被子植物双受精过程

第 九 章 受 精 第 一 节 双 受 精 过 程 受 精 即 雌 、 雄 配 子 的 融 合配子配合前期（progamic phase）配子配合（syngamy） 一 、 花 粉 萌 发 花 粉 被 传 送 到 雌 蕊 的 柱 头 上 ，柱 头 具 有 特 殊 的 表 面 ， 适 于 “ 捕 捉 ”和 承 受 花 粉 ， 并 为 花 粉 萌 发 时 提 供必 须 的 水 分 。 柱 头 通 常 有 大 的 表 面 ， 表 皮 细胞 变 为 乳 突 状 或 毛 状 ， 适 于 附 着 花粉 。 在 柱 头 的 乳 突 （ papillae） 的 表面 ， 存 在 一 层 亲 水 蛋 白 质 的 薄 膜 。一 方 面 有 粘 着 花 粉 或 水 合 花 粉 的作 用 ， 同 时 也 是 不 亲 和 系 统 的 识别 反 应 的 位 置 。 烟 草 柱 头 扫 描 电 镜 照 片 湿 型 柱 头 ： 柱 头 在 传 粉 时 有 溢 出 物 ，它 为 花 粉 萌 发 提 供 必 须 的 基 质 。 溢 出物 含 少 量 游 离 的 糖 ， 还 含 脂 类 和 酚 的化 合 物 。 干 型 柱 头 ： 柱 头 在 传 粉 时 是 不 产 生 分泌 物 的 。 这 种 柱 头 由 于 在 表 面 存 在 蛋白 质 薄 膜 的 亲 水 性 ， 能 通 过 其 下 层 的角 质 层 的 中 断 处 汲 水 ， 辅 助 粘 着 花 粉和 使 花 粉 获 得 萌 发 必 须 的 水 分 。 花 粉 萌 发 花 粉 落 在 柱 头 上 以 后 ，几 秒 钟 之 内 即 由 花 粉 外 壁 释 放 出蛋 白 质 ， 与 柱 头 表 面 的 蛋 白 质 相互 作 用 。 二 者 如 果 是 亲 和 的 ， 产 生 “ 认 可 ”反 应 ， 花 粉 粒 由 周 围 吸 收 水 分 ，内 壁 由 萌 发 孔 伸 出 为 萌 发 管 。 二 、 花 粉 管 在 雌 蕊 组 织 中 生 长 1 花 粉 管 进 入 柱 头 和 花 柱 从 柱 头 组 织 的 细 胞 壁 之 间 或 通 过 细 胞 壁向 下 生 长 的 开放型花柱：有 中 空 的 管 道 ， 管 道 内表 皮 细 胞 能 分 泌 粘 性 物 质 ， 花 粉 管 沿 着管 道 的 内 表 面 ， 在 粘 液 中 向 下 生 长 。 闭合型花柱 ：没有中空的花柱道，有引导组织 。细胞内含丰富的细胞器，具较高的活性，花粉管在充满基质的间隙中生长。 花粉管在花柱中生长 花 粉 管 生 长 部 位 ： 花 粉 管 尖 端 5 m左 右 有 生 长 点 ， 在 光学 显 微 镜 下 呈 较 透 明 的 半 球 形 ， 其 中含 有 高 尔 基 体 、 核 糖 体 等 多 种 细 胞 器 ，丰 富 的 RNA， 各 种 酶 类 和 多 糖 、 油 滴 等 。这 些 特 征 与 形 成 新 的 管 壁 有 关 。 花粉管生长的营养来源：（1）花粉本身的贮藏物 （2）柱头和花柱组织中 2 花 粉 管 到 达 胚 珠 和 进 入 胚 囊 花粉管穿过珠孔后，径直朝向助细胞丝状器从而进入胚囊中。花粉管穿入两个助细胞中的一个后，于花粉管的顶端形成一个孔，从孔中释放出花粉管的内容物。 