植物配子与受精研究日新月异

植物配子与受精研究日新月异

美国生物科学研究所（American Institute of Biological Sciences，AIBS）是1947年创建的一个类似于科协性质的学术机构，目前包括约40个生物学分支学科的学会，拥有8万科学工作者，常设机构在首府华盛顿。AIBS一般每年召开一次年会，在年会上常由各学会特邀少数国外专家与会报告。第41届AIBS年会于1990年8月5～9日在美国弗吉尼亚州里士满市召开，美国植物学会“发育与结构植物学”专业组邀请了Cass（加拿大）、Dumas（法国）、杨弘远（中国）三位外国专家和几位美国专家在“植物配子与受精”讨论会上作专题发言。我室赴美深造的博士后阎华在会上也作了简短的发言。

（一）

植物配子与受精的研究近年进展很快，它已成为植物生殖生物学当前研究的核心问题，并显示其在植物细胞工程与作物改良中广泛的应用前景。80年代后期以来，国际上掀起了研究高等植物配子结构、功能与操作技术的高潮，新的突破日新月异。由本次会议中所报告和讨论的内容可见一斑。

1.雄配子的研究

近几年关于“雄性生殖单位”与“精子二型性”的研究势头仍在继续，Mogensen除在大麦外，又在苜蓿精子方面作了超微结构的三维重构与定量研究工作。但当前的趋势是由研究花粉粒、花粉管中的精子扩展到研究人工分离的精子。Dumas对玉米分离的精子作了三维重构。Russell应用X射线微区分析测定了白花丹花粉释放物的各种组分的元素含量，看到每种组分各具特有的元素分布形式；分离的精细胞中含有C、O、P、Ca、K，少量的Mg、Si、Mn以及微量的Cr。Palevitz报告了紫鸭跖草生殖细胞分裂为精子过程中微管格局的变化，特别着重应用双重染色法研究生殖细胞中微管和着丝点的关系。针对当前学术界中关于生殖细胞与精子中是否存在微丝的争论问题，他们应用免疫荧光技术作重复试验，得出了和用鬼笔碱荧光探针技术相同的结果，即看不到微丝的存在。在有关细胞生理学方面，Dumas介绍了用核磁共振等测定花粉生活力的方法以及对精细胞膜的研究。雄性细胞的操作问题是大家关注的内容。周嫦与杨弘远等关于花粉原生质体培养中的两条发育途径、生殖细胞的分离技术与培养条件下的核分裂以及精子保存方法的研究在会上得到了反映，被认为是有特色的工作。其他研究者的发言中也有相当部分涉及生活精子的分离及保存技术的研究。

2.雌配子的研究

虽然过去几年关于雌配子的实验研究不如雄配子的研究那样广泛，但目前局面正在改观。从此次讨论会上反映的动态看，胚囊及其成员细胞的分离及其生物学研究已占有重要地位。如Cass谈到玉米与小麦胚囊的分离，初步结果是受精前的胚囊较难分离，受精后的胚囊则较易。用半薄切片观察了分离的胚囊，表明一般未受损伤。Dumas在玉米胚囊酶法分离成功的基础上，开始用三维重构技术研究分离的卵器，以了解卵细胞和两个助细胞的空间关系。Russell和Huang（黄炳权）研究了白花丹分离胚囊中的微管与微丝分布状态。他们采用了双重染色法来同时显示这两类细胞骨架成分，还用共焦激光扫描显微术提高了观察的效果。

