鄭婧媛 李蕓增 周萃萃 盧耘申 王秀華

(東北林業(yè)大學生命科學學院,哈爾濱 150040)

家榆胚胎學研究

鄭婧媛 李蕓增 周萃萃 盧耘申 王秀華*

(東北林業(yè)大學生命科學學院,哈爾濱 150040)

采用常規(guī)石蠟切片法，借助光學顯微鏡對家榆胚胎發(fā)育進行研究，研究結果表明：(1)家榆的花藥具4個藥室；小孢子母細胞減數(shù)分裂過程中的胞質分裂為同時型；小孢子四分體排列為四面體型和左右對稱型；成熟花粉為2-細胞型；(2)花藥壁發(fā)育類型為雙子葉型，腺質絨氈層；(3)家榆子房兩心皮1室，側膜胎座，1枚倒生胚珠，雙珠被，厚珠心；四分體呈直線型和T型排列；(4)家榆胚囊類型為單孢子蓼型胚囊；胚的發(fā)育類型為茄型；核型胚乳；無胚乳型種子。

家榆；胚胎學；大、小孢子；雌、雄配子體；胚；胚乳

家榆(UlmuspumilaL.)隸屬榆科(Ulmaceae)榆屬(UlmusL.)植物。別名榆、白榆、榆樹。分布于東北、華北、西北及西南各省區(qū)。生于海拔1 000～2 500 m以下的山坡、山谷、川地、丘陵及沙崗等處。長江下游各省有栽培，也為華北及淮北平原農村的習見樹木。朝鮮、前蘇聯(lián)、蒙古也有分布[1]。家榆具有較高的經濟價值，以果實(榆錢)、樹皮、葉、根入藥，具有安神健脾的功效，用于神經衰弱，失眠，食欲不振，外傷出血，同時又是良好的防護林，四旁綠化和用材樹種。

近年來，有關家榆的研究工作，在生理學，遺傳學，生態(tài)學等多方面均有所進展[2～6]，但有關家榆的胚胎學研究未見報道。本文采用石蠟切片技術對家榆的胚胎發(fā)育進行研究，以積累有關生殖生物學的基礎資料，填補家榆胚胎學研究方面的空白，為家榆的育種與栽培以及家榆在榆屬中的系統(tǒng)演化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

實驗材料為東北林業(yè)大學林場內家榆，采樣時間為2015年3月～2016年5月中旬。取材后用改良FAA對不同時期的材料進行固定保存,愛氏蘇木精整體染色,采用常規(guī)石蠟切片法制片,切片厚度為8 μm[7]，OLYMPUS-DP72顯微照相系統(tǒng)進行觀察拍攝。

2 結果與分析

2.1 小孢子的發(fā)生

家榆花兩性，簇狀聚傘花序[8]，每朵小花有4枚雄蕊。由家榆雄蕊原基最初形成的幼小花藥橫切面來看，在花粉囊發(fā)育初期，由于花藥的四個角隅處細胞分裂較快，使花藥分裂成四個藥室(圖版Ⅰ:1)，每個藥室內分化出孢原細胞(圖版Ⅰ:2)。孢原細胞體積較其他細胞大。進行平周分裂后，一個孢原細胞分裂成兩個細胞，向外分裂成初生壁細胞，向內分裂成初生造孢細胞(圖版Ⅰ:3)。初生造孢細胞進一步發(fā)育為排列緊密的次生造孢細胞(圖版Ⅰ:4)，次生造孢細胞繼續(xù)分裂，形成多個小孢子母細胞。小孢子母細胞的形態(tài)與周圍的藥壁細胞具有顯著的不同，體積大，細胞核較大，細胞質濃厚并且沒有明顯的液泡，具有不明顯的較薄的纖維素壁，細胞排列緊密。小孢子母細胞發(fā)育到一定程度時進行減數(shù)分裂。(圖版Ⅰ:5～12)為小孢子母細胞減數(shù)分裂時期的形態(tài)。隨著減數(shù)分裂的結束，胼胝質的積累，細胞壁愈發(fā)明顯，小孢子逐漸變成圓形。減數(shù)分裂后形成的四分體具有正四面體和左右對稱兩種結構(圖版Ⅰ:13)，孢質分裂時未出現(xiàn)分隔壁，孢質分裂為同時型。

