全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (1): 119–127, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.01.017

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收稿日期: 2008-11-26; 接受日期: 2009-08-25
基金项目: 扬州大学高层次人才科研启动基金(2008)
* 通讯作者。E-mail: bjin@yzu.edu.cn; chenpeng@yzu.edu.cn
银杏雌雄配子体发育及胚胎形成的研究进展
王莉, 陆彦, 金飚*, 林明明, 陈鹏*
扬州大学园艺与植物保护学院, 扬州 225009
摘要 银杏(Ginkgo biloba)是现存最古老的裸子植物之一, 其生殖过程表现出许多原始特征和独特性状, 长期以来备受国
内外专家的关注。经过近100年的研究取得了显著成果: (1) 银杏雄配子体发育周期长, 经历了从平周分裂到斜背式分裂,
并最终垂周分裂形成带有鞭毛的游动精子; (2) 银杏雌配子体发育经历较长的游离核期和细胞化期, 分化形成颈卵器母细
胞并经平周分裂、垂周分裂和斜向分裂形成成熟的颈卵器(包括有4个颈细胞和1个卵细胞); (3) 推测其精细胞中的液泡状结
构为受精过程中的遗传物质载体; (4) 原胚的形成经历了游离核期和细胞化期。该文针对国内外最新银杏生殖生物学方面的
研究进展, 对银杏雌雄配子体发育、受精过程以及胚胎形成等方面进行较为系统全面的分析和总结, 为进一步的银杏生殖
生物学研究提供有价值的参考资料。
关键词 胚胎发生, 雌配子体, 受精, 银杏, 雄配子体
王莉, 陆彦, 金飚, 林明明, 陈鹏 (2010). 银杏雌雄配子体发育及胚胎形成的研究进展. 植物学报 45, 119–127.
银杏(Ginkgo biloba)是中生代银杏科(Ginkgoa-
ceae)植物唯一的幸存种(李正理, 1959; 郑万钧和傅
立国, 1978)。由于起源历史悠久, 银杏在雌雄配子体
发育、受精作用和胚胎发育等生殖生物学方面均表现
出许多独有的性状, 长期以来引起了国内外许多学者
的浓厚兴趣, 并取得了诸多引人注目的研究成果。
银杏生殖生物学方面的研究始于19世纪, 日本
植物学家Hirase(1896)首先发现了银杏的游动精子具
有鞭毛, 在植物学界引起了轰动。此后人们对银杏雌
雄配子体发育及其受精过程的研究从未间断。随着研
究手段的不断改进和实验仪器的更新, 研究者从形态
学、解剖学、发育生物学和遗传学等方面对银杏的生
殖过程及特点进行了大量研究。这些研究表明, 银杏
是一种卵生植物(Favre-Duchartre, 1958), 其雄配子
体的发育分别经历了减数分裂形成四分体(张仲鸣,
1997; 张仲鸣等, 1997, 1999), 后经5次有丝分裂形
成具有鞭毛的游动精子(Wang et al., 1996; 滕俊琳
和翟中和, 1996; 张仲鸣, 1999; 张仲鸣等, 2000;
Yang et al., 2000; Norstog et al., 2004; Vaughn and
Renzaglia, 2006)。雌配子体的发育分别经历了减
数分裂期后形成功能大孢子(Stewart and Gifford,
1967; 王伏雄和陈祖铿 , 1983; 吉成均等 , 1999b,
1999c), 并经历游离核期和细胞化期后(Favre-Duc-
hartre, 1958; Friedman and Goliber, 1986; Brown et
al., 2002; Brown and Lemmon, 2008), 在近珠孔端
形成颈卵器母细胞, 颈卵器母细胞再经平周分裂、垂
周分裂和斜向分裂形成由4个颈细胞和1个卵细胞组
成的成熟颈卵器结构, 并最终在颈卵器中进行受精作
用(李正理, 1959; 王伏雄和陈祖铿, 1983; 吉成均等,
1999a, 2003)。此外, 银杏受精过程的相关报道也较
多 (Lee, 1955; 李正理 , 1959; 王伏雄和陈祖铿 ,
1983; 张仲鸣, 1997; 王宝娟等, 2005)。Lee (1955)
提出了游动精子中的液泡状结构可能是遗传物质载
体的观点。银杏的胚胎发育研究结果则表明, 其胚胎
发育过程可分为游离核期、细胞化期、组织分化期和
成熟期(李正理, 1959; 王伏雄和陈祖铿, 1983; Dog-
ar, 1992; Laurain et al., 1993) 4个阶段。这些研究结
