Floral Organogenesis and Development of two Taxa in Tribe Hyoscyameae (Solanaceae)-Przewalskia tanguitca and Hyoscyamus niger

Floral organogenesis and development of Przeivalskia langutica Maxim, endemic to China and Hyoscyamus niger L. , which belong to the tribe Hyoscyameae (Solanaceae), were studied using scanning electron microscope. They have three common characters of floral organ initiation and development: 1) initia-tion of the floral organs in the two species follows Hofmeister's rule; 2) the mode of corolla tube development belongs to the "late sympetaly" type; 3) primordia of the floral appendages initiated in a pentameroua pattern and acropetal order. But initiation of the calyx-lobe primordia showed different modes in these two species. The calyx-lobe primordia of H, niger have simultaneously whorled initiation, while those of P, tangulica have helical initiation, but the five calyx-lobe primordia form a ring after all five calyx-lobe primordia occur. The systematic significance of the present results in the genera Hyoscyamus and Przeivalskia is discussed in this paper.

Floral organogenesis and development of two taxa of the Solanaceae - Anisodus tanguticus and Atropa belladonna

Floral organogenesis and development of two Solanaceae species, Anisodus tanguticus and Atropa belladonna, were studied by using scanning electron microscopy (SEM) as part of a project on systematics and evolution in the tribe Hyoscyameae. These two species share the following common characters of floral organ initiation and development: (1) initiation of the floral organs in the two species follows Hofmeister's rule; (2) the mode of corolla tube development belongs to the "late sympetaly" type, namely, petals are initiated separately and later become joined by fusion of their basal meristem, then rise together and form a corolla tube; (3) primordia of the floral appendages are initiated in a pentamerous pattern and acropetal order: sepals are initiated first, followed by the petals and stamens, and finally the carpels. The whorl of five stamen primordia forms almost simultaneously and originates opposite the sepal primordia, but initiation of the sepal primordia shows different modes in the two species. The sepal primordia of Anisodus tanguticus have simultaneously whorled initiation, while those of Atropa belladonna have helical initiation. The systematic significance of the present results in the genera Anisodus and Atropa is discussed in this paper.

