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耳草属(Hedyotis)隶属于茜草科茜草亚科纽扣草族,该属植物具有二型花柱、雌雄异株以及柱头探出式雌雄异位等类型。此外,在该属中还存在不同的自交不亲和系统,包括典型异型自交不亲和系统和隐性自交不亲和系统,这两种类型均起着阻碍自体或型内受精的生殖隔离作用,但二者的关系和作用机制仍不清楚。因此,对更多耳草属植物自交不亲和系统的研究将为阐明异型自交不亲和系统和隐性自交不亲和系统的进化关系提供佐证。
本文以茜草科二型花柱植物广州耳草(Hedyotis cantoniensis)、艳丽耳草(Hedyotis pulcherrima)、牛白藤(Hedyotis hedyotidea)、金毛耳草(Hedyotis chrysotricha)以及柱头探出式雌雄异位清远耳草(Hedyotis assimilis)为实验材料,对其繁育系统进行研究,并对广州耳草、牛白藤、清远耳草人工辅助授粉后的花粉粒与花粉管超微结构进行观察。
研究表明,广州耳草、牛白藤、金毛耳草两型花交互式雌雄异位不精确,艳丽耳草两型花具有精确的交互式雌雄异位特征。人工辅助授粉后,荧光显微观察表明广州耳草、艳丽耳草、牛白藤、金毛耳草长/短花柱型花型间异交花粉管形态正常,顺利生长进入子房,而长/短花柱型花在自交及型内异交下均表现为不亲和。广州耳草长花柱型的自交及型内不亲和花粉管生长停止于花柱基部,金毛耳草长花柱型的自交及型内花粉管生长停止于花柱中部,两者的短花柱型自交及型内不亲和花粉管生长均停止于柱头;艳丽耳草、牛白藤长/短花柱型自交及型内不亲和花粉管生长均终止于柱头,不亲和花粉管顶端累积胼胝质并膨大。
清远耳草是柱头探出式雌雄异位单型花,荧光显微观察表明,异交花粉管比自交花粉管更快生长进入子房,自交花粉管最终也能生长进入子房,均能完成受精作用并结实,但自交花粉管中出现长度异常的胼胝质塞。
广州耳草和牛白藤,人工授粉处理后,亲和花粉粒及花粉管中,线粒体、内质网、高尔基体等细胞器结构正常;不亲和反应初期,花粉粒及花粉管中内质网超微结构较其他细胞器变化明显,开始聚集弯曲甚至液泡化,不亲和反应后期,高尔基体膜结构膨大明显,线粒体出现液泡化。广州耳草自交处理后细胞内不亲和反应较型内处理反应更剧烈。牛白藤自交后短花柱型花粉细胞内较长花柱型反应更为剧烈、破碎化明显,而型内处理后,长花柱型花粉细胞内内质网的结构变化较短花柱型更为明显,两型中可能存在不同的自交不亲和反应机制。清远耳草人工授粉处理后花粉管超微结构的观察表明,不亲和反应初期花粉管内线粒体较其他出现轻微液泡化;至24h,自交下花粉管线粒体液泡化严重。
本研究结果表明广州耳草、艳丽耳草、牛白藤、金毛耳草都具有异型自交不亲和系统;清远耳革具有隐性自交不亲和系统。异型自交不亲和反应与隐性自交不亲和反应初期应答的细胞器不同表明二者可能存在不同细胞学机制。