穗花杉的生物學特性

研究材料的來源穗花云杉的珍珠在5月到6月之間傳遞。7月底成熟。次年6月至7月間，假種紅棕色，種子成熟。所以,本文研究材料的收集,自1980至1982年,至少連續兩年多的時間。除大部分胚珠作縱切片外,部分作了橫切面制片,以便觀察花粉管生長、頸卵器數目和維管束分布等。石蠟切片厚度10—12微米。染色除用一般的鐵礬-蘇木精外,還用PAS反應以及苯胺藍黑和考馬斯藍等染色方法。觀察結果(一)受內部細胞影響的珠心發育紅豆杉科胚珠結構的共同特點是:在胚珠外圍覆有一層假種皮,假種皮與珠被融合以及包圍它們的程度是不同的。這種特點可以作為本科植物族水平的分類依據之一。從結構上看,假種皮和珠被組織在傳粉前由薄壁組織構成;而且亞表層細胞層被蘇木精染成暗褐色,但是,它們與表層細胞形態不同。珠被表層細胞呈切向延長,外側細胞壁纖維化程度高,常被PAS反應染成一層厚厚的鮮紅顏色,細胞核周圍具星散分布的淀粉顆粒。假種皮的表層細胞為徑向延長,細胞排列整齊,細胞中基本不具淀粉粒。穗花杉假種皮與珠被的主要區別是前者不具維管束。從橫切面看,假種皮中具有大量粘液分泌道,其數目一般為14—17個左右。穗花杉的珠被結構同紅豆杉科其他屬相似,包括外層區、中層區和內層區三部分。外層區有兩層細胞,表層細胞小而扁,內含物較少,有時外側壁向外隆起;亞表層細胞較大,長方形。中層區約10層細胞厚,傳粉前由薄壁細胞組成,傳粉后珠孔道附近的中層區細胞延長并成層加厚,在壁上具有許多單紋孔。中層區細胞延長和壁加厚的發展趨勢是由表及里和從頂向基地進行。內層區只有一層細胞,壁一般不發生加厚。所以,珠孔道的閉塞并非由內層區、而是由中層區細胞形成的。有趣的是,中層區細胞延長和加厚不但引起珠孔道閉塞,而且迫使貯粉室關閉。從胚珠橫切面的連續切片表明,珠被中維管束的分布至少達到頸卵器頂部的水平,而且分布于中層區的外側。在珠被的較低水平,其維管束數目為8個,到達雌配子體頂部較高水平時,維管束達12—14個。圖版Ⅰ,4為部分胚珠橫切面,示6個維管束。上述數字表明,維管束在通向珠被上部時,具有分枝現象。穗花杉珠心發育的最顯著特點之一是,傳粉前在其頂部已形成貯粉室,從縱切面觀,貯粉室像個錐形瓶,頂部狹,基部寬。傳粉后,由于珠被中層區細胞延長和增厚的壓力,貯粉室逐漸被擠壓成扁平,以致成為一條細長的橫隙,最終導致消失。關于珠心本體組織,除了下部為雌配子體外,傳粉時上部剩下40—50層細胞的厚度。在頸卵器形成后,雌配子體頂部細胞不斷向頂伸長并分裂。此外,在雄配子體發育過程中,有大量花粉管縱穿珠心上部組織。鑒于上述原因,珠孔端珠心組織在幼胚發育階段很快解體。在珠被與珠心交界處,有1—3層含單寧物質的細胞把它們隔開,這些細胞在合點端成為一帶狀分布的密集細胞區,細胞較小,核大。其內側為合點端珠心組織;外圍為弧形排列的細胞,它們與珠被基部的細胞是連續的。6月間,在雌配子體游離核分裂階段,原來包圍在它們四周的海綿組織已基本解體。但是,值得注意的是,此時在合點端與已經退化的海綿組織相鄰的幾層珠心細胞逐漸膨大,并各自向雌配子體方向延長,形成“珠心增殖細胞”。6月底,這些“珠心增殖細胞”又被日益增大的雌配子體組織所消耗解體,而與原“珠心增殖細胞”相鄰的幾層珠心細胞繼續膨大并延長。