全 文 ：植物学通报 2004, 21 (2): 164~171
Chinese Bulletin of Botany
作者简介：刘宁，副教授，1 9 8 2 年毕业于北京师范大学生物系，同年进入北京大学生物系攻读硕士学位，
1990年在中科院植物所取得博士学位，从 1990 年至今在北京师范大学生命科学学院任教。
收稿日期：2003-01-27 接受日期：2003-04-03 责任编辑：崔郁英
蕨类植物精细胞运动器和细胞骨架的研究
刘 宁 刘建武
（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）
摘要 介绍了近年来蕨类植物游动精子运动器和细胞骨架的研究进展。游动精子由配子体精子器中的
非运动细胞发育形成，其分化过程包括了运动器官和细胞骨架的合成和组装。精子发生过程中形成的运
动器的各部分结构包括鞭毛、基体、多层结构及附属结构；基体是细胞中新形成的结构，在不同类群的
蕨类植物中分别由双中心粒、分支生毛体和生毛体产生。鞭毛、基体和多层结构中的微管带形成了游动
精子三个独特的微管列阵，由于微管蛋白的后修饰作用这些微管列阵十分稳定；centrin是运动器中的重
要成分, 但功能尚不清楚，可能和细胞骨架及运动器的构建有关。
关键词 游动精子，运动器，微管组织中心，生毛体，多层结构
The Studies of the Locomotory Apparatus and Cytoskeleton in
the Spermatozoid of Ferns
LIU Ning LIU Jian-Wu
(College of Life Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875)
Abstract The authers reviewed recent advances in the study of the structure and development of
locomotory apparatus and cytoskeleton in the spermatozoid of ferns. The spermatozoids develop
from non-motile cells within the antheridia of ferns. Their differentiation process involves the synthe-
sis and assembly of cytoskeleton and motile apparatus. The locomotory apparatus that emerges
during the spermiogenesis consists of the multilayered structure (MLS), basal bodies, flagella and
accessory structures. Basal bodies are the structures developed from bicentriole, the branched ble-
pharoplast and blepharoplast, respectively, depending on the specific group of ferns concerned.
Basal bodies, together with flagella and spline of the MLS, formed three distinct and unique microtu-
bule arrays. The posttranslational modifications in tubulin provide considerable stability to those
arrays. Centrin is a major constituent of locomotory apparatus, though it’s function is unclear. Some
studies suggest that it is needed in the formation of the cytoskeleton and the locomotory apparatus.
Key words Spermatozoid, Locomotory apparatus, Microtubule organizaing centers (MTOCs),
Blepharoplast, Multilayered structure (MLS)
蕨类植物的精细胞与藻类植物、苔藓植物和一些裸子植物的精细胞一样具有游动的特点，
故被称之为游动精子。游动精子是从精子器中不能运动的细胞发育而来，在这个过程中，细
胞发生很大的变化，失去细胞壁、细胞伸长成流线型，螺旋化，并形成运动器，同时伴随


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Phylloglossum drummondii和王柏石松（ Lycopodium obscurum）卫星型结构伸出细胞外，被
