全 文 ：园 艺 学 报 2012，39（12）：2468–2474 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期：2012–08–08；修回日期：2012–10–23
基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2011CL002）；临沂大学科研计划项目（HX09104）
* E-mail：liulinlyu163@163.com
西瓜小孢子有丝分裂前后质体和线粒体的变化
刘 林*
（临沂大学生命科学学院，山东临沂 276000）
摘 要：为揭示西瓜小孢子有丝分裂前后质体和线粒体的变化以及它们向生殖细胞和营养细胞分配
的特点，用透射电子显微技术对西瓜不同发育阶段小孢子及早期二细胞花粉的质体和线粒体进行比较研
究。结果表明，小孢子的质体结构简单，不积累淀粉等贮藏物质，为原质体；二细胞花粉的质体不含内
部膜系统，但积累大量淀粉，表明小孢子有丝分裂引起原质体向造粉体分化。二细胞花粉的质体都在营
养细胞中，生殖细胞不含质体，显然，小孢子分裂过程中质体只分配给营养细胞而不分配给生殖细胞，
这一不均等分配方式决定质体呈单亲母系遗传，据此，将西瓜的质体遗传细胞学机制归类为番茄型。小
孢子的线粒体内嵴较少，营养细胞和生殖细胞的线粒体内嵴较多，显示小孢子分裂后线粒体结构复杂化。
关键词：西瓜；小孢子；二细胞花粉；质体；线粒体
中图分类号：S 651 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2012）12-2468-07

Changes of Plastid and Mitochondria Before and After Microspore Division
in Watermelon
LIU Lin*
（College of Life Sciences，Linyi University，Linyi，Shandong 276000，China）
Abstract：To understand morphological changes of plastids and mitochondria before and after
microspore division as well as the distribution of these organelles to vegetative and generative cells during
microspore division，microspores at different developmental stages and newly born 2-celled pollen grains
were investigated by means of transmission electron microscopy. Plastids in microspores at all
developmental stages do not have internal membranous structures，and do not accumulate starch or any
other forms of storage reserves，indicating an undifferentiated status. In contrast，plastids in the newly born
2-celled pollen grain accumulate a huge amount of starch，indicating that the microspore division
stimulates differentiation of proplastids into amyloplasts. In the newly born 2-celled pollen grain，the
generative cell does not contain plastids，while the newly born vegetative cell contains a large number of
plastids，indicating a complete exclusion of plastids from the generative cell during microspore mitotic
division，i.e.，watermelon possesses the mode of purely maternal plastid inheritance. Based on cytological
observations，watermelon should be added to the list of Lycopersicon type. Mitochondria in microspores
reveal few cristae，whereas cristae dramatically increase in number in 2-celled pollen grains.
Key words：watermelon；microspore；2-celled pollen grain；plastid；mitochondrion