茄科天仙子族：结构、分化和系统关系

本文研究了茄科天仙子族7属以及有亲缘关系的颠茄属、茄参属和枸杞属的形态学、解剖学、孢粉学、种子形态学、胚胎学、花器官发生、分子系统学和分支系统学;论述了它们的结构、分化和系统关系。主要内容包括： 1．解剖学 在光学显微镜和扫描电镜下，观察了茄科天仙子族(Hyoscyameae)7属21种及邻近4属4种共25种植物的叶表皮特征，结果表明：气孔器在各种植物的上、下的表皮均有分布，多为无规则型，也有不等细胞型;叶表皮细胞形状有不规则形、十字形、近长圆形和不规则多边形，垂周壁较平直或各种波状。叶表皮气孔器外拱盖内缘近平滑、浅波状或波状;角质膜多为具条纹，也有同时具条纹和颗粒或鳞片，偶尔仅具颗粒和鳞片或光滑。气孔器类型可以作为区分部分属的依据之一。颠茄叶表皮细胞形状和垂周壁式样在一些属和种中有一定的规律性，并与外部形态、孢粉学性状或地理分布相关;叶片表面角质膜的特征对属和种的划分也有一定意义。 2．种子形态学 在扫描电子显微镜下首次全面研究了天仙子族及颠茄属和茄参属等共10属25种植物的种子形态学特征，结果表明： 该族植物种子表面纹饰有脑纹状或近脑纹状和网状两大类，除了山莨菪属Anisodus和Hyoscyamus.pusillus 外，其余类群均为网状。外种皮细胞形状和周壁式样有两大类，一类为多边形至近圆形，等径，周壁近平直，另一类为形状不规则，常不等径，周壁为各式波状;外种皮细胞周壁内侧有皱波状、瘤状、小颗粒、片状或小刺等各式附属物。各属植物的种子大小、形状及种脐着生位置的系统学意义不大。但是，种脐突出与否、种子外种皮细胞形状和周壁式样，尤其是周壁内侧附属物等性状具有较大的分类学意义。 3．孢粉学 在扫描电镜下研究了该族7属及其它3属共10属23种植物的花粉形态学特征。结果表明：天仙子族的花粉粒形状为球形、近球形、扁球形和长球形;萌发孔类型有无萌发孔、不规则的拟孔、3沟、4 沟、3- 4沟、散沟和3孔沟;外壁纹饰为小刺状、瘤状、各式条纹状、条纹-穴状、条纹-网状、皱波状、细网状和网状。沟膜近光滑、具小颗粒、具小刺状突起或具瘤状突起。各属植物的花粉形态在萌发孔的有无、萌发孔的类型和外壁纹饰等方面有较大的差异，可以作为探讨属间分类和系统关系的重要依据。天仙子族植物花粉萌发孔的演化趋势为：无萌发孔→ 3、4沟→3孔沟。无萌发孔的山莨菪属是原始类群，三孔沟的马尿泡和天仙子等属是进化类群。 4．胚胎学 本论文首次研究了天仙子族山莨菪Anisodus tanguticus的胚胎学特征，结果表明：山莨菪的小孢子形成为同时型，腺质绒毡层;胚珠半倒生，单珠被，薄珠心;蓼型胚囊;其胚胎发生类型可能为茄型;胚乳形成为细胞型。山莨菪的胚胎学性状与马尿泡十分相似。胚胎学证据支持山莨菪属与马尿泡属关系密切的观点。 5．花器官发生 首次全面研究了天仙子族的山莨菪属（山莨菪）、马尿泡属（马尿泡）、天仙子属（天仙子）及其邻近2属共5种植物的花器官发生特征，结果表明：山莨菪和天仙子的5个花萼裂片原基突起最早发生，且几乎是近同时环状发生，其排列方式从花发育早期直至花成熟后始终为轮状排列。而马尿泡和颠茄首先是5个花萼裂片原基突起依次螺旋状发生，但在其5个花萼裂片原基都出现后，其排列方式仍为轮状排列。不同之处是：马尿泡的花萼裂片原基在其花冠裂片原基刚刚不明显地发生时，就已经在基部联合并形成了一个环，而颠茄的花萼裂片原基直到雄蕊原基突起开始发生并较明显时，花萼裂片原基仍然是分离的，当花顶的中央开始出现很不明显的雌蕊原基的凹陷时，花萼裂片原基才开始联合。青海茄参与其它4种植物的不同之处在于柱头2裂或3裂，而后4者的柱头均为2裂。花器官发生的特征表明马尿泡与天仙子和山莨菪的关系较近。 6．基于叶绿体DNA trnL-F序列和核糖体DNA ITS序列的初步分析 以宁夏枸杞作为外类群，对代表天仙子族及其邻近3属的10种植物的ITS区和trnL-F序列进行了测定，将这两个序列结合构建系统树。将gaps作为fifth base处理时，马尿泡属和茄参属构成最基部的一支，赛莨菪属和天仙子属构成一支然后与泡囊草属构成姐妹群，另外一支由天蓬子属、颠茄属和山莨菪属组成，其中天蓬子属与颠茄属构成一支后与山莨菪属构成姐妹群。分子证据只是一个尝试，还不足以说明天仙子族各属的系统关系。 7．分支分析 以枸杞属为外类群，基于形态学、叶表皮、种子形态学、孢粉学等特征对天仙子族7属及颠茄属和茄参属进行了分支分析。结果表明：目前公认的天仙子族7属构成一个单系类群，而颠茄属和茄参属并没有包括在内，它们两者构成一支，并与天仙子族形成姐妹群的关系。这与该族传统的分类结果相一致。 8．天仙子族的分化和系统关系 基于上述研究结果，结合天仙子族各属的现代地理分布，讨论了各属的分化和系统关系。认为根据传统分类包括有7个属的天仙子族是一个自然的单系类群，目前还没有足够的证据说明是否应该将颠茄属和茄参属放在天仙子族中。

