从柱头到胚囊_花粉管发育研究进展

从柱头到胚囊_花粉管发育研究进展 华志明 陈睦传 沈明山 ( ) 厦门大学生物学系, 厦门 361005 摘要 花粉管的生长和发育是植物有性生殖过程中重要环节。 本文首先介绍了花粉管 结构及其脉冲生长方式。然后介绍了花粉粒在柱头上萌发、花粉管在花柱道中生长及其 入胚囊的一些特点, 同时还介绍了雌蕊在花粉管生长发育所起的重要作用。 关键词 花粉管 脉冲生长 花粉管与花柱互作 授粉信号 被子植物受精过程从花粉被柱头捕捉开, 以增加花粉管的韧性和稳含有胼胝质 () 始, 经花粉与柱头相互识别和花粉管在花柱引 3第 3 区是含有生殖核和营养核区。 () 导组织中生长, 到雌雄配子融合等一系列前后 或 2 精细胞和营养核的运动与微丝 相关的不同阶段。 传粉到雌雄配子融合之前的 关。在此区基端周期性形成胼胝质塞, 限 阶段是植物受精过程中不可缺少的重要环节, () 核和营养核 或 2 精细胞的回流。 有实 这期间通过花粉管的生长发育来传递雄配子并即使花粉粒或花粉管基部被切除, 花粉 进入胚囊。自八十年代以来, 被子植物花粉生物 () 正常生长, 并能保证正常受精。 4第 4学成为一个十分活跃的研究领域, 取得了不少 泡区, 不含细胞器仅由花粉管生长后留研究成果。根据花粉管发育特点, 从传粉到受精 粉管壁组成。通常花粉管壁由三层结构组() 可划分为 4 个不同的阶段: 1花粉粒在柱头上 最外层是果胶层, 中层是微纤丝状纤维( ) 的识别及萌发, 2花粉管在雌蕊引导组织中 2 ( ) () 生长, 3花粉管定向生长秔过珠孔和 4花粉 内 层的胼胝质层。 花粉管 壁 也 含 少 2 管进入胚囊释放 2 个精细胞。 上述花粉管生长 质。 发育的过程在不同的物种中经历的时间不同, 花粉管在花柱生长现为脉冲式生从禾本科如水稻的几小时到裸子植物如银杏几 一般经过 10—20 秒较短的快速生长后,个月不等。 ( 相对较长的缓慢生长阶段 一般以分为 花柱中生长的花粉管外壁周期性甲基化 形成果胶质环, 这种结构和花粉管脉冲 1 花粉管的结构与脉冲式生长密切相关。等发现酸化果胶质在花粉 L i 结形成的环状结构与花粉管缓慢生长 花粉管生长是一种依赖末端生长的极性过 程。当花粉管生长到一定长度后, 花粉粒细胞内 等发现当花粉管壁较薄时, 花 Ge itm an n 生快速生长, 膨压可能是花粉管细 容物全部转移到花粉管的末端。 一般生长的花 1 ( ) 粉管可明显地划分为 4 个区段。 1顶端区的重要推动力。用细胞松驰素 和秓水 D 又称帽区, 是花粉管最末端的半透明区域, 充满 理生长的花粉管, 发现花粉管不表现脉 4高尔基小泡等细胞质, 供应花粉管末端和质膜 , 这表明细胞骨架在花粉管脉冲式长 形成所需之物质; 花粉管末端壁很薄, 主要由果 起着重要作用。 等发现花粉管 P ie r so n () 胶质和纤维素组成。 2次末端区是细胞器区,浓 度 的 变 化 对 花 粉 管 生 长 速 度 产 生 5 2+ 富含各种细胞器和细胞质, 代谢活跃, 合成壁的 响。浓度的变化对花粉管脉冲生 C a2+ 前体和胞质蛋白; 壁除含果胶质和纤维素外, 还 响可能与花粉管末端 输入和花粉C a 别作用是通过花粉表层贮藏的蛋白质、碳水化管生长发育起着重要作用。 最近的研究表明, 2+ 合物、脂类和小分子物质来调节的。如拟南芥的浓度梯度不仅对花粉管生长, 而且对花粉 C a 5 , 由于花粉粒表层物质缺失, 柱头拒 一种秕变体管生长方向也起着重要作用。 在花柱中生长 2+ 绝花粉粒, 因而在花粉粒接触的柱头乳秕细胞 的花粉管末端 与果胶质酯化脱酯化、细ƒC a 胞骨架控制细胞器运动及花粉管顶端分泌泡的处 产 生 胼 胝 质 以 阻 止 花 粉 粒 水 合 作 用 的 发 8 融合等活动有关。生。 研究发现这种秕变体花粉粒表层长链脂 类的合成受阻, 表明长链脂类在花粉2柱头识别 2 花粉与柱头的识别作用及花粉粒的萌发12 反应中起着重要信号分子作用。在花粉粒含 13() 花粉粒被柱头捕捉后, 通过识别反应, 花粉油层中, 富含羟脯氨酸的糖蛋白 和H R GP s 粒发生细胞质重组和形态变化, 使花粉粒与柱 - 柱头识称作变态反应原的一类蛋白质在花粉 别反应中也承担重要角色。如基因 编码 - 1 p ex 头间形成联接, 发生水合反应。新近发现水孔蛋 () 的花粉特异伸展蛋白 在花粉- 柱头 ex ten sin 6 白参与水合反应, 使水分从柱头进入花粉细 识别反应中可能起重要作用, 也是花粉管重要 13 胞, 因此花粉粒从柱头上吸收水分是花粉粒萌 结构成分。 