12 期 刘 林：西瓜小孢子有丝分裂前后质体和线粒体的变化 2469

被子植物雄配子体发育过程包括小孢子发生和雄配子体形成，小孢子发生是二倍体小孢子母细
胞减数分裂产生单倍体小孢子的过程，雄配子体形成涉及两次有丝分裂，第一次是小孢子有丝分裂
产生一个生殖细胞和一个营养细胞的过程，第二次是生殖细胞有丝分裂产生两个精细胞的过程。第
一次有丝分裂过程中质体和线粒体向生殖细胞和营养细胞的分配特点具有重要生物学意义，因为质
体和线粒体是否分配给生殖细胞将影响它们的遗传方式（Hagemann & Schröder，1989；管亦农 等，
1991；Sodmergen et al.，1995；Nagata et al.，2000；Saito et al.，2000；Wang et al.，2010；Matsushima
et al.，2011）。质体和线粒体在被子植物中的遗传方式有单亲遗传和双亲遗传，如果质体或线粒体不
分配给生殖细胞，必然导致单亲遗传；如果分配给生殖细胞，但随后解体，也引起单亲遗传；如果
分配给生殖细胞并最终进入卵细胞，则引起双亲遗传（Dumolin et al.，1995；Hu，1997；Zhang et al.，
2003）。
西瓜果实富含维生素和类胡萝卜素（程志强 等，2008；万学闪 等，2010，2011），是重要的瓜
类作物。西瓜花粉发育过程中细胞器经历丰富变化（刘林 等，2000a，2000b；刘林和李淑兰，2003），
成熟花粉含大量贮藏物质（刘林和白华举，2003；刘林 等，2007），但关于线粒体和质体在小孢子
有丝分裂前后的变化，尤其它们向生殖细胞和营养细胞分配的特点，都还少有报道。因此，本研究
中采用透射电子显微技术，对西瓜各发育阶段小孢子和早期二细胞花粉的质体和线粒体进行了研究，
以期揭示小孢子的质体和线粒体向生殖细胞和营养细胞分配的特点。
1 材料与方法
试验材料‘金钟冠龙’西瓜（Citrullus lanatus‘Jinzhong Guanlong’）种植于临沂大学实习基地。
当植株进入盛花期，取不同发育阶段的雄花蕾进行研究。从花蕾中取出花药，切成小块（< 1 mm3），
用 2%戊二醛（磷酸缓冲液配制，pH 6.8）于室温下固定 2 ~ 6 h，用 1%四氧化锇溶液（磷酸缓冲液
配制，pH 6.8）于室温下固定 2 ~ 4 h。用浓度梯度为 10%的上行系列酒精脱水，Epon-812 树脂包埋，
做厚度 1 μm 半薄切片和 70 nm 超薄切片，半薄切片用甲苯胺蓝染色，光镜下观察和照相，超薄切
片用醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色，电镜下观察和照相。
2 结果与分析
2.1 雄配子体发育过程
为方便后文描述超微结构，先简要介绍西瓜雄配子体发育基本过程。西瓜花药内分化出造孢细
胞，造孢细胞衍生出小孢子母细胞，小孢子母细胞经减数分裂产生单倍体的小孢子。小孢子母细胞
减数分裂伴随着胼胝质壁发育（图 1，A），减数分裂过程所发生的胞质分裂为同时型，产生的 4 个
小孢子最初包藏于共同的胼胝质壁中，形成四分体（图 1，B）。四分体经历一段时间后，胼胝质壁
解体，小孢子从四分体游离到药室中；此时，小孢子已经具有完整的壁。早期小孢子具有较浓的细
胞质和较大的细胞核，细胞核位于小孢子中央，含有明显的核仁（图 1，C）。之后，小孢子发生液
泡化，形成一个大液泡，大液泡占据小孢子绝大部分内部空间，同时，细胞核转移到靠近小孢子壁
的位置，细胞质贴着壁呈一薄层（图 1，D）。小孢子细胞核在贴着壁的位置发生有丝分裂，其胞质
分裂不均等，结果产生一个很小的生殖细胞和一个很大的营养细胞。新形成的生殖细胞贴着花粉壁，
呈凸透镜形（图 1，E）。随后，生殖细胞脱离花粉壁，进入营养细胞内部，花粉成熟时不分裂产生
精细胞，但经历一系列形态学变化。
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图 1 小孢子母细胞、小孢子和早期二细胞花粉
A：花药的一部分，小孢子母细胞已发育出胼胝质壁；B：两个小孢子四分体；C：刚游离的小孢子，细胞核位于中央；
D：液泡化的小孢子，核贴着小孢子壁；E：新形成的二细胞花粉，生殖细胞贴着花粉壁。CL：胼胝质；
GC：生殖细胞：MMC：小孢子母细胞；MS：小孢子；Nu：细胞核；PW：花粉壁；
Ta：绒毡层；V：液泡；VN：营养核。
Fig. 1 Microspore mother cells，microspores，and newly born 2-celled pollen grain
A：Portion of an anther containing 4 microspore mother cells that are enclosed within a callose wall；B：2 microspore tetrads can be seen
in a portion of an anther locule；C：An newly freed microspore contains a nucleus in its central region；D：A vacuolated microspore
has a nucleus located against the wall of the microspore；E：A newly born 2-celled pollen grain. The lens-shaped generative
cell is located against the pollen wall. CL：Callose；GC：Generative cell；MMC：Microspore mother cell；
MS：Microspore；Nu：Nucleus；PW：Pollen wall；Ta：Tapetum；
V：Vacuole；VN：Vegetative nucleus.

