黄瓜的生物学研究进展.doc

1 黄瓜生物学研究进展 崔启微 摘摘 要要 通过介绍黄瓜在胚胎学 形态结构植物学 细胞学 育种学四个方面的生物学 研究进展 揭示黄瓜的胚胎学特征 雌 雄同株异花的特殊性别分化机理 花粉母细胞减 数分裂和雄配子发育 相反性器官的发育命运 和在实际育种中的单倍体的获得 微核仁 的发现等问题 关键词关键词 黄瓜 发育 性器官 黄瓜 Cucumis sativus L 是葫芦科中重要的蔬菜植物 它具有芳香的气味 较高 的食用价值 且在生理上为雌雄同株异花 因此成为研究植物性别分化 离体培养等方面 重要的实验材料 所得的研究成果引起了人们的广泛关注 本文对黄瓜的胚胎学 形态结 构植物学 细胞学 育种学四个方面的研究成果进行综述 旨在全面揭示黄瓜生物学研究 进展 1 黄瓜生物学研究的现状 1 1 黄瓜的胚胎学研究进展 迄今为止 有关黄瓜的胚胎学研究方面的报道资料还比较匮乏 仅从以下几个方面进 行简单的介绍 1 1 1 小孢子及雄配子体的发育 花粉是在花药中产生的 大多数的被子植物的花药具有四个小孢子囊 少数的具有两 个 他们由药隔组织分开 当花药达到成熟时期 每一侧的两个小孢子囊往往由于药隔消 失而连通 每一个小孢子囊包含药室和由数层细胞组成的药壁 在药室中产生小孢子并继 续留在小孢子囊中进一步发育形成雄配子体 即花粉 1 葫芦科的植物大多数是花药两室或者四室 在黄瓜和野黄瓜中 同一朵花上既有两室 也有四室 药室内壁有纤维加厚 中层有 1 3 层 它在发育的过程中消失 最内层的腺质 绒毡层细胞为 2 核或 3 核 黄瓜的小孢子母细胞的减数分裂和胞质分裂是同时的发生 小孢子经减数分裂产生营 养细胞和生殖细胞 生殖细胞的有丝分裂则产生两个雄配子即精细胞 在小孢子母细胞的 减数分裂的过程中 四分体是四分同裂的 如果没有发生变异 那么正常的花粉粒为 2 细 胞型 2 1 1 2 大孢子及雌配子体的发育 胚珠是种子的前体物 它在大孢子囊中形成大孢子 并继续留在大孢子囊中进一步发 育形成雌配子体 被子植物的雌配子体常称之为胚囊 胚囊的合点 珠孔轴具极性 典型 的结构形式是由七个细胞组成 在珠孔端有一个卵细胞和两个助细胞 在合点端有三个反 足细胞及在这两群细胞之间有一个大的含二极核的中央细胞 雌配子体发育又可以划分为两个时期 大孢子发生时期和雌配子发育时期 1 黄瓜具倒生的胚珠 双珠被 厚珠心 其珠孔由内珠被形成 胚珠发生孢原分裂形成 周缘细胞与造胞细胞 随着珠心表皮的分裂和再分裂形成多层周缘层 狭长的珠心喙在珠 孔中延伸 造胞细胞发育为大孢子母细胞 大孢子母细胞发生减数分裂 线形四分体的合 2 点端的大孢子发育为蓼形胚囊 助细胞具钩 极核在受精时融合 3 个反足细胞后来消失 常有淀粉粒存在 花粉管在珠孔基部膨大 1 1 3 受精作用 受精是指雄配子 精细胞 与雌配子 卵细胞 的融合 受精的终止即为新个体的起 点 被子植物发生的是双受精 即雄配子体的两个精细胞 一个与卵细胞融合 另一个与 含两个极核的中央细胞融合 双受精的结果导致被子植物的受精不仅产生胚 而且产生一 个新的结构 胚乳 整个过程经历的主要程序如下 花粉在柱头萌发和长出花粉管 花粉管生长通过 花柱 花粉管进入胚囊和释放内容物 配子融合 1 黄瓜属于单性花植物 