银杏雌雄配子体发育及胚胎形成的研究进展

银杏(Ginkgo biloba)是现存最古老的裸子植物之一, 其生殖过程表现出许多原始特征和独特性状, 长期以来备受国内外专家的关注。经过近100年的研究取得了显著成果: (1) 银杏雄配子体发育周期长, 经历了从平周分裂到斜背式分裂,并最终垂周分裂形成带有鞭毛的游动精子; (2) 银杏雌配子体发育经历较长的游离核期和细胞化期, 分化形成颈卵器母细胞并经平周分裂、垂周分裂和斜向分裂形成成熟的颈卵器(包括有4个颈细胞和1个卵细胞); (3) 推测其精细胞中的液泡状结构为受精过程中的遗传物质载体; (4) 原胚的形成经历了游离核期和细胞化期。该文针对国内外最新银杏生殖生物学方面的研究进展, 对银杏雌雄配子体发育、受精过程以及胚胎形成等方面进行较为系统全面的分析和总结, 为进一步的银杏生殖生物学研究提供有价值的参考资料。     

银杏雌性生殖器官发育过程的显微观察

对银杏(Ginkgo biloba)雌性生殖器官的发育过程进行了连续显微观察。结果表明: 功能大孢子经过大约1个月的分裂形成约5 000个游离核后开始细胞化。授粉后约45天近珠孔端两侧各产生1个颈卵器母细胞。授粉后约50天, 颈卵器母细胞 平周分裂形成初生颈细胞和中央细胞。授粉后约55天, 初生颈细胞垂周分裂形成2个扁平状次生颈细胞, 之后次生颈细胞体积逐渐增大并突入颈卵器腔。授粉后约130天, 2个次生颈细胞斜向分裂形成4个颈细胞, 中央细胞不均等分裂形成腹沟细胞和卵细胞。套细胞起源于颈卵器母细胞的周围细胞, 授粉后70天至受精作用发生前, 套细胞内不断积累营养物质, 且套细胞与中央细胞间的细胞壁以及套细胞之间角隅处的细胞壁均出现明显增厚现象。在受精及胚胎早期发育过程中, 套细胞内营养物质逐渐消失, 细胞逐渐解体。授粉后55天, 2个颈卵器之间的一些细胞向上突起形成帐篷柱, 之后帐篷柱体积逐渐增加, 并突入颈卵器腔。自授粉后120天至受精前帐篷柱细胞内开始积累大量营养物质, 随后这些营养物质在受精过程中被逐渐消耗。到了原胚游离核后期, 帐篷柱的顶端细胞发生变形并解体。     

银杏雌性生殖器官发育过程的显微观察

对银杏(Ginkgo biloba)雌性生殖器官的发育过程进行了连续显微观察.结果表明:功能大孢子经过大约1个月的分裂形成约5000个游离核后开始细胞化.授粉后约45天近珠孔端两侧各产生1个颈卵器母细胞.授粉后约50天.颈卵器母细胞平周分裂形成初生颈细胞和中央细胞.授粉后约55天,初生颈细胞垂周分裂形成2个扁平状次生颈细胞,之后次生颈细胞体积逐渐增大并突入颈卵器腔.授粉后约130天,2个次生颈细胞斜向分裂形成4个颈细胞,中央细胞不均等分裂形成腹沟细胞和卵细胞.套细胞起源于颈卵器母细胞的周围细胞,授粉后70天至受精作用发生前,套细胞内不断积累营养物质,且套细胞与中央细胞间的细胞壁以及套细胞之间角隅处的细胞壁均出现明显增厚现象.在受精及胚胎早期发育过程中,套细胞内营养物质逐渐消失,细胞逐渐解体.授粉后55天,2个颈卵器之间的一些细胞向上突起形成帐篷柱,之后帐篷柱体积逐渐增加,并突入颈卵器腔.自授粉后120天至受精前帐篷柱细胞内开始积累大量营养物质,随后这些营养物质在受精过程中被逐渐消耗.到了原胚游离核后期,帐篷柱的顶端细胞发生变形并解体.     

银杏套细胞发育的解剖学研究

银杏套细胞起源于近雄配子体表达的颈卵器母细胞周围细胞,中央细胞形成时,套细胞呈明显的一层,围绕颈卵器紧密排列,随着颈卵器的发育,套细胞体积逐渐地大,细胞质变浓厚,细胞质中脂滴增多,套细胞和中央细胞的接触壁开始出现局部加厚,在颈卵器发育的泡沫化阶段,套细胞和中央细胞的接触壁不均匀加厚较为显著,在较薄的区域可见胞间连丝,受精前,套细胞中液泡增多,脂滴迅速减少,造淀粉体增大,套细胞与卵细胞的接触壁的不均匀加厚非常明显,精核进入颈卵器以后,卵细胞与套细胞的接触壁和卵细胞的质膜之间形成一个薄厚不均的间隔层,受精卵分裂时,受精卵细胞与套细胞接触壁的凹陷处可见许多小泡和内质网,游离核期时,套细胞内出现大量小液泡,细胞内含物迅速消失,套细胞外形变长,胚胎长出颈卵器后,套细胞逐渐解体消失。     

