杨树生殖生物学研究进展_张志毅

第22卷　第6期

2000年11月

北　京　林　业　大　学　学　报

JOURNAL OF BEI J IN G FORESTR Y UN IV ERSIT Y

Vol.22,No.6Nov.,2000

2000207218收稿

http :///periodical/bjlydxxb/

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“九五”国家攻关课题(962011202204202)和“高等学校青年骨干教师基金”项目资助

杨树生殖生物学研究进展3

张志毅　于雪松

(北京林业大学毛白杨研究所,100083,北京;第一作者男,41岁,博士,教授)

摘要　该文介绍了杨树(Populus spp.)生殖生物学的研究概况,包括:①杨树有性生殖过程中雌雄生殖系统形态结构和细胞化学变化及其生物学意义.②雄性不育的机理.③杨树杂交不亲和性的表现和原因及其克服的方法,花粉

-柱头识别反应.④杨树生殖工程取得的成就.

关键词　杨树,生殖生物学,有性生殖,雄性不育,杂交不亲和性,生殖工程中图分类号　S792.11

Zhang Zhiyi ;Yu Xuesong.Advances in reproduction biolo gy of poplars.Journal of Beiji ng Forest ry

U niversity (2000)22(6)69～74[Ch ,56ref.]Institute of Popul us tomentosa ,Beijing For.Univ.,100083,P.R.China.

In this article ,the advances in reproduction biology of poplars are reviewed in four respects as fol 2lows :①The morphological and cytochemical changes and the biological significance of female and male reproductive systems in sexual reproduction of poplars ;②The mechanism of male sterility in poplars ;

③The reasons and descriptions of cross incompatiblity in poplars ,the methods to overcome the cross incompatibility and the stigma pollen recognition reaction ;and ④The progress made in reproductive engineering in poplars.

Key words Popul us ,reproduction biology ,sexual reproduction ,male sterility ,cross incompati 2bility ,reproductive engineering

植物生殖生物学是在植物胚胎学的基础上发展起来的.19世纪末,随着人们对植物性别认识的不断深入,逐渐形成了以描述植物生殖过程为主的植物胚胎学.应运而生的植物生殖生物学,不仅仅用植物学的知识和技术手段对植物生殖行为进行研究,并且已经渗透到解剖学、细胞学、生理学、生物化学、遗传学和分子生物学等多学科领域,产生了实验胚胎学、植物生殖生理学和植物生殖遗传学等分支学科.植物生殖生物学与植物育种学有着密切的关系.

杨树具有速生等特点,广泛分布于欧、亚和北美洲,一般在北纬30°～72°之间[21].杨树为雌雄异株,偶有雌雄同株[28,31].目前林业生产上广泛应用的大多是人工培育的杂种无性系[21].杨树主要以无性繁殖为主,对杨树有性生殖研究较少.杨树生殖生物学的研究与农作物等草本植物相比,还处于较落后的水平.从70年代以来,随着生殖生物学理论和实验手段的不断丰富,杨树生殖生物学的研究进展很快,对杨树各派代表树种的整个有性生殖过程有

了细致的了解[1～6,11,13,36,43];对杨树受精前后的组织化学变化及其生理意义进行了探究[16～17];从细胞化学和超微结构等方面对杂交不亲和性进行了研究[12,19,20,38,45,53];利用子房、胚和花粉离体培养成功地诱导出多种杨树植株[8～10,22].

1　有性生殖过程

1.1　花药的结构、小孢子发生与花粉的发育

杨树的花药壁分为四层,由表及里依次为:表皮层、纤维层、中层和绒毡层[1,5,13].其中绒毡层对小孢子和花粉的发育有重要意义,主要是因为它分泌胼胝质酶能分解四分体胼胝质壁使小孢子分离,合成识别蛋白释放到花粉外壁,绒毡层的降解产物可作为花粉合成DNA 、RNA 、蛋白质和淀粉的原料.随着小孢子的发生和花粉的发育,腺质绒毡层细胞相应发生一系列变化[5,13].李文钿等(1988)在胡杨(P.euphratica Oliv.)花粉扫描电镜图象中发现,绒毡层与花粉壁之间有细丝相连,推测是孢粉素

“桥”,并发现绒毡层的内切向壁的乌氏体,不随绒毡层细胞的退化而消失,而是有些散落在药室中,有些转移到花粉外壁上[11].

花粉母细胞的减数分裂为同时型[1,5,6,11,24],四分体小孢子大多呈四面体形,少左右对称形[1,5,11,16].董源(1988)在毛白杨(P.tomentosa Carr.)小孢子中发现细胞自体消化细胞质的活动极为活跃,并有多层的同心圆膜状复合系统[3].刚形成的小孢子体积很快增大,渐渐变为圆形,细胞质增多,并开始液泡化,核增大,从中央移到边上[5].刘玉喜等(1979)在中东杨(P.beroli nensis Dippel.)中发现有多核和多核仁小孢子存在[24].经过短暂的休眠期,休眠期的长短与温度条件有关,毛白杨为2～7d[1].休眠期结束后,小孢子进行有丝分裂,由于纺锤体的不对称,造成分裂不均等,营养细胞明显大于生殖细胞,营养细胞内质体积累大量淀粉粒[6].樊汝汶(1983)和Rougier(1991)分别报道了美洲黑杨(P.deltoi des Marshall)雄性生殖单位(Male G erm Unit,M GU)在发育过程中细胞超微结构的变化[6,46].杨树成熟花粉属于22细胞型[1,5,11,13],球型,无萌发孔,外壁雕纹有皱波状、细网状、小穴状、颗粒状等多种形状[13,27].