精 细 胞 、 一 个 营 养 核 和 少 量 细 胞 质 三 、 双 受 精 精 子 *卵 合 子 胚 精 子 *两 个 极 核 初 生 胚 乳 核 胚 乳 被子植物的双受精A花粉管进入胚囊 B花粉管释放出内含物 C两个精子分别转移至卵和中央细胞 D精核转移示意图a.精子与卵接近，b.精核在转移中，c.精核转移到卵细胞中 第 二 节 配 子 的 融 合 花 粉 管 进 入 胚 囊 是 经 由 退 化 的 一 个 助 细 胞 一 般 认 为 细 胞 内 高 水 平 的 游 离 钙 或 松 弛 的结 合 钙 ， 是 导 致 助 细 胞 退 化 的 主 要 因 素 。另 一 方 面 ， 花 粉 管 成 分 、 渗 透 压 或 pH的 改变 ， 所 有 这 些 因 素 构 成 的 微 环 境 ， 对 促 进花 粉 管 的 释 放 和 停 止 生 长 起 作 用 。 两 个 精 细 胞 在 花 粉 管 中 下 行 时 ， 它 们一 直 维 持 连 结 。 雌 性 生 殖 单 位 结 构 特 点 ， 阐 明 了 在 受精 的 靶 区 缺 少 细 胞 壁 ， 从 而 认 识 到 雌 、雄 配 子 之 间 能 通 过 膜 的 融 合 而 为 为 一体 。 二、配子融合时雄配子细胞质的参与 虽 然 能 确 定 融 合 前 的 精 子 是 具 细 胞 质的 ， 但 对 它 们 与 雌 性 配 子 融 合 时 ， 细胞 质 是 否 也 同 核 一 起 进 入 雌 配 子 ， 至今 未 有 一 致 的 结 论 。 1、在 配 子 融 合 时 ， 两 个 精 子 的 细 胞 质都 不 参 与 融 合 。陆地棉 在这种融合模式中尚有一个未能阐明的问题，即核从精细胞独自转移的完成，精细胞必须维持凝胶状态，阻止精细胞质流动至卵细胞及接着发生细胞质的闭合。然而，既使在受精时每分钟采样的详细观察也未得到显示膜闭合的证据。 2、与卵融合的精子的细胞质被排斥，而与中央细胞融合的精子细胞质参与融合。 大 麦 3、与卵及与中央细胞融合的精子细胞质都参与融合。矮 牵 牛 三 、 配 子 质 膜 的 融 合 精细胞被释放在卵与中央细胞之间的区域。包围它们的花粉管内质膜崩解，两个裸露的精细胞同时分别与卵和中央细胞接触。精细胞与雌性细胞质膜间的距离从2070m不等。膜的融合开始在膜的一个位点，然后在多个位点融合，融合的膜逐渐崩解，直至仅观察到纤细的膜轮廓。 配子融合的时期十分短促，在白花丹似乎整个时期历时不到1 min，推测游离钙可能对促进膜的融合起一定作用。 第 三 节 配 子 识 别 细胞间的识别（recognition）是生物界普遍存在的现象之一。它是细胞分辨“自己”与“异己”的一种能力，是细胞表面在分子水平上选择性的相互识别与辨别。 配子融合时两个精细胞与卵和中央细胞的结合是随机的，还是预定性的呢？ 一、被子植物配子识别的假说1、随机假说（chance hypothesis） 精 细 胞 与 卵 细 胞 或 中 央 细 胞 的 结 合 是随 机 决 定 的 。2、特异受体假说（specific receptor hypothesis） 雌 雄 配 了 的 融 合 是 由 其 细 胞 表 面 特 异识 别 因 子 决 定 的 。 Faure (1999) 提出三种模型 ：精-卵识别的三种模型 二、糖蛋白在配子识别中的作用 1 精、卵融合前期有关的糖蛋白 被子植物的受精识别从广义而言可看作是多位点的。首先是从花粉与柱头表面的接触开始。对于自交不亲和性植物，其等位基因编码一系列S位点糖蛋白。