西域萸節(jié)花主要胚胎學特征

冠花科是東亞的一個獨特學科，只有一個屬（冠花科），10.16種（陳書坤，1981；唐艷成等，1983）。該科最早以屬的等級放在海桐花科Pittosporaceae中(Siebold&Zuccarini,1835)。目前,其科的等級雖已被普遍接受,但其系統(tǒng)位置則一直眾說紛紜。從當代幾個有影響的被子植物分類系統(tǒng)來看,主要有兩種不同的觀點:一種觀點認為,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);另一種觀點認為,該科與堇菜目中的大風子科Flacourtiaceae或堇菜科Violaceae親緣(Melchior,1964;Takhtajan,1969;Cronquist,1981,1988)。此外,也有學者認為旌節(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資料的分支分析得出了一個意想不到的結(jié)果——旌節(jié)花科與Crossosomataceae互為姐妹群,進而再與省沽油科Staphyleaceae發(fā)生聯(lián)系。Crossosomataceae是一個分布于北美的小科,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,被置于薔薇亞綱的無患子目(Cronquist,1981)。胚胎學證據(jù)在解決屬以上分類等級系統(tǒng)關(guān)系方面的重要性歷來為系統(tǒng)學家所重視和青睞。旌節(jié)花科的胚胎學研究前人曾有過報道,如Mathew&Chaphekar(1977)對中國旌節(jié)花S.chinensis,Sato(1976)和Kimoto&Tokuoka(1999)對產(chǎn)于日本的早春旌節(jié)花S.praecox都進行過胚胎學研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,選擇在中國南方以及喜馬拉雅地區(qū)廣泛分布的西域旌節(jié)花S.himalaicus進行胚胎學研究,旨在進一步確定旌節(jié)花科的胚胎學特征,并通過與相關(guān)類群的胚胎學特征比較,為探討和闡明旌節(jié)花科的系統(tǒng)位置提供證據(jù)。1植物標本館韋仲新2000-4西域旌節(jié)花(StachyurushimalaicusHook.f.etThoms.exBenth)采自云南省易門縣六街鄉(xiāng)大新村后山,憑證標本(韋仲新2000-4)存放于中國科學院昆明植物研究所植物標本館(KUN)。不同發(fā)育時期的花芽用改進的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,中性樹脂封藏,OlympusPM-10AD光學顯微鏡下觀察照相。2觀察結(jié)果2.1細胞期裂解法西域旌節(jié)花的花藥由4個孢子囊組成。發(fā)育初期構(gòu)造較簡單,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個角隅的細胞分裂較快,花藥呈現(xiàn)四棱的外形。隨后在4個角隅處的原表皮下的第一層細胞分化出孢原細胞,孢原細胞進行平周分裂,形成內(nèi)外兩層,外層為初生周緣細胞,內(nèi)層為初生造孢細胞。初生周緣細胞繼續(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)壁和一層中層細胞;內(nèi)次生周緣層也平周分裂,形成另一中層細胞和絨氈層,這是典型的基礎(chǔ)型藥壁發(fā)育方式。當小孢子母細胞形成時花藥壁發(fā)育完全。分化完全的花藥壁一般由5～6層細胞組成,由外至內(nèi)依次為:表皮、藥室內(nèi)壁、中層(2～3層細胞)及絨氈層(圖版Ⅰ:2)。表皮細胞的形狀隨著花藥的發(fā)育而變化,到花藥成熟時變成不規(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層細胞構(gòu)成,初期可能作為儲存營養(yǎng)物質(zhì)之用。后來細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,絨氈層細胞初期為單核,形狀與周圍細胞無異,小孢子母細胞開始減數(shù)分裂時,絨氈層細胞體積逐漸增大,細胞質(zhì)變濃,出現(xiàn)二核(圖版Ⅰ:3),小孢子二分體時期絨氈層最發(fā)達,其后絨氈層細胞開始解體,至花粉粒完全成熟時只剩殘跡(圖版Ⅰ:10)。2.2減數(shù)分裂法初生造孢細胞通過分裂和分化依次形成次生造孢細胞和小孢子母細胞,初期的小孢子母細胞排列緊密,細胞質(zhì)濃厚(圖版Ⅰ:2),以后逐漸分開,進入減數(shù)分裂。減數(shù)分裂過程中,細胞質(zhì)的分裂為同時型,即第一次分裂時形成兩核,但不進行細胞質(zhì)分裂(圖版Ⅰ:4),第二次分裂時形成四核(圖版Ⅰ:5),隨后,四核之間產(chǎn)生細胞壁,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,有濃厚的細胞質(zhì)和位于中央的核,隨后,細胞壁變厚,體積增大,出現(xiàn)明顯的3個凹陷(圖版Ⅰ:7),中央逐漸形成一個大的液泡,細胞核和細胞質(zhì)被擠到邊緣,經(jīng)歷一次有絲分裂后,形成一個大的營養(yǎng)細胞和一個小的生殖細胞(圖版Ⅰ:8)?；ǚ鄢墒鞎r,中央液泡消失,營養(yǎng)細胞和生殖細胞移向中央,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(圖版Ⅰ:13)。