此刻,在雌配子體的珠孔端方向,珠心處于日益解體的狀態;相反,在雌配子體合點端方向,珠心則處于不斷解體、增殖和更新的狀態。這種現象可能與雌配子體發育的營養渠道有關。在胚珠基部,有4—5對苞鱗襯托。苞鱗表面2—3層細胞含有蘇木精染色黑暗的物質,其內含物可能與珠被外層區和假種皮表層細胞相似。從橫切面觀,在苞鱗中部的遠軸面有一樹脂道,近軸面有一維管束。苞鱗內部為薄壁組織,基部約有20—30層細胞寬,由基部向頂部細胞層次逐漸減少。在珠被、假種皮和苞鱗的外表面(遠軸面),覆以一層厚達30—40微米的蠟質層;但是,珠被和苞鱗內表面(近軸面)的蠟質層比外表面要薄得多。在胚珠發育過程中,蠟質層有一個逐漸成層加厚的過程。(二)造孢組織的增殖穗花杉的小孢子葉一般具3—4個小孢子囊。從3月6日的第一批采集材料來看,小孢子囊已包含2—4層壁層細胞及其內部的造孢組織。由縱切面觀察表明,小孢子囊著生于小孢子葉的遠軸面。壁層細胞扁平,核和細胞質內含物完整。在壁層細胞的外側覆以一層明顯大的矩形表層細胞,它是小孢子葉的表皮細胞(圖版Ⅰ,1),在蘇木精染色時,有些細胞呈現暗褐色。小孢子囊表層和壁層細胞的細胞質內含物較稀少,它們與造孢細胞的濃稠細胞質形成鮮明的對比。造孢組織發育和分化持續的時間較長,直到4月底才逐漸分化形成小孢子母細胞。小孢子囊中絨氈層的形態分化較晚,從3月初到4月底,雖然壁層細胞與造孢組織可以明顯區別,前者及小孢子葉表層細胞含有大量粗顆粒淀粉,后者在400倍的光學顯微鏡下看不到有淀粉存在。所以這個時期主要是造孢細胞增殖階段。3月初,造孢組織的直徑只有6—8個細胞寬,4月底,它們增加到18—22層細胞。有趣的是,在4月底至5月初,造孢組織的最外層細胞出現大量淀粉細顆粒,而內層的其他造孢細胞仍無淀粉存在(圖版Ⅰ,1)。這時,小孢子葉表層細胞的淀粉相應減少,而壁層細胞的淀粉數量反而增加,所以看來淀粉有向內轉移的趨勢。造孢組織外層出現淀粉的細胞,細胞逐漸變成矩形,排列整齊,并有大液泡出現。這時,造孢細胞彼此逐漸分離,形成小孢子母細胞。接著,絨氈層細胞的細胞質很快變濃,并出現多核現象。一直到5月下旬小孢子形成時,正常絨氈層開始解體。此刻,小孢子囊的表層細胞出現環狀加厚,它可能與小孢子囊的成熟和開裂機制有關。值得注意的是,在小孢子母細胞形成后,有些孢子囊中絨氈層不但不退化,反而迅速增大,形成象頸卵器原始細胞似的結構,細胞大為膨大并延長,細胞中出現大量液泡。這些異常膨大的絨氈層組織,有時出現在小孢子囊的一側,或多處相隔發生。有些小孢子囊中的小孢子或四分體花粉全部敗育,也許與上述現象有關,因為營養可能被異常生長的絨氈層所消耗。從4月底到5月中,小孢子母細胞陸續通過減數分裂,形成大量四面體形四分體和少量四邊形四分體。這時,在同一復合小孢子葉球中,往往有許多小孢子囊中的四分體處于解體狀態。解體和敗育的四分體,細胞癟,不具細胞質,對染料的吸附能力強。正常的四分體,小孢子細胞豐滿,核質分明。不久,組成四分體的小孢子彼此分離,形成單核花粉。大約在5月25日至6月15日,為穗花杉傳粉季節。傳粉時,花粉包括一個大的管細胞和一個小的精子器原始細胞。傳粉后,花粉在貯粉室中萌發,并穿過珠心組織向下生長。有時在同一個珠心組織中,有20多個花粉同時萌發。