基板分成了细胞内和细胞外两部分，但大多数蕨类植物中过渡区普遍位于基板的里面，即过
渡区在精细胞内。在小阴地蕨成熟精子中，基体基本消失，在木贼属成熟精子中，基体只
保留了很短的一部分，但这个卫星型结构却一直保留下来(Renzaglia and Garbary，2001a)。
1.3 多层结构
多层结构（multilayered structure，MLS）是颈卵器植物成熟精细胞中运动器的组成部
分，由片层盘和片层盘之上的微管带构成（图 2）。通常将多层结构分为 4 层，称为 S 1、
S2、S3 和 S4。最上层是 S1 层，由紧密排列的平行微管组成，亦称微管带（sp l ine），微
管带一直从精细胞的前端扩展到细胞的后部; S2~S4层位于 S1层下面，形成片层结构（lamellar
strip ，LS），片层结构呈带状，由纵向延长的片层盘(lamellar strip plates)组成，片层盘通
过纤维状突起与微管联系，其长度常短于微管带。片层盘可能控制着微管带的大小和形状，
同时使微管带和多层结构下方的的线粒体相连接（Bell et al.，1971；Bell，1973；Liu et al.,
1999a；Renzaglia and Garbary，2001a)。
微管带的宽度在不同的蕨类植物不同，一般异型孢子蕨的微管带较窄，微管的数目少，
同型孢子蕨则反之。卷柏属有 18个微管，水韭属和萍属有 40~50个；而同型孢子蕨可达 150~200
个，在木贼中甚至达 300个(Renzaglia and Garbary，2001a)。
不同类群的蕨类植物多层结构基本相同，但片层盘在形状、亚单位以及片层盘和微管带
之间的角度等方面有差异。大多数蕨类植物在多层结构发育的早期 S2~S4分层不明显，到了
发育的中期可以明显地分为三层，真蕨类植物的多层结构在形成之初就可以分辨出全部的四层
结构。片层盘和微管带之间通常形成一定的角度，不同蕨类植物的这个角度有变化，在大多
数蕨类植物中，这个角度大约为 35~45°；在较原始的蕨中，这个角度大约是 28~35°。螺旋
形精细胞螺距的变化常与这个角度有关(Liu et al.，1999a；Renzaglia and Garbary，2001a)。
精子发生的最后阶段，大多数蕨类植物片层结构的一层或全部层会发生纵向压缩，但结
构依然保持完整，精子进入颈卵器后多层结构的片层盘依然存在。在卷柏属和水韭属中，伴
随着精细胞的成熟，片层盘逐渐退化 (Renzaglia and Garbary，2001a)。
基体分布在多层结构上方的无定型基质中，通过纤维状结构与多层结构相联系。至今多
层结构的功能还不清楚，可能是通过控制鞭毛的摆动调节精细胞的运动，同时还可能对精细
胞的延长起作用（Wolniak et al.，2000；Renzaglia and Garbary，2001a）。
1.4 运动器的附属结构
在许多蕨类植物中，运动器除上述结构外，沿着蕨游动精子前端螺旋还有一个多样性的
电子不透明带(dense anterior band)环绕着头部边缘，这个不透明带由于在电子显微镜下染色较
深，常被称作为嗜锇冠或脊（osmiophilic crest or ridge）（图 2）、鞭毛带(flagellar band)
或纤维带( fibrous band) （Duckett，1975；Helper and Myles，1977；Kotenko，1990；
Liu et al.，1999a；Renzaglia et al.， 2000；Renzaglia and Garbary，2001a）。电子不透明带
位于多层结构的上方，为无定型、纤维状或条纹状结构，基体插入其中。大多数这样的电
子不透明带里有一个纤维状的亚结构，在观音莲座属和水蕨属中，这个纤维状结构十分明显，
这可能是肌动蛋白纤维，纤维直径约为 6~12 nm；在木贼和瓶儿小草属中，这个带十分复杂，
分化成两个区域：沿着细胞头部边缘分布的纤维状部分和在多层结构之上的条纹部分，基体
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插进条纹部分；松叶蕨属的条纹包括不规则的纤维，这些纤维伴随着精细胞的成熟逐渐变得
不明显；在卷柏和水韭属中，精细胞多层结构上方也有电子致密带，其组成物质可能与石松
科植物基体周围的颗粒状物质相同。这些结构是细胞前端的组成部分，可以锚定运动器
（Renzaglia and Garbary，2001a）。
在观音莲座属，沿精细胞前端边缘，在电子不透明带之上有一个 42个微管的附属带，除
萍属外所有薄囊蕨类植物都有这样的附属带，微管附属带平行于片层盘，显示出细胞前端螺
旋边缘轮廓，附属带的微管数目从前到后逐渐减少，在接近片层盘的后部终止。电子不透明
带在微管带和附属带之间(Renzaglia et al.， 2000；Renzaglia and Garbary，2001a)。
2 运动器的起源
2.1 生毛体和基体的产生
游动精子是从精子器中不能运动的精原细胞发育而来的。基体结构一般与中心粒相似，在
