枸杞功能大孢子的确定

5.6　枸杞功能大孢子的确定

枸杞的大孢子母细胞在减数第一次分裂后随即产生细胞壁，将二分体细胞分开。此时光学显微镜下的二分体细胞分化明显，靠珠孔端的二分体细胞胞质浓密，着色很深，且体积较小；靠合点端的二分体细胞胞质较稀薄，体积较大（见图5-12）。

图5-12　枸杞胚珠中的二分体

电镜下观察，二者细胞器数量不同，靠合点端的二分体细胞较靠珠孔端的二分体细胞含有较多的线粒体和质体。这也许是大孢子母细胞减数分裂前细胞极性化的结果。这种大孢子母细胞减数分裂时胞质发生不均等分裂的现象在许多植物中普遍存在。并且胼胝质壁呈杯状将靠珠孔端的一个二分体细胞包裹，而靠合点端的二分体细胞大部分未被胼胝质壁覆盖。二分体之间壁的厚度明显大于侧壁和端壁。推测，在此过程中存在一个物质转输的过程，增厚的壁可以防止输入到合点端细胞的物质倒流，这样就为下一次分裂作了物质准备，显示了二分体细胞分化的预定性。

随后发生的二分体的两个细胞的减数第二次分裂常不同步，并且减数第二次分裂结束后形成了线形排列的四分体。光镜下四分体合点端两个大孢子胞质较薄，并且位于合点端的第2个大孢子体积较大，紧靠合点端的大孢子体积较小；珠孔端两个大孢子胞质较浓厚，且紧靠珠孔端的大孢子体积较大，远珠孔端的大孢子体积较小。电镜下观察，靠珠孔端的两个大孢子胞质密度较靠合点端的两个大孢子大，在珠孔端与合点端的两个大孢子之间似有一层胼胝质壁，而合点端的两个大孢子的大小、胞质浓度没有多大差别，仅合点端的第一个大孢子的部分细胞壁未被胼胝质壁包裹，此处细胞壁与珠心细胞有较强的壁内突，并且这两个细胞都含有多个包含核糖体和细胞器的中央自体吞噬泡。合点端的第二个大孢子完全被胼胝质壁包裹，并且合点端的两个大孢子之间细胞壁薄，未见胼胝质壁加厚，也没有胞间连丝联系。随后靠合点端的两个大孢子胞质中出现了大量的、非常密集的线粒体，以及较大的液泡。紧接着靠合点端的第一个大孢子细胞减小，出现退化迹象。而第二个大孢子体积增大继续发育，并表现出了旺盛的代谢活力。与此同时，靠珠孔端的两个大孢子已经处于退化之中，其胞质收缩，体积减小，结构模糊，每一个大孢子被较厚的胼胝质壁包裹着。由此判断，合点端的第二个大孢子即将发育为功能大孢子，而其余的3个大孢子退化、消失，并且靠珠孔端的退化大孢子具有异常的细胞壁。这3个退化大孢子的退化顺序是：珠孔端两个大孢子先出现退化，然后才是合点端第一个大孢子退化。之后，合点端的第二个大孢子保留下来，继续发育成为功能大孢子。此时功能大孢子细胞核较大偏向于合点端，染色质在细胞核内分布均匀，没有明显的核仁，液泡明显，胞质中线粒体非常密集（见图5-13和图5-14）。

一般认为，合点端的细胞比较大，从大孢子母细胞中接受了较多的细胞质，珠孔端的细胞虽然包含有大孢子母细胞中的各种细胞器，但是从大孢子母细胞中接受了较少的细胞质。对于大多数开花植物来说，仅有1个大孢子存活并继续发育，而其他的3个大孢子则会逐步凋亡。而对于一种植物而言，4个大孢子中的哪一个会成为功能大孢子常常是固定的。通常情况下，靠合点端的第一个大孢子发育形成功能大孢子。但是合点端的第二个大孢子发育为功能大孢子的现象也有发生，如甜椒的功能大孢子。在大孢子母细胞减数分裂期间，内外珠被继续发育、伸长，即将珠心等向内包裹，并且在减数分裂过程中，珠心组织分化完成，一层珠心细胞紧紧地包裹着二分体或四分体。在此期间，珠心细胞核颜色变深，具有很强的脂质性质，并且胞质中脂质囊泡、内质网等很丰富。

图5-13　功能大孢子的确定

图5-14　二分体细胞超微结构特点及功能大孢子的确定

关于四分体大孢子退化机制问题，有研究认为是遗传决定并与胼胝质存在有关。从已有研究结果来看，胼胝质壁沉积是大孢子发生中的一个普遍现象。大孢子母细胞通常在其没有功效一极位置的壁中沉积胼胝质，胞间连丝仅存在于无胼胝质积累的细胞壁部位。无功能的大孢子质体内含物少，高尔基体、粗糙内质网和液泡与有功能的大孢子比较更为丰富。而当4个大孢子形成后，功能大孢子的胼胝质壁消失，而将要退化的大孢子的胼胝质壁继续保存，胼胝质在四分体中将无功能和有功能的大孢子分开，并且常常在退化的大孢子之间形成异常的壁，胞间连丝仅存在于无胼胝质的细胞壁部位。由于无营养供给而导致非功能大孢子退化，所以胼胝质壁是大孢子之间遗传冲突的直接证据，但是其作用目前来说并不十分清楚，而非功能大孢子退化的原因总体上认为是细胞程序化死亡的结果。液泡在非功能大孢子退化过程中的作用现在也越来越受到重视，五唇兰珠孔端的二分体细胞在退化的过程中液泡的数量增加，裸子植物银杏的非功能大孢子也出现液泡逐渐增多的现象。另外，Willemse曾提出核的行为也是一个影响因素，他认为由于核定位的不同使新形成的二分体之间的细胞壁处于一个不对称的位置，从而使大孢子发生过程显示出一定的极性，即只有一个大孢子继续发育，而非功能大孢子退化。但是，以上这些现象是原因还是结果，是共性还是个性还需要进一步的研究。

在小孢子发育过程中，胼胝质壁的提前降解并不影响减数分裂，但会形成畸形的和对渗透敏感的小孢子，最终导致小孢子败育。现在还不清楚胼胝质壁在大孢子发生中是否起着和在小孢子发育中相似的作用。

总之，被子植物的大孢子的发生有一个显著的特点，即大孢子母细胞减数分裂后，只有一个细胞发育为功能大孢子，其他的细胞出现有规律的退化。到目前为止，人们尚不了解这些细胞退化的真正原因和机理。Bell曾经推测，大孢子退化的性质可能属于细胞程序死亡，是一个由基因决定的自动结束生命的过程，这一过程受到严格的由遗传机制决定的程序调控。