小毛花粉管再分配的觀察

小毛花粉管再分配的觀察

花粉位于雌性器官的分散、發(fā)芽和花粉管的生長(zhǎng)，以及水果球的到達(dá)是植物有性生殖成功的先決條件。因此，傳粉效率被認(rèn)為與收獲時(shí)間相關(guān)。Wang等(2002)在小慈姑(SagittariapotamogetifoliaMerr.)的多心皮雌蕊群中發(fā)現(xiàn)花粉管可穿過雌蕊的基部到達(dá)花托表層而后進(jìn)入另一雌蕊中,這種現(xiàn)象被稱為“花粉管再分配(pollentubereallocation)”,并被認(rèn)為對(duì)多心皮類的生殖保障有重要意義。此前,Williams等(1993)也曾在一種八角科植物Illiciumfloridanum中觀察到花粉管在心皮間的生長(zhǎng)所形成的“功能性合生心皮”,并把這理解為從離生心皮向合生心皮進(jìn)化的過渡階段。事實(shí)上,由離生心皮向合生心皮的進(jìn)化性轉(zhuǎn)變?cè)?dú)立的發(fā)生過17次(Ambruster等,2002),處在被子植物演化的不同分支中的具多心皮雌蕊群的植物的傳粉效率和是否具有花粉管再分配機(jī)制是值得關(guān)注的問題。小毛茛(RanunculusternatusThunb.)是毛茛科的多年生小草本植物。分布于我國(guó)陜西、河南南部及湖北、湖南、江西、廣西等省區(qū),日本亦有分布(王文采,1995,1980)。廖亮等(1991)曾對(duì)其進(jìn)行過核型分析;張競(jìng)男等(2001)對(duì)其形態(tài)變異作過數(shù)量分析;汪小凡等(2001)用等位酶分析方法研究了該種的居群遺傳分化,并認(rèn)為其居群間的遺傳距離與空間距離呈正相關(guān);王金平等(1999)的研究認(rèn)為該種以蟲媒傳粉為主,花粉萌發(fā)啟動(dòng)較遲緩而花粉活力維持時(shí)間較長(zhǎng)。目前,該種的傳粉效率和花粉管生長(zhǎng)途徑等還未見報(bào)道。小毛茛花為兩性,但它具有與慈姑屬植物相似的離生心皮雌蕊群結(jié)構(gòu)。本研究將統(tǒng)計(jì)小毛茛的傳粉效率,比較觀察該種與慈姑屬植物的花粉管生長(zhǎng)途徑,并探討具離生心皮雌蕊群的植物的不同的生殖保障機(jī)制。1材料和方法1.1花粉粒數(shù)量的觀察供試材料采自武漢大學(xué)校園的小毛茛自然居群。從花瓣開始張開時(shí)計(jì),按開花后0.5d,1.0d,1.5d,2.0d,3.0d和4.0d共分6個(gè)階段取材,每階段約取花10朵,在OlympusSZ-10體視顯微鏡下隨機(jī)觀察每朵花雌蕊群上的20～30個(gè)柱頭,統(tǒng)計(jì)其上落置的同種花粉粒的數(shù)量。計(jì)算出每柱頭的平均授粉量,并統(tǒng)計(jì)每朵花的雌蕊群中已授粉的雌蕊的比例占全部雌蕊的比例,即授粉率。1.2花粉管生長(zhǎng)途徑檢測(cè)取不同開花時(shí)期的小毛茛花中的雌蕊群,以卡諾氏固定液固定1h后轉(zhuǎn)入FAA固定液固定、保存?；ǚ酃軣晒馊旧椒▍⒄誎hoandBaer(1968)、Guo等(1990),TangmitcharoenandOwens(1997)及Wang等(2002)。從固定的雌蕊群中取部分雌蕊,材料經(jīng)蒸餾水漂洗后,以5%NaOH溶液室溫下透明處理2～4h,漂洗,以0.1%水溶性苯胺藍(lán)(以1/30mol/LK3PO4溶液配制)染色0.5～1h;染色好的材料置于載玻片上,以50%甘油(內(nèi)含0.05%水溶性苯胺藍(lán))整體裝片。在OlympusX-60熒光顯微鏡下,用390～430nm波長(zhǎng)的光觀察花粉管的生長(zhǎng)途徑并拍照。