全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月182
胚乳的发育及其调控
旷仁平1 姜孝成1,* 刘姜瑾1 张春来2 Adrian SLATER2
1 湖南师范大学生命科学学院，长沙 410081；2 英国德蒙特福大学健康与生命科学学院诺曼-布拉格研究所，英国莱斯
特 LE1 9BH
Endosperm Development and Its Regulation
KUANG Ren-Ping1, JIANG Xiao-Cheng1,*, LIU Jiang-Jin1, ZHANG Chun-Lai2, Adrian SLATER2
1College of Life Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, China; 2Norman Borlaug Institute, Faulty of Health & Life
Sciences, De Montfort University, The Gateway, Leicester LE1 9BH, United Kingdom
提要 文章对胚乳的发育及其调控进行了概述。
关键词 胚乳；贮藏物质；发育；基因表达
收稿 2005-06-17 修定 　2006-03-13
资助 科技部国家科技基础条件平台工作项目(2004DKA30430)、
湖南省自然科学基金(03JJY3026)和湖南省教育厅青年
基金(03B020)。
*通讯作者(E-mail: jxclc@hunnu.edu.cn, Tel: 0731-
8873087)。
胚乳是种子内营养物质的贮藏场所，是一种
可再生的、生物能够分解利用的原材料(如人们设
法改良胚乳以更好地应用于饲料、食品加工以及
深加工产品如食用油和塑料等)。胚乳的形成与种
子特有的发育过程有关。近年来，对它的研究再
度受到广泛关注，新的分子生物学研究方法和手
段不断推动了胚乳发育过程中遗传和分子机制的研
究，这方面的信息将有助于解答植物或种子发育
生物学研究中的一些基本问题，从而提供改良胚
乳以提高其实用价值的新途径。
1 胚乳的发育
1.1 胚乳的起源和发育模式 胚乳对于植物，特别
是禾谷类植物的繁衍很重要。种子萌发时，营养
物质基本上靠胚乳供给。胚乳的形成和发育的研
究可追溯到一百多年前 Nawaschin (1898)和
Guignard (1899)解释被子植物中的双受精现象。
随着现代科学技术和实验手段的发展，被子植物
胚乳的研究不断深入，胚乳的发育及其调控机制
逐渐得到揭示。
胚乳起源在本质上与双受精有关。双受精是
一种特异的生物学现象，即在雌性生殖器官——
胚囊中，一个精核与卵细胞结合后形成胚，另一
个精核与两个极核结合后形成三倍体的胚乳核
(Dumas和 Mogensen 1993；Russell 1993)。“双
受精”暗示着最初的胚乳核来源于受精活动，但
这个三倍体核并不像真正的受精作用那样导致一个
新的生物体产生。Sargant (1900)最早提出了胚乳
起源的进化假说，他认为被子植物的祖先由于双
受精现象产生的是次生胚，这种次生胚再进化形
成有贮藏功能的器官(即胚乳)。这一过程可能是
由于一个次生雌核经历了第 2 次受精事件。不开
花种子植物——三叉麻黄(Ephedra trifurca)是与被
子植物亲缘关系最近的裸子植物之一，第 2 次受
精的产物是胚，并未导致发育过程中形成截然不
同的营养组织(Friedman 1990a, 1992)，从而验证
了Sargant的假说。胚乳组织的进化先于还是晚于
第三核参与形成第 2 次受精产物尚不得而知。但
是，如果第三核参与的第 2 次受精事件发生在额
外的胚转化成营养组织之后，那么胚乳最初就应
该是二倍体。但麻黄属植物与开花植物的双受精
现象是否是同源进化的仍不清楚( F r i e d m a n
1990b)。
不同植物种子的形成模式各异，种子发育过
程中胚乳的存留量也不同(Murray 1988)。如禾谷
类种子的胚乳充分发育，其成熟种子的营养物质
均贮藏于胚乳中；少数双子叶植物的种子发育开
始时也形成胚乳，但在胚成熟过程中，胚乳逐渐
分解，直至最后消失，营养物质运输到子叶中贮
藏起来，如豌豆种子的胚乳在游离核阶段即被完
全吸收(Marlnos 1970); 兰科植物种子在发育早
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月 183
期，其胚乳的核分裂便停止甚至根本不分裂，因
此没有胚乳。
被子植物胚囊中有八核七细胞，即 6 个单倍
体细胞和1个二倍体的中央细胞。6个单倍体细胞
分别是珠孔端的一个卵细胞和两侧各一个助细胞以
及合点端的 3 个反足细胞。当花粉中 2 个雄配子
体沿花粉管进入胚囊后，一个与卵细胞融合，另
一个则与二倍体的中央细胞融合；受精后，卵细
胞形成二倍体的合子，中央细胞发育成三倍体的
胚乳。
胚乳发育特征性地分为 4 个时期：合胞体、
细胞化、分化和死亡。这几个时期的长度和重叠
程度依物种不同而有差异。根据胚乳细胞化的方
式不同，早期胚乳发育可分为 3 种主要模式：核
型、细胞型和沼生目(helobial)型(Brink和Cooper
1947；Vijayaraghavan和Prabhaker 1984)。其中
最常见的是核型胚乳，也是禾谷类如玉米、大麦
和水稻等以及双子叶植物拟南芥的种子中胚乳发育
的典型模式。其特征是原初胚乳核经历数轮分裂
而胞质不分裂，形成由许多游离核在中央细胞中
靠边缘排列的合胞体，这种游离核的定位表明在
早期合胞体中可能有预存于大配子体中的定位信息
起作用。随后胞质开始分裂，由四周逐渐向中央
液泡推进，直至胚乳全部细胞化。在细胞型胚乳
的发育过程中，原初胚乳核第 1 次分裂后，细胞
即开始有丝分裂和胞质分裂，并贯穿于整个胚乳
发育过程。这种发育模式常见于番茄属植物以及
景天科、唇形花科和紫薇科等的一些植物中。沼
生目型胚乳发育模式在自然界很少见，有人认为
是前两者的过渡类型，即原初胚乳细胞第 1 次分
裂后形成 2 个大小不均等的细胞，然后体积较大