一旦花粉管向下生長,精子器原始細胞就進行有絲分裂,形成一個精原細胞和一個不育細胞。與此同時,在精原細胞周圍出現大量粗顆粒淀粉,它們始終相伴行進,一直到精子入卵為止。精原細胞剛形成時,體積比不育細胞和管核稍大一些。這時,精原細胞的直徑約11—23微米,不育細胞11一18微米,管核約9—14微米。在花粉管生長過程中,精原細胞的體積逐漸增大,直到精原細胞分裂前,直徑達58微米。精原細胞的特點是,細胞核始終靠在一側,并緊挨精原細胞膜的內緣;整個精原細胞為濃稠的細胞質所占據。不育細胞和管核形成之后,體積似乎沒有增大,但它們始終與精原細胞相伴,并一直處于花粉管前進方向的精原細胞前頭(圖版Ⅰ,3)。(三)穗花杉在陰山組織中的兩性生長傳粉時,珠心深處的海綿組織已分化出大孢子母細胞,或者大孢子母細胞剛剛處于減數分裂階段。大孢子母細胞在分裂之前,體積不斷增大,并向胚珠的縱軸方向延長,最終形成豎立的近長方形細胞。大孢子中淀粉粒分布只局限于細胞的合點端方向,而珠孔端則無淀粉存在,這點也許與以后大孢子的發育和功能有關。6月中旬,大孢子連續進行5次有絲分裂,圖版Ⅱ,5示8核階段的雌配子體。一直到6月底,雌配子體游離核進行最后一次(第8次)分裂,產生256個游離核,然后逐漸向心形成細胞壁(圖版Ⅱ,7)。穗花杉雌配子體組織十分發達,在其細胞壁形成之后不久,整個雌配子體長達625—650微米,寬約410—430微米。到7月下旬受精時,雌配子體長達830—908微米,寬約500微米。7月初,雌配子體表層6—7個細胞膨大,形成頸卵器原始細胞。頸卵器單個、頂生,周圍有一層套細胞包圍著。頸卵器原始細胞平周分裂產生1個初生頸細胞和一個中央細胞。前者再經過一次垂周分裂形成2個頸細胞;后者也進行一次平周分裂,有時分裂方向略有傾斜,結果產生一個腹溝核和一個卵核(圖版Ⅱ,6).不久,腹溝核隨即退化。成熟頸卵器長達430微米,寬約86—108微米。與一般裸子植物的情況相似,卵核形成后逐漸向頸卵器中部移動,并在此過程中,核的體積相應增大(圖版Ⅰ,2)。有時頸卵器出現異常現象,產生于雌配子體的合點端(圖版Ⅱ,8)這在裸子植物中是罕見的。穗花杉的雌配子體組織不但特別發達,而且在各個階段富有侵入性的生長。這種情況在松柏類植物中是罕見的。它們主要表現在下列幾個方面:1.在頸卵器形成后,雌配子體頂部細胞繼續向珠孔端方向生長,迫使上部珠心組織不斷遭受擠壓而解體。雌配子體組織甚至沿花粉管空腔生長。這些頂部細胞在發育后期,細胞壁加厚,并具有一定程度的木質化,最終形成厚壁組織。2.在原胚柄細胞解體時,與其它相鄰的雌配子體中部細胞,向原胚柄方向生長。有的細胞極度擴大并延長。這些細胞擴大后,壁也同時增厚,這對增強其機械力量也許具有一定意義。上述行為似乎具有輔助胚柄的功能;有的細胞在擴大的同時,進行游離核分裂,以致在一個切面上雌配子體細胞的核數目可達14一15個之多(圖版Ⅱ,4)。3.在受精之后,由于花粉管行為的結果,在頸細胞頂部附近,甚至頸卵器本身的上半部,往往遺留下一個空隙,此處也可能遭受雌配子體生長的侵襲。4.在松柏類植物的幼胚發育階段,例如福建柏和白豆杉雌配子體往往由于幼胚的生長而形成一個明顯的溶融腔。但是,穗花杉雌配子體中的溶融腔卻不明顯,而且在幼胚生長的前進方向,雌配子體細胞發生明顯縱向分裂并延長。