全 文 ：第 23 卷　第 4 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2003年　10 月
Vol.23　No.4　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Oct., 　2003
胚乳细胞壁的建成及其与胞质微管的关系
高新起 马文祥
(曲阜师范大学生命科学学院 , 曲阜　273165)
摘　要　综述了被子植物核型胚乳发育的不同阶段(合胞体时期 、初始垂周壁形成期 、初始平周
壁形成期和胚乳细胞分裂增生期)胚乳细胞壁建成的各种观点 ,以及在各个阶段中微管与胚乳
细胞壁建成之间关系的最新研究进展。并分别比较了胚乳细胞化过程不同阶段胚乳游离核或
胚乳细胞有丝分裂与分生组织细胞有丝分裂微管周期的差异。
关键词　胚乳;细胞壁的建成;微管
THE RELATIONSHIP BETWEEN MICROTUBULES AND
FORMATIONOF ENDOSPERM CELL WALLS
GAO Xin-Qi　MA Wen-Xiang
(Collag e of Life Science , Qufu Normal Univ ersity , Shandong , 27165)
Abstract　Several view points about the formation of endosperm cell wall at different stages in en-
dosperm development of angiosperm including formation of syncy tium , primary ant iclinal and peri-
clinal w alls formation , endosperm cell mitosis and the advances of relationship between micro-
tubules and the formation of endosperm cell w alls are described in this paper.And the dif ferences in
micro tubular mito tic cycle betw een free nucleus or cell of endosperm and meristem are listed as
well.
Key words　endosperm , formation of cell wall , microtubules
　　胚乳是被子植物双受精过程中一个精子与两
个极核融合的产物 ,大多数为三倍体 。其主要功
能是为胚或幼苗的发育提供营养和分泌与胚发育
有关的激素。胚乳败育常引起胚发育不良或者败
育。被子植物的胚乳依据其发育过程可分为三种
类型:核型 、细胞型和沼生目型 。在核型胚乳的发
育过程中 ,胚乳核最初一段时期的分裂并不伴随
细胞质的分裂 ,即不形成细胞壁。许多的胚乳游
离核和胚乳细胞质共同组成合胞体(syncy tium)
或者称为多核体(coenocyte)。在中央细胞壁与中
央细胞的大液泡之间形成一个薄层 。发育到一定
阶段后 ,胚乳游离核之间产生细胞壁形成胚乳细
胞。核型胚乳的这种增生方式与分生组织(如根
尖)和胚细胞的有丝分裂有很大的不同 ,至今仍未
完全了解其发育过程[ 1] ,特别是对胚乳细胞壁的
来源有不同的观点。
微管在植物分生组织细胞有丝分裂的各个阶
段按一定的规律排列组成不同的微管列阵(ar-
ray),包括周质微管(cortical microtubules)、早前
期带微管(preprophase microtubules band)、纺锤
体微管(spindle microtubules)和成膜体微管
(phragmoplast microtubules)[ 2] 。有丝分裂的间
第一作者简介:高新起(1972—),男 ,博士研究生 ,主要从事植物逆境信息传递研究。
　　收稿日期:2003-02-06
期 ,细胞内的微管在质膜下环绕细胞的长轴 ,相互
平行并与细胞的长轴垂直 ,成为周质微管 。在细
胞有丝分裂的早前期 ,微管集中排列到细胞中央
的赤道面 ,仍在细胞质的外围 ,环绕细胞核形成紧
密平行排列的一个环 ,称为 PPB。研究表明 PPB