7 发的基本特征。 湿型柱头在传粉时就有分泌 自交不亲和植物的雌雄组织具有复杂的识 别系统, 以保证区分遗传相似个体的花粉。在芸 物, 为花粉粒萌发提供了必需的物质条件, 花粉 苔属和罂粟属植物中, 这种作用机理保证了花 粒在其上发生水合作用, 很快萌发。干型柱头通 粉管在消耗柱头有用资源物质之前使花粉管夭 过传粉激刺, 使乳秕细胞产生分泌物, 接着花粉 14 亡。芸苔属自交不亲和由一个多态 位点基 S 粒很快发生水合作用, 促使花粉萌发。成熟花粉 (因控制, 其编码两个柱头蛋白 位点糖蛋 SL G S ) )(白和 受体激酶。 定位于柱头乳 粒由内外两层壁组成, 内壁是由花粉细胞自身 SR K S SL G 秕细胞壁上, 而 是柱头乳秕细胞质膜上一 SR K 合成的, 含有纤维素、果胶质和蛋白质等物质; 15 种跨膜蛋白, 或 基因秕变导致自 SR K SL G 外壁富含色素类物质, 是由花药孢子体分泌的, 交亲和。在罂粟的自交不亲和反应中, 花粉粒中 2+ 脂类和蛋白质类物质包埋在称作含油层外壁表 至少有一种成份发生磷酸化, 使依赖 的钙 C a16层。花粉粒表层含油层物质能扩散到柱头表面, 调蛋白的信号途径也发生改变。 花粉内壁在花粉粒萌发中同样起着关键作 对花粉粒水合作用起着重要作用, 如拟南芥秕 变体 的花粉粒缺少含油层, 在正常柱头上 pop 1 用, 随着花粉水合作用的进行, 内壁贮藏的果胶 不能发生水合作用, 但通过野生型花粉提取的 质、蛋白质在萌发孔处释放出来, 并最终从花粉 含油层物质处理后, 花粉能正常萌发。 这 pop 1 粒萌发孔内壁处长出花粉管。 表明含油层在花粉和柱头间直接或间接起着信 8 号分子作用。 类黄酮缺陷型玉米花粉和类黄 酮含量低的 9, 10 转基因矮牵牛花粉是不育的。 花粉表层类 ( ) 黄酮、山奈酚 四羟基黄酮能恢复类黄酮缺陷 3 花粉管在花柱中生长型花粉育性和花粉管生长。 实验还表明山奈酚 成熟花柱引导组织存在大的胞间隙并充满是野生型柱头分泌物的重要成份, 能使缺陷型 ()富含各种分泌物胞间衬质 。 这种 ECM ECM花粉粒萌发。 正常花粉和柱头都能产生这类物 质, 主要包括大量游离单糖、多糖、糖基化蛋白质以保证花粉成功地萌发。 尽管类黄酮对玉米 质、脂类及多种氨基酸。当花粉管进入引导组织 和矮牵牛花粉萌发是必须的, 但缺乏类黄酮物 11 后, 碳水化合物明显减少, 淀粉含量显著下降。 质的拟南芥花粉育性并不受影响。由此可以 花粉管进入花柱后刺激引导组织表皮细胞发生 认为类黄酮并不是所有花粉萌发所必须的。 编程性细胞死亡, 为花粉管生长发育提供营养 () 糖 蛋白, 如阿拉伯半乳聚糖蛋白 和富 A GP s 4 花粉管进入胚珠() 含羟脯氨酸糖蛋白 , 这些蛋白质可能 H R GP s 是引导组织细胞壁的重要组成成分之一, 有些 花粉管在子房中沿着生胚珠的胎座 断生长, 通过珠孔进入胚珠。有时花粉管 可能直接参与花粉管生长过程。在引导 A GP s 向发生明显改变。 最近研究发现引导花 组织中可能还起连粘着花粉管作用。 大分子物 入胚珠的信号物质是胚珠自身产生的。 ) ( 质 之一的 引导组织特异蛋白在烟草花 T T S 芥中, 花粉管从引导组织向最近的胚珠 18 粉管生长中起重要作用。在转基因植物烟草 长, 由珠孔进入胚珠; 败育胚珠秕变体不 花粉管进入珠孔, 花粉管在子房中呈无 中, 当 蛋白减少到一个较低水平时, 花粉 T T S 长; 在无胚囊的败育胚珠中这种现象表 管生长受到明显抑制。体外培养试验证明, T T S 21 秕出。这些结果说明从引导组织伸出 蛋白促进花粉管生长, 同时具有吸引花粉管定 向生长的作用。 有趣的是加到花粉管生长培养 基上的 蛋白发生脱糖基化, 参与花粉管壁 T T S 管进入胚珠, 胚珠自身起着重要诱导作用形成。 体内试验也得出相似的结果。 这些观察 花粉管在雌蕊中生长的后期阶段,清楚地证明 蛋白是花粉管生长发育的一 T T S 物质可能直接引导花粉管进入胚珠。 最 种重要营养物质, 结合到花粉管顶端和花粉管 表面。在转基因烟草中, 发现花粉粒能在糖基化 发现珠孔处覆盖一层糖基化的分泌物, 19 蛋白表达的花萼上萌发、生长。22 T T S 是引导花粉管进入胚珠的重要物质。 2+ 离体试验表明, 能诱导花粉管定向生 C a情况下仅一条花粉管到达胚珠, 在珠柄 2+ 长。在花柱引导组织中, 含量是丰富的。金C a 管是互相排斥的, 这可能是防止多精入 2+ 22 鱼草花柱引导组织从柱头到子房 浓度呈 C a种有效手段。 从上可以看出胚珠是增加趋势, 这对花粉管定向生长起着重要作用。 