被子植物受精机制的研究进展

被子植物的受精是一个复杂而精巧的过程。花粉管到达子房,通过退化助细胞进入胚囊,释放出两个精细胞。原来在花粉管中相互联结的两个精细胞在退化助细胞中分开,一个与卵细胞融合,另一个与中央细胞融合,完成双受精。目前对双受精过程中有关雌、雄配子识别的机制还知之甚少。本文介绍了目前被子植物精、卵细胞融合前后的细胞周期变化、退化助细胞的功能、精细胞在退化助细胞中迁移的研究动态、精细胞的倾向受精和卵细胞的激活等被子植物受精生物学领域中的一些新的研究成果和发展趋势。     

甘蓝型油菜珠孔与胚囊的超微结构研究

甘蓝型油菜的外珠孔基本上为开放结构,内珠孔为闭合结构。胚囊成熟时反足细胞已退化,仅由二个助细胞、一个卵细胞、与一个中央细胞组成。助细胞极性不明显,二个助细胞在花粉管到达前均显示同等退化迹象。卵细胞极性明显。中央细胞中含结构独特的质体。受精前,卵与中央细胞的质膜之间含有特殊的电子致密物质。     

天竺葵雌性生殖单位的超微结构

应用透射电镜研究了临近受精时天竺葵(Pelargonium hortorum Bailey)胚囊中的卵细胞、助细胞和中央细胞的结构。证明了卵细胞与助细胞以及助细胞与助细胞之间从合点端至珠孔端有很大的面积以质膜分界,仅珠孔端少部分以壁分隔。卵细胞与中央细胞之间同样缺乏细胞壁。在卵细胞的合点端,两质膜不同程度地分离形成宽窄相间的间隙。在间隙的絮状基质中存在小泡,这些小泡的产生似与卵和中央细胞中周质内质网的活动有关。推测小泡为多糖性质,可能为合子新壁的建造提供物质。卵细胞质中含巨大线粒体,质体和内质网也较丰富。基于超微结构的特征,可认为卵细胞具高度的生理合成活动的潜能。中央细胞极核位于珠孔端与卵器细胞毗邻,有利于在双受精作用中同时发生精细胞与卵细胞和精细胞与中央细胞核的融合。中央细胞的侧壁在珠孔端形成内突,具传递细胞的特点,表明这是雌配子体向孢子体摄取营养的重要部位。助细胞的细胞质含丰富的细胞器,这与多数植物中的相似,但具几个明显的特征,即核中存在微核仁,内质网形成圆球体或脂体,线粒体富集在丝状器的附近。传粉后花粉管进入胚囊之前,两个助细胞中一个退化。     

被子植物助细胞中钙含量的变化

助细胞是被子植物受精过程中花粉管进入胚囊并释放精子及其内容物的场所,而助细胞中不同时期的钙含量与受精作用的顺利完成密切相关。在大多数植物中,助细胞是成熟胚囊中钙含量最高的细胞。传粉后在花粉管中所产生的信号诱导下,助细胞中钙含量还可能继续增加。花粉管进入退化助细胞后,在超高钙环境中破裂并释放精子,精子沿退化助细胞转移到受精靶区实现双受精。随后助细胞中的钙含量迅速降低。因此钙在吸引花粉管、雄配子释放甚至雄配子转移等过程中都发挥了重要作用。     

受精依赖的卵细胞调控防止多精入卵的分子机制

在动物受精过程中,卵母细胞皮层颗粒所分泌的蛋白酶在防止多精入卵中起着重要作用。在有花植物的有性生殖过程中,受精过程则更为复杂。这一过程涉及到花粉管所运输的一对不可移动的精子分别与卵细胞和中央细胞融合的过程。在通常情况下,每个胚珠只会吸引一根花粉管,从而有效地降低多精入卵可能性。植物受精后防止多余花粉管进入胚囊的机制长期以来一直不清楚。武汉大学植物生殖研究团队最近的一项工作发现卵细胞本身在防止多花粉进入胚囊的过程中发挥了重要的作用。卵细胞特异性地表达两个天冬氨酸蛋白酶基因ECS1和ECS2,其mRNA在成功受精之后会快速降解。ECS蛋白在卵细胞的顶端区域以类似于动物皮层颗粒网络的形式分布,且其分泌过程也是受精依赖的。ecs1ecs2双突变体的胚珠呈现吸引多花粉的表型。ECS1和ECS2能够特异性地切割花粉管吸引物质LURE1。ECS1和ECS2在助细胞中的异位表达则会导致LURE1蛋白水平的降低及花粉管吸引能力的减弱。因此,ECS1和ECS2快速防止了多余花粉管进入胚囊。上述发现揭示植物的卵细胞能够感知受精并建立起一种受精依赖的快速防止多花粉管进入胚囊的机制。     

