（发育生物学专业论文）宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究.pdf

厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：汾素 沁年7 月，d 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：岔茵 导师签名：嗽 日期：加年夕月口日 日期：) 瓣、7 月f 1 日 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 摘要 应用电镜和细胞化学技术，分别对宁夏枸杞( l y c i u mb a r b a r u r nl ) 花药 发育及营养物质积累特点，做了超微结构研究和组织化学分析。主要实验结果如 下： 1 细胞质等变化特点 枸杞小孢子发生和雄配子体发育过程中，主要细胞器发生了2 次”细胞质改 组”现象。第一次在小孢子母细胞减数分裂的前期i 一末期i i ，核糖体数量减少， 线粒体结构简化，到末期以后，核糖体数量增加，线粒体结构逐渐恢复：第二 次在小孢子液泡化以后，核糖体和线粒体数量减少，质体肿胀，到二胞花粉早期， 这些细胞器再度渐渐恢复正常。这些现象表明，在枸杞小孢子的发生、发育过程 中都存在着“细胞质改组”现象，并且两次“细胞质改组”幅度有所不同。减 数分裂过程中的“细胞质改组”是孢子体向孢子转变过程中，清除一些孢子体信 息物质的过程；而小孢子发育过程中的“细胞质改组”则是孢子向配子体转变过 程中清除孢子信息物质，是为雄配子体的分化做准备的过程。 2 液泡的变化 从小孢子母细胞至花粉粒成熟的过程中，液泡经历了3 次明显的消长。第一 次是在小孢子母细胞形成胼胝质壁的过程中，液泡贴着母细胞的细胞壁形成了一 层液泡环，它的功能可能是消化原来的纤维素细胞壁；第二次是在小孢子母细胞 减数分裂前，小孢子母细胞胼胝质壁内形成了体积较大的液泡环，它可能是将细 胞质压缩到很小的程度以达到一定的核质比，启动减数分裂开始；第三次是在小 孢子发育后期形成了一个大液泡，使小孢子具有了明显的极性。这既增加了小孢 子的核质比，以启动小孢子进行第一次分裂，也造成了未来的不对称分裂，对两个 细胞的命运有着重要的作用。小孢子发生和发育过程中液泡参与调控的现象以前 很少有报道。 3 花粉壁发育 枸杞花粉原外壁原基在四分体中出现，四分体末期分化出了花粉原外壁。花 粉外壁的内层在小孢子液泡化早期形成，而花粉内壁是在二胞花粉时期形成。最 后，外壁覆盖层沉积了绒毡层细胞的降解物丽形成了花粉覆盖物。花粉壁结构形 成的时、空特征也反映出不同的花粉壁结构合成的机理差异。枸杞花粉原外壁的 宁夏枸祉花药发育的超微结构投组织化学研究 形成可能与四分体胼胝质壁和四分孢子有关，而由绒毡层细胞提供的孢粉素物质 按一定结构建成了花粉覆盖物。花粉内壁的形成是由花粉自身合成的纤维素物质 构成，构成花粉内壁的物质来源和形态结构都不同于花粉外壁。 4 异型绒毡层 与大多数植物不同，枸杞花药的绒毡层是双重起源，药隔绒毡层来自花药的 药隔薄壁组织表层，药壁绒毡层细胞来自初生壁细胞。两种来源的绒毡层表现出 异型性：药隔绒毡层细胞的体积大，而药壁绒毡层细胞的体积小。此外，两种绒 毡层还存在着一定的差异。从发育过程看，药隔绒毡层出现的时间较晚，但是分 化的速度快，解体时间也较早。从结构特征看，药隔绒毡层细胞的囊泡化程度较 高，分泌活动也较早于药壁绒毡层。从功能方面看，药隔绒毡层细胞的可能具有 分泌胼胝质酶的作用。虽然两种绒毡层细胞的发育有所不同，但是二者都形成乌 氏体，细胞壁也均经历了相同的降解过程。在小孢子液泡化时期，两种绒毡层的 细胞壁先后解体，细胞内含物流入药室，供花粉发育所需。 5 花药营养物质的积累 枸杞花药发育过程中存在着营养物质的旺盛代谢与积累现象，营养物质的积 累在花药中有一定的规律：较多大颗粒的淀粉粒始终分布于代谢活动相对较弱的 细胞和组织。而从小孢子母细胞时期始，绒毡层细胞中开始出现少量小脂滴，到 小孢予晚期脂滴数量达到最大，之后随绒毡层细胞的降解一起流入药室，被花粉 吸收利用。在晚期小孢子中先后有少量的淀粉粒和脂滴围绕细胞核分布，之后二 者陆续增加。n - 胞花粉时，细胞中充满了脂滴和淀粉粒两种营养物质。淀粉粒 和脂滴在花药中的分布特征表明：绒毡层细胞将其它体细胞运往药室中的淀粉多 糖转换成了脂类物质供花粉利用。而二胞花粉直接吸收了绒毡层细胞提供的脂类 物质为花粉贮存物，并将部分脂类物质转换成了淀粉多糖。 