引导花粉管定 在烟草引导组织中, 蛋白在子房端糖基化 T T S 的信号源, 但具体的信号分子仍需深入 程度更高; 花柱引导组织细胞 蛋白糖基化 T T S 能确定。最近发现的一种拟南芥秕变体, 梯度与花粉管生长方向一致, 表明 蛋白糖T T S 结构和花粉管生长速率是正常的, 但花 19 基化梯度与花粉管定向生长有关。 能进入胚珠。在这种秕变体中, 花粉管在花粉管在花柱中生长, 同花柱引导组织表 20 处无序生长, 花粉管与胚珠细胞接触不紧() 皮细胞 发生粘合作用。这种粘合作用 T T E 能进入胚囊。 研究发现这种秕变体的花可能是通过花粉管和引导组织之间形成果胶质 2+ - - 果胶质桥而形成的。 酯化的果胶质结 C a蕊互作的 2 个功能基因 和 缺 PO P 2 PO P 3 合 到 花 粉 管 顶 端 的 分 泌 泡 与 膜 联 结 的 A GP s 而导致自花不育。这两个基因产物在雌、上, 当花粉管顶端分泌泡与质膜融合时, 果胶质 识别反应和花粉管进入胚珠中可能起关发生脱酯化, 形成非酯化果胶质。花粉管壁上非 23 2+ 号作用。酯化的果胶质与 的果胶质通过 桥而 T T E C a 相互联接。 花粉管同花柱引导组织表皮细胞间 5 花粉管进入胚囊() 的 粘合作用 也可能通过“粘合物质adh e sio n 花粉管秔过珠孔进入胚囊后、花粉管 释放出 2 个精子, 一个预定同卵细胞融 合子, 另一个定向同中央细胞融合形成 困难。 向化性物质在诱导花粉管进入胚囊中起1 125 P ie r so n E , C re st iM . 1992, In t R ev C y to l, 140: 73- 着重要作用是确定无疑的, 这种向化性物质可2. 1987, , 107: 1- 782 H e slop H a r r iso n JIn t R ev C y to l 能来自助细胞。在多数情况下, 花粉管进入胚囊 3 L i YQ e t a l. 1996, P lan ta, 200: 41- 49 2+ 4 . 1996, , 109: 373- 381Ge itm ann A e t a lBo t A c ta 之前, 助细胞便死亡降解, 使 浓度秕然增 C a. 1996, , 174: 160- 1735 P ie r so n E e t a lD ev B io l 高, 这对花粉管进入胚囊具有重要意义。花粉管 1566 6 Ik eda S e t a l. 1997, Sc ience, 276: 1564- 2+ 进入退化助细胞后, 在超高 环境中破裂释 C a7 D ick so n H. 1995, Sex P 1 R ep ro d, 8: 1- 10 放精子, 精子沿退化助细胞转移到受精靶区实 8 985 P reu ss D e t a l. 1993, Gene s D ev, 7: 974- 9 现双受精。 退化助细胞微丝可能参与精子转移 T ay lo r L P e t a l. 1992, J H e red, 83: 11- 17 24 10 . 1992, , 89: 7213-M o Y e t a lP ro c N a t l A cad Sc i U SA 到受精靶区的过程。 17 植物有性生殖是受复杂遗传系统调控的。 11 . 1996, , 8: 1013- 25B u rbu lis J E e t a lP l C e ll 通过鉴定花粉—— 柱头相互作用的识别分子, 714 12 H u lsk am p M e t a l. 1996, P lan t J , 8: 703- 以阐明亲和与不亲和的作用机理。 通过花粉管 13 R ub in ste in A L , e t a l. 1995, P ro c N a t l A cad Sc i U SA , 92: 3086- 90 生长异常的秕变体来确定向化性物质, 也是一 14 N a sra llah JB e t a l. 1994, Sc ience, 266: 1505- 08 个重要的研究途径。 由于花粉管生长与动物的 15 . 1996, , 6: 421- 428H isco k SJ e t a lT rend s C e ll B io l 细胞迁移具有许多相似性, 通过对比研究, 可能 . 1996, , 8: 713- 72416 R udd JJ e t a lP lan t C e ll 获得许多有益的启发, 从而确定一些候选分子; . 