取不同開花時(shí)期的野慈姑雌蕊群,以相同方法進(jìn)行熒光染色并觀察其花粉管生長(zhǎng)路徑,作為對(duì)比。1.3faa固定液固定、保存取已受粉的小毛茛和野慈姑雌蕊群,以卡諾氏固定液固定1h后轉(zhuǎn)入FAA固定液固定、保存。采用常規(guī)的石蠟切片法制片,將雌蕊縱切,切片厚度為10μm,番紅-固綠染色,OlympusX-60顯微鏡明場(chǎng)下觀察雌蕊群的結(jié)構(gòu)和花粉管通道并拍照。2結(jié)果2.1傳粉效率2.1.1花時(shí)間及自然授粉率小毛茛每朵花的雌蕊群中平均含離生雌蕊39.2±9.9枚,持續(xù)開花時(shí)間為4～6d。小毛茛開花1d內(nèi)即有約60%的柱頭有花粉落置,而后,自然授粉率逐漸增高,在正常天氣條件下,開花3d后就達(dá)到或接近100%(圖1)。但陰雨天氣可能對(duì)其授粉率有一定影響。2.1.2增加花粉量,減少d從圖2可以看出,小毛茛開花后的0.5～1d平均每柱頭的花粉量并不高,在2d后授粉量劇增,3d時(shí)達(dá)到較高水平,平均每柱頭達(dá)17.0±2.4粒,此后授粉量?jī)H略有增加。2.2花粉管的萌發(fā)和分配經(jīng)0.1%水溶性苯胺藍(lán)染色后在熒光顯微鏡下觀察,小毛茛的花粉粒及花粉管均呈現(xiàn)很強(qiáng)的熒光,可以較為方便地看到花粉粒的落置情況和花粉管的生長(zhǎng)路徑。在開花后的1d中,小毛茛柱頭上雖已落置有少量花粉粒,但極少萌發(fā),開花2d的雌蕊群中才觀察到花粉大多已萌發(fā)出花粉管。落置在柱頭上的花粉萌發(fā)后,所有花粉管沿著柱頭一側(cè)進(jìn)入花柱(圖3:A),在雌蕊向心一側(cè)組織中向子房的基部穿行(圖3:B),至子房基部后,其中部分花粉管在胚珠下方繞行至珠孔,最終有1根進(jìn)入珠心,以完成受精過程(圖3:C,D)?；ǚ蹚穆渲林^,再到萌發(fā)及進(jìn)入胚珠整個(gè)過程約24h。對(duì)照野慈姑的花粉管生長(zhǎng)存在著與其同屬的小慈姑中一樣的“花粉管再分配”途徑(Wang等,2002):花粉管可以穿過子房基部到達(dá)花托表層,進(jìn)而進(jìn)入其他相鄰雌蕊的子房中(圖3:E)。相比之下,小毛茛的花粉管不能穿過子房基部,因而被局限在每一雌蕊內(nèi),不存在花粉管的雌蕊間生長(zhǎng)途徑(圖3:D),其每雌蕊中除1根花粉管進(jìn)入胚珠外,其余中止生長(zhǎng)。事實(shí)上,由于小毛茛具有極高的授粉率,因此,其雌蕊群中的每個(gè)雌蕊的胚珠都有花粉管進(jìn)入。2.3野慈姑組材料小毛茛和野慈姑具有結(jié)構(gòu)相似的離生心皮雌蕊群,但雌蕊的解剖構(gòu)造存在著一種重要的差別(圖3:F,G):從雌蕊的縱切面上看,野慈姑子房的下方有一開口,對(duì)比圖E、G即可知其雌蕊中的花粉管正是經(jīng)過此孔道從子房基部伸出;而小毛茛的子房是完全閉合的,其底部沒有任何開口?？梢哉J(rèn)為,子房基部是否存在著這一穿孔可能是決定是否存在花粉管再分配現(xiàn)象的前提條件之一。3討論3.1小慈姑含油率高對(duì)于一個(gè)多心皮雌蕊群而言,在自然狀態(tài)下其全部柱頭是否能得以授粉以及在授粉率不能保障的情況下如何產(chǎn)生足夠多的具有競(jìng)爭(zhēng)力的子代是值得關(guān)注的問題。在雙子葉多心皮植物鵝掌楸(Liriodendronchinense)中的研究表明,其雌蕊群中的低授粉率直接導(dǎo)致了低結(jié)實(shí)率(黃雙全等,1998)。