的细胞按核型胚乳发育模式分裂；而体积较小的
细胞不分裂，保持单核状态，或者经过几次有限
的有丝分裂而形成 1 个多核细胞。
近年来，胚乳发育的研究主要集中于两类模
式植物：禾谷类如玉米、水稻和大麦以及双子叶
植物如拟南芥。这两类模式植物的胚乳发育均为
核型胚乳模式，即开始于三倍体胚乳核的连续分
裂而不进行胞质分裂，此时胚乳是一个合胞体。
它们的胚乳细胞化过程皆开始于球形胚晚期，此
时由对生定位(oppositely oriented)的微管小束(每组
约10个微管)在姊妹和非姊妹核之间同步发育成小
成膜体(mini-phragmoplast)结构。这些小成膜体产
生新的细胞板——合胞体型细胞板，即起源于高
尔基体的小泡(直径约63 nm)经由沙漏形的中间体
(hourglass-shaped intermediates)融合成为宽管状物
(wide tubules，直径约45 nm)。这些宽管状物很
快被核糖体排出的衬质所包裹；当它们生长时，
出现分枝并彼此融合成为宽管状网络(wide tubular
networks)，各宽管状网络再侧向扩展，直至在
将要形成的细胞的角上会合并最终融为一体。宽
管状网络在多个位点上转化成无包被的薄的管状网
络(直径约 27 nm)的开始时间与披网格蛋白(clathrin-
c o a t e d ) 芽状结构的出现相一致。与合胞体
(syncytial cell)细胞壁融合后，薄的管状网络转化
成网孔状片层(fenestrated sheets)和细胞壁。免疫
标记试验表明，胚乳与胚和母体组织的细胞板和
细胞壁有两点不同：胚乳的木葡聚糖在侧链上缺
少末端岩藻糖残基；在细胞板与母体的细胞膜融
合后，b-D-(1,3)葡聚糖永久地存在于细胞壁中，
暗示这些细胞壁衬质起结构和贮藏物质的双重功能
(Otegui和Staehelin 2000)。细胞壁的形成始于外
周的非姊妹核之间并向内生长，每个核被隔离在
管状细胞(alveolus)中，管状细胞朝向中央液泡的
一面仍保持开口状，而且近胚处的胚乳先形成细
胞壁，后朝反足细胞方向依次成壁。进入细胞期
的胚乳同时进行平周分裂和垂周分裂，产生完整
的外周细胞和向内开口的管状细胞，胚乳体积迅
速扩大。此过程重复进行，直至整个胚乳细胞化
(Olsen等1995)。但拟南芥的胚乳细胞化不久即开
始随胚的生长而分解，在成熟种子中只保留一层
类似禾谷类种子糊粉层的表皮细胞，这层细胞的
作用尚不清楚。禾谷类种子的胚乳则不断生长，
最初整个细胞化胚乳都进行细胞分裂，后来只限
于外周的形成层区。越靠内的细胞首先通过细胞
扩大而生长，同时积累淀粉和蛋白体，并通过核
内复制(endoreduplication)而增加基因组的DNA含
量 。 随 着 胚 乳 的 生 长 ， 细 胞 编 程 性 死 亡
(programmed cell death, PCD)开始，最终所有淀
粉质的胚乳细胞死亡，在成熟的胚乳中只有糊粉
层细胞是有生活力的细胞(Olsen等1995)。
1.2 胚乳基因组的核内复制 在代谢旺盛的植物细
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月184
胞中经常发生基因组的部分或整体扩增现象——核
内复制。只有少数物种的胚乳组织分化没有核内
复制现象(如百合); 多数植物在胚乳发育期间，核
内 DNA 含量急剧增加，染色体倍性值高达 300 C
( C 代表单个染色体组或基因组中 D N A 的总量)
(Damato 1984)。如玉米胚乳在多核期后，核内
DNA含量和核大小都显著增加(Kowles 和Phillips
1988)，最明显的变化是发生在授粉后10~20 d之
间，胚乳细胞中的DNA含量从 3 C上升到 690 C；
豆科种子的子叶发育时期，其核内 DNA 含量也增
加，但增量相对较小(64 C)。
胚乳细胞中 DNA 含量为什么增加尚不清楚。
早期的一些假说认为可能是为以后发育中的幼苗贮
备可利用的核苷酸，以及扩增与贮藏蛋白和碳水
化合物合成有关的蛋白质和酶的基因的一种机制。
尽管 DNA 扩增与快速合成贮藏物质有联系，但基
因探针研究表明，在玉米胚乳中，贮藏蛋白基因
和与合成淀粉有关的基因并没有专一性地被扩增，
而是通过重复的 DNA 扩增循环来复制整个基因组
(Pillips等1985；Ronison 1983)，因此这种增加基
因拷贝数的机制其主要功能可能是贮藏核苷酸。
即如果基因组核内复制能增加贮藏物质的容量，
这对种子发育和干物质积累(产量)是重要的。但
在许多物种中，这些问题尚未研究清楚。Kowles
和Phillips (1988)指出，在玉米的dek突变体中产
生小的或含量少的胚乳，其胚乳核中 DNA 含量比
正常的玉米显著减少；他们进一步研究胚乳核中
DNA 含量遗传规律的结果表明，在少数杂交后代
的核内 DNA 含量的差异很大，且 DNA 含量和杂
种优势之间没有必然联系。Leiva-Neto等(2004)的
研究表明，玉米胚乳细胞经历数轮核复制，其
DNA 含量高达96 C 和 192 C。基因组扩增始于受
精后10 d左右，并伴随着细胞扩大以及淀粉和贮
藏蛋白的积累。但野生型的细胞周期因子依赖性
激酶 A 的过表达不影响核内复制；通过转基因操
纵手段以降低玉米胚乳突变体中细胞周期因子依赖
性激酶 A 的活性，其核内复制次数减少，该过程
不影响细胞大小，淀粉和贮藏蛋白的积累也只稍
有减少，从而暗示核内复制可能并不增强与淀粉
和贮藏蛋白合成有关的基因的转录。
1.3 胚乳发育的突变体及基因调控 胚乳发育的显
著特征是发生 DNA 的复制，如果随后细胞质不分
裂，就会形成合胞体结构；如果核不分裂，就
导致核内复制。在拟南芥和玉米中，胚乳先发育
成合胞体，然后细胞化。在拟南芥的胞质分裂缺
失型突变体knolle中，胚性细胞是含有异型大核
的合胞体(Jurgens 1997)，虽然野生型的胚乳在此
时期胞质也不分裂，但看不到异型核。在野生型
玉米和拟南芥中都可以观察到胚乳核的同步分裂而
没有胞质分裂，暗示存在着防止有丝分裂纺锤体
与染色体组结合的机制。金鱼草(Antirhinum majus
