全 文 ：植物学报Chinese Bulletin of Botany 2009, 44 (4): 506-514, w w w .chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2009.04.013
收稿日期 : 2008-08-14; 接受日期 : 2008-11-14
基金项目 : 国家自然科学基金 (No.30670126)
* 通讯作者。E-mail: hqtian@xmu.edu.cn
.专题论坛.
被子植物助细胞的发育和功能
王雅英1 , 田惠桥2*
1厦门医学高等专科学校 , 厦门 361008; 2厦门大学生命科学学院, 厦门 361005
摘要 助细胞是被子植物雌配子体的组成细胞之一, 是大多数被子植物完成受精作用的关键环节之一。在受精过程中, 助细
胞吸引花粉管向雌配子体生长, 并接受花粉管长入细胞程序死亡助细胞中。接下来的花粉管停止生长和花粉管顶端破裂释放
出2个精细胞的过程可能也依赖于助细胞。另外, 雄性生殖单位的解体、提供精细胞的运动轨道和启动精细胞合成DNA的生物
学事件也可能与助细胞有关。助细胞的形态结构已研究得比较清楚, 但有关助细胞的发育机理和它在受精过程中的作用则仍
不明确。近年来对助细胞的研究又取得了一些新结果, 尤其是一些分子生物学的研究结果为揭示助细胞的功能提供了重要线
索。该文总结了这方面的研究成果, 并对助细胞的生殖功能进行了分析。
关键词 被子植物 , 发育 , 受精 , 功能 , 助细胞
王雅英 , 田惠桥 (2009). 被子植物助细胞的发育和功能 . 植物学报 44, 506-514.
助细胞是大多数被子植物完成受精所必需的特
有细胞, 是单倍体的雌配子体组成细胞之一, 与卵细
胞毗邻。授粉后, 花粉管从珠孔进入胚珠 , 并从助细
胞进入雌配子体。大多数植物的助细胞在花粉管抵
达前细胞程序死亡, 花粉管进入其中后停止伸长并破
裂释放其内含物 , 包括 2个精细胞, 开始了雌、雄配
子的相互作用阶段。然后, 2个精细胞分别移动并靠
近卵细胞和中央细胞 , 发生雌、雄配子融合, 完成双
受精(Lord and Russell, 2002; Weterings and Russell,
2004)。成熟助细胞具有独特的结构 , 也是花粉管进
入雌配子体的唯一通道。前人已对助细胞做了许多
结构方面的观察, 并推测其生理功能主要是吸引花粉
管进入(Willemse and van Went, 1984; Huang and
Russell, 1992)。有关助细胞发育机理的研究很少 , 只
清楚了解 2个助细胞来自四核胚囊中珠孔端的一个
细胞核, 但2个助细胞与卵细胞的结构和功能差别如
此之大的原因及其发育的分子机理尚不明确。从已
发表的有关被子植物雌配子体的文献(W illemse and
van Went,1984; Huang and Russell, 1992; Drews et
al.,1998; Drews and Yadegari, 2002; Higashiyama,
2002; Yadegari and Drews, 2004)中可以看出, 对助
细胞的研究一直吸引了一些学者的兴趣, 尤其是近年
来在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和玉米(Zea mays )
中应用遗传学、分子生物学和生理学技术取得了一
些新进展, 开始揭示助细胞的发育和功能机理。本文
在我们的研究基础上结合他人最新研究成果对助细
胞的生殖功能做详细的探讨。
1 助细胞的发生和发育
70% 以上的被子植物都是蓼型胚囊(M aheshwar i,
1950), 减数分裂形成的 4个大孢子中, 珠孔端的 3个
退化, 仅保留合点端的 1个大孢子(功能大孢子)继续
发育。由功能大孢子经过 3次有丝分裂, 产生八核胚
