盐肤木(
Rhus chinensis)又名五倍子树,为漆树科(Anacardiaceae)盐肤木属(
Rhus)雌、雄异株植物,皮部、种子可榨油,是我国重要的经济树种。此外,因花、叶、果具有观赏价值,盐肤木也常应用于园林绿化
[1],在医药、食品、印染、石油勘探、稀有金属提取等领域均具重要应用价值
[2-3]。
植物界大多数物种为两性花
[4],为了促进异交、避免自交衰退、保持遗传多样性,植物进化出单性花
[5]。单性花在早期会经历“两性”的发育阶段,出现雌、雄花原基,但在后期发育过程中雌、雄蕊选择性退化,从而形成单性花
[6]。关于植物单性花的研究在不同科属中都有报道
[7],单性花的性别决定机制多样,形态学及细胞学探究能够为机制研究提供参考
[8-9]。研究
[10]发现,大戟科(Euphorbiaceae)麻疯树(
Jatropha curcas)因雌、雄花数量差距大,且雌花存在胚珠败育的情况,导致该物种挂果率和果实出籽率低,影响麻疯树的规模种植及应用。李雪等
[11]以麻疯树不同发育时期的花芽为材料,在王秀荣等
[12]前期关于麻疯树花形态和解剖结构研究的基础上进行了更为详细的研究,补充了雌、雄配子体发育重要时期,为后期分子层面的研究夯实了基础
[13-14]。漆树科树种存在性别分化的情况。在我国,黄连木(
Pistacia chinensis)雌株少、雄株多,对其种子的生产及利用产生负面影响
[15],已有研究
[16]详细描述了黄连木的雌、雄株形态差异和生理特征,以及花芽发育时期与物候时间的对应关系
[17],并在此基础上研究了花芽分化期的关键基因、蛋白表达差异
[14,18],加速了黄连木新品种选育进程
[18]。
目前,盐肤木的研究主要集中在种植栽培
[19]、成分分析
[20]、药理
[21]等方面,而胚胎学方面的研究鲜见报道。了解盐肤木雌花和雄花大、小孢子发生及配子体发育特点,明确单性器官败育的关键时期是提高盐肤木经济利用价值的基础。本研究以不同发育时期的盐肤木雌、雄花芽为材料,利用石蜡切片技术观察盐肤木的大、小孢子发生及雌、雄配子体发育,从细胞学层面探究单性花的形成原因,确定盐肤木性别分化的关键时间节点,为盐肤木生殖生物学及性别分化机制研究奠定基础,丰富盐肤木生殖生物学理论,为后续盐肤木栽培和育种提供理论指导。
1 材料和方法
1.1 材料
试验材料为2024年7月初至9月中旬采集自湖北省宜昌市三峡大学(30°43′25.22″N,111°18′23.11″E)野生盐肤木及湖北省五峰土家族自治县五倍子培育基地(30°9′23.1″N,111°4′9.10″E)栽培盐肤木不同发育时期的花芽和开放的花。
1.2 方法
取不同发育时期盐肤木的雌、雄花芽于FAA溶液(
V(甲醛)∶
V(冰醋酸)∶
V(50%乙醇)=5∶5∶90)
[22]中固定24 h。固定后的材料经梯度叔丁醇逐级脱水(50%叔丁醇—70%叔丁醇—80%叔丁醇—95%叔丁醇—100%叔丁醇),每个梯度处理40~60 min,再经1/2叔丁醇+1/2石蜡(60 ℃)浸蜡60 min后转入纯石蜡(60 ℃)浸蜡120 min,包埋。包埋好的花蕾材料经LEICARM2245切片机切片,切片厚度为8 μm。蜡片展开后贴到载玻片上,置于烘箱中60 ℃烘1 h。依照张棋等
[23]的染色方法进行改良,烘箱中取出的装片于纯二甲苯中浸泡10 min(重复3次)后经梯度乙醇(100%乙醇—100%乙醇—95%乙醇—85%乙醇—70%乙醇—蒸馏水)浸泡处理,每个梯度浸泡3 min。然后,用1%番红染色30 min,再经0.5%固绿复染2 min,95%乙醇和100%乙醇各处理2 min脱色后中性树胶封片,放置阴凉通风处干燥1个月后于NEXCOPE NE910-FL显微镜下观察、拍照(物镜放大倍数为20×或40×)。
每个包埋块内包埋4~6个材料,每个发育时期样品切6~12个切块,雌树样品共切55个有效切块,雄树样品共切60个有效切块。
2 结果与分析
2.1 盐肤木功能性雄花和功能性雌花结构特征
盐肤木成熟花朵中均能观察到花萼、花冠、雄蕊和雌蕊,属于完全花(图
1A~
1B、图
1D~
1E)。部分植株所有花朵雌蕊退化(图