阔鳞瘤蕨颈卵器形成与卵发生的初步研究

运用光学显微镜与透射电镜对阔鳞瘤蕨（Phymatosorus hainanensis(Noot.) S.G.Lu）颈卵器形成和卵发生进行了研究。阔鳞瘤蕨颈卵器产生于雌配子体生长点下方分枝毛状体内侧。切片观察表明颈卵器起源于配子体表面的原始细胞,该细胞经两次不等分裂形成3个细胞,上下两个细胞分别发育为颈卵器的颈部与底部壁细胞,中间的细胞为初生细胞,含有较丰富的细胞器。初生细胞进行两次不等分裂产生颈沟细胞、腹沟细胞与卵细胞。成熟颈卵器内颈沟细胞和腹沟细胞退化,卵细胞上表面产生受精孔。本研究阐述了阔鳞瘤蕨颈卵器形成和卵发生的细胞学过程,对阐明蕨类植物雌性生殖器官的发育特征有一定的科学意义。     

银杏精细胞结构及受精作用的细胞学研究

采用常规石蜡制片技术和环氧树脂半薄切片技术,对银杏的精细胞结构及受精过程进行了研究。结果表明,临近受精前,精原细胞分裂形成两个半球形的精细胞,每个精细胞内含液泡状结构、生毛体和纤维性颗粒体各一个。两精细胞的液泡状结构其位置可同时或分别位于近极面和远极面,这种位置的变动可能是鞭毛摆动导致精细胞的旋转所引起,这说明银杏的精细胞在花粉管内也许即可以旋转运动。在银杏受精前后,珠孔端颈卵器室附近的珠心组织表现出向上隆起、出现受精滴、皱褶等规律性变化,这些现象是判断银杏受精时期的良好形态特征。在银杏受精时带有鞭毛的完整精细胞进入颈卵器,随后鞭毛带及精细胞质遗留于颈卵器口下方、卵细胞上面,仅精核进入卵细胞。进入卵细胞的精核直径约30μm,小于成熟精细胞的精核直径（约40μm）。这些对探讨银杏的系统地位及裸子植物的生殖演化具有一定意义。     

阔叶鳞盖蕨配子体发育及卵发生的研究

采用显微镜和透射电镜对阔叶鳞盖蕨(Microlepia platyphylla)的配子体发育和卵发生过程进行了观察,以阐明其卵发生的细胞学机制,探讨其演化地位。阔叶鳞盖蕨孢子褐色,四面体形,具三裂缝,接种5~10d后孢子萌发,经丝状体和片状体阶段发育为心形原叶体,原叶体发育是铁线蕨型,通常为雌雄异株,精子器产生于不规则配子体的表面,颈卵器产生于心形原叶体生长点的下方,性器官是薄囊蕨型。卵发生研究表明,阔叶鳞盖蕨颈卵器产生于生长点下方表面细胞,经两次分裂形成了顶细胞、初生细胞和基细胞。其中初生细胞再经两次不等分裂产生卵细胞、腹沟细胞和颈沟细胞,此3个细胞通过胞间连丝紧密相连,随发育,腹沟细胞与卵细胞间形成了分离腔,但在孔区处始终通过胞间连丝相连,成熟卵细胞上形成了卵膜和受精孔,卵核表面产生了核外突,通过比较表明阔叶鳞盖蕨卵发生与蕨（Pteridium aquilinum）卵发生相似。     

樟子松受精作用和原胚的选择

樟子松发育成熟的雄配子体中的精子6月15日左右在颈卵器中上部与卵细胞结合,进行受精作用,其后,受精卵进行游离核分裂,形成8个子核时,开始形成细胞壁。它们再分裂1次,形成16个细胞的原胚。接着胚柄细胞层迅速生长、伸长,把下面的原胚送出颈卵器基部的细胞壁,进入胚乳中的溶蚀腔。原胚吸收溶蚀腔中的营养,生长发育。初期,胚的数目往往很多,但常常只有1个发育成熟。     

福建柏的配子体发育

福建柏花粉在4月中传粉。5月初,不育细胞、管细胞和精原细胞已经形成。6月底,精原细胞开始分裂,产生2个在大小和形态上都相似的雄配子。这两个精子都有授精的功能。福建柏起作用的大孢子,经过12次连续有丝分裂后,产生4096个(实际计算为3733—4224个)游离核,而后在核之间形成雌配子体胞壁。颈卵器数目为6—16个,多数为9—12个。复合颈卵器被2—3层套细胞所包围。颈细胞1—2层,共4个细胞。6月底,中央细胞分裂形成腹沟核和卵核。受精作用在卵细胞的中部进行。从配子体发育来看,福建柏属与圆柏属有许多共同之处。     