果既丰富了植物生殖生物学的内容, 也为裸子植物系
统演化研究提供了有力的参考依据。
本文结合国内外最新研究进展和作者近年来在
银杏生殖生物学方面的研究工作, 对银杏雌雄配子体
发育、受精过程及胚胎形成等方面进行了较为系统全
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120 植物学报 45(1) 2010
面的分析和总结, 以期为进一步深入研究银杏生殖生
物学提供有价值的参考信息。
1 小孢子叶球的形成、分化与发育
1.1 小孢子叶球发育的分化时期
银杏为雌雄异株植物, 其雄株的小孢子叶球相当于被
子植物的雄花, 小孢子囊即为花粉囊, 小孢子母细胞
即为花粉母细胞 , 小孢子即为单核花粉 (郭善基 ,
1993; 胡适宜, 2005)。银杏的小孢子叶球形态分化时
期可分为未分化期、分化始期、小孢子囊分化期、小
孢子母细胞分化期和小孢子形成期5个阶段(张万萍
等, 2001; Mundry and Stützel, 2004)。其中小孢子叶
球原基出现的时期短而集中, 仅需30天, 而小孢子母
细胞分化的时间则较长, 约需200天。北京地区3月中
旬小孢子囊已经分化出造孢组织, 3月底造孢细胞分
化成小孢子母细胞, 最外一层造孢细胞则分化为绒毡
层, 3月底至4月初, 小孢子母细胞经减数分裂形成小
孢子, 4月上旬至中旬小孢子再经3次分裂最终形成包
括有4个细胞的成熟花粉, 即雄配子体(王伏雄和陈祖
铿, 1983; 张仲鸣等, 1999, 2000)。
1.2 小孢子发生过程中的减数分裂
银杏造孢组织形成后, 其结构特征如下: 细胞核大,
具多个核仁, 核质稀薄, 细胞之间无间隙。随着造孢
组织分化成小孢子母细胞, 细胞核的核质变浓, 细胞
彼此分离形成胞间隙, 并相继进入分裂前期的不同阶
段。小孢子母细胞减数分裂过程存在不同步性, 有些
小孢子母细胞处于减数分裂I期, 而有些则处于减数
分裂II期(王伏雄和陈祖铿, 1983)。在减数分裂期, 细
胞核周围出现许多微管(Brown and Lemmon, 2005),
细胞内叶绿体和线粒体的拟核呈现出有规律的动态
变化, 当子细胞形成时中央区出现一个无拟核部分的
空洞, 这一部位可能是细胞壁产生的起始位置(张仲
鸣, 1997; 张仲鸣等, 1997, 1999)。小孢子母细胞的
胞质分裂类型为连续型, 小孢子母细胞经减数分裂形
成四分体后细胞壁开始不均匀加厚, 其中近极面加厚
明显, 而远极面最薄(王伏雄和陈祖铿, 1983; 张仲鸣
等, 1997)。缺少外壁外层而只具有2层外壁内层的薄
壁区为即将发育为小孢子时的初生萌发区, 也就是将
来的萌发区, 花粉管就是在远轴面缺少外壁外层处长
出的(张仲鸣等, 1999)。通过对其它裸子植物的研究
也发现小孢子具有极性特征的现象, 如松属(Pinus)
和红豆杉属(Taxus)的许多植物在小孢子的远极端可
发育出萌发孔和翅(Pennell and Bell, 1986; Chen et
al., 1994)。
1.3 雄配子体发育过程中的有丝分裂
四分体中形成的每一个子细胞从胼胝质中散出后均
形成单核小孢子。在单核小孢子形成初期, 细胞壁加
厚不明显, 随着细胞的发育, 细胞壁明显加厚, 并出
现液泡(张仲鸣等, 1997)。按照细胞核、液泡和外壁
的相对位置, 可将小孢子分为3种类型: (1) 细胞核位
于近极面(大多数小孢子属于这种类型); (2) 细胞核
和液泡并列位于细胞的中部(少数小孢子属此类型);
(3) 细胞核位于远极面的细胞壁较薄区, 液泡则位于
加厚明显的近极面(仅见于个别小孢子)。小孢子形成
过程中所产生的极性以及3种类型小孢子的相互转变
将直接关系到配子体世代的细胞分裂和分化(张仲鸣
等, 1997)。
银杏雄配子体散粉前在小孢子囊内共进行3次有
丝分裂(李正理, 1959), 即将进行分裂的小孢子其染
色体均位于近极面(张仲鸣等, 1999)。小孢子第1次有
丝分裂就表现出极端极性的分裂特征, 分裂形成紧贴
小孢子壁且体积较小的第1原叶细胞和体积较大的中
央位置上的中央细胞。中央细胞第2次有丝分裂形成
第2原叶细胞和精子器原始细胞。精子器原始细胞进
行第3次有丝分裂形成生殖细胞和管细胞。这3次有丝
分裂均在细胞的一极进行, 经二细胞和三细胞, 最终
形成直线排列的四细胞成熟花粉, 其中管细胞位于远
极面(Lee, 1955; Wang and Chen, 1990; 张仲鸣等,
2000)。但周云龙等(1996)观察发现, 同一花粉囊中的
单核小孢子发育具有显著不同步性, 且传粉期只有少
数小孢子发育为典型的四细胞花粉, 大多数小孢子尚