关键词：宁夏枸杞；花药；超微结构；组织化学 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 a b s t r a c t t h eu l t r u s t r u c t u r a lf e a t e r so fa n t h e ro fl y c i u mb a r b s l 工, u r nl w a s s t u d i e d u s i n gt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p et e c h n i q u ed u r i n g m i c r o s p o r o g e n e s i s a n dt h e d e v e l o p m e n t o fm a l e g a m e t o p h y t e t h e c h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t i o no fn u t r i m e n td u r i n gt h ed e v e l o p m e n to f a n t h e rw a sa l s os t u d i e du s i n gc y t o c h e m i s t r yt e c h n i q u e t h er e s u l t sa s f o l l o w i n g ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i co fc y t o p l a s mc h a n g e d u r i n gt h em i c r o s p o r o g e n e s i sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm a l eg a m e t o p h y t e s o m eo r g a n e l l e sd i s p l a i e dq u a n t i t a t i r ea n ds t r u c t u r a lc h a n g ew h i c hm e a n s c y t o p l a s mt a k i n gp l a c e “c y t o p l a s m i cr e o r g a n i z a t i o n ：f r o mt h ep r o p h a s e it ot h et e l o p h a s ei io fm e i o s i s ，r i b o s o m e sd e c r e a s e di nn u m b e ra n dt h e s t r u c t u r eo fm i t o c h o n d r i ab e c a m er e d u c e d i ts h o w st h a tt h ec y t o p l a s mh a s h a p p e n e dd e d i f f e r e n t i a t i o n a f t e rt h em e i o s i st h en u m b e ro fr i b o s o m e s i n c r e a s e da n dt h ei n n e rs t r u c t u r eo fm i t o c h o n d r i ab e c a m e c o m p l e x ， s u g g e s t t i n gar e d i f f e r e n t i a t i o np r o c e s so fc y t o p l a s m a tt h ev a c u o l a t i o n s t a g eo ft h em ic r o s p o r e ，r i b o s o m e sa n dm it o c h o n d r i ao fm ic r o s p o r et o k e p l a c ed e c r e a s e di nn u m b e ra g a i n ，a n dp l a s t i d sb e c a m es w e l l i ns h a p e r e f l a c t i n gad e d i f f e r e n t i a t i o np r o c e s so fm i c r o s p o r e ，a n dt h e nr e s u m e d a g a i na tt h ee a r l yo fb i c e l l u l a rp o l l e n ss u g g e s t i n gar e d i f f e r e n t l a t e p r o c e s s 。 i tm e a n st h a tt h e r ew e r et h e “c y t o p l a s mr e o r g a n i z a t i o n ” p h e n o m e n ai nb o t ht h em i c r o s p o r o g e n e s i sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm a l e g a m e t o p h y t e ， b u t t h e p u r p o s eo fb o t h“c y t o p l a s mr e o r g a n i z a t i o n s b e t w e e nt h em i c r o s p o r e g e n e s i sa n dt h ed e v e i o p m e n to fm i c r o s p