海金沙配子体发育及卵发生的显微观察

用光镜观察海金沙(Lygodium japonicum)配子体发育和卵发生。海金沙孢子为四面体形,具三裂缝,孢子萌发方式为密穗蕨型(Anemia-type);配子体的发育形态多样,通常丝状体长至3~5个细胞时通过顶细胞纵分裂发育为片状体,进而发育为心形原叶体,在心形原叶体上可产生精子器和颈卵器。但在培养过程中也可产生10个细胞以上的丝状体,这种丝状体发育成的片状体和原叶体形态通常不规则,只产生精子器,不产生颈卵器。原叶体发育是铁线蕨型(Adiantum-type),性器官是薄囊蕨型(Leptosporangiate-type)。切片观察海金沙颈卵器产生于生长点下方表面细胞,经两次分裂形成了顶细胞、初生细胞和基细胞。其中初生细胞再经两次不等分裂产生卵细胞、腹沟细胞和颈沟细胞,此时三个细胞紧密相连,随发育,颈沟细胞和和腹沟细胞退化,卵周围形成了分离腔,光镜观察显示成熟卵细胞上无典型卵膜形成,未观察到受精孔的结构。     

大叶补血草的大、小孢子发生与雌、雄配子体的发育

系统地报道了大叶补血草(Limonium gmelinii (Willd.) Kuntze)的大、小孢子发生和雌、雄配子体的形成发育过程。主要结果如下：(1)小孢子母细胞减数分裂过程中的胞质分裂为同时型,四分孢子多为正四面体形, 也有少数为左右对称形;(2)成熟花粉为三细胞型,具3个萌发孔;(3)花药壁由5层细胞组成,最外层为表皮,其内分别为药室内壁、中层、绒毡层,绒毡层为变形型,花药壁的发育属于基本型;(4)大叶补血草的雌蕊由5心皮合生,子房1室,基生胎座,胚珠1个,拳卷型,双珠被,厚珠心;(5)孢原细胞发生于珠心表皮下,经一次平周分裂,形成造孢细胞,由造孢细胞直接发育成大孢子母细胞,大孢子母细胞减数分裂形成4个大孢子呈直线排列,合点端大孢子具功能,属于典型的蓼型胚囊发育。     

防风大、小孢子发生与雌、雄配子体发育的研究

利用常规石蜡制片法研究了防风大、小孢子发生及其雌、雄配子体的发育过程。主要结果是：(1)小孢子母细胞减数分裂过程中的胞质分裂为同时型,小孢子四分体为四面体形;(2)成熟的花粉粒为三细胞型,具3个孔沟;(3)花药壁发育类型为双子叶型。花药壁由4层结构组成：最外层为表皮,其内分别为药室内壁、1层中层、绒毡层,绒毡层为分泌型;(4)防风的子房为2室,每室1胚珠,单珠被,薄珠心,倒生型胚珠。大孢子母细胞经减数分裂形成线形排列的4个大孢子,合点端大孢子具功能;(5)大孢子发生过程中,具有多个孢原细胞及多个大孢子母细胞的现象,但通常只有一个大孢子母细胞能继续发育;(6)胚囊发育属于蓼型;(7)防风的花为极端的雌雄蕊异熟,雄蕊的发育早于雌蕊的发育。     

海桐大、小孢子发育及雌、雄配子体形成的研究

利用常规石蜡制片法研究了海桐大、小孢子发生及雌、雄配子体发育的过程。结果显示:(1)小孢子母细胞减数分裂过程中的胞质分裂为连续型,四分孢子为以四面体形为主,四分孢子后期部分小孢子壁皱缩;(2)花药壁由4层结构组成,由外到内为表皮、药室内壁、中层和绒毡层;(3)海桐具多个胚珠,单珠被,薄珠心,胚珠类型为倒生胚珠。大孢子母细胞减数分裂主要形成线形排列的4个大孢子,还具有少有的十字形排列,功能大孢子位于合点端;(4)胚囊发育属单孢型的蓼型,成熟的雌配子体为四细胞五核胚囊。     