3.受精的研究

关于受精问题的研究大致包括三个方面：一是超微结构的研究，Cass研究大麦的受精过程，结果表明精细胞质进入卵细胞，印证了Jensen早年在棉花上所获得的结果，而和近年在白花丹等植物中所确认的精细胞进入卵细胞的现象不同。他在工作中应用了三维重构技术。阎华报告了研究向日葵珠孔结构与花粉管生长及细胞退化的关系，结果表明花粉管在珠孔中的生长部位主要偏向珠柄一侧，而两个助细胞之中也主要是偏珠柄一侧的那个预先退化，推测二者之间可能存在因果关系。Friedman研究内华达麻黄（Ephedra nevadensis）的受精过程，发现在卵核与一个精核融合的同时，另一个精核与腹沟核融合。作者用很有说服力的显微图像证明这在该种植物中具有规律发生的现象，从而在一种高等裸子植物中观察到双受精的初始形态，这对于认识被子植物双受精的起源与进化有重要的学术意义。二是配子识别的研究。当前关于雌、雄识别的研究已由花粉与雌蕊间的识别步入雌、雄配子间的识别。在这方面，主要依靠分离配子的手段。如Russell由白花丹中分离精子，通过免疫学方法和双向电泳分析表明精细胞具有不同于花粉中其他组分的遗传表达形式。Cass则开始由分离精子制作cDNA文库。他们也企图进一步在雌配子方面做相应的工作，最终目的是探讨二者之间的识别机理。三是体外受精的研究。近年体外受精的研究已由过去的胚珠离体授粉进入崭新的、雌雄配子体外融合的阶段。这方面的研究是在过去几年雌、雄配子分离的基础上才开展起来的，而进展的速度出人意料。德国马克斯普朗克育种研究所的Kranz等人由玉米中分离出精子和卵细胞，用电融合方法使二者融合，然后用饲养层培养技术使融合产物（称之为“人工合子”）分裂形成多细胞构造。这是世界上首次在高等植物中进行的真正的体外受精实验，是突破性的进展。

（二）

从这次讨论会可以看出，植物配子与受精研究有以下几个趋势。

（1）几年前，在“雄性生殖单位”的发现的带动下，雄配子的研究成为热点，而雌配子的研究尚不普遍。但由于雌配子本身具有和雄配子同等重要的意义，也由于胚囊、卵细胞及其原生质体分离技术在更多的研究单位得到应用，现在视线已转向雌性方面，在超微结构、三维重构、细胞骨架、操作技术以至分子生物学等方面都在开展工作。一个雌、雄配子研究并驾齐驱的局面正在形成。

（2）几年前，关于配子与受精的研究主要是从结构的角度进行的，现在除结构方面仍在继续深入外，还从功能与操作两个角度加速研究的进程。功能的研究焦点是配子识别和受精机理，这是一个难题，但已开始起步。操作的角度是出于细胞工程的需要，也是研究结构与功能的重要手段。目前正在对雌、雄生殖细胞的分离、保存、培养、融合、转化展开全面的攻关。

（3）不断引入新的研究手段是现代生殖生物学研究的一大特色。各种细胞生物学与分子生物学方法，如计算机辅助三维重构、共焦激光扫描显微术、单克隆抗体技术，等等，在配子与受精的研究中应用愈来愈多。在操作技术方面，也由过去器官、组织水平的操作，提高到细胞、原生质体水平的操作。特别是发展高精度的操作技术，成为诸如配子体外融合这样高难度实验成功的关键因素。但是，在大量采用新、高技术的同时，经典的常规手段仍在继续发挥作用。最有说服力的是裸子植物麻黄双受精的发现，就完全是用常规切片法完成的。由于思路巧妙、取材恰当，揭示出重要的现象。这一研究结果已发表在1990年的Science上而被学术同行高度评价。

（三）

面对国际上加速发展的、日新月异的研究势头的挑战，我国植物生殖生物学界应该引起高度重视，并采取对策。

作为世界一部分的我国生殖生物学研究，也在国际上占有一席之地，今后应当作出更大的贡献。但是限于人力和条件，全面赶超是不大现实的。只有根据自己的基础与条件，抓住某些重要课题，做出有特色的研究成果。对国内现有力量要作合理布局，突出研究重点，同时支持暂时不能成为重点而作为提高普遍研究与教育水平所不可缺少的研究课题，加强分工协作就十分重要了。

自力更生、持之以恒地工作，逐步提高植物生殖生物学的研究水平，是我们取得成功的决定性因素。但是应该承认，我们在总体上与国际研究进度尚有差距，并且，即使是我们自己的发明创造，也是在世界科学研究的温床中滋养与催化出来的。因此如何继续开展与国外的学术交流与科研合作，培养高水平的后继研究人才，是需要认真考虑的问题。

（原载《国际学术动态》，1991年第1期）