西瓜小孢子囊发育及雄配子体发生的观察
摘要：西瓜（Citrullus lanatus）小孢子囊的胞原细胞出现在雄花原基出现后4～6天，孢原细胞数目推测只有一列，初生造孢细胞经过2～3次分裂，形成次生造孢细胞。开花前7～8天，小孢子囊发育健全，小孢子母细胞进入减数分裂期。同一花药不同花粉囊和同一药室，花粉母细胞减数分裂并不是高度同步的。绒毡层为异型细胞，腺质绒毡层。雄配子体的发育开始于开花前6～7天，充分成熟的西瓜花粉为三细胞型。
关键词：西瓜；花药；小孢子囊；雄配子体
Watermelon Microsporangium Development and Male Gametophyte Occurrence of the Observation
Li Shuxian Lu Xinde
Abstract: Watermelon (Citrullus lanatus) microsporangium sporogonium happen to stamen primordium appeared after of the 4-6 days. Number of sporogonium speculation has only one column. Primary sporogenous cells fission 2-3 times and formed secondary sporogenous cells. Before flowering 7-8 days, the microsporangium development sane, the microspore mother cells entered into the period of meiosis. The same anther different pollen sac and the same anther chamber, meiosis of pollen mother cells not highly synchronized. The tapetum is a kind of abnormal cells, glandular tapetum. Development of male gametophyte begins at pre-bloom 6-7 days, the fully matured watermelon pollen is of the three cell type.
Key words: Watermelon; Anther; Microsporangium; Male gametophyte
关于瓜类作物器官发生和胚胎学的研究，苏联学者Л. П. Tapбaeвa曾把西瓜和甜瓜植株器官发生分为12个阶段，指出西瓜在出苗后第18～22天花芽突起伸长，4～5片真叶时植株主茎上雄花形成花药，同时形成第一侧枝，并在其上形成3～5个叶原基和雄花原基[1]。我国学者温筱玲1981年对西瓜“早花”品种的研究指出，播种后14天第1真叶平展，第2真叶吐心时，主茎开始花芽分化。在已分化的第3真叶叶腋内出现雄花原基突起，发育到第3真叶平展、第4真叶吐心时（播后第20天）第1雄花雄蕊清楚可见。第4真叶平展、第5真叶吐心时（播后第25天），第1雄花花药产生花粉母细胞[2]。李树贤曾对西瓜、甜瓜、黄瓜等瓜类作物小孢子的发生和发育进行过初步的观察。这些观察主要是利用涂抹压片法进行的，重点是对花粉母细胞减数分裂和小孢子发生特征的观察[3]。关于西瓜小孢子囊的发育和雄配子体发生的整体研究尚未见报道。
1 材料与方法
研究材料为西瓜中熟品种“都三号”与“小籽三号”。田间栽培同常。主要研究工作于1987年在新疆石河子蔬菜研究所进行。取样于当地最适宜的花期（6月）。卡诺氏液（酒精∶乙酸=3∶1）固定，石蜡切片，铁巩-苏木精染色。普通光学显微镜下观察拍照。
2 结果与讨论
2.1 西瓜雄花蕾与小孢囊的发育
西瓜的器官分化由于品种和栽培环境以及气候条件的影响，在进程上有明显的差别。同一朵花的发育还常因在植株上的着生位置的不同而有所差别。据观察，一般中熟品种在正常年份和比较适宜的季节里，枝条中部的雄花蕾从雄蕊原基形成（图版III,1）到开花需要16～18天的时间；从肉眼可以看清花蕾到开花需要10天左右的时间。在这期间，花蕾的大小和小孢子襄的发育进程大致如表1所示。
表1 西瓜的雄花蕾形态和小孢子囊发育Table 1 Watermelon male bud morphology and microsporangium of the development
李树贤 陆新德：西瓜小孢子囊发育及雄配子体发生观察 图版III
Li Shuxian and Lu Xinde: Watermelon microsporangium development and male gametophyte occurrence of the observation Plate III
图版说明
1．幼小花蕾纵切面，可看到已分化的雄蕊原基（↖）,×33 ;2．表皮细胞正在进行垂周分裂（↑），孢原细胞处在分裂之前（↗）,×330;3．孢原细胞平周分裂形成初生壁细胞（↗）及初生造孢细胞（↖）,×330;4．次生壁细胞（↖）和次生造孢细胞（↑）形成，×330;5．绒毡层细胞进行分化（→）,×330;6．两种绒毡层细胞，P-绒毡层细胞（↙）, C-绒毡层细胞（↗），花粉母细胞已进入减数分裂前期I,×330;7．减数分裂过程中，绒毡层细胞开始被吸收，×132;8．四分孢子体时期绒毡层细胞已有相当数量被吸收，×132;9．花粉发育基本成熟，周原质团和绒毡层细胞被吸收殆尽，×33
Plate explanation
