全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (2): 139-148, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-08-22; 接受日期: 2007-09-29
基金项目: 国家自然科学基金(No.30570932)、教育部新世纪优秀人才支持计划(No.NECT-06-0327)和黑龙江省普通高等学校青年学术
骨干支持计划项目(No.1152G015)
* 通讯作者。E-mail: daishaojun@hotmail.com
.综述.
蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的比较
戴绍军 1 , 2*, 高晶 1 , 牟鸿飞 1 , 宋莹莹 1
1东北林业大学生命科学学院, 哈尔滨 150040; 2哈尔滨师范大学生命与环境科学学院, 哈尔滨 150080
摘要 蕨类植物孢子与种子植物花粉在有性生殖过程中都具有重要的作用。花粉作为种子植物的雄配子体, 通过萌发后极
性生长的花粉管将精细胞送到胚囊完成受精作用。蕨类植物孢子作为配子体的原始细胞, 通过不对称的有丝分裂产生一大一
小两个细胞, 小细胞萌发出极性生长的假根, 大细胞继续分裂发育为原叶体(配子体)。成熟的花粉和蕨类植物孢子都是代谢高
度静止的细胞, 两者的萌发过程不仅都受到各种不同环境因子的影响, 而且在信号转导、极性建立和能量代谢等方面可能有
着相似的调控机制。本文综述了蕨类植物孢子和种子植物花粉萌发过程的差异和保守性特征。
关键词 蕨类植物孢子, 萌发, 极性生长, 花粉
戴绍军 , 高晶 , 牟鸿飞 , 宋莹莹 (2008). 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的比较. 植物学通报 25, 139-148.
蕨类植物与种子植物虽然在进化位置上存在差异,
但是两者在生活史中都要依次经历孢子体减数分裂产生
孢子、孢子发育 / 萌发形成配子体、配子体产生的配
子经过受精作用形成合子、合子发育为孢子体的世代
交替过程。在此过程中, 孢子发育为配子体是植物体
完成有性生殖过程的关键事件。种子植物的雄配子体
高度退化为双细胞 /三细胞的花粉粒, 而蕨类植物可以
独立生活的配子体是通过与花粉粒有着相似结构的孢
子萌发后发育形成的(Bushart and Roux, 2007)。虽
然种子植物花粉粒与蕨类植物孢子在生活史中的地位
并不等同, 但是, 两者都是由厚细胞壁(花粉壁/孢子壁)
包裹的代谢高度静止的细胞, 并且在萌发过程中都快速
地转为活跃代谢状态。成熟的花粉落到柱头上以后,
通过附着、水合、极性化、启动萌发和花粉管入侵
生长等过程将精细胞通过极性生长的花粉管送到胚囊
中完成受精作用(Boavida et al., 2005; 戴绍军, 2007);
而蕨类植物孢子在光照(或黑暗)条件下打破休眠状态启
动萌发, 并首先依靠重力作用建立极性, 完成细胞核的
迁移, 进行一次不对称的细胞分裂并萌发出假根和原丝
体细胞, 进而继续分裂形成配子体(Cha t t erj ee and
Roux, 2000)。在萌发过程中, 花粉粒和蕨类植物孢子
都要利用贮存物质快速完成极性生长, 并且此过程中的
信号转导、极性建立以及能量代谢等方面也可能存在
着相似的调控机制(戴绍军, 2007; Bushart and Roux,
2007)。由于极性生长和发育是多细胞生物, 尤其是不
能运动的生物(如植物和真菌)有序形成各种形态结构的
重要过程之一, 因此, 近些年来对植物细胞极性生长细
胞学特征和调控机制的研究已经成为热点问题。随着
拟南芥和水稻等模式植物基因组全序列测定的完成, 以
花粉管顶端生长为模型的细胞极性生长的分子机制逐
渐被揭示(Twell, 2002; McCormick , 2004; Boavida
et al., 2005; Krichevsky et al. , 2007)。同时, 蕨类
植物假根与花粉管极性生长的相似性研究也逐渐开展
(Bushart and Roux, 2007)。分析并比较花粉与蕨类
植物孢子萌发过程的分子机制, 对于深入理解细胞极性