动物细胞中，基体起源于中心粒，但在植物细胞中由于缺乏中心粒，因此，中心粒 / 基体是
精子器细胞发育过程中形成的新结构。
中心粒的前体起源于精原细胞的后期，精子形成前在倒数第一次和倒数第二次分裂形成的
细胞中发生，在蕨类植物中，已发现有 3 种明显地产生中心粒的细胞器，分别是双中心粒
（biocentriole）、Phylloglossum的分支“生毛体”(branched “blepharoplast”)和真蕨类的
生毛体(blepharoplast)，这些细胞器是植物细胞中的微管组织中心（microtubule organizing
centers, MTOCs）。
双中心粒包含两个末端接触，并通过一个中央核相连的的中心粒。石松类植物的成熟精
细胞有两根鞭毛，微管组织中心与苔藓植物类似，形成双中心粒。石松类植物在精母细胞时
产生一对双中心粒。双中心粒首先出现在精母细胞中毗邻核的电子不透明的无定型物质中，然
后一对双中心粒及其周围的物质发生分离，并分别迁移到相对的一极，形成纺锤体聚集和组
装的中心。当精母细胞分裂完成而形成两个精细胞时，一对双中心粒被分配到两个精细胞中。
双中心粒的两个中心粒分离，转变成基体。在石松类植物中MTOC从有丝分裂的中心体衍生
(Maden et al.，1997) 。
在 Phylloglossum的精子器中，伴随着精原细胞的增殖，在精原细胞的核膜附近出现成对
的、颗粒状的、电子致密的并具有辐射状排列微管的微管组织中心。到了精母细胞阶段，两
个密切结合的分支状细胞器出现在微管组织中心的电子不透明基质中，被称为分支“生毛
体”。每个分支“生毛体”包含有大约有 20 个中心粒，中心粒在生毛体的中央区密切联系。
在成熟精细胞中每一个中心粒转变为基体（Renzaglia and Maden，2000）。
在松叶蕨、木贼和海金沙等真蕨类植物中，一对球形的生毛体一般出现在最后一次有丝
分裂前，即在精母细胞或精母细胞之前的精原细胞中产生。一般认为精母细胞中的一团絮状
结构是产生生毛体的前体。在电子致密的球形基质中有圆柱形的中心粒模板，周围是微管的
星形列阵。微管的星形列阵一般结束在生毛体的表面，但在海金沙中微管的星状列阵插入生
毛体内。这时的中心粒模板缺乏微管三联体，有中央核和九分对称轴，纵切面表现为电子透
明的管道，在最后一次细胞分裂时，精母细胞中两个生毛体随有丝分裂各入一个精细胞，这
时微管才和模板结合致中心粒发育，在精细胞中，中心粒分离和重新定位转变成基体。在萍
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(Marsilea vestita )中，生毛体在倒数第 3次分裂时短暂出现，然后消失，在最后一次分裂过
程中又重新出现（Liu et al.，1999b；Wolniak et al.，2000；Renzaglia and Garbary，2001a）。
2.2 多层结构的起源
在石松类植物中，多层结构由双中心体衍生；在 Phylloglossum 中，多层结构从分支的
“生毛体”靠近核的一侧形成；而在真蕨中，多层结构及其上的无定型物质来源于生毛体，
这时的生毛体称为重组生毛体。在 Phylloglossum新生的游动精子中，每个基体沿着MTOC的
表面排列，近端朝向致密球的内部。到了有丝分裂快要结束时，蕨生毛体成为球形细胞器，
这个细胞器具有电子半透明的中心和许多围绕着这个中心的短的原基体。在游动精子发育的早
期阶段，重组生毛体包括许多分散在MTOC致密基质中任意排列的短基体。伴随着生毛体的
转化，多层结构在基体之间出现。多层结构刚刚开始形成时，片层盘短而窄，片层盘的生
长和基体的重新取向有关，生长最初发生在远端，在蕨类植物中片层盘是延长的。作为高度
特化的MTOC，片层盘与微管带的发育具有相关性，一般随着片层盘的延长，微管带也延长
（Maden e t a l .，1997；Liu e t a l .，1999b；Renzaglia and Maden，2000）。
3 游动精子的细胞骨架
蕨类植物的精细胞与所有颈卵器植物一样， 具有 3个独特的微管列阵，分别是中心粒 /基
体、鞭毛和微管带，和这些列阵相结合的是独特的、具有结构多样性的微管组织中心
（Renzaglia and Garbary，2001a）。
蕨类植物精细胞的微管带平行排列，包围着精细胞并为精细胞的形态发生提供结构框架。
微管带纵贯细胞全长，大部分细胞器被包围在微管带之内，但少部分细胞器可以在微管带之
外，或微管带围绕着细胞器缠绕。微管带与质膜或细胞器膜之间具有纤维连接，从而保持这
些结构在周围的位置；微管带参与细胞质的减少和细胞流线型的形成。在多鞭毛精子发育的
最后阶段，微管带单侧环绕着核，使核部分地与残留的细胞质分开。微管带纵向折叠形成背
腹微管带，在精细胞的后部微管带包围了细胞核的大部分。石松属精子中，微管带仅在腹侧
围绕细胞器；在卷柏属中，微管带由侧面围绕细胞器，与细胞器膜和质膜保持密切接触。研
究表明，微管带可作为弹性细胞骨架来维持成熟配子的卷曲性状，微管带中的微管可以产生
必要的力量，使细胞器的形状和位置伴随着精子发生而产生变化，同时可能还对核变形起作