o r ew a s d i f f e r e n t t t h ef o r m e r“c y t o p l a s mr e o r g a n i z a t i o n ”w a st oe l i m i h a t et h e s p o r o p h y t i cc o m m u n i c a t i n gm a t e r i a lp r e p a r i n gm i c r o s p o r ed e v e l o p m e n t ，a n d t h el a t e r “c y t o p l a s mr e o r g a n i z a t i o n ”w a st oe l i m i n a t et h em i c r o s p o r e s c o m m u n i c a t i n gm a t e r i a lp r e p a r i n gm a l eg a m e t o p h y t i cd e v e l o p m e n t 3 宁夏柯杞花药发育的超微结构及组织化学研究 2 t h ev a c u o l ec h a n g e s f r o mt h em i c r o s p o r em o t h e rc e l lt ot h ep o l l e ng r a i nm a t u r i n g ，t h e v a c u o l e st o k ep l a c e3t i m e se a t t i n ga n df l o w i n go b v i o u s l y t h ef i r s tt i m e w a si nt h em i e r o s p o r em o t h e rc e l lw a sf o r m i n gc a l l o s ew a l l m a n yv a c u o l e s a p p e a r e da tt h ei n n e ro fw a l la n df o r m i n gt h ev a c u o l e sr i n gg r a d u a l l y t h ev a c u o l e sm a yf u n c t i o nt od i s s o l v ei tc e l l u l o s ew a l l t h e nt h ev a c u o l e s a p p e a ra g a i ni np e r i p l a s mr e g i o no fm i c r o s p o r em o t h e rc e l lb e f o r ei t s m e i o s i s ，t h ef u n c t i o no ft h ev a c u o l e sm a yp u s hc y t o p l a s mi n t oc e n t r a l r e g i nt oi n c r e a s et h er a t eo fn u c l e u sa n dc y t o p l a s mt os t a r t u pi t sm e i o s i s t h et h i r dt i m ew a sa tt h el a t eo ft h em i c r o s p o r e s al a r g ev a c u o l ea p p e a r e d i nm i c r o s p o r ew h i c he x t r u d e dt h en u c e u st op e r i p l a s mr e g i o na n dm a d ea p o l a r i t ys t a t eo fm i c r o s p o r e i ti n c r e a s e dt h er a t eo fn u c l e u sa n d c y t o p l a s m f o r s t a r t u pt h e f i r s tt i m ed i v i d ea sw e l la sm a d et h e p r e c o n d i t i o no fm i c r o s p o r ea s y w n e t r yd i v i s i o nt of o r mal a r g ev e g e t a t i v e c e l la n das m a l lg e n e r a t i r ec e l l i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nf o rt h e t w oc e ll e s t h ef u n c t i o n o f v a c u o l e s d u r i n gm i c r o s p o r o g e n e s i sa n d m i c r o s p o r ed e v e l o p m e n td i dn o tb ed i s c u s s e db e f o r ea n dn e