（植物学专业论文）白杄花粉管胞吞胞吐动态及其与细胞壁构建的关系.pdf

摘要 在有花植物受精过程中 具有顶端极性生长特性的花粉管是雄性生殖单位 的载体 同时也是研究细胞生长分子调控机理的理想体系 与被子植物相比 裸 子植物花粉具有萌发时i 日j 长 花粉管生长缓慢等特点 对于裸子植物花粉萌发和 花粉管生长的机理 目前人们尚不十分清楚 本文将以裸子植物白杆 p i c e a m e y e r i 花粉为材料 应用不同浓度的分泌系统干扰剂b r e f e l d i n a 处理 并通过 细胞学和生理生化方法 其中包括普通光学显微镜 荧光显微镜 激光扫描共聚 焦显微镜 显微红外光谱 f t i r 和透射电镜 t e m 等技术 对其花粉萌发 和花粉管生长过程中胞吞胞吐的调控 以及与细胞壁建成的关系等进行较为系统 的研究 旨在为进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机理提供参考 首先比较观察了各种细胞器在白杆与被子植物花粉管中的分布差异 经 f m 4 探针标记结果表明 在正常生长的白杆花粉管顶端存在分泌小泡积累的 透明区 但与被子植物比较起来 此透明区在花粉管中所占比例较小 且不呈倒 v 字型 在透射电镜下观察发现 其花粉管顶端透明区内分泌小泡的分布密 度远低于被子植物 另外 在白杆花粉管中 线粒体的分布一般靠近细胞壁的地 方 高尔基体分布较为分散 而内质网的分布则不具方向性 其次 研究了b f a 对白杆花粉萌发和花粉管生长的影响 特别是对其花粉 管生长过程中的胞吐 胞吞作用 通常在正常生长的白杆花粉管中 用f m 4 6 4 标记后发现 在其顶端形成与透明区对应的荧光亮区 超微结构显示 在花粉管 顶端进行旺盛的胞吐作用 许多分泌小泡正与质膜融合 以及分布有大量显示高 分泌活性的壁旁体 p b 等 而经过b f a 处理后 花粉的萌发和花粉管的生长 均受到严重抑制 花粉管出现了弯曲 波状生长 或顶端膨大等异常形态 同时 还干扰了f m 4 6 4 在花粉管顶端的标记模式 另外 花粉管顶端分泌小泡数量减 少 透明区内充满线粒体 高尔基体和空泡等 些大的细胞器 壁旁体也随之消 失 其中高尔基体呈现解体或弯曲的异常形态 在其周围的分泌小泡数量大大减 少 内质网出现膨胀和核糖体脱落等 同时胞吐活性标志性酶 酸性磷酸酶的 活性也随之降低 通过对f m 4 6 4 的染料吸收实验表明 b f a 对胞吞有明显的促 进作用 由上可见 b f a 对白杆花粉管生长过程中的胞吐和胞吞作用起了相反 的影响 b f a f 是通过扰乱花粉管生长过程中的分泌途径来抑制其花粉管的生 长 最后 检测了白杆花粉管分泌途径紊乱后 管壁物质合成的变化情况 通 过f t i r 光谱分析表明 b f a 处理后花粉管壁化学组分发生了变化 例如蛋白质 和多糖含量明显减少 而且与蛋白比较起来 多糖的含量下降更为明显 尤其是 在顶端 蛋白和多糖含量的下降导致花粉管壁的组成结构不够致密 由 s d s p a g e 的结果显示 b f a 抑制后 花粉管壁中糖蛋白的含量下降了6 0 同时很多壁蛋白条带在b f a 处理后不表达或含量减少 通过对花粉管壁多糖成 分的研究表明 b f a 处理还导致纤维素含量下降 而胼胝质在花粉管顶端积累 用识别a g p s 的l m 6 和识别酸性果胶的j i m 5 对花粉管进行标记 发现b f a 处 理后a g p s 的环状分布消失 酸性果胶质在顶端的含量也明显减少 但在胞质内 却形成一些小的分隔亮点 c o m p a r t m e n t s 综上所述 导致裸子植物白杆花粉管生长缓慢的原因 可能与其顶端透明 区较小 分泌小泡数量少等有关 另外 从白杆花粉管的细胞质状态和细胞器分 布上看 虽然与被子植物相比差异较大 但在其正常生长中仍能进行旺盛地胞吐 和胞吞过程 经b f a 处理后引起花粉管内分泌系统的紊乱 致使管壁物质不能 正常合成 从而导致花粉管的停滞生长 关键词 白杆 花粉管 b r e f e l d i n a 胞吞 胞吐 分泌小泡 f m 4 6 4 细胞壁 a b s t r a c t p o l l e nt u b e ac a r r i e ro fs p e r mn u c l e id u r i n gt h ep r o c e s so fs e x u a lp l a n t r e p r o d u c t i o ni nf l o w e r i n gp l a n t s i sah i g h l yp o l a r i z e d r a p i d l yt i p g r o w i n gp l a n tc e l l a n