1．The young buds of longitudinal section, can be seen differentiated stamen primordia（↖）,×33;2.The epidermal cells are anticlinal division（↑）, the archesporial cells in before the split（↗）,×330;3.Sporogonium periclinal division form the primary wall cells（↗）and primary sporogenous cells（↖）,×330;4.The secondary wall cell（↖）and secondary sporogenous cells（↑）formed,×330;5.Tapetal cells differentiation（→）,×330;6.Two kinds of tapetal cells, P - tapetum cells（↙）, C - tapetum cells（↗）, Pollen mother cells have entered prophase of meiosis.I,×330;7.The process of meiosis, tapetal cells begin to be absorbed,×132;8.Four points sporogonium period has a quantity absorbed tapetal cells,×132; 9.The the pollen development is mature, periplasmodium and tapetum cells had been absorbed be almost wiped out,×33
西瓜孢原细胞出现在雄花原基出现后的4～6天，此时花蕾很小，肉眼很难看清。但通过切片可以看到花药已经出现，花药体积较小，雄蕊花丝较短，花药在花丝上还未弯曲折叠，花药表皮及其以内的组织均为分裂旺盛的细胞。其中位于表皮细胞以下的孢原细胞体积较大（图版III,2），孢原细胞进行平周分裂，形成初生壁细胞和初生造孢细胞（图版III,3）。初生壁细胞进一步分裂形成花药壁，初生造孢细胞经过2～3次分裂，形成次生造孢细胞（图版III,4、5）。此时花蕾大小已约1mm，肉眼已可以看清。
开花前7～8天，当雄花蕾纵横径为(2～3)mm×(1.5～2)mm时，次生造孢细胞分生为小孢子母细胞，小孢子囊形态发育完成（图版III,6）。随后花粉母细胞进入减数分裂期，从前期I到幼小的小孢子游离出四分孢子体，全部过程基本上都在比较短促的时间内完成。这是研究西瓜有关胚胎学和遗传学问题，以及进行染色体工程、细胞工程操作的重要时期。
开花前1～2天，小孢子囊的绒毡层细胞被吸收殆尽，花粉发育成熟（图版III,9）。
2.2 西瓜小孢子囊发育的基本特征
孢原细胞的数目在不同植物中是不同的。由于在西瓜花药的横切面只能看到一个，推测它只有一列孢原细胞。当初生造孢细胞进一步分裂形成次生造孢细胞时，次生壁细胞的内层细胞和花药隔细胞也开始衍生绒毡层组织（图版III,5）。此时大约已是开花前的8～9天，雄花蕾大小约为（2×1.5）mm。绒毡层细胞在发育初期为单核，后由于进行有丝分裂不形成细胞板，而形成双核或多核细胞（图版III,6）。从特性上来看，西瓜的绒毡层为Bhojwani等（1979）所报道过的那种少数植物所具有的异型绒毡层[6]。同时包含两种类型的细胞，一种是近花药中央由花药隔细胞衍生而来，细胞体积较大，通常称作C-绒毡层的细胞，另一种是近花药表皮，由花药壁内层细胞衍生而来，细胞体积较小，通常称作P-绒毡层的细胞（图版III,6）。
西瓜绒毡层的另一个特征是，绒毡层细胞在小孢子的整个发育过程中，始终维持在原来的位置，而且在小孢子母细胞减数分裂前期也未变得扁平（图版III,7），四分孢子体时期也未发生其内壁和径向壁破坏消失的现象（图版III,8）。这说明西瓜的绒毡层当属腺质绒毡层。具这种绒毡层的小孢子囊中的小孢子发育所需要的物质，靠细胞内表面分泌产生。花粉成熟后，绒毡层细胞完全自溶消失（图版III,9）。需要讨论的是，腺质绒毡层有乌氏体（ubisch body）产生，而且具有一定化学成分的绒毡层膜。在这方面Echlin等[7][8]和Gupta等[9]都曾有过比较详细的研究和评述。西瓜绒毡层的研究还缺乏这方面的资料，需要做更进一步的工作。
西瓜小孢子囊发育最完整的时期是花粉母细胞临进入减数分裂之前，同一花药的4个小孢子囊在这个时期表现得最清晰。关于西瓜花粉母细胞减数分裂同步性的问题，在我们的观察中，同一花药不同的小孢子囊在发育上并不是十分同步的，同一药室小孢子母细胞的减数分裂同样也不完全同步。图版II-10，左侧药室的花粉母细胞有的已进入后期I，但也有中期I和前期I；右侧药室以前期I为主，在个体上有的处在细线期，也有的处在双线期、终变期，还有的已达到中期I。西瓜的这种情况和通常所认为的大多数被子植物同一花药内的小孢子母细胞减数分裂是高度同步的论断不完全一致[8]。
2.3 西瓜雄配子体的发育