e dt ob ef u r t h e r r e s e a r c h e d 3 t h ed e v e l o p m e n to ft h ep o l l e nw a l l t h ep r i m e x i n eo fp o l l e ng r a i no fl y c i u m b a r b a r u r n lb e g a nt os y n t h e s i s i nt h et e t r a d t h es e x i n eo fe x i n ea p p e a r e df i r s ta tt h em i d d l eo ft h e t e t r a d w i t ht h ea g eo ft h et e t r a d s ，t h ec a l l o s ew a l lw a sg r a d u a l l y d i s g e s t e da n dt h ei n d i v i d u a lm i c r o s p o r ew a sr e l e a s e df r o mat e t r a d t h e n e x i n eo fe x i n ei ss y n t h e s i z e da tt h ee a r l yo fm i c r o s p o r ev a c u o l i z a t i o n t h ei n t i n eo f p o l l e ng r a i n w a ss y n t h e s i z e di nt h e d e v e l o p m e n to f b i c e l l u l a rp o l l e n f i n a l l y ，t h ed e g r a d a t i n gs u b s t a n c eo ft a p e t u m a g g r a d a t e do nt h es u r f a c eo fr e c t u mo fp o l l e ng r a i n ，a n df o r m e dt h ep o l l e a c o a t t h et e m p l e s p a c i a lc h a r a c t e r i s t i co fe x i n e ( s e x i n ea n dn e x i n e ) a n d i n t i n eo fp o l l e ng r a i nr e f l a c t st h ed i f f e r e n c eo fe x i n ea n di n t i l i e s y n t h e s i z e d t h ef o r m a t i o no fp r i m e x i n ea n dt h es e x i n em a yb ec o n t r o l e d 4 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 b yt h em i c r o s p o r ea n dc a l l o s ew a l la n ds h a p e dt h es t r u c t u r eo fe x i n e a l t h o u g hs p o r o p o l l e n i ni sc o n t r i b u t e db yt a p e t u m t h ei n t i n eo fp o l l e n w a l lm a d ef r o mc e l l u l o s ew a ss y n t h e s i z e db yv e g e t a t i v ec e l lo fb i c e l l u l a r p o l f e n t h e r e f o r e ，t h ee x i n ea n dt h ei n t i n ea r ef o r m e di nd i f f e r e n tt i m e a n db yd i f f e r e n te e l l s 4 t h eh e t e r o m o r p h ict a p e t u m t h et a p e t u mo fl y c i u mb a r b a r u r nl w a sd i f f e r e n tf r o mm o s to t h e r a n g i o s p e r m s ，t h et a p e t u mi ni n n e rp o r t i o nw a sd e r i v e df r o mt h ec o n n e c t i v e ( c o n n e c t i v et a p e t u m ，c t a p e t u m ) ，a n dt h et a p e t u mi na n t h e rw a l l ( p - t a p e t u m ) f r o mp a r i e t a ll a y e r ( p a r i e t a lt a