1、植物受精生理 (Fertilization physiology of plant),受精过程的生理 (The physiology of fertilization),如果从意大利数学家兼天文学家Giovanni B.Amici在1824年首先发现马齿苋(Portulaca oleracea)的花粉在柱头上发芽算起，则对植物受精的研究已有一百八十多年历史。 高等植物的双受精过程已进一步引起人们注意和研究。其中主要原因是人们已经有可能控制或干预植物有性生殖过程，从而使加速改良植物的工作更加有效地进行；掌握种子的受精过程，已经成为新的生物工程的一个方面。,广义的被子植物受精过程，包括花粉在柱头上
2、萌发、花粉管沿花柱道延伸到胚囊、精子释放、再分别与卵和中央细胞的极核融合即双受精现象，直到胚和胚乳形成等阶段。 Linskens曾将受精过程分为融合前期(progamic phase)和融合(fusion)两个阶段，前者有时是一个相当长的时期。,植物生殖生物学领域重要进展,花粉及花药特异基因的表达 借用cDNA克隆、特异基因筛选与鉴定，以及转基因等技术，现已从油菜、番茄、玉米等多种植物中鉴定出一系列花药花粉特异基因，并试图揭示其与形态发生的关系。 从油菜中分离出的Bcpl基因，编码一种在绒毡层与花粉中特异表达的12KD的蛋白质。将该基因的反义拷贝导入拟南芥中，结果其绒毡的Bcpl基因表达受阻，
3、导致核雄性不育。,花粉壁的结构与功能 花粉壁由外壁（主含孢粉素）、内壁（富含多糖）及表层物质（包括脂类、蛋白质、类萜及酚类等）三部分组成。 在花粉壁蛋白质中, 有的具有核糖核酸酶活性，可能用于降解通过病毒或其它载体介导的外源DNA；有的似乎与凝集素类分子相似，可能与生殖过程中的识别与粘着有关。,花粉管的脉冲式生长 脂麻掌（Casteria）和麝香百合的离体花粉管尖端，每隔一定时间向后产生环形管壁增厚，并聚集新合成的壁物质，随后增厚区猛然向前延伸。 用免疫标记法研究花粉管顶端生长，发现花粉管壁上的环形结构中存在阿拉伯半乳聚糖蛋白与果胶质，并推测其在花粉管的脉冲式生长中起作用。,花柱胞外基质（st
4、ylar matix）的生理功能 花柱胞外基质由花柱道细胞表面产生。研究表明, 该基质至少具有两个功能网络(functional networks)，即起支持作用(functions in support)的网络与生物活性网络（biological active network）。二者都与花粉管的生长与延伸有密切关系。,雄性生殖单位（male germ unit, MGU）、精子异型性（sperm heteromorphism或dimorphism ）及偏向受精（preferential fertilization）等现象的发现,自交不亲和(selfincompatibility,SI )基因
5、及其产物的分析 提出糖蛋白具有某种酶活性，如配子体自交不亲和系统中的核糖核酸酶，孢子体自交不亲和系统中的激酶等。,利用花粉外源DNA载体，或将外源DNA引入胚珠来转化植物。 雌雄配子分别从胚囊和花粉（或花粉管）中成功地分离出来，并进行超微结构观察及生化分析，包括精细胞表膜蛋白的提取与检测。,玉米体外受精体系创建、人工合子的获得及早期胚胎发育的细胞学研究，为研究受精识别有关物质奠定了有利基础。 从进化论的角度认识被子植物双受精过程，发现裸子植物买麻藤(Gnetophyta)和其它高等裸子植物（如银杏、苏铁、麻黄）的受精过程与被子植物双受精有平行关系。,花粉与雌蕊的识别,人们对雄配子(花粉)与雌蕊
