（植物学专业论文）关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究.pdf

一塑型垄兰堡主至竺笙查 一一 a ： a c w ： a l v ： c ： c c ： c c w ： c p ： c v ： c y b ： c w ： d s y ： e ： e c ： e n c ： e r ： e s ： e s w ： f a ： f n ： f p n ： g ( g ) ： m ( m ) ： m p ： 符号说明 名词缩写表 反足细胞 垂周壁， 蜂巢状细胞( 管状细胞) 成壁泡 中央细胞 中央细胞壁 细胞板 中央大液泡 细胞质桥 细胞壁 退化助细胞 胚 卵细胞 胚乳细胞 内质网 胚囊 胚囊壁 丝状器 游离核 受精极核 蔼尔基体 线粒体 珠孔 7 ( a n t i p o d a lc e l l ) ( a n t i c l i n a lc e l lw a l l ) ( a l v e o l u s ) ( c e l lw a l lf 0 姗a t i o nv e s i c l e ) ( c e n t r a lc e l l ) ( c e n t r a lc e l lw a l l ) ( c e l lp l a t e ) ( c e n t r a lv a c u o l e ) ( c y t o p l a s m i cb r i d g e ) ( c e l lw a n ) ( d e g e n e r a t e ds y n e r g i d ) ( e m b 巧o ) ( e g gc e l l ) ( e n d o s p e n nc e l l ) ( e n ( 1 0 p l a s m i cr e t i c u l 眦) ( e m b 巧os a c ) ( e m b r y os a cw a l l ) ( f i l i f o ma p p r a t i l s ) ( 矗e en u c l e u s ) ( f e r t i l i z e dp o l a rn u c l e u s ) ( g o l g i o s o m e ) ( m i t o c h o n d r i o n ) ( m i c r o p y l e ) 关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究：符号说明 n ： n m ： n u ： n u ： o v ： p c w ： p d ： p e ： p e n ： p g ： p h ： p n ： p t ： r m s ： s c ： s c n ： s t i ： s 哆： s y ： v ： w ： z ： 核 核膜 核仁 珠心 亏螽 平周壁 质体 果皮 初生胚乳核 花粉粒 成膜体 极核 花粉管 辐射微管系统 精细胞 精细胞核 柱头 花柱 助细胞 液泡 细胞壁 合子 8 ( n u c l e u s ) ( n u c l e u sm e m b r a n e ) ( n u c i e o l u s ) ( 肌c e i l u s ) ( o v a 巧) ( p e r c i l i n a lc e l lw a l l ) ( p 1 a s t i d ) ( p e “c 唧) ( p r i m a 巧e n d o s p e n l ln u c l e u s ) ( p o l l e ng r a i n ) ( p l 舰g m o p l a s t ) ( p o l a rn u c l e u s ) ( p o l l e n 劬e ) ( r a d i a lm i c r o t u b u l es y s t e m ) ( s p e m c e l l ) ( s p e 啪c e l ln u c l e u s ) ( s t i g m a ) ( s t ) r l e ) ( s y n e 唱i d ) ( v a c u o l e ) ( w a l l ) ( z y g o t e ) 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明的法律结果由本人 承担 学位论文作者签名： 扣一育 签字日期：2 0 0 8 年5 月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库) ，并通过网络向社会公众提供信息服务 撇一繇知一寺名： 撇文作：芦滞彳导臌： 签字日期：2 0 惦年5 月2 8 日签字日期：2 8 年5 月2 8 日 扬州大学博士学位论文 关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究 摘要 稻麦花粉的萌发影响极核的受精，而受精极核的分裂与发育决定着胚乳的数目，进而 影响着稻麦籽粒的粒重和品质，为了探讨花粉萌发、极核受精、胚乳游离核分裂和细胞化 过程及其影响因素，本实验用光学和电子显微镜观察了水稻、小麦、大麦的花粉萌发、极 核的受精过程、胚乳游离核的分裂方式及细胞学特征，研究了胚乳游离核的细胞化过程中 初始垂周壁、初始平周壁的来源以及细胞壁的充实过程，以期探明核型胚乳的细胞化过程。 