通过这些S糖蛋白的作用，植物最终表现为自交不亲和性状。对于同种亲和性植物，其花粉与柱头之间也存在识别，并与花粉壁、柱头表面及花柱引导组织内的糖蛋白有关。 2 、 精细胞表膜的糖分子和糖蛋白 植物精细胞表膜存在多种糖蛋白，其中可能包括某些凝集素受体。 第四节 精子、卵及合子中DNA的含量 植 物 受 精 作 用 是 植 物 世 代 交 替 的 转 折 点 ，它 涉 及 配 子 体 世 代 向 孢 子 体 世 代 的 转 变 ，并 伴 随 发 生 DNA倍 性 从 单 倍 转 变 为 二 倍 。 一 、 精 子 精 子 核 均 呈 孚 尔 根 正 反 应 ， DNA特 异 性荧 光 染 料 染 色 也 均 表 现 强 的 荧 光 。 二 、 卵 和 合 子 卵细胞核对孚尔根反应与精子不同，刚形成的卵核呈孚尔根正反应，成熟的卵核则是负反应或弱的正反应。 胡适宜和朱至清对几种植物的卵细胞和中央细胞核研究的结果，证明不同植物有差异 棉花、向日葵和扁豆 年幼的卵细胞核和胚囊中央细胞核都表现强的孚尔根反应， 随着发育而逐渐降低对孚尔根反应的强度。 雌 性 核 对 孚 尔 根 反 应 弱 或 负 反 应 是 普遍 的 。 应用DNA特异性荧光染料，对多种植物成熟卵细胞与合子核DNA的检测，得到的结果无一例外地显示DNA的存在，包括孚尔根负反应的材料。 对雌性核负反应的原因的解释，主要从下列两个方面第一，认为卵核处于特殊的生理状态，影响的因素可能是：卵细胞核中存在抑制孚尔根反应因素；卵细胞核中DNA呈高度分散状态，再加上卵核体积大，DNA的稀释可能超出孚尔根反应在光镜下的分辨能力。 第二，孚尔根反应实验操作中的原因，其中特别是不合适的水解时间可引起负反应。孚尔根反应在DNA定量上容易产生较大的差异，为此，当前在DNA定量的研究中，几乎完全由特异的DNA荧光染料染色方法所代替。 第 五 节 传 精 至 受 精 的 间 隔 期 从 花 粉 落 到 柱 头 上 至 雌 雄 性 核 融 合 所经 历 的 时 间 ， 因 植 物 不 同 而 异 ， 较 为普 遍 的 是 在 10-48h之 间 。栎属 12-14月毛氏兜兰 19-20周小叶杨 3-6d 梨属 2-7d苹果属 5d 番茄 50h玉米 25-26h小麦 1-4h二棱大麦 30-35min 环 境 因 素 的 影 响 可 引 起 很 大 的 变 动小 麦 10时，传粉后2h开始受精。 20时，萌发最好，30 min开始受精， 30时，萌发率比20低，花粉管生长快，只需15min就受精了。当温度再升高时，大量花粉不萌发。 大 麦花粉管生长的最适温度为23，传粉后20min到达胚囊， 而在5时，则超过2h才能到达胚囊。 大多数温带地区的植物，花粉萌发和花粉管的生长，在5以下受到一定的抑制，25-30是最适温度。 第六节 多数花粉管和多精子进入胚囊 多数花粉管在花柱中生长是普遍的现象，但最终进到胚囊中的通常是一个花粉管在多数花粉管进入一个胚囊的情况下，造成胚囊中接受由花粉管带进更多的精子和其它内容物的结果，这在受精进程中可能产生一定的影响。 当附加的花粉管在子房或胚囊中放出它的内容物时，这些物质可能起营养的作用。同时附加花粉管对后代遗传可能发生影响附加的精子并不一定都参与雌性核融合，但是也有可能产生多精入卵的后果。有时，附加的精子还可能与雌性细胞以外的成员受精，并导致产生多胚现象。