其受精作用是基于雌雄同株异花的条件之上的 经历的时间约 为 24 32h 1 1 1 4 胚乳的发育 胚乳是双受精的产物 它的命运是最后作为一种特殊的营养组织 或早或迟被胚的发 育吸收而不存在 胚乳的发育是从初生胚乳核的分裂开始的 根据初生胚乳核分裂后是否 形成壁 胚乳分为三种类型 核型 细胞型 沼生目型 1 包括黄瓜在内的葫芦科植物的胚乳为核型 胚囊的上部隆起 其余的部分形成很明显 的合点吸器 在存活着的吸器中可观察到原生质的流动 2 胚乳的上部 即胚乳本体 在 发育的后期一般形成细胞的胚乳 而下部保持游离核的形态 胚乳的管状吸器部分含浓厚 的细胞质 其中的游离核经常数个聚集成群 有的种类吸器末端显著膨大 此外 当吸器 的活动减弱时 胚乳本体基部的周缘细胞常常变为排列疏松和形成乳头状的突起 它们有 浓厚的细胞质和较大的细胞核 似有代替原来吸器的作用 1 1 1 5 胚的发育 胚也是双受精的产物 它的命运是成为新一代独立生活的孢子体 胚包含一具叶的胚 轴 在子叶上方的胚轴极短和不明显 将来伸长为上胚轴 最上端的是胚芽 即胚性的茎 端 子叶下方的胚轴部分称为下胚轴 最下端产生胚根 胚的发育是从合子分裂开始的 经过原胚和胚的发育和分化阶段 最后达到成熟 1 黄瓜的胚的发育中 细胞的形成始于珠孔端 逐渐到合点极 而吸器仍保持多核 胚 胎 发生为柳叶菜型 葫芦科种子的特征可归纳为 种子无胚乳 有一个大的 直立的匙形胚 芽 子叶提供脂肪类养分 2 1 2 黄瓜的形态结构植物学的研究进展 黄瓜的形态结构植物学 着重于微观角度的探究 即着重于细胞形态方面 具体而言 则是雌 雄花的发育时期的形态特征 1 2 1 黄瓜的解剖学形态 黄瓜 葫芦科 黄瓜属 是一年生草质藤本植物 茎是蔓生的 长可达 3 米以上 有 分枝 茎上面长有细刺毛 黄瓜的叶片大而薄 呈五角状心脏形 叶缘有细锯齿 黄瓜是 雌 雄同株的植物 花是单性花 有雌 雄两种 雌 雄花的萼片和花瓣都联合成筒状 裂 花冠黄色 雄花有雄蕊 枚 两两结合 枚分离 雌花有雌蕊一枚 下位 子房 成小黄瓜形 果实是瓠果 表面常有棱 棱上有瘤状突起 突起上长有小刺 长数厘米至 3 70 厘米以上 嫩果颜色由乳白至深绿 果面光滑或具白 褐或黑色的瘤刺 有的果实有来 自葫芦素的苦味 种子扁平 长椭圆形 种皮浅黄色 黄瓜根系分布浅 再生能力较弱 1 2 2 黄瓜的花的形态 1 2 2 1 黄瓜的雌 雄花发育的外部形态变化 对黄瓜主要发育时期的雌 雄花的大小测量结果如下 3 表一 黄瓜雌 雄花发育的外部形态 Tab 1 Morphological characters of male and female flower of cucumber 花 的 类 型发 育 时 期 雄 花 mm 雌 花 mm 两性期1 75 士 0 232 35 士 0 26 大或小孢子母细胞时期3 22 士 0 354 06 士 0 47 大或小孢子四分体时期4 14 士 0 627 15 士 0 69 花粉粒初成期6 63 士 0 69 成熟雄花16 02 士 0 80 大孢子时期27 26 士 1 33 成熟雌花43 73 士 1 47 但是如果外界条件改变 特别是温度的变化 雌 雄花的发育进程也会发生改变 此 外 不同品种的雌 雄花的大小也存在着一定的差异 1 2 