生长和植物有性生殖过程的保守性特征具有重要意
义。本文综述了蕨类植物孢子和种子植物花粉萌发过
程的差异和保守性特征。
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1 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的
差异
虽然蕨类植物孢子与花粉都是在孢子囊中通过减数分裂
形成的, 而且它们都是由厚壁包裹的代谢高度静止的细
胞。但从在生活史中的地位和功能上看, 蕨类植物孢子
与花粉有很大差异。成熟的花粉已经是发育完成(三细
胞花粉)或接近完成(双细胞花粉)的配子体, 而多数蕨类
孢子只不过是用于生成配子体的原始细胞。花粉萌发
是雄配子体行使生殖功能的过程, 而孢子萌发仅仅是配
子体形成的过程。不仅如此, 人们对花粉与蕨类植物孢
子研究的重点也不同。在已有的报道中, 人们更多地关
注了花粉发育和萌发的结构特征及分子机制, 而对蕨类
孢子萌发的研究则主要集中在环境因子对其萌发的影响
方面。这些研究反映出来的花粉与蕨类植物孢子的差
异主要体现在以下几个方面。
1.1 成熟孢子与花粉结构
成熟花粉作为种子植物的雄配子体, 是双细胞(约占70%
科的植物)或三细胞的生物体, 外面由花粉壁包裹。花
粉壁由内壁和外壁组成, 外壁的外侧覆盖着主要由蛋白
质和脂类组成的花粉外被(pollen coat), 外被成分在花
粉 -柱头识别过程中具有重要作用。花粉壁上有一个或
多个萌发孔 / 沟, 萌发时花粉管从此处长出。成熟的三
细胞花粉由 1个大的营养细胞中套着 2个小的精细胞组
成, 营养核和 2个生殖核形成的雄性生殖单位在萌发过
程中会共同转移到花粉管中; 成熟的双细胞花粉由 1个
大的营养细胞中套着 1个生殖细胞组成, 在萌发过程中,
生殖细胞会在花粉管中完成 1次有丝分裂形成 2个精细
胞(吕世友等, 2001)。花粉的精细胞核通过极性生长的
花粉管移动到胚囊中, 参与完成双受精作用(图 1B )
(Boavida et al. , 2005)。
与此不同, 多数蕨类植物成熟的孢子是单细胞。同
型孢子真蕨类植物的孢子萌发形成的配子体可能是雌雄
同体, 也可能是雌雄异体, 而异型孢子真蕨类植物的孢
子有小孢子和大孢子之分, 两者分别萌发成雄配子体和
雌配子体(刘建武和刘宁, 2001)。孢子外面包被的孢子
壁主要由内壁和外壁组成, 有的种类外壁外面还有周
壁。孢子壁一般有单裂缝或三裂缝, 萌发时原叶体细胞
和极性生长的假根都从裂缝中伸出(图 1A )。成熟花粉
中贮存有大量的淀粉、蛋白质和mRNA, 用于萌发过程
中物质和能量的供应(Boavida et al., 2005; Dai et al.,
2006); 成熟的蕨类植物孢子不仅同样贮存有上述物质,
并且有些绿色孢子中还含有大量的叶绿体, 能够在萌发
过程中进行光合作用(Raghavan, 1991; Raghavan and
Kamalay, 1993; Furuya et al. , 1997; Salmi et al. ,
2005 )。
1.2 孢子与花粉萌发过程
由于花粉是在雌蕊的花柱上完成萌发和花粉管生长过程
的, 因此整个过程都是在花粉与花柱的相互作用中完成
(图 1B )。成熟花粉从启动萌发到完成受精作用可以依
次分为 5个主要步骤。(1)花粉附着(adhes ion)。首先通
过花粉外壁聚合物和柱头表面的生物物理和 /或化学作
用完成花粉在柱头上的初始附着。再通过花粉外被物
质与柱头表面物质的相互作用完成活化作用。花粉萌
发后插入柱头的花粉管也起到将花粉牵制在柱头表面的
作用(Heizmann et al. , 2000)。(2)花粉水合作用。多
数花粉粒从花药释放后, 代谢静止并且高度脱水, 含水量
只有 15%-35%(Buit ink et al. , 2000)。落到湿柱头上
的花粉可以利用柱头中的水分进行水合作用; 落在干柱
头上的花粉则通过启动它们富含脂质的花粉外被在两个
细胞表面形成一个界面, 并通过这个界面促进水分的流
动(Elleman and Dickinson, 1986)。(3)花粉极性化。水
合使花粉粒由非极性细胞转化为高度极性的细胞。在
水合后的几分钟内, 花粉粒迅速组织它的细胞器和细胞