p e t u m ，p - t a p e t u m ) t h et w o k i n d so ft a p e t u ms h o w e dt h eh e t e r o m o r p h i s m ：t h ec - - t a p e t u mw a sl a r g e ri n s i z ea n dt h ep - t a p e t u mw a ss m a l l t h ep - t a p e t u ma p p e a r se a r l e rt h a nc t a p e t u mb u tu - t a p e t u md i f f e r e n t i a t e df a s t e r t h a nt h ef o r m e r t h e c - t a p e t u mb e g a nt os e c r e t es o m es m a l lv e s i c l e sw h i c hm a yc o n t a i nc a l l u s e n z y m et od i s s o l v et h ec a l h sw a l lo ft a t r e dd u r i n gl a t et a r r e ds t a g e ， b u t t h ep - t a p e t u md o s en o td i s p l a yt h ev e s i c l e sa tt h i ss t a g e d u r i n g m i c r o s p o r eb o t ht a p e t u m ss y n t h e s i sa n ds e c r e t et h eu b i s c hb o d y ，a n dt h e i r c e l lw a l lg ot h r o u g ht h es s m ed i s s o l v i n gp r o c e s s i nv a c u o l a t i o no f m i c r o s p o r eb o t ht a p e t u md e g e n e r a t e da n di t sd e g r a d a t i n gs u b s t a n c em o v e d i n t ol o c u l et on u t r i t i o np o l l e nd e v e l o p m e n t 5 t h en u t r i m e n ta c c u m u l a t i o ni nt h ea n t h e rd e v e l o p m e n t a n t h e rd i s p l a y sa c t i v en u t r i m e n tm e t a b o l i s ma n da c c u m u l a t i o ni n d i f f e r e n tp a r t sd u r i n gi t sd e v e l o p m e n t al o to fl a r g es t a r c hg r a i n s d i s t r i b u t e di nt h ep a r e n c h y m i cc e l l so ft h ec o n n e c t i v e ，t h ee p i d e r m i sa n d t h ee n d o t h e c i u me x c e p tt a p e t u ma l lt h et i m e f r o mt h em i c r o s p o r em o t h e r c e l l s ，m a n y1 i p i dd r o p sd i s p l a i e di nt u p e t u m ，a n dt h en u m b e ro fl i p i dd r o p s r e a c h e sm a x i m u ma tt h el a t es t a g eo fm i c r o s p o r e t h e nt h et a p e t u mb e g a n t od e g e n e r a t ea n di t sc y t o p l a s mc o n t e n ti n c l u d i n gm a n yl i p i dd r o p sm o v e d i n t oa n t h e rl o c u l ea n da b s o r b e db yp o l l e ng r a i n s t h e r ew e r eaf e ws t a r c h g r a i n sr o u n dt h en u c l e u sa tt h el a t em i c r o s p o r ea n dl a t e r1 i p i dd r o p s 5 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 w h e np o l l e ng