绣球族的系统学研究

绣球科绣球族包含9属：草绣球属、叉叶蓝属、Broussaisia、常山属、绣球属、蛛网萼属、赤壁木属、冠盖藤属和钻地风属。到目前为止，绣球族内的属间关系还不清楚，族内的系统发育关系还有争论。本研究的目的是在前人研究的基础上，进一步发现新的系统学性状，为绣球族乃至绣球科补充新的证据;并综合多学科的研究结果进行分析，探讨绣球族的系统学关系。 本文研究了绣球族的外部形态学、花发育形态学、解剖学、分子系统学和分支系统学。 主要内容包括： 1. 形态学 通过标本室研究和野外观察，对绣球族植物的形态分化进行了分析。发现习性、地上茎的生存期限、花冠卷叠式、花瓣联合与否、花柱的联合程度、雄蕊的数目及排列具有系统学价值;放射花和果实是很好的分类性状，但并非可靠的系统学性状。 2. 花发育形态学 在扫描电子显微镜下，研究了绣球族常山属、绣球属、冠盖藤属、蛛网萼属共4种植物花器官发生和发育的全过程。发现它们的花萼均为螺旋式相继发生，花瓣的发生近乎同时。冠盖藤、马桑绣球及常山具两轮雄蕊，第一轮雄蕊发生于花瓣内轮正对萼片中部的位置，随后第二轮雄蕊发生于正对花瓣中部的位置。在第一轮雄蕊略靠内的位置形成第二轮雄蕊的时候，多数情况下，相邻的对萼雄蕊之间只形成1个对瓣雄蕊，但有时却形成2个对瓣雄蕊，使雄蕊群的数目略多于花被的数目。对萼雄蕊与对瓣雄蕊的分化方式基本一致，但它们在花芽中空间取向不同。 蛛网萼雄蕊数目极多，雄蕊群的发生式样较为独特，并不始于对萼三联体。最早的雄蕊于杯状体近基部发生，之后雄蕊的发生大致沿杯状体壁向上，具离心趋势。在雄蕊发生过程中杯状体继续伸长，为众多雄蕊的发生提供了空间。蛛网萼雌蕊的发生明显早于雄蕊，其它3种植物雌蕊的发生晚于雄蕊。4种植物的雌蕊在发生上较为相似，发育却不同。在常山、马桑绣球和蛛网萼中，花柱从开始到发育成熟始终分离，柱头在每个花柱的顶端形成;而冠盖藤属的花柱裂片从开始就是联合的，最终形成单一的花柱，柱头从合生花柱顶端远轴面分化形成。 3. 解剖学 在光学显微镜和扫描电子显微镜下，观察了绣球族9属42种1变种及近缘8属11种共53种1变种的叶表皮特征。发现气孔的分布、气孔器的类型、表皮细胞的形状及其垂周壁式样、毛被等具有一定的系统学意义和分类价值。绣球族各属的气孔仅散生于下表皮;而在绣球族的几个近缘属中，上下表皮均有气孔分布。气孔器在多数类群中为无规则型，仅常山属和绣球属离瓣组的成员为平列型。气孔多为椭圆形，稀近圆形;外拱盖表面通常光滑，仅在钻地风属中具条状纹饰;外拱盖内缘具环状加厚，近全缘、不规则波状或浅波状。表皮细胞在多数种中为不规则形，垂周壁波状、浅波状或深波状;在有些种中为（近）多边形，垂周壁平直或弓形。