骨架来支持花粉管伸出。典型的细胞学特征包括: 细胞
骨架形成纤维状的包裹着细胞核的结构, 肌动蛋白细胞
骨架朝向花粉管萌发一侧极性化, 营养核重新定位以至
于其能够在生殖细胞之前进入到伸出的花粉管中
(Lalanne and Twell, 2002), 通过分泌囊泡极性运输使
胼胝质在花粉管出现的部位沉积( J o h n s o n a n d
McCormick, 2001), 以及线粒体和多糖颗粒在伸长的花
粉管顶端集结(Maz ina et al. , 2002)等。(4)花粉萌发。
141戴绍军等: 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的比较
花粉极性建立后, 花粉管突破薄的孢粉素壁伸出, 或溶解
萌发孔的内壁, 移开保护花粉孔的孔盖直接从萌发孔中
伸出。(5 )花粉管入侵和在花柱内生长。花粉管跨过柱
头屏障进入花柱。此过程在不同物种之间存在很大的
差异。花粉管可以穿过开放式花柱(open sty les)的柱头
表皮进入花柱, 也可以穿过封闭式柱头(closed stigmas)
的外层表皮和柱头乳头细胞壁进入到花柱中。然后, 花
粉管与柱头及花粉管通道细胞相互作用, 使后者解体, 从
而实现自身的极性生长最后到达胚囊。对欧洲甜樱桃
(Prunus avium)花粉管的研究表明, 花粉管顶端生长带
(apical growth zone)和后面非生长带中细胞质和细胞器
的分布存在明显差异(Uwate and Lin, 1980)。顶端生
长带含有大量囊泡并缺乏其它细胞器, 细胞质随机分布,
且有直径分别为 300 nm和 50 nm 2种不同类型的囊泡
分布。非生长带的细胞质中含有大量线粒体、高尔基
体池、内质网和囊泡。细胞质沿着花粉管的长轴平行
排列。膜、囊泡和其它细胞器的排列呈现沿细胞质流
分布。研究表明, 花粉管中分布的各种类型的囊泡在多
糖合成、物质转运和信号转导等过程中起作用。例如,
一些来自高尔基体的大囊泡含有细胞壁前体材料, 它们
与花粉管顶端的细胞膜融合, 囊泡膜为质膜的生长服务,
囊泡内涵物被分泌到胞外为细胞壁生长提供原料(Uwate
and Lin, 1980)。
相对而言, 人们对蕨类植物孢子萌发和假根生长过
程细胞学特征的认识并不全面。以水蕨(Ceratopteris
richardii)等为模式植物的研究发现, 孢子萌发前, 在重力
的作用下细胞核发生偏移, 然后进行一次不对称的有丝
分裂, 成为一大一小 2个细胞, 小细胞极性生长为假根,
大细胞继续分裂长成原叶体(图1A)(Edwards and Roux,
1998; Chatterjee and Roux, 2000)。目前, 人们对蕨
图 1 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发过程
(A) 蕨类植物孢子萌发过程;
(B) 三细胞花粉萌发过程
Figur e 1 Germination processes of fern spore and spermatophyte pollen
(A) germination process of fern spore;
(B) germination process of three-cell pollen
142 植物学通报 25(2) 2008
类植物孢子萌发过程中的超微结构特征研究得较少, 而
更多地关注了环境因素对孢子萌发的影响。
1.3 影响萌发的环境因素
花粉与孢子萌发过程都要受到外界因素的影响。由于
花粉是在柱头上萌发的, 因此柱头的结构和生理特征成
为影响花粉萌发的主要因素(徐国华等, 2003)。柱头利
用生物(如昆虫)和非生物(如风)授粉者(poll inators)来捕
获花粉, 并通过迅速和强有力的黏着作用保留花粉粒。
湿柱头表面细胞溶解释放的蛋白质、脂类、多糖和色
素等黏性表面分泌物, 以及干柱头细胞表面乳头状突起
的覆盖层(包括初生细胞壁、蜡质表皮和似蛋白质薄膜)
等对花粉萌发都有一定影响(Edlund et al. , 2004)。自
交不亲合植物的柱头通过抑制花粉水合、萌发和花粉
管侵入来拒绝自己的花粉(Kao and Tsukamoto, 2004)。
