花粉发育的超微结构

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第985页（4447字）

20世纪30年代以来，人们利用透射、扫描、冷冻蚀刻的方法，结合生理、生化、细胞化学、放射自显影、萤光显示和图像分析等技术研究花粉发育的超微结构与功能的关系，阐明了花粉的发生、发育过程及其成熟时的形态结构和功能，为植物分类学、遗传育种学、细胞生物学、生理学和形态发生学等学科的研究提供基础理论资料。

小孢子是小孢子母细胞减数分裂的产物。很久以来，揭示减数分裂过程系列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。关于小孢子母细胞的壁积累胼胝质并最终被包围的生物学意义有两种见解：R．N．Kapil等(1978)认为此现象是减数分裂的先决条件，也是后来4个减数孢子转变为小孢子的前提；而Johri(1984)则认为花粉母细胞孤立化未必是减数分裂的先决条件，因为当胼胝质壁孤立性母细胞时，细胞器、细胞质已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，从而转向单倍配子体的发育。

樊汝汶等(1992)报道，在中国鹅掌楸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。

Heslop-Harrison等(1966)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。陈祖铿等(1988)报道，在知母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)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，或如同分子筛，控制着细胞间的物质交流，成为减数分裂同步性的原因，或使小孢子间保持相对的独立性；尹曾芳等认为，或因种而异，或二者兼而有之，是因发育时期不同而异。

此外，胼胝质壁可以控制花粉外壁的形态建成。

R．G Stanley(1974)等认为，核把信息通过胞质送到胼胝质壁层，形成印章一样的负模板，然后压制出外壁上特有的雕纹。

在减数分裂过程中，小孢子母细胞内部发生深刻的变化，主要体现在胞质融合与胞质重组，最早在月见草属植物中发现胞质融合现象。郑国锠等(1955)不仅发现百合的小孢子母细胞间、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。

黄芪和多合花粉植物属梅笠草属的胞间通道存在于减数分裂的全过程，表明小孢子母细胞胞间染色质的转移是没有时间性的。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。小孢子母细胞适应减数分裂的需要，保持着较高的代谢水平，随着核的巨变，细胞器及内含物均发生变化。1971年，学者们对紫露草属的和百合属的植物进行了详尽的电镜研究，发现线粒体和质体的变化最为明显。线粒体的结构由复杂到简单，直至小孢子形成后，线粒体才恢复为具有充分发达嵴膜的正常形状。同时，质体也有相似的变化，主要表现在片层结构的减少，不能沉积淀粉。

研究资料证实，这一现象也存在于其他植物中。HeslopHarrison称这种现象为胞质重组，是减数分裂的普遍性状，因为由二倍体向单倍体转变需要合适的物质环境。

从四分体中释放的小孢子具有浓厚的细胞质和细胞器，可以经过进一步的分裂、分化形成雄配子体。

小孢子第一次有丝分裂时细胞器的分布有着决定性的意义。

在被子植物的雄配子体发育过程中，质体的不等分布非常普遍。R．Hagemann(1981)根据细胞学分析，将被子植物分为4种类型：番茄型，生殖细胞与精子中不含质体；茄型，只在幼嫩的生殖细胞中含质体，成熟生殖细胞或精子中质体退化；小麦型，生殖细胞与精子具有质体，但在受精过程中质体与精核脱离；天竺葵型，生殖细胞与精子都具质体，并转移到合子中。

值得注意的是，营养细胞中脂体的分布更为特殊。陈祖铿(1988)等发现在知母小孢子向二细胞花粉过渡时期，脂体紧密地排列在生殖细胞的周围，并将其称为“脂体冠”。“脂体冠”并不稳定，部分脂体可能扩散到细胞质中。

“脂体冠”形态已在多种植物中得到印证。

微管微丝作为细胞骨架的构成成分，一直受到学者们的注意。在生殖细胞分裂分化过程中，其形状发生一系列的变化，而且不同植物的生殖细胞及精子的形状也不相同。

朱澄等(1979)证明小麦精细胞的细胞质中有微管和大量与精细胞纵轴相平行的纤丝状结构，并发现微丝与肌动蛋白朊有相似结构，认为这不但与精子的形状而且也与精子的运动有关。J．M．Sanger和W．T．J．Jack-son等(1971)曾有实验资料证明生殖细胞中的微管对维持细胞的形状有一定的作用。20世纪80年代末90年代初期，在百合等植物的花粉管中发现微丝束，探讨了其与细胞质运动的关系。到目前为止，学者们已在多种植物中证实微管可以维持生殖细胞与精子的形状。在生殖细胞和精子中，微丝是否普遍存在以及微丝的功能，是学术界的研究热点。

生殖细胞分裂前夕为裸细胞，而在发生早期或游移于营养细胞中时曾有胼胝质素壁(樊汝汶等，1992)或纤维壁。

生殖细胞形成后不久即进行DNA复制，接着进行有丝分裂。但在离体培养的花药组织和经过低温处理的植物中，生殖细胞可以进行无丝分裂。孙敬三等(1984)将生殖细胞的分裂划分为劈裂和碎裂两种方式；无丝分裂没有适当的机制保证遗传物质在细胞中平均分配，可能导致精细胞间的倍性差异，对生物个体的发育存在一定的影响，这是值得深入研究的课题。营养细胞是维持生殖细胞分裂的能量来源之一。研究发现，营养核的形态结构在生殖细胞的分裂过程中发生巨大的变化，生殖细胞在分裂早中期以前与营养核紧密贴合。越来越多的资料表明，营养细胞在生殖细胞的分裂过程中有着不可或缺的作用。