主要结果如下： ( 1 ) 水稻花粉粒落到柱头上后2m i n 即开始萌发，花粉管3 0m i n 后便可到达胚囊， 花粉管的生长速率在柱头中最慢，花柱中次之，子房中最快；大麦，小麦授粉后3m i n 花 粉粒开始萌发，花粉管生长动态与水稻相似。花粉管到达胚囊珠孔端后总是从一个退化的 助细胞中进入胚囊并释放两个精细胞，其中在水稻和小麦中发现该助细胞在授粉前即开始 退化，而大麦中发现其在授粉后并在花粉管到达胚囊前退化。精细胞进入胚囊以后，移动 至退化助细胞的合点端，此处细胞壁薄或者缺少，使两个精细胞分别容易进入卵细胞和中 央细胞。虽然精核进入卵核附近较早，但其核的融合比精核与极核的融合完成的要晚。发 现水稻授粉后2 4h 极核已受精结束，而大麦小麦则需要3 5h 才能完成受精。 ( 2 ) 受精卵形成后要经过一段时间的“休眠期 ，而受精极核形成后很快就开始分裂 形成游离核。稻麦游离核较大，具有染色很深的的核仁，核周围细胞质浓厚，含有丰富的 细胞器，表现出活跃的状态。水稻游离核呈圆形，而麦类基本呈椭圆形。 ( 3 ) 稻麦胚乳游离核的分裂具有多样性，既有有丝分裂，也有无丝分裂，此外，还 有有丝分裂后的子核不经间期随即进行无丝分裂等方式。游离核的分裂速度因核间距不同 而异，核间距大时分裂速度比核问距小时快。气温升高能促进游离核的分裂，使分裂周期 关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究：中文摘要 缩短。孕穗期施加氮肥、适度干旱处理，在一定程度上能促进游离核的分裂。 ( 4 ) 胚乳游离核的细胞化从珠孔端开始，随后逐步向合点端推进。在胚乳游离核细 胞化之前胚乳合胞体的细胞质有一个高度液泡化的过程：先在游离核周围的细胞质中出现 许多小液泡，随后这些小液泡再融合形成较大的液泡，初始垂周壁就在两相邻游离核之间 的细胞质中产生。 ( 5 ) 初始垂周壁是来源于成膜体与胚囊壁内突的融合；初始平周壁来源于开放性细 胞的平周分裂产生的成膜体。初始垂周壁的游离生长末端附近的细胞质中含有各种小囊 泡，这些小囊泡在微管的牵引下，向垂周壁的生长末端移动，引导初始垂周壁的向心游离 生长。 ( 6 ) 在水稻的细胞质中发现一种含有多囊泡的液泡，我们称之为“成壁泡 。“成壁 泡”在细胞质中产生，向新形成的细胞壁移动，当其与新形成的细胞壁质膜发生融合后， 将其内的小囊泡释放到壁中，参与壁的充实。 关键问： 水稻；小麦；大麦；花粉萌发；花粉管；双受精；极核；游离核分裂；细胞化；成壁泡。 4 扬州大学博士学位论文 关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究 a bs t r a c t p o l l e i lg e 胁i n a t i o nj nr i c e ，w h e a ta i l db a r l e yh a dai i l n u c i l c eo nt 1 1 es p e m m t i z a t i o no fp 0 1 a rn u c l e u s 1 h e d i v i s i o n 觚dd e v e l 叩m e n to ff c n i l i z e dp o l a rn u c l e u sw i l ld e t e 锄i n et h eq u 刎t ) ，o fe n d o s p e 皿a n dw i i la 虢c t t h eg r a i nw e i g h ta n dq u a l 埘i nr i c e ，w h e a ta n db a r l c ys e e d i no r d 盯t 0e x p l o r e t h eg e n n i n a t i o no fp 0 1 l e i l 舯m 姐dm eg r 0 砒o f p o l l e n 劬e ，d i v i s i o np r o c e s so f 舭en u c l e io fe n d o s p e r n la n di t si n n u e n c i n gf a c t o r s ， t l l ep r o c e s so fe i l d o s p e 衄c e l l u l 撕z a t i o n ，t h i se x p e 血嘣l th a do b s e r v e dw i ml i g h ti i l i c r o s c 叩ea i l de l e c t r o n i i l i c r o s c o p e 辽es e e ds e t t i l l gr a t eb yr e h l o v i n gs t i g m a ，t 1 1 ec h 锄g e so fp o l a rn u c l e u si n 铆od a y so fr i c e ， w l l e a t 觚db a l l e y ，让圮f 0 1 帆a t i o