L)的 GTPase EPG 基因被敲除后，就会出现不规
则的合胞体胚乳，其中充满异型大核( N g h a m
1988)。ERG蛋白与原核生物的ERA蛋白有高度同
源性。在细菌中，ERA 蛋白参与细胞分裂等非常
重要的过程。在拟南芥的titan (ttn)家族的3个突
变体中，都表现出增大的胚乳核(Liu 和 Meinke
1998)。突变体ttn3与ttn1和ttn2明显不同，ttn3
的胚发育、胚乳的细胞化和有丝分裂都不受影
响；但ttn2出现胚的早期败育，ttn1的胚则由几
个含巨型核的增大了的细胞组成。这些突变分别
与4个不同的导致胞质分裂和有丝分裂缺失的基因
有关。在这些突变体中，与细胞周期和胞质分裂
有关的蛋白质并未受到损害，而是缺乏有丝分裂
的纺锤体、成膜体和皮层细胞，因而都缺乏有序
的微管组织。
在许多植物的进化过程中，许多与胚乳功能
(如生物合成和降解)有关的基因演变成双拷贝，
而且获得了胚乳特异性的转录调节。这可能是发
生在植物形成种子结构时的早期事件。这些基因
的重复是有用的，因为这些基因的相同功能可以
受到不同机制的调节。毫无疑问，这对于植物是
十分有利的，后来也为植物学家所证实，即通过
突变体的鉴定表明，与种子中生物合成途径有关
的基因突变导致了胚乳特异性的淀粉、蛋白质、
花色素苷等的生物合成(Lopes和Larkins 1991)。
2 胚乳发育过程中的细胞分化
细胞学研究清楚地阐明，无论是禾谷类还是
拟南芥的已细胞化胚乳都包含不同的组织。胚乳
细胞的分化可能起自合胞体内 mR N A 的区隔化。
在禾谷类胚乳中，同心层的细胞决定一种组织类
型：最外层是糊粉层，依次是亚糊粉层和中间的
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月 185
淀粉质胚乳。基部的转运细胞(transport cell)层也
称为“被修饰了的糊粉层”，能从母体中吸收营
养物质并转运至发育中的胚乳，它是在胚乳细胞
化之前分化的细胞，在玉米受粉 6 d 后可观察到
其细胞壁向内扩展性生长，以致细胞膜面积显著
增大。
淀粉体是胚乳的主要组成部分，其贮藏物质
主要是淀粉和蛋白质。尽管淀粉体已有了广泛的
研究，但至今未分离到确定的与淀粉体发育有关
的遗传调节因子。OPAQ U E 2 是唯一已分离鉴定
的与贮藏蛋白积累有关的基因。由于外周细胞缺
失型突变体只产生淀粉质胚乳而没有糊粉层，所
以可认为淀粉体细胞代表胚乳既定的细胞类型
(Ngham 1988)。亚糊粉层通常被看作是淀粉质胚
乳中的一个特化区，其细胞具有活跃的分裂能
力，体积小，在淀粉积累早期含有小淀粉粒；在
胚乳生长期间，亚糊粉层分裂产生的外层细胞继
续保持分裂能力，内层细胞则转变为成熟的胚
乳。胚周围的胚乳细胞构成胚包围区(embryo sur-
rounding region, ESR)，该区细胞结构致密，原
生质浓厚，含有大面积的粗糙内质网，推测它们
具有合成功能，产生的物质为生长中的胚吸收利
用。已发现有3个基因(ESR1~3)特异性地在该区
表达，其功能尚不清楚，但应该与营养物质向胚
的转运或信号传递过程有关。随着胚体长大并突
破该区，ESR 只存留在胚柄周围。在发育的玉米
胚乳中还含有由伸长细胞构成的传导细胞柱，它
从转运细胞层穿过中央区直至顶端附近，有运输
溶质至种子中的作用。在四倍体胚乳中，此种传
导组织不分化，或者其分化还可能与转运细胞的
活动有关(Liu和Meinke 1998)。
糊粉层是胚乳的表面组织。在成熟的籽粒
中，糊粉层是唯一的一层生活细胞，在种子萌发
期间负责合成动员贮藏物质的酶，提供种子萌发
和幼苗生长所需的营养和能量(Berger 1999; Olsen
2001)，同时也是花色素苷合成的场所(Lopes 和
Larkins 1991)。DEK1基因的产物对于感知细胞位
置以决定糊粉层细胞分化是必需的，隐性dek1突
变体缺少糊粉层(Becraft等 2002)。如玉米授粉12 d
后，正常胚乳的边缘出现糊粉层细胞，dek1突变
体胚乳细胞周围则是淀粉体。糊粉层细胞特化还
受CR4 (crinkly4)基因编码的类受体激酶(receptor-
like kinase)信号转导的调节。该激酶横跨细胞膜，
位于膜外的是结合信号分子的受体区，位于胞内
的是蛋白激酶区。CR4 激酶并非胚乳所特有，但
当其受体区特异性地结合一个与糊粉层定位有关的
信号时，活化胞内的蛋白激酶区，通过蛋白磷酸
化级联反应而最终以独特的方式改变细胞的活动，
形成糊粉层。在纯合的玉米cr4突变体胚乳中，糊
粉层细胞经常会缺失，从而在籽粒的表面形成白
斑，即淀粉质胚乳细胞白化区(Berger 1999;
Becraft等2001)。
3 胚乳发育与胚和母体组织之间的关系
胚和胚乳的遗传基因皆来自亲本。什么因素
导致合子发育成胚，而原初胚乳核发育成贮藏组
织？在胚乳、胚和母体组织之间发生了何种生物
化学的物质交换？以及这些交换如何影响这些组织
的整体发育？是否有遗传程序协调这些组织的发育
过程以决定其形式、功能和整合？这些问题都值
得探讨。
3.1 胚乳发育的遗传学基础 胚乳与胚和母体组织
之间的遗传平衡一直被认为是种子正常发育所必需
的，即可能是卵细胞或中央细胞专一的细胞决定
因子导致基因的差异表达，在总体上对胚和胚乳
的发育进行遗传调控。玉米胚乳中来源于父本和
母本的基因组的作用不同(Kermicle 和 Alleman
1990)，暗示胚乳发育模式，以及胚乳与胚和母
体组织的关系可能是由作用不同的基因决定的。
在带有不定配子体(indeterminate gametophyte)的玉
米突变体植株中，总是出现一些辅助极核
(accessory polar nuclei); 授粉后，可产生二倍体
至八倍体的胚乳，它们都只有一组染色体来源于
父本。只有三倍体胚乳(一套父本基因组和两套母
本基因组)才能充分发育(Lin 1984)。此外，由于
强制性自花授粉或染色体倍性水平不同的品种之间
杂交而造成遗传上不平衡可导致胚乳发育中的严重
缺损和种子败育(Brink和Cooper 1947)。
在控制拟南芥胚乳发育中，来自母本和父本