r a i nm a t u r r i n g ，i tf u l l e do fb o t hs t a r c hg r a i n sa n dl i p i d d r o p s t h ef e a t u r e so fd i s t r i b u t i o no fp o l y s a c c h a r i d ea n d1 i p i dm a t e r i a l i na n t h e rt i s s u ed u r i n gi t sd e v e l o p m e n tm e a n st a p e t a lc e l l st r a n s f o r mt h e p o l y s a c c h a r i d e si n t o1 i p i dm a t e r i a lf o rp o l l e ng r a i n sa b s o r b i n ga n dt h e n b i c e l l u l a r p o l l e n g r a i n t r a n s f o r m s s o m e l i p i d m a t e r i a l i n t o p o l y s a c c h a r i d et of o r ms t a r c hg r a i n s k e y w o r d s ：l y c i u m b a r b a r u r nl _ ；a n t h e r ；u l t r a s t r u c t u r e ；h i s t o c h e m i s t r y 6 宁夏枸祉花药发育的超微结构及组织化学研究 第一章前言 高等植物的有性生殖是一个十分精巧而复杂的发育过程，涉及雌、雄配子体 的发生、发育以及精、卵细胞的融合和胚胎发生等一系列复杂事件。从1 9 世纪2 0 年代花粉管的发现开始( 胚胎学研究的开端) ，至1 9 世纪末，对有性生殖整个过 程的发育形态，如雌雄配子体的结构、发育，胚的发育以及两性的融合过程等， 做了许多工作，积累了相当多的资料。这些工作奠定了胚胎学的基础“3 。特别是 俄国植物学家n a w a s c h i n ( 1 8 9 8 ) 对于双受精的发现，在被子植物胚胎学史上是一 个重大的里程碑。1 。进入2 0 世纪后，开始了被子植物胚胎学的新纪元。印度著名 胚胎学家m a h e s h w a r i 在被子植物胚胎学引论一书中，全面总结了2 0 世纪5 0 年代以前的描述胚胎学成果，同时概括了比较胚胎学和新发展的实验胚胎学成就 3 1 6 自2 0 世纪6 0 年代始，以有性生殖过程作为研究对象的植物胚胎学与现代生 物学中的相邻学科，尤其是细胞生物学与分子生物学结合，将受精作用作为了有 性生殖研究的中心环节。此外，各种新的细胞学技术：透射和扫描电子显微镜、 细胞化学、荧光显微、放射自显影、免疫细胞学、共聚焦激光显微术和显微操作 技术等，广泛地应用到了生殖发育中的细胞结构和功能等各个方面的研究上。植 物胚胎学的研究范围超越了早期局限于形态学的范畴，使对有性生殖的研究更加 深入和系统化，在深人到受精作用有关结构与功能关系的研究中，发现了不少新 现象，取得了不少有重要理论意义的成果。许多新的研究成果不断被总结到植物 胚胎学的专著“”和评述论文中。“。 7 0 年代后，特别是8 0 年代以来，分子生物学等各种先进实验手段的运用， 使得植物胚胎学已演变为植物生殖生物学，研究内容已从传统的形态学转变为多 学科综合性质的研究，概括起来可以分为三个主要方面：生殖过程中结构与功能 关系的研究、生殖过程的实验研究和生殖过程的分子生物学研究“1 。 目前对有性生殖的研究已不是以往单纯对结构的描述，而是着眼于由结构入 手，以探索结构与功能的关系为目的。而电子显微技术，特别是透射电子显微技 术的应用，使得对生殖过程中各个环节变化的认识提高到超微结构水平，从而有 可能从超微结构的特点建立起其相关功能的概念。2 0 多年来，对于生殖过程中 7 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 的结构与功能，特别是对花粉的结构与功能关系方面的研究，国内外学者已经积 累了丰富的资料，揭示了许多现象，在理论上具有重大突破，如细胞质重组、雄 性生殖单位、精子二型性等概念的提出“。“3 。 1 花药发育的超微结构变化 1 1 小孢子母细胞减数分裂过程发生的变化 小孢子是小孢子母细胞减数分裂的产物，是配子体的第一个细胞。很久以来 揭示减数分裂过程变化与小孢子发生发育的关系一直是人们研究的热点之一。 1 1 1 胞质改组现象 在光学显微镜的观察中就发现，被子植物小孢子母细胞在减数分裂期问其细 胞质发生了显著的变化。通过电子显微镜的观察己明确地证实了减数分裂期间在 细胞质方面的超微结构变化，d i c k i n s o n ( 1 9 8 1 ) 称之为“细胞质改组”或“细 胞质重建”( c y t o p l a s m i cr e o r g a n i z a t i o n ) 。细胞质改组主要涉及核糖体、质体 和线粒体等细胞器的结构和数量上的变化。在百合属植物减数分裂前，胞质中的 核糖体数量下降，在核分裂期间核糖体数量恢复。