no ft l l ei i 曲a lc e l lw a l l ( c o 嗽妇sa n t i c l i m la n dp e r c i h n a lw a l l ) ，b yf e s i l l e n l b e d d i i l gc o h l b i n e dw 烛s e i i l i - t h i ns e c t i o nt e c l l l l o l o g ) ra n du l t r a m i ns e c t i o nt e c h i l o l o 黟，i h em a i nr e s u l t s w e r ea sf b l l o w s ： ( 1 ) c ep o l l e n 鲈a i n8 t a r t e dt og e m l i n a t e 帆o “n u t e sa f t e ri tr e a c h e dt h es t i g 嗽h a l f 孤h o u rl a t e r ， t h ep o l l e n | u b er e a c h e d 廿1 ee m b 巧。鼢c ，a n di tg f e wi ns t i 孕m1 e s ss l o w l yt 1 1 a ng r e wi ns t y l ea f l do v a r y t h ep 0 1 l e ng r a i no fw h e a ta n db a r l e ys t a r t e dt og e n i l i n a t ei nt h r e e1 1 1 i n u t e s ，a i l dm eg r o w i n gp r o c e s so f p o l l e nt u b ew a ss i 觚l a rt or i c 9 s a r e rt h ep o l l e nt l l b e 删v e da tt h eb a s eo ft h ee m b u os a c ，i tw o u l de n t e r i i l t oe n l b r y os a c 舶mad e g e n c r a t e ds y n e 唱i da n dr e l e a s et 、) v os p e 咖c e l l s i tw a sf o u n dt h a tm es y n e r g i d h a dd e g e n e r a t e db e 如r ep 0 1 1 i 1 1 a t i o ni nr i c ea n dw h e a t ，w h i l eb a d e y ss y i l e 唱i dd e g e n e r a t e da r e rm e e i i 】_ b 巧os a cm u t t l r e db u tb e f o r ep 0 1 l 饥t i i b e sa r r i v a l a r e rt h es p e 衄c e l l se n t e r e d 硫oe i l l ：b 巧os a c ，t h c y w o u l dm o v en e a rt h et o po fd e g e n e r a t e ds y n e r g i dw h e r ew 舔o ft h i nc e nw a l l s s ot h et 、) l ，og e 姗c e l i s w o u l de n t e ri i l t ot h ee g gc e l l 锄dt h ec e n t r a lc e ue a s i l y a l t h o u g ht h es p c r i l ln u c l e u sc 咖et ot h ee g g n u c l e u se a r l i e r ，i t sm l c i e u s 血s i o nf s h e di e s ss l o w l yt h a nt h a to f t h es p 锄n u c l e u sa n dt h ep o l a rn u c l e u 8 i tw a sf o u n dt h a tr i c e sp o l a r 硼c l e u sf e r t i l i z e dm2 4h o u r sa r e rp o l l i n a t i o n ，、) l d l j l et h ep o l a rn u c l e u s f e n i l i z a t i o n6 n i s h e di n3 5h o u r s 一 ( 2 ) a r e rf e r t i l i z a t i o n ，z y g o t ew o u l du n d e 唱oap e r i o do fd o 肿a n c y ，w h i l et h ep r i m a r ye n d o s p e r n l n u c l e u sb e g a nt od i v i d ei n t o 矗e ee n d o s p e n nn u