未产生出生殖细胞和管细胞。
1.4 成熟花粉的形态特征
银杏花粉发育成熟后从小孢子囊中散出, 刚散出的花
粉在未失水状态下, 形态大部分为近圆形, 具有巨大
的萌发区, 萌发区边缘的外壁呈2个半圆的形状, 且
其半圆外壁几乎相互垂直(张仲鸣等, 2000)。在失水
状态下花粉形态则变为两侧对称的船形, 中部较宽,
端部骤尖, 具有单萌发孔, 萌发区的长度几乎与整个
花粉的长轴等长, 呈线性, 也有少量呈多角形或其它
王莉等: 银杏雌雄配子体发育及胚胎形成的研究进展 121
形状(Xi and Wang, 1989)。对花粉外壁表面纹饰的扫
描电镜观察表明, 银杏花粉可分为光滑型、粗糙型和
中间型3种, 其外壁纹饰为瘤状突起(凌裕平, 2003)。
对其进行透射电镜观察则表明, 除萌发区外花粉的其
它部位有比较均一的条纹状纹饰, 且外壁上排列有比
较浓密的小刺, 尤其是萌发区的外壁小刺较为密集
(张仲鸣等, 2000)。对侏罗纪银杏类花粉化石的观察
表明, 其形态为船形, 具有单萌发沟, 花粉壁由3层
构成, 外壁表面有瘤状突起(Kvaček et al., 2005; Liu
et al., 2006)。这与失水状态下银杏花粉的形态相似,
表明尽管时间跨度很大, 但银杏类花粉的形态并没有
发生大的变化。
1.5 花粉管的萌发生长
花粉经传粉滴的收缩作用通过珠孔道进入贮粉室。在
北京地区, 5月初花粉已经进入贮粉室, 并到达珠心
顶部。不久与原叶细胞相对的一边, 即紧挨管核一边
的花粉内壁便向外扩张伸长, 花粉管开始生长(王伏
雄和陈祖铿, 1983)。当花粉萌发时, 第1原叶细胞败
育, 并只留下一点残迹(李正理, 1959)。Friedman
(1987a)为了观察花粉体内生长状况, 对银杏花粉进
行了连续切片, 并利用计算机重组技术得到了银杏花
粉在体内萌发的图片, 结果发现花粉粒在贮粉室内停
留1周左右便开始萌发形成花粉管, 花粉萌发时首先
经历船形到圆球形的弥散状生长(diffuse growth)阶
段。花粉管萌发后, 有的直接进入珠心组织细胞中,
有的经过贮粉室进入较远处的珠心细胞间隙(张仲鸣
等, 2000)。花粉管生长过程中可通过顶端生长和亚顶
端的高度分枝 , 最终形成大量吸器状结构 (haus-
toria), 管核也在一定时间内向分枝处移动(张仲鸣等,
2000)。最后花粉管不分枝的一端膨大, 雄配子体成
熟(Friedman, 1987a)。在离体条件下进行银杏花粉萌
发观察表明, 经过一段时间后, 管细胞膨大, 最初长
出的花粉管与四细胞的轴向几乎垂直, 花粉管生长速
度缓慢且较短(周云龙等, 1996; 张仲鸣等, 2000)。对
银杏花粉和花粉管细胞骨架的研究表明, 花粉发生水
合作用后其内分布有大量的F-肌动蛋白, 花粉萌发后
花粉管内便出现密集的微管网络, 微管呈纵向伸长且
一直延伸至花粉管的顶端(Liu et al., 2005)。
裸子植物(如苏铁科(Cycadaceae)(Choi and Fri-
edman, 1991)和松科(Pinaceae)(Owens and Morris,
1990; Fernando et al., 2005; 李国平等, 2007)等的
植物)的花粉管在生长过程中多表现出生长速度缓慢,
且易产生分枝等现象(Pacini et al., 1999; 胡适宜,
2005; Fernando et al., 2005; 王晓华等, 2007)。银杏
和苏铁(Cycas panzhihuaensis)等裸子植物为非花粉
管受精植物, 花粉管的分枝式结构使其不具备运输精
子用于受精作用的功能, 其精子的运输主要是由不分
枝且末端膨大的花粉管完成(Johri, 1992)。银杏花粉
管在胚珠体内生长的时间长达3个多月(王伏雄和陈
祖铿, 1983), 在长时间的寄生生活中花粉管如何获
取营养物质, 分枝式花粉管的功能以及花粉管的向性
生长机理是什么, 目前相关研究极少。
1.6 精细胞的形成及结构特征
在北京地区, 6月初, 贮粉室内的生殖细胞发生第1次
有丝分裂形成精原细胞和不育细胞(李正理, 1959;
王伏雄和陈祖铿, 1983), 其分裂方式为斜背式环形
分裂(Friedman, 1987b; 张仲鸣, 1999)。精原细胞刚
形成时, 其结构比较简单, 细胞中央仅有1个核, 随
着花粉管向颈卵器腔的生长, 其体积迅速增大, 但不
育细胞和管核的体积变化不大 (王伏雄和陈祖铿 ,
1983)。7月初, 精原细胞在近细胞核核膜两侧各产生
2个生毛体(blepharoplast), 细胞核由圆球形变为双
凸透镜状(李正理, 1959), 接着在细胞核与各生毛体