囊。之后, 在细胞核之间形成细胞壁 , 隔离游离细胞
核, 形成七胞八核的雌配子体 , 最后分化成由 4种细
胞组成的雌配子体——完整胚囊 (Huang and Russell,
1992; Russell, 1993)。在有些植物中 , 尤其是禾本科
植物, 反足细胞可进一步分裂。绝大多数的胚囊被完
全包被在胚珠内部, 使得对助细胞进行直接观察和实
507王雅英等: 被子植物助细胞的发育和功能
验操作很困难 , 但蓝猪耳(Torenia fournieri)的胚囊从
珠孔伸出, 卵细胞和2个助细胞可用光学显微镜直接
观察。蓝猪耳已成为研究助细胞功能的模式植物
(Higashiyama, 2002; 陈素红等, 2006)。
被子植物的蓼型胚囊发生过程中, 功能大孢子第
2次分裂形成的四核胚囊中各有 2个核位于胚囊的珠
孔端和合点端 , 其中珠孔端的一个核分裂形成2个助
细胞核, 而另一个核分裂为卵核和珠孔极核。雌配子
体的细胞数目虽然很少 , 仅由 7个细胞组成(中央细
胞有 2个极核), 但高度分化, 由 4种细胞组成。大孢
子的每一次分裂都已明确决定了其细胞核的命运。
从结构角度看, 雌配子体的细胞核分化是由其在胚囊
中的位置决定的(Russell, 1993; Christensen et al. ,
1997; Drews and Yadegari, 2002)。可能胚囊中细胞
核周围的形态因子(morphogen)梯度决定了细胞核的
命运, 或者是细胞核的位置决定了其分化(Ephruss i
and St Johnston, 2004)。另一种可能是雌配子体细
胞核分化由有丝分裂过程中形成的不对称性决定
(Davidson et al. , 1998)。后一种解释可能更实际些。
在韭菜(Allium tuberosum)四核胚囊珠孔端的 2个核
分裂过程中, 一个核分裂的纺锤体与胚囊纵轴垂直,
分裂过程呈现出相对的对称性, 形成 2个助细胞核;
而另一个细胞核分裂的纺锤体与胚囊纵轴平行, 具有
明显的珠孔极和合点极的不对称差异, 形成了卵细胞
核和珠孔极核(田惠桥和杨弘远 ,1991)。
在助细胞分化过程中 , MYB98被确定是其分化
所需要的一个基因。拟南芥MYB98基因主要在助细
胞中表达, 编码一个 R2R3-MY B 转录因子。具有
MYB98基因突变的助细胞大多数特征表现正常 , 但
其丝状器结构有缺陷 , 没有野生型丝状器特征 , 在细
胞珠孔端具有相对均匀的细胞壁, 这将影响其对花粉
管的引导(详见下文)。研究结果表明 , MYB98基因作
为一个转录因子调控丝状器形成所需要的基因表达
(Kasahara et al., 2005)。最近, 又发现了 MYB98下
游基因及其编码的蛋白质 (位于丝状器)(Punwani et
al., 2007)。另外, 在拟南芥中还发现了影响助细胞命
运的突变体(lis), 在该突变体中助细胞和中央细胞变
为卵细胞, 而反足细胞则变成中央细胞。LIS基因与
酵母剪切因子 P R P 4 同源 , 它是 u 4 / u 6 剪接体
(spliceosome)拼接时的成员, 表明有剪切因子参与决
定助细胞命运的调控。可能许多突变的雌配子体缺
乏 RNA拼接所必需的 LIS。目前, 还不清楚 LIS在决
定雌配子体细胞发育中的确切作用 (Gross-Hardt et
al., 2007)。
2 助细胞的结构
助细胞发育成熟后 , 具有明显的形态结构特征 , 包括
其珠孔端的细胞壁不均匀加厚形成丝状器以及合点
端的细胞壁消失; 产生一个大液泡位于细胞的合点
端, 将细胞核和大部分的细胞质挤到细胞珠孔端 , 形
成鲜明的细胞极性。通过对其超微结构观察发现 , 助
细胞的细胞质中含有丰富的核糖体、质体、线粒体、
内质网和高尔基体, 表明助细胞是代谢高度活跃的细