精确的预示有丝分裂将要形成的细胞壁的位
置[ 2] 。这表明细胞的分裂面在有丝分裂的前期
就已经决定。有丝分裂中期 ,微管组成的纺锤丝
牵引染色体排列在细胞中央的赤道面上形成纺锤
体。到有丝分裂的后期 ,由于微管的作用 ,染色体
向两极移动。从核分裂过渡到胞质分裂的标志是
出现成膜体。成膜体是由位于两子核之间赤道面
两侧许多平行排列的微管组成 ,它的作用在于引
导含有细胞壁前体物质的小泡向赤道面聚集并融
合形成细胞板 ,最终形成新的细胞壁。
对核型胚乳发育过程的显微和超微结构研究
表明 ,微管在胚乳细胞壁的形成中也起到相似的
作用[ 3] ,但是与一般分生组织有所不同 。
1　胚乳合胞体的形成
初生胚乳核的分裂和此后游离核的分裂主要
以有丝分裂的方式进行 ,但不伴随细胞壁的形成。
早期的研究认为 ,胚乳游离核分裂过程中形成的
纺锤体解体后 ,未形成成膜体 ,因而不能和分生组
织的有丝分裂一样产生细胞壁[ 4] 。但是利用免
疫荧光技术对大麦胚乳的研究发现胚乳游离核的
分裂过程中 ,不仅出现纺锤体 ,而且在末期两子核
间也形成桶状的成膜体[ 5] ,但最终未形成细胞板
和细胞壁 ,原因可能是含有细胞壁前体物质的小
泡不能被运输到赤道面的位置 ,或者是虽被运输
到赤道面位置但不能融合形成细胞板[ 6] 。
核被膜被认为是植物细胞的微管组织中
心[ 7] 。利用免疫荧光技术研究大麦[ 5] 、小麦[ 8] 、
菜豆[ 9]游离核胚乳时期的胚乳合胞体后发现 ,细
胞核表面都有从核膜发出的核基放射微管(nucle-
ar-based radial microtubules ,或者称为核周微管)
分布 。核基放射微管在相邻细胞核间相互交织形
成立体的网状结构[ 8] ,使许多的胚乳游离核均匀
分散并定位在细胞质中。在大麦[ 5]和拟南芥[ 10]
中核基放射微管使细胞核和它周围的细胞质形成
相对独立的结构和功能的单位 ———核质域(nucle-
ar cy toplasm domains , NCDs),对调节胚乳细胞壁
产生的位置和产生过程起重要作用 。而间期的胚
乳游离核周围的细胞质中未观察到周质微管 。在
洋葱等植物的根尖细胞和悬浮培养的液泡化细胞
的有丝分裂间期都可观察到核周微管 ,但同时在
间期的其它阶段也能观察到周质微管[ 11 ,12] 。许
多的研究表明周质微管是附在质膜上的[ 13] ,而在
游离胚乳核周围形成细胞壁后 ,胚乳核周围的细
胞质中有周质微管出现[ 9] ,这似乎与 Lambert认
为周质微管的成核中心在核膜 ,而组织中心在胞
质外层的观点一致[ 7] 。
2　胚乳细胞初始垂周壁的形成
胚乳合胞体向胚乳细胞转变时 ,首先在胚囊
周边形成一层胚乳细胞。该层细胞与胚囊壁垂直
的细胞壁首先形成 ,称为初始垂周壁 。初始垂周
壁的来源已有详尽的研究 ,但因不同的研究者应
用的实验方法 、实验材料不同 ,得出的结论也不完
全相同 。大致有两种观点:一种是认为初始垂周
壁来自于中央细胞壁内突形成的自由生长壁 ,向
心游离生长插入到两个相邻的胚乳游离核之间形
成初始垂周壁[ 14 ～ 16] 。这种形成方式以后又在多
种植物的胚乳发育过程中观察到[ 17 ～ 22] 。Brown
等利用免疫荧光标记技术研究大麦[ 5] 胚乳细胞
壁形成过程时发现 ,由于核基放射微管的存在使
胚乳游离核与周围的细胞质形成 NCDs ,相邻的
NCDs之间最先产生细胞壁 ,但是这种细胞壁与
纺锤体 、成膜体无关 。这种细胞壁最初不与中央
细胞壁相连 ,生长一段时间后才能与中央细胞壁
相接 ,并认为这就是以前文献上所称的自由生长
壁。Chit ralekha P.等在石龙芮中也观察到类似
的情况 ,但是由于实验方法不同作者未确认这种
细胞壁的形成是否与微管有关[ 23] 。
另一种是 Finnran研究小麦[ 4]胚乳发育后首
先提出的 ,他认为初始垂周壁来自于胚乳核有丝
分裂形成的与成膜体有关的细胞板 ,细胞板向周
围扩展 ,一侧于中央细胞壁接触并结合 ,另一侧向
中央大液泡方向生长 。但是只来源于有丝分裂形
成的细胞板并不能满足胚乳细胞化初期所需初始
垂周壁的数量 ,因为它不能解释非姊妹核之间壁
的来源 。后来的研究表明 ,来源于胚乳核有丝分
裂细胞板的初始垂周壁只占初始垂周壁的一部
分[ 19 , 23] 。虽然有的研究表明姊妹核间产生的细
胞板能够产生分支伸入到非姊妹核间形成细胞