dt h u si sa ni d e a ls y s t e mf o rs t u d y i n gt h em o l e c u l a rm e c h a n i s mi n v o l v e di nt h e r e g u l a t i o n o fc e l l g r o w t h a sc o m p a r e d w i t h a n g i o s p e r m p o l l e ng r a i n s o f g y m n o s p e r m sg e r m i n a t ea n dg r o w t hs l o w l y h o w e v e r t h em e c h a n i s mo fp o l l e n g e r m i n a t i o na n dt u b eg r o w t hi nc o n i f e r o u ss p e c i e sr e m a i n ss p e c u l a t i v e t h u s w i t h b f a t r e a t m e n t t h ee n d o c y t o s i s e x o s y t o s i sp r o c e s sa n dc e l lw a l lc o n s t r u c t i o ni np i c e a m e y e r ip o l l e n t u b ed e v e l o p m e n tw a si n v e s t i g a t e db ym e a n so fc y t o l o g i c a l b i o c h e m i c a la n dp h y s i o l o g i c a lm e t h o d s w i t hav i e wt o r e v e a l i n gt h er e g u l a t i o n m e c h a n i s md u r i n gt h i sp o l a r i z e dt i pg r o w t h f i r s t l y t h ed i f f e r e n c e so fc y t o p l a s m i co r g a n i z a t i o ni np o l l e nt u b e sb e t w e e np i c e a m e y e r ia n da n g i o s p e r mw e r ei n v e s t i g a t e d f m 4 6 4l a b e l i n gs h o w e dat y p i c a lb r i g h t a p i c a ls t a i n i n gi nn o r m a l l yg r o w i n gp i c e am e y e r ip o l l e nt u b e s w h i l et h i sf m 4 6 4 s t a i n i n gp a r e ma sd e t e c t e di np i c e am e y e r iw a sd i f f e r e n tf r o m v s h a p e da p i c a l s t a i n i n g r e p o r t e df r o ma n g i o s p e r m sa n dt h ep r o p o r t i o no fa p i c a lf m 4 6 4s t a i n i n g r e g i o n t ot h ew h o l ep o l l e nt u b ew a sm u c hl o w e rt h a nt h a ti na n g i o s p e r m s t 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 i c t e m o b s e r v a t i o ns h o w e dt h a tt h ed e n s i t yo f s e c r e t o r yv e s i c l e s a tt h et i pz o n ei np i c e am e y e r ip o l l e nt u b ew a sm u c hl o w e r c o m p a r e d t oa n g i o s p e r m i na d d i t i o n u n l i k ei na n g i o s p e r m t h ep r e f e r e n t i