水稻双受精研究进展 报告人：张春良 导师：王忠

引言 被子植物中普遍存在 双受精 现象:花粉粒粘附到柱头上，萌发花粉管，在亲和条件下，花粉管通过柱头、花柱、胎座、珠孔等雌蕊组织到达胚囊的退化助细胞中，释放两个精子，其中一个精子与卵细胞融合，形成受精卵，另一个精子与中央细胞融合，形成胚乳原核 。受精卵将来发育成为胚，胚乳原核将来发育成胚乳。

1898年,纳瓦兴Nawaschin 报道了头巾百合和细弱贝母花粉管中的两个雄配子一个与卵、另一个与2个极核融合的现象，首次阐明了被子植物的两个精子都参与受精的双受精现象。

双受精现象发现100多年以来，人们对它进行了很多，很广泛的探索。 随着研究手段的改进和先进的显微观测技术的革新，我们对双受精现象的认识已经更加深入。 水稻作为模式植物和世界上最重要的粮食作物之 一 ，具有相当重要的研究意义。

1. 受精之前 1.1 水稻雌配子体(胚囊) 属于蓼型胚囊，具 7 个细胞 8 个核结构，即 1 个卵细胞，2 个助细胞，1 个中央细胞(含 2 个极核) 和 3 个反足细胞。 在受精前，其中的 1 个助细胞退化，因此，在成熟胚囊中，往往只能见到 1 个助细胞。一般助细胞的细胞核较小，位于助细胞的偏珠孔端，具 1 个较小的核仁。

1. 受精之前 1.1 水稻雌配子体(胚囊) 卵细胞呈梨形，珠孔端小，合点端较大。中央细胞为1 个高度液泡化的细胞，形状较大，几乎充满整个胚囊。2 个极核紧靠在一起，各有1个较大的核仁。2个极核在受精前并不融合成次生核。

水稻胚囊不同发育阶段模式图

成熟胚囊内的极核移至卵细胞上端，细胞质桥明显。

成熟胚囊内的卵细胞。

授粉前胚囊内的一个助细胞已退化。

极核已移至卵细胞上端并向横排转变。

2. 受精过程 2.1 花粉管运动 花粉粒萌发花粉管，花粉管进行顶端生长，从株孔进入胚囊，通过丝状器进入退化的助细胞，花粉管顶端破裂，在这个退化的助细胞中释放其内含物。

2. 受精过程 2.1.1 花粉管生长的方向 花粉管总是朝着退化的助细胞生长的。 通常在受精前后胚囊中的两个助细胞中仅一个退化，另一个宿存，而花粉管的进入总是到达退化的助细胞中。

2. 受精过程 2.1.1 花粉管生长的方向 大多数是在传粉后和花粉管在花柱中生长时一个助细胞退化。例如陆地棉、栎属 Quercus gambelii、向日葵 ；有的在传粉前退化，例如小麦、水稻、甜菜；还有的在花粉管进入后不久退化，例如荠莱、矮牵牛、针茅属 Stipa elmwei。

2. 受精过程 2.1.2 助细胞退化的原因 目前一般认为，助细胞的退化是为某种信号的传递所诱导。Jensen等设计的一个棉花的胚珠离体培养实验，发现了未授粉的花的胚珠在离体培养中，当培养基中加入赤霉素和吲哚乙酸时，可模拟发生像体内一样的助细胞退化，并进一步证明是[赤霉素]在起作用。

2. 受精过程 2.1.2 助细胞退化的原因 根据这一实验结果，作者认为花粉管在花柱中生长时产生的信号使赤霉素增加，并扩散至胚囊，从而引起一个助细胞退化。这一假设是有启发性的，但还需要体内分析的证据和更广泛的植物实验资料说明是否是普遍的规律。助细胞中[钙]的高含量可能是导致它退化的更直接的因素。

2. 受精过程 2.1.2 助细胞退化的原因 两个助细胞哪一个退化，哪一个宿存？ 目前的研究并未发现两个助细胞之间存在明显的异型性，却发现两个助细胞的命运可能与它们各自的位置有关Mogensen (1984)。

2. 受精过程 2.1.2 助细胞退化的原因 在一些植物中表现为有规律的。例如大麦，退化的一个助细胞多位于近胎座一侧；在向日葵中，退化助细胞是位于近珠柄一侧的一个。这种“位置效应”，推测是由花粉管产生的信号沿珠柄一侧扩散到胚囊，从而诱导该侧的助细胞退化。

2. 受精过程 2.1.2 助细胞退化的原因 不过，有的植物助细胞退化在位置上的倾向性是不明显的，例如亚麻，而在烟草中是随机的。因此，为什么仅一个助细胞退化及选择性的机制仍有待进一步研究。

2. 受精过程 2.1.3 花粉管、助细胞和钙 钙是生物界广泛存在的第二信使，而且，在目前被子植物双受精过程的很多关键步骤都起到重要的作用，尤其是对助细胞与花粉管之间的作用，人们有比较深入的认识。钙不仅吸引花粉管进入助细胞，还促使花粉管停止生长和释放精子。关于钙的研究正在深入，水稻中第一个助细胞是在受精前退化的，关于该助细胞退化的机理，尚无明确的报道。