对拟南芥花粉 -柱头相互作用的研究表明, 即使经过有
机试剂、盐、还原和氧化试剂等的清洗, 花粉 -柱头的
外壁片段仍保留了它们的结合能力(Ed l und e t a l. ,
2004)。花粉在柱头上完成水合作用后, 水分、营养和
其它小分子物质从湿柱头的分泌物或干柱头乳突迅速地
转移到花粉粒中, 为花粉萌发提供营养物质。柱头中表
达的水孔蛋白(aquaporin)参与了水分从柱头迅速进入花
粉的过程(Dix it et al., 2001)。此外, 花粉外被中的物
质同样参与了花粉 -柱头的相互识别。花粉外被的活化
作用发生时, 外被的脂质和蛋白质混合形成足与柱头表
面的蛋白质接触, 发生蛋白质 -蛋白质相互作用。目前
已经证明花粉外被蛋白与柱头上的芸苔属似S位点糖蛋
白受体 1(S locus glycoprotein-like receptor 1, SLR1)
间存在相互作用, 从而调控自交不亲和作用(Luu et al.,
1999 )。花粉外被、内壁和花粉管壁中含有的酸性磷
酸酶、核糖核酸酶、酯酶、淀粉酶、蛋白酶、几
丁质酶、果胶质酯酶、果胶酸盐裂解酶和多聚半乳糖
醛酸酶等可能在花粉管入侵到柱头表面以及其在花柱内
的生长过程中起到重要作用(Edlund et al. , 2004)。
蕨类植物孢子是在萌发介质(土壤或培养基)中萌发
的。与花粉相比, 影响孢子萌发的外界因素要复杂得
多, 也是一直以来人们研究的焦点(Banks, 1999)。大
量研究表明, 光照会影响多数蕨类植物孢子萌发, 而且因
植物种类不同, 孢子萌发对光强和光质的响应存在差异
(Towil l and Ikuma, 1973)。红光刺激多数蕨类植物的
孢子萌发, 并且这种促进作用可以被远红光所逆转
(Wayne and Hepler, 1985)。而蓝光和远红光可能会
因物种不同而延迟或者抑制孢子萌发, 也可能对孢子萌
发无影响(Towil l and Ikuma, 1973)。光照对孢子萌发
的影响, 主要体现在孢子萌发时第 1次有丝分裂过程中
细胞核朝向背光的一侧迁移, 从而导致细胞的不对称分
裂。孢子对光的响应是通过光敏色素和蓝光受体来完
成的, 而第 1次有丝分裂 S 期是光敏色素和蓝光受体调
节孢子萌发的关键点(Furuya et al., 1997; Tsuboi et al.,
2006)。然而, 对水蕨的研究表明, 重力作用对细胞核
迁移的影响要大于光的作用, 细胞核会向着因重力作用
而建立的极性方向移动(图 1A), 在失重状态下细胞核表
现为随机运动, 假根伸出的方向也是随机的(Edwards
and Roux, 1998)。孢子在光照和重力作用下建立极性
后, 通过调节体内的激素水平来调控萌发。各种激素或
激素类物质对孢子萌发有着截然不同的影响。外源施
加激素类物质成精子囊素似乎能够替代光照的作用启动
孢子萌发(Chiou and Farrar, 1997), 如可以刺激铁线蕨
科Bommeria spp.孢子在黑暗中的萌发, 并且孢子萌发
率随成精子囊素浓度的提高而上升(Haufler and Well ing,
19 94 )。与之相反, 外源施加乙烯则会抑制球子蕨
(Onoclea sens ib il is )孢子萌发过程的第 1次细胞分裂,
进而抑制孢子在黑暗中的萌发, 但是这种抑制可以被光
照(尤其是红光)逆转(Fisher, 1979)。此外, 虽然人们已
经了解光照(红光)对孢子萌发的诱导是通过促进体内赤
霉素(GA)的生物合成来实现的, 而且也证明了外源GA3
可以促进穗乌毛蕨(B l ec hnum s p i c an t )和海金沙
(Lygodium japonicum)孢子的萌发(Kagawa and Sugai,
1991; Fernandez et al., 1997), 但是目前还没有关于
外源GA 可以代替光照刺激孢子在黑暗中萌发的报道。
已有的研究表明, 虽然茉莉酸(JA)和脱落酸(ABA)并不影
响萌发过程中假根的伸出, 但是 JA 可以促进鹿角蕨
(Platycerium bifurcatum)假根的伸长(Camloh et al. ,
1996 ) , 而 A B A 可抑制海金沙科非洲蕨属 Moh r i a