胞(Willemse and van Went, 1984; Huang and Russell,
1992)。助细胞的细胞壁结构呈明显的不对称性: 在
大多数物种中 , 靠近合点端、毗邻卵细胞和中央细胞
的助细胞壁缺失或不连续。没有细胞壁的特征有利
于精子移动到卵细胞和中央细胞的受精靶区与其融
合(W illemse and van Went, 1984)。助细胞珠孔端的
细胞壁明显增厚, 形成许多指状突起伸入助细胞质
中, 称为丝状器(fili form apparatus)。目前对丝状器的
形成及成分还不完全了解。根据染色结果显示, 丝状
器成分包括纤维素、半纤维素、果胶、胼胝质和蛋
白质等物质(Willemse and van Went, 1984; Huang and
Russell, 1992)。从结构上看 , 丝状器大大增加了助
细胞膜的表面积, 而且其附近细胞质含有丰富的分泌
细胞器(内质网、高尔基体和液泡)。因此, 有人认为,
丝状器的存在便于物质流入及流出助细胞。因为丝
状器存在于大多数的物种中, 对助细胞发挥功能起着
重要的作用。在超微结构观察中 , 花粉管都是通过丝
状器进入胚囊的, 因此丝状器是花粉管进入胚囊的通
道(Willemse and van Went, 1984; Huang and Russell,
1992)。
508 植物学报 44(4) 2009
除了助细胞的一般结构特征外, 大多数被子植物
具有 2个助细胞, 但在受精过程中 , 一个为接受花粉
管的细胞程序死亡助细胞, 而另一个为不接受花粉管
的宿存助细胞。花粉管是随机地进入其中一个助细
胞, 还是有选择性地进入其中一个特定助细胞？对这
一问题很少有人提到。在韭菜助细胞发育过程中, 2
个成熟助细胞之间呈现出一大一小的体积差异。但
由于这是通过切片技术观察到的二维图像, 因此很难
确切证明这一现象(田惠桥和杨弘远 ,1991)。最近, 通
过 分 离 卵 器 的 方 法 明 确 证 实 了 黄 花 曼 陀 罗
(Brugmans ia aurea Lagerh ‘Goildens Kornet t’)的 2个
助细胞在发育过程中逐渐产生了体积上的差异(刘欢
欢等, 2008)。大葱(Allium f is tulosum)的 2个助细胞
体积差异可达 40%以上(菅明霞等, 2009)。2个助细
胞体积上的差异是否与花粉管进入其中一个特定的
助细胞有关？在烟草 (Nicot iana tabacum)中, 接受花
粉管的细胞程序死亡助细胞在显示结构变化迹象前 ,
胞内钙离子明显增多, 而不接受花粉管的宿存助细胞
中钙离子较少 , 显示出了2个助细胞之间的功能差异
(Tian and Russell, 1997)。然而, 有关助细胞发育变
化的研究资料很少 , 而有关2个助细胞之间的结构和
功能差异的报道更少。2个助细胞之间的差异问题值
得深入探讨。
3 助细胞的功能
3.1 引导花粉管
授粉后花粉管穿过花柱孢子体组织到达胚珠, 通过珠
孔进入胚珠。是什么机制保证了只有一个花粉管可
以准确地进入珠孔 , 而其它的花粉管不再进入该胚
珠？由于助细胞的特殊结构, 很早就推测是助细胞引
导花粉管进入珠孔(van Went and Wil lemse, 1984)。
根据这一推断, 很多学者对助细胞引导花粉管的作用
机制产生了浓厚的兴趣。拟南芥为倒生胚珠, 其珠孔
临近珠柄。在拟南芥雌配子体突变体中, 严重突变的
突变体缺乏胚囊, 表现为完全失去吸引花粉管的能
力, 花粉管甚至难以到达珠柄。而在突变不严重的突
变体中, 影响花粉管生长的程度也小, 花粉管可到达
珠柄但不能进入珠孔(Shimizu and Okada, 2000)。他
们认为雌配子体产生2个引导信号: 一个信号引导花
粉管从胎座向珠柄生长; 另一个信号引导花粉管从珠
柄向珠孔生长(Shimizu and Okada, 2000)。烟草也是
