸属树种有性生殖过程中性
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2005 年 总第 115 期 尹增芳等:鹅掌楸属树种的胚胎学研究进展
细胞的发育与融合的细胞学 、遗传学及其信号转导特征的认识 ,为实现体外性细胞的培养与保存 、精细
胞和卵细胞的融合取得突破性进展奠定理论基础 。
4.2 体细胞胚胎发生系统
杂交鹅掌楸体细胞胚胎发生体系的建立 ,为进一步研究利用生物反应器大规模生产杂交鹅掌楸体
细胞胚 ,提高生产效率提供了重要的技术保证 。同时 ,可以在分子水平上研究鹅掌楸属树种胚胎发生的
机理 ,阐明控制胚胎发生发育的因素 ,以及与这些因素相关的信号转导系统的调节作用 ,从而找到最终
控制杂种个体发育起点的钥匙 ,其意义是不言而喻的。此外 ,利用鹅掌楸属树种的体细胞胚胎发生体系
建立基因转化系统 ,实现抗病 、抗虫和抗逆性基因的转移 ,改良鹅掌楸树种的遗传品质和适应性 ,对于鹅
掌楸属优良品种的生产和推广亦有经济意义 。
[ 参 考 文 献 ]
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(责任编辑 郑琰炎炎)
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