143戴绍军等: 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的比较
caff rorum原丝体的生长(Chia and Reghaven, 1982)。
萌发的环境温度, 以及气体和萌发介质(土壤或培养基)的
组成成分等都会影响孢子萌发(Banks, 1999)。多数孢
子萌发的最适温度为 18-26°C (Ranal, 1999), 31°C以
上会抑制革叶蕨(Rumohra adiant iformis )的孢子萌发
(Brum and Randi, 2002)。适当提高气体中的CO2 浓
度可以刺激石韦属Pyrrosia piloselloides孢子萌发(Ong
e t a l . , 19 98 ) , 而酸性气体会强烈抑制多足蕨属
Polypodium interjectum、鳞毛蕨属 Dryopteris aff inis
和对开蕨(Phyl l i t i s sc ol opendr ium)等的孢子萌发
(Lawrence and Ashenden, 1993)。此外, 在萌发培养
基中添加硝酸盐、蔗糖或蕨叶提取液可以分别增加密
穗蕨(Anemia phyll itidis)和毛轴蕨(Pteridium revolutum)
孢子的萌发率(Haas and Scheuerlein, 1991; 鲍敏等,
2000), 并且孢子外壁(周壁)中含有的金属离子(Ca2+、
Mn2+和Mg2+)也有利于球子蕨的孢子萌发(Miller et al.,
1983), 而亚硝酸盐、羟基巴比妥盐和亲脂性溶剂则会
分别抑制蕨(Pteridium aquilinum)、密穗蕨和球子蕨等
的孢子萌发(Miller, 1987; Bannon et al. , 1991; Sahi
and Singh, 1994)。
1.4 调控萌发的分子机制
种子植物中拟南芥和水稻等模式植物的基因组序列分析
相继完成, 人们有更多的机会分析花粉萌发过程中的分
子调控机制。研究人员已经利用分子遗传学技术分析
了花粉中表达的 1 5 0 多个基因 / 蛋白质的功能
(McCormick, 2004), 并且在以下2个方面取得了重要进
展。(1)认识到了在花粉管极性生长过程中细胞骨架及其
相关蛋白质具有重要作用。如花粉管中部的肌动蛋白
束与近顶端肌动蛋白纤丝的动态重塑是维持花粉管极性
生长所必需的, 肌动蛋白抑制蛋白和肌动蛋白解聚因子
直接调控肌动蛋白的动态变化(Allwood et al. , 2002)。
(2)深入分析了花粉管极性生长过程的信号转导机制。
如证明了花粉管顶端定位的Ca2+梯度与顶端质膜定位
的GTPase调控花粉管的极性生长(Li et al., 1999; Fu
et al . , 2001)。近年来, 人们又利用高通量基因芯片技
术和蛋白质组学技术解析了花粉中表达基因 /蛋白质的
功能类群特征。据估计拟南芥花粉包含 3 500个基因
表达产物, 其中约1 400个转录本是花粉特异性表达的,
包括参与细胞壁代谢、信号转导、细胞骨架动态、离
子运输、囊泡运输、抗逆反应, 以及转录与翻译调节
等代谢过程的转录本(Becker et al. , 2003; Honys and
Twell, 2003)。花粉萌发过程中蛋白质表现出与转录本
并不完全相同的功能类群特征, 其中参与信号转导、细
胞骨架动态、细胞壁代谢以及糖类和能量代谢的蛋白
质被高度代表并表现出明显的动态变化, 而且由翻译后
修饰形成的同工型蛋白质在花粉萌发过程中具有重要的
作用(Holmes-Davis et al. , 2005; Noir et al., 2005; Dai
et al. , 2006, 2007a, 2007b; 戴绍军, 2007)。
与对花粉萌发分子机制的研究相比, 对蕨类植物孢
子萌发调控机制的研究相对滞后, 人们只获得了有限的
信息。研究表明 , 球子蕨成熟孢子中贮藏有大量
mRNAs, 并且mRNA 的数量随着红光诱导的孢子萌发
过程而逐渐降低, 其中一些mRNA编码的蛋白质分别与
种子植物中早期光诱导蛋白、晚期胚发生丰富蛋白高
度同源(Raghavan, 1987 , 1991; Raghavan and
K am a l ay , 1 99 3 )。此外, 荚果蕨(M at t eu c c i a