a l o c c u r r e n c eo fm i t o c h o n d r i aw a sc l o s e dt ot u b ew a l l t h ed i c t y o s o m e sd i dn o ts h o w a n ys p e c i f i cz o n a t i o no ra c c u m u l a t i o ni nt h et u b e a n d t h ee rd i s t r i b u t i o nw a sa b s e n t o fo r i e n t a t i o na sw e l li np i c e am e y e r ip o l l e nt u b e s e c o n d l y w ea s s e s s e d t h ee f f e c t so fb r e f e l d i na b f a o np o l l e nt u b e d e v e l o p m e n t o fp i c e a m e y e r i u s i n g f m 4 6 4a sam e m b r a n e i n s e r t e d e n d o c y t i c r e c y c l i n gm a r k e rt o g e t h e r w i t hu l t r a s t r u c t u r a lo b s e r v a t i o na n df o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e d f t i r a n a l y s i s b f ai n h i b i t e dp o l l e ng e r m i n a t i o na n dp o l l e nt u b e g r o w t hc a u s i n gm o r p h o l o g i c a lc h a n g e si nad o s e d e p e n d e n tm a n n e r f m 4 6 4l a b e l i n g s h o w e dat y p i c a lb r i g h ta p i c a ls t a i n i n gi nn o r m a ll yg r 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r b e dt h es e c r e t o r yp a t h w a yt h r o u g hi n h i b i t i n g e x o c y t o s i sa n ds t i m u l a t i n gd u r i n gp i c e am e y e r ip o l l e nt u b eg r o w t h l a s t w em e a s u r e dt h ec h a n g e si nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fp o l l e nt u b ew a l l s a f t e rt h ed i s o r d e ro fs e c r e t o r y p a t m w a yi n d u c e db yb f at r e a t m e n t f t i r m i c r o s p e c t r o s c o p yd o c u m e n t e ds i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f p o l l e nt u b ew a l l st h a tw a sg r o w ni nt h ep r e s e n c eo fb f a t h ec o n t e n to fp r o t e i n sa n d p o l y s a c c h a r i d e sd e c r e a s e da f t e rb f at r e a t m e n t a n di nc o n t r a s tt oal o w e rr e d u c t i o ni n p r o t e i nc o n t e n t t h e r ew a sam a r k e dd e c r e a s ei np o l y s a c c h a r i d ec o n t e n ta m o n gt h e t h r e er e g i o n s i