西域萸節(jié)花主要胚胎學(xué)特征

西域萸節(jié)花主要胚胎學(xué)特征

冠花科是東亞的一個(gè)獨(dú)特學(xué)科，只有一個(gè)屬（冠花科），10.16種（陳書(shū)坤，1981；唐艷成等，1983）。該科最早以屬的等級(jí)放在海桐花科Pittosporaceae中(Siebold&Zuccarini,1835)。目前,其科的等級(jí)雖已被普遍接受,但其系統(tǒng)位置則一直眾說(shuō)紛紜。從當(dāng)代幾個(gè)有影響的被子植物分類系統(tǒng)來(lái)看,主要有兩種不同的觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)認(rèn)為,旌節(jié)花科與山茶目中的山茶科Theaceae或獼猴桃科Actinidiaceae接近(Gilg,1893;Cronquist,1968;Dahlgren,1980;Thorne,1992;Takhtajan,1987;1997);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,該科與堇菜目中的大風(fēng)子科Flacourtiaceae或堇菜科Violaceae親緣(Melchior,1964;Takhtajan,1969;Cronquist,1981,1988)。此外,也有學(xué)者認(rèn)為旌節(jié)花科與金縷梅科Hamamelidaceae(Hutchinson,1968)和山柳科Clethraceae接近。最近,Nandi等(1998)基于rbcL序列資料及其它非分子生物學(xué)資料的分支分析得出了一個(gè)意想不到的結(jié)果——旌節(jié)花科與Crossosomataceae互為姐妹群,進(jìn)而再與省沽油科Staphyleaceae發(fā)生聯(lián)系。Crossosomataceae是一個(gè)分布于北美的小科,曾被放在與山茶目很近的位置(Melchior,1964),但在大多數(shù)分類系統(tǒng)中都被放在遠(yuǎn)離山茶目和堇菜目的薔薇目Rosales中(Brummitt,1992);省沽油科的系統(tǒng)位置更遠(yuǎn),被置于薔薇亞綱的無(wú)患子目(Cronquist,1981)。胚胎學(xué)證據(jù)在解決屬以上分類等級(jí)系統(tǒng)關(guān)系方面的重要性歷來(lái)為系統(tǒng)學(xué)家所重視和青睞。旌節(jié)花科的胚胎學(xué)研究前人曾有過(guò)報(bào)道,如Mathew&Chaphekar(1977)對(duì)中國(guó)旌節(jié)花S.chinensis,Sato(1976)和Kimoto&Tokuoka(1999)對(duì)產(chǎn)于日本的早春旌節(jié)花S.praecox都進(jìn)行過(guò)胚胎學(xué)研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,選擇在中國(guó)南方以及喜馬拉雅地區(qū)廣泛分布的西域旌節(jié)花S.himalaicus進(jìn)行胚胎學(xué)研究,旨在進(jìn)一步確定旌節(jié)花科的胚胎學(xué)特征,并通過(guò)與相關(guān)類群的胚胎學(xué)特征比較,為探討和闡明旌節(jié)花科的系統(tǒng)位置提供證據(jù)。1植物標(biāo)本館韋仲新2000-4西域旌節(jié)花(StachyurushimalaicusHook.f.etThoms.exBenth)采自云南省易門(mén)縣六街鄉(xiāng)大新村后山,憑證標(biāo)本(韋仲新2000-4)存放于中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物標(biāo)本館(KUN)。不同發(fā)育時(shí)期的花芽用改進(jìn)的FAA固定液固定,乙醇系列脫水,二甲苯透明,常規(guī)石蠟包埋、切片,片厚4～7μm,鐵礬蘇木精染色,橙紅G襯染,中性樹(shù)脂封藏,OlympusPM-10AD光學(xué)顯微鏡下觀察照相。2觀察結(jié)果2.1細(xì)胞期裂解法西域旌節(jié)花的花藥由4個(gè)孢子囊組成。發(fā)育初期構(gòu)造較簡(jiǎn)單,外面為一層原表皮,內(nèi)面為一群形態(tài)相同的基本分生組織。