茜草科的个体发育

茜草科的个体发育 摘 要 本文通过对和这两种茜草科的胚珠发育和大Chomelia obtusaIxora coccinea孢子形成的过程进行了研究。基于凸珠心的形态变化和存在几个孢原细胞的变化过程这些新结果，提出了一种“龙船花型”胚珠发育类型。这一结果是通过支 持系统分子学研究提出的金鸡纳树亚科和类龙船花亚科是近缘类群的观点。 关键词:茜草科;C珠被;大孢子形成;珠心;个体发育;胚珠 1 简介 茜草科是被子植物中四个最大种类之一，包括个属和个物种67310700(，)，除了某些茜草科种类，大部分茜草科主要分布在热带地区。Robbrecht1988 ()是第一位为茜草科分类的科学家。在分类学知识领域中，De Candolle1830 ()关于植物科属的界定指出了许多的空白并提出了一种新的分Robbrecht1988 类即分为四个亚科和个属。然而，由于()承认毛茶属44Bremer1996(从广义上承认这一分类，)可以作为一个关系群，本文认为Robbrecht1988 划分到金鸡纳树亚科即赞同在年的划分的。ChomeliaBremer1996 最近，和()在种类的划分方面做出了一AndreasenBremer2000Ixoroideae定的修改，主要关于属的划分和新族的建立，例如和这两CremasporeaeIxoreae个科属的调整。 除了支持分子系统发育结果，使用比较胚胎学，在揭示各级类群之间的关系已经越来越重要了。 从历史上来看，茜草科在胚胎学的研究开始于()和Schleiden1837Lloyd(，)。()在这个领域上做了最精确和重要的研究，在18991902Fagerlind1937 这个家族分析了胚珠的进化特点。此外，关于这个方面其他重要的著作被完成，例如()，()，和()以及Andronova1977Galati1991MariathCocucci1997De Toni和()。Mariath2004 这个属大约有泛热带物种(，)，其中有种位Chomelia76Andersson199250于南美洲(，)。已被记录在巴西的东北，东南和南部，Steyermark1974C. obtusa 特别是亚马逊地区和巴西平原(，)。龙船花属被等()Andersson1992Bremer 1995和等认为是单系的，包括观赏的灌木和小乔木分布在世界的热带和亚Andreasen 热带地区(和，)，包括至个物种，一小部分分布在美HusainPaul1988200300 国的热带地区，但大多数分布在原始森林的热带地区，例如(I. coccineaFosberg和，)。Sachet1989 本文的目的是研究关于和这两种茜草科植物的胚珠发C. obtusaI. coccinea育和大孢子形成，并讨论关于和这两种植物在进化胚CinchonoideaeIxoroideae胎学的特征。 2 材料和方法 与和的花芽与花在不同的发展阶段被采C. obtusa ChamSchltdl.I. coccinea L 集于巴西的阿雷格里港()的植物园。这些材料首先被固定ICN120232–120233 在戊二酸与甲醛的溶液里(和，)向里边加入磷酸1%4%McDowellTrump1976钠缓冲液并调至为。过一段时间之后，上述材料在一系列梯度乙醇溶液pH7.2 中进行脱水，包括在聚羟基乙基甲基丙烯酸甲酯处理(和，)。GerritsSmid1983然后，在祭司米克切片上用玻璃刀把材料纵向切成微米厚度的材料。2 把部分材料贴附在型号的加热板上，把切片材料用甲苯胺蓝EMMP0.05%染色(和，)。显微照片是用一种为型号的O’BrienMcCully1981Leitz Dialux 20电子显微镜拍摄。 3 结果 在C. obtusa和I. coccinea这两种植物都有一个双心皮的雌蕊，也即是它们拥有二室的子房，并切是每一个小室都有一个胚珠(图1a，b)。这两种植物所有的胎座是轴向的，在C. obtusa的胚珠的顶端被连接到隔膜(图1a)，而I. coccinea植物侧连接到中间地区(图1b)。在成熟的时期，这两种物种的胚珠是单珠被并且是带有缆索闭孔结构的薄珠心(图1b，c)。C. obtusa的胚珠是侧生，而I. coccinea是半倒生的(图1b，c)。 心皮的形成是在萼片、花瓣和雄蕊形成之后(图1d，e)。在这个时期，生殖的尖端略为扁平(图1e)，并且在高架边缘;有的是平周的细胞分装，这样有利于出现心皮壁(图1f)。