m p o r t a n t l y t h er e d u c t i o no fp o l y s a c c h a r i d e si nt h en e w l yf o r m e dt i p r e g i o nw a sf a rm o r eo b v i o u st h a ni nt h ea l r e a d yf o r m e dm i d d l ea n db a s a lr e g i o n s f u r t h e ra n a l y s i si n d i c a t e dt h a tb f ad e c r e a s e dt h ec o n t e n to fc e l l w a l lg l y c o p r o t e i nt o 6 0 a n ds d s p a g ea n a l y s i ss h o w e dm a n yc e l l w a l lp r o t e i n sd i dn o te x p r e s so rh a d al o w e rc o n t e n t m i c r o s c o p i co b s e r v a t i o n sr e v e a l e dt h a tt h e r ew a sl e s sc e l l u l o s ei nt h e w a l l sw h e nt r e a t e dw i t hb f a w h i l ec a l l o s eh a da c c u m u l a t e di nt h et i pr e g i o n so f p o l l e nt u b e s i m m u n o l a b e l l i n gw i t hl m 6a n t i b o d ys h o w e dt h a ti nn o r m a lp o l l e nt u b e s a g p sd e p o s i t e dw i t har i n g l i k ef o r m a t i o ni nc e l lw a l l w h e r e a sp o l l e nt u b e st r e a t e d w i t hb f ae x h i b i t e dad i f f e r e n t f l u o r e s c e n t l yl a b e l e dp a r e r n i et h er i n g l i k e d i s t r i b u t i o nl o s t a c i d i cp e c t i n a sd e t e c t e d b yi m m u n o l a b e l i n gw i t hj i m 5 w a s o b s e r v e da tt h ew h o l ep o l l e nt u b e sg r o w ni nn o r m a l m e d i u m h o w e v e r i n b f a t r e a t e d p o l l e nt u b e s t h e f l u o r e s c e n c el a b e l l e d w i t hj i m 5 w e a k e n e d j i m 5 一r e a c t i v ep e c t i n sa c c u m u l a t e d w i t h i n b f a c o m p a r t m e n t s t h ea b o v er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h a tp o l l e nt u b eg r o w t hr a t em a i n l yd e p e n d so nt h e p a r t i c u l a rc e l l u l a ro r g a n i z a t i o na tt i pr e g i o n t h es m a l l e rc l e a rr e g i o na n dl o w e r i v d e n s i t yo fs e c r e t o r yv e s i c l e si np i c e am e y e r ip o l l e nt u b e sr e s u l t e di ni t ss l o w e rt u b e g r o w t h a l t h o u g ht h ec y t o p l a s m