中國特有珍稀瀕危水生植物海菜花大孢子發生及雌配子體發育

翟書華　殷根深　侯思名

摘要：用石蠟切片法對我國特有珍稀瀕危水生植物海菜花的大孢子發生及雌配子體的發育過程進行解剖學研究，探討其繁殖生物學特性。結果表明：海菜花雌蕊為3心皮，每心皮胚珠多數，胚珠倒生，雙珠被，厚珠心。功能大孢子位于珠孔端，胚囊發育蓼型。大孢子發生和雌配子體發育情況基本正常。此外，還能觀察到雌花內有雄蕊退化的痕跡。

關鍵詞：海菜花；大孢子；發生；雌配子體；雌花形態結構；發育形態；繁殖；生物學特性；胚胎學特征；雄蕊退化

中圖分類號： S6823201文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0229-02

收稿日期：2017-04-09

基金項目：國家自然科學基金（編號：3136O065）。

作者簡介：翟書華（1963—），男，教授，從事資源植物學與生理生態學的教學和研究。E-mail：937701466@qqcom。

通信作者：殷根深，博士，實驗師，主要從事植物學教學和研究。E-mail：252351015@qqcom。

海菜花[Ottelia acuminata（Gagnep） Dandy]為水鱉科（Hydrocharitaceae）水車前屬植物，別稱異葉水車前、龍爪菜、海菜等，多年生大型沉水植物，是中國特有的國家三級重點保護珍稀瀕危水生植物[1-2]。曾經廣泛分布于中國西南、華南諸省，特別是在廣西西南部高原臺地的河溪與云南湖泊中能形成穩定的沉水植物群落。可供觀賞、食用、藥用，也可作為鳥類、魚類等動物的飼料，另外還可以用于環境監測[3-4]。但是，由于水體污染、干旱、水位下降、人類的過度采撈等，導致海菜花的數量急劇下降[4]。近年來，海菜花屬植物在分類學、生態學、核型研究等方面的報道不斷增多[5-10]，但是對海菜花有性生殖過程中大孢子的發生和雌配子體的發育未見報道。本研究對海菜花大孢子的發生和雌配子體的發育情況進行顯微觀察，從生殖生物學的角度探討海菜花是否存在生殖障礙，為其瀕危機制、繁育和保護研究提供理論依據。

1材料與方法

11材料的采集與栽培

活體材料采自于云南省鶴慶縣黑龍潭（編號為HQH-1，100°10′044″E、26°35′400″N，海拔2 192 m）和劍川縣金華鄉格美江（編號為JCJ-1，96°56′590″E、26°31′134″N，海拔 2 140 m），移栽到昆明學院生命科學與技術系實驗樓中，栽培基質為營養土（3份沙 ∶6份紅壤土 ∶1份腐殖質土 ∶005份有機肥，均為質量比，本試驗所用單位為kg），沉入玻璃缸中，定期人工加水、換水、施肥、打撈藻類、螺類和換土等。

12方法

在開花期間采集雌花，根據花蕾大小分組，清洗后用FAA固定，置于4 ℃冰箱中保存備用。在解剖鏡下對雌花進行解剖，觀察其形態特征，并記錄拍照。鐵釩-蘇木精整體染色，石蠟切片法制片，切片厚度8～12 μm，中性樹膠封片，徠卡數碼顯微鏡（DM2500）下觀察并拍照。

2結果與分析

21雌花的形態結構

海菜花為單性花，雌雄異株，據筆者20多年的觀察，只要氣溫適宜即可常年開花。每個雌花花序有3枚綠色總苞，佛焰苞中有2～4枚雌花，雌花有花萼3枚，綠色披針形，花瓣3枚，長1～35 cm，基部黃色，上部白色，倒心形，花柱3枚，橙黃色，分2叉，長約14 cm，退花雄蕊3枚，黃色，線形。雌蕊3心皮3室，子房下位，呈狹長的不規則三棱柱狀，子房內有3列倒生的胚珠，胚珠多數。

22大孢子發生

海菜花的胚珠著生于心皮的側膜胎座（圖1-a）上，子房壁內表皮下的細胞平周分裂，產生胚珠原基（圖1-a），胚珠原基繼續分裂分化，頂端發育成珠心，基部發育成珠柄（圖1-b）。珠心表皮細胞下分化出1個孢原細胞，孢原細胞不斷發育，體積逐漸增大，細胞核大而明顯，易區別于周圍的珠心細胞，孢原細胞經過平周分裂形成周緣細胞和造孢細胞，周緣細胞經過平周分裂和垂周分裂形成珠心組織，造孢細胞發育成1個胚囊母細胞（圖1-c），與周圍的珠心細胞、表皮細胞相比，其體積較大、細胞質濃、細胞核大，胚囊母細胞經過2次分裂形成4個細胞，其中1個為功能性大孢子，功能性大孢子逐漸發育成單核胚囊（圖1-d），隨即進入雌配子體發育。在大孢子發生的過程中，內外珠被細胞也在不斷分裂發育并逐漸包圍珠心，最后生長到胚珠頂端，與胚珠頂端愈合在一起，并且在愈合處形成珠孔，為成熟的花粉粒進入胚珠內與卵細胞結合提供通道。