壁[ 20] ,但在薏苡[ 24]中发现胚乳游离核间能产生
与有丝分裂和成膜体都无关的细胞板。利用免疫
荧光标记技术在小麦[ 8] 、菜豆[ 9]中发现在核基放
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射微管交界处形成成膜体 ,由此产生与有丝分裂
无关的细胞板 。利用高压冷冻替代技术 ,在拟南
芥[ 25]胚乳中发现 ,球形胚后期姊妹核和非姊妹核
之间都出现成束的并以相反方向排列的微管 ,由
此形成微型成膜体(mini-phragmoplasts)和合胞
体型(syncy tial-type)细胞板 ,形成细胞壁 ,但未
观察到纺锤体的形成 。
虽然以上研究(利用免疫荧光标记技术)发现
胚乳细胞初始垂周壁的形成都与微管有关 ,但是
与分生组织细胞分裂过程中微管的列阵周期有很
大不同 , 因为在胚乳细胞壁产生之前未观察到
PPB ,有的还未观察到成膜体出现 ,而 PPB 和成
膜体在分生组织细胞分裂过程中决定细胞壁的产
生位置和产生过程。通常把 PPB 和核周微管的
分布作为分生组织有丝分裂早前期微管的分布特
征[ 13] ,但是在许多液泡化的细胞中 ,通常缺少或
极少出现 PPB这种微管排列形式[ 11] 。而在许多
研究中也都发现游离核胚乳细胞化之前细胞质中
出现相当数量的小液泡 或者融合成大液
泡[ 4 ,5 ,10 , 14 ,23 , 24 ,27] ,这似乎也是一个液泡化的过
程。
在液泡化和非液泡化的进行有丝分裂的植物
细胞中都发现成膜粒(phragmosome)存在 ,它被
认为是有壁的细胞有丝分裂前表达极性的一种方
式 ,预示将来产生细胞板的位置[ 26] 。Brown等发
现禾谷类植物(小麦 、大麦 、水稻)[ 27] 和拟南芥[ 10]
的胚乳在细胞化时 NCDs有一个极化(polariza-
tion)的过程 。首先是 NCDs之间的胚乳细胞质中
聚集许多小液泡 ,小液泡不断融合 ,使 NCDs在垂
直于胚囊壁的方向上伸长 ,同时 NCDs内的胚乳
游离核也在同一个方向上由球形伸长成椭球形 ,
核基放射微管也重新排列 ,集中到核的两端呈放
射状排列。因为最初的细胞壁在这种极化了的
NCDs之间产生 ,作者认为 NCDs的极化预示了
细胞壁的产生位置 。但是在小麦[ 8]和菜豆[ 9] 中
都未报道出现 NCDs以及它的极化过程 ,可能还
存在其它的机制来确定细胞壁的产生位置。
3　胚乳细胞初始平周壁的产生
胚乳游离核之间产生初始垂周壁后 ,就在胚
囊周边形成一层开放细胞(alveoli ,靠近中央大液
泡一侧无细胞壁),只有在产生初始平周壁后才能
形成一层细胞壁完整的胚乳细胞。初始平周壁的
来源也有两种观点:一种是认为初始垂周壁产生
横向分支连接形成[ 16 ,22 , 28] ;另一种则认为是开放
细胞中的细胞核平周分裂产生细胞板 ,细胞板向
四周扩展生长与开放细胞的细胞壁相接形成完整
的胚乳细胞[ 4 ,14 , 15] 。通过免疫荧光标记技术研
究发现在小麦[ 8] 、菜豆[ 9]胚乳开放细胞的细胞核
仍存在核基放射微管 ,在菜豆中还发现在接近胚
囊壁和已加厚的胚乳细胞壁附近的细胞质中有周
质微管 ,细胞核在胚乳开放细胞中的分裂可观察
到成膜体和细胞板 ,但在分裂之前未观察到 PPB
出现。在大麦[ 6]胚乳开放细胞中 , NCDs的极化
后细胞核膜上的微管只存在椭球形细胞核的的两
端 ,细胞核的分裂过程中出现纺锤体 、成膜体 、细
胞板 ,未观察到 PPB ,Brown等仍然认为 NCDs的
极化在此过程中起到了决定了细胞分裂面的作
用[ 27] 。
4　初始垂周壁的继续向内生长和胚乳细胞的分
裂
在开放细胞内形成第一层胚乳细胞后 ,原先
的初始垂周壁仍然可以继续向心游离生长 ,壁的
生长末端可见许多来自于高尔基体和内质网的含
有细胞壁前体物质的小泡 ,生长壁的两侧有垂直
于细胞壁的微管分布 ,控制小泡的融合和细胞壁
生长的方向[ 8 ,9 ,15] 。在大麦[ 6]中发现细胞壁的向
心游离生长来自于与成膜体有关的细胞板结构。
这种成膜体与细胞的有丝分裂无关 ,也不在两细
胞核之间产生 。由于这时的细胞核两端有与核膜
连接的放射状微管 ,细胞板就在两个相邻细胞核
的这种放射状微管交界处产生 ,作者称之为不定
性的成膜体(adventitious phragmoplasts),此后细