不同光照度下水蕨配子体叶绿素荧光特性的研究

以模式植物水蕨的两性配子体和雄配子体为材料,研究了不同光照度下蕨类植物配子体叶绿素荧光参数的差异,探讨水蕨配子体光系统Ⅱ(PSⅡ)对不同光照的响应规律.结果表明:同一光照度条件下,水蕨两性配子体的实际光化学效率(Ф_(PSⅡ))和潜在光化学效率(F_v/F_m)均高于雄配子体,但无显著差异,此时两者间的光化学猝灭系数(q_p)和非光化学猝灭系数(q_N)值也无显著差异;在4 000 lx光照条件下,两性配子体PSⅡ驱动的电子传递速率(ETR_(PSⅡ))显著高于雄配子体.随着光照度的增加,水蕨两性配子体的Ф_(PSⅡ)、ETR_(PSⅡ)和q_p值逐渐增加,且在4 000 lx光照下显著增加,但F_v/F_m和q_N值无显著变化;而雄配子体的Ф_(PSⅡ)、ETR_(PSⅡ)、F_v/F_m、q_p和q_N值均呈先增后减趋势,但各光照处理间无显著差异.研究发现,水蕨两性配子体PSⅡ的活性相对比雄配子体高;两性配子体和雄配子体的光保护能力相似;光照度对水蕨雄配子体的光合能力没有显著影响,而4 000 lx的光照度对水蕨两性配子体的生长最有利.     

蕨类植物性别分化对环境的响应

蕨类植物是维管植物中唯一的孢子体和配子体都能独立生活的类群.同型孢子蕨类配子体的性别分化受到激素和环境因子的影响.生理学研究表明,成精子囊素与赤霉素能诱导雄配子体发育,抑制雌配子体发育;脱落酸阻止成精子囊素诱导的精子器形成;乙烯合成前体ACC促进赤霉素诱导的精子器形成,而乙烯合成抑制因子AOA通过抑制细胞分化来抑制精子器形成.光照对不同种类蕨类配子体分化的影响存在差异.糖类能够促进雄配子体形成,并可加速成熟雌配子体向两性分化.钙离子、钴离子和甲硫氨酸等分别参与了蓝光和赤霉素对配子体性别分化的调控过程.培养密度影响配子体生长及性别表达,高密度下雄性和无性配子体居多,而低密度下两性和雌性配子体居多.近年来的突变体表型分析与分子生物学研究表明,成精子囊素通过影响ANI1、HER、TRA、FEM和MAN等基因的表达调控配子体性别分化.综述了蕨类植物性别分化对环境响应的研究进展.     

车桑子大孢子发生与雌配子体发育

采用常规石蜡切片法,对车桑子大孢子的发生和雌配子体的发育进行观察,探讨车桑子自然结籽率低的原因和明确其胚胎发育特征。结果表明:(1)车桑子花柱有花柱道,子房3室,中轴胎座,横生胚珠,每心室两枚胚珠,双珠被,厚珠心,无承珠盘。(2)位于珠心表皮细胞下的孢原细胞经平周分裂产生造孢细胞,造孢细胞发育为大孢子母细胞,大孢子母细胞经减数分裂形成线性四分体,靠近珠孔端3个大孢子退化消失,靠合点端大孢子发育为功能大孢子,大孢子发生类型为单孢子发生型。(3)单核胚囊经3次有丝分裂形成7细胞8核的成熟胚囊,胚囊发育类型为蓼型。(4)花器官形态的变化和大孢子发育过程有一定联系,可根据雌花形态特征大致判断大孢子发育时期。研究认为,车桑子雌配子体发育过程中出现的胚囊不中空、游离核不进一步细胞化等异常现象,可能是导致车桑子自然结籽率低的原因之一。     

亮毛蕨的配子体发育特征及其系统学意义

采用原生境土培养方法对亮毛蕨(Acystopteris japonica)进行培养,并对其配子体发育过程进行了观察。结果表明:亮毛蕨植物的孢子二面体型,极面观为椭圆形,赤道面观肾形,单裂缝,无周壁,外壁具棒状纹饰,孢子萌发为书带蕨型(Vittaria-type),原叶体发育为铁线蕨型(Adiantum-type)。丝状体4～7个细胞,片状体小楔状,仅3～5个细胞宽,成熟原叶体心形,裸露,初生假根具叶绿体,颈卵器较短;配子体发育较迅速,假根具分枝和膨大,精子器囊由3个壁细胞构成,颈卵器略弯曲。本研究首次观察到亮毛蕨的颈卵器壁细胞内含有球形颗粒,但其功能不详。亮毛蕨的配子体发育过程兼有原始和进化的特点。在适宜的光照和温度下,土壤培养亮毛蕨原叶体的成苗率达95%以上,移栽成活率达89%以上。     

中国科学家在植物受精过程中雌雄配子体信号识别机制研究中取得突破性进展

阐明植物雄配子体与雌配子体互作的分子机理一直是植物有性生殖研究的前沿和热点。但限于研究难度较大, 很多重要科学问题仍有待回答。关于花粉管如何感知雌配子体信号从而定向生长进入胚囊以投送精细胞就是悬疑多年的问题之一。最近, 中国科学家在解析雄配子体感知雌配子体引导信号的分子机制方面取得了突破性进展。