2 2 雌 雄花发育时期的内部形态特征 雌 雄花的发育可细分为十个时期 在这十个时期里 其典型的特征见表 2 4 表 2 雌 雄花的发育时期 Table 2 Developmental stages of female and fame flower 发育时期典 型 特 征 花芽原基在叶腋突起 花芽原基中心凹陷 分化出花萼原基 在花萼原基内侧进一步分化出花瓣原基 分化出雄蕊原基 分化出雌蕊原基 为两性期花芽 雄 花雌 花 花药原基体积迅速增大 从形态上 可以分辨出雄花 花芽中心开始凹陷形成下位子房 胎座 分化 胚珠出现 花粉母细胞减数分裂大孢子母细胞减数分裂 二分体二分体 四分体四分体 小孢子有丝分裂大孢子有丝分裂 花粉成熟胚囊成熟 开花期开花期 可见 黄瓜单性花的形成首先经历了两性期 之后再分别向雌花或雄花的方向发育 在两性期 时期 之前 雌 雄花之间不存在明显的形态学差异 4 1 3 黄瓜的细胞学研究进展 由于黄瓜具有雌雄同株异花的特点 人们针对黄瓜的性别分化等一系列问题进行过广 泛的研究 1 3 1 黄瓜性器官的发育 要想探讨黄瓜性别的决定 就要首先搞清楚黄瓜性器官的发育历程 1 3 1 1 黄瓜雌 雄花性别发育进程 大小孢子发育的细胞学形态特征 雄花的发育经历了两性期 花粉母细胞时期 小孢子母细胞 时期 小孢子四分体时 期 花粉粒初成期和成熟花粉粒时期 共五个重要的时期 在两性期 雄蕊原基特别发达 而雌蕊原基不明显 在小孢子母细胞时期 细胞核位于细胞中央 四周被液泡包围 至四 分体时期则可见明显的小孢子的核结构 从四分体中刚释放出来的花粉粒比较小 花粉壁 尚未完全发育 可见明显的细胞质和细胞核 花粉萌发孔不明显 整体上其典型的花粉粒 的特征还未完全表现出来 至雄花开花前一天 花粉粒可见有 3 个明显的萌发孔 在雄花 发育的花粉母细胞时期 雌蕊已明显退化成一痕迹 至雄花发育成熟时雌蕊痕迹仍清晰可 见 雌花在两性时期 雌 雄蕊均较发达 至大孢子四分体时期 仍可见明显的退化的雄 蕊 雌花中雄蕊的退化速度较慢 随着子房的发育 在子房的中腹出现胚珠 接着胚珠中 大孢子母细胞经减数分裂形成大孢子四分体 其中三个退化 一个成为功能大孢子 大孢 子具明显的细胞核 四周充满细胞液 经三次连续的核分裂发育成成熟的胚囊 3 近期的一些材料比较倾向于将雌 雄花的发育细分为十个时期 见表 2 不管具体划分为多少个时期 雌 雄花的不同之处就在于从两性期至形成大 小孢子 所经历的时间不同 雄花较短 雌花较长 而造成雌 雄花发育进程不一致的细胞形态学 原因主要是因为雌 雄花中相对器官退化的速度不一致 1 3 1 2 相反性器官的发育命运 在考察了黄瓜雌 雄花的发育进程之后 对雌 雄花中相反性别的性器官 雌花中的 雄蕊和雄花中的心皮 的发育命运的关注 也成为研究热点 先前的一些学者认为而造成雌 雄花发育进程不一致的细胞形态学原因主要是因为雌 雄花中相对器官退化的速度不一致 3 具体而言 是两性器官原基在发育的起始都出现 之后由于性决定基因的作用 其中一种原基在特定的阶段发育停滞 致使生殖器官败育而 丧失功能 但袁高峰等 4 认为 相反的性器官的发育命运 不能笼统的认为是 退化 在不同的 瓜类植物中 相反的性器官的发育命运是有明显区别的 在黄瓜的雄花的形成过程中 