扇脉杓兰(Cypripedium japonicum Thunb.)为兰科(Orchidaceae)杓兰亚科(Cypripedioideae)杓兰属(Cypripedium L.)多年生草本植物,主要分布于中国、日本、韩国等东亚地区。其叶脉扇形,叶型圆润,花大艳丽,花型奇特,具有较高的栽培和观赏价值。根状茎可入药,具有显著的药用价值。扇脉杓兰种子严重败育,自然萌发率极低,更新能力差,主要依靠分株繁殖维持个体的存活。然而,由于人们不合理地采挖野生居群致使种群数量下降,生境严重破坏,分株繁殖已不足以维持种群的稳定性。目前,扇脉杓兰已被列为濒危物种。本研究以浙江省西天目山国家级自然保护区内的两个野生扇脉杓兰居群为材料,通过对种子胚胎学发育过程的观察和生理生化变化的测定,旨在探究扇脉杓兰种子败育的机理,可得出研究结果如下:扇脉杓兰根状茎顶端有一个休眠芽,浅黄绿色,中下部有芽鞘包被,当年10月露出地面。充分发育的休眠芽产生花芽,花芽呈乳白色,第二年4月形成花结构;未充分发育的休眠芽不能产生花芽,第二年只形成扇形叶,无花器官。这可能是因为养分和空间的限制,群体内发生选择性败育的现象。超微结构显示:孢原细胞体积大,核占据多半的细胞空间,核仁结构明显,细胞质和细胞器丰富。大孢子母细胞位于珠孔端,核仁消失,细胞质中液泡含量多,线粒体和质体分布密集。胚囊形成后,液泡所占空间变大,细胞核相对变小,细胞质分布稀疏,细胞器以线粒体和质体为主。在胚珠发育阶段蛋白质和多糖一直存在,淀粉染色逐渐加深,无脂质存在。扇脉杓兰胚珠败育率低,不是导致种子败育的直接原因。扇脉杓兰单粒花粉长球形,表面光滑无特征纹饰,有少量胶黏物质。花粉壁分为由棒状的基柱小单元组成的外壁和纤维素果胶组成的内壁,有覆盖层。生殖细胞近圆形,细胞核大而致密;营养细胞多弧形,核质分散。花粉粒细胞质含有大量的线粒体、质体和小泡等细胞器,淀粉、蛋白质和多糖含量丰富。花粉管萌发后沿子房壁方向伸长,在授粉后50天基本完成受精作用。扇脉杓兰花粉发育正常,不阻碍生殖过程。扇脉杓兰成熟种子棕色,纺锤状,表面有网状纹饰,种胚未完全分化,仍停留在球形期,细胞中大液泡占3/4以上的空间,细胞质稀疏,只有脂质颗粒和大量淀粉粒分布。种子活力较高,为76%,但无菌萌发困难,种胚逐渐进入休眠期。胚的延迟分化直接导致种子败育。种子可溶性蛋白质含量水平低,在授粉后20天和85天分别达到最高值774.03μg·g-1和最低值373μg·g-1。淀粉含量从2.65%急速增加到21.82%,后稳定在20%左右。可溶性糖含量在1.72%~3.09%之间波动。GA3、ZR、IAA峰值在授粉后20天、30天、40天依次出现。3种激素极显著正相关(P<0.001)。ABA含量在授粉后115天达到峰值,其含量与3种促进激素呈显著负相关(P<0.05)。(IAA+GA3+ZR)?ABA值在授粉后20天最大,此后逐渐下降。SOD活性在授粉后20天升至最高451.18U/(g·min),授粉后85天降至最低,其变化趋势与蛋白质变化保持一致。POD和CAT活性呈先升后降的单峰曲线变化。综上所述,种胚发育是败育的关键时期,此时蛋白质和可溶性糖水平低,内源激素平衡失调,酶活性较低均可能导致种子败育。