墨西哥落羽杉×落羽杉杂交的生殖与发育解剖学特征_王紫阳.pdf

doi：10.11707/j.1001-7488.LYKX20220174墨西哥落羽杉落羽杉杂交的生殖与发育解剖学特征*王紫阳熊豫武杨颖殷云龙於朝广（江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园)江苏省植物资源研究与利用重点实验室江苏省落羽杉属树木种质创新与繁育工程研究中心南京 210014）摘要：【目的】了解墨西哥落羽杉落羽杉杂交的生殖与发育解剖学特征，为新品种、良种选育及种子发育的分子调控机制研究提供参考。【方法】通过形态观测和石蜡切片法，对杂交母本墨西哥落羽杉大孢子叶球从花芽分化至种子成熟的过程进行了系统的形态学和解剖学观察。【结果】15 月为大孢子发生和雌配子体发育期。大孢子母细胞减数分裂形成 4 个大孢子，其中合点端 1 个发育为功能大孢子，其余 3 个退化。墨西哥落羽杉的复合颈卵器由 1319 个颈卵器组成，顶生，无腹沟细胞，复合颈卵器外侧具 1 层双核套层细胞。6 月中旬为受精期，随着花粉管的生长，精原细胞体积不断增大，并在受精前分裂为 2 个同型精子，其中 1 个与卵细胞受精形成合子，精卵融合主要发生在颈卵器中上部。6 月下旬7 月上旬为原胚发育期，7 月中旬8 月上旬为早期胚发育期，8 月中旬9 月中旬为后期胚发育期。墨西哥落羽杉原胚发育属于松杉类标准型，简单多胚和裂生多胚现象并存，胚发育不同步，成熟胚为直线型，具 49 枚子叶，胚轴中无髓。【结论】本研究首次从细胞学水平上观察了墨西哥落羽杉大孢子发生和雌配子体发育过程，探究了墨西哥落羽杉落羽杉生殖融合和胚胎发育类型，为墨西哥落羽杉落羽杉的种间杂交育种提供了生殖生物学依据。关键词：墨西哥落羽杉；落羽杉；大孢子发生；雌配子体发育；胚胎发育中图分类号：S722;S718.4文献标识码：A文章编号：10017488(2023)02009611Reproductive and Developmental Anatomical Characteristics during Cross Breeding betweenTaxodium mucronatum and Taxodium distichumWang ZiyangXiong YuwuYang YingYin YunlongYu Chaoguang（Jiangsu Key Laboratory for the Research and Utilization of Plant ResourcesJiangsu Engineering Research Center for Taxodium Rich.Germplasm Innovationand Propagation,Institute of Botany,Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences(Nanjing Botanical Garden Mem.Sun Yat-Sen)Nanjing 210014）Abstract：【Objective】This study aims to understand the reproductive and developmental anatomical characteristics ofTaxodium mucronatum T.distichum.【Method】In this study,the changes in morphology and anatomy structure of ovulatestrobilus of T.mucronatum were systematically observed throughout its whole developmental process from flower bud initiation toseed maturation.【Result】The results showed that the period of megasporogenesis and development of female gametophytes wasfrom January to May.The meiotic division of the megasporocyte produced four megaspores,among which the megaspore near thechalaza developed into a functional megaspore，while the other three megaspores near the micropyle degenerated.The archegoniacomplex was composed of 13 to 19 archegonia covered by a layer of jacket cells with two nucleuses,and positioned terminallywithout ventral canal nucleus.Fertilization took place in the middle of June.With the growth of the pollen tube,thespermatogenous cell enlarged continuously and before fertilization,it divided into two homotypic sperms,and one of the spermsfertilized the egg to form a zygote.The fusion of sperm and egg occurred mainly in the center and upper of the archegonium.Theproembryony development