倒生胚珠, 在胎座上生长的花粉管需旋转 90°进入胚
珠的珠孔。通过对胚珠中钙分布的研究发现: 胚珠的
珠孔和助细胞的丝状器是聚集钙离子最多的两个地
方, 推测珠孔中聚集的高浓度钙离子起吸引花粉管旋
转90°向珠孔生长的作用 , 而助细胞丝状器中聚集的
高浓度钙离子则起吸引花粉管进入胚囊的作用 (Tian
and Russell, 1997)。除烟草外 , 研究发现白花丹
(Plumbago zeylamica)胚珠的珠孔入口处也积累了大
量的钙沉淀颗粒, 此结果支持珠孔部位的大量钙可能
起吸引花粉管进入珠孔的作用的推测。白花丹胚囊
没有助细胞 , 但在卵细胞丝状器中积累了大量钙颗
粒, 这种现象也支持丝状器中的高钙可能吸引了花粉
管进入胚囊的推测 (Tian et al. , 2000)。此外, 小麦
(Trit icum aest ivum)、珍珠谷(pearl mil let )和蔓菁
(Brass ica napus)等植物的助细胞丝状器中也积累了
大量的钙颗粒(Chaubal and Reger, 1990, 1992; 余凡
立等, 1998)。助细胞丝状器中的高钙特征可能是一
种普遍现象。
为什么大多数被子植物的助细胞具有丝状器？
它是如何发生的？具有什么生理功能？丝状器的细
胞壁指状突起扩大了质膜的面积, 可能具有吸收和分
泌物质进出细胞的功能。但助细胞的生物功能是吸
引花粉管进入胚囊。在体外实验中 , 花粉管有向钙离
子浓度高的方向生长的向化性特征(M asca renhas
and Machlis, 1962), 而助细胞丝状器又是胚囊中钙
积累最多的部位。穿过丝状器后 , 细胞程序死亡助细
胞的细胞质中钙含量明显下降, 花粉管停止生长并破
裂, 释放内含物(包括 2个精细胞)。因此, 丝状器的结
构和其高钙特征与其吸引花粉管密切相关, 但具体作
用机制还不清楚。根据丝状器的特征, 我们推测: 助
细胞珠孔端细胞壁所形成的丝状器扩大了质膜面积 ,
可以在特定时间内分泌出大量的钙离子, 而加厚的细
509王雅英等: 被子植物助细胞的发育和功能
胞壁又可容纳较多的钙离子, 使其成为吸引花粉管进
入胚囊的部位。另外, 大量钙离子积累在细胞壁的丝
状器中, 避免了钙毒害助细胞的副作用, 解决了聚集
高钙离子与毒害细胞的矛盾。
助细胞吸引花粉管的直接证据来自对蓝猪耳的
研究结果。蓝猪耳的成熟胚囊部分从胚珠珠孔伸出,
卵器和部分中央细胞可在显微镜下清晰观察到。
Higashiyama等(2001)用激光分别消除卵器细胞的方
法证实了助细胞对花粉管具有吸引功能。他们将胚
珠和花粉管共同培养 , 花粉管可进入胚囊。当用激光
杀死卵细胞后 , 花粉管仍可进入胚囊; 当一个助细胞
被杀死时, 花粉管可进入另一个助细胞 , 但 2个助细
胞都被杀死后 , 花粉管就不进入胚囊, 证明了助细胞
对花粉管的吸引作用。另外, 他们还发现在已受精的
胚囊内虽然还有一个完整的宿存助细胞, 但不再具有
吸引花粉管的能力, 这可能是阻止多个花粉管进入胚
囊的一种机制(Higashiyama et al., 2001)。
最近, 发现了几个与助细胞功能有关的基因。
ZMEAL1在助细胞和卵细胞中表达 , 编码 1个小的跨
膜蛋白(94aa)。含有 ZMEAL1 RNA 干扰的转基因玉
米植株表现为不能引导花粉管生长, 而野生型玉米植
株则可以。ZMEAL1与绿色荧光蛋白的融合蛋白最
初定位于丝状器 , 稍后移动到周围珠心细胞壁, 表明
ZMEAL1是从助细胞质膜释放出来的, 然后扩散到周
围的细胞 (Marton et al. , 2005)。但是否仅 ZMEAL1
就足以吸引花粉管仍需要进一步证实。
前面提到拟南芥 myb98突变体的助细胞缺少丝
状器, 结果雌配子体不能引导花粉管生长。含有
MYB98突变的雌配子体的胚珠可吸引花粉管生长到