struthiopteris)孢子中的似豌豆球蛋白(vicilin-like)和铁线
蕨(Adiantum capillus-veneris)孢子中的细胞壁伸展蛋白
(extensin)也与种子植物中的蛋白质同源(Shutov et al.,
1998; Uchida et al., 1998)。成熟的荚果蕨孢子中贮
藏有与种子中相似的球蛋白和一些蛋白酶, 在萌发过程
中球蛋白被降解, 而蛋白酶在萌发后12小时表现出最高
活性(Cohen and DeMaggio, 1986; Templeman et al.,
1987), 这些蛋白质和酶的动态变化也反映出孢子萌发时
的活跃代谢状态。近来对水蕨ES T的分析表明, 孢子
萌发过程中表达基因的数量可能超过 14 000个(Salmi
et al., 2005), 远远高于利用8K基因芯片估计的拟南芥
花粉中表达的 3 500个基因(Honys and Twell, 2003)。
最近, Salmi等(2005)利用基因芯片技术分析了水蕨孢子
萌发过程中最初 48 小时转录本的变化。他们发现, 光
照启动孢子萌发的最初 24 小时是依靠重力作用的极性
建立阶段, 此时转录本的表达丰度没有明显的变化; 而在
48小时, 孢子已经完成细胞核迁移并开始进行第 1次细
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胞分裂, 此时有 900多个转录本(占全部转录本的 29%)
的表达丰度发生明显的变化。这表明孢子进行了第 1次
细胞分裂后由静止状态迅速转为活跃的代谢状态(Salmi
et al. , 2005)。同时, 人们对孢子萌发过程中特异表达
基因/蛋白质的功能分析也开始进行, 目前已经从铁线蕨
孢子中分离了蓝光受体基因家族的 5 个基因(CRY1-
CRY5), 并证明孢子在萌发过程中, 可能通过 CRY3和 /
或 CRY4 调节蓝光对其萌发的抑制(K anegae and
Wada, 1998; Imaizumi et al., 2000), 而且发现在红
光诱导铁线蕨孢子萌发的过程中, 延展蛋白表达量上
升, 表明这种蛋白质很可能参与了细胞分裂过程中细胞
壁的合成。
2 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的
相似性
蕨类植物孢子与种子植物花粉在萌发过程中都要快速地
打破静止状态, 利用细胞内贮藏的mRNA、蛋白质和能
源物质(如淀粉)启动活跃的代谢过程。它们都需要首先
响应外界环境条件建立极性, 然后假根 / 花粉管突破孢
子 /花粉的厚壁伸出并快速伸长。假根和花粉管的生长
是以细胞骨架调节的囊泡定向运动与细胞壁 /细胞膜的
快速合成为基础的快速极性生长过程。在此过程中, 蕨
类植物孢子与花粉在细胞器运动、信息传递、能量代
谢和物质合成与运输方面可能存在着相似的分子调控机
制 。
Ca2+是信息传递过程中重要的信号分子, 已有报道
表明一些可以通过抑制钙离子通道关闭花粉萌发的化学
试剂同样可以抑制蕨类植物假根的出现(Wang et al. ,
2004; Bushart and Roux, 2007)。Ca2+在生长的花粉
管和蕨类假根尖端都有定位, 并且Ca2+浓度都表现为从
尖端向后逐渐降低(Lazzaro et al., 2005; Bushart and
Roux, 2007)。Ca2+流在孢子萌发过程中沿着依靠重力
建立的极性从孢子底部流入孢子内并从顶部流出
(Chatterjee et al. , 2000), 从而决定了细胞核迁移、细
胞不对称分裂和假根伸出的方向。这表明在花粉管顶
端生长中具有重要作用的钙离子流定向机制对于重力调
控下蕨类孢子萌发过程中的极性建立和假根极性生长也
起到关键作用(Chatterjee et al ., 2000; Stout et al . ,
2003)。细胞内Ca2+含量的增加会促进 NO合成酶的活
性, 从而增加 NO的生成, NO作为信号分子同样可以调
控各种细胞学过程。近期研究表明, NO信号及其下游
的cGMP同样参与调控花粉管和假根极性生长的方向及
速率(Prado et al., 2004; Morris and Poterfield, 2004)。