叶表皮细胞形状、垂周壁式样在绣球族寡种属属级水平比较稳定，但在绣球属中变化较大。表皮角质膜纹饰形态多样，有网纹、粗网纹、浅波状条纹、波状条纹、条纹、粗条纹及丝状条纹;在钻地风属及绣球属的少数种中，角质膜条纹有时汇集呈球形或玫瑰型。表皮毛状附属物有单细胞2分枝毛（黄山梅属）、多细胞星状毛（星毛冠盖藤）、单细胞星状毛（溲疏属）和单细胞不分枝毛四种。对钻地风属所有种的观察结果表明，仅在椭圆钻地风的下表皮细胞中央观察到乳突状结构，而在白背钻地风和圆叶钻地风中并未观察到前人描述的附属物。 4. 叶绿体DNA trnL-F序列的分析 首次对绣球族9属23种及近缘类群3属3种的trnL-F序列进行了测定。序列长度在860 bp~970 bp范围内变化。在以山梅花属、溲疏属和黄山梅属为外类群，基于trnL-F序列构建的系统树上，绣球族作为一个单系群得到很高的支持率。绣球属的种出现在不同的分支上，表明该属不是一个单系群。绣球族被分为两大支：第一支由绣球属离瓣组的中国绣球、绣球、以及常山和Broussaisia arguta组成;第二支由绣球属另外的9个种与草绣球属、叉叶蓝属、蛛网萼属、赤壁木属、冠盖藤属以及钻地风属组成。在第二支中，下列类群的近缘关系得到支持：① 草绣球与叉叶蓝属;② 绣球属挂苦子组的东陵绣球、圆锥绣球和挂苦绣球。③ 钻地风属、赤壁木属和冠盖藤属;④ 蜡莲绣球、莼兰绣球、马桑绣球、粗枝绣球。 5. 分支分析 以山梅花属为外类群，基于形态、解剖、花发育、孢粉等32个性状（或性状状态）对绣球族9属的系统发育关系进行了分支分析。结果表明：草绣球属和叉叶蓝属为基出类群，这两个属有多个共同特征;绣球族其余的成员聚成一支，该支又有5个分支。其中蛛网萼属和绣球属冠盖组各为单独的分支，它们有多个自衍征，可能有各自独立的演化线;绣球属离瓣组与常山属聚成一分支，二者的密切关系得到解剖学证据的支持;绣球属绣球组和星毛组聚成一分支，这两个组包含了绣球属的多数种类;钻地风属、赤壁木属、冠盖藤属、Broussaisia和绣球属挂苦子组聚成一分支。其中钻地风属、赤壁木属与冠盖藤属具多个近裔衍征，表明它们是绣球族的晚出类群。 通过对绣球族植物外部形态、花器官发生、叶表皮微形态特征、叶绿体DNA trnL-F区的研究以及基于形态性状的分支分析，并综合已有的研究结果，我们认为： 1. 绣球族是一个单系群;绣球属不是一个单系群。 2. 在绣球族中，草绣球属和叉叶蓝属关系密切，它们可能是绣球族其余成员的姐妹群。 3. 绣球组和星毛组可能是绣球属的核心成员;离瓣组和常山属关系密切;冠盖组有单独的演化线。 4. 赤壁木属、冠盖藤属和钻地风属为单系群，它们在绣球族处于较高的演化位置。 5. 绣球属需重新界定。