的遗传物质的作用很重要(即印记效应，imprinting)
(Scott 等 1998)。拟南芥MEDEA (MEA)基因的作
用之一是防止中央胚乳核在未受精状态下分裂繁
殖。如果 MEA 突变，mea 雌配子体在未受精时，
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月186
其中央胚乳核分裂形成多核的中央细胞，类似合
胞体胚乳结构，不能进一步发育成为可供胚营养
的胚乳组织(Friedman 2001); 由于母本种皮的发
育，导致角果伸长，其内种子状结构最终萎缩。
MEA 基因的另一作用是限制受精后胚乳的增殖。
因此突变体medea的已受精雌配子体的胚乳会超量
增殖，胚形态建成中每个阶段延长，心形期停滞
并最终败育。在野生型拟南芥的胚乳停止发育
后，mea 胚乳核仍继续增殖，结果产生像气球一
样(balloon-like)的大型种子，其胚乳细胞化延迟
(Grossniklaus等1998); 最后，胚周围的胚乳解
体，种子败育(Gehring 等 2004)。MEA 基因编码
一个SET-区PcG (Polycomb group)蛋白，该蛋白
是果蝇Zest强化因子(enhancer)的同源物。它在成
熟的雌配子体中和种子发育期间表达，直至种子
成熟。野生型花粉携带的 MEA 基因在突变体中不
能行使其正常功能，可能由于父母本遗传物质的
相互影响而导致基因的沉默(Grossniklaus 等
1998)。
在玉米中，任何偏离正常的 2∶1 的母本和
父本遗传物质的比例都会导致胚乳败育和种子萎缩
(Kermicle和Alleman 1990)。尽管四倍体和六倍体
植物的自花授粉会产生更高染色体倍性的正常胚
乳，但偏离母本与父本遗传物质的正常比例时也
导致胚乳败育。例如，母本与父本遗传物质比例
增至 6∶1 时，胚乳提前细胞化，且胚乳核的数
量减少，最终种子败育。母本与父本遗传物质比
例的极端不平衡引起胚胎发育停滞在心形期，这
可能就是胚乳停止发育的结果。反之，如果降低
母本的遗传物质至比例为 2∶3 时，就会引起胚
乳细胞化延迟，结果胚乳核增多。
胚乳-胚-母体植株三者的染色体倍性和遗传
组成上的差异反映出许多有关这些组织协同发育特
别是营养物质流动的问题。通常情况下，营养物
质是从2n的母体组织流向3n的胚乳和2n的胚。在
母体、胚乳和胚中，母本与父本遗传组成的比例
分别是 2∶0、2∶1 和 1∶1。这是协同的基因
组作用调节了营养物质流动，还是每一阶段由各
自基因组单独控制的，这尚不清楚( E v e n a r i
1984)。在母体组织与发育中的胚乳连接处是维管
化终止的部位，这是否是控制营养物质流动的界
线呢？值得探讨。另外，在禾谷类植物中，营
养体部位与胚乳之间缺乏明显的共质体联结，因
此营养物质可能是通过质外体从母体组织流向胚乳
细胞的(Shannon等 1986)。
被子植物三倍体胚乳细胞壁的形成标志着胚
乳形成的开始。早期的研究表明，合胞体阶段紧
随着的是细胞分化。细胞营养状况决定着胚乳发
育程度。例如，玉米的 Mn1 基因编码一个胚乳专
一性的与细胞壁连接的转化酶(cell wall-bound
invertase) INCW2，该酶对胚乳细胞的有丝分裂提
供己糖很重要(Cheng和Chourey 1999); 其minia-
ture1突变体的籽粒(胚乳)基部转化酶活性降低，
以致己糖的供给量减少，于是胚乳细胞的有丝分
裂频率降低，结果胚乳中细胞数目减少并阻碍胚
乳的发育(Cheng 等 1996)。
在玉米中，2∶1的母本与父本的基因组比例
对于转运细胞分化是至关重要的。四倍体(2m∶
2p)胚乳的基部细胞不能诱导细胞壁的向内生长，
细胞质出现无序化以及细胞壁衬质中产生不规则的
内含物；而胚乳其它部分坏死或不能进行糊粉层
细胞的分化被认为是营养物质吸收受阻所产生的次
级效应。父本基因组过量的效应暗示花粉和卵细
胞中有不同的决定转运细胞分化的调节因子(Pillips
等 1985)。细胞壁酸性蔗糖酶基因(INCW1)在转运
细胞中特异性地表达，其转录后调节依赖于对蔗
糖(流量)的感应并影响母本或胚乳组织的发育。
遗传分析暗示，母本和胚乳组织可能相互调
节彼此的发育。在禾谷类种子中，胚乳的基部分
化成数层转运细胞，其细胞壁向内扩展性地生
长。这一特化区域起代谢物转运并使胚乳间接地
连接母体组织的作用，蛋白质和淀粉的生物合成
主要依赖于在该区内发生的代谢事件。从母体细
胞到达胚乳基部的大部分蔗糖首先由转化酶分解成
葡萄糖和果糖，然后运输到胚乳的其他部位重新
合成蔗糖并被利用(Shannon等 1986)。Miller和
Chourey (1992)的研究表明，玉米突变体miniature
(mn1)的种子发育中胚乳基部的转化酶活性显著降
低，导致转运蔗糖的母体组织细胞解体，结果胚
乳不能积累淀粉和蛋白质。研究大麦皱缩了的胚
乳(shrunken endosperm, seg)突变体中母体效应结果
表明，母体的转录产物可能调节胚乳发育(Felker
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月 187
等 1985)。
分离和鉴定干扰胚乳正常发育的突变体有助
于解释胚乳发育与胚和母体组织之间的关系。
Neuffer 和 Sheridan (1980)分析了855个由乙基甲
磺酸诱导产生的玉米籽粒珠心缺失(defective kernel,
dek)突变体，它们代表了大约 285 个分布于整个
基因组中的不同等位基因。在大麦中也有类似的
报道(Bosness 等 1987)。令人吃惊的是，这些研
究都表明，尽管胚和胚乳在形态和生理上显著不
同，但种子的大量特异性基因在胚乳和胚中都表
达，只有极少数可能是胚乳的特异性基因。这一
结论进一步支持了胚乳是从一个额外胚进化而来的
假说(Olsen等1992)。
在许多植物中，还有不定胚生殖现象
(adventitious embryogenesis)，即没有胚囊以及与
之相关的胚乳形成(Ramachandran 和 Raghanvan
1992; Koltunow 1993)，这表明体细胞也有形成卵