2.2 雄配子體的發(fā)育

隨著小孢子的發(fā)育，胼胝體逐漸溶解，小孢子從四分體中分離出來。剛釋放出來的單核小孢子橢圓形,核清晰可見,位于細胞中央，細胞質濃厚,具小液泡，細胞壁比較薄,此時稱為單核居中期小孢子(圖版Ⅰ:14)。隨后小孢子細胞局部會存在一定的收縮(圖版Ⅰ:15)，細胞壁開始加厚，細胞體積開始增大，并形成大液泡，細胞核被擠壓到細胞的一邊，稱為小孢子單核靠邊期(圖版Ⅰ:16)。小孢子的核在靠近細胞壁的位置上開始進行有絲分裂，形成兩個核，在兩個核之間出現(xiàn)弧形的細胞板將兩個核隔離開，大的為營養(yǎng)細胞，小的為生殖細胞并緊貼細胞壁(圖版Ⅰ:17～18)。隨后弧形細胞板消失，生殖細胞逐漸向中央移動，并且變大成球形，成為一個裸細胞游離在細胞質中。生殖細胞的細胞核大,占據(jù)細胞體積的大部分,細胞質稀少(圖版Ⅰ:19)。在發(fā)育過程中,營養(yǎng)細胞的內容物大量積累,使花粉粒的體積迅速增大,比二細胞花粉初期增大許多。至傳粉前家榆花粉粒的生殖細胞一直不分裂,即家榆的成熟花粉粒為2-細胞型。

2.3 花藥壁和絨氈層

家榆的花藥壁類型為雙子葉型，由初生壁細胞經過平周分裂和垂周分裂形成。初生壁細胞經過一次平周分裂和多次垂周分裂后產生了兩層次生壁細胞(圖版Ⅰ:3)。在初生造孢細胞分裂形成次生造孢細胞的過程中，花藥壁發(fā)育成四層細胞結構，從外到內依次是表皮，藥室內壁，中層，絨氈層，此時絨氈層細胞尚未分化完全(圖版Ⅰ:4)?；ㄋ幈诮Y構發(fā)育完成時，藥室內正處于小孢子母細胞時期，此時的絨氈層多為單核(圖版Ⅰ:5)。小孢子母細胞減數(shù)分裂過程中絨氈層發(fā)生核分裂，體積增大，形成多核絨氈層(圖版Ⅰ:6～7)。在小孢子母細胞減數(shù)第一次分裂結束時可觀察到絨氈層的原位溶解現(xiàn)象，為小孢子母細胞的分裂提供營養(yǎng)物質，在釋放單核小孢子時期僅能看到部分絨氈層溶解后留下的殘跡(圖版Ⅰ:14)，故家榆的絨氈層為腺質絨氈層。在2-細胞花粉晚期已看不到中層，僅由一層殘留的表皮和纖維加厚的藥室內壁包圍著花粉粒(圖版Ⅰ:20)。

2.4 大孢子的發(fā)生

家榆的子房兩心皮1室，側膜胎座，一枚倒生胚珠，雙珠被，厚珠心。大孢子的形成開始于珠心表皮下的一個孢原細胞。孢原細胞進行平周分裂，產生一個周緣細胞和一個造孢細胞(圖版Ⅱ:1)。珠心表皮和周緣細胞共同分裂產生周緣珠心細胞。隨后,造孢細胞的體積增加、細胞核擴大、細胞質變濃,染色質凝聚于核仁周圍,直接發(fā)育成大孢子母細胞(圖版Ⅱ:2)。大孢子母細胞的體積較周圍的珠心細胞大，細胞質較濃，核與核仁位于細胞中央，體積較大。大孢子母細胞形成不久后開始進行減數(shù)分裂，逐漸變?yōu)闄E圓型。大孢子第一次減數(shù)分裂(圖版Ⅱ:3～5)后形成了大孢子二分體(圖版Ⅱ:6)。然后進行減數(shù)第二次分裂，形成直線型的四分體(圖版Ⅱ:7)，并出現(xiàn)少許的T型四分體(圖版Ⅱ:8)。四分體形成后，只有合點端的大孢子起作用，稱為功能大孢子(圖版Ⅱ:9)，其余三個退化。功能大孢子形成后，細胞體積迅速增大，是雌配子體的第一個細胞。

2.5 雌配子體的發(fā)育

隨著功能大孢子體積的增大，發(fā)育為單核胚囊(圖版Ⅱ:10)。單核胚囊經過一次核分裂，發(fā)育成二核胚囊(圖版Ⅱ:11)。二核胚囊又在珠孔端和合點端分別進行有絲分裂，在胚囊的兩端分別形成一對姐妹核，即四核胚囊(圖版Ⅱ:12)。由四核胚囊的每個核各自進行第三次有絲分裂，形成八核胚囊(圖版Ⅱ:13～15)。八核胚囊經過短暫的停留期便開始細胞化，形成的成熟胚囊包括珠孔端的一個洋梨形卵細胞(圖版Ⅱ:16)，兩個楔形助細胞(圖版Ⅱ:17)，中央的兩個開始融合的極核(圖版Ⅱ:18)，合點端的三個品字形反足細胞(圖版Ⅱ:19～20)，其中卵細胞和助細胞組成卵器。由此可見，家榆的胚囊類型為為蓼型。