旌节花科的分类和系统学研究

旌节花科是东亚特有科，仅有旌节花属1属。本文研究了该科植物的生活习性、外部形态、花粉形态和外壁超微结构以及花器官发生，并根据多个DNA区段的序列探讨了科的系统位置和属下关系。在此基础上，综合各方面的证据，对旌节花科进行了全面的分类学修订，完善了该科的分类系统。主要内容包括： 　　1、习性和外部形态学 　　结合室内标本和野外考察，对旌节花科植物的生活习性、叶、花序、花和果实各个性状的变异式样、变异幅度、变异规律及其相关性进行了深入研究，并讨论了它们的分类学价值。结果表明：叶片形状、叶缘齿、花序下的叶片是否宿存以及花序是否具花序梗等性状在种间变异非常大，单个性状对旌节花属属下分类意义不大;而叶片毛被、脉序和结构，花序长度，花的大小和颜色以及果实大小等性状通常较稳定，可作为旌节花属划分种和变种的重要依据。 　　2、花粉形态学和外壁超微结构 　　在透射电镜下研究了旌节花属5个代表种和1个外类群（Crossosoma californicum）的花粉外壁超微结构，并在扫描电镜下研究了外类群Crossosomataceae 1个代表种（Crossosoma californicum）的花粉形态学特征，结合前人的研究，探讨了上述性状的分类学意义。结果表明：旌节花属植物花粉形态的共同特征是：花粉粒球形或近球形，三孔沟;外壁具穴状纹饰，穴较细小;外壁内壁分层明显，容易区分（柳叶旌节花除外），覆盖层光滑，几无附属物，柱状层明显，穿孔较少，不形成半覆盖层。各种植物花粉外壁超微结构的特征在旌节花属两个组中较一致，但其差异可作为探讨属下种的分类和系统学关系的依据。此外，对旌节花科和Crossosomataceae花粉表面纹饰和外壁超微结构的研究结果提示：这两个科与省沽油科和山茶科厚皮香亚科有较近缘的关系，而不支持这两个科的姐妹群关系。 　　3、花器官发生 　　首次对旌节花属常绿组和落叶组共2个代表种的花器官发生进行了研究，结果表明：该科植物花为功能性单性花，雌雄异株，花发育过程长达10个月，其中2-3个月是冬季休眠期。在花发育早期，雄花和雌花的发育没有差异，花性别的分化发生在花发育后期，即每年春天花开前后的2-3天，雌花中雌蕊的子房开始膨大，柱头伸长，胚珠多数，能育，而雄蕊逐渐干瘪收缩直至最后花粉不育;此时雄花的雄蕊发育良好，花丝粗壮发达，花药饱满，花粉能育，而雌蕊发育逐渐停滞直至败育。花器官发生方式为向心式，发生顺序为：苞片—外轮萼片—内轮萼片—花瓣—外轮雄蕊—内轮雄蕊—雌蕊。花萼4枚，两轮，交互对生，花瓣和雄蕊均4枚一轮几乎同时发生，花瓣覆瓦状排列。旌节花属常绿组和落叶组植物的花器官发生发育过程没有差别。 　　4、基于多个DNA区段序列的系统发育分析 　　首次选取进化速率较快的5个DNA区段：核核糖体ITS区和叶绿体rps16, ndhF，trnL-F及trnS-G-G区段，对旌节花属分别代表常绿组和落叶组的10种2变种及外类群Crossosomataceae和省沽油科3种植物的相关序列进行测定，并将上述序列合并构建系统树。研究结果表明：旌节花科作为一个单系群得到很好的支持。旌节花属落叶组和常绿组的划分在基于ITS、叶绿体4个区段单独分析及联合分析得到的系统树中没有得到支持，表现在该联合分析得到的树的两个分支与该属植物的习性和外部形态特征无关，而与它们的地理分布密切相关：其中一支主要分布在东亚的偏北部，另一支主要分布在东亚的南部地区，常绿和落叶的种类则混合在这两支中。此外，分子序列分析的结果对该属植物的分类、系统关系、起源和该科的系统位置均有重要意义。系统树显示出分布于台湾的S. sigeyosii与分布于日本的早春旌节花聚成稳定的一支，说明前者与后者，而不是与西域旌节花关系密切。叶绿体基因树与核基因树存在冲突，表明该属经历过网状进化。推测变种披针叶旌节花与云南旌节花可能是杂交起源。根据叶绿体rbcL序列得出的系统树显示旌节花科与产北美的Crossosomataceae的姊妹群关系支持率低于50%。基于最大似然树，运用罚分似然法推算出这两个科分化时间为68.25 ± 10.36 MYA，这两者共同与省沽油科近缘。 　　5、分类学研究 　　综合上述研究结果，对旌节花属进行了分类学修订。属下不设立组;确认该属植物有6种6变种，其中中国特有种3个，变种3个。5种5变种被作为新异名，新组合3个，其中2个改级新组合。对西域旌节花、云南旌节花和滇缅旌节花等进行了模式指定。本文还给出了分种和变种检索表、各类群的形态学描述、地理分布图、标本引证和讨论等。 　　

Dynamics of Cytokinins in Apical Shoot Meristems of a Day-Neutral Tobacco during Floral Transition and Flower Formation1

This study considered cytokinin distribution in tobacco (Nicotiana tabacum L.) shoot apices in distinct phases of development using immunocytochemistry and quantitative tandem mass spectrometry. In contrast to vegetative apices and flower buds, we detected no free cytokinin bases (zeatin, dihydrozeatin, or isopentenyladenine) in prefloral transition apices. We also observed a 3-fold decrease in the content of cytokinin ribosides (zeatin riboside, dihydrozeatin riboside, and isopentenyladenosine) during this transition phase. The group concluded that organ formation (e.g. leaves and flowers) is characterized by enhanced cytokinin content, in contrast to the very low endogenous cytokinin levels found in prefloral transition apices, which showed no organogenesis. The immunocytochemical analyses revealed a differing intracellular localization of the cytokinin bases. Dihydrozeatin and isopentenyladenine were mainly cytoplasmic and perinuclear, whereas zeatin showed a clear-cut nuclear labeling. To our knowledge, this is the first time that this phenomenon has been reported. Cytokinins do not seem to act as positive effectors in the prefloral transition phase in tobacco shoot apices. Furthermore, the differences in distribution at the cellular level may be indicative of a specific physiological role of zeatin in nuclear processes.