c l e is o o n t h e 丘e ee n d o s p e r mn u c l e u so fr i c e ，w h e a ta n d b a f l e ya l lw a sl a 曙e rt h a no t h e rc e l l sn u c l e u s ，a n di t sn u c l e 0 1 u sc o u l db ed e e p l ys t a i n c d ? ，t h e 仔e e 5 关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究：英文摘要 e n d o s p e 加n u c l e u sh a dh e a v yc y t 叩l a s mc o n t a i n i n ga b u n d a n to 唱a n e l l e si na c t i v ec o n d i t i o n t h e 行e e e n d o s p e 衄n u c l e u so fr i c ew a sn e a r l yr o u n d ，w 1 1 i l ew h e a ta n db a r l e y sw a sb a s i c a l l yo v a l ( 3 ) t h ed i v i s i o nw a y so f 毹en u c l e ii nr i c ee n d o s p e n nh a v ed i v e r s 埘，i e f n j t o s i s ，a 疵t o s i s ，a n d n l ed a u 出e rn u c l e i 筋mr 1 1 i t o s i sw e n ti n t 0a n l i t o s i si 硼e d i a t e l yw i t h o u ti n t e 印h a s e t h cd i v i s i o n v e l o c i t ) ，o f 行e en u c l e io fe n d o s p e 咖i nd c ev 撕e sw i t ht h ed i s t a n c eb e t 、) l ，e e nm ea d j a c e n tf k en u c l e i t h ev e l o c i t yi sf a s t e rw h e nt h e s e 缸e en u c l e iw e r es 叩a r a t e d 丘o me a c ho m e rt h a nw h e nt l l e yw e r e c l o s e d p r o p e rh i 曲e rt e m p e r a t l l r ec o u l de n h a n c et h ev e l o c i t ) ro fp r o l i f e r a t i o na n da l s os h o r t e n e dt h e t i m eo fd i v i d i l l gc y c l e t oac e r t a i ne x t e i l t ，t h ei l i t r o g e n o u sf e n i l i z e ru s e da tt h eb o o t i i l gs t a g e 柚d p r o p e rd r o u 曲tt r e a h n e n tc o u l da c c e l e r a t et h ed i v i s i o no f 丘e en u c l e i ( 4 ) t h ec e l l u l a r i z a t i o no f 仕屺e n d o s p e 蛐i si n i t i a t e di nt h ev i c i i l i 够o f t h ep e r i p h e r a le m b r y os a ca n d p r o c e e d st om ei 衄e re n l b r y os a cw h e r ei tr e m a i n ss y n c ”i a lu n t i lw e ua f t e rt h er e m a i l l d e ro f 也ec i l d o s p e 咖 h a sc e l l u l a r i z e d t h ec e l l u l a r i z a t i o no c c u r sa sw a v e so r i g i i l a t i i 培i nm em i c r o p y l a rc h a m b e ra n dm o v i n g 仕i r o u g l lt h ec e n t r a lc h a n 曲c rt o w a r dt h ec h a l a z a l t i p p r i o rt oc e l l u l 撕z a t i o n ，al o to fs m a l lv e s i c l e sw a s e l l l e r g e di i lt h