胞壁的向心游离生长都来自于这种不定性的成膜
体形成的细胞板[ 6] 。
胚囊周边的胚乳组织向心游离生长 ,最终在
胚囊中央相汇 ,中央大液泡消失。新形成的胚乳
细胞进行一段时间的分裂以增生胚乳组织。大多
数的研究结果表明 ,此时胚乳细胞的分裂过程与
分生组织的有丝分裂过程相同[ 8 , 9] ,在此过程中
微管周期如PPB 、纺锤体微管 、成膜体微管都能观
察到。但是在大麦[ 6] 中 , 除最外一层胚乳细胞
(糊粉层)的分裂过程中可以观察到各个微管周期
外 ,内层淀粉胚乳细胞的分裂过程中仍未观察到
PPB出现 。
5　小结
对核型胚乳细胞壁来源及形成过程的研究一
4214期　　　　　　　　　　　　　　高新起等:胚乳细胞壁的建成及其与胞质微管的关系
直是胚乳发育过程研究的主要内容之一 。利用常
规的光镜和电镜观察 ,对不同的材料有不同的研
究结果 ,甚至对同种材料不同的研究者也有不同
的研究结果 ,很难得到统一的结论。运用免疫荧
光标记等技术发现微管骨架参与胚乳细胞壁的建
成 ,使人们认识到胚乳细胞壁的形成与普通有丝
分裂细胞壁形成过程的相似形 。但是 ,从胚乳核
分裂 、形成合胞体到初始细胞壁的产生 ,及胚乳细
胞的分裂增生 ,在的胚乳细胞化的不同阶段微管
有不同的列阵周期(表 1),与分生组织和胚细胞
有丝分裂过程中的微管周期有很大的不同。由于
在已观察过的材料中 ,大多数胚乳细胞化的阶段
未观察到周质微管和 PPB ,那么胚乳细胞壁产生
的位置由什么决定? 胚乳游离核分裂期是否有成
膜体形成? 若有成膜体形成 ,为何不能产生细胞
板? 对以上问题都有待于进一步研究。胚乳游离
核分裂的同步化 、合胞体中同时形成细胞壁以及
胚乳易于从胚囊中分离培养都使胚乳可以作为研
究细胞骨架在有丝分裂中和细胞壁形成中所起作
用的良好实验系统。
表 1　胚乳细胞化不同阶段的微管列阵
Table1　array of microtubules in different stag es of endosperm cellularization
细胞化的阶段
Stages of en-
dosperm cellular-
ization
核周微管
Nuclear-based
radial microtubules
周质微管
Cortical micro-
tubules
　PPB 纺锤体
Spindle
成膜体
Phragmoplast
细胞板
Cell plate
参考文献
References
阶段ⅠS tageⅠ ■ ★ ★ ■ ■ ★ 5
阶段ⅡS tageⅡ ■ ★ ★ ★ ★ ★ 5 、10 、27■ ★ ★ ★ ■ ■ 8 、 9 、25阶段ⅢS tageⅢ ■ ■ ★ ★ ■ ■ 9■ ★ ★ ■ ■ ■ 6 、 8 、10阶段ⅣS tageⅣ ■ ★ ★ ★ ■ ■ 6阶段ⅤS tageⅤ ★ ■ ■ ■ ■ ■ 8 、9■ ■ ★ ■ ■ ■ 5 、6
　　阶段Ⅰ —胚乳游离核分裂期;阶段Ⅱ —初始垂周壁形成期(由合胞体形成开放细胞);阶段Ⅲ —初始平周壁形成期(由开放细胞形成
第一层胚乳细胞);阶段Ⅳ—内层胚乳细胞的形成期;阶段Ⅴ—胚乳细胞分裂增生期。 ■—表示在此阶段观察到该结构;★—表示在此
阶段未观察到该结构。★—糊粉层细胞分裂过程中出现PPB,淀粉胚乳细胞分裂过程中未出现 PPB。
S tageⅠ — endosperm free nuclei mitosis;S tageⅡ — formation of p rimary ant iclinal w alls;StageⅢ — f ormation of primary periclinal walls;
S tageⅣ— format ion of inner endosperm cells;StageⅤ—endosperm cells mitosis;■— the st ructure i s observed in this stage;★— the st ructure is
not observed in thi s stage;★—PPB is observed in aleurone layer cells but not observed in starch endosperm cells
参　考　文　献
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