1996, , 9: 715- 72717 W ang H e t a lP lan t J 2. 1995, , 82: 394-403 18 W u H m e t a lC e ll 除了确定花粉管生长发育的重要分子及其功能 19 C h eung A Y e t a l. 1996, P ro c N a t l A cad Sc i U SA , 93: 外, 弄清这些重要分子生物合成的途径, 也是花 3853- 58 粉生物学的重要研究内容。 而植物有性生殖过 . 1996, , 199: 251- 26120 J auh GY e t a lP lan ta 程基因表达的调控将成为今后研究的主要内容 . 1995, , 7: 57- 6421 H u lsk am p M e t a lP lan t C e ll 2. 1993, , 80:22 F ran ssen V e rh e ijen A AW e t a lA m J Bo t 之一。 253- 262 37 23 W ilh e lm i L K e t a l. 1996, Sc ience, 274: 1535- 2. 1994, , 194: 200- 214H uang B Q e t a lP lan ta 24 From st igm a to em bryo sa c- recen t a dvan ce s in po llen tube deve lopm en t H u a Zh im in g C h en M u ch u an Sh en M in g sh an (), , 361005D ep t o f b io lo gyX iam en un ive r sityX iam en 2 2 A bstra c t Po llen g ra in s o f f low e r in g p lan t s a re h igh ly sp ec ia lized tw o to th reece ll . , gam e top h y te s th a t de live r sp e rm to th e eggA f te r m a tu ra t io n po llen g ra in m u st in te rac t sp ec if ica lly w ith th e recep t ive fam a le t issu e s an d ge rm in a te a h igh ly po la r ized po llen tu b e th a t . rep id ly g row s th ro u gh th e sty le to th e o vu le fo r fe r t iliza t io nSom e o b se rva t io n o f po llen tu b e s . show th a t th e se tu b e s g row in a p u lsa to ry fa sh io n th ro u gh th e sty leR ecen t an a ly se s o f po llen 2su rface m o lecu le s an d ex t race llu la r m a t r ix m o lecu le s a lo n g th e po llen tu b e g row th p a thw ay h ave . p ro du ced in sigh t s in to th e m o lecu la r an d b io ch em ica l b a se s o f som e o f th e se in te rac t io n sT h e se , , stu d ie sto ge th e r w ith th e gen e t ic an a ly sis o f sex u a l rep ro du c t io n a re e lu c ida t in g th e m o lecu la r .m ech an ism u n de r ly in g po llin a t io n an d fe r t iliza t io n po llen tu b e, p u lsa to ry g row th , po llen tu b e an d sty le in te rac t io n , po llin a t io n Key word s .sign a ls