ec y t 叩l a s mw l l i c hs u r r o u n d e dt h e 丘e ei m c l e u s ，t h 锄t h e s es m a l lv e s i c l e sc o m b i n e di r l t oe a c h o m e ra n df o 衄e dl a 唱e rv e s i c l e s a tl a s tm ei n i t i a la n t i c l i n a lc e l lw a l lw a sd e v e l o p e db e t w e e nt h et w oa d j a c e n t e n d o s p e n i ln n c l e i t h e 积咖o f t h ei n i t i a la n t i c l i n a lc e l lw a l lc o m e s 丘o mt h ef i l s i o no f t h ep h r a 咎n 叩l a s t s 孤d t h e 细w a r dp r 0 耐n e n c yo f t h ee m b 驴s a cw a l l ，w l l i l et h ei n i t j a lp e r c i l i n a lc e l lw a l lc o m e s6 mt h e p 1 1 r a g m o p l a sr e s u l t i n gi nt l l ea l v e o l ip e r i c l i n a ld i v i s i o n ( 5 ) r n l e r ea r ev e s i c l e sa r o u n d 1 e 触eg r o w i n gi i l i t i a la n t i c l i l l a lc e l lw a l l w i t ht h eh e l po ft h e1 1 1 i c r o n l b e ， t l l e s ev e s i c l e sm o v et ot h ed i s t a l t i pt i l e nt h e s ev e s i c l e s 如s ew i t ht h ed i s t a lt i pl e a d i n gm ei i l i t i a l 粕t i c l i n a lc e l l w a l lp r e c e d ec e n t r i p e t a l l y ( 6 ) i nt h ec y t 叩l a s mo f r i c e ，as p e c i a ll ( i n do fl a 玛ev a c u o l e sw a sf 0 1 1 l l d ，w h i c hc o n t a i l ln u 啦b e r so fs 姗l l v e s i c l e s ，w en a m e d i t c e l lw a l lf o n l l a t i o nv e s i c l e s ”。1 h e s ev e s i c l e sc o m e 舶mt h ec y t o p l a 锄a n dm o v et ot h e n e w l yf o 瑚1 e dc e uw a l l n l e i lm e y 如s e dw i t ht h ec e l lm e n i b r a n ea n dr e l e a s et 量圮s m a l lv e s i c l e si n s i d e t oe n r i c h t h ec e l lw a l l k e yw o r d s ：i i c e ；b a d e y ；w h e a t ；p o l l e ng e 蛐i n a t i o n ；p o l l e nt u b e ；d o u b l ef e n i l i z a t i o n ；p o l a r 肌c l e u s ：t h e d i v i s i o nw a yo f 丘e en u c l e i ；c e l l u l a r i z a t i o n ；c e l lw a l lf o 珊a t i o nv e s i c l e 6 扬州大学博士学位论文 研究的目的和意义 稻麦的胚乳是人类食粮、禽畜饲料和食品工业原料的主要来源。胚乳是由初生胚乳核 反复分裂后发育起来的营养组织，它在胚的发育和种子萌发过程中起重要作用。稻麦胚乳 细胞的分裂、发育状况决定着稻米和麦粒的产量与品质( o l s e n 等，1 9 9 9 ) 【。 胚乳发育的类型有核型、细胞型和沼生型等类型，其中核型最为普遍( 0 l s e n ，2 0 0 1 ) 【2 1 。 核型胚乳的发育可分为核期和细胞期两个时期。所谓核期是指初生胚乳核的分裂和以后核 的多次分裂都不伴随有产生细胞壁的时期。在核期，众多的游离核分散在细胞质中，形成 一个大的胚乳多核细胞，随着胚乳多核细胞中央液泡的扩大，细胞质连同游离核被挤向胚 囊的内周，形成胚乳囊( 图1 ) 。