23雌配子體發育

單核胚囊經過1次分裂，形成2個核，2個核分別反方向向胚囊兩端移動， 形成二核胚囊（圖1-e），二核胚囊不斷發

育成熟，再次分裂為四核胚囊（圖1-f），四核胚囊發育成熟后再次進行分裂，形成八核胚囊，胚囊近珠孔端有3個細胞，合點端有3個細胞，中央有2個極核（圖1-g），胚囊發育屬蓼型。隨著胚囊的繼續發育，合點端的3個反足細胞一段時間后逐漸退化消失。珠孔端為2個助細胞和1個卵細胞形成的卵器，中央的2個極核形成1個中央細胞。分化的卵細胞細胞核較大且明顯，細胞質較濃，隨后細胞體積增大。卵細胞是胚囊的核心部分，是雌配子。助細胞剛分化時呈楔形，2個助細胞與卵細胞構成卵器，位于細胞的珠孔端，助細胞成熟后，珠孔端會分化出絲狀器（圖1-h）延伸到2個助細胞中部與之聯合，在成熟胚囊里助細胞沒有退化。反足細胞位于胚囊的合點端，3個反足細胞分化后很快就開始退化，細胞退化開始的時間比胚囊內其他細胞早一些，成熟的胚囊中有時僅見胚囊的合點端有一些染色較深的反足細胞退化團塊（圖1-i）。

3討論與結論

31海菜花的生物學特征

海菜花為單子葉植物，單性花，雌雄異株，雄花和雌花都形成花葶，發育順序外向式，這一結果與王玉國等報道的路南海菜花的花器官發生的結論[11]相一致。據筆者20余年的栽培觀察，其主要繁殖方式為有性生殖，當種子成熟后落入水中萌發或進入泥土后萌發繁殖，也有觀察到海菜花克隆繁殖的現象。在海菜花栽培過程中，要求水質清澈，須經常換水，否則易滋生大量藻類，吸附在海菜花葉片上，嚴重影響生長繁殖，隨著藻類數量的增加而導致死亡，這與李杰等報道的海菜花生長抑制藻類的結論[12]有不同的情況。

32海菜花的胚胎學特征

在被子植物中，大孢子母細胞經過減數分裂之后形成的四分體一般呈線形排列或T形排列，在本試驗中觀察到呈線形排列的四分體，但沒有觀察到T形排列的四分體；而海菜花功能大孢子是移動到珠孔端，而不是合點端，這與多數功能大孢子位于合點端的被子植物不同，但與王玉國等的結果[11]相同，是海菜花的一個重要生殖特征。

筆者還觀察到大孢子發生、雌配子體形成與胚胎發育中均發現了敗育現象，其中不同地區的敗育率不同，在大孢子發生階段敗育低，而在之后發育階段中，敗育率明顯增加，但敗育率有所不同，同一采集點同一發育階段敗育率差別不大，也有極少數種群敗育率有明顯增加或減少的現象。據此推斷，海菜花雌蕊的敗育現象與生長地區的海拔、溫度、水質等環境有一定的關系，但關聯度有待研究。

33雌花中雄蕊退化的系統學啟示

在海菜花花部器官的解剖中發現，雄花中心有雌蕊退化的痕跡，雌花中有雄蕊退化的痕跡。由此推測，其原始祖先為兩性花，在長期的演化過程中，花部器官逐漸發生了變化，由兩性花演變為單性花，且雌雄異株，這種改變帶來的生物學意義是顯而易見的。可以避免自交帶來的遺傳多樣性降低的不利影響，促進個體間甚至是居群間的基因交流。其雄花與雌花均輪狀著生，由內向外發育，這使得每一個花序的開放周期變長，提高了雄蕊的傳粉、花粉的擴散及花粉輸出率等，增強了雌蕊接受外來花粉與受精的概率，從而使雄花與雌花的開放時間與周期得以改變，保證優良性狀的穩定遺傳，進而使得海菜花可以更好地適應當地環境，維持種群的生存[14]。

通過對海菜花花的形態結構與胚胎發育過程研究，為海菜花屬植物的繁殖生物學和傳粉生物學提供理論依據，為探討海菜花屬植物在水鱉科中的分類地位及親緣關系提供胚胎學資料，為該種植物的栽培、引種馴化及保育提供科學依據。

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