珠柄, 但不能进入珠孔。myb98突变体如何吸引花
粉管向珠孔生长的机理尚不清楚(Kasahara et al. ,
2005)。可能是由于缺少丝状器而减少了引导花粉管
的物质分泌。另外, MYB98可能是合成花粉管引导
物所必需的 , 其下游基因编码的蛋白质就包括
ZMEAL1, 其位置及扩散方式暗示了 MYB98可能参
与了合成引导花粉管物质的过程(Ma r ton e t a l. ,
2005)。助细胞丝状器缺失的突变体myb98不能吸引
花粉管进入珠孔也存在着另一种可能性: 珠孔的功能
也发生了突变。花粉管进入胚珠和进入胚囊是两个
过程, 前者与胚珠的珠孔功能密切相关 , 而后者与助
细胞的丝状器功能密切相关。如果突变体myb98的
发现者能检查其珠孔部位的钙分布, 那么对 MYB98
功能可能会有新的解释。
3.2 助细胞的细胞程序性死亡
在超微结构观察中发现, 花粉管进入的助细胞均经历
了退化过程, 形成了发生程序性死亡的助细胞。在有
些植物中, 即使未传粉, 助细胞在开花时也会出现细
胞程序死亡的现象。但在另一些植物中, 未传粉花中
的助细胞没有出现细胞程序死亡现象, 只有传粉后花
粉管即将到达时才引起助细胞的细胞程序死亡。在
2个助细胞中仅一个助细胞发生细胞程序死亡时 , 花
粉管总是进入细胞程序死亡的助细胞中, 因此在确保
精细胞被送到胚囊受精的过程中, 助细胞的细胞程序
死亡起了非常重要的作用。根据不同植物中助细胞
发生细胞程序死亡的时间可划分成3种类型: (1)在授
粉前助细胞已开始细胞程序死亡, 助细胞的细胞程序
死亡与授粉无关; (2)助细胞的细胞程序死亡发生在授
粉后至花粉管到达胚囊前的这段时间, 已研究的大多
数植物均属于这一类型, 暗示助细胞的细胞程序死亡
与花粉管信号有关 ; (3)花粉管进入助细胞后导致其
发生细胞程序死亡 , 仅少数植物属于这一类型
(Russell,1992)。第2种类型是一个有趣的现象 , 由花
粉管引起助细胞细胞程序死亡的现象实际上证明存
在着一个雌、雄配子体的识别机制。烟草从授粉到
受精约需 45小时, 其助细胞的细胞程序死亡大多发
生于花粉管进入子房而尚未到达胚囊之前。如果不
授粉或授粉后36小时以前切断花柱阻止花粉管进入
子房, 则助细胞不发生细胞程序死亡。这说明助细胞
的细胞程序死亡是由花粉管引起的, 并且在花粉管进
入子房后的短距离内发生作用 (Huang and Russell,
1992)。如果烟草去雄花保持不授粉 , 2个助细胞一直
保持完好, 到开花后第 6天花脱落(Tian and Russell,
1997)。助细胞与花粉管之间呈现出一种相互作用的
510 植物学报 44(4) 2009
信号转导机制: 助细胞丝状器中聚集的高浓度钙离子
引导花粉管进入胚囊, 而即将到达的花粉管又引起助
细胞细胞程序死亡。很可能正是在这种相互作用下 ,
花粉管准确地进入发生细胞程序死亡的助细胞中。
除烟草外, 还有其它植物也表现出授粉才引起助细胞
死亡, 表明即将到达的花粉管诱导助细胞发生细胞程
序死亡是一种普遍存在的现象。
助细胞的细胞程序死亡是完成精、卵细胞融合
的前提, 为精细胞向卵细胞和中央细胞移动提供了通
道, 使精细胞迁移到卵细胞和中央细胞的受精靶区,
从而完成配子融合(van Went and Wil lemse, 1984;
Russell, 1993, 1996)。上述提到的助细胞死亡时间
的 3种类型实际上是 3种原因诱导了助细胞的死亡。
授粉前助细胞就发生细胞程序死亡的类型是其发育
结果, 与外因无关。而授粉后引起的助细胞死亡则是
花粉管信号导致。花粉管诱导助细胞死亡的机制又
可分为两种类型: 通过远距离的信号扩散和直接与助
细胞接触。现已普遍接受这样的推测: 在助细胞死亡
发生在花粉管抵达之前的类型中, 是花粉管信号诱导
了助细胞的死亡(Russell, 1992; Drews and Yadegari,