而單子葉多心皮類群澤瀉科中,結(jié)實(shí)率高于柱頭授粉率則是另一種更為值得注意的事實(shí):自然狀態(tài)下,小慈姑的柱頭授粉率為80%～85%,結(jié)實(shí)率卻接近100%,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),“花粉管再分配”作為一種繁殖保障機(jī)制在其中起著重要作用(Wang等,2002)。此外,閉花授粉通常被認(rèn)為是一種提高傳粉效率的機(jī)制,因而是保障有性生殖成功的另一途徑(Lord,1981;LloydandSchoen,1992)。小毛茛具有多心皮雌蕊群,但并不具備上述兩種生殖保障機(jī)制。王金平等(1999)的研究表明,小毛茛兼具風(fēng)媒和蟲媒傳粉方式,而以蟲媒傳粉為主。本研究發(fā)現(xiàn),在正常的天氣條件下,該種的自然授粉率可達(dá)到或接近100%,說明其傳粉機(jī)制是有效的。作者認(rèn)為,小毛茛的極高授粉率與其較長(zhǎng)的單花花期和柱頭可授粉期有關(guān),該種的每一朵花可持續(xù)開放4～6d,這給每一柱頭帶來更多的接受花粉的機(jī)會(huì)。相比之下,小慈姑的柱頭可授粉期在6h之內(nèi)(Wang等,2002)。正是由于小毛茛的雌蕊群具有極高的授粉率,盡管它并不具有與慈姑屬類似的花粉管生長(zhǎng)途徑,其結(jié)實(shí)率依然可得以保障。3.2花粉管生長(zhǎng)通道的機(jī)制花粉管在花柱中的定向生長(zhǎng)被認(rèn)為是受某種信號(hào)引導(dǎo)的,但實(shí)質(zhì)上尚未得到很好的了解(MalhoandTrewavas,1996)。已有實(shí)驗(yàn)表明多種植物的雌蕊中Ca2+梯度與花粉管的定向生長(zhǎng)有關(guān)(Hepler,1997;WilhelmiandPreuss,1997),其他相關(guān)因子還包括脂類(Wolters-Arts等,1998)、葡萄糖(Reger等,1992)甚至水份梯度(Lush等,2000)等。近些年來,TTS(transmittingtissue-specificglycoprotein)和AGPs(Arabinogalactanproteins)的作用更是倍受關(guān)注(Wu等,1995;Mollet等,2002)。以往的研究多集中于某些模式植物,它們的花粉管只是向著各雌蕊的珠心定向生長(zhǎng)。而在慈姑屬等的雌蕊群中花粉管可以從一個(gè)雌蕊經(jīng)由花托組織轉(zhuǎn)向另一個(gè)的胚珠,對(duì)這種特殊的花粉管生長(zhǎng)途徑向性機(jī)理的探討是必要的和更有吸引力的。本研究的結(jié)果則提示,雌蕊本身的結(jié)構(gòu)可能是決定多心皮雌蕊群中花粉管生長(zhǎng)途徑的另一個(gè)至關(guān)重要的因素。野慈姑每個(gè)子房基部的穿孔,為花粉管生長(zhǎng)提供了通道,這至少給花粉管從一個(gè)雌蕊生長(zhǎng)到另一個(gè)雌蕊帶來便利。同樣,Williams等(1993)在報(bào)道八角科植物I.floridanum的花粉管在雌蕊之間生長(zhǎng)這一現(xiàn)象時(shí),也提出其子房基部存在穿孔作為花粉管的通道。而相反,小毛茛的子房則是完全封閉的,這樣,不管其相鄰雌蕊的柱頭是否授粉,都沒有觀察到其花粉管從一個(gè)雌蕊生長(zhǎng)到另一個(gè)雌蕊中。Ambruster等(2002)指出,在被子植物進(jìn)化史上,由離生心皮向合生心皮的進(jìn)化性轉(zhuǎn)變就至少已獨(dú)立發(fā)生過17次,這種轉(zhuǎn)變帶來的可能的好處是來自花柱中的花粉管可以到達(dá)不同心皮的胚珠中。在原始的離生心皮植物I.florid