1.2　大孢子发生和胚囊的发育

杨树一般为胚珠倒生,在发育的早期是双珠被,在大孢子母细胞减数分裂期内珠被滞育,并开始解体,最终成为单珠被[4,11,13,36],但大叶杨(sio2 carpa Oliv.)的内珠被不解体,一直为双珠被[18].造孢细胞直接分化为大孢子母细胞[5,36],细胞核大而明显,经减数分裂形成四分体,呈T形或直线形排列,靠珠孔端的三个大孢子退化,合点端的大孢子延伸最终发育成为八核胚囊[2,5,11,13,36],在欧美杨(P.euramericana)和胡杨中发现有时合点端第二个大孢子成为功能孢子[4,11].卵器穿透珠心伸入珠孔,卵细胞和助细胞极性相反[5,13].杨树胚囊的发育属于蓼型[2,5,11,13].

1.3　受精过程

杨树的花粉落到雌株的柱头上,一般几小时后开始在柱头上萌发,沿狭窄的花柱道进入子房[5,17,36,48,52],在此期间花粉管中的生殖细胞分裂成2个精子[13],花粉管经珠孔进入退化的助细胞,在此处或在卵细胞与次生核之间释放其内含物,进行双受精[2,13,17,36,48].反足细胞是“短命”的,受精后很快就退化[5,36].整个受精作用要消耗大量淀粉粒[17].

关于杨树受精过程中精卵结合的详细情况报道不多,对于雌雄性细胞的融合机制,雄性细胞质在受精过程中的作用,卵细胞受精前后生理生化变化等,有待于进一步深入探讨.董源(1984)认为毛白杨的受精作用是介于有丝分裂前型和有丝分裂后型之间的中间型,精子起初整个贴附在卵核的核膜上,处于静止期,随后精子进入卵核中,先是核仁合并,接着核质融合[2].朱彤等(1989)发现大叶杨的受精作用为有丝分裂前型.Russel(1990)对美洲黑杨受精前的精子进行了研究,发现精子在退化的助细胞发生液泡化,细胞质稀释,细胞核染色体浓缩,细胞质减少,核质分离[48].

1.4　胚乳和胚的发育

精核与次生核融合后,形成大的富含DNA、RNA和蛋白质的初生胚乳核,一般不经过休眠,直接开始初生胚乳核的分裂,比受精卵的分裂早[2,5,13,17,36,56],但在毛白杨中发现,有时受精卵已经形成八细胞原胚,初生胚乳核尚处于休眠状态[2].胚乳在胚的发育过程中被吸收,故成熟种子不含胚乳[5,13,17,36].杨树胚乳发育类型属于核型[2,5,13,17].

精卵融合后,进入合子休眠期,核内DNA、RNA 含量上升[17].大叶杨和小叶杨(P.si monii Carr.)的合子休眠期分别为6～8d[17]和6～10d[13].合子在休眠期并不是静止的,而是进行着十分活跃的生理过程,在大叶杨中发现,合子经历了液泡消失、合子皱缩、液泡再现、合子伸长等极性化过程[17].在杨树属各派树种中大叶杨的胚胎学特征十分特殊(见表1),大叶杨胚胎发育类型为茄型,而其他各派均为柳叶菜型[5,13].

1.5　有性生殖过程的组织化学

植物有性生殖过程中,除了形态和结构发生变化外,各种物质(DNA,RNA,蛋白质,淀粉粒和胼胝质)的含量和分布也发生相应的改变.

中国林科院朱彤等(1988)首次报道了杨树小孢子发生过程中的组织化学变化,发现大叶杨小孢子母细胞的营养源位于表皮和纤维层,绒毡层细胞和小孢子母细胞逐渐积累多糖,绒毡层细胞始终含丰富的DNA、RNA和蛋白质,RNA和蛋白质在小孢子发生过程中表现一致性的分布和含量变化[16].在小孢子发生过程中,蛋白质的作用主要是作为功能蛋白和结构蛋白参与代谢,淀粉粒则作为发育中所需的营养来源[11,16].PAS反应表明,胡杨单核花粉晚期细胞质中开始积累淀粉粒,在22细胞花粉的生长过程中,营养细胞内的淀粉粒日渐增多并增大,花粉散出前夕,淀粉粒和其他内含物的积累达到高峰[11].小孢子母细胞在减数分裂前期I开始沉积胼胝质,并逐渐加厚,到四分体后期胼胝质壁解体,释

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