心皮能不断的进行细胞分裂 细胞数目和体积不断增大 并且在开花期分化出类似胎座组织的结构 这些证据都表明 黄瓜雄花中的心皮不是处于 停滞或逐步解体死亡的状态 而是一直具有代谢活性 只是和雌花中的心皮相比发育速度 比较缓慢 1 3 1 3 黄瓜雌花发育过程中柱头的腺特征 彭宜本等 5 利用透射电镜技术研究了黄瓜的雌花柱头发育过程中传递组织 分泌组织 和乳突细胞的超微结构 在整个发育过程中 乳突细胞和分泌组织细胞的细胞质内密布很 多管状及槽库膨大的内质网 产生很多分泌囊泡 在成熟柱头的传递组织和分泌组织细胞 5 间观察到大量的胞间连丝 乳突细胞和分泌细胞高度液泡化 质膜内折 在柱头发育过程 中分泌组织细胞的核周腔扩大形成裂瓣状核 到柱头成熟阶段裂瓣状核更加明显 进一步 的研究显示 在成熟柱头的不同组织细胞中 ATPase 的活性呈现在质膜和液泡膜上 随着 柱头的发育 PM H ATPase 的比活性明显增强 结果表明 黄瓜雌花柱头的腺特征随发育 进程而趋于显著 1 3 2 黄瓜性别决定的研究进展 1 3 2 1 黄瓜的性别分化 在黄瓜性别决定的细胞学研究中 揭示了黄瓜雌雄花的细胞学特征 黄瓜雌 雄花的 发育从花芽原基至雄蕊原基的出现 并无明显差异 在雌花中雄蕊原基出现后雌花进一步 发育 花芽的中心凹陷发育为下位子房 雄蕊的花药原基中并未分化出小孢子母细胞 开 花时 花药体积较小 并由一群形态结构基本一致的小型细胞组成 在雄花中 雌蕊原基 出现后 花芽的中心未发生凹陷 在以后的发育过程中 尽管体积有所增大 但至开花时 仍未产生柱头 花柱和子房 6 一般认为 黄瓜雌 雄花在发育早期 由于雌 雄花结构 无明显差异 故存在两性期 因此 我们认为 黄瓜花性别分化的启始不应早于两性期 电镜观察结果显示 早期滞育雄蕊细胞的质体具有简单的片层结构 不含淀粉粒 线 粒体的嵴不明显 开花时 质体内有较大的淀粉粒 线粒体分化出较明显的嵴 高尔基体 周围小泡丰富 同样开花时滞育的细胞内质体内大量积累淀粉粒 线粒体的数量较多 有 高度分化的嵴 高尔基体产生大量小泡 观察结果表明 尽管滞育雄蕊和滞育雌蕊正常的 发育途径受阻 但其细胞和某些细胞器仍在发育成熟 6 换言之 所谓的滞育并不是真正 的停止发育 而是改变发育途径 可见 植物性别的决定是长期发展进化的结果 而具体 的 深入的有关基因调控性别分化还有待进一步研究 1 3 2 2 黄瓜的性逆转 和其他植物相比 瓜类易受到外界环境的影响而发生性别表现状况的变化 其中黄瓜 的性别更容易受到激素的调控 完全的性逆转也容易发生 这很可能与其相反的性别的性 器官一直保持代谢活性有关 4 1 3 2 3 黄瓜花性别分化与内源多胺的关系 在通过对黄瓜雌 雄花发育的几个时期和性别逆转过程中内源多胺变化的研究 发现 7 雄花在不同发育时期 内源腐胺的含量均高于雌花 腐胺含量的显著升高伴随着花粉粒 的形成 高腐胺的含量是雄花发育的特征 雌花在大孢子母细胞时期以后直至雌花发育成 熟 其内源尸胺含量均高于雄花 高尸胺含量可能有利于雌花的发育 高水平的内源多胺 精胺和亚精胺可能有利于雌花大孢子母细胞的形成 亚精胺和腐胺含量随着大孢子四分体 形成和大孢子核的连续分裂而分别表现上升和下降 1 3 31 3 3 有关黄瓜的其他细胞学研究成果 1 3 3 1 