所谓细胞期是指游离核周围出现细胞壁以后的时期。 2 驴 6 图l 稻麦的胚乳囊 1 花后2 d 水稻胚乳囊；2 4 分别为花后l d 、2 d 、3 d 大麦胚乳囊；5 6 花后2 d 和3 d 的小麦胚乳。 a 反足细胞；e 胚部：e s 胚囊，胚囊中一个黑点就是一个游离核( 除卵细胞和反足细胞外) 。 水稻、小麦、大麦等胚乳的发育均属核型。核型胚乳的发育过程中有一个从游离核转 变为胚乳细胞的过程，此过程被称为游离核的细胞化。 奄枣 关于稻麦胚乳游离核分裂及其细胞化过程的研究：研究的目的和意义 核型胚乳是研究植物细胞周期、细胞壁形成和细胞分化的好材料。 关于稻麦游离核的分裂和细胞化虽然早有研究，但很多问题没有搞清楚。早在上世纪 6 0 年代杨貌先( 1 9 5 7 ，1 9 6 2 ) 【 4 】就用整体解剖法观察了小麦游离核的分裂，指出小麦胚乳的 分裂有有丝分裂和无丝分裂两种方式。田代亨( 1 9 7 2 ) 【5 】在观察水稻胚乳发育时提到，水稻 胚乳游离核和细胞的分裂有不均一性。然而，有关胚乳游离核分裂的周期、动态、以及分 裂受那些因素的影响等问题还没人提涉。 关于胚乳游离核的细胞化，归结起来有两种观点，其问题的焦点集中在细胞化的起源 上( 李师翁，1 9 9 5 ) 【6 j 。一种观点认为，游离核在细胞化开始时，初始垂周壁是来自胚囊壁 的内突向心游离生长( j e n s e n ，1 9 7 7 ；m a r e s ，1 9 7 7 ；张伟成等，1 9 9 0 ) 【7 - 9 j ；另一种观点认为，游 离核在细胞化开始时初始垂周壁是来自有丝分裂中产生的成膜体( f i n e 啪，1 9 8 2 ；李师翁等， 1 9 9 l ；席湘媛等，1 9 9 l ；s a r e n s e n 等，2 0 0 2 ；o t e g u i ，2 0 0 0 ) 【】o - 1 4 】，而成膜体的产生是由微 管控制的( b r o w n 等，1 9 9 9 ；t i a ng w 等，1 9 9 8 ；b r o w n 等，1 9 9 4 ；b r o w n 等，1 9 9 6 ；o t e g u i 等，2 0 0 1 ) 【1 5 1 9 1 。后一观点占主导地位。近年的研究已初步明确，胚乳游离核的细胞化是 通过一个固有内在机制和i t m s ( 放射微管系统，r a d i a lm i c r o t u b u l a rs y s t e m s ) 来实现调节 咱勺，而r m s 是从每个胚乳游离核的核膜上发生来的( o l s e n 等，2 0 0 1 ；o t e g u i 等，2 0 0 0 ) 【2 ，1 4 1 。 关于细胞壁的充实，一般认为成壁物质在内质网和高尔基体中合成，再由高尔基体分 泌的小泡运输，小泡移动至质膜并与质膜融合，小泡中的成壁物质被释放至壁中，即壁充 实走“内质网一高尔基体一高尔基体小泡一质膜一壁”的途径( t a i z 等，2 0 0 2 ) 【2 0 1 。那么， 胚乳细胞中壁的充实是否也是按此途径进行的呢? 至今尚未定论。 另外，胚乳原核是三倍体，那么，胚乳游离核和胚乳细胞是否都是三倍体? 这也须进 一步澄清。我们观察发现，胚乳游离核的大小不一样，有的核的染色体不是三倍体；胚乳 细胞在发育过程中细胞核会消亡。假如胚乳游离核都是三倍体，那三倍体的游离核和胚乳 细胞在分裂过程中染色体是如何分配的呢? 这些问题搞不清，难以解释谷物的品质遗传以 及核分裂在品质遗传中的作用。 针对核型胚乳研究中存在的问题，本项研究拟在原有研究的基础上，采用先进的方法， 以水稻、小麦、大麦为材料，分三部分内容进行研究：第一部分：胚乳原核的发生和胚乳 囊的形成过程；第二部分：胚乳游离核的分裂及影响因素；第三部分：胚乳游离核的细胞 化机理及细胞壁充实的过程。这些研究内容在国内外同类研究中具有新意。 研究结果对阐明植物细胞分裂多样性，谷物品质的遗传规律，细胞壁形成和充实的 机理以及控制核分裂和细胞化的因素都具有重要理论意义。这不仅会丰富细胞生物学、作 物生理学等学科的内容，而且可为稻麦品质的改良和高产优质栽培提供新的理论与方法。 l o 扬州大学博士学位论文 第一部分关于稻麦花粉管伸长和胚乳原核形成的研究 1引言 双受精过程是被子植物所特有的生殖方式，它始于花粉粒落到柱头上并萌发出花粉管， 在亲和条件下，花粉管通过柱头、花柱、胎座、珠孔等雌蕊组织到达胚囊的退化助细胞中。 在退化助细胞中，花粉管释放内含物，包括两个精细胞，使精细胞与卵细胞、精细胞与中 央细胞相遇、融合，完成被子植物的双受精过程。其中极核受精以后形成初生胚乳核，其 分裂和发育将形成植物的胚乳。 1 1 花粉的类型 植物花粉是单倍性的雄配子体，是植物有性生殖过程中的父本。开花植物的花粉包括 双细胞花粉和三细胞花粉两种类型。双细胞花粉含有一个大的营养细胞和一个小的生殖细 胞，典型代表是烟草花粉：而三细胞花粉包含一个大的营养细胞和两个精细胞，典型代表 是拟南芥花粉。营养细胞含有大量的细胞质，为花粉管生长及精细胞被运送到胚囊完成双 受精作用提供营养物质和能量。 生殖细胞在花粉粒或花粉管中分裂形成无壁的两个精细胞。