2.2 小孢子分裂前后质体变化
四分体小孢子的质体不分化，为原质体，卵形，1 µm × 1.7 µm，多数不含内部膜系统，或只含
少量很简单的内部膜结构，不积累淀粉等贮藏物质（图 2，A、B）。在高度液泡化的小孢子中，质
体形状多样化，较明显的有球形和棒状，不含内部膜系统，或只含少量简单的内部膜结构，不积累
贮藏物质，显示原质体的形态学特征（图 2，F）。对 100 多粒早期二细胞花粉进行了观察，结果表
明营养细胞含质体，生殖细胞不含质体，显然，小孢子的质体在有丝分裂过程中完全分配给营养细
胞，结果导致生殖细胞从一开始就缺少质体（图 3）。在刚产生的营养细胞内，质体数量急剧增多，
形态多样化，不含内部膜系统，但积累大量淀粉粒（图 2，H），表明原质体进入营养细胞后迅速分
化成了造粉体。小孢子质体与二胞花粉质体的差别显著，显示小孢子有丝分裂前后质体的功能发生
了显著变化。
12 期 刘 林：西瓜小孢子有丝分裂前后质体和线粒体的变化 2471


图 2 小孢子和早期二细胞花粉中的质体和线粒体
A：四分体小孢子一部分；B：四分体小孢子中的质体；C：四分体小孢子中的线粒体；D：刚游离的小孢子一部分；E：刚游离小孢子中的
线粒体；F：液泡化小孢子中的质体和线粒体；G：液泡化小孢子中的线粒体；H：二细胞花粉的营养细胞的一部分，
示线粒体和含淀粉粒的质体。M：线粒体：N：细胞核；P：质体；PW：花粉壁；S：淀粉粒。
Fig. 2 Plastids and mitochondria in microspores and early 2-celled pollen grains
A：Portion of a tetrad microspore；B：Plastids in a tetrad microspore；C：Mitochondria in a tetrad microspore；D：Portion of a newly freed microspore；
E：Mitochondria in a newly freed microspore；F：Plastids and mitochondria in a fully vacuolated microspore；G：Mitochondria in a
fully vacuolated microspore；H：Showing mitochondria and starch grain-containing plastids in the vegetative cell of a
newly formed 2-celled pollen grain. M：Mitochondrion；N：Nucleus；
P：Plastid；PW：Pollen wall；S：Starch grain.
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图 3 早期二细胞花粉中的质体和线粒体
A：生殖细胞贴着花粉壁，含线粒体而不含质体；B：生殖细胞贴着花粉壁，含线粒体而不含质体，营养细胞中有含淀粉的质体。
GC：生殖细胞；GN：生殖细胞核；M：线粒体；P：质体；PW：花粉壁；S：淀粉粒；VC：营养细胞。
Fig. 3 Plastids and mitochondria in newly formed 2-celled pollen grains
A：A generative cell attached to pollen wall contains mitochondria but lacks plastids；B：A generative cell attached to
pollen wall contains mitochondria but lacks plastids. GC：Generative cell；GN：Generative nucleus；
M：Mitochondria；P：Plastid；PW：Pollen wall；S：Starch grain；VC：Vegetative cell.

2.3 小孢子分裂前后线粒体变化
四分体小孢子的线粒体为球形或椭球形，内嵴不明显（图 2，C）。小孢子刚从四分体游离时，
线粒体全部变成球形，没有内嵴（图 2，E）。小孢子液泡化之后，线粒体形态变化较大，部分线粒
体延长而呈棒状，但内嵴仍然很少（图 2，F、G）。小孢子有丝分裂后，线粒体发生明显变化。首
先，二细胞花粉的线粒体起初基本恢复为球形，内嵴依然较少（图 3，A），但不久之后形态多样化，
内嵴大量增多（图 2，H；图 3，B）。其次，二细胞花粉的线粒体比小孢子的线粒体数量多，显示线
12 期 刘 林：西瓜小孢子有丝分裂前后质体和线粒体的变化 2473

