全 文 ：武汉植物学研究 2000, 18( 4) : 266～270
Journal of Wuhan Botanical Research
西瓜小孢子发育过程中几种细胞器的变化

刘　林1 许秋生1 张再君1 张恒悦2 叶秀麟1 梁承邺1
( 1 中国科学院华南植物研究所　广州　510650)　( 2 山东农业大学　泰安　271018)
提　要　用透射电子显微镜观察了西瓜(Citrullus vulgar is Schrad. )小孢子发育过程中核糖
体、线粒体、质体、内质网、高尔基体等细胞器的变化。核糖体和线粒体变化都有明显的规律
性: 核糖体密度在四分体时期高, 液泡化时期降低, 液泡化结束后再回升; 线粒体经历一个脱
分化与再分化周期,液泡化时期该细胞器数量及其内嵴数目减少而脱分化, 液泡化结束后形
状多样化、内嵴重新增多而再分化; 质体结构不变, 但体积变化明显,大多数在液泡化时期缩
小数倍, 液泡化结束后又扩大数倍; 内质网在液泡化前后属于不同类型,之前为光滑型, 之后
为粗面型; 高尔基体在早期小孢子中数量多,但液泡化结束后大大减少。显然,小孢子细胞质
发生了深刻改造; 细胞质改造可能是小孢子的固有特征, 为各种活动所必须,同时为其向二胞
花粉发育奠定基础。
关键词　西瓜, 小孢子, 细胞器
中图分类号: Q944. 4　文献标识码: A　文章编号: 1000-470X ( 2000) 04-0266-05
ORGANELLAR CHANGES IN MICROSPORES OF
CITRULLUS VULGARIS SCHRAD.
Liu Lin
1
Xu Qiusheng
1
Zhang Zaijun
1
Zhang Hengyue
2
Ye Xiulin
1
Liang Chengye
1
( 1 S outh China I nstitute of B otany, T he Cinese Acad emy of S ci ences　Guangzh ou　510650)
( 2 Shand ong A g ricu ltu ral Univ ersi ty　Tai′an　271018)
Abstract　Some o rg anelles of wat ermelon micr ospor es w ere obser ved by using tr ansmission
electr on micro scope . R ibosome density w as high in t etrad micro spo res, ver y low in vacuo li-
zing ones, and high again after vacuolization came to an end. M ito chondr ia show ed a cycle of
dediffer entiation and redifferentiation. Disappearance of mitochondrial cr istae and decr ease of
such o rg anelle number during vacuo lizat ion stag e w ere implications of the dediffer ent iation,
and reappearance o f cristae and a var iety of var iat ions in shape after v acuo lizat ion indicat ed
the rediffer entiation. P la stids show ed no structura l modifications, but underw ent evident
changes in size. Most individuals reduced by several t imes w hen micro spo res w ere in va-
cuo lization pr o cess, and then enlar g ed sever al times again after t he pro cess. Endoplasmic
ret icula changed from smooth type in t etrad micro spo res to r ough type in vacuolized ones.
Dicty osomes were copious befor e v acuo lizat ion, spa rse aft er vacuolization stopped. It is
evident that cy toplasm of w atermelon micro spo res w as reo rg anized. Cytoplasmic
reo rg anization might be an inherent character istic, for it conformed t o spo re development and
w as necessa ry for fur ther development into 2-celled po llens.