黄瓜花粉母细胞减数分裂及雄配子发育的细胞学研究 对小黄瓜花粉母细胞减数分裂及雄配子发育的细胞学研究是借助改良的染色和制片的 方法完成的 8 结果表明 黄瓜减数分裂属于同时型胞质分裂 双线期染色体具有明显 的交叉节并呈现出较易识别的棒状或环状形态 在末期 和末期 有多核仁和核仁融合现 象 在四分体时期的小孢子成十字交叉形 而非四边形 雄配子体发育过程中观察到 6 两核居中期的特殊现象 在核居中期小孢子只有一层壁 而在核靠边期小孢子出现了两层 壁 黄瓜的成熟花粉粒属于两核花粉粒 钱春桃等 9 对黄瓜花粉母细胞减数分裂的研究中发现 黄瓜小孢子细胞减数分裂的同 步性比较高 细胞质是同时分裂的 在细胞核分裂的过程中 核仁在前期 到中期 逐渐 消失 在前期 再次出现 随后消失 染色体在前期 到中期 逐渐收缩 变得清晰 至 末期 解旋 变得模糊 在前期 再次清晰 1 3 3 2 黄瓜花粉母细胞减数分裂过程中微核仁现象的研究 在黄瓜高代自交系花粉母细胞减数分裂过程中 10 首次观察到了微核仁现象 在植物 有丝分裂间期核中 常出现一些不同于核仁的较小的球形结构 即微核仁 在实验中发现 花粉母细胞中微核仁的含量的变化具有一定的周期性 研究结果表明 微核仁的发生并不 是由环境因素改变造成的 同时也排除了减数分裂过程染色体行为异常的因素 1 4 黄瓜在育种学方面的研究进展 由于黄瓜是一种重要的蔬菜作物 栽培广 面积大 在蔬菜供应和国民经济中均占有 一定的地位 因此 黄瓜在育种学方面的研究也颇为广泛 例如 雷春 11 等利用单倍体材料获得对植物遗传研究和育种有重要价值的原理 通过 射线辐射花粉授粉并结合胚培养 从 3 个基因型中获得了单倍体植株 与正常二倍体植株 相比 单倍体植株生长缓慢 花器异常 研究发现 辐射剂量 亲本基因型 授粉组合对 座果率和单倍体产生率有一定的影响 曹清河 10 等在黄瓜高代自交系花粉母细胞减数分裂过程中 首次观察到了微核仁的现 象 在微核仁的周期性变化当中 染色体行为正常 并没有发现染色体畸变或者染色体桥 等现象 将此高代自交材料与三个商品种对照 分别在不同季节种植在不同地点 证明微 核仁仅在高代自交系上发生 且不受栽培季节和环境的影响 张玉华等 12 通过实验揭示出外源 Ca2 能降低高温下黄瓜单核期花药的胞内 Ca2 水平并 提高萌发率 而 ABA 的作用与此相反 外源 Ca2 和 ABA 处理能显著提高高温下黄瓜花药内 源 ABA 的水平 并产生新的蛋白质 以上结果表明 高温下外源 Ca2 可影响黄瓜花药内 ABA 信号系统 继而可能改变基因表达 并获得耐热性 外源 ABA 亦能影响黄瓜花药内 Ca2 信号系统 钱春桃等 9 对黄瓜花粉母细胞减数分裂的研究中还发现 寒冷的气候条件下栽培黄瓜 都能够形成高频率的多倍体 推测其形成很可能与低温逆境有关 他感作用被定义为 某种植物 包括微生物 生成的化学物质 对其他植物产生某种 作用的现象 陈奇涵 13 等利用这一原理 探讨了紫花苜蓿和黄花苜蓿对黄瓜生长的影响 发现 紫花苜蓿和黄花苜蓿对黄瓜的植株高度 座果数 成熟瓜数具有明显的促进作用 但都表现在果期早期或早中期 对黄瓜已座果的果实成熟 增重有促进作用 因小孢子发育时期与花蕾形态特征 花药颜色具有相关性 谢淼等 14 试图通过实验确 定黄瓜花药的最佳培养时间 