2.5周緣細胞成因在珠被形成的同時,珠心表皮下分化出一個或兩個孢原細胞,孢原細胞平周分裂,形成內(nèi)外兩個細胞,外側(cè)的一個為初生周緣細胞,內(nèi)側(cè)的為初生造孢細胞(圖版Ⅱ:14)。初生周緣細胞繼續(xù)進行平周分裂,生成3～4層周緣組織,形成厚珠心(圖版Ⅱ:14,15)。造孢細胞直接成為大孢子母細胞,(圖版Ⅱ:15)。大孢子母細胞減數(shù)第一次分裂后形成二分體,其中合點端細胞比珠孔端的細胞稍長(圖版Ⅱ:16),合點端的二分體細胞繼續(xù)分裂形成兩個細胞,珠孔端的二分體細胞退化,有的在退化過程中分裂一次形成線形大孢子四分體(圖版Ⅱ:17),有的來不及分裂便退化形成三分體(圖版Ⅱ:18)。通常情況下,合點端的大孢子成為功能大孢子,偶見亞合點端功能大孢子(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,沒有發(fā)現(xiàn)Mathew&Chaphekar(1977)報道的在中國旌節(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,合點端發(fā)育出3個反足細胞,兩個極核移向胚囊中央。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)育時期間的胚胎學特征西域旌節(jié)花與已報道的早春旌節(jié)花(Sato,1976;Kimoto&Tokuoka,1999)和中國旌節(jié)花(Mauritzon,1936;Mathew&Chaphekar,1977)相比,其雌雄配子體的形成和發(fā)育過程十分相似,唯一的不同在于早春旌節(jié)花沒有大孢子三分體和多胚現(xiàn)象的報道。旌節(jié)花科雌雄配子體形成和發(fā)育階段的胚胎學特征可以概括為: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,小孢子母細胞減數(shù)分裂為同時型,小孢子四分體的排列為四面體形,花粉成熟時為二細胞時期;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,合點端或亞合點端功能大孢子,蓼型胚囊,偶見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”類群之間有著相當程度的相似性(表1)。就小孢子的形成和發(fā)育過程而言,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層細胞組成以及省沽油科的中層只有1層細胞,比較特殊。從大孢子的形成和發(fā)育過程來看,獼猴桃科和山柳科的胚珠為單珠被,薄珠心,沒有珠心冠,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,沒有珠心冠,與旌節(jié)花科也有明顯的不同。在其它幾個與旌節(jié)花科相對接近的“近緣”類群中,堇菜科與旌節(jié)花科最為相似,除了堇菜科無亞合點端功能大孢子的報道外,二者的其它胚胎學特征基本相同。由此可見,從目前可以利用的雌雄配子體形成和發(fā)育的資料來看,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)的研究重點探討了旌節(jié)花科與山茶科、大風子科和金縷梅科的關(guān)系,認為旌節(jié)花科與山茶科關(guān)系最近。他們的研究強調(diào)了這兩個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)象等胚胎學特征。實際上,除了具雙孢型胚囊這一特征目前僅在這兩個科中觀察到外,其它被強調(diào)的特征也為其它相關(guān)類群分享。值得指出的是,山茶科沒有珠被絨氈層的描述與實際情況不符,早在1965年,曹慧娟就報道過油茶(Camelliaoleifera)的珠被絨氈層,Tsou(1997)再次描述了細葉山茶(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,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;劉成運和張香蘭,1983;李天慶和曹慧娟,1986;Tsou,1997),但近年報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)由于過分強調(diào)了上述并非專有的和不切實際的胚胎學特征,忽略了旌節(jié)花科與山茶科間在胚胎學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)基于胚胎學以及種皮解剖學證據(jù)的支持,但這一支持的力度是有限的。因為Kimoto&Tokuoka(1999)并沒有將旌節(jié)花科與在歷史上被認為與該科“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)],反足細胞再次分裂,沒有珠心冠的報道;省沽油科花藥的中層只有一層細胞,單孢原,沒有承珠盤的報道,這些都與旌節(jié)花科不同。不過,胚胎學證據(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西域措施對西域型花的認識在過去幾乎所有有關(guān)旌節(jié)花科的文獻中,都認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,有些花根本就沒有花粉。意思是:形式上是兩性花,但實則上已分化為雌雄異株。韋仲新和楊增宏(2001)以西域旌節(jié)花為對象,對此現(xiàn)象進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。