收稿日: 1999-07-07,修回日: 1999-10-03。第一作者:男, 1963生,博士,从事植物生殖生物学研究。
Key words　Citrullus v ulgar is Schrad, M icr ospor e, O rganelle
小孢子时期是被子植物世代转变之后、生殖细胞产生之前的一个阶段, 其间, 小孢子
进行壁的发育和液泡化〔1～5〕。关于壁的发育以及与壁发育有关的细胞质活动已经有过很
多研究〔1～4〕,但对整个小孢子时期细胞质超微结构变化规律的认识还有限。充分了解小孢
子细胞质超微结构变化规律有必要性,因为小孢子是雄配子体发育的重要环节,其细胞质
从孢子体继承,再向生殖细胞和营养细胞分配。本文报道西瓜小孢子液泡化前后核糖体、
线粒体、质体、内质网和高尔基体等细胞器的变化特点,为研究被子植物小孢子发育过程
中细胞质的超微结构变化规律提供资料。
1　材料与方法
实验材料西瓜( Citrullus vulgar is Schrad. )植株栽培于山东农业大学校园内。用压片
方法确定花药发育的大致时期。将从四分体到二胞花粉早期的花药以4%戊二醛(磷酸缓
冲液配制, pH7. 2)在室温下固定 24 h, 之后用缓冲液洗净多余的戊二醛, 再用 1%锇酸
(重蒸水配制)于 4℃温度下固定 12 h。梯度酒精脱水, 环氧丙烷过渡, Epon-812塑料混合
物包埋。LKB-7800型超薄切片机上切片,醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色, JEM -1200EX
电镜观察并照相。
2　观察结果
2. 1　核糖体
核糖体密度在小孢子发育过程中有明显的规律性变化。小孢子液泡化开始前, 核糖体密
度高,形成多聚核糖体(图版Ⅰ: 1, 2) ;小孢子进入迅速液泡化时期, 核糖体变得稀少(图版Ⅱ:
4～6) ; 小孢子液泡化结束后,细胞质贴着壁成一薄层, 核糖体密度又升高(图版Ⅲ: 9, 10)。
2. 2　线粒体
小孢子发育过程中,线粒体在数量、形态、大小及结构方面都有显著变化。( 1)线粒体数
量在小孢子液泡化开始前(图版Ⅰ: 1, 2)和液泡化初期(图版Ⅰ: 3,Ⅱ: 4)多,液泡化结束后减少
(图版Ⅲ: 9, 10)。( 2)形状方面, 四分体时期为球形或椭球形(图版Ⅰ: 1, 2) , 液泡化时期球形
(图版Ⅱ: 4～6) , 液泡化结束后进一步多样化, 有草鞋状(图版Ⅲ: 7)、哑铃形(图版Ⅲ: 8)、球形
(图版Ⅲ: 9)、棒形(图版Ⅲ: 10)等。系列形状变化反映线粒体在四分体时期较活跃, 液泡化结
束后最活跃,而液泡化时期不活跃。( 3)体积方面, 四分体时期球形线粒体直径约280 nm ,椭
球形长轴约400 nm ,短轴 250 nm (图版Ⅰ: 1, 2) ,液泡化时期球形线粒体直径约 350 nm (图
版Ⅱ: 4～6) , 液泡化结束后球形线粒体直径增至 600～1 000 nm (图版Ⅲ: 9) , 棒形线粒体长
度达到 2 000 nm、截面直径达 800 nm (图版Ⅲ: 10)。显然, 从四分体时期到液泡化时期线粒
体体积没有明显变化,但液泡化结束后显著增大。( 4)结构方面,四分体时期有一些内嵴(图
版Ⅰ: 2) ,液泡化时期内嵴大量减少(图版Ⅱ: 5, 6) ,液泡化结束后内嵴又显著增多(图版Ⅲ: 9,
10)。二胞花粉时期, 花粉粒内线粒体数量及每一线粒体内嵴进一步增多,但体积缩小,球形
线粒体直径减小到 540 nm 左右, 棒形线粒体缩短到 1 000 nm 左右(图版Ⅲ: 11)。
2. 3　质体
质体在整个小孢子时期结构不变,含少量片层,不积累淀粉,属原质体类型。质体的体
积和形状则有明显的变化。四分体时期,质体多呈卵形, 长轴可达 1 500 nm(图版Ⅰ: 1) ;液泡
化时期,质体显著缩小,形状多样化,有球形、卵形、棒形等, 球形质体直径约为 140 nm ,棒形
267　第 4期　　　　　　　　　　　刘　林等:西瓜小孢子发育过程中几种细胞器的变化
长度约 300 nm (图版Ⅰ: 3) ; 液泡化结束后,质体进一步多样化,有些发生蜂腰状缢缩,体积迅