莴苣助细胞发育过程中钙的分布研究

用焦锑酸盐沉淀法对莴苣助细胞中的钙分布进行了观察。结果表明,开花前3天刚形成的助细胞中的钙颗粒很少:开花前2天助细胞壁中的钙颗粒增加;开花前1天助细胞珠孔端细胞壁加厚,其中积累了许多钙颗粒:开花当天助细胞珠孔端的丝状器中聚集了大量的钙颗粒。授粉后1h时两个助细胞的结构和钙分布发生差异,一个呈退化状,其中的钙颗粒明显增多,另一宿存助细胞中的钙分布与授粉前相似。去雄不授粉1天后两个助细胞均保持完好,且两助细胞中的钙分布没有明显差异,表明由花粉管引起一个助细胞中钙含量增加进而导致了助细胞退化。退化助细胞在卵细胞与中央细胞之间形成一薄层。助细胞退化后不同部位的钙颗粒呈现出与受精作用密切有关的变化:授粉后1h时,钙主要聚集在近合点端部位;授粉后2.5h卵细胞即将受精,这时许多细小的钙颗粒主要聚集在卵细胞与中央细胞之间的薄层中;授粉后4h精、卵细胞已融合,这时退化助细胞合点端的钙颗粒明显减少,而在其珠孔端又聚集了较多的钙。上述助细胞中的钙含量变化与吸引花粉管进入胚囊和促使精卵细胞融合密切有关。     

被子植物助细胞的发育和功能

助细胞是被子植物雌配子体的组成细胞之一, 是大多数被子植物完成受精作用的关键环节之一。在受精过程中, 助细胞吸引花粉管向雌配子体生长, 并接受花粉管长入细胞程序死亡助细胞中。接下来的花粉管停止生长和花粉管顶端破裂释放出2个精细胞的过程可能也依赖于助细胞。另外, 雄性生殖单位的解体、提供精细胞的运动轨道和启动精细胞合成DNA的生物学事件也可能与助细胞有关。助细胞的形态结构已研究得比较清楚, 但有关助细胞的发育机理和它在受精过程中的作用则仍不明确。近年来对助细胞的研究又取得了一些新结果, 尤其是一些分子生物学的研究结果为揭示助细胞的功能提供了重要线索。该文总结了这方面的研究成果, 并对助细胞的生殖功能进行了分析。     

被子植物助细胞的发育和功能

助细胞是被子植物雌配子体的组成细胞之一,是大多数被子植物完成受精作用的关键环节之一。在受精过程中,助细胞吸引花粉管向雌配子体生长,并接受花粉管长入细胞程序死亡助细胞中。接下来的花粉管停止生长和花粉管顶端破裂释放出2个精细胞的过程可能也依赖于助细胞。另外,雄性生殖单位的解体、提供精细胞的运动轨道和启动精细胞合成DNA的生物学事件也可能与助细胞有关。助细胞的形态结构已研究得比较清楚,但有关助细胞的发育机理和它在受精过程中的作用则仍不明确。近年来对助细胞的研究又取得了一些新结果,尤其是一些分子生物学的研究结果为揭示助细胞的功能提供了重要线索。该文总结了这方面的研究成果,并对助细胞的生殖功能进行了分析。     

被子植物受精作用的分子和细胞生物学机制

被子植物双受精包括精-卵、精子-中央细胞两个融合过程。由于双受精深藏于母体组织中进行, 长期以来一直是植物有性生殖研究中的难点。近年来, 随着各种植物配子体cDNA文库的构建, 各种离体研究系统的建立和突变体分析的兴起, 极大地推动了被子植物受精作用研究的快速发展, 增进了人们对被子植物受精过程的分子和细胞生物学机制的深入了解。本文着重讨论受精作用的若干重要发育事件, 包括受精前卵器细胞对花粉管向胚珠定向生长的近距离引导信号, 精子的靶向运动,精、卵细胞相互作用和配子融合后卵细胞的激活与中央细胞发育的启动等。     