1970年，W．A．Jensen等报道在棉花花粉管中的两个精细胞首尾相连，并同营养核也连接在一起。1984年，C．R．B．Dumas，综观不同植物的研究报道，提出雄性生殖单位的概念，意指两个精细胞与营养核在生殖过程中是一个功能统一的传送单位，存在着物理上的连结或结构上的连接。随着先进的定量细胞学和三维重构技术的应用，进一步确证在十几种被子植物中具有雄性生殖单位，并提出精子异型性的概念，即从一个生殖细胞来源的两个姐妹精细胞之间存在形态结构上和遗传上的差异(胡适宜等，1990)。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了一个新的水平，已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。

但雄性生殖单位是否是被子植物的普遍特征尚有待于广泛的调查研究。

在减数分裂完成后，包围在胼胝质壁内的小孢子开始在胼胝质壁和质膜间积累壁物质。

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：当小孢子仍被胼胝质壁包裹时，外壁的雕纹已经形成，其中胼胝质壁起很大的作用；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，其形成过程都受核信息的控制。大多数学者认为外壁的图式受控于二倍体的染色体组。

至于花粉壁雕纹如何受核基因的控制，则是值得深入探讨的问题。

成熟花粉壁明显地区分为外壁和内壁两层；外壁又分外壁外层和外壁内层，其中外壁外层包括覆盖层、基粒棒层和基足层。熊足铁筷子花粉成熟时，首先形成原外壁，随后积累迂曲的片层，构成原基粒棒，并逐渐沉积孢粉素形成基粒棒，然后基粒棒两端扩展形成覆盖层和基足层，最后形成外壁内层和内壁。

研究资料证实，外壁内层及内壁由纤维素构成，外壁外层则由孢药素组成。花粉壁的组成物质分别来源于小孢子和花粉绒毡层。参与壁形成的细胞器为内质网和高尔基体。有关资料表明，许多植物花粉壁的形成过程及组成成分非常相似，但也有特殊情况，如Tapenochilas的小孢子从四分体释放后外壁无基粒棒，仅由紧密相连的排列无序的小棒组成，其外有厚的成层覆盖物，无孢粉素沉积。另外，在复合花粉春兰中，尽管花粉壁也分外壁和内壁，但因所处部位不同，外壁结构存在很大差异。裸子植物的外壁内层通常为3层型的片层结构(罗汉松属的个别种除外)，穗花杉(席以珍，1986)的花粉最为典型。

片层结构的厚度和数目在各属间是不同的。杉木为5～8层，水杉为10～15层。关于花粉内壁的研究报道甚少，仅知道它和外壁内层同时发育，主要成分是果胶纤维素，且在萌发孔区域明显增厚。

花粉壁蛋白分外壁蛋白和内壁蛋白两种。

外壁蛋白由孢子体的绒毡层细胞合成，于花粉发育后期被转移至外壁，存在部位因种而异。内壁蛋白是花粉本身的细胞质合成的，小孢子发育时，质膜生径向排列的小管伸进发育的内壁，同时沉积相当数量的蛋白质，以萌发孔区域最为丰富。

花粉壁蛋白被认为是孢子体和配子体亲和性的识别物质，近期有人观察到花粉壁蛋白和柱头乳突细胞的表膜结合。花粉壁蛋白的研究为探讨不亲和性机理以及寻求克服方法提供了新的思路和途径，并已取得显着成果。

电镜研究结果表明，花粉发育的每个时期都可能发生败育。

绒毡层的败育直接导致营养物质的缺乏，使小孢子一直处于饥饿状态，并会不适时地释放胼胝质酶，使小孢子非正常消解，导致小孢子发育异常。

在小孢子发生过程中，小孢子母细胞长期被厚厚的胼胝质壁包裹或过早消解，以及四分体小孢子的胼胝质壁过早或过迟地消解或根本没有形成胼胝质壁，都会导致减数分裂不能正常进行，或因没有启动因子而无法开始，甚至形成小孢子后也会发生败育，从而影响形成正常的花粉粒。

液泡系是一个溶酶体系统。

已在许多植物的细胞中观察到异常活动的液泡系，尤其在发生败育的绒毡层细胞、小孢子母细胞、四分体小孢子及正在发育的小孢子细胞中，这种现象更为明显(H．G．Dickinson，1971；胡适宜等，1974)。细胞中的液泡内常含有正在消解的细胞器和细胞质，最后导致细胞的“空泡化”，最终整个细胞解体死亡，造成花粉质量的降低。

关于植物雄配子的研究进展很快，是植物生殖生物学研究的核心问题之一。随着花粉的人工培养和人工分离精子的操作技术的完善以及生理生化、细胞化学和图像显示技术的应用，对于植物雄配子的电镜研究会日趋深化，并向着植物实验生殖生物学的方向深入开展。

(南京林业大学尹增芳、樊汝汶撰)