此外, 细胞内的Ca2+流会调控顶端定位的Rop-GEFs的
活性。Rop1 特异性地定位于成熟花粉和花粉管, 而
GEF-Rop1融合蛋白则定位于生长的花粉管膜(Li et al.,
1999)。萌发的水蕨孢子中含有与拟南芥 Rop1高度同
源的转录本, 由此表明 Rop-GEFs在花粉管和假根的顶
端生长过程中发挥着相似的作用(Bushart and Roux,
2007)。与之相似, 在水蕨萌发的孢子中还存在与花粉
管中磷脂酶 D同源的转录本(Monteiro et al., 2005), 这
暗示着由磷脂酶D参与调节的信号系统可能对花粉管和
假根的极性生长具有相似的作用(Bushart and Roux,
2007)。细胞骨架动态变化和细胞内囊泡运动是细胞顶
端生长过程中极性建立和物质运输的基础(Parton et al.,
2001)。植物体内的膜联蛋白(annexin)具有 Ca2+依赖
的磷酸二酯酶(phosphodiesterase)活性(Calvert et al.,
1996)和 Ca2+离子通道活性(Hofmann et al. , 2000)。
Annexin在花粉管和假根顶端都有分布(Blackbourn et
al., 1992; Clark et al., 1995), 并且与高尔基体调节的
囊泡分泌和细胞骨架成分(如 F-act in)都有关联(Hable
and Kropf, 2000; Clark et al. , 2005)。可见, 膜联蛋
白很可能是在花粉管和假根顶端生长过程中起关键作用
的中介分子。
最近, 利用基因芯片技术得到的水蕨孢子与拟南芥
花粉和种子中的转录本信息也表明, 孢子与花粉之间存
在异质性特征的同时, 也可能存在相似的基因调控机
制。在孢子、花粉和种子中共同表达的基因有 8个, 它
们编码真核翻译起始因子、细胞死亡抑制蛋白、泛素
氧化还原酶复合体、HM G辅酶 A 还原酶、VAM P 和
Mago nashi蛋白家族等蛋白产物, 反映了这3种萌发体
系都存在着活跃的蛋白质代谢、能量代谢、脂类代谢
和次生代谢过程(Salmi et al., 2005)。另外, 孢子与花
145戴绍军等: 蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发的比较
粉中看家基因与特异基因的比例大体相近(1:1), 这表明
与种子相比孢子与花粉中特异表达基因占有更高的比例,
两者的萌发过程与种子萌发相比具有更高的特异性
(Salmi et al., 2005)。孢子与花粉中共同表达的基因为
33个, 主要是 DNA 结合蛋白相关蛋白质、泛素蛋白和
乙酰辅酶 A氧化酶等的编码基因, 这暗示着孢子与花粉
在萌发过程中可能存在相似的基因调控、蛋白质和能
量代谢过程(Salmi et al ., 2005)。
3 存在问题与展望
蕨类植物孢子与种子植物花粉萌发都是在短时间内完成
的非常精细的细胞极性生长过程。这一过程不仅决定
了植物有性生殖的成败, 而且是细胞学研究的良好模
型。然而, 长期以来, 由于种子植物具有更大的经济价
值, 人们更多地关注花粉萌发过程的代谢特征和分子调
控机制(Twell, 2002; McCormick , 2004), 而对蕨类植物
孢子萌发的研究则主要集中在孢子萌发过程对各种环境
因子的响应方面。虽然, 近年来人们已经预测在蕨类成
熟孢子中贮存着用于萌发的转录本和蛋白质(Bus hart
and Roux, 2007), 并且开始利用基因芯片技术研究萌发
过程中表达转录本的差异(Salmi et al., 2005), 但是对
蕨类植物孢子萌发分子机制的研究仍然缺乏。实际上,
蕨类植物孢子萌发有着自身的特点, 它是真正意义上的
单细胞(花粉为两细胞 / 三细胞)极性建立与生长过程
(Chatterjee and Roux, 2000; Dai et al., 2006)。与花
粉萌发相比, 蕨类孢子萌发不仅更加依赖于自然环境因
素的调控, 而且在萌发过程中涉及一系列细胞分裂和分
化过程, 可能存在比花粉更加复杂的调控机制。因此,
将传统的分子遗传学技术和新兴的 RNAi以及蛋白质组
学技术相结合, 进一步分析蕨类植物孢子萌发过程中参