隨著花藥的繼續(xù)發(fā)育,4個(gè)角隅的細(xì)胞分裂較快,花藥呈現(xiàn)四棱的外形。隨后在4個(gè)角隅處的原表皮下的第一層細(xì)胞分化出孢原細(xì)胞,孢原細(xì)胞進(jìn)行平周分裂,形成內(nèi)外兩層,外層為初生周緣細(xì)胞,內(nèi)層為初生造孢細(xì)胞。初生周緣細(xì)胞繼續(xù)分裂,形成內(nèi)外次生周緣層(圖版Ⅰ:1)。外次生周緣層平周分裂一次,形成藥室內(nèi)壁和一層中層細(xì)胞;內(nèi)次生周緣層也平周分裂,形成另一中層細(xì)胞和絨氈層,這是典型的基礎(chǔ)型藥壁發(fā)育方式。當(dāng)小孢子母細(xì)胞形成時(shí)花藥壁發(fā)育完全。分化完全的花藥壁一般由5～6層細(xì)胞組成,由外至內(nèi)依次為:表皮、藥室內(nèi)壁、中層(2～3層細(xì)胞)及絨氈層(圖版Ⅰ:2)。表皮細(xì)胞的形狀隨著花藥的發(fā)育而變化,到花藥成熟時(shí)變成不規(guī)則形(圖版Ⅰ:10)。藥室內(nèi)壁隨著花藥的發(fā)育,細(xì)胞不斷徑向和切向增寬,并在內(nèi)切向壁和縱向壁上出現(xiàn)纖維加厚(圖版Ⅰ:10)。中層由2～3層細(xì)胞構(gòu)成,初期可能作為儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之用。后來(lái)細(xì)胞被擠壓逐漸解體并被吸收(圖版Ⅰ:10)。絨氈層為腺質(zhì)絨氈層,絨氈層細(xì)胞初期為單核,形狀與周圍細(xì)胞無(wú)異,小孢子母細(xì)胞開(kāi)始減數(shù)分裂時(shí),絨氈層細(xì)胞體積逐漸增大,細(xì)胞質(zhì)變濃,出現(xiàn)二核(圖版Ⅰ:3),小孢子二分體時(shí)期絨氈層最發(fā)達(dá),其后絨氈層細(xì)胞開(kāi)始解體,至花粉粒完全成熟時(shí)只剩殘跡(圖版Ⅰ:10)。2.2減數(shù)分裂法初生造孢細(xì)胞通過(guò)分裂和分化依次形成次生造孢細(xì)胞和小孢子母細(xì)胞,初期的小孢子母細(xì)胞排列緊密,細(xì)胞質(zhì)濃厚(圖版Ⅰ:2),以后逐漸分開(kāi),進(jìn)入減數(shù)分裂。減數(shù)分裂過(guò)程中,細(xì)胞質(zhì)的分裂為同時(shí)型,即第一次分裂時(shí)形成兩核,但不進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)分裂(圖版Ⅰ:4),第二次分裂時(shí)形成四核(圖版Ⅰ:5),隨后,四核之間產(chǎn)生細(xì)胞壁,形成以四面體形為主的小孢子四分體(圖版Ⅰ:6)。2.3胞壁變厚的出現(xiàn)同一藥囊內(nèi)的小孢子發(fā)育不同步。新形成的小孢子壁薄,有濃厚的細(xì)胞質(zhì)和位于中央的核,隨后,細(xì)胞壁變厚,體積增大,出現(xiàn)明顯的3個(gè)凹陷(圖版Ⅰ:7),中央逐漸形成一個(gè)大的液泡,細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)被擠到邊緣,經(jīng)歷一次有絲分裂后,形成一個(gè)大的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和一個(gè)小的生殖細(xì)胞(圖版Ⅰ:8)。花粉成熟時(shí),中央液泡消失,營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞移向中央,花粉以此狀態(tài)釋放(圖版Ⅰ:9)。2.4“之”形珠孔胚珠倒生有兩層珠被(圖版Ⅰ:11,12),其中內(nèi)珠被比外珠被早發(fā)生(圖版Ⅱ:14,15),但外珠被發(fā)育快于內(nèi)珠被,最終將珠心和內(nèi)珠被包圍,內(nèi)外珠被共同形成“之”形珠孔(圖版Ⅰ:12)。珠心直,屬厚珠心類型,前后的珠心組織分別形成珠心冠和承珠盤(pán)(圖版Ⅰ:13)。2.5周緣細(xì)胞成因在珠被形成的同時(shí),珠心表皮下分化出一個(gè)或兩個(gè)孢原細(xì)胞,孢原細(xì)胞平周分裂,形成內(nèi)外兩個(gè)細(xì)胞,外側(cè)的一個(gè)為初生周緣細(xì)胞,內(nèi)側(cè)的為初生造孢細(xì)胞(圖版Ⅱ:14)。初生周緣細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行平周分裂,生成3～4層周緣組織,形成厚珠心(圖版Ⅱ:14,15)。