1A~
1B),不能结实成为功能性雄花(简称雄花),部分植株所有花朵雄蕊退化(图
1D~
1E)成为功能性雌花(简称雌花)。
盐肤木雄花具有5枚花瓣,开花时花瓣外卷(图
1A~
1B)。5枚雄蕊于花托上单轮排列,开花时花丝明显伸长(
图1B)。每个花药具4个花粉囊,同一朵花中花粉囊发育同步(
图1C)。退化的1枚雌蕊生长于花托中央,较雌花中的雌蕊短而细(图
1B、
1E)。
雌花具有5枚花瓣,开花时花瓣无外卷现象(
图1D)。5枚退化雄蕊于花托上单轮排列(
图1D),花丝极短(
图1E)。1枚雌蕊位于花托中央,柱头、子房明显膨大(
图1E),子房上位,胚珠横生(
图1F)。
2.2 盐肤木功能性雄花花药壁发育
盐肤木的雄花在造孢细胞时期形成完整的花药壁,包含表皮、药室内壁、中层、单核绒毡层,共有4层(
图2A),符合单子叶型花药壁发育模式。小孢子母细胞时期,绒毡层细胞体积明显增大,呈圆球形,内含2核或3核,中层细胞变得细长,出现降解(
图2B)。小孢子四分体时期,绒毡层细胞开始解体,中层细胞已完全解体并被挤压成线形(
图2C)。当小孢子从四分体中释放出来时,中层细胞完全解体,花药壁只剩表皮、药室内壁和绒毡层,绒毡层细胞完全消失(
图2D)。由绒毡层细胞在原位解体(
图2D)可知,盐肤木绒毡层的发育类型为分泌型。2-细胞型花粉粒时期,绒毡层细胞完全解体,只余少部分绒毡层细胞残片,花药内壁径向延长并出现带状不均匀增厚(
图2E)。成熟的2-核花粉时期,花药壁仅剩表皮和纤维状加厚的药室内壁,表皮和药室内壁细胞失水使花药壁开裂,成熟花粉粒从开裂处散出(
图2F)。
2.3 盐肤木功能性雄花和功能性雌花的小孢子发生及雄配子发育
在功能性雄花的花药发育过程中,孢原细胞分裂形成多边形的造孢细胞(
图3A)。造孢细胞进一步发育成体积大、细胞核明显、细胞质浓厚的小孢子母细胞(
图3B)。小孢子母细胞减数分裂时通过同时型胞质分裂,形成正四面体排列的小孢子四分体,四分体周围被胼胝质壁包围(
图3C)。胼胝质壁溶解后,小孢子从四分体中释放出来,形状不规则(
图3D)。接着,小孢子吸收营养变饱满,细胞核居于细胞中心,为单核居中期的小孢子(
图3E)。随后,小孢子的细胞质液泡化,形成的大液泡将细胞核挤压至细胞边缘,变为单核靠边期的小孢子。细胞边缘的核有丝分裂形成2个核,分别为生殖核和营养核,最终发育为成熟的2-细胞型花粉粒(
图3F)。
在盐肤木的功能性雌花花药发育过程中,孢原细胞分裂后刚形成的造孢细胞呈多边形,花药壁结构发育完全,有4层,从外到内依次是表皮、药室内壁、中层及绒毡层(
图3G)。随着发育的进行,造孢细胞时期的绒毡层发生溶解(图
3H~
3I),囊腔内造孢细胞的细胞质和核仁解体,细胞凋亡(
图3J)。造孢细胞时期生殖细胞的凋亡导致花药形成空腔,花粉囊出现萎缩(图
3K~
3L),最终形成花药不育的功能性雌花。
2.4 盐肤木功能性雌花和功能性雄花大孢子发生及雌配子发育
功能性雌花的胚珠原基表皮下分化出一个体积较大、细胞核明显的孢原细胞(
图4A),孢原细胞分化形成大孢子母细胞,大孢子母细胞体积大,细胞核明显,与表皮之间存在数层珠心细胞(
图4B)。大孢子母细胞经历减数分裂后形成直线排列的四分体(
图4C),珠孔端的3个大孢子在发育过程中退化消失,只留下合点端的大孢子发育成功能大孢子(
图4D)。功能大孢子发育形成单核胚囊(
图4E)。单核胚囊经1次有丝分裂后形成2个核,分别移向合点端和珠孔端,最终形成二核胚囊(
图4F)。二核胚囊体积继续增大,两端的核再进行1次有丝分裂形成4个核,为四核胚囊(
图4G)。四核胚囊进行最后1次有丝分裂形成八核胚囊,八核胚囊合点端和珠孔端各有1个极核向中央移动(
图4I),留下合点端的3个细胞发育成反足细胞(
图4I),珠孔端的3个细胞发育成卵器,卵器由1个卵细胞(图
4H)和
2个助细胞(图
4H~
4I)构成,卵器中卵细胞和助细胞呈“品”字形排列。盐肤木雌配子体的发育过程呈现出典型的蓼型胚囊发育特征。
盐肤木功能性雄花存在胚珠结构。胚珠发育过程中,早期胚珠表皮下的孢原细胞分化形成具明显细胞核的大孢子母细胞(
图4J)。大孢子母细胞经减数分裂形成直线排列的大孢子四分体(