之间产生液泡状结构(vacuole-like structure), 同时
紧靠细胞核的外面形成1个哑铃状的小颗粒又称纤维
性颗粒体 (fibrillogranular body)(Gifford and Larson,
1980; Friedman and Gifford, 1988; Li et al., 1989;
滕俊琳和翟中和, 1996; 张仲鸣, 1999; Norstog et
al., 2004)。生毛体是具鞭毛精子和原生动物的结构特
征(韩贻仁, 1988), 与游动精子中鞭毛的形成有密切
的关系。对银杏生毛体形成的观察表明, 生毛体起源
于精原细胞细胞核附近的1对染色深的半圆形小体,
以后被垂直位于2个半圆形小体间的致密纤维分开,
最后由在极部形成的1对致密染色核心和由此向外发
散出的辐射状中心粒共同组成生毛体, 再由它发育形
成游动鞭毛的基体(Gifford and Larson, 1980; 滕俊
琳和翟中和, 1996)。精原细胞中的液泡状结构是一种
没有膜包被且染色较深的结构, 是银杏所特有的结构
特征(Lee, 1955; Gifford and Larson, 1980)。液泡状
结构被认为是受精过程中遗传物质的中间载体, 它将
精细胞中的遗传信息转移到卵细胞中(Lee, 1955; 李
正理, 1959)。
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大约在8月上旬, 银杏精原细胞体积达到最大,
贮粉室中的精原细胞一般为3–4个。8月中旬至下旬,
精原细胞发生第2次有丝分裂, 经垂周分裂形成2个
半球形的游动精子(张仲鸣, 1999)。游动精子的细胞
核均较大, 细胞核内的核仁呈球形, 核膜表面布满了
分布不均匀的核孔复合体(滕俊琳和翟中和, 1996)。
游动精子中含有1个生毛体, 其形状由圆形变为半月
形, 在其中生有纤毛带。液泡状结构与生毛体分离并
移向与有纤毛带端相反的一端, 之后在其内充满染色
质, 成为游动精子的头部。原先在细胞核旁的颗粒分
裂为2个, 在游动精子中各有1个(Lee, 1955; 李正理,
1959)。银杏精子鞭毛由轴丝、基板、基体和复合层
结构(multilayered structure, MLS)组成, 横切面显示
其为典型的9+2结构(Li et al., 1989; Norstog et al.,
2004)。精子形成后体积大为增加, 直径约为80－85
μm, 高为50 μm, 从花粉管末端小口逸出(Lee, 1955;
李正理, 1959)。
2 大孢子叶球的形成、分化与发育
2.1 大孢子叶球的分化时期
银杏大孢子叶球的形态分化可分为6个时期: (1)未分
化期, 芽内已有叶原基分化; (2)分化始期, 生长锥的
一侧出现胚柄原基; (3)分化盛期, 珠柄顶端出现分
歧; (4)珠被分化期, 2个胚珠突起并形成珠被; (5)珠心
分化期, 珠被先端形成开口, 珠心包被在珠被内; (6)
珠托分化期, 胚珠与珠柄连接处迅速膨大形成珠托。
银杏胚珠分化的时期长达10个月, 其中珠被分化期
为12月中旬至2月上旬, 珠心分化期为2月中旬至3月
上旬, 珠托分化期为3月上旬至3月下旬(史继孔等,
1998)。
2.2 胚珠的发育及结构特征
胚珠的发育是从孢子植物到种子植物过渡的重要变
革(傅德志和杨亲二, 1993)。银杏胚珠中含有叶绿体
并能够进行光合作用(Friedman and Goliber, 1986),
其结构主要包括总柄、珠托、珠心、珠被和珠孔5部
分, 且胚珠的形态与侏罗纪的银杏胚珠化石所呈现的
形态较为相似(Yang et al., 2008)。传粉期珠心和珠被
组织分化已经完成, 珠被原基围绕珠心逐渐扩展, 并
在珠心上部围合形成珠孔道, 珠被的基部边缘突起形
成珠托(王莉等, 2007b)。此时, 珠心组织内产生1个
大孢子母细胞, 之后大孢子母细胞经极性分裂形成直
立四分体(吉成均等, 1999b)。珠心组织顶端细胞发生
细胞起始死亡, 形成一个开口向上的空腔即为贮粉室
(Li et al., 2002, 2003), 贮粉室的形态呈瓶状, 长约
520.83 μm, 最大直径约为125.06 μm, 其开口端正
对珠孔道(王莉等, 2007b)。贮粉室是银杏等裸子植物
所特有的结构, 是花粉停留、花粉管萌发生长及精细
胞形成的重要部位(Li et al., 2002, 2003)。珠托中分
布着发育成熟的分泌腔和大量的原始细胞, 并可观察
到其通过维管束与珠柄相连, 维管束的形成为胚珠的
发育提供了营养物质运输通道 (王伏雄和陈祖铿 ,