精细胞具有二型性 ( h e t e r o m o 劬i s m 或d i m o 啦i s m ) 和偏向受精( p r e f e r e n t i a lf e n i l i z a t i o n ) 的特性。前者是指两个 精细胞在形态、大小及细胞器等方面均有差异；后者是指在双受精过程中，其中1 个精细 胞只能与卵细胞融合，而另一个精细胞只能与中央细胞融合的现象。例如，白花丹花粉内 的两个精细胞，一大一小，相互以胞间连丝连接( 图1 1 ) 。大的精细胞有一长尾，与营养核 相连，含线粒体较多，含质体少；小的精细胞无尾，含质体多，含线粒体少。发生双受精 时，小的精细胞与卵细胞融合形成合子，而大的精细胞与中央细胞融合，形成初生胚乳核。 两个互相连接的精细胞与营养核作为一个功能团，被称为雄性生殖单位( m a l eg e 肌u n i t ， m g u ) 。m g u 中精细胞具有的二型性和偏向受精的特性，有助于实现双受精的同步性。 第一部分关于稻麦花粉管伸长和胚乳原核形成的研究 图卜1 白花丹的雄性生殖单位 a 示两个精细胞间的连接( 箭头处) b 示两个精细胞的二型性及其与营养核间的联系 ( r u s s e l l ，l9 8 4 ) 1 2 花粉粒萌发及花粉管的伸长 1 2 1 花粉的萌发过程研究 柱头是雌性生殖器官的接受部分( r e c e p t i v ep o r t i o n s ) 。它的作用是结合花粉并调节花粉 管向花柱移动。柱头一般分为两种类型：( 1 ) 湿柱头，被表面细胞覆盖，表面细胞经常溶解 芒 释放含有蛋白质、脂类、多糖和色素的粘性表面分泌物；( 2 ) 干柱头，具有完整的细胞表面， 典型的乳头状突起，被初生细胞壁、蜡质表皮( w a x yc u t i c l e ) 和似蛋白质薄膜( p r o t e i n a c e o u s p e l l i c l e ) 覆盖。自交不亲合植物的柱头通过抑制花粉水合、萌发和花粉管侵入来拒绝自己的 花粉( k a o 和t s u k a m o t o ，2 0 0 4 ) 【2 l j 。 从花粉落到柱头上到完成受精作用，要经过以下几个过程：( 1 ) 花粉附着在柱头表面、 ( 2 ) 花粉水合、( 3 ) 花粉极性化、( 4 ) 花粉萌发、( 5 ) 花粉管入侵和生长，并将雄性生殖单位送 到胚囊完成受精作用。 花粉的萌发受外界环境的影响，最重要的是需要高的相对湿度和适宜的温度。据田间 观察发现，水稻在上午7 9 时和下午3 时左右开花较多，尤其在上午8 9 时最多；小麦 和大麦在上午6 9 时和下午3 5 时左右开花较多，尤其在上午8 时左右最多。稻麦花粉 粒落到柱头上以后很快就开始萌发，研究表明大麦小麦在授粉后3m i n 开始萌发，而水稻 在授粉后2m i n 便萌发。 1 2 2 花粉管定向生长的诱导机制 早在2 0 世纪6 0 年代已经注意到被子植物花粉管定向生长可能是钙在起关键作用，此 外也有人推测可能糖和激素对其也起着重要作用。 1 2 扬州大学博士学位论文 花粉萌发后花粉管很快通过花柱到达子房，沿胎座向胚珠生长，通常花粉管经珠孔进 入胚囊。之所以花粉管能定向生长从珠孔进入胚囊，一般认为这是胚珠产生的向化性信号 物质的缘故( 胡适宜，1 9 8 3 ；w i l l e m s e ，1 9 8 4 ) 【2 2 t 2 3 1 。现己发现向化性信号来自胚囊的助细胞 ( h u l s k a m p ，1 9 9 5 ) 矧。目前一般认为，助细胞的退化是某种信号的传递所诱导，推测信号 物质一般认为至少包括三种，即无机盐( 主要是钙) 、单糖( 如葡萄糖) 和低分子量酸性 蛋白。信号物质也可能是激素，如赤霉素等。花粉管在花柱中生长时产生的信号使赤霉素 增加，并扩散至胚囊，从而引起一个助细胞退化，产生高钙浓度。高钙浓度在引导花粉管 进入胚囊、控制生长和释放精子等方面起了重要作用( j e n s e n ，1 9 6 5 ；j e n s e n ，1 9 8 3 ；c h a u b a l 1 9 9 2 a ) 【2 5 乏7 1 。田惠桥( 2 0 0 0 ) 渊等通过对烟草花粉管生长研究后认为，花粉管的生长是一种 极性生长，其延伸是通过高尔基体产生的分泌小泡不断融合到花粉管顶端实现的，这可能 也与花粉管可以定向生长以至最终进入到胚囊有关，但现在普遍的认为花粉粒萌发以及花 粉管的定向生长与钙有相当大的关系。在对烟草的研究中发现花柱中的钙离子梯度在花后 4 4h ，即花粉管早已伸进子房后，依然存在。储立民等( 2 0 0 5 ) 口9 】对丝瓜研究还表明低浓度 的钙离子，即在1 0 。1 0 巧m o l l 时，能增强花粉粒的萌发及花粉管的伸长，而高浓度时， 即1 0 m 0 1 l 时反而会抑制之。在花粉管生长到珠孔处时，向化性物质由胚囊中的助细胞产 生并通过丝状器分泌到珠孔或相邻的珠心细胞，造成一个钙梯度分布引导花粉管生长。 1 2 3 花粉管结构与生长特点 1 2 3 1 花粉管结构 正常生长的花粉管中的细胞器呈典型的区域化分布，图1 2 所示，即花粉管顶端生长 区富含大量的分泌囊泡，几乎没有其它的细胞器；其后的亚项端区的细胞质中则含有丰富 的线粒体、网状高尔基体、内质网和小泡等各种细胞器。