2002); 而在花粉管到达时助细胞才死亡的类型中, 是
花粉管接触助细胞并诱导其死亡(Sandaklie-Nikolova
et al., 2007)。
高等植物种类繁多, 助细胞发生细胞程序死亡的
起因不同, 过程也不一样。过去将助细胞的细胞程序
死亡 3种类型都称为助细胞退化, 不利于深入研究。
现在将引起助细胞死亡的原因确定后, 就可对不同植
物中助细胞的死亡原因作具体分析。目前已认同植
物助细胞的死亡(第2种类型)是一种细胞程序性死亡
(programed cell death, PCD)现象(Wu and Cheung,
2002)。运用已成熟的细胞程序性死亡的实验技术可
能会对大多数助细胞的死亡机制有一个深入的认识。
拟南芥的 2个基因 SRN(Rotman et al., 2003)和
GFA2(Christensen et al., 2002)与助细胞的死亡有关。
srn和 gfa2两个突变体的助细胞都表现完整 , 花粉管
进入雌配子体后助细胞也不发生细胞死亡, 但花粉管
不能破裂释放精细胞。在 gfa2突变体中, 花粉管和
助细胞之间的关系还不明确。GFA2基因编码一个维
持线粒体功能所必需的蛋白质(Chris tensen et al. ,
2002), 暗示拟南芥助细胞的死亡需要完整的线粒体
功能, 这与在动物中的研究结果一致( J i ang and
Wang, 2004)。这些结果均支持花粉管诱导助细胞生
理性细胞程序性死亡的观点。
3.3 花粉管在胚囊内的生长调控
与助细胞接触互动后, 花粉管会很快停止生长并释放
内含物。在电子显微镜下观察 , 发现花粉管生长穿过
丝状器, 进入助细胞, 花粉管顶端破裂 , 释放内含物
到已发生细胞程序死亡的助细胞的胞质中(van Went
and Willemse, 1984; Russell, 1992; Weterings and
Russell, 2004)。花粉管在助细胞中停止生长 , 顶端破
裂并释放内含物的生理机制还不清楚 (E s c oba r -
Res trepo e t a l. , 2007)。在杜鹃花属植物之间
(W ill iams et al. , 1982, 1986)及拟南芥和其它十字花
科植物之间(Escobar-Restrepo et al., 2007)的远缘杂
交中, 花粉管可进入雌配子体, 但继续生长并不破裂
和释放内含物。表明雌配子体具有调控花粉管生长和
使花粉管破裂释放内含物的机制。由于这些过程发生
在程序性死亡的助细胞中, 因此其中很可能存在控制
花粉管生长的因子(van Went and Wil lemse, 1984;
Russell, 1992; Weterings and Russell, 2004)。在拟
南芥突变体fer(Huck et al. , 2003)和srn(Rotman et al.,
2003)中, 野生型花粉管能进入突变体的雌配子体, 但
不能停止生长和破裂。FER表达的产物是一种激酶
受体, 也是信号转导中的一种成分, 可能介导了花粉
管 -助细胞的识别 , 使花粉管停止生长并破裂释放内
含物。Escobar-Restrepo等(2007)也发现一个编码激
酶受体的基因, 其蛋白位于丝状器附近的助细胞质膜
上, 花粉管穿过丝状器后可能引起某种信号 , 中止了
花粉管的生长。
花粉因子 ACA9可能也在花粉管 -助细胞识别互
动中发挥作用。aca9是一个花粉突变体 , 其花粉管
能进入野生型的雌配子体并停止生长 , 但不能破裂。
ACA9编码一个钙泵。这表明进入助细胞中的花粉管
511王雅英等: 被子植物助细胞的发育和功能
停止生长也受自身的调控。同时还暗示着中止花粉
管生长和使花粉管破裂释放内含物是两个独立的过
程, 花粉管释放内含物与钙信号有关(Schiott et al. ,