1983; 王莉等, 2007b)。
2.3 雌配子体发育
银杏大孢子母细胞形成初期为球形, 细胞核大, 细胞
器均匀分布在细胞质中(Stewart and Gifford, 1967)。
减数分裂前大孢子母细胞体积增大且纵向伸长, 细胞
质中细胞器的分布出现两极分化现象, 即细胞核移向
偏珠孔端, 细胞质中分布着许多粗面型内质网, 而质
体和线粒体则移向偏合点端(Stewart and Gifford,
1967; 王伏雄和陈祖铿, 1983; 吉成均等, 1999c)。减
数分裂结束后形成直立四分体, 这4个细胞的体积形
态差异明显, 偏合点端的1个细胞体积最大, 最后形
成功能大孢子, 其余3个细胞逐渐变小, 继而全部退
化(Stewart and Gifford, 1967; 吉成均等, 1999b)。4
月底, 功能大孢子的体积开始增大, 并沿胚珠的纵轴
方向延长, 第1次有丝分裂形成的纺锤体一般与胚珠
的纵轴平行。5月初, 大孢子进行第2－4次有丝分裂
产生4－16个雌配子体游离核。5月底, 游离核进行最
后一次分裂并形成细胞壁(王伏雄和陈祖铿, 1983)。
开始分裂产生的游离核分布不均匀, 分裂几次后游离
核分布变得均匀并向周围薄的细胞质中移动, 同时形
成中央大液泡(吉成均等, 1999a; Brown and Lem-
mon, 2008)。早期核的分裂基本同步, 但后期则表现
出近合点端游离核的分裂速度快于珠孔端(吉成均等,
1999a)。不同学者对游离核分裂次数和数目的报道不
尽相同, 李正理(1959)认为游离核分裂可形成1 000
多个游离核; 吉成均等(1999a)认为经连续10多次的
有丝分裂, 可形成约2 000个游离核; 此外还有观点
认为能形成3 000个以上的游离核 (Brown et al.,
2002)及经历13次有丝分裂形成8 000个游离核
(Favre-Duchartre, 1958)。分裂至后期, 每个细胞核
王莉等: 银杏雌雄配子体发育及胚胎形成的研究进展 123
分别与其它6个细胞核的距离相等, 从而组成六角形
(Brown and Lemmon, 2008)。细胞化前, 雌配子体的
体积增大, 长约3–4 mm (Brown et al., 2002), 雌配
子体中形成次生纺锤丝与周围6个游离核相连, 次生
纺锤体与雌配子体的表面平行, 并且产生垂周壁, 使
得纺锤体与雌配子体出现许多呈六角形的“小泡” (Fa-
vre-Duchartre, 1958; Brown and Lemmon, 2008)。
邻近雌配子体中央大液泡一面不形成细胞壁, 因而内
端壁是开放的 , 细胞核位于开放的一侧 (Favre-
Duchartre, 1958; 吉成均等 , 1999a; Brown and
Lemmon, 2008)。随着“小泡”不断向内扩张, 原来的
中央大液泡逐渐变小并最终消失, 雌配子体中的“小
泡 ”开始逐渐闭合 , 完成细胞化 (Favre-Duchartre,
1958; Brown and Lemmon, 2008)。
6月初, 细胞化完成之后, 在雌配子体近珠孔端
的两侧形成2个体积较大的颈卵器母细胞(李正理 ,
1959; 王伏雄和陈祖铿, 1983; 王莉等, 2009)。随后
颈卵器母细胞的细胞核由中央向珠孔端移动, 并经平
周分裂形成上下2个大小不等的细胞, 上面的细胞体
积较小, 为初生颈细胞, 下面的细胞体积较大, 且细
胞内充满液泡, 为中央细胞(李正理, 1959; 王伏雄和
陈祖铿, 1983; 吉成均等, 1999a)。初生颈细胞形成后
立即进行1次垂周分裂形成2个颈细胞 (李正理 ,
1959), 此种状态一直持续到受精作用发生前, 2个颈
细胞再进行1次斜向分裂共形成4个颈细胞(李正理,
1959; 吉成均等, 1999a)。中央细胞形成后, 其细胞
核开始由靠近颈细胞处向细胞中央移动, 同时细胞体
积剧烈增大, 中央大液泡逐渐被分割为许多小液泡,
这一阶段称为颈卵器的泡沫化阶段(foam stage)(吉
成均等, 1999a, 2003)。随着颈卵器的发育, 中央细胞
核又移向近颈细胞处, 细胞内液泡减少, 并最终完全
消失, 细胞质变得稠密, 许多蛋白泡位于其中(吉成
均等, 1999a)。受精作用发生前, 中央细胞进行1次平
周分裂形成1个体积较小的腹沟细胞和1个体积较大
的卵细胞, 腹沟细胞是在受精前很短的时间内形成
的, 之后迅速退化, 卵细胞向前凸起占据了原来腹沟
细胞的位置(李正理, 1959; 王伏雄和陈祖铿, 1983;
王莉等, 2009)。银杏雌配子体的颈卵器数目介于2－6