对肌，z 螂花粉管的研究表明，花 粉管可以分为5 个独特的细胞学区域( c y t o l o g i c a lz o n e s ) ：顶端生长带( 印i c a l 铲o 、7 i ，t hz o n e ) 、 滑面内质网带( s m o o t he n d o p l a s m i cr e t i c u l u mz o n e ) 、粗面内质网带( r o u 曲e n d o p l a s m i c r e t i c u l u mz o n e ) 、空泡形成带( v a c u o l a t i o nz o n e ) 和退化带( d e t e r i o r a t i o nz o n e ) ，后四个区域为 非生长带( u w a t e 和l i n ，1 9 8 0 ) p 。这五个区域中细胞质和细胞器的分布存在明显差异。顶 端生长带含有大量囊泡而缺乏其它细胞器，细胞质随机分布，且有直径分别为3 0 0 n m 和 5 0 n m 两种不同类型的囊泡分布。非生长带的细胞质中含有大量线粒体、高尔基体池、内 质网和囊泡。细胞质沿着花粉管的长轴平行排列。膜、囊泡和其它细胞器的排列表现出沿 细胞质流分布。被子植物花粉管细胞质中这种特殊的分布模式，被认为是花粉管顶端生长 的必备条件。 第一部分关于稻麦花粉管伸长和胚乳原核形成的研究 图1 2 植物花粉管结构模式图 图内箭头标注为胞质环流方向 1 2 3 2 花粉管的生长特点 细胞极性的特征主要表现在亚细胞结构及分子的不对称分布，它是所有真核有机体发 育的基础。植物细胞的细胞极性的独特性在于其形态发生是根据细胞壁的空间形成而定义 的。此外，在决定细胞命运方面，固着细胞比起它们的谱系细胞具有更加优越的地位。由 于组织或器官均由多种类型的细胞组成，从而使得在组织或器官中研究细胞的极性变得非 常困难，因此对植物细胞极性的研究都集中在合子、根毛以及花粉管等具有顶端生长的细 胞中。当花粉或花粉管细胞感知外部信号后，通过信号转导级联反应控制花粉萌发、调整 花粉管生长方向，这一系列动力学的细胞事件关系到受精的成败。花粉管生长受到细胞内 环境的控制，以维持合适的离子浓度、肌动蛋白、胞吐和胞吞的平衡来实现花粉管的顶端 生长。 花粉管的生长方式和其它多数植物细胞有所不同，后者的生长发生在整个细胞的表 面，而花粉管的生长仅仅局限在花粉管顶端5 3 0 p m 的区域，即花粉管生长属于一种典型 的顶端极性生长。顶端生长依赖于高尔基体囊泡运动到细胞单一位点的正向( a n t e r o 舯d e ) 胞吐作用，它以囊泡发生锚定和融合的细胞内皮层区位点的选择和建立作为开始( p a n o ne t a 1 ，2 0 0 3 ；m a l h oe ta 1 ，2 0 0 6 ) 【3 l 3 2 1 。这些过程需要信号网络来识别内部和外部密码，从而决 定位点和顶端生长的方向。信号网络必须以高尔基体囊泡在特定位点锚定和融合这一标准 来调控分泌机制。为了维持顶端生长，分泌的囊泡必须通过细胞骨架运送到项端( m a l h 6e t a 1 ，2 0 0 5 ) 【3 3 】。因此，具顶端生长的细胞包括囊泡富集的顶区，含有细胞核和各种细胞器的 亚顶区以及富含液泡的基区。微管参与维持细胞质极性，所以肌动蛋自和微管的动力学调 控需要和顶端生长信号事件相耦联，以便能调节顶端生长方向和速率( c a m a c h oa n d m a l h o ，2 0 0 3 ：j l l s t l l se ta 1 ，2 0 0 4 ) f 3 4 3 5 1 。 扬州大学博士学位论文 研究表明，c a ”信号系统具有类似开关的作用，它启动花粉的正常萌发和花粉管生长。 p h 值的变化会导致花粉管内微丝骨架的聚合和解聚，最终影响到花粉管的生长。 1 2 4 花粉管破裂及内含物的释放机理 花粉管进入助细胞后停止生长和释放精子是由它周围的环境发生变化而触发的，花粉 管如何将内含物释放曾有不同的解释，主要有四种，即由于受高钙浓度因素影响而破裂， 由于低氧膨胀力可使花粉管本身非常脆弱( r - u s s e l ，1 9 9 2 ) f 3 6 】从而破裂，由于管壁的溶解使花 粉管内容物释放出，或者由于内在的渗透压的驱动力影响而破裂从而释放出精子及其中内 容物。目前，从电子显微镜的观察结果发现，多种植物花粉管内容物的释放是通过管末端 的孔，如牵牛，荠菜白花丹等。在棉花中花粉管从退化的助细胞的丝状器进入后，经9 0 度的转弯进入助细胞，在管端的一侧形成一孔放出其内容物。当内容物释放后，在孔处形 成一塞。塞的结构被认为是组织花粉管与助细胞之间细胞质流的前进或倒流的作用( j e n s e n f i s h e r ，1 9 6 8 ) 【3 7 】。 1 2 5 多条花粉管进入胚囊的现象 植物存在多精入卵等现象，说明会有多条花粉管进入胚囊受精。多数情况下只有少数 几条才能延伸至子房的基部，最终仅有一条花粉管能进入珠孔而完成双受精过程。在大麦、 小麦和水稻中也发现类似情况。大部分花粉管延伸到花粉与子房相连接的部位便停止生 长，同时花粉管尖端还畸形膨大，可能是由于花粉管本身缺乏延伸或进入珠孔的能力而引 起的畸形变化，或是当有一条花粉管进入珠孔端后就产生