i co r g a n i z a t i o nw a sd i f f e r 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为有花植物受精过程中雄性生殖单位的载体 它的萌发及生长等一系列生理活动 直接影响着受精过程能否顺利完成 近年来 花粉管作为生物技术领域理想的细 胞体系和研究细胞生长分子调控机理的体系 同时鉴于花粉萌发和花粉管生长具 有极性生长的特征 越来越多地受到研究者的关注 以往的研究表明 花粉管的生长为典型的极性顶端生长 即其生长只发生 在顶端 虽然这种生长模式也常见于根毛 真菌菌丝以及苔藓等一些细胞类型中 但由于花粉管不仅具有独特的细胞壁结构 这对于研究植物细胞壁的组成及其构 建等均有着重要的意义 而且花粉管还可以作为研究细胞生长分子调控机理的一 个模式体系 对于深入研究细胞的极性生长 细胞间相互作用以及信号传导也有 着重要意义 近年来 国内外不少实验室都以花粉管作为实验系统 开展了一系 列深入的研究 最新的研究热点主要集中在以下几个方面 1 花粉管的顶端生 长及花粉管生长过程中的细胞器运动 朱潋和徐是雄 2 0 0 2 h e s l o p h a r r i s o ne t a 1 1 9 8 8 2 花粉管极性生长过程中胞吞胞吐的调控机制 h o m a n ne ta 1 1 9 9 8 h u b n e re ta 1 1 9 8 5 r o ye ta 1 1 9 9 9 p a r t o ne ta 1 2 0 0 1 2 0 0 3 3 花粉管细胞壁 的组成 构建及其在花粉管生长过程中的动态变化等 l ie ta 1 1 9 9 4 l ie ta 1 2 0 0 2 4 裸子植物花粉管和被子植物花粉管的异同 w i ne ta 1 1 9 9 6 d e r k s e n e ta 1 1 9 9 9 w a n ge ta 1 2 0 0 3 h a oe ta 1 2 0 0 5 1 1 花粉管的顶端生长及花粉管生长过程中的细胞器运动 1 1 1 花粉管的生长特点 花粉在适宜的柱头上或离体条件下萌发 长出花粉管 花粉管生长的方式 与其他多数植物细胞不同 后者的生长发生于整个细胞表面 而花粉管的生长只 局限于顶端区域 即极性顶端生长 因此对于花粉管顶端结构特征的研究显得尤 其重要 关于花粉管顶端结构特征的研究已经有很多报道 但大多数集中在被子 植物方面 d e r k s e ne ta 1 1 9 9 5 m a s c a r e n h a s 1 9 9 3 s t e e ra n ds t e e r 1 9 8 9 一般来说 大多数被子植物花粉萌发很快 花粉管较长 而且生长速度也较快 如玉米的花粉管生长速度达到1 6 0g m h 而烟草花粉管的生长速度为lm m d m a s c a r e n h a s 1 9 9 3 研究表明 在被子植物花粉管中细胞质呈典型的回流 泉式 r e v e r s ef o u t a i n 1 i k e 流动状态 即细胞质从花粉管两侧流向顶端 然后再 从中央向后返回 p i e r s o na n dc r e s t i 1 9 9 2 t a y l o ra n dh e p l e r 1 9 9 7 另外 花粉管中的细胞质具有明显的极性 细胞器在花粉管内呈区域化分布 u w a t e 和 l i n 1 9 8 0 在对梨属的花粉管研究中 将花粉管的典型结构分成五个区域 即 顶端生长区 光滑内质网区 粗糙内质网区 液泡区和退化区 位于花粉管非生 长区的细胞质中含有丰富的线粒体 网状高尔基体 内质网和囊泡 相反 生长 区含有大量的分泌囊泡 几乎没有其他的细胞器 除了顶端区域外 花粉管的细 胞质结构似乎与管的长轴平行 但在顶端区域则随机分布 质膜 线粒体 液泡 和别的细胞器的排列与胞质环流的模式一致 顶端区域含有两类囊泡 一类直径 为3 0 0i l l n 另一类直径为5 0i i l t i c r e s t ia n dt i e z z i 1 9 9 0 较大的囊泡来自高 尔基体 并含有细胞壁前体物质 它们与细胞膜在顶端融合 囊泡膜成为质膜的 一部分 其内含物释放出来 组成生长的管壁的一部分 已经有多种证据表明这 种胞吐作用的存在 并且也已经证明 囊泡内含物的染色特性与包裹顶端生长区 的帽区很相似 v a nd e rw o u d ee ta 1 1 9 7 1 较小小泡外面有一层光滑的包被 主要的作用是循环由分泌囊泡传递到细胞表面的的剩余物质 d e r k s e ne ta 1 1 9 9 5 f r a n k l i n t o n g 1 9 9 9 对花粉管的顶端结构的基本特征做了概括 