个之间, 通常含有2个, 且这2个颈卵器的发育是不同
步的, 但在受精前发育几乎同步(吉成均等, 1999a)。
在颈卵器发育过程中, 颈卵器外围的一圈细胞为套细
胞, 套细胞在功能上可能类似于传递细胞, 具有吸收
周围营养物质并将其转化为便于颈卵器利用的功能
(吉成均等, 2002)。2个颈卵器之间的雌配子体通过分
裂向上突起形成柱状结构, 即为帐篷柱, 帐篷柱是一
种分泌受精所需液体的腺体结构(吉成均等, 2003)。
在颈卵器上方 , 随着珠心组织细胞的程序性死亡
(programmed cell death), 逐渐形成颈卵器腔(Li et
al., 2007), 颈卵器腔是银杏花粉管生长以及游动精
子进入颈卵器的通道。
雌配子体除发育成颈卵器以外, 其余部分则发育
为胚乳。由于胚乳是在受精作用发生前由大孢子有丝
分裂直接发育而成, 因此属于单倍体(Tulecke, 1964;
Brown and Lemmon, 2008)。5月底, 胚乳组织形成,
之后细胞内便逐渐积累淀粉粒和蛋白质等营养物质。
9月中下旬, 胚乳组织发育成熟, 细胞内含有大量的
淀粉粒, 淀粉粒形态以圆球形和椭球形为主, 为单粒
淀粉(邢世岩和孙霞, 1996; 王莉等, 2007a)。
3 受精过程及胚胎发育
3.1 受精过程
8月中旬至下旬, 精原细胞纵向分裂形成2个半球形
的精细胞, 2个精细胞由共同的壁包裹并列位于花粉
管内。随着包裹壁的破裂, 2个精细胞分离。临近受精
前, 在花粉管的顶端形成一个开口, 由于开口很小, 2
个精细胞以变形虫式的运动方式从花粉管末端逸出
(李正理, 1959; 张仲鸣, 1997; 王宝娟等, 2005)。此
时卵细胞向上形成凸起, 并延伸至颈细胞之间(李正
理, 1959)。受精作用开始时颈卵器腔内充满液体, 这
些液体可能来自花粉管破裂后释放的物质, 也可能是
由部分解体的珠心组织释放产生的(Favre-Duchar-
tre, 1958; Gifford and Larson, 1980; 张仲鸣 ,
1999)。由于银杏精子带有鞭毛, 因而在颈卵器腔内
以盘旋的方式向2个颈卵器的方向游动, 并很快到达
颈卵器口(Lee, 1955; 王伏雄和陈祖铿, 1983; 张仲
鸣, 1997; 王宝娟等, 2005)。几乎在精细胞从花粉管
释放的同一时刻, 卵细胞中的细胞质向外冲出, 使覆
瓦状排列的颈细胞中上面的细胞向上张开, 形成一喙
状突出物, 迎接游动精子的到来, 精子的带鞭毛端贴
着卵细胞的伸出物并随着它的回缩进入颈卵器(王伏
雄和陈祖铿, 1983; 张仲鸣, 1997; 王宝娟等, 2005;
安丽华等, 2007)。这一过程完成得非常迅速, 仅需几
分钟, 因此对于受精时精子是否全部进入颈卵器一直
124 植物学报 45(1) 2010
以来存在很大争议。有的观点认为精细胞核中的染色
质可能凝聚转入核旁的一个液泡状结构, 进入卵细胞
的仅为精子头部的液泡状结构, 其与卵核结合, 而其
它部分则留在颈卵器外并很快消失。精子的头部进入
卵细胞后变为颗粒状, 孚尔根反应(feulgen reaction)
证明其含有大量的去氧核糖核酸染色质, 而卵细胞核
中的染色质同时也凝聚成一团(Lee, 1955; 李正理,
1959; 王伏雄和陈祖铿, 1983)。有的观点则认为整个
精子包括鞭毛浓缩成小球进入卵细胞, 卵细胞核逐渐
向卵细胞的中下部移动(张仲鸣 , 1997; 王宝娟等 ,
2005), 精核向卵核不断靠拢, 靠近卵核后其核膜紧
贴卵核的核膜, 随后卵核在近精核处产生凹陷, 逐渐
将精核包入, 随着精核进入卵核, 精核的染色质散入
卵核中, 随后在合子的两侧各产生1个核仁, 核仁相
互靠拢并融合, 受精过程完成(吉成均等, 2003; 王宝
娟等, 2005)。
3.2 胚胎发育
银杏受精后, 合子迅速进行连续的有丝分裂, 分别经
历了游离核和细胞化时期形成胚胎(李正理, 1959;
王伏雄和陈祖铿, 1983; Dogar, 1992; Laurain et al.,
1993)。合子分裂时其细胞体积变化不大, 因而随着
游离核的分裂, 核体积越来越小。受精后2周左右, 合
子经过8次连续的有丝分裂, 产生256个游离核, 完成
原胚游离核分裂阶段, 之后游离核之间形成细胞壁
(王伏雄和陈祖铿, 1983; Dogar, 1992)。原胚刚形成
时, 在形态上无明显的极性分化, 随着细胞的分裂,
在组织上开始出现了极性分化。珠孔端细胞形成不发
达的胚柄组织, 合点端细胞分裂活跃, 逐渐分化形成
子叶、胚芽、胚轴和胚根。翌年2月, 银杏种胚发育