造孢細(xì)胞直接成為大孢子母細(xì)胞,(圖版Ⅱ:15)。大孢子母細(xì)胞減數(shù)第一次分裂后形成二分體,其中合點(diǎn)端細(xì)胞比珠孔端的細(xì)胞稍長(zhǎng)(圖版Ⅱ:16),合點(diǎn)端的二分體細(xì)胞繼續(xù)分裂形成兩個(gè)細(xì)胞,珠孔端的二分體細(xì)胞退化,有的在退化過(guò)程中分裂一次形成線形大孢子四分體(圖版Ⅱ:17),有的來(lái)不及分裂便退化形成三分體(圖版Ⅱ:18)。通常情況下,合點(diǎn)端的大孢子成為功能大孢子,偶見(jiàn)亞合點(diǎn)端功能大孢子(圖版Ⅱ:18)。2.6雙鞣子型胚囊的發(fā)育情況胚囊發(fā)育方式為蓼型,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Mathew&Chaphekar(1977)報(bào)道的在中國(guó)旌節(jié)花中觀察到的雙孢子英地百合型胚囊。功能大孢子經(jīng)過(guò)3次連續(xù)的有絲分裂依次形成二核(圖版Ⅱ:19)、四核(圖版Ⅱ:20,21)和八核胚囊。成熟胚囊具有通常的結(jié)構(gòu)(圖版Ⅱ:22),珠孔端發(fā)育出卵器,合點(diǎn)端發(fā)育出3個(gè)反足細(xì)胞,兩個(gè)極核移向胚囊中央。本研究觀察到了同一胚珠中發(fā)育出兩個(gè)胚囊的現(xiàn)象(圖版Ⅱ:23)。3討論3.1檢發(fā)育型中小發(fā)育時(shí)期間的胚胎學(xué)特征西域旌節(jié)花與已報(bào)道的早春旌節(jié)花(Sato,1976;Kimoto&Tokuoka,1999)和中國(guó)旌節(jié)花(Mauritzon,1936;Mathew&Chaphekar,1977)相比,其雌雄配子體的形成和發(fā)育過(guò)程十分相似,唯一的不同在于早春旌節(jié)花沒(méi)有大孢子三分體和多胚現(xiàn)象的報(bào)道。旌節(jié)花科雌雄配子體形成和發(fā)育階段的胚胎學(xué)特征可以概括為:四囊型花藥,藥壁形成方式為基礎(chǔ)型,花藥壁由表皮、藥室內(nèi)壁、2～3層中層和絨氈層組成,表皮宿存,藥室內(nèi)壁纖維質(zhì)加厚,腺質(zhì)絨氈層,小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂為同時(shí)型,小孢子四分體的排列為四面體形,花粉成熟時(shí)為二細(xì)胞時(shí)期;胚珠倒生,雙珠被,厚珠心,珠孔由內(nèi)、外珠被共同構(gòu)成,具珠心冠和承珠盤(pán),合點(diǎn)端或亞合點(diǎn)端功能大孢子,蓼型胚囊,偶見(jiàn)雙孢子英地百合型胚囊。3.2花科與山茶科的關(guān)系根據(jù)我們已經(jīng)掌握的胚胎學(xué)資料(Davis,1966;Johri等,1992;Tsou,1995,1997;楊世雄和閔天祿,1995),旌節(jié)花科與其“近緣”類群之間有著相當(dāng)程度的相似性(表1)。就小孢子的形成和發(fā)育過(guò)程而言,各“近緣”類群之間基本相似,惟有Crossosomataceae的藥室內(nèi)壁和絨氈層由不規(guī)則的2～3層細(xì)胞組成以及省沽油科的中層只有1層細(xì)胞,比較特殊。從大孢子的形成和發(fā)育過(guò)程來(lái)看,獼猴桃科和山柳科的胚珠為單珠被,薄珠心,沒(méi)有珠心冠,具有珠被絨氈層,與旌節(jié)花科的區(qū)別最大。山茶科的胚珠為薄珠心,珠孔僅由內(nèi)珠被圍成,沒(méi)有珠心冠,與旌節(jié)花科也有明顯的不同。在其它幾個(gè)與旌節(jié)花科相對(duì)接近的“近緣”類群中,堇菜科與旌節(jié)花科最為相似,除了堇菜科無(wú)亞合點(diǎn)端功能大孢子的報(bào)道外,二者的其它胚胎學(xué)特征基本相同。由此可見(jiàn),從目前可以利用的雌雄配子體形成和發(fā)育的資料來(lái)看,旌節(jié)花科與堇菜科的關(guān)系最為接近。其次,旌節(jié)花科與金縷梅科的關(guān)系也值得注意,Johri等(1992)曾指出,旌節(jié)花科的種皮結(jié)構(gòu)不同于堇菜科而與金縷梅科相似。Mathew&Chaphekar(1977)的研究重點(diǎn)探討了旌節(jié)花科與山茶科、大風(fēng)子科和金縷梅科的關(guān)系,認(rèn)為旌節(jié)花科與山茶科關(guān)系最近。