细胞和胚的能力，正常的胚胎发生根本不需要胚
乳。如无融合生殖可通过无性生殖形成种子，后
代只有母本的基因型，并能稳定遗传，所以这种
类型种子中的胚乳基因组通常偏离2∶1的正常的
母本与父本遗传物质比例。自发的无融合生殖常
见于Asteraceae科和菊科(Compositae)植物，其胚
和胚乳的发育与受精无关；在假的无融合生殖
中，尽管胚是从一个未受精的卵细胞形成的，但
其极核受精则是启动胚乳发育所必需的(Koltunow
1993)。
3.2 胚乳在种子发育期间的作用及其与胚发育的关
系 胚乳在种子发育期间的作用一直是有争议的问
题。如在禾谷类植物中，胚乳保留在成熟的干种
子中，是贮藏物质的主要场所，可为萌发中的种
子提供营养物质和激素；而在许多双子叶植物
中，贮藏物质保存在胚而不是在胚乳中，胚乳有
什么作用不清楚。 研究拟南芥种子的结果表明，
胚乳在控制营养物质转运到胚的过程中是有作用的
(Hirner等1998); 此外，有人认为，在胡萝卜种
子的胚胎发生过程中，胚乳可能起信号源的作用
(van Hengel等1998)。
胚乳不但是种子萌发期间胚生长所需的矿质
和能量来源，而且也是胚的形态发生的介质。但
人们尚不知道胚从何时开始利用胚乳的营养，也
不清楚胚是被动地吸收胚乳中贮藏物质动员的产
物，还是在发育过程中独自或与胚乳一起调节胚
乳中贮藏物质的动员，或者两种情况兼而有之。
在种子发育过程中，平衡胚与胚乳的生长是两者
在结构和生理上相适应中肯定是必需的。在少数
植物中原初胚乳核的有丝分裂活动早于合子，这
显示胚的发育可能依赖于胚乳的早期发育
(Raghavan 1986)。
在许多被子植物中，胚乳组织的短时存在是
种子发育和进化的一个很有趣的事件，但此问题
常被人忽略。如许多植物的成熟种子中缺少胚
乳，胚珠发育早期则有胚乳产生，这意味着胚乳
为生长中的胚所消耗(Raghavan 1986)。在大多数
双子叶植物种子中胚胎发生期间胚乳被吸收，并
产生胚性的叶片(子叶)以贮藏营养物质。如在发
育的豌豆种子中，胚乳于游离核阶段和细胞壁形
成开始之前即被吸收；纤维素化的细胞壁结构出
现在胚乳的细胞质中可能与胚在胚囊中的精确定位
和控制营养物质向胚中运输有关(Marlnos 1970)。
正如向日葵、棉花和苜蓿的胚囊内壁会发生壁的
内折生长，形成特化的、伸向胚乳转运营养物质
的结构。
胚胎发生期间胚乳降解过程的生理机制仍不
清楚。如果胚乳是被胚(子叶)消化的，那么是什
么信号引发这一过程的？胚主动消化胚乳，还是
在胚乳降解后吸收其可利用的成分呢？其生理意义
何在？有待探讨。从进化角度来说，这种物质的
再利用并不具有明显的优点。因为子叶与胚乳一
样，其主要功能只是贮藏营养物质；而且营养物
质从胚乳转运至子叶的过程中，又涉及诸多生理
生化过程如物质分解与合成、能量转换等。
胚乳占据着种子的中央位置，把胚与合点一
端的营养源以及珠被组织隔离开来，这样不管在
成熟种子中存留与否，胚乳在种子发育过程中都
起着至关重要的作用。如在水稻突变体(胚大小不
一)中，胚乳调节胚的发育(Hong等 1996)，有些
突变体的胚比正常种子的胚大，但胚乳相应地缩
小；相反，在别的突变体中胚乳则增大，胚的
体积也相应变小。拟南芥种子的胚中氨基酸积累
依赖于胚乳，因为种子发育早期氨基酸运载体
AAP1 似乎只专一性地存在于胚乳中(Hirner 等
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月188
1998)。
胚乳可能不只为胚的发育提供营养。胚周围
组织的特异基因表达的研究表明，胚乳对胚的发
育可能还有其它作用(Opsahl-Ferstad等 1997)。如
在胡萝卜细胞培养物中，编码第IV型内切几丁质
酶的 EP3 基因似乎只在非胚性细胞中表达，而该
酶的作用能使胡萝卜体细胞胚发生缺失突变体株系
产生正常的体细胞胚。在发育的种子中，该基因
首先在珠被中强烈表达，然后在胚乳中表达；免
疫定位分析表明，该基因在珠被组织中表达时所
产生的蛋白质出现在胚乳中。几丁质酶 EP3 可能
作用于内含几丁质基元(motif)的底物如阿拉伯半乳
聚糖蛋白，以释放出对胚胎发生极为有用的寡聚
糖(信使物质)。因此认为体细胞胚胎发生培养物
中的 EP3 基因表达细胞起类似胚乳的作用(van
Hengel等 1998)。
胚乳的发育可能是相对独立于胚发育的。如
体外受精的中央细胞在体外培养时，也经历着类
似体内胚乳发育的步骤，同步核分裂导致合胞体
的形成，然后以极性方式细胞化(Kranz等1998)。
但体外培养的培养基中是含有各种营养成分和激素
的，因此不能排除胚在胚乳发育过程中起作用。
但有报道指出，拟南芥fis和fie突变体种子在胚
缺失时形成胚乳，即这两个突变体的种子能在未
受精时继续发育，其胚乳能达到细胞化，而胚的
发育在相当早的时期就已停滞，这与胚乳发育的
相对独立性似乎是相吻合的(Köhler等 2003)。
4 结语和展望
许多植物种子胚乳组织的生化组成还知之甚
少，但蛋白质、肌醇、脂类、类胡萝卜素、多
糖、游离氨基酸和酚类物质等成分在不同种子的
胚乳中的比例是不同的。因此进一步了解这些成
分的细胞定位、功能以及它们对种子的营养品
质、贮藏和萌发特性的作用，将有助于改良种子
的质量和用途。禾谷类作物营养品质的改良往往
由于缺乏对其含有必需氨基酸的胚乳蛋白质的知识
而受阻。今后，培育禾谷类作物优质品种时可先
筛选突变体，然后再对突变体的众多子代胚乳成
分进行生化分析，这样可以帮助育种学家更好地
探索品种在改良和培育过程中的遗传变异规律。
胚乳中特异性表达的大量基因的获得，有效
的报告基因系统的建立以及转基因技术研究将有助
于探索基因的调节作用和细胞功能。研究表明，
产量提高主要靠增强胚乳中有效物质的积累(如淀
粉)。随着世界人口不断增长，这一领域的研究
在今后多年内仍然非常重要，例如，通过对胚乳
特异性启动子的鉴定，开发工程基因(engineered
genes)以促进胚乳中有效或优质产物的积累。分
子生物学方法可为传统的育种技术提供新的和互为
补充的改良农作物的途径。如将大肠杆菌突变体