Somatic embryogenesis, organogenesis and plant regeneration in taro (Colocasia esculenta var. esculenta)

Callus was initiated in three different ‘‘esculenta’’ taro cultivars by culturing corm slices in the dark on half-strength MS medium supplemented with 2.0 mg/l 2,4- dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) for 20 days followed by subculture of all corm slices to half-strength MS medium containing 1.0 mg/l thidiazuron (TDZ). Depending on the cultivar, 20–30% of corm slices produced compact, yellow, nodular callus on media containing TDZ. Histological studies revealed the presence of typical embryogenic cells which were small, isodiametric with dense cytoplasms. Somatic embryos formed when callus was transferred to hormone-free medium and *72% of the embryos germinated into plantlets on this medium. Simultaneous formation of roots and shoots during germination, and the presence of shoot and root poles revealed by histology, confirmed that these structures were true somatic embryos. Plants derived from somatic embryos appeared phenotypically normal following 2 months growth in a glasshouse. This method is a significant advance on those previously reported for the esculenta cultivars of taro due to its efficiency and reproducibility.

Kiwifruit floral gene APETALA2 is alternatively spliced and accumulates in aberrant indeterminate flowers in the absence of miR172

In Arabidopsis, the identity of perianth and reproductive organs are specified by antagonistic action of two floral homeotic genes, APETALA2 (AP2) and AGAMOUS (AG). AP2 is also negatively regulated by an evolutionary conserved interaction with a microRNA, miR172, and has additional roles in general plant development. A kiwifruit gene with high levels of homology to AP2 and AP2-like genes from other plant species was identified. The transcript was abundant in the kiwifruit flower, particularly petal, suggesting a role in floral organ identity. Splice variants were identified, all containing both AP2 domains, including a variant that potentially produces a shorter transcript without the miRNA172 targeting site. Increased AP2 transcript accumulation was detected in the aberrant flowers of the mutant 'Pukekohe dwarf' with multiple perianth whorls and extended petaloid features. In contrast to normal kiwifruit flowers, the aberrant flowers failed to accumulate miR172 in the developing whorls, although accumulation was detected at the base of the flower. An additional role during dormancy in kiwifruit was proposed based on AP2 transcript accumulation in axillary buds before and after budbreak.

Efficient organogenesis of an Australian passionfruit hybrid (Passiflora edulis x Passiflora edulis var. flavicarpa) suitable for gene delivery

An efficient regeneration protocol based on organogenesis from cotyledon explants and suitable for gene delivery has been developed for an Australian passionfruit hybrid. Multiple shoots were regenerated from 30-day-old cotyledon explants on Murashige and Skoog (MS) medium containing 6-benzylvaminopurine (BAP) and coconut water. Media pulsing experiments were conducted to investigate the effect on organogenesis of exposure time of the explants to MS containing 10 mu M BAP and 10% (v/v) coconut water, i.e. passionfruit regeneration medium (PRM). Continuous exposure of these explants to PRM maximised the number of shoots produced to 12.1 per explant. However, periods on hormone-free medium improved the appearance of the shoots and increased the number of explants with shoots from 75 to 84.6%. Further, shoots exposed for 7 days to half-strength MS supplemented with 10 mu M NAA (1-napthalene acetic acid) produced twice as many plantlets than those on half-strength MS alone. Transient GUS histochemical assays indicated delivery of the uidA gene via Agrobacterium tumefaciens.

Control of morphogenesis in tobacco protoplast cultures: organogenesis vs embryogenesis

The morphogenetic pathway leading to plant differentiation in tobacco mesophyll protoplasts could be regulated. The course of development via organogenesis or embryogenesis was controlled by manipulating nutrient media, culture conditions and hormone requirements. A lowering of molarity of medium after 5 weeks of protoplast culture, inclusion of GA3 (0.5 mg/l) in the medium for first 8 weeks of culture and exclusion of reduced nitrogen in the medium resulted in shoot organogenesis, while maintenance of higher molarity of the medium till 8 weeks, reduced nitrogen in the medium and removal of 2, 4-D after 5 weeks of culture induced embryogenesis. Regenerability of viable plants was obtained by both developmental pathways. The implications of tobacco embryogenesis system in plant molecular genetics were highlighted.