6、接触时的识别作用引起了很大兴趣，这种识别就是花粉壁组分与柱头表面受体之间的接触和反应，双方信息是由物理的和化学的信号所组成，它们是在雌蕊的柱头表面展现出来。 这种生物交流过程能引起花粉粘着，从柱头表面逸出的液体可使花粉吸水，从而花粉得以发芽，花粉管生长。 如果花粉不能接受这种识别信号，花粉就不能进一步发育，这样它们的基因组就不能传送至雌配子中。,花粉柱头相互作用时，在花粉表面凹壁内充满着起作用的组分。 (1)蛋白质及糖蛋白，还包括一些酶，如角质酶、酯酶、糖苷转移酶、糖苷酶等，变应原(Allergens)，凝集素(有凝血活性的蛋白质，能识别专一的糖类)，它们的分子量可从10，000(变应原)到7
7、0，000(酶类)； (2)碳水化合物、氨基酸、色素(类黄酮、类胡萝卜素等)、油脂与激素(油菜素内脂)。,柱头表面与花粉壁接触的是被膜，不管是干型柱头或湿型柱头，它们的细胞外表被膜均有蛋白质薄膜，它的下面即为质膜。 被膜具有一些原生质膜的性质，有非特异性脂酶及ATP酶活性，并有能与凝集素专一结合的糖蛋白。被膜还有调节花粉水分关系的作用。,花粉与柱头间存在种、属间的识别，它们分别分泌由S-基因决定的识别蛋白(在禾本科植物中可能为S、Z基因)所控制，而且两个位点系统还有相互作用。不同种、属间的S-蛋白结构不同。 当同种或亲和的花粉与柱头识别后，花粉很快吸水，例如黑麦花粉每秒钟可吸水510-10ml
8、；并激活一系列与花粉管生长、穿透壁障碍并进入柱头有关的基因和酶系，如角质酶、葡聚糖水解酶、酯酶、蛋白酶、酸性磷酯酶、核糖核酸酶等。,花粉的外壁蛋白是由母体绒毡层产生的(孢子体基因控制)，内壁蛋白是由雄配子发育过程中本身产生的(配子体基因控制)。 柱头的表膜识别蛋白为柱头突起的细胞质内微粒体中合成。,Knox用矮牵牛花柱中提取的mRNA，经注入非洲爪蟾(Xenopus)卵中翻译，得到的识别蛋白是由两组低分子量的活性多肽组成，一个分子量约为11，000道尔顿，另一个为6，000。 油菜(Brassica compestris)柱头中S-基因的产物为分子量57，000道尔顿的糖蛋白 甘蓝(B.ole
9、racea)柱头的识别蛋白分子量为54，000。,了解受精的识别与拒绝的生理机制，不但对育种有极大的重要性，而且对分析基因作用和结构，以及变异也都是重要的。 识别反应一般比较快，例如：十字花科(Cruciferae)植物，绝大部分为孢子体不亲和且为表面抑制，花粉与柱头的识别反应可在三分钟内完成；在一些禾本科的禾草植物中，花粉与柱头的识别反应在一分半钟完成。,识别反应过程一般认为可分成两个步骤：授粉后花粉溢泌物中的多肽与柱头表膜，或与壁中的靶子蛋白质或与盖住RNA的蛋白质起反应，使花柱中合成特异的多肽，这种多肽出现后与花粉的特异多肽起反应就称为识别反应。,这个反应中如果花柱特异多肽被花粉特异多肽
10、所钝化就表现为不亲和，如果花柱特异多肽与花粉的特异多肽不起反应，而花粉的基因组活化就表现为亲和。 但也有人认为识别反应仅为一个步骤，识别蛋白是在受精之前已经在花粉和花柱中形成，只是在两者接触时就起识别反应。,受精识别反应的可能程序(模式 Vander Donk),授粉 激活花柱 花粉溢泌物中的多肽与其接触的柱头膜或 壁中的靶子蛋白质或盖住RNA的蛋白质起反应 花柱中合成特异的多肽 花柱特异多肽显露并与花粉特异多肽起反应 不亲和 亲和 花柱特异多肽被花粉特异多肽 花柱特异多肽并不与花粉特异 钝化；花粉基因组不活化 多肽起反应，而活化花粉基因组 花粉贮藏物耗尽时花粉管 花粉合成更多的花粉特异多肽