她认 为 细胞质集中在花粉管的顶端区域 其中线粒体 高尔基体以及内质网等细胞 器也包含在这个区域内 图1 在花粉管生长过程中 胼胝质塞以规则的间距 产生 将细胞质和花粉管的其余部分隔丌 因此不论花粉管有多长 细胞质依旧 集中在花粉管的自 端 以百合为代表 其花粉管极顶端为透明区 高度富集分泌 囊泡 s v s 它们被最新形成的壁所包围 成为一个倒圆锥形区域 而后面为 亚顶端区 富古内质网 线粒体和高尔基体 这是细胞壁前体和细胞质蛋白合成 活动的区域 再其后是核区 为营养核和生殖细胞或精细胞的所在场所 朱墩和 徐是雄 2 0 0 2 被子植物花粉管细胞质中这种特殊的分柿模式 曾被认为是花 粉管顶端生长的必备条件 p i e r s o na n d c r e s t i 1 9 9 2 e r 图i 花糟管顶端区域的结构模式脚 f r a n k l i nr t o n g 1 9 9 9 f i g u r e ld i a g r 哪m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h e i u c t u l o f t b e t l dr e g i o no fap o l l e n t u b e 1 12 花粉管顶端生长过程中的细胞质运动 在花粉管极性顶端生长的过程中 需要通过花粉管内部的细胞质运动来运 转物质及能量 传递信号 以维持其生长 通过研究表明 花粉管中主要存在三 种方式的运动 1 细胞器的运动 2 生殖一精细胞及营养核的移位 3 花粉管 中分泌囊泡 s v s 的运动 朱激和徐是雄 2 0 0 2 i 细胞器的运动 通常在相差显微镜或微分干涉显微镜下 可以观察到花粉管细胞质处于不 停的流动状态 由于细胞质是一种透明均质的物质 因此人们看到的流动其实就 是细胞器或一些较大内含物的运动 如上面所述 在被子植物花粉管中 细胞器 呈典型的回流泉式的流动状忐 通过对百合花粉管超微结构的研究发现 其细胞 质可分为纵向的快速带和慢速带 其中快速带有大量的线粒体 内质网和高尔基 体及囊泡 主要的功能是将分泌囊泡快速运向花粉管顶端 而在慢速带中有很多 液泡 造粉质体 线粒体以及随机分布的内质网 其功能则可能是运输能量物质 及其它细胞器 朱激和徐是雄 2 0 0 2 2 生殖 精细胞和营养核的移位 在花粉管生长过程中 营养核与生殖细胞的位置均处于不断的变化之中 同时两者的相对位置也并非一成不变 唐佩华 1 9 7 3 利用暗视野显微电影方法 对君子兰花粉管的研究发现 通常是营养核首先进入花粉管 而后是生殖细胞进 入 当生殖细胞接近营养核时 营养核伸长与生殖细胞接触 此后营养核开始变 形 或与生殖核紧贴在一起 或把生殖细胞包围起来 营养核与生殖细胞贴合 2 3 小时后才慢慢分开 朱潋等 1 9 9 4 在对朱顶红花粉管的研究中发现 在花 粉萌发1 2 小时后 营养核与生殖核开始向花粉管移动 大多数情况下也是营养 核先于生殖核进入花粉管 但也有生殖核先进入的情况 同时还发现营养核与生 殖在形状上和二者的空间关系也都发生了各种变化 在移动中核的变形可能是由 微管问的滑动所引起 h e s l o p h a r r i s o ne ta 1 1 9 8 8 在多数情况下 烟草的营 养核先进入花粉管中 而生殖核首先进入的例子也有 但两者同时进入的机率则 很小 上述现象表明 营养核与生殖细胞在生理上可能存在一定的联系 营养核 合成的m r n a 或其翻译产物可通过两者间的联结传送给生殖细胞 从而影响生 殖细胞的发育和分裂 范六民 1 9 9 7 3 高尔基体 内质网和分泌囊泡 高尔基体是花粉管中一个极为重要的极性细胞器 由4 8 个扁平潴泡组成 每个高尔基体都包括顺面膜囊 中间膜囊 反面膜囊和反面高尔基体网状结构 t g n t g n 位于反面的最外层 可能是一个产生包被囊泡的网状结构 其 主要功能是参与蛋白质的分类和包装 在花粉管进行极性顶端生长过程中 由高 尔基体产生的分泌囊泡不断地被运往顶端与质膜融合 同时释放出质膜和花粉管 壁的前体物质 内质网 e r 是花粉管细胞中另一种重要的细胞器 根据其结构与功能 可以分为粗面内质网 r e r 和光面内质网 s e r 在烟草花粉管中距顶端1 0 p m 处r e r 数量较多 d e r s k e ne ta 1 1 9 9 5 由于粗面内质网多位于花粉管的 顶端附近 由此表明花粉管的顶端生长需要蛋白质 在花粉管的亚顶端区域可观 察到管状光面内质网 l a n c e l l ea n dh e p l e r 1 9 9 2 在质膜内侧它们与骨架系统 组分和质膜相连接成一个复合体 但是关于其在花粉管生长过程中的功能还不清 4 楚 