was from late June to early July,early embryo development was from mid-July to early August,andmature embryo development was from mid-August to mid-September.The proembryony of T.mucronatum belongs to the standardtype of coniferales.Simple polyembryony and cleaved polyembryony were found frequently,and the development of the embryowas not synchronous.The mature embryo is linear,with 49 cotyledons,and no pith in the embryonal axis.【Conclusion】Thisstudy for the first time has observed the cytological process of megasporogenesis,female gametophyte development of T.mucronatum,reproductive fusion and embryo development of T.mucronatum T.distichum,which would provide a reproductive 收稿日期：20220324；修回日期：20220804。基金项目：江苏落羽杉属树木育种及培育省级长期科研基地项目 LYKJ(2021)05。*於朝广为通讯作者。第 59 卷 第 2 期林业科学 Vol.59，No.22 0 2 3 年 2 月SCIENTIA SILVAE SINICAEFeb.，2 0 2 3biological basis for interspecific hybridization breeding of T.mucronatum T.distichum.Key words：Taxodium mucronatum；Taxodium distichum；megasporogenesis；gametophyte development；embryo development 落羽杉属(Taxodium)植物是杉科(Taxodiaceae)落叶或半常绿乔木，包括落羽杉(T.distichum)和墨西哥落羽杉(T.mucronatum)(以下简称墨杉)2 个种(Lickeyet al.,2002;王紫阳等,2022)，是古老的孓遗植物，在第三纪曾广泛分布于北美洲和欧亚大陆北部，第四纪冰川后仅在北美洲保存下来，目前天然分布在美国、墨西哥和危地马拉(汪企明等,1995)，落羽杉具有耐水湿、干形好、生长快的特点，墨杉具有耐盐碱和绿期长的特点，是世界上重要的绿化和用材树种(殷云龙等,2005)。自 20 世纪 70 年代开始，落羽杉属植物在我国长江以南地区被大量推广应用，但由于落羽杉和池杉(T.distichum var.imbricatum)不耐盐碱、墨杉林学性状较差等原因，导致该属植物的推广应用受到限制(於朝广等,2010;殷云龙等,2005)。针对上述问题，江苏省中国科学院植物研究所对落羽杉属植物进行了杂交改良，以期提高其抗逆性(包括抗盐、耐碱、抗病和抗风)、速生性和观赏价值，经过 40 余年的不懈努力，培育出的系列杂交品种中山杉(T.Zhongshanshan)已广泛应用于我国长江流域、东南沿海及内陆地区的湖泊湿地、水网、滩涂和平原绿化造林中，产生较大的生态效益和经济效益(殷云龙等,2019;於朝广等,2010;於朝广等,2016)。人工杂交育种是树木遗传改良的主要途径之一，其目的是利用杂种优势，综合双亲的优良性状，创造新品种，开展树木有性生殖过程研究对于了解其性状遗传变异的规律以及杂交育种效率的提高具有重要意义(蒋恕等,1984)。前人关于落羽杉属植物生殖生物学方面的研究主要包括落羽杉大孢子叶球形态观察(Jagel et al.,2014)、胚珠发生(Takaso et al.,1990)、大孢子发生、颈卵器和原胚发育(Coker,1903;王伏雄,1953)、小孢子发生(Wang et al.,2022)、花粉形态特征观 察(Tiwari et al.,2012)、池 杉(T.distichum var.imbricatum)雌、雄配子体和胚胎发育(许道芬，1984)等方面，这些研究较为零散、缺乏系统性，且均以落羽杉为研究对象，目前关于墨杉生殖生物学的相关研究鲜见报道，尤其是对于墨杉与落羽杉种间杂交后杂种胚的发生和发育过程尚不清楚。本研究对墨杉大孢子叶球的形成及生殖功能，从花芽分化至种子成熟的发育过程进行了形态学和解剖学观察，旨在准确掌握墨杉大孢子叶球发育的外部形态性状及内部胚珠生长发育的结构特征，并通过人工控制授粉，系统开展墨杉落羽杉的有性杂交生殖过程的研究，以期为落羽杉属植物的繁殖和保护提供丰富、完善的胚胎学数据资料，为中山杉新品种、良种的选育及种子发育的分子调控机制研究提供参考。1材料与方法 1.1试验材料研究材料取自江苏省中国科学院植物研究所“国家落羽杉属林木种质资源库”(11849E，323N)内的 2 株墨杉无性系。1.2测定方法 1.2.1物候期观测2020 年 11 月2021 年 10 月，从墨杉大孢子叶球发育开始至球果成熟期，在树体不同方位选择 10 个大孢子叶球，观察其发育过程中外部形态变化，每 3 天观察 1 次，每月中旬用游标卡尺测量大孢子叶球及胚珠的大小。1.2.2授粉2021 年 1 月 16 日，用硫酸纸袋对苞鳞尚未展开的墨杉大孢子叶球进行套袋隔离，套袋雌球花 336 个；2 月 2 日，对上述大孢子叶球授以落羽杉花粉，授粉 30 天后摘除套袋。1.2.3样本采集按墨杉大孢子叶球