粒体在小孢子分裂后大量增殖。营养细胞含线粒体（图 2，H），生殖细胞也含有线粒体（图 3），表
明线粒体在小孢子有丝分裂过程中分配给两个子细胞。
3 讨论
西瓜小孢子的质体不分化，保持为原质体，但小孢子分裂后，原质体分化为造粉体，积累大量
淀粉，因此认为，小孢子有丝分裂刺激原质体向造粉体分化。造粉体合成和积累大量淀粉，成为早
期二细胞花粉的主要贮藏物质；随着二细胞花粉发育，大部分淀粉将转化成脂类物质，脂类物质成
为后期二细胞花粉的主要贮藏物质（刘林和白华举，2003；刘林 等，2000a，2000b，2007）。小孢
子有丝分裂引起造粉体分化，这具有多重意义，首先，造粉体生产的贮藏物质为花粉萌发和花粉管
生长提供能量，为花粉管壁发育提供原材料；其次，花粉中的大量贮藏物质也为传粉媒虫提供食物
资源，昆虫采粉的过程帮助授粉，最终对维持生态平衡产生积极贡献。
西瓜小孢子的线粒体具较少内嵴，而营养细胞和生殖细胞的线粒体内嵴数量明显增多，表明小
孢子向二细胞花粉的转化引起线粒体结构复杂化。线粒体大量增殖，内嵴数量增多，反映了二细胞
花粉的能量代谢水平比小孢子时期大大提高。线粒体数量增多和结构复杂化与二细胞花粉的发育特
点相适应：二细胞花粉内，质体分化为造粉体，造粉体合成大量淀粉，而淀粉合成是消耗 ATP 的过
程，线粒体通过数量增加和内嵴增多提高 ATP 生产水平，以满足淀粉合成对能量的需求。也许正是
这个原因，许多类型细胞中淀粉合成通常都伴随大量线粒体的出现（Wildman et al.，1974；Polowick
& Sawhney，1993）。
西瓜小孢子有丝分裂过程中，质体全部分配给营养细胞，而生殖细胞不含质体。小孢子的质体
向营养细胞和生殖细胞分配的不均等特点决定质体呈单亲母系遗传，即后代的质体全部源自卵细胞。
被子植物质体遗传有两种方式，双亲遗传和单亲遗传，而单亲遗传主要为单亲母系遗传（Dumolin et
al.，1995；Hu，1997；Zhang et al.，2003；Wang et al.，2010；Matsushima et al.，2011）。具有质体
单亲母系遗传方式的植物占大多数，约占研究过种类的 80%，只有约 20%的植物表现质体双亲遗传
（Zhang et al.，2003）。Hagemann 和 Schröder（1989）将质体单亲母系遗传和双亲遗传的细胞学机
制归纳为 4 种情况：（1）小孢子有丝分裂过程中，质体全部分配给营养细胞，使生殖细胞从一开始
就缺少质体，结果导致受精卵只含卵细胞的质体，引起单亲母系遗传，具这种特点的植物归为番茄
型，该类型占已研究植物的半数以上；（2）小孢子的质体分配给生殖细胞，但后来又从生殖细胞或
精细胞内消失，结果后代只含卵细胞的质体，引起单亲母系遗传，具这种特点的植物归为茄型；（3）
小孢子的质体传递给生殖细胞，并从生殖细胞传递给精细胞，但在受精过程中质体不进入卵细胞，
结果后代只含卵细胞的质体，产生单亲母系遗传，具这种特点的植物归为小麦型；（4）受精过程中
精细胞的质体进入卵细胞，结果受精卵含有双亲的质体，产生双亲遗传，具这种特点的植物归为天
竺葵型。西瓜小孢子的质体在雄配子体第一次有丝分裂时只分配给营养细胞，结果生殖细胞从一开
始就缺少质体，因此，西瓜的质体遗传归类为番茄型。

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