开花前6～7天，当雄花蕾发育到纵横径为(1～4)mm×(2～3)mm时，四分孢子体解体，小孢子诞生。幼小的小孢子产生以后，随着体积的增大，细胞质发生液泡化而进入单核靠边期（图版Ⅳ,11）。此后不久即开始有丝分裂，第一次有丝分裂在贴近小孢子壁的小孢子核内进行，经过分裂产生营养核和生殖核（图版Ⅳ,12、13、14、15）。后细胞质分裂，形成营养细胞和生殖细胞。营养细胞的细胞核较大，细胞质充实；生殖细胞在花粉粒中只占极小的位置，细胞核也较小。营养细胞和生殖细胞在花粉还有液泡时就可以分辨清楚，随着液泡缩小，营养细胞移向花粉粒中部，生殖细胞还在靠近花粉壁处（图版Ⅳ,16）；然后液泡消失，生殖细胞移近营养细胞（图版Ⅳ,17）。到了雄花（或两性花）开放，作为复合细胞的花粉粒已经完成第二次有丝分裂，而成为三细胞。其中包括一个营养细胞，以及由生殖细胞分裂产生的两个椭圆形雄配子一精子，到此雄配子体发育完成（图版Ⅳ,18）。以前认为西瓜为二细胞型花粉[4]，有可能是由于成熟度的差别而造成的。因为同一花药不同药室，甚至同一药室花粉母细胞减数分裂并不都表现同步性，这就必然会影响到小孢子的发育在个体上也不会完全同步，从而表现为兼型花粉。关于这一点，还需进一步研究。
李树贤 陆新德：西瓜小孢子囊发育及雄配子体发生观察 图版Ⅳ
Li Shuxian and Lu Xinde: Watermelon microsporangium development and male gametophyte occurrence of the observation Plate Ⅳ
图版说明
10．同一花药不同的小孢子囊和同一囊室花粉母细胞减数分裂并不是完全同步的，×330;11．小孢子单核靠边期，×330;12．小孢子第一次有丝分裂后期，×330;13，小孢子第一次有丝分裂末期，×330;14．营养核与生殖核核膜形成，×330;15．营养核与生殖核分裂为两个独立的细胞，×330;16．营养细胞移向中心，生殖细胞仍处于花粉粒边沿，×330;17．营养细胞核很大，细胞质充满花粉腔，生殖细胞只占很小比例，×330;18．生殖细胞分裂为两个椭圆形的精子，雄配子体发育完成，×330;19．花粉在柱头上萌发，×132
Plate explanation
10.And in the same anther different pollen sac and in the same anther chamber, meiosis of pollen mother cells not highly synchronized,×330;11.Microspore mononuclear pull over,×330;12.Microspore mitosis late stage for the first time,×330;13.Microspore The first time mitosis for the telophase,×330;14.The vegetative nucleus and reproductive nucleus nuclear membrane formation,×330;15.The Vegetative nucleus and reproductive nucleus splits into two separate cells,×330;16.The vegetative cells move to the center, the germ cells are still in the pollen grains edge,×330;17.The vegetative nucleus is very large, and the cytoplasm is full of the pollen chamber, reproductive cells account for only a small percentage of,×330;18.The division of germ cells into two oval sperm, male gametophyte development completed,×330;19.Pollen germination on stigma,×132
参考文献
[1] Б A鲁宾．蔬菜和瓜类生理[M] ．解淑贞，郑光华，译．北京：农业出版社，1970.
[2] 温筱玲．西瓜的花芽分化与幼苗形态[J] ．中国果树，1981（3）.
[3] 李树贤．瓜类作物小孢子的发生和发育[C] ．全国蔬菜育种新途径学术讨论会论文，1979.
[4] 胡适宜．被子植物胚胎学[M] ．北京：人民教肓出版社，1982.
[5] Eames A J．被子植物形态学[M] ．谢成章，编译．武汉：湖北科学技术出版社，1984:112-206.
[6] Bhojwani S S, Bhatnagar S P. The Embryology of Angiosperms（3rd.ed.）[M] .New Delhi:Vikas. Publ.House,1979.
[7] Echlin P, Godwin H.The ultrastructure and ontogeny of pollen Helleborus foetidus L.I.The development of the tapetum and Ubish bodies[J] .Journal of cell science 1968,3:161-174.
[8] Echlin P. The role of the tapetum during microsporgenesis of angiosperms[C] //.J. Heslop-Harrison, ed.Pollen Development and Physiology.London: Butterworth,1971:41-61.
[9] Gupta S C, Nanda K.Occurrence and histochemistry of anther tapetal membrance[J] .Grana Palynologica,1972,12:99-104.