一般认为亚顶端区域光面内质网的存在有助于捕获c a 2 梯度 d e r s k e ne ta 1 1 9 9 5 在花粉管生长过程中 内质网和高尔基体中合成的向外分泌的碳水化合物 通过分泌囊泡 s v s 运往顶端与质膜融合 同时释放内容物 为细胞壁的组建 提供物质 并提供新的质膜以供细胞生长 应用快速冷冻取代 r f f s 技术研 究烟草花粉管中s v s 的起源 发现它们可能来源于t g n 通过分离并检测s v s 中的内含物时发现 其主要的成分为蛋白质和碳水化合物 其中单糖成分主要是 半乳糖 阿拉伯糖和糖醛酸 还有的研究表明 s v s 中还含有果胶质和a g p s y o s h i k a z ue ta 1 1 9 9 8 在真菌等一些类型的细胞中 人们发现了两种类型 的囊泡 而在烟草花粉管中只有一种类型的分泌囊泡 v a na m s t e l 1 9 9 4 另 外 研究表明 s v s 能携带完整蛋白 但是目前只有膜粘连蛋白和纤维素合成酶 被证明存在与s v s 膜上 它们能直接插进质膜中 m o s c a t e l l ia n dc r e s t i 2 0 0 1 在动物体中 分泌囊泡与质膜的融合过程中有特定的蛋白质 n s f 连接蛋白 s n a p s 的参与 s n a p s 能与分泌囊泡表面的受体v s n a r e s 以及靶膜的朝向细 胞质表面受体t s n a r e s 结合 从而启动融合复合物的装配 s a n d e r f o o ta n d r a i k h e l 1 9 9 9 通过对拟南芥 a r a b i d o p s 的k n o l l e 突变体的研究表明 在植物中s v s 在质膜上的停泊也依赖于s n a r e s 复合物的形成 l u k o w i t ze ta 1 1 9 9 6 然而 目前在花粉管中并没有检测到s n a r e 家族的蛋白 1 2 花粉管生长过程中胞吞胞吐的调控机制 1 2 i 胞吞和胞吐的定义 真核细胞中颗粒性物质和大分子的跨膜运输是通过质膜出芽 内陷形成囊 泡 在一系列受体蛋白的精细调控下实现物质信息的流动 这种复杂有序的囊泡 活动总称为吞排作用 c y t o s i s n i c h o l a se ta 1 1 9 9 9 s u r p i na n dr a i k h e l 2 0 0 4 在上述物质转运过程中 一些大分子物质通过反面高尔基管网 t r a n s g o l g i n e t w o r k 形成囊泡 并从细胞内部移至细胞表面 使囊泡与质膜融合 同时将 质膜扩展需要的蛋白质和脂类 以及细胞壁生长所需要的多糖 糖蛋白和蛋白聚 糖等释放到胞外空间 这个过程即称为胞吐作用 e x o c y t o s i s 由于分泌囊泡具 有巨大的表面积体积比 经胞吐作用带到细胞表面的膜物质远比细胞膜扩展所需 要的多 在细胞膜扩展过程中一些过剩的的蛋白质 多糖 甚至细胞表面已经激 活的受体等 通过质膜折叠产生内陷 以及细胞膜再收缩 脂质双层融合 箍断 最终形成细胞内的独立囊泡 从而使一些过量质膜得到及时回收 此过程称为胞 吞作用 e n d o c y t o s i s b a t t e ye ta 1 1 9 9 9 p a r t o ne ta 1 2 0 0 3 自2 0 个世纪7 0 年代以来 对胞吐和胞吞过程的研究多集中在动物细胞中 主要利用其肾上腺嗜铬细胞和神经细胞两个系统 借助于透射电镜等细胞生物学 技术 进行分泌动力学过程及分泌调控机制的深入研究 b a d e re ta 1 2 0 0 2 g a s m a ne ta 1 2 0 0 3 t e s c h e m a c h e r 2 0 0 5 通过上述的研究表明 囊泡从高尔基体 运送到细胞膜至少有三种平行途径 如直接运送途径 内涵体途径和基底外侧途 径 而上述各种途径在不同类型或发育阶段的细胞内均具有各自的特点 k e l l e r a n ds i m o n s 1 9 9 7 f e s c e m e l d o l e s i 1 9 9 9 在研究神经递质释放的时候发现 胞 吞和胞吐过程是通过一种被称为 轻触 k i s sa n dr u n 的机制偶联在一起的 特别是在高钙离子浓度的条件下 这种机制比经典的胞吞过程更为普遍 并有利 于完全释放分泌囊泡中的神经递质内含物 最近 v e r s t r e k e n 等人 2 0 0 2 通过 对果蝇神经系统的研究表明 动态蛋白 d y n a m i n 不仅参与笼性蛋白 c l a t h r i n 介导的胞吞作用 而且在 轻触 过程中囊泡与质膜迅速融合时也发挥着重要作 用 