2.6 胚和胚乳的發(fā)育

2.6.1 胚的發(fā)育

卵細胞和精細胞結合后形成的合子(圖版Ⅲ:1)是胚胎發(fā)育的開始。合子核大質濃，核仁明顯，經過一次有絲分裂后產生兩個細胞，即二細胞原胚(圖版Ⅲ:2)，靠近珠孔端的為基細胞，靠近合點端的為頂細胞?；毎㈨敿毎至?，形成直線排列多細胞原胚(圖版Ⅲ:3)。進而發(fā)育成早期球形胚(圖版Ⅲ:4)，后發(fā)育成球形胚(圖版Ⅲ:5)。球形胚后期，頂部兩側細胞分裂較快，胚胎進一步發(fā)育成心形胚(圖版Ⅲ:5)?？捎^察到球形胚和心形胚時期胚柄結構發(fā)達，直到發(fā)育到魚雷胚的晚期(圖版Ⅲ:7)，胚柄才退化消失，此時魚雷胚的子葉明顯增長，發(fā)育成子葉型胚(圖版Ⅲ:13)。因此，家榆胚胎發(fā)育類型為茄型。

2.6.2 胚乳的發(fā)育

中央細胞受精后形成初生胚乳核(圖版Ⅲ:8)。家榆的胚乳發(fā)育早于胚胎發(fā)育，在合子休眠時期，胚乳開始快速進行有絲分裂，發(fā)育為許多游離的胚乳核，并且產生中央大液泡(圖版Ⅲ:9)?？梢?，家榆的胚乳發(fā)育類型為核型。胚乳游離核的增殖時間較長，不斷積累可達數(shù)百個(圖版Ⅲ:10)。在球形胚晚期，胚乳開始細胞化(圖版Ⅲ:11)。細胞化的胚乳繼續(xù)發(fā)育，在細胞內積累淀粉等營養(yǎng)物質(圖版Ⅲ:12)。當胚胎發(fā)育到子葉胚時期，未觀察到胚乳(圖版Ⅲ:13)，故家榆的種子為無胚乳型種子。

3 結論

從胚胎學角度分析，家榆具有以下特性：花藥具有四個藥室，小孢子母細胞減數(shù)分裂為同時型，小孢子四分體為正四面體型和左右對稱型，成熟花粉為2-細胞型?；ㄋ幈诎l(fā)育為雙子葉型，腺質絨氈層。子房一室，單枚倒生胚珠，雙珠被，厚珠心，具有直線型和T型大孢子四分體，胚囊的發(fā)育類型為單孢子發(fā)生型，是典型的蓼型胚囊。胚的發(fā)育類型為茄型,先后經歷了原胚期、早期球形胚、球形胚、心形胚、魚雷胚和子葉胚。核型胚乳，無胚乳型種子。

從本研究結果可見：家榆的小孢子發(fā)生與已報道的其他榆科的物種發(fā)育特性不盡相同。均是孢質分裂同時型，腺質絨氈層；不同的是樸樹的花藥壁為基本型，家榆的花藥壁為雙子葉型[9～10]。樸屬(CeltisL.)，青檀屬(PteroceltisMaxim.)均為2-細胞花粉，榆屬(UlmusL.)為3-細胞花粉[9～10]，但家榆卻是2-細胞花粉。從已研究過榆科其他屬的植物[9～10]和Walker等對榆屬植物的胚胎研究來看[11～14]，青檀屬(PteroceltisMaxim.)的胚囊類型為蓼型，榆屬(UlmusL.)和樸屬(CeltisL.)的胚囊類型多為德魯撒型或五?；ㄐ蚚10]，但根據(jù)本文的研究，家榆具有蓼型胚囊。榆科植物胚的發(fā)育只在榆屬(Ulmus)，Homoptelea(我國無此屬)和樸屬(CeltisL.)中研究過,榆屬(UlmusL.)和樸屬(CeltisL.)為茄型,Homoptelea為十字花型，胚乳發(fā)育均為核型胚乳[15～16]，家榆的胚和胚乳則符合上述情況。樸樹(CeltissinensisPers.)的胚乳在胚發(fā)育過程中逐漸消失，家榆種子亦是無胚乳型種子。

榆屬是由林奈于1754年創(chuàng)立的。根據(jù)不同的性狀,如開花季節(jié)、花序演化及翅果特征等的不同,分類學家對榆屬植物的系統(tǒng)演化位置，其屬下等級的劃分均存在不少爭論[1,17～18]。榆屬植物開花可分春季開花和秋季開花兩類，Dippel以開花季節(jié)和花序著生的部位可分為兩個亞屬(Subgen.1.EuulmusK.Kock和Subgen.1.Microptelea(Spacb)Planchon)。秋季開花的榆樹，其花序均生于當年生枝的葉腋(如榔榆UlmusparvifoliaJacq.)，春季開花的榆樹則按其花序著生的部位分為四類，其中包括花全部自花芽抽出而生于去年生枝的葉痕上部、花開于新生枝葉發(fā)出之前的家榆。就系統(tǒng)位置而言,Schneider認為秋季開花的在前,而Rehder、傅立國等認為春季開花的在前[17,19]。其中傅立國就榆屬植物的開花季節(jié)，花序的演化及其相關性狀作為劃分和排列系統(tǒng)位置的依據(jù)，將榆屬的系統(tǒng)位置重新排列分類為組1：長序榆組；組2：秋榆組；組3：睫毛榆組；組4：榆組；組5：榔榆組[18]。