11、停止生长 它们再活化花柱的S-基因 花柱的基因活化并对被花粉管生 花柱特异的多肽合成延续，以致 长所引起的伤害进行最快的修复 在细胞中达到大量程度 拒绝花粉管 活化支持花粉管生长基因接受花粉管,受精识别反应的可能程序(模式，Heslop-Harrison等),2n孢子体亲本的配子 2n孢子体亲本的配子 在绒毡层中合成“识别”蛋白 在柱头突起中的微体内含“识别”蛋 在花粉成熟时运至外壁授粉 运至柱头表面构成表膜 花粉外壁和柱头表膜的识别因素相互作用 活化配子及柱头的突起 引起 接受 拒绝 花粉管伸长穿入角质层 花粉管与乳突细胞中蛋白质起抑制 长入柱头突起下部 反应，包括合成胼胝质,在裸子植物中也
12、存在一种与被子植物相类似的识别机制。当花粉落到珠孔后，可能花粉壁蛋白与雌孢子囊顶端及珠孔上的糖类分泌物(胚珠分泌)之间相互作用，导致花粉进入珠心、雌孢子体的发育及受精作用等。 Pettitt报道蛋白质和糖蛋白存在于苏铁科植物的花粉及胚珠中，而且Con A(伴刀豆凝集素)能与苏铁大孢子壁专一结合。此外，据测定，银杏(Gingo)在花柱中也存在凝集素。,受精的过程,授粉后，花粉在柱头上的早期生长是受花粉粒内营养核产生的信使RNA所控制，而且只有在营养核产生足够多的信使RNA之后，花粉管才能生长。 在花粉与柱头亲和情况下，花粉管生长速度是很快的。一般从花粉落到柱头上经过吸胀、花粉壁破裂、萌发、花粉管
13、伸长，以至穿过柱头突起的角质层进入柱头整个过程可以在数十分钟内完成。 例如黑麦花粉萌发进入柱头后，花粉管生长速度每小时可达7-10毫米，曼陀罗花粉管生长速度约为3毫米；橡胶草35毫米；麝香百合为0.7毫米。所以从授粉到受精整个过程，在一般植物中时间是不长的。,橡胶草中授粉后10多分钟即可受精，水稻为1-2小时；向日葵为3小时左右；小麦为1-4小时；花生为10-18小时；棉花的花粉管在12-18小时的可到达胚囊，10-24小时受精；甘蓝为36-48小时；玉米为25-26小时；白雪花(白花丹)(plunbago zeylanica)从花粉落到柱头上开始至配子融合受精的时间约为8小时40分钟。 但在
14、兰花植物中花粉管要生长数星期至数月才能到达胚囊；栎属植物也要一年才能受精；裸子植物一般亦要数月受精才可完成。,白雪花从授粉至受精过程中各步骤的最快生长速度(小时：分),授粉至受精过程各步骤 最快生长速度 授粉(花粉落至柱头) 000 花粉管开始生长；穿入柱头 005-015 花柱上部花粉管生长迅速 015-430 花柱下部花粉管生长缓慢 430-810 花粉管到达胚珠；穿入珠孔 815-820 花粉管穿过珠心及丝状结构 825 进入胚囊并将内含物运入配子融合 830 雄核移动；核开始融合；受精 835-840,花粉管在雌蕊中向着胚囊生长的原因,(1)柱头与子房之间有电位差，可能它决定花粉管生长的方向； (2)重力的影响，花粉管可沿着花柱中传导组织的粘液道机械移动； (3)由于花粉管中的赤霉素引起助细胞的败育退化，助细胞液泡中的化学物质(Ca+等)发挥了向化性作用，使花粉管向着胚囊伸长。 被子植物的花粉管通常是通过珠孔进入胚囊而受精，称为珠孔受精；但是也有些果树如胡桃科的胡桃(Juglans regia)及漆树科的阿月浑子(Pistacia vera)等花粉管是从合点进入胚囊，称为合点受精。,拟南芥胚的发育过程,