线粒体和质体也发生了显著的 变化。当前期i 进行时，线粒体逐渐失去内部的结构，变为球形，仅保留少量的 嵴，基质电子较不透明。在减数分裂后开始再分化，至小孢子进行有丝分裂时， 线粒体又发育出有嵴的正常结构。质体也有类似的脱分化和再分化的变化，在细 线期质体失去淀粉及片层系统减退，从粗线期始，结构达到最大的简化。质体的 再分化是在四分体时期开始，其发达的片层和淀粉重新出现“。王毅和胡适宜 在陆地棉中也观察到了类似的细胞质改组现象：在减数分裂前期i 的细线期到偶 线期，核糖体密度显著降低，粗线期至双线期降至极低水平。同时线粒体和质体 的基质电子密度增高，内部结构变得模糊；到中期i 时，细胞质中核糖体的密度 增加，线粒体和质体又开始再分化。当核糖体密度恢复时，线粒体和质体的结构 也恢复正常，质体内逐渐出现明显的淀粉粒“。减数分裂期间细胞器的变化现 象在其它植物中也得到了充分的证实“”“。 细胞质重组现象不仅发生在减数分裂过程中，在小孢子发育过程中也出现了 类似的细胞器变化现象。p o l o w i c k ( 1 9 9 3 ) ，杨焕杰( 1 9 9 5 ) 、叶宝兴等( 1 9 9 6 ) 在西红柿、桔梗和扁豆等植物，以及我们在宁夏枸杞花粉的发育过程中，还发现 细胞质重组现象在小孢子液泡化阶段及二胞花粉形成过程中发生。在这两次细胞 质重组中，细胞器表现出相互之间协同变化的特点“8 ”。2 “2 ” 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 小孢子母细胞在减数分裂期间发生的第1 次细胞质重组现象被认为是从二 倍体世代转变到单倍体世代的一种表现，其实质是消除一些孢子体信息物质，为 配子体基因组的表达准备一个合适的环境“1 。而在小孢子液泡化到二胞花粉期间 的细胞质重组现象，则可能是由单倍体的小孢子向配子体转变过程中的表现，是 为配子体形成做准备的种表现“。在花粉发育过程中的细胞质重组现象其实 质是发育过程中基因表达的结果，但这些细胞器，尤其是线粒体和质体内部结构 的变化是整个细胞器的重建，还是仅细胞器内部结构的重建，还完全不清楚。 1 1 2 胞质融合现象 小孢子母细胞减数分裂期间发生的另一个显著变化是形成胞质融合现象。 g a t e s ( 1 9 1 i ) 在研究月见草( o e n o t h e r ab i e n n j s ) 和同一属的巨型月见草 ( 口g i g a s ) 时发现了胞质融合现象”1 。郑国铝( 1 9 5 5 ) 等不仅发现百合的小孢 子母细胞问染色质与细胞质均可以通过胞间连丝进行穿壁运动，而且还发现胞间 连丝通道的数量是变化的，表明通过形成次生胞间连丝以提高胞质融合的效率 2 6 o 而黄芪( a s t r a g a l u s l ) 和梅等草属( c h i m a p h j l ) 的胞间通道存在于减数 分裂的全过程，表明小孢子母细胞间染色质及胞质的转移是没有时间性的。 后来在不少植物中也发现有这种现象。郑国铝等通过一系列研究工作后认为，花 粉母细胞间染色质穿壁转移运动是一种正常现象，并提出了这种运动的机制与变 异及在植物进化上的意义。“。 总之，胞质融合不仅对细胞间的通讯具有重要作用，而且经过细胞间的物质 交换，最后形成的小孢子至少有一部分，其中含有的遗传物质的质和量都会改变， 结果将会影响遗传进程的控制。 1 2 小孢子发生发育过程中胼脏质壁的动态变化 造孢细胞与小孢子母细胞的一个明显区别是即将进入减数分裂的小孢子母 细胞会形成胼胝质壁结构。b h a t i a 和m a l i k ( 1 9 9 3 ) 观察到胼胝质壁首先在小 孢子母细胞角隅处的初生壁和质膜之间沉积，认为胼胝质壁的这种沉积可能与细 胞内的粗糙内质网和高尔基体有关”“。肖德兴和陈祖铿( 1 9 9 0 ，1 9 9 4 ) 等在黑松 和马尾松中观察到，减数分裂i 的后期或末期，胼胝质开始在减数母细胞的赤道 区沉积，形成环状胼胝质带，并逐渐向内部延伸，直至将母细胞均等地分隔成两部 分，形成二分体。随后在减数分裂i i ，在两个细胞的中部再次出现胼胝质带，并 与减数分裂i 时所形成的胼胝质带相连，并向中心部位伸展，最终将孢母细胞分 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 隔为4 个小孢予。“。另外，小孢子第一次不对称分裂后，形成了营养细胞和生 殖细胞，而最初分隔生殖细胞与营养细胞的壁，证明是含胼胝质和纤维素的物质， 且生殖细胞在与花粉内壁分离的过程中，包围它的壁变薄，其中的胼胝质成分消 失 3 n 。 关于小孢子母细胞形成胼胝质壁的生物学意义有两种看法：胡适宜，k a p i l 等认为，形成胼胝质壁是减数分裂的先决条件，也是后来四个减数孢子转变为小 孢子的前提“。而j o h r i 则认为，花粉母细胞被胼胝质壁包裹的孤立化未必是 减数分裂的先决条件，因为当胼胝质壁孤立小孢子母细胞时，细胞器己通过各种 方式进行了重新组装，完成了消除孢子体信息的程序，因此胼胝质壁只是保护使 之不再受邻近孢子体信息的干扰，从而转向单倍的配子体的发育。