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有性生殖是植物生殖生物学研究的重要方面,在植物的各类群中,蕨类植物有性生殖的研究还十分薄弱,根据Smith(2006)的分类系统,木贼类是蕨类植物中的重要类群,然而,有关木贼类的配子发生和有性生殖过程的研究尚未完全了解,其中对精子发生的研究相对较多,精子发生过程也已经非常明了,而对问荆卵细胞发生的研究尚未有报道,而此方面的研究对阐明问荆卵发生的详细过程和细胞学机制,揭示问荆卵发生的演化过程均有重要的科学意义。本研究以问荆(Equisetum arvense L.)为代表,对其配子体发育进行了显微观察,对卵发生进行了显微观察、细胞化学研究和超微结构观察等多方面的研究,阐明了木贼类卵发生的细胞学机制,揭示了木贼类植物有性生殖的演化特点。
本文的主要结果如下:
1.配子的发育经历了孢子萌发、片状体、分枝状原叶体等阶段,雄配子体分枝粗壮,分枝顶端可产生精子器;雌配子体分枝纤细,两个月左右在雌配子体分枝基部产生颈卵器,颈卵器长约0.2厘米,呈四列细胞的圆柱状。
2.切片观察表明问荆颈卵器起源于原始细胞,其细胞分裂顺序与进化蕨类明显不同,原始细胞经一次分裂产生上下两层细胞,上方为颈卵器壁母细胞,将来发育为颈卵器壁,下层细胞为初生细胞(primary cell),初生细胞经一次平周分裂形成颈沟母细胞和中央细胞(central cell),颈沟母细胞经一次斜向分裂形成大小不等的两个颈沟细胞,二者斜向排列;中央细胞经一次平周分裂产生一个腹沟细胞和一个卵细胞,由此进入卵细胞发育阶段。颈卵器壁母细胞在中央细胞阶段经两次纵分裂形成4个壁细胞,4个壁细胞再经3-4此平周分裂产生4-5层壁细胞,待颈卵器完全成熟时,最顶端的一层壁细胞迅速伸长,这可能对限制受精作用具有作用。
3.问荆卵发生的超微结构研究表明,卵细胞刚产生时,卵细胞与腹沟细胞,沟细胞之间具有胞间连丝的联系,但这种联系很快消失,卵细胞和沟细胞很快就进入独立的发育阶段。问荆沟细胞在退化过程中分泌了大量粘性物质,细胞内产生较多的高尔基体和囊泡,造粉体内淀粉粒逐渐消失,沟细胞外形变得极不规则,最终完全退化消失。卵细胞随着发育其典型特征是质体内淀粉粒逐渐发达,形成造粉体,线粒体发达,但与进化的薄囊蕨相比问荆卵发育过程中无分离腔形成,卵细胞表面上亦无卵膜,无受精孔产生,细胞核亦无核外突产生。
4.问荆卵发生组织化学研究表明沟细胞外产生的粘性物质为PAS反应阳性,表明这些物质为多糖类物质;在卵细胞发生早期卵细胞、腹沟细胞和颈沟细胞均含有造粉体,内含少数淀粉粒,但随着发育卵细胞内淀粉粒,体积逐渐变大,数量逐渐增多,而沟细胞内淀粉粒体积逐渐减小,最后退化消失。Sudan黑B研究表明问荆卵细胞内还产生了脂类物质,这些脂类颗粒在卵细胞发育中期至后期开始出现,到卵细胞成熟时逐渐聚集成簇。
综上所述,本研究首次阐明了问荆颈卵器和卵细胞发生的详细过程,阐明了卵发生的超微结构特征,阐明了卵发生的细胞化学变化,比较了问荆卵发生与其他蕨类之间的区别,为揭示问荆受精作用和有性生殖的机制及蕨类有性生殖的演化奠定了基础。