這個生長地區正是幼胚四周的倒金字塔形淀粉分布區。這種現象對幼胚來說,可能是一種不利的阻礙因素。穗花杉、紅豆、白豆杉和小鞣子體的特征從胚珠結構來看,紅豆杉科植物胚珠有一共同特點,胚珠合點端沒有砌磚式組織,這是它們與三尖杉科主要區別之一。紅豆杉科植物胚珠的另一特點是,在胚珠外圍不同程度地包有一層假種皮組織。尤其穗花杉的假種皮,富有許多粘液分泌道,所以在種子成熟時,假種皮含有大量粘稠物質。胚珠在傳粉之后,往往由于珠被內層區細胞分裂、延長和加厚,而使珠孔道閉塞,例如白豆杉和三尖杉胚珠就是如此。但是,穗花杉胚珠比較特殊,其珠孔道閉塞,甚至貯粉室關閉,是由胚珠中層區細胞分裂、延長和加厚引起的。穗花杉胚珠最重要的特點之一是,在珠心頂部有一比較發達的貯粉室。這個貯粉室在形態結構上很象銀杏胚珠的貯粉室。在裸子植物中,松科、南洋杉科、羅漢松科、柏科和大部分杉科植物是不存在貯粉室的,但三尖杉和紅豆杉中具有簡單或殘存類型的貯粉室。穗花杉貯粉室在某些方面象種子蕨,例如貯粉室的基部寬、上部狹。在紅豆杉科5個屬中,胚珠維管束的數目和分布是不同的:穗花杉胚珠具一環7—8個外韌維管束,紅豆杉4個,澳洲紅豆杉、白豆杉和榧樹屬為2個維管束。但從作者對穗花杉胚珠的連續切片觀察表明,維管束數目在8—14個之間,剛進珠被基部時為8個,到達珠被上部數目逐漸增多,這也許是維管束發生分枝的原因。此外,從橫切面看,在胚珠的一側維管束分布密集,離心韌皮部和向心木質部的分化明顯。從胚珠結構來看,穗花杉在紅豆杉科中可能占居比較原始的位置,而且它與三尖杉科也具有一定聯系。在紅豆杉科中,澳洲紅豆杉、紅豆杉和白豆杉的珠被維管束分布位置相似,處于珠被中層區的內側。榧樹屬比較特殊,它在假種皮中有維管束分布。而穗花杉和三尖杉的情況相似,珠被維管束分布于珠被中層區的外側。裸子植物小孢子囊一般有二種起源方式,一是孢原細胞為暴露的原始細胞;二是孢原細胞為皮下細胞起源的,也就是說小孢子葉的分生組織,一開始就分化出表皮層細胞和皮下層孢原細胞。穗花杉的小孢子囊顯然屬于第二種發育方式。孢原細胞平周分裂產生初生壁層細胞和初生造孢細胞。初生壁層細胞進一步平周分裂,產生多層小孢子囊壁,而最內層的小孢子囊壁為絨氈層,這是多數裸子植物的情況,三尖杉科和紅豆杉科也是如此。由于原小孢子葉的表層細胞和小孢子囊的壁層細胞,其形狀較扁,核小,原生質稀,淀粉粒多,呈粗顆粒狀,所以,壁層細胞和造孢組織之間此時界線鮮明。而且,壁層細胞處于被擠壓的狀態;而造孢組織的細胞數目逐漸增多,體積相應增大。有趣的是在小孢子母細胞減數分裂前后,穗花杉有些小孢子囊中的絨氈層組織出現異常現象,即絨氈層組織局部甚至大部分發生細胞極度膨大,這種情況在裸子植物中是罕見的特殊現象。這種現象往往導致小孢子四分體的敗育。穗花杉小孢子囊中絨氈層分化較晚,但解體較快。在小孢子形成后,絨氈層基本消失。根據耿煊的報告,紅豆杉科植物在花粉成熟時只包含一個細胞,這與三尖杉2細胞花粉的情況是不同的。但是,作者觀察的穗花杉材料,在花粉成熟并脫落時卻是包括2個細胞。這個事實正好證明:三尖杉科可能通過穗花杉屬過渡到紅豆杉科的。作者從穗花杉胚珠結構和配子體發育等許多重要特征看來,也支持這一觀點。從已有資料看,紅豆杉科植物雌配子體壁形成的時期比較一致。其中穗花杉屬、