樊汝汶等 ( 1 9 9 2 ) 在中国鹅掌揪( l i r i o d e n d r o nc h i n e n s e ) 中发现：当花粉母细胞减数分 裂启动时，细胞质和细胞器的变化与胼胝质的积累是同步发生的。 关于小孢子母细胞的胼胝质壁的结构也有不同的报道：h e s l o p h a r r i s o n 等 人在扫描电镜下观察到大多数植物的胼胝质壁并不是连续的，而表现为筛网状 ”1 。陈祖铿等发现，在知母( s n e m a r r h e n a a s h e l o i d e s ) 的四分体小孢子的胼胝质 壁上也间断分布着胞质通道。“。但是有的植物，如矮生菜豆( p h a s e o l u sv u j g a r i s l ) 的四分体小孢子的胼胝质壁上并无胞质通道”。因此胼胝质壁的功能如同分 子筛，控制着小孢子母细胞间的物质交流，成为减数分裂同步进行的原因，并使 小孢子间保持相对的独立性。”。关于胼胝质壁结构研究的资料不多，并在不同 植物中有出入，有关其对小孢子母细胞的生理功能现在还没有统一的认识。 此外，胼胝质壁可能控制花粉外壁的形态建成。b h a n d a r i 认为，细胞核把 花粉壁雕纹的信息发送到胼胝质壁层，形成印章一样的负模板，然后压制出外壁 上特有的雕纹1 。但这种说法很值得推敲：通常花粉外壁的形成是开始于包裹 胼胝质壁的四分体时期，但常常只观察到是外壁开始沉积过程，而外壁构建的主 要过程是在小孢予游离后的发育过程中，这时胼胝质壁早已分解了，外壁雕纹的 模板己不存在了，如何指导花粉外壁雕纹的形成? 1 3 小孢子细胞器的极性分布与不对称分裂 刚从四分体游离出来的小孢子，具有浓厚的细胞质和一个位于中央的细胞 核，随后小孢子体积开始增大。大多数被子植物小孢子体积增大的同时，细胞质 发生液泡化，逐渐形成一个中央大液泡，细胞质成薄层贴着细胞壁，核也从中央 宁夏枸杞花药发育的超微结构及纰织化学研究 位置移到细胞边缘特定的位置，即与萌发孔相对位置的细胞边缘，小孢子呈现出 明显的极性状态。大液泡的形成，细胞核的移位为小孢子的不均等分裂创造了条 件。在植物发育的许多形态发生事态中，不均等分裂的结果是产生两个体积大小 明显差异的子细胞。因此，不均等分裂标志着一个新的发育过程的开始。小孢子 细胞核在分裂前的移动与极性分布的创建是雄配子体形成的关键事态0 1 。 造成小孢予细胞核移动的原因通常认为与其形成中央大液泡有关。但小孢子 细胞核的移动并不是由于大液泡的扩张而被动地随机被挤到细胞的边缘区域，因 为细胞核通常移动到花粉萌发孔的相对位置。对小孢子中的大液泡形成的机理还 不清楚。近来有关细胞骨架的研究证明微管对小孢子核的位置变化起着重要作 用。在沼泽紫露草( t z a d e s c a n t j ad a u d o s a ) 中的研究发现，小孢子细胞核的 移动最初与液泡的增大有关，而后核移动到特定的位置则是依赖微管的作用 4 0 - , i i 。同样在水稻小孢子细胞核中也表现了相似的移动机制“。 1 4 雄性生殖单位与精子异型性 r u s s e l l 和c a s s ( 1 9 8 1 ) 最早在白花丹( p l u m b a g oz e y l a n f c a ) 的成熟花 粉粒中，发现两个精细胞之问及其中一个精细胞与营养核之间存在着紧密的联系 “。随后在菠菜( s p i n a c i ao e r a c e a ) 、甘蓝和油菜( b r a s s i c ac a m p e s t r i s ) 的研究中也发现了类似的联合体“1 。在结构研究的基础上，d u m a s 等( 1 9 8 4 ) 提出了雄性生殖单位的概念，并明确指出两个精细胞与营养核在生殖过程中在功 能上是作为一个统一的传送单位“”。这个概念也说明了所有雄性核和细胞质的 遗传物质- - - d n a 是包容在一起作为一个功能单位。在其后的几十年间，运用多 种研究方法对几十种植物的研究证明了雄性生殖单位结构的存在”1 。雄性生殖 单位已被认为是被子植物雄配子体发育过程中的一个普遍特征，作为一个传送精 细胞的装置，它可使精细胞有序地到达它们的雌性靶细胞。 在对雄性生殖单位研究的同时，发现从同一个生殖细胞来源的两个姐妹精细 胞之间存在着形态结构和遗传上的差异，从而提出了精子异型性的概念。精子异 型性的表现可以体现在不同方面，如形状和大小上、或含有的线粒体和质体的数 量上。雄性生殖单位概念的建立和精子异型性的确认，把被子植物双受精作用的 研究提高到一个新的水平，近期虽然己取得了选择性受精和配子水平的识别作用 的超微结构证据，但对于精子异型性的研究资料尚不够多。基于r u s s e l l ( 1 9 8 5 ) 在白花丹中揭示了异形的两个精细胞分别预定和卵或中央细胞融合，这种称为倾 宁夏枸杞花药发育的超微结构及组织化学研究 向受精的现象无疑涉及精子与卵细胞之问识别的问题。因此，倾向受精是探索 被子植物双受精机理的核心问题。然而到目前为止，只在白花丹一种植物中证实 了倾向受精现象。 1 5 花粉壁 1 5 1 花粉的外壁纹饰 花粉外壁的表面可以形成各种各样的雕纹，关于它的起源和控制机理有两种 不同的观点：( 1 ) 当小孢予仍被胼胝质壁包裹时，外壁的雕纹已经形成，其中胼 胝质壁起了很大的作用：( 2 ) 雕纹是在外壁发育的最后阶段形成的。但无论雕纹 何时形成，其