的一个编码ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose
pyrophosphorylase)的基因(AGP)转入马铃薯中，
可促进淀粉生物合成中限速步骤的进行，马铃薯
块茎中淀粉含量可提高30% (Stark等 1992)。这
一结果为人们运用工程基因改良农作物品种以提高
产量带来了一定的希望。
胚乳在发育、生理学、细胞生物学和生物化
学诸方面都有其特殊性。它只有几种简单的细胞
分化类型，其组织分化和某些贮藏代谢物的合成
机制已有详尽的研究，但迄今对胚乳分化及其功
能的遗传和发育学基础知之尚少。过去，由于人
们对胚乳组织在形态学上的认识过于简单，只视
其是一团贮藏细胞或胚的一个附属物，并认为来
自母体组织的营养物流可能是唯一引导胚乳组织分
化的因子。而现在人们对禾谷类胚乳发育突变体
的鉴定可以揭示胚乳组织发育中的遗传调控机制。
植物胚乳、胚和母体组织之间相互作用的研究将
能回答许多有关植物组织发育在时间和空间上相互
作用的问题。但种子发育过程中胚乳被吸收的植
物与种子在萌发时胚乳才被吸收的植物之间在发育
生物学上差异的研究很少有人注意。还有，一些
胚乳缺乏糊粉层的种子(如拟南芥、玉米的糊粉层
缺失突变体)在萌发期间胚乳是如何消化等问题都
有待阐明。
被子植物种子发育开始时的双受精功能仍是
植物生物学中令人困惑的问题之一。印记作用在
被子植物中广泛存在。在玉米和拟南芥中，已鉴
定出导致胚乳和胚发育模式不同的印记基因，如
M E A、F W A。M E A 的作用是防止雌配子体的中
央细胞核在未受精时的复制(如前所述); FWA在
拟南芥胚乳中，母本等位基因表达，父本等位基
因沉默，但这种表达模式在胚乳中的确切功能尚
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月 189
不清楚(Kinoshita等2004)。FWA编码一个包含同
源异形域(homeodomain-containing)的转录因子，
在正常情况下，几乎不影响植物的生长发育；但
其异位表达可导致开花延迟(Soppe 等 2000)。研
究表明，在胚乳中母本等位基因 MEA 和 FWA 的
表达是受DEMETER (DME)基因控制的(Kinoshita
等 2004)。DME 编码一个包含 DNA 糖基化酶的蛋
白质，主要在雌配子体的中央细胞中表达；受精
后，DME R N A 迅速下降。DME D N A 糖基化酶
活化受精前中央细胞中的 M E A 和 F W A。这种活
化作用足以维持在受精后发育的种子胚乳中母系等
位基因的表达。D M E 在雄蕊中不表达，因此父
系 MEA 和 FW A 等位基因不能活化和表达，在受
精后的胚乳中也不表达(Choi 等 2002)。DME DNA
糖基化酶如何识别并活化母系 MEA 或 FWA 等位基
因的机制尚不清楚。有研究认为，差异性表达的
父、母系等位基因的 DNA 甲基化和染色质结构上
的差异可能与 MEA 和 FWA 印记机制有关。例如
在胚和种皮中，FWA 启动子重复序列高度甲基化
时，F W A 沉默；而正常发育的胚乳中，F W A 启
动子重复序列的甲基化不足(Xiao等2003; Kinoshita
等 2004)。另外，来自父系的 MET1 (甲基转移
酶，methyltransferase)对于胚和胚乳中父系FWA
沉默也是必需的。种间和不同染色体倍性的种间
正反交，以及基因 DNA 甲基化状态有差异的植株
之间的正反交试验也充分证明母本与父本基因组的
非等效性(nonequivalence) (Gehring等 2004)。拟
南芥、玉米和其它被子植物中更多的印记基因的
鉴定以及干扰或改变印记作用的突变体的筛选，
将有助于更好地认识印记对种子发育的作用。
参考文献
Becraft PW, Kang SH, Suh SG (2001). The maize CRINKLY4
receptor kinase controls a cell-autonomous differentiation
response. Plant Physiol, 127: 486~496
Becraft PW, Li K, Dey N, Asuncion-Crabb Y (2002). The maize
dek1 gene functions in embryonic pattern formation and in
cell fate specification. Development, 129: 5217~5225
Berger F (1999). Endosperm development. Curr Opin Plant Biol,
2: 28~32
Bosness M, Harris E, Allgeltiger L, Olsen OA (1987). Morphol-
ogy and ultrastructure of 11 barely shrunken endosperm
mutants. Theor Appl Genet, 74: 177~187
Brink RA, Cooper DC (1947). The endosperm in seed
development. Bot Rev, 13: 423~541
Cheng WH, Chourey PS (1999). Genetic evidence that invertase-
mediated release of hexoses is critical for appropriate car-
bon partitioning and normal seed development in maize.
Theor Appl Gen, 98: 485~495
Cheng WH, Talliercio EW, Chourey PS (1996). The Miniature1
seed locus of maize encodes a cell wall invertase required for