由于动态蛋白是一种重要的微管结合蛋白 从而可以推测 轻触 机制可能 与微管骨架有着密切的关系 图2 另外 近年来一些学者利用一些药物处理和 突变体分析等手段 对丝状真菌和酵母细胞的胞吐 胞吞过程进行了研究 p a r t o n e ta 1 2 0 0 0 h i c k e ye ta 1 2 0 0 2 对于上述研究得结论是否也同样适用于植物细 胞 目前尚未见有报道 1 2 2 胞吐与胞吞过程 1 胞吐 1 从高尔基体到质膜的停泊区域 近年来的研究表明 在哺乳动物细胞中从高尔基体到细胞表面至少有三条 平行的途径 它们在不同的细胞类型各有特点 k e l l e ra n ds i m o n s 1 9 9 7 由此推 测在植物细胞中这些途径同样复杂 除了脂膜 无论胞吞胞吐 其去向都不能简 单的通过观察来确定 b a t t e ya n db l a c k b o u m 1 9 9 3 显然不止一种囊泡运向脂膜 6 电生理试验表明 在大麦糊粉层细胞的原生质体中至少存在两种类型的囊泡 d o m o z y c h 1 9 9 1 但是关于囊泡内含物分类和调节不同囊泡到脂膜上的调 图2 胞吞和胞吐模式图 f i g u r e2 s e q u e n c eo fe x o c y t o s i sa n de n d o e y t o s i s t r a n s p o r t d o c k i n g f u s i o n c o n t e n tr e l e a s e a n dr e c y c l i n g s h o w ni sas p e c u l a t i v ed i a g r a mt h a ti n c o r p o r a t e st h es u g g e s t e dp a t h w a y st oa n d f r o mt h ep l a s m am e m b r a n ei np l a n t s c c bc l a t h r i n c o a t e dp i t c c v c l a t h r i n c o a t e dv e s i c l e s e l l e n d o p l a s m i cm e m b r a n e p c r p a r t i a l l yc o a t e dr e t i c u l u m b a t t e ye ta 1 19 9 9 t h ep l a n tc e l l 节因子 还没有研究清楚 h o m a n na n dt e s t e r 1 9 9 7 目前技术上的主要障碍 是缺乏哺乳动物和酵母中广泛使用的分析高尔基体运输的测定方法 b a t t e ye t a 1 1 9 9 6 一般认为 分泌囊泡是经过细胞骨架运输到目的膜的 而在哺乳动 物细胞中这种运输的角色是由微管担当的 囊泡由位于细胞中央的高尔基体产 生 并通过微管到达质膜 c o l ea n dl i p p i n c o t t s c h w a r z 1 9 9 5 在植物中每个 细胞有多个高尔基体 微丝在囊泡运输中扮演了重要角色 在高度极性化的细胞 花粉管中有重要证据 微丝可将囊泡运输相当长的距离 t a y l o ra n dh e p l e r 19 9 7 f r a n k l i n t o n g 19 9 9 虽然同样存在微管 但似乎微管在细胞核的迁移 及胞质的分区化中起作用 甚至在缺乏极性生长特征的根和胚芽鞘的细胞中 c a i e ta 1 1 9 9 7 目前的证据显示同样倾向于基于微丝的囊泡运输机锋j l j b a t t e ya n d b l a c k b o u m l9 9 3 尽管细胞骨架蛋白承担了囊泡的运输机制 但囊泡的停泊和融合机制还不 清楚 依据动物和酵母中根据重要证据的假说认为 这两个过程取决于囊泡和脂 膜自 r o t h m a n 1 9 9 4 通过在哺乳动物v e r o 细胞绿色荧光蛋白标记分泌囊泡 表明 囊泡的运动是随机的 显示微管维持囊泡运动是为了增加囊泡与脂膜接触 的机会 w a c k e re ta 1 1 9 9 7 另一方面通过酵母细胞骨架突变体研究表明 肌动 蛋白分泌定位中 极性生长和囊泡分散被打断了 这样的数据也表明在植物细胞 中有细胞板的形成 w i n s o ra n ds c h i e b e l 1 9 9 7 以上这些证据表明微丝和微管 同时参与了分泌囊泡的运输 s a m u e l se ta 1 1 9 9 55n e i m a n 1 9 9 8 2 分泌囊泡的加工与成熟 多糖和蛋白在合成加工后会运往细胞壁 d r i o