花柱和柱头的形成与胎座的胚珠原基的形成比较明显(图1g，h)。 基于细胞分裂的模式，胎座有三层环纹结构组成有表皮、皮层和中央层(图2a)。胚珠的发育开始于胎座中央层的平周和垂周的细胞分裂活动，表皮与皮下层进行垂周细胞分裂活动(图2a)。 在每个胚珠中，多达八个皮层的细胞分化成为孢原细胞，这些孢原细胞带有浓密的细胞质并且细胞核比较突出(图2b，d)，然而只有其中的一个孢原细胞将来发育成熟作为大孢子母细胞(图2e)。就在这个时期，皮层下的细胞分裂是由邻近珠心表皮活动的结果，最终导致唯一包膜的形成(图2g-i)。 C. obtusa和I. coccinea的珠心在早期发展过程中有平坦表面(图2c)并且在成熟期间珠心变成圆顶心，由多达十个伸长细胞组成(图2g-i)。 在珠被包膜形成胚珠的过程中，在C. obtusa植物中形成倒生(图2h)和在I. coccinea植物中形成半倒生胚珠(图2e)。珠被膜通过垂周和平周表皮细胞分裂活动变得异常的厚(图1b，c，2i)。 显眼的闭孔(图1b，c)覆盖相当一部分的胚珠。该闭孔的发育早期是胚珠细胞在珠柄增殖期间开始发育了;与此同时，出现包膜的形成，但珠被膜形成来源于中央的细胞层(图2b，h)。该闭孔主要由一个大型，薄壁，多角形细胞组织组成，并且很容易从胎座这方面进行区分。 等到珠被已经形成之后，大孢子母细胞开始进行细胞减数分裂阶段(图3d-e)。在进行减数分裂期间，大孢子母细胞的体积开始变大，表现出细胞质浓密和细胞核突出(图3a)。然而在第一次减数分裂之后，二分体细胞壁之间被胼胝体浸渍着(图3b)。二分体细胞同时进行第二次减数分裂形成四分体细胞(图3c)。在减数分裂后期，细胞质的分裂是通过浸渍横向和径向的大孢子母细胞的胼胝体来伴随的(图3d)。除了合点细胞外，其他的细胞都有功能的。合点大孢子细胞成熟后，然而其它细胞都退化了(图3d，e)。配子体的发育过程和廖型植物发育一样。 4 讨论 在大多数茜草科植物中，如C. obtusa和I. coccinea这两种植物都是子房下位，双心皮和双子房的类型并是每一个室中都有一个胚珠。 C. obtusa和I. coccinea这两种植物中的心皮形成模式与其它单系的茜草科植物是一样的。在这些最初凹面的雌蕊被形成的一个隔膜分为两个室(Fagerlind，1937;Svoma，1991)，这统一制定雌蕊的在植物亚科水平上不适用系统分 类学和进化学分析(Svoma，1991)。大多数茜草科植物是双心皮的子房，但在某些茜草科植物，其中的子房室是部分或完全减少。存在单室的子房在Otiophora(Robbrecht和Puff，1981)，Calanda(Puff和Robbrecht，1989)，Rutidea(De Block，1995)和Theligonum(Rutishauser等，1998)都已报道过。在这些种属里，第二个心皮存在有不同程度的减少:例如Otiophora和Calanda这两类植物中，带有残余的心皮，在Theligonum这个属里作为一个不完整的隔膜形成心皮;也就是说，它的心皮位于较低的地区，并且子房是双心皮的。 关于茜草科胚珠发育的知识，报道的比较片面琐碎。目前只知道只有少数数据关于金鸡纳树亚科和类龙船花亚科的这两个亚科物种。 胚珠原基是通过第二层或第三层的胎座细胞平周分裂活动而形成的，它取决于胎座是否有两个或者三个细胞层:也即是两个环状或者三个环状(Bouman，1984)。根据Bouman的研究(1984)，有可能在胎座的结构与胚珠和种子的大小之间存在一定的关联;三层环状的胚珠原基形成大的胚珠;与两个环状胚珠原基相比较Bouman(1984)并带有大的珠柄和珠心。然而这种状况并不是茜草科的特殊的例子，胚珠原基倾向向小的胚珠和带有三环状胚珠的种子结构发展，例如在Relbunium hypocarpium植物中(Mariath和Cocucci，1997)。 带有被子植物胚珠的不同珠被分类群，在它们的起源和发育过程中表现出极大的多样性(Bouman，1984)。根据Bouman的研究在双珠皮的内珠被胚珠和在单珠皮的单珠被胚珠，一般来源于单个皮层，除了一些大戟科植株外，它们起源于皮层组织。外层珠被的起源在某些群体中是以目或亚科水平的特征进行分类的。大多数单子叶植物，毛茛目植物和牻牛儿苗目的植物都有一个起源于皮层的外珠被。Warming(1878)阐述道，在禾本科的植物内，单层珠被主要起源于表皮层。