苏铁属雄性生殖结构的发育及其系统学意义

Cycads represent an ancient lineage, whose origin can be dated to the late Paleozoic era. These plants are characterised by such archaic characters as motile sperms, and by such an advanced features as the formation of pollen tubes. So it is not surprising that Cycads have attracted the attention of many biologists.In addition, morphological and molecular studies supported Cycas as a basal group of extant cycads, and there are more morphological transition from ferns to gymnosperms in Cycas than other genus of cycads.Therefore,in this present project,the development of male reproductive structures of Cycas with emphasis on morphogenesis of microsporophylls, microsporogenesis, and the formation of pollen wall will be investigated by SEM, or TEM.Furthermore,to establish the molecular base to understand the evolution of male reproductive structures of cycads, we will create a cDNA library and EST dataset from the male reproductive structures (microsporophylls, microsporangia, male cone axils) of Cycas during the different stages of development.The analysis of an EST dataset from Cycas will reveal probally genes potentially homological to other vascular plants including ferns, other gymnosperms,and angiosperms.This work will set the stage for studies on cycads to better understand evolution of male reproductive structures, and contribute to resolve the argument on the origin of living cycads.

苏铁类植物是现存种子植物中最古老的类群之一，其形态结构，尤其是生殖结构仍保留着许多原始特征。苏铁属Cycas是苏铁植物的基部类群，在生殖器官上体现出更多的蕨类植物向裸子植物过渡的形态。本项目通过多种实验技术手段，对苏铁属植物雄性生殖结构的小孢子叶形态发生、小孢子母细胞减数分裂类型以及花粉壁结构发育和组成进行系统研究，掌握小孢子叶原基分化发育过程，直接且客观准确地判断小孢子母细胞减数分裂类型，分析花粉粒外壁结构发育模式，并结合小孢子叶原基分化发育期和小孢子母细胞减数分裂时期雄性生殖结构的表达序列标签(EST)分子数据，评价苏铁属雄性生殖结构特征的系统分类学意义。进而为苏铁类植物的发育演化及系统分类学研究提供理论依据。

苏铁植物作为现存最古老的种子植物之一，其形态结构是原始性和衍生性的综合体，在植物系统演化中扮演重要角色。苏铁植物的生殖结构仍保留许多原始特征，体现出较多的蕨类植物向裸子植物过渡的形态。然而，对于苏铁植物雄性生殖结构的研究，尤其是小孢子母细胞孢质分裂的时空特征和细胞学机制研究仍较缺乏。对苏铁植物雄性生殖结构发育中这一关键阶段的细致比较研究不仅对于了解不同种类间形态多样性的系统发生具有重要意义，而且对于了解陆生植物细胞极性建立和分裂的基本细胞学机制具有重要科学价值。本项目利用半薄切片、组织化学以及超薄切片技术，观察几种苏铁植物小孢子发生特征，重点描述其胞质分裂方式，结合小孢子母细胞减数分裂阶段小孢子叶球轴、小孢子叶、小孢子囊等部位的转录组数据，评价苏铁植物雄性生殖结构特征的系统学意义。研究表明，光学显微镜下观察的苏铁植物小孢子发生过程与前人报道的基本一致，首先造孢细胞产生游离的母细胞，随后母细胞减数分裂，形成四分体，四分体分解后释放出小孢子。胼胝质积累呈规律性的动态变化，最初的积累发生在末期I到前期II左右，在赤道面区域的母细胞壁形成明显的突起。荧光观察显示为环状，其余部分较薄且均一，随后在母细胞两极再次出现同样的突起，并发育为第二个胼胝质环，两个胼胝质环对应的分裂面上的胞质中逐渐积累胼胝质并与胼胝质环相连接，最终形成分隔壁，产生四分体。利用透射电镜观察苏铁植物小孢子母细胞减数分裂过程，发现在减数分裂末期I到前期II左右，胞质分裂开始启动，首先在细胞中部以囊泡融合的形式产生内突的胼胝质壁，但其生长明显受到限制。到末期II之后，胞质分裂恢复，从早先形成的胼胝质突起附近以小成膜体为基础建立细胞板。小成膜体通过彼此互相连接以及电子致密物质的加入，经过一系列中间结构，包括宽管、宽管网、薄管网等形成连续的细胞板，随后在薄管网的基础上以掺入囊泡的形式添加电子半透明物质，不断从外围向内扩展，最后其两端与先期形成的胼胝质突起连接，转化为新的分隔壁。从苏铁植物胞质分裂的超微结构来看，我们认为苏铁植物的胞质分裂类型应为中间类型，在胞质分裂前都会提前产生细胞壁突起。这一特征在其他裸子植物类群，例如银杏和松杉类中并不存在。苏铁植物在胞质分裂特征上相比其他裸子植物更加原始，这一胚胎学证据支持苏铁类作为裸子植物基部类群的系统学地位。