与对光、重力和其它环境信号响应, Ca 2+调节的极性
建立和细胞骨架介导的细胞不对称分裂等事件的基因 /
蛋白质的表达数量和功能, 将为揭示孢子萌发的分子机
理提供重要信息。同时, 深入分析花粉萌发过程中差异
表达基因 /蛋白质的功能, 并比较蕨类植物孢子 -花粉萌
发过程的保守性和异质性特征, 对于进一步认识假根-花
粉管极性生长过程的分子机制也具有重要意义。
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(责任编辑: 刘慧君)
Comparison of Germination Between Fern Spores and
Spermatophyte Pollen
Shaojun Dai1, 2*, Jing Gao1, Hongfei Mu1, Yingying Song1
1Co lle ge of L ife Scien ces, North east Fore stry Unive rsi ty, Ha rbi n 1 5004 0, Chi na
2Co lle ge of L ife an d Envi ronmental Sci ences, Harbin No rma l Universi ty, Ha rbi n 1 5008 0, Chi na
Abstr act Fern spores and spermatophyte pollen have major roles in plant sex reproduc tion. As the male gametophy te, pollen
delivers sperm to the embryo sac for fert ilization by pollen-tube polarized grow th. The fern spore, the original cell of the gametophy te,
carries out asymmetrical mitosis to produce a large cell and a small cell. The small cell geminates to a rhizoid by tip grow th, and the
large cell f urther div ides and develops to become a prothallus( the f ern gametophy te). Fern spores and pollen are metabolically
quiescent cells , and their germination is af fec ted by var ious environmental fac tors. Moreover, the germination of fern spores and
pollen probably has similar molecular regulated mechanisms in cell div is ion, polar ity establishment and energy metabolism. This
paper gives an overview of the different and conserved features of fern spores and spermatophyte pollen germination.
Ke y w ords fe rn spore, germin ati on, pol ari zed growth , p oll en
Da i SJ , Ga o J , Mu HF, Song YY (2008 ). Comp arison o f g ermi nati on between fern sp ores and sp erma toph yte pol len. Ch in Bull Bo t 25,
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* Author for correspondence. E-mail: daishaojun@hotmail.com