成熟 (王伏雄和陈祖铿 , 1983; Wang and Chen,
1990)。
4 结语
经过长期对银杏生殖生物学特征的观察研究表明, 其
生殖过程表现出许多原始特征, 并与被子植物有着显
著的不同。其中银杏雄配子体的发育特征包括以下6
个方面。(1) 小孢子母细胞减数分裂期的胞质分裂类
型为连续型, 形成的四分体为四面体型, 且四分体的
细胞壁呈不均一增厚, 远极面为薄壁区, 进而发育为
花粉的萌发区(张仲鸣等, 1997)。(2) 小孢子经过连续
3次极性有丝分裂形成由体积、大小和形状均表现出
显著不同的4个细胞组成的花粉(Wang and Chen,
1990; 张仲鸣等, 2000)。(3) 银杏花粉为四细胞型,
并具有巨大的萌发区, 其成熟花粉由第1原叶细胞、
第2原叶细胞、生殖细胞和管细胞组成(张仲鸣等 ,
2000)。被子植物的成熟花粉粒有三细胞和二细胞2
种类型 , 花粉壁上具有萌发孔或萌发沟 (胡适宜 ,
2005)。(4) 花粉进入胚珠贮粉室后, 生殖细胞进行2
次有丝分裂, 第1次为斜背式环形分裂形成精原细胞
和不育细胞, 第2次为垂周分裂形成2个精细胞(Frie-
dman, 1987b; 张仲鸣, 1999)。(5) 银杏精原细胞由
生毛体、液泡状结构和纤维性颗粒体等构成, 其中生
毛体发育形成具游动鞭毛的基体(滕俊琳和翟中和,
1996; 张仲鸣, 1999; Norstog et al., 2004)。(6) 银杏
花粉从到达胚珠体内至形成精细胞约需经历100天,
且花粉管有分枝和大量吸器状结构(王伏雄和陈祖铿,
1983; Friedman, 1987a)。被子植物的花粉在柱头上
萌发并长出花粉管, 持续时间仅1小时至数天。花粉
管生长速度快, 且大多不产生分枝(胡适宜, 2005)。银
杏雌配子体的发育特征主要体现在以下5个方面。(1)
银杏胚珠中含有叶绿体并可进行光合作用(Friedman
and Goliber, 1986)。(2) 在传粉期, 胚珠近珠孔端的
珠心细胞程序性死亡形成开口向上的贮粉室(Li et al.,
2002, 2003)。(3) 大孢子母细胞减数极性分裂形成直
立四分体, 其中靠近合点端的1个细胞发育为功能大
孢子(Stewart and Gifford, 1967; 吉成均等, 1999b)。
(4) 功能大孢子经多次分裂形成大量游离核, 游离核
细胞化后在近珠孔端两侧分化出颈卵器母细胞(李正
理, 1959; 王伏雄和陈祖铿, 1983)。(5) 颈卵器母细
胞经平周分裂、垂周分裂和斜向分裂最终形成由4个
颈细胞和1个卵细胞组成的成熟颈卵器, 受精作用在
颈卵器中完成 (李正理 , 1959; 王伏雄和陈祖铿 ,
1983; 吉成均等, 1999a)。而被子植物的胚珠包藏在
子房内, 其雌配子体为胚囊, 受精作用在胚囊内完成
(胡适宜, 2005)。银杏受精作用和胚胎发育过程有以
下几个主要特征。(1) 受精时颈卵器室内充满液体,
这是受精时需水的遗迹 (Favre-Duchartre, 1958;
Gifford and Larson, 1980; 张仲鸣, 1999)。(2) 银杏
精细胞具有鞭毛结构, 主要靠游动到达颈卵器口处
(Lee, 1955; 张仲鸣, 1997; 王宝娟等, 2005)。(3) 颈
细胞在受精作用中起重要作用, 可能形成颈卵器的开
口, 游动精子由此处进入卵细胞内(张仲鸣, 1997; 王
王莉等: 银杏雌雄配子体发育及胚胎形成的研究进展 125
宝娟等, 2005)。(4) 受精作用发生时, 卵细胞内的细
胞质向外冲出形成喙状突起迎接游动精子的到来(王
伏雄和陈祖铿, 1983)。(5) 精子中的液泡状结构可能
作为遗传物质的载体进入卵细胞内并与卵核融合形
成合子(Lee, 1955; 李正理, 1959)。(6) 银杏胚胎发
育需经历游离核和细胞化期。其中原胚游离核形成的
数目较多, 经8次分裂产生约256个游离核, 之后游离
核开始细胞化(王伏雄和陈祖铿, 1983)。而被子植物
的助细胞在受精过程中执行引导花粉管进入胚囊的
重要功能, 接着在胚囊中发生双受精作用, 1个精子
和卵融合形成合子, 合子分裂的同时产生细胞壁, 从
而形成二细胞和四细胞原胚(胡适宜, 2005)。
银杏雌雄配子体发育周期长, 受精作用发生的时
间又极为短暂, 这些因素为银杏的生殖生物学研究带
来了困难, 因此仍存在许多难点有待进一步深入研
究: (1) 花粉在胚珠体内的运动过程, 花粉萌发方式、
花粉管分枝式生长及吸器状结构的形成与功能; (2)
雌配子体游离核阶段细胞核的分裂方式、分裂次数及
形成游离核的数量; (3) 颈细胞的结构特征及其在受