本研究得出榆樹的花粉類型是較原始的2-細胞花粉；具有雙珠被、厚珠心，蓼型胚囊發(fā)育均屬于比較原始的胚胎學發(fā)育特征,Hall認為倒生胚珠比彎生胚珠及直生胚珠原始[20]，故家榆具有較原始的胚胎學發(fā)育特性。因此，本研究贊同傅立國在榆屬之下的分組的演化關系，即春季開花的家榆在系統(tǒng)位置上較秋季開花的榔榆(UlmusparvifoliaJacq.)相對靠前。

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圖版Ⅱ 1.孢原細胞分裂；2.大孢子母細胞；3～5.大孢子母細胞減數(shù)分裂；6.二分體；7.直線型四分體；8.T型四分體；9.功能大孢子；10.單核胚囊；11.二核胚囊；12.四核胚囊；13～15.八核胚囊；16.卵細胞；17.助細胞；18.融合的極核；19～20.品字形反足細胞Plate Ⅱ 1.Archesporial cell division; 2.Megaspore mother cell; 3-5.Meiosis of megaspore mother cell; 6.Dyad; 7.A linear tetrad; 8.T-shaped megasporocyte tetrad; 9.Functional megaspore; 10.Uninucleate embryo sac; 11.Two-nucleate embryo sac; 12.Four-nucleate embryo sac; 13-15.Eight- nucleate embryo sac; 16.Egg cell; 17.Two synergids of the mature embryo sac; 18.Polar fusion nucleus; 19-20.Three antipodal cells

圖版Ⅲ 1.合子；2.二細胞原胚；3.六細胞原胚；4.早期球型胚；5.球型胚；6.心形胚；7.魚雷胚；8.極核受精；9.游離的胚乳核；10.胚乳核增殖期；11.胚乳細胞化；12.細胞化后的胚乳細胞積累營養(yǎng)物質；13.無胚乳型種子Plate Ⅲ 1.Zygote; 2. 3-elled proembryo; 3. 6-celled proembryo; 4.Early globular embryo; 5.Globular embryo; 6.Heart-shaped embryo; 7.Torpedo-shaped embryo; 8.Sperm nucleus is fusing with upper polar nucleus; 9.Free endosperm nucleus; 10.Endosperm increment period; 11.Endosperm cells are forming showing the free growing wall margin continues to grow; 12.Endosperm cells accumulate nutrients; 13.No endosperm seeds

This study was funded by the college student innovation project of the College of Life Science,Northeast Forestry University.

introduction：ZHENG Jing-Yuan(1991—),female,master degree,main research interests focus on Plant reproductive science.

date:2017-04-09

StudyonEmbryologyofUlmuspumilaL.

ZHENG Jing-Yuan LI Yun-Zeng ZHOU Cui-Cui LU Yun-Shen WANG Xiu-Hua*

(College of Life Science,Northeast Forestry University,Haerbin 150040)

The processes of embryology ofUlmuspumilaL. were observed by serial paraffin sections and under optical microscope. The results are as follows: the anther wall ofU.pumilaL. includes 4 layers; the cytoplasmic division of microspore mother cells during meiosis was simultaneous; the tetrad of microspores resulted from the meiosis are simultaneously bilateral and tetrahedral;mature pollen grains are two-cell type. The development of the anther wall belongs to a dicotyledonous type. Tapetum belongs to glandular tapetum. The ovary consists of 2 carpels with a single locule,parietal placenta,anatropous ovule,double integument,and thick nucellus. The tetrad of megaspores is linear or T-type in arrangement.Embryo sac ofU.pumilaL. is of single-spore polygonum type. The embryogenesis ofU.pumilaL. conformed to the So-lanad type; karyotype endosperm; cotyledon embryo without endosperm.

UlmuspumilaL.;embryology;megaspore and microspore;female and male gamete;embryo and endosperm

東北林業(yè)大學生命科學學院院級大學生創(chuàng)新項目資助

鄭婧媛(1991—) ，女，碩士研究生，主要從事植物生殖生物學研究。

* 通信作者：E-mail:shengming615@163.com

2017-04-09

* Corresponding author：E-mail:shengming615@163.com

S564.1

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.05.003