2004)。
3.4 精子细胞在助细胞内的迁移
在动物及低等植物中 , 精细胞可主动迁移至卵细胞。
但在高等植物中 , 精细胞并没有鞭毛和尾巴 , 那么它
们被释放后, 是如何准确地找到各自的靶细胞呢？2
个精细胞在细胞程序死亡助细胞中如何迁移是一个
有趣的问题。Huang和 Russell(1994)在烟草中发现
细胞程序死亡助细胞的合点端及卵细胞和中央细胞
之间的间隙形成了 2条由肌动蛋白微丝组成的半月
形带或冠状结构 , 即肌动蛋白冠(act in coronas)。在
合子分裂前肌动蛋白冠消失。在蓝猪耳细胞程序死
亡助细胞及卵细胞与中央细胞之间的肌动蛋白微丝
也聚集成独特的肌动蛋白冠 (Huang et al., 1999; Fu
e t a l . , 2 000 )。Y e 等 (2 00 2 )在兰花 (P ha i u s
tankervil liae)中也发现细胞程序死亡助细胞质中形成
了2个肌动蛋白冠。在细胞程序死亡助细胞中形成的
肌动蛋白微丝冠状结构必然有其生理功能。在细胞
中 , 细胞器的定向运动是靠其表面的肌球蛋白
(myos in)与组成微丝的肌动蛋白(act in)相互作用完成
的。在有胞质环流的细胞中微丝特别丰富。在细胞
程序死亡助细胞中出现由微丝组成的 2条硕大的半
月形肌动蛋白冠, 可能是为体积很大的细胞器做单程
运动。因此, Huang和 Russell(1994)以及 Huang和
Sheridan(1994)推测细胞程序死亡助细胞中的这 2条
肌动蛋白冠很可能为精细胞准确到达其各自靶细胞
提供了引导通道。但要证实这一推测还需检测精细
胞表面是否有肌球蛋白。
3.5 助细胞的其它功能
对于助细胞细胞程序死亡后的结构认识模糊。除了
吸引花粉管进入外, 很少有人对助细胞在细胞程序死
亡后的其它作用进行讨论。根据现有的资料分析 , 在
细胞程序死亡助细胞中还将完成其它一些与受精密
切相关的功能。(1)使雄性生殖单位解体。花粉管中的
2个精细胞相互联结并与营养核一起构成雄性生殖
单位 , 这种结构有利于精细胞在花粉管中运输
(Dumas et al.,1984), 但这种联结不利于姊妹精细胞
与卵细胞和中央细胞的选择性融合。花粉管释放内
含物后, 姊妹精细胞之间的相互联结状态应被消除 ,
为 2个精细胞分别与卵细胞和中央细胞融合做好准
备。这一过程是在助细胞中完成的。实验表明, 用很
低的纤维素酶和果胶酶就可将 2个精细胞之间的联
结消除(Tian and Russell, 1998)。很可能在细胞程序
死亡助细胞中存在着分解2个精细胞联结的物质。(2)
启动雌雄配子的细胞周期 , 使雌雄配子的 DNA在 2C
水平融合。在拟南芥还未散粉的花粉粒中 , 2个精细
胞就开始合成 DNA(Friedman, 1999)。烟草花粉管中
的 2个精细胞一直保持 1C的 DNA, 但当花粉管进入
助细胞并释放内含物后 , 2个精细胞在细胞程序死亡
助细胞中从 G1期进入 S期, 开始合成 DNA, 并在与
卵细胞融合前达到 2C水平(Tian et al., 2005)。推测
很可能在这类植物中, 细胞程序死亡助细胞中有启动
精细胞合成 DNA 的机制, 但这种现象仅在烟草中被
发现, 启动精细胞合成DNA的机制完全不清楚。(3)在
细胞程序死亡助细胞中形成的2条肌动蛋白冠 , 可能
是精细胞运动的轨道。肌动蛋白冠在细胞程序死亡
助细胞中的形成也证明了它具有特殊的生理功能。
精细胞被释放到细胞程序死亡助细胞之后还有一些
重要的生理活动需要完成, 说明助细胞决不是简单的
细胞程序死亡, 而是关系到受精过程能否顺利完成的
重要发育环节 , 它具有重要的生理功能。然而目前人
们对这方面的认识还很少。
4 助细胞功能基因
目前主要通过正向和反向遗传学方法探索助细胞功
能基因。通过研究拟南芥雌配子体突变发现有若干