精作用中的功能; (4) 精细胞进入颈卵器的途径及遗
传物质的载体。目前, 对银杏生殖过程的研究主要集
中于结构观察, 应用分子生物学手段对其机理和功能
的研究甚少。如银杏分枝式花粉管向性生长过程中是
否存在某种信号因子和向化性物质的影响？颈细胞
是否类似于被子植物中的助细胞, 在引导花粉管生
长、精细胞释放与迁移等方面发挥重要作用等。未来
的研究方向是对银杏生殖过程中的这些难点进行进
一步观察, 并从分子水平上对一些结构的功能和机理
进行深入研究。
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Gametophyte Development and Embryogenesis in
Ginkgo biloba: a Current View
Li Wang, Yan Lu, Biao Jin*, Mingming Lin, Peng Chen*
College of Horticulture and Plant Protection, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
Abstract Ginkgo biloba is one of the oldest extant lineages of gymnosperms, and many original characteristics and
unique features of its reproductive process have attracted wide attention. Studies over the last 100 years have shown that
(1) the male gametophyte has a long growth period, from periclinal division to anticlinal ring-like division to final division
anticlinally into motile sperm with flagella; (2) after a long period of free nuclear and cellularization phases, the female
gametophyte divides into archegonial initials that finally form mature archegonia consisting of 4 neck cells and 1 egg cell,
through periclinal division, anticlinal division and oblique division; (3) the vacuole-like structure in sperm cells could be the
carrier of some genetic substances during fertilization; and (4) proembryo formation includes a period of free nuclear and
cellularization phases. This review of recent studies by us and other groups integrates knowledge of the development of
male and female gametophytes, the fertilization process and embryogenesis to provide valuable information for further
reproductive study of this species.
Key words embryogenesis, female gametophyte, fertilization, Ginkgo biloba, male gametophyte
Wang L, Lu Y, Jin B, Lin MM, Chen P (2010). Gametophyte development and embryogenesis in Ginkgo biloba: a current
view. Chin Bull Bot 45, 119–127.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: bjin@yzu.edu.cn; chenpeng@yzu.edu.cn
(责任编辑: 孙冬花)