normal development of endosperm and maternal cells in the
pedicel. Plant Cell, 8: 971~983
Choi Y, Gehring M, Johnson L, Hannon M, Harada JJ, Goldberg RB,
Jacobsen SE, Fischer RL (2002). DEMETER, a DNA
glycosylase domain protein, is required for endosperm gene
imprinting and seed viability in Arabidopsis. Cell, 110: 33~42
Damato F (1984). Role of polyploidy in reproductive organs and
tissues. In: Johri BM (ed). Embryology of Angiosperms.
Berlin: Springer-Verlag, 519~566
Dumas C, Mogensen HL (1993). Gamete and fertilization: maize
as a model system for experimental embryogenesis in flow-
ering plants. Plant Cell, 5: 1337~1348
Evenari M (1984). Seed physiology: from ovule to maturing seed.
Biol Rev, 50: 143~170
Felker FC, Peterson DM, Nelseon OE (1985). Anatomy of im-
mature grains of eight maternal effect shrunken endosperm
barley mutants. Am J Bot, 72: 248~256
Friedman WE (1990a). Double fertilization in Ephedra, a non-
flowering plant: its bearing on the origin of angiosperms.
Science, 247: 951~954
Friedman WE (1990b). Sexual reproduction in Ephdra nevadensis
(Ephedraceae). Further evidence of double fertilization in a
non-flowering plant. Am J Bot, 77: 1582~1598
Friedman WE (1992). Double fertilization in nonflowering seed
plants and its relevance to the origin of flowering plants. Int
Rev Cytol, 140: 319~355
Friedman WE (2001). Developmental and evolutionary hypoth-
eses for the origin of double fertilization and endosperm. C
R Acad Sci Paris, 324: 559~567
Gehring M, Choi Y-H, Fischer RL (2004). Imprinting and seed
development. Plant Cell, 16 (suppl): 203~213
Grossniklaus U, Vielle-Calzada JP, Hoeppner MA, Gagliano WB
(1998). Maternal control of embryogenesis by MEDEA, a
Polycomb group gene in Arabidopsis. Science, 280: 446~450
Guignard ML (1899). Sur les anthérozoides et la double copulation
sexuelle chezles végétaux angiospermes. Rev Gen Bot, 11:
129~135
Hirner B, Fischer WN, Rentsch D, Kwart M, Frommer WB (1998).
Developmental control of H+/amino acid permease gene
expression during seed development of Arabidopsis. Plant J,
14: 535~544
Hong SK, Kitano H, Satoh H, Nagato Y (1996). How is embryo
size genetically regulated in rice. Development, 122:
2051~2058
Jurgens WG (1997). The Arabidopsis KNOLL protein is a cytoki-
nesis-specific syntaxin. J Cell Biol, 6: 1485~1493
Kermicle JL, Alleman M (1990). Gametic imprinting in maize in
relation to the angiosperm life cycle. Development, (suppl):
9~14
植物生理学通讯 第42卷 第2期，2006年4月190
Kinoshita T, Miura A, Choi Y, Kinoshita Y, Cao XF, Jacobsen SE,
Fischer RL, Kakutani T (2004). One-way control of FWA
imprinting in Arabidopsis endosperm by DNA methylation.