图4K)。四分体靠珠孔端的3个大孢子退化,只留下合点端的功能大孢子发育成单核胚囊(
图4L)。单核胚囊后通过有丝分裂形成二核胚囊(
图4M),但不能发育为完整的八核胚囊。部分胚囊停留在二核时期不再发育,部分胚囊在四核胚囊至八核胚囊时期出现胚囊核消失的情况(图
4N~
4O),最终功能性雄花中的雌蕊败育。
3 讨论
被子植物的花药和胚珠发育过程中的大、小孢子发生和雌、雄配子体发育过程,对于理解植物性别分化机制具有重要意义
[22]。植物花芽分化的研究是揭示性别分化的前提和基础,同时也能为遗传育种研究提供基础资料。芸香科(Rutaceae)的竹叶花椒(
Zanthoxylum armatum)以孤雌生殖繁衍,近年来出现雄花分化的情况,雌蕊原基或雄蕊原基的选择性败育促使性别分化的形成,对该现象的研究有利于高产品种的培育
[24]。Hormaza和Polito
[25]直接通过扫描电子显微镜对不同发育时期的花芽进行扫描,确定了阿月浑子(
Pistacia vera)花器官的发生模式和表型性状,为花发育分子机理研究奠定了基础。欧阳彤
[26]利用徒手切片法将不同发育时期的阿月浑子花芽制成临时装片,确定了各分化时期的特征,探究了花芽分化与物候、果实成熟期的关系,为后期阿月浑子的丰产栽培提供科学依据。本研究利用石蜡切片技术对盐肤木不同时期花芽的切片研究发现,盐肤木的小孢子四分体为正四面体型、成熟花粉粒为2-细胞型、绒毡层类型为分泌型;大孢子四分体为直线型、胚囊发育类型为蓼型、胚珠横生。其中,2-细胞花粉粒、蓼型胚囊为较原始的胚胎学特征,而胚珠横生、分泌型绒毡层是较为进化的特征,表明盐肤木可能处于原始到进化的过渡状态
[27]。这些细胞学研究结果为盐肤木演化地位及亲缘关系的确立提供了线索。
盐肤木功能性雄花的花药壁和雄配子体能正常发育,但功能性雌花的花药壁无法形成稳定的功能性绒毡层,造孢细胞无法继续发育,最终花粉囊腔性细胞解体,只留下缺失绒毡层的花药壁。双子叶植物花粉败育常发生在四分体之前,盐肤木雌花花粉在小孢子母细胞时期败育符合双子叶植物花粉败育特征
[28]。漆树(
Toxicodendron vernicifluum)雌花在小孢子母细胞时期发育停滞,且绒毡层在小孢子母细胞时期提前退化萎缩
[29]。原始被子植物是雌雄同体,有花植物从两性花逐渐进化成单性花,盐肤木雌花中的性细胞较漆树出现退化的时期更早,说明盐肤木较漆树更进化。黄连木的绒毡层在小孢子母细胞时期出现提前解体的情况,花粉粒成熟时绒毡层才完全解体,虽然绒毡层解体时间提前,但并未影响小孢子的发育
[30]。由此看来,绒毡层细胞异常解体不一定导致花粉败育,但是性细胞本身在发育过程出现异常,最终无法形成可育配子体。
在盐肤木雌配子体的发育过程中,功能性雌花和雄花的胚珠最初发育无差异,在单核胚囊形成之后,雌花中的胚珠能继续发育形成八核胚囊,但雄花中的胚珠在二核胚囊至八核胚囊的发育过程存在异常,发育停滞或胚囊核消失,最终无法形成功能性雌配子体。同科植物南酸枣(
Choerospondias axillaris)的花芽分化研究发现,雄花无雌蕊,可能是由于早期雌蕊原基退化或消失导致的
[31],黄连木也存在少量胚囊发育异常的情况,约5%的胚囊在单核期解体,20%的胚囊无明显的胚囊腔形成,推测这可能是导致黄连木结实率低的胚胎学因素之一
[30]。盐肤木雄花中的雌蕊在二核胚囊之后发育异常,无法形成正常八核胚囊,促进了单性花的形成。
盐肤木作为蜜源植物时雌花可提供花蜜,雄花在提供花蜜的同时还能提供对蜜蜂繁殖有利的花粉,盐肤木的种子还可榨油
[32]。如果解析出盐肤木性别分化机制或可培育出可育的盐肤木两性植株,充分利用盐肤木资源。Carrasco等
[33]结合葡萄(
Vitis vinifera)花发育过程的细胞学观察结果,从不同发育阶段的葡萄花芽转录组数据中筛选出
ETO1、
ACS和
SAUR这3个可能的性别决定基因。本研究通过细胞学观察发现了盐肤木性别分化的关键时间节点,功能性雄花中的雌蕊在二核胚囊至八核胚囊时期发生败育,功能性雌花中的雄蕊在造孢细胞时期发生败育,为盐肤木性别决定基因及性别决定机制研究提供了细胞学资料。