2. 受精过程 2.2 精子的运动 2.2.1 雄性生殖单位 Jensen 和 Fisher (1970) 报道了在棉花花粉管中的两个精细胞首尾相连，以及精细胞与营养核也联接在一起。11年之后，Russell 和 Cass (1981) 详细描述了在白花丹的成熟花粉粒中的所有雄性成员构成一个联合体。现在已经证实，雄性生殖单位在被子植物的花粉粒中普遍存在。

2. 受精过程 2.2 精子的运动 2.2.1 雄性生殖单位 这一概念的建立表明人们已经开始注意精子与精子之间和精子与营养细胞之间的相互联系和作用，说明两个精子的命运可能在雄性生殖单位形成的时候已经决定。但是雄性生殖单位的是否在被子植物中普遍村子？还需要更多的实验证据。

2. 受精过程 2.2.2 精子异型性( heteromorphism) 和倾向受精( prefer2ential fertilization) 精子二型性表现在细胞质，细胞核形状，大小和含可遗传的细胞器——线粒体和质体数量上的差异。

2. 受精过程 2.2.3 生殖细胞与精细胞在花粉管中的移动 花粉粒及花粉管内的生殖细胞及其分裂的的精细胞作为包含在应验细胞质中的独立细胞，具有自己的细胞骨架系统。精细胞是从生殖细胞有丝分裂而形成的，它们的形态和细胞骨架具有共同的特征，称为生殖-精细胞(generative and sperm cells， GSP) 。 现在已经证实，GSP的移动决定于营养细胞质中微丝导致的细胞质的流动。而GSP中的微管的作用是建立和维持GSP的形状。

2. 受精过程 2.2.4 精细胞在胚囊中的移动 在花粉管到达之前，在精细胞至受精靶区的道路上存在 2 个肌动蛋白冠状结构，肌动蛋白冠从助细胞的中部延伸，1 条在卵细胞核附近结束，另一条在极核附近结束。 精细胞最终通过肌动蛋白带的作用而被运送到靶区分别与卵细胞和极核完成受精作用。肌动蛋白冠将精细胞运送到靶区后，从助细胞的基部开始逐渐解体，助细胞也随之退化。

2. 受精过程 2.3 配子的融合 2.3.1 融合前雄配子的状态 雄性生殖单位可能与两个精细胞有序地释放至胚囊中有关。在胚囊中尚未融合的精细胞的状态，在观察过的多种植物，例如大麦、菠菜、白花丹和加拿大杨，表现有许多共同的特点，最明显的是： (1) 当花粉管释放后，雄性生殖单位的成员分离，仅少数观察中看到它们保持短暂的接触； (2) 精细胞这时不存在细胞壁，并由于脱离了原来包围它们的花粉管的内质膜，精子的质膜变为暴露在周围的环境中，即在退化的助细胞中。

2. 受精过程 2.3.2 融合前雌性生殖单位及卵细胞的状态 1984 年Dumas 等提出雌性生殖单位(female germ unit) 的概念，他们认为卵、助细胞与中央细胞组成一个结构单位，称为雌性生殖单位，其主要特点是在受精的靶区缺少细胞壁，从而使雌、雄性细胞得以原生质体状态相互融合。后续研究表明烟草、菠菜、小麦、扁豆、向日葵、拟南芥和天竺葵等都具这样的特征。雌性生殖单位是当胚囊发育到一定临界状态，即准备受精之前才组成一个暂时的单位，当受精完成后，在原来缺少细胞壁的部位再生新壁，合子重新被完全壁包围。在受精前雌性生殖单位成员之间形成的一个缺壁区域的结构特点，为雌配子接受雄配子提供了条件。

2. 受精过程 2.3.3 精卵识别 当前对受精中配子融合的机制提出两种假说，即随机假说(chance hypothesis) 和特异受体假说( specific receptor hypothesis)。随机假说意指精子与卵受精是随机结合，并且一个精细胞与卵结合后随即阻止多精入卵；特异受体假说是相反的概念，认为雌雄配子融合是由特异的细胞表面分子所预定，两个精细胞表面质膜具有不同的决定因子，这种因子或是与卵细胞或是与中央细胞的表面可以互补。

2. 受精过程 2.3.4 配子质膜的融合 过程大致是这样：融合的过程先从配子核膜在数个位点融合，及由于内质网的缩短而形成二核间的桥，进而二核间的内核膜合并和溶解，最后核质贯连。融合后新的核膜是由雄性与雌性的核膜共同组成。目前对于配子膜融合的机理尚不清楚。 此研究比较困难：1时间很短。2深藏于雌配子内，不容易直接观察，也不容易模拟体内环境。