然而，Bouman和Schier(1979)阐述说在单珠皮的禾本科植物中，珠被并不总是起源于表皮区域，但是可能由皮层下细胞层参与形成。在C. obtusa和I. coccinea花植物中，正像其他茜草科植物的珠被一样来源于表皮组织，珠被是通过表皮层的平周细胞分裂的活动而形成的，珠心周围形成一个环，正如下列的植物品种:Callipeltis cucullaris，Rubia tinctorum (Lloyd，1899，1902);Asperula humifusa，A.molluginoides，A.odorata，A.prostrata，A.setosa，Galium boreale，G.palustre，G.uliginosum，G.verum，Phuopsis stylosa，Cruciata laevipes (Andronova，1988);Borreria brachystemonoides，B. eryngioides，B. nelidae，B. spinosa，B. sulcata，Diodia brasiliensis，D. dasycephala，D. schumannii，Galianthe fastigiata，G. laxa，Mitracarpus hirtus，M. megapotamicus，Richardia brasiliensis，Spermacoce tenuior，Spermacoceodes glabrum，Staelia thymoides(Galati，1991);Relbunium hypocarpium(Mariath和Cocucci，1997)和Borreria verticillata(De Toni和Mariath，2004)。 C. obtusa和I. coccinea这两种植物都有一个索状结构产物，它们的结构是比较常见的双珠心和倒生的胚珠(Bouman，1984;Johri等，1992)。在Prismatomerideae–Rubioideae植物中，类似的结构被描述为一个环形的闭孔，这样闭孔覆盖胚珠的大多数(Igersheim和Robbrecht，1993)。然而在茜草科植物中，闭孔的术语，种阜和假种皮没有统一的使用。种阜和假种皮被使用于同一结构，和一些学者考虑它们的结构同源闭孔(Lloyd，1899;Netolitzky，1926;Hayden,1968)。这种不假思索的使用不同的术语，当涉及到同一结构，很难了解其形态和个体发育的器官。这一结构发现在Richardsonia和Diodia植物中(Lloyd，1899，1902)，Borreria hispida (Farooq，1959)，Hydrophylax maritima(Ganapathy， 1956)，和Guettarda speciosa(Raghavan和Srinivasan，1941)。在Richardia brasiliensis覆盖整个索状结构产物一侧的胚珠并延伸至珠孔(Inamuddin和Farooq，1984)。在I. burundiensis和Pavetta oliveriana植物中，De Block(1995)分析了这两种植物，它们的胚珠与龙船花的胚珠比较相似，其胚珠的闭孔是比较突出的，在珠孔端与胚珠的合点端的附近发育。 关于薄珠心的胚珠，在珠心表皮从两个不同的方面认识。典型的是当珠心表皮环围着大孢子母细胞(例如大多数的菊分支)，或当珠心表皮不包含大孢子母细胞和只有少数细胞组成，正如在铁青树科，茜草科和夹竹桃被发现(Shamrov，1998)。Fagerlind(1937)为茜草科提出三种珠心类型:“典型”，“简化”，“裸露”(即ategmic)。在C. obtusa和I. coccinea这两种植物中，正如植物品种Phyllis，Psychotria，Cephalanthus，Hoffmannia 和Chiococca(Fagerlind，1937)，Coffea(Faber，1912)，Ophiorrhiza，Mussaenda，Fadogia和Guettarda(Raghavan和Srinivasan，1941)，Rondeletia(Shivaramiah和Dutt，1964)和Knoxia(Shivaramiah和Ganapathy，1961)。典型的珠心类型与Shamrov的观点是相矛盾的，他把茜草科归为简化型的珠心类型。 