被子植物受精作用的分子和细胞生物学机制

被子植物双受精包括精-卵、精子-中央细胞两个融合过程。由于双受精深藏于母体组织中进行,长期以来一直是植物有性生殖研究中的难点。近年来,随着各种植物配子体cDNA文库的构建,各种离体研究系统的建立和突变体分析的兴起,极大地推动了被子植物受精作用研究的快速发展,增进了人们对被子植物受精过程的分子和细胞生物学机制的深入了解。本文着重讨论受精作用的若干重要发育事件,包括受精前卵器细胞对花粉管向胚珠定向生长的近距离引导信号,精子的靶向运动,精、卵细胞相互作用和配子融合后卵细胞的激活与中央细胞发育的启动等。     

蓝猪耳受精生物学研究进展

蓝猪耳(Torenia fournieri L.)胚囊半裸露,在光学显微镜下能清楚观察到卵细胞、助细胞及部分中央细胞的形态结构,有助于原位观察卵细胞在受精前后的变化状态,被认为是研究被子植物体内受精机理的一种模式植物。综述了蓝猪耳的受精机理:花粉管定向进入胚囊的方式与机理、钙在受精过程中的作用、受精前后胚囊细胞骨架的动态变化。简要介绍了离体受精技术在蓝猪耳受精生物学中的发展应用。根据前人对蓝猪耳的研究成果并结合我们的研究,指出蓝猪耳在受精生物学中的应用,特别是借助离体受精技术平台,将具有更大的研究前景。     

《Molecular Plant》文章中文摘要

拟南芥配子体发育相关的减数分裂和有丝分裂细胞周期突变体（综述）;基于S-核酸酶的自交不亲合的生化模型（综述）;GEX3,在拟南芥雄配子体和卯细胞中表达,对于珠孔花粉管定向生长非常重要同时在胚胎早期发育中起作用;绒毡层降解阻滞对水稻花粉发育过程中的脂肪代谢和基因调控很关键;拟南芥双受精涉及阻断卯细胞的多精受精而非中央细胞……     

颠茄胚囊细胞原生质体的酶法分离和观察

分离被子植物雌配子原生质体对发展植物受精工程有着重要意义。最近几年,虽然用酶法分离生活的胚囊已有一些成功的报道。但对分离组成胚囊细胞的原生质体前人还没有进行过尝试。1984年我们首次从烟草生活胚珠中分离出卵细胞、中央细胞、助细胞和反足细胞的原生质体。最近我们又用颠茄胚珠为材料,采用酶解压片技术进行分离胚囊细胞的原生质体,也取得预期的结果。获得了有活性的卵细胞、中央细胞和助细胞的原生质体。从而证明这项技术是有推广应用价值的。在观察中发现用酶法分离生活胚囊细胞的原生质体,能     

水稻胚囊超微结构的研究

水稻(Oryza sativa L.)胚囊成熟时,卵细胞的合点端无细胞壁,核居细胞中部,细胞器集中在核周围,液泡分散于细胞周边区域。助细胞珠孔端有丝状器,合点端无壁,核位于细胞中部贴壁处,细胞器主要分布在珠孔端,液泡主要分布在合点端。开花前不久,一个助细胞退化。中央细胞为大液泡所占,两个极核靠近卵器而部分融合,细胞器集中在极核周围和靠近卵器处,与珠心相接的胚囊壁上有发达的内突。反足细胞多个形成群体,其增殖主要依靠无丝分裂与壁的自由生长,反足细胞含丰富活跃的细胞器,与珠心相接的壁上有发达的内突。开花后6小时双受精已完成,合子和两个助细胞合点端均形成完整壁。合子中开始形成多聚核糖体、液泡减小。退化助细胞含花粉管释放的物质,其合点端迴抱合子。极核已分裂成数个胚乳游离核,中央细胞中细胞器呈活化状态。反足细胞仍在继续增殖。讨论了卵细胞的极性、助细胞的退化、卵器与中央细胞间界壁的变化、反足细胞的分裂特点等问题。     

花粉管生长和极性引导的孢子体和配子体控制研究进展

双受精是被子植物特有的生殖方式,精细胞只有通过花粉管穿过花柱才能到达子房、胚珠受精。花粉管在母本组织中的生长和引导包括孢子体控制(sporophytic control)和配子体控制(gametophytic control)两个连续的过程,现已克隆出不同阶段花粉管生长和引导的基因,通过分析其表达调控揭示出花粉管生长和引导的分子机制。该文就近年来国内外有关花粉管生长和极性引导的调控机制研究进展进行综述,并对禾本科(Poaceae)和十字花科(Brassicaceae)植物花粉管引导的异同点进行了比较分析。     