2. 受精过程 2.3.5 融合时雄配子细胞质的命运 在配子融合时，雄配子的细胞质是否也同核一起进入雌配子? 大麦中则观察到与卵融合的一个精细胞的细胞质被排除在外，而另一个则是核连同细胞质都转移至中央细胞中。 在水稻中，精子细胞质是否进入卵子，尚无明确报道。

2. 受精过程 2.3.6 精子与极核的融合 精核与极核的融合过程类似于精核与卵核的融后过程，只是前者的融合速度比后者的融合速度要快得多。 在观察过程中发现，大部分精核是与 1 个极核融合后再与另 1 个极核发生融合的，偶尔可见到精核与次生核的融合。

授粉后2h精核即将与一极核融合。

2. 受精过程 2.3.6 精子与极核的融合 在开花后 3h 左右，可观察到精核首先与一个极核的核膜接触，进行核膜的融合。随后，精核的染色质向极核内分散。随后，在极核内出现一个小的雄性核仁 。雄性核仁会慢慢变大，最后增大至与极核的核仁差不多大小 。在开花后 4h 左右，1 个精核与极核完成融合，形成初生胚乳核。初生胚乳核分裂前，核仁一直保持不融合状态。

2. 受精过程 2.3.6 精子与极核的融合 精核与极核融合形成的初生胚乳核不经静止期直接进入分裂，而精核与卵核融合形成合子后一般有6～8 h 的静止期，然后才启动第一次有丝分裂过程。

双受精作用即将完成，极核和卵细胞即将分离。

受精后…… 其实，双受精以及受精后发育是一个连续的过程，因为卵与极核的受精并不是同时完成的…… 让我们姑且以核融合作为分界点来看看卵与极核受精后的发育吧。

3. 受精后发育 3.1 合子的分裂 合子一般在开花后16～18 h 进行第一次有丝分裂，至开花后24 h，合子完成第一次分裂，形成2细胞原胚。水稻大多数合子的第一次分裂为横分裂，但也有进行纵分裂的 。在通常情况下，第一次分裂形成的2 个细胞在形态上大小比较均等。

3. 受精后发育 3.2 初生胚乳核的分裂 初生胚乳核形成后，很快进行分裂。在开花后5～6 h，可观察到初生胚乳核已经进行有丝分裂。到合子完成第一次有丝分裂时，已经形成8 个或更多的游离核，形成的游离核绕胚囊周缘分布。水稻胚乳的发育类型为核型胚乳。

3. 受精后发育 3.2 初生胚乳核的分裂 初生胚乳核形成后，很快进行分裂。在开花后 5～6 h，可观察到初生胚乳核已经进行有丝分裂。到合子完成第一次有丝分裂时，已经形成 8 个或更多的游离核，形成的游离核绕胚囊周缘分布。水稻胚乳的发育类型为核型胚乳。

授粉后9 h开始出现游离核。

4. 问题与讨论 4.1 水稻双受精时间进程 Akimine和Terada曾报道过水稻的受精时间是在开花后12 h 进行的。Noguchi 同意Akimine和TeradaCho、吴素萱、黄景华等认为开花30min~40min 花粉管进入胚囊。黄群策等报道四倍体水稻的受精过程要比二倍体慢很多。代西梅认为水稻开花后1～2 h，花粉管进入胚囊 。 研究的报告很多，但是结论不统一，这方面还需要深入研究。

4. 问题与讨论 4.2 关于精细胞在胚囊中的移动 关于精子释放后是如何在胚囊中移动而最终到达卵细胞与极核的，一直是一个疑点。以前，有人认为精子是依靠花粉管释放时的冲力而移动的，也有人认为精子可以象动物精子及低等植物的精子一样可以在胚囊中游动而到达卵细胞与极核。

4. 问题与讨论 4.2 关于精细胞在胚囊中的移动 近年来的研究倾向支持微丝-肌动蛋白冠的观点。但是实验证据仍然不够充分。有待于进一步的研究。

继续研究： 水稻双受精时间进程 验证肌动蛋白冠的存在 两个助细胞是否不同？ 两个极核是否不同？ 两个精子是否不同？

参考文献 [1] 代西梅，黄群策 激光扫描共聚焦显微镜观察水稻双受精过程 河南农业科学 2007年第6期 [2] 胡适宜 被子植物双受精发现100年:回顾与展望 植物学报 1998，40(1):1～1 [3] 王侯聪等 辐照水稻花粉双受精行为的剂量效应 核农学报 1995，9(3)，149~152 [4] 卢永根 水稻花粉发育过程及其分期 中国水稻科学， 2001， 15 1 : 21～28　 [5] 刘向东，徐是雄 水稻胚囊形成过程与分期 中国水稻科学 1997，11(3):141~150 [6] 汪斌 黄春梅 黄群策 同源四倍体水稻IR36 湖南农业科学 1999 年第 5 期　 [7] 黄群策 同源四倍体水稻的生殖特性研究 中国农业科学　1999， 32 2: 112 [8] 肖波 刘向东 同源四倍体水稻亚种间杂种胚囊的结构及受精特点 作物学报 第31 卷 第9 期

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