用。在水蕨中用微管聚合的破坏剂硫胺素或秋水仙素处理发育早期的精细胞，由于硫胺素或
秋水仙素阻碍微管带的进一步发育，可以阻止细胞和核的螺旋；在精细胞发育的后期处理精
细胞，没有明显的抑制作用，说明已经形成的微管列阵是稳定的。除细胞核外，质体和线
粒体等细胞器的形状变化和重新定位与微管的发育有关（Marc and Gunning，1986；Renzaglia
and Garbary，2001a）。
α-微管蛋白或β-微管蛋白的单克隆抗体和微管蛋白的多克隆抗体在水蕨精细胞发育的所
有阶段都可以识别微管。已经证明，在水蕨精子发生的细胞和营养细胞中有γ -微管蛋白的点
状分布，但是尚未证实其与微管组织中心的结合。在游动精子发育的中、后期，在微管带
微管、基体和鞭毛中，微管蛋白的翻译后修饰产生一个稳定的微管列阵（H o f f m a n a n d
Vaughn，1995b）。
由于在维管植物的其他细胞中缺乏可识别的微管组织中心，蕨类植物精细胞的发生提供了
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一个鉴定 植物MTOC的条件，以水蕨作为模式系统，免疫细胞化学定位表明生毛体缺乏微管
蛋白，微管蛋白一般分布在生毛体的表面、微管列阵的末端；对微管带微管形成起作用的片
层盘中也缺乏微管蛋白。
centrin 是分子量只有 20 kD的钙结合蛋白家族，由于富含 centrin丝状结构的收缩依赖于细
胞中钙水平的升高，又被称为钙收缩蛋白。centrin 主要存在于中心体及其同源结构中，已从
多种真核生物中克隆到其同源基因。在动物细胞中，centrin 在中心体的复制和分离中发挥作
用，具有细胞周期依赖的特性，对有丝分裂、减数分裂和精子的变态起作用。过去一般认
为植物细胞中没有 centrin 分布，现在已从几种绿藻和Marsilea vestita中发现有 centrin，一般
认为 c e n t r i n 在微管的组装过程中起作用，同时作为微管和其他骨架蛋白连接的支架
（Salisbury，1995；Hart and Wolniak, 1999）。在绿藻中 centrin 是鞭毛根的主要成分，鞭
毛根是连接基体到细胞核的丝状结构，涉及到基体的定位和分离以及基体与核之间的相互作
用，莱茵衣藻的 centrin突变体表现为细胞分裂时基体的复制和正确分离失败，证明了 centrin
在绿藻中的功能(Bhattacharya et al., 1993)。在蕨精细胞发育过程中，centrin在精子生毛体和
基体周围积累，在精细胞发育的早期，随着 centrin 基因迅速表达，片层盘、无定型区和不
同的纤维性成分（基体彼此连接、基体和运动器其他成分的连接以及基体的卫星型的连接）
等含有的结构产生（Wolniak e t a l .，2000），centrin 在精细胞中的积累是由于细胞中贮藏
mRNA 的翻译产生。现在已经从萍中分离到一个 centrin 的 cDNA 克隆（MvCen1）,并证实
MvCen1与其他真核生物 centrin的 cDNA 相似（Hart and Wolniak , 1999）。关于 centrin在
蕨类植物中的功能，尚需要进一步的研究。
免疫荧光探针显示在蕨类植物的MTOC中还包含着其他真核生物MTOC的蛋白组分。生
毛体与识别动物中心体中的磷酰基化和非磷酰基化的MTOC抗原决定部分的单克隆抗体MPM-
2和C-9有反应，然而在细胞发育过程中这些蛋白的免疫反应消失，在重组生毛体中可与 centrin
抗体反应，说明了一个明显的生毛体中MPM-2 和 C-9向重组生毛体中 centrin 蛋白的转换
（Hoffman and Vaughn，1995a）。
在 Conocephalum、水蕨属和木贼属的精细胞发育过程中，肌动蛋白丰富。在精子器发
生过程中，微丝的皮层列阵围绕着细胞器，这个微丝网在精子的整个发育过程中都可以见到。
当精细胞伸长和浓缩时，沿着核的内表面有很强的荧光信号，表明有丰富的微丝分布。在水
蕨属和木贼属中，肌动蛋白在精细胞的前端十分丰富，有时一个螺旋的微丝列阵表明这个骨
架蛋白是和运动器相结合的。在精细胞发育的早中期，用微丝聚合的抑制剂处理精细胞，阻
碍细胞变形和细胞质的消除。用细胞松弛素处理水蕨，精细胞螺旋和细胞器的空间分布出现
异常，小泡的积累在未消除细胞质中产生许多管状和球型的膜列阵，嗜锇冠中的纤维带解体，
这说明肌动蛋白是精细胞运动器的重要成分(Renzaglia and Garbary，2001a)。
目前关于蕨类植物游动精子运动器的研究已经深入到分子水平，人们利用现代分子生物学
技术分析运动器中的细胞骨架蛋白，探讨这些蛋白在精子发生的关键阶段对发育进程的影响，
进而研究游动精子对环境信号作出的反应和细胞运动的调控机制。
参 考 文 献
刘建武，刘宁， 2001. 蕨类植物配子体发育及其性器官分化的研究进展. 植物学通报, 18 : 149~157
1712004 刘 宁 等：蕨类植物精细胞运动器和细胞骨架的研究
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