突变体与助细胞有关, 包括 feronia(fer)(Huck et al. ,
2003)的配子体因子及gfa2 (Christensen et al., 2002)
和 sirene (srn) (Rotman et al. , 2003)。 基因 FER、
512 植物学报 44(4) 2009
GFA2 和 SRN是花粉管与助细胞互动及助细胞发生
细胞程序死亡所必需的。此外, 大多数在助细胞中表
达的其它基因是通过正向和反向遗传学方法在拟南
芥中发现的, 包括比较拟南芥野生型胚珠和雌配子体
缺失胚珠的基因表达及雌配子体基因表达(Kasahara
et al., 2005; Yu et al. , 2005; Steffen et al. , 2007)。另
外, 还研究了玉米雌配子或离体细胞表达序列标签
(EST)收集的基因组 (Dresselhaus et al., 2005; Le et
al., 2005; Marton et al. , 2005; Yang et al. , 2006)。研
究雌配子体基因表达的主要方法是原位杂交或分析
含有启动子、报告基因的转基因植物。
5 总结与展望
助细胞的结构独特 , 其复杂的丝状器结构独一无二。
助细胞控制被子植物受精过程中的多个步骤, 有些功
能已明确, 包括花粉管引导、花粉管在雌配子体内停
止生长、花粉管破裂和精子细胞迁移等。有些功能
则刚被认识, 如启动精子 DNA 合成和雄性生殖单位
的解体等, 这些功能的作用机制还不清楚。近几年,
应用分子生物学的方法 , 尤其是利用突变体 , 已开始
从分子水平上研究助细胞的发育和功能。虽然这些
分子生物学的研究结果还不够深入, 但已初步显示其
对发掘助细胞功能还有巨大潜力。未来的研究目标
是获得助细胞所有基因的完整信息, 从而揭示出助细
胞繁多生物学功能的作用机制。
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the f ertilization of angiosperms, the degenerated synergid induces a pollen tube to enter and break the pollen tube to release tw o
sperm cells , w hich f use w ith the egg and central cell. In addit ion, some biological events, such as separating the male germ unit,
providing movement orbits f or the tw o sperm cells and inducing both sperm to synthesis DNA , may also be related to the degener-
ated synergid. The structure of both synergids is clear, but the developmental mechanism and the roles dur ing fertilization are not
yet understood. The developmental mechanism and physiological functions of synergid are attractive research topics, and some
related new results, especially from molecular biology, provide new c lues to probe the synergid functions.
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