植物的生殖讲座（六）：被子植物的双受精

简要介绍了近十几年来在被子植物双受精中有关结构与功能研究的进展。在被子植物的胚囊中,助细胞吸引花粉管进入胚囊,促进花粉管释放内容物,使精子达到受精的靶区。配子以细胞融合的方式进行精卵结合,雄性细胞质在某些种中不进入卵中而在某些种中精子细胞质进入印中。讨论了雄性细胞质传递与细胞质遗传的关系。介绍了精子二型性现象、倾向受精和精卵识别研究工作进展。     

打碗花（旋花科）受精前和受精后的卵器和中央细胞的超微结构

观察了受精前打碗花（ＣａｌｙｓｔｅｇｉａｈｅｄｅｒａｃｅａＷａｌ．）成熟胚囊的超微结构及在受精后的变化，并描述了卵细胞、助细胞与中央细胞在胚囊中部位结构上的关系。证明它们之间的界壁大部分只具质膜，表现与被子植物的大多数在受精的靶区缺少壁相似的特征。在超微结构上，雌性生殖单位各组成细胞除具一般的特征外，还表现有一些不寻常的特点：卵细胞核位于合点端的大液泡之上，细胞质中含多聚核糖体；中央细胞不仅在向珠心的一面具壁内突，而且在向助细胞一面也具内突。这些特点可能与其受精周期短和缺少反足细胞相关。作者提出了把打碗花雌性生殖单位作为一个结构与功能相适应的结构，以保证成功的受精的结论。     

烟草未受精中央细胞及其它胚囊细胞的离体分裂

自70年代中期以来,未传粉子房和胚珠的离体培养已在多种植物中取得成功,得到的单倍体植株来源于胶囊中的卵细胞、助细胞以及反足细胞。而分离的未受精胚囊及其成员细胞的离体培养虽屡经尝试,迄今只有Kranz等诱导了玉米未受精卵细胞分裂形成小愈伤组织,至于中央细胞与其它雌配子体细胞则无离体分裂的报道。本文报道大叶烟草未受精中央细胞首次培养成细胞团及其它胚囊细胞启动离体分裂的实验结果。     

多胚水稻品系SB—1的细胞胚胎学研究：助细胞无配子生殖

对多胚水稻（Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ Ｌ．）品系ＳＢ－１ 自然群体中单倍体来源进行的细胞胚胎学研究表明,卵器中的一个或两个助细胞能在受精之前发育成胚,其发生率分别为观察子房数的２．２４％ 和１．７５％ 。在１ 个助细胞提前发育成胚的胚囊中观察到双受精作用。在开花后３—８ ｄ的颖果中观察到１．６２％ 的与合子胚迥异的异位瘦长单胚和０．８１％ 的有胚无胚乳子房,根据胚所处的位置认为其来源于助细胞无配子生殖。此外,还观察到极少数的中央细胞未经受精自发产生胚乳的现象。讨论了ＳＢ－１中发生的无配子生殖的意义     

白头翁的受精及组织化学研究

成熟花粉为二细胞,生殖细胞的蛋白质染色较营养细胞的深,淀粉粒充满营养细胞。花粉管常见穿人正在退化中的助细胞,并释放出两个精子,大量稠浓的蛋白质和淀粉,个别的释放在助细胞与胚囊壁之间。在一些卵细胞核,次生核(或极核)中,受精前后有1—3个小核仁(约1微米);助细胞具丝状器;反足细胞宿存,具多核和多核仁。胚囊中各个细胞的原生质稠浓程度和蛋白质染色深浅不同,其中以反足细胞和助细胞的原生质最稠浓,蛋白质染色最深。淀粉十分贫乏,绝大多数卵细胞,中央细胞和几乎全部助细胞和反足细胞均不含淀粉。双受精属于有丝分裂前类型,两性核融合步骤为:精子核接近和贴附在卵核和次生核上(或极核上),两性核的核膜溶解,其染色质沉入融合核,并随之松解,同时出现雄性核仁,最终,雄性核仁和雌性核仁合并,形成具单核和单核仁的合子和初生胚乳细胞。另外,雄性核仁同卵核仁合并较雄性核仁和次生核的晚,所以卵细胞完成受精较次生核晚。