他們的研究強(qiáng)調(diào)了這兩個(gè)科都不具珠被絨氈層、具雙孢型胚囊、極核都在受精前融合、茄型胚和具多胚現(xiàn)象等胚胎學(xué)特征。實(shí)際上,除了具雙孢型胚囊這一特征目前僅在這兩個(gè)科中觀察到外,其它被強(qiáng)調(diào)的特征也為其它相關(guān)類群分享。值得指出的是,山茶科沒(méi)有珠被絨氈層的描述與實(shí)際情況不符,早在1965年,曹慧娟就報(bào)道過(guò)油茶(Camelliaoleifera)的珠被絨氈層,Tsou(1997)再次描述了細(xì)葉山茶(C.tenuifolia)的珠被絨氈層。此外,旌節(jié)花科中雙孢胚囊屬英地百合型,且非常少見(jiàn),胚囊發(fā)育的主要類型仍是單孢子的蓼型胚囊;山茶科中的情況也是一樣,雖然以往報(bào)道的山茶屬都為雙孢八核蔥型胚囊(Kapil&Sethi,1963;曹慧娟,1965;Mathew,1978;劉成運(yùn)和張香蘭,1983;李天慶和曹慧娟,1986;Tsou,1997),但近年報(bào)道的山茶科中的其它類群的胚囊發(fā)育都為蓼型,如廣義核果茶屬Pyrenarias.l.、木荷屬Schima、美洲荷屬Franklinia、楊桐屬Adinandra、紅淡比屬Cleyera和柃屬Eurya等(楊世雄和閔天祿,1995;Tsou,1995,1997)。Mathew&Chaphekar(1977)由于過(guò)分強(qiáng)調(diào)了上述并非專有的和不切實(shí)際的胚胎學(xué)特征,忽略了旌節(jié)花科與山茶科間在胚胎學(xué)上的一些明顯的差異(如珠心、珠孔的一些特征),因而得出“旌節(jié)花科與山茶科的關(guān)系最近”的看法。Nandi等(1998)揭示的旌節(jié)花科與Crossosomataceae最為近緣進(jìn)而與省沽油科比較親緣的系統(tǒng)關(guān)系雖然得到了Kimoto&Tokuoka(1999)基于胚胎學(xué)以及種皮解剖學(xué)證據(jù)的支持,但這一支持的力度是有限的。因?yàn)镵imoto&Tokuoka(1999)并沒(méi)有將旌節(jié)花科與在歷史上被認(rèn)為與該科“近緣”的相關(guān)類群作全面的比較。正如我們的研究所揭示的,在胚胎學(xué)上,旌節(jié)花科與Crossosomataceae科和省沽油科的相似性不及旌節(jié)花科與堇菜科和金縷梅科。Crossosomataceae的藥室內(nèi)壁和絨氈層由不規(guī)則的2～3層細(xì)胞組成,胚珠彎生[在旌節(jié)花科的“近緣”類群中,只有山茶科中的厚皮香亞科具有這類胚珠(Tsou,1995)],反足細(xì)胞再次分裂,沒(méi)有珠心冠的報(bào)道;省沽油科花藥的中層只有一層細(xì)胞,單孢原,沒(méi)有承珠盤(pán)的報(bào)道,這些都與旌節(jié)花科不同。不過(guò),胚胎學(xué)證據(jù)雖然不支持Nandi等(1998)揭示的旌節(jié)花科與Crossosomataceae的姐妹群關(guān)系,但Nandi等(1998)的分析結(jié)果在一定程度上仍然得到了胚胎學(xué)證據(jù)的支持。從Nandi等(1998)的分支圖上可以看出,具有厚珠心的旌節(jié)花科、Crossosomataceae、省沽油科、大風(fēng)子科、堇菜科和金縷梅科都分布在由他們命名的薔薇支(rosidclade)上,而具薄珠心的山茶科、獼猴桃科和山柳科都分布在紫菀支(asteridclade)上。3.3西域措施對(duì)西域型花的認(rèn)識(shí)在過(guò)去幾乎所有有關(guān)旌節(jié)花科的文獻(xiàn)中,都認(rèn)為該科植物為兩性花。然而,湯彥承等(1983)發(fā)現(xiàn)旌節(jié)花科植物的花雖然都有雌雄生殖器官,但他們檢查到至少有6種的兩性花中,有些花根本就沒(méi)有花粉。意思是:形式上是兩性花,但實(shí)則上已分化為雌雄異株。韋仲新和楊增宏(2001)以西域旌節(jié)花為對(duì)象,對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了深入的觀察和論述,并且證明了西域旌節(jié)花的確是功能單性花,并把這一現(xiàn)象稱之為假兩性花或功能單性花。