在这三种类型的珠心的茜草科植物的形态学变异显示一个派生对典型的薄珠心向简化型变化，然后向裸露的珠心类型发展(Mariath和Cocucci，1997)。C. obtusa和I. coccinea这两种植物都有一个凸珠心并带有一个相对较高数量的表皮细胞。一个裸露的类型胚珠的例子是Houstonia(Fagerlind，1937)。“简化” Mariath和Cocucci，1997)和Borreria(De Toni和类型的胚珠存在Relbunium( Mariath，2004)。 茜草科被几位学者(Verdcourt，1958;Bremer，1996)认为是单系群。Bremer等(1995)，Bremer(1966)，Bremer和Thulin(1998)和Andersson和Rova(1999)在分子水平进行分析建立三个亚科分别是金鸡纳树亚科、类龙船花亚科和茜草亚科。从分子水平和形态学数据表明，可以分为两个派生并且它们都来源于同一个祖先，其中一个代表是茜草亚科和其他一种代表是金鸡纳树亚科和类龙船花亚科。 茜草亚科的原始胚珠也许是双珠被和薄珠心并带有珠心表皮的圆形，一个多细胞孢原细胞和索状结构产物的闭孔(图4)。在他们进化过程中，从假设的祖先物种的胚珠连续减少。这些表现包括以下变化:减少孢原细胞的数量，珠心逐渐伸长，替代伸长的细胞组成的薄壁组织，最终在胎座中发生变化。 当我们比较C. obtusa和I. coccinea这两种植物的胚珠，这些物种已被Fagerlind(1937)，Andronova(1977)，Galati(1991)和Mariath和Cocucci(1997)研究，它们有点类似于Phyllis类型(正如Fagerlind在广泛意义的界定，1937)，然而它们缺乏一个体壁和增加孢原细胞的数量，它不同于Phyllis类型。我们提出建立一个新的类型即龙船花类型，在这里研究的物种有C. obtusa和I.coccinea这两种植物。这些物种显示了类似的胚珠个体发育特性，正如上面所描述，除了胎座之外。在C. obtusa植物的胎座是依附在顶部的基地隔和在I. coccinea植物的胎座的镶嵌的部位比较低，描述一个中等水平之间的顶尖和基地隔插入。De Block(1998)为非洲的龙船花这个植物物种提出了关于胎座连接到顶部的基地隔，因此上方插入到心室中间并且龙船花的位置并非全一样，因为胎座位于中间的隔膜上。 尽管有证据显示，如上所述，胚珠个体发育特点仍然不是C. obtusa和I.coccinea这两种植物在这两种亚科分化差异区分出来，除非从胎座的形式和闭 孔的特征这两个方面考虑才能加以区分。因此，一个更为详细的探索来分析相关 的研究是必须的，可以很好的从它们的胚珠图式描述新的进化趋势。 属种 致谢: 图注:图1. C. obtusa(A，B，D，G)和I. coccinea(C，E，F，H)的心皮发育。A，C子房下位;箭头指示闭孔。B 胚珠的细节部分，通过箭头用闭孔指示。D，E 早期花卉期间， 花萼(ca)，雄蕊(st)和心皮(cp)。F 心皮壁(cw)和胎座(pl)。G，H 闭心皮，心皮壁，鼻中隔(spt)和胎座。比例尺100微米:所有部分都是纵向。 图2. C. obtusa(B,G，H)和I. coccinea(A，C-F)的胚珠发育。一个具有三层环状结构的幼嫩胚珠(第一层，第二层和第三层)。B，D 胚珠结构的详细图示，黑色箭头指示珠心表皮，白色箭头指示珠被的建立和星号标记的孢原细胞。E 胚珠在半倒生的发育时期，图示为闭孔(obt)和型号标记大孢子母细胞。F 星号标记大孢子母细胞和白箭头指示的珠被 膜的发育早期。G，H 胚珠的倒生阶段，白箭头指示珠被，星号标记指示大孢子母细胞核闭孔。I 珠心细节，黑色箭头指示珠心表皮，白色箭头指示大孢子母细胞。比例尺100微米:所有部分都是纵向。 图3. C. obtusa(A-E)和I. coccinea(B-D)的大孢子形成。A I.coccinea的前期的大孢子母细胞(如图中所示)。B 二分体细胞;星号标记指的是大孢子母细胞和箭头指示在细胞壁的胼胝体。C 线性单列四分体(星号标记指示大孢子)。D，E 具有功能的大孢子(如图中的星号标记)和具有珠孔大孢子的退化。胼胝质是用箭头来表示，比例尺100微米:所有部分都是纵向。 图4. 根据胚珠的演化图提出了茜草科(根据1937年Fagerlind的补充) 译文来自: P1 Syst Evol,2008,272:39-48