并确定对应的选蕾标准 实验结果表明 黄瓜花药培养中小 孢子最佳培养时期为单核中后期 取蕾标准为 花蕾长度为 0 90 1 50cm 绿色 瓣尖未 张开 花药白绿色或淡绿色 瓜类蔬菜具有单性结实能力 且一般认为黄瓜的单性结实能力较强 孟焕文 15 等研究 了授粉对黄瓜果实发育 营养成分变化及采后果形变化的影响 结果表明 授粉可以减少 化瓜 刺激果实发育 提高果实商品性 并提高产量 其坐瓜率 商品瓜率 单瓜重以及 产量分别较单性结实有大幅提高 授粉瓜和单性结实瓜均表现为随着果实发育 可溶性蛋 白质和维生素 C 含量呈减少趋势 可溶性糖呈增长的趋势 游离氨基酸含量呈波动变化 7 但授粉瓜的 4 种营养成分均高于单性结实瓜 在采后 1 5 天 授粉瓜头部易膨大形成瓜头 而单性结实瓜果形变化不大 2 2 仍未解决的问题 黄瓜是传统性别分化研究的好材料 关于性别分化已经积累了较多的资料 但是从已 有的结果来看 黄瓜的性别分化是非常复杂的 还有许多问题有待解决 首先 是黄瓜性 别分化程序和性别决定的研究尚未取得实质性进展 虽然一些学者对黄瓜性别分化的一些 形态特征做了初步研究 但是还没有关于黄瓜花芽分化和性别分化过程的连续形态学观察 以及详细的雌 雄性器官形成过程的全面报道 因而还不清楚黄瓜雌 雄花在发育的哪个 阶段最初出现形态学上的差异以及这种形态学差异的具体表现 其次 是黄瓜性别分化的 激素调控机理还不清楚 第三 是对相反性器官的发育命运 还没有进行系统的研究 等 等 3 展望 由于黄瓜的特殊经济价值和独特的形态结构 表明它所蕴涵了极高的研究价值 随着 科学技术水平的不断提高 相信在这一领域存在的问题 必定会全部解决 参考文献 参考文献 1 胡适宜 被子植物生殖生物学 等教育出版社 2005 2 B M Johri K B Ambegaokar P S Srivastava Comparative Embryology of Angiosperms 1992 Springer Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong kong Barcelona Budapest 3 陈学好 陈艳萍 金银根 黄瓜性器官败育的细胞学研究 扬州大学学报 农业与生命 科学版 2003 24 2 68 71 4 袁高峰 赵普庆 孙海燕 汪俏梅 黄瓜性器官发育过程中显微形态研究及雄花发育 晚期 SDS PAGE 分析 浙江大学学报 农业与生命科学版 31 2 145 150 2005 5 彭宜本 白书农 许智宏 李一勤 黄瓜雌花发育过程中柱头的腺特征 植物学报 2003 46 3 319 327 6 李兴国 李全梓 张宪省 黄瓜性别决定的细胞学研究 山东农业大学学报 自然科学 版 2001 32 4 411 417 7 陈学好 曾广文 黄瓜花性别分化与内源多胺的关系 植物生理与分子生物学学报 2002 28 1 17 22 8 曹清河 陈劲枫 钱春桃 郭军洋 黄瓜花粉母细胞减数分裂及其雄配子发育的细胞学 研究 西北植物学报 2004 24 9 1721 1726 9 钱春桃 陈劲枫 娄群峰 曹清河 钱春桃 罗向东 黄瓜花粉母细胞减数分裂行为的研 究 武汉植物学研究 2003 21 3 193 197 10