Science, 303: 521~523
Köhler C, Hennig L, Spillane C, Pien S, Gruissem W, Grossniklaus
U (2003). The Polycomb-group protein MEDEA regulates
seed development by controlling expression of the MADS-
box gene PHERES1. Genes Dev, 17: 1540~1553
Koltunow AM (1993). Apomixis: embryo sacs and embryos
formed without meiosis or fertilization in ovules. Plant Cell,
5: 1425~1437
Kowles RV, Phillips RL (1988). Endosperm development in maize.
Int Rev Cytol, 112: 97~136
Kranz E, von Wiegen P, Quader H, Lörz H (1998). Endosperm
development after fusion of isolated single maize sperm and
central cells in vitro. Plant Cell, 10: 511~524
Leiva-Neto JT, Grafi G, Sabelli PA, Dante RA, Woo YM, Maddock
S, Gordon-Kamm WJ, Larkins BA (2004). A dominant
negative mutant of cyclin-dependent kinase a reduces
endoreduplication but not cell size or gene expression in maize
endosperm. Plant Cell, 16: 1854~1869
Lin BY (1984). Ploidy barrier to endosperm development in
maize. Genetics, 107: 103~115
Liu CM, Meinke DW (1998). The titan mutants of Arabidopsis
are disrupted in mitosis and cell cycle control during seed
development. Plant J, 16: 21~31
Lopes MA, Larkins BA (1991). Gamma-zein content is related to
endosperm modification in quality protein maize (QPM).
Crop Sci, 31: 1655~1662
Marlnos NG (1970). Embryogenesis of the pea (Pisum sativum).
I. The cytobogical environment of developing embryo.
Protoplasma, 70: 261~279
Miller ME, Chourey PS (1992). The maize invertase-deficient
miniature-1 seed mutation is associated with aberrant pedicel
and endosperm development. Plant Cell, 4: 297~305
Murray DM (1988). Nutrition of the Angiosperm Embryo.
Somerset, England: Research Studies Press Ltd
Nawaschin S (1898). Resultate einer Revision der Befruchtungs-
vorgange bei Lilium martagon and Fritillaria tenella. Bull
Acad Imp Sci St Petersburg, 9: 377~382
Neuffer MG, Sheridan WF (1980). Defective kernel mutants of
maize. I. Genetic and lethality studies. Genetics, 95: 929~944
Ngham PW (1988). The molecular genetics of embryonic pattern
formation in Drosophila. Nature, 355: 25~34
Olsen OA (2001). Endosperm development: cellularizatioand cell
fate specification. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol,
52: 233~267
Olsen OA, Brow RC, Lemmon BE (1995). Pattern and process of wall
formation in developing endosperm. Bioassay, 17: 803~812
Olsen OA, Potter RH, Kalla R (1992). Histo-differentitation and
molecular biology of developing cereal endosperm. Seed Sci
Res, 2: 117~131
Opsahl-Ferstad HG, Le Deunff E, Dumas C, Rogowsky PM (1997).
ZmEsr, a novel endosperm-specific gene expressed in a
restricted region around the maize embryo. Plant J, 12:
235~246
Otegui M, Staehelin LA (2000). Syncytial-type cell plates: a novel
kind of cell plate involved in endosperm cellularization of
Arabidopsis. Plant Cell, 6: 933~947
Phillips RL, Kowles RV, McMullen M, Enomoto S, Rubenstein I
(1985). Developmentally timed changes in maize endosperm
DNA. In: Freeling M (ed). Plant Genetics. New York: Alan R
Liss, 739~754
Raghavan V (1986). Embryogenesis in Angiosperms. Cambridge:
Cambridge University Press
Ramachandran C, Raghanvan V (1992). Apomixis in distant
hybridization. In: Kalloo G, Choudhury JB (eds). Distant
Hybridization of Crop Plant. Berlin: Springer-Verlag, 106~121
Ronison IB (1983). Detection and mapping of homologous,
repeated and amplified DNA sequences in agarose gels. Nucleic
Acids Res, 11: 5413~5431
Russell SD (1993). The egg cell: development and role in
fertilization and early embryogenesis. Plant Cell, 5: 1349~1359
Sargant E (1900). Recent works on the results of fertilizition in
angiosperms. Ann Bot, 14: 689~712
Scott RJ, Spielman M, Bailey J, Dickinson HG (1998). Parent-of-
origin effects on seed development in Arabidopsis thaliana.
Development, 125: 3329~3341
Shannon JC, Porter GA, Knlevel DP (1986). Phloem unloading and
transfer of sugars into developing maize endosperm. In:
Cronshaw J, Lucas WJ, Giaquinta RT (eds). Phloem
Transport. New Yoek: Alan R Liss, 265~277
Soppe WJ, Jacobsen SE, Alonso-Blanco C, Jackson JP, Kakutani
T, Koornneef M, Peeters AJ (2000). The late flowering
phenotype of fwa mutants is caused by gain-of function epige-
netic alleles of a homeodomain gene. Mol Cell, 6: 791~802
Stark DM, Timmerman KP, Barry GF, Preiss J, Kishore GM
(1992). Regulation of the amount of starch in plant tissues by
ADP-glucose pyrophosphorylase. Science, 258:
287~292
van Hengel AJ, Guzzo F, van Kammen A, de Vries SC (1998).
Expression pattern of the carrot Ep3 endochitinase genes in
suspension cultures and in developing seeds. Plant Physiol,
117: 43~53
Vijayaraghavan MR, Prabhakar K (1984). The endosperm. In:
Johri BM (ed). Embroyology of Angiosperms. Berlin:
Speringer-Verlag, 319~376
Xiao W, Gehring M, Choi Y, Margossian L, Pu H, Harada JJ,
Goldberg RB, Pennell RI, Fischer RL (2003). Imprinting of
the MEA Polycomb gene is controlled by antagonism between
MET1 methyltransferase and DME glycosylase. Dev Cell,
5: 891~901