速增长,球形质体直径可达 1 600 nm, 棒形质体长达 3 000 nm ,增长幅度多达十倍(图版Ⅲ:
9, 10)。二胞花粉时期,质体大量增殖, 每一个质体内都出现大量淀粉粒(图版Ⅲ: 11)。
2. 4　内质网、高尔基体及其他
液泡化开始前, 内质网属光滑型,网池显著膨大(图版Ⅰ: 1, 2) ;液泡化结束后, 内质网
变成粗面型(图版Ⅲ: 9, 10)。高尔基体在液泡化开始前和液泡化初期极丰富并产生小泡
(图版Ⅰ: 1) ,液泡化结束后明显减少(图版Ⅲ: 11)。此外, 还观察到两种比较少见的现象。
( 1) 早期小孢子细胞质中有一些电子密度大的颗粒堆积, 其成分和作用尚不清楚(图版Ⅰ:
1, 2)。( 2) 液泡化时期细胞质中出现一些球状结构, 具有单层膜和较浓的基质,里面含有
一些线粒体(图版Ⅱ: 4, 6)。
3　讨论
3. 1　小孢子细胞器发生规律性变化与小孢子不同发育阶段的主要活动有关
西瓜小孢子细胞质变化涉及的细胞器多, 变化程度深,规律性明显, 可能是小孢子固
有的特点,与小孢子不同发育阶段的主要活动有关。四分体小孢子中,内质网池膨大,可能
与小孢子壁物质合成有关; 高尔基体丰富, 可能因为有大量壁物质需要转运。有证据表明
内质网和高尔基体参与小孢子壁的发育〔1, 4〕。液泡化时期,核糖体减少,线粒体退化,表明
小孢子代谢过程减弱。液泡化结束后,细胞质组分改变,各组分发育状况发生变化,表现为
内质网改变类型,线粒体内嵴增多, 质体形状多样化、体积增大, 高尔基体和核糖体变少,
这些变化反映了小孢子内新的生理生化过程开始。液泡化结束后, 小孢子将要发生极不均
等的分裂, 后代细胞向不同的方向分化〔5〕,这些过程的发生均需细胞质活动做必要准备。
经历一系列细胞器变化之后,小孢子细胞质组分获得重要调整,有利于进入二胞花粉后迅
速分化。西瓜二胞花粉中,质体大量繁殖并合成淀粉,与此同时,线粒体亦迅速增殖并具发
达的内嵴, 与淀粉合成需要大量能量相适应;质体和线粒体在小孢子末期异常增大,对进
入二胞花粉后大量繁殖有利。
3. 2　小孢子和小孢子母细胞的核糖体有相似的变化规律
西瓜小孢子的核糖体经历了一个变化周期:液泡化开始之前致密, 液泡化时期稀少,
液泡化结束后再度致密,表明遗传物质的翻译活动在液泡化之前旺盛, 液泡化时期减弱,
液泡化结束后重新加强。这一变化模式是否在被子植物中具有普遍性,需要有更多的资料
才能做结论。然而,类似的变化模式在小孢子母细胞中属于常见现象〔6～13〕, 例如, 麝香百
合〔6〕和棉花〔7〕小孢子母细胞的核糖体在减数分裂开始后下降,前期Ⅰ将要结束时下降到
最低水平,随后开始恢复,中期Ⅰ时达到原有水平。显然,密度由高到低、再由低到高是孢
子体和配子体细胞中核糖体变化的共同特点,区别在于变化周期在小孢子母细胞中较短,
而在小孢子中较长。
尽管孢子体细胞与配子体细胞中核糖体变化规律类似,但变化对细胞发育所起的作
用不同。母细胞中核糖体变化发生在减数分裂时期, 王毅、胡适宜〔7〕认为,这个时期核糖体
部分消除与世代转变有一定的直接联系。在小孢子中,核糖体部分消除,并配合以其他细
胞器减少,造成细胞质代谢不活跃,可能与大液泡形成有关。不过该推测的证据还不充分,
需要进一步证实。
核糖体与其他细胞器协同变化的特点在小孢子母细胞中已经引起了注意〔7～9〕。例如,
棉花〔7〕小孢子母细胞减数分裂前核糖体致密时,质体和线粒体表现正常的形态和结构;到
268 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 18卷　
前期 I 核糖体密度降低时,质体和线粒体呈明显衰退状态; 中期 I 随着核糖体密度再度升
高,质体和线粒体恢复正常形态结构。本实验表明, 细胞器协同变化的特点在小孢子中也
会出现。西瓜小孢子液泡化开始前核糖体丰富时,线粒体有一些内嵴,质体体积大,内质网
明显;液泡化时期核糖体密度低时, 线粒体内嵴很少, 质体缩小, 内质网不明显; 液泡化结
束后核糖体密度再升高时, 线粒体内嵴大量增多,质体体积增大,内质网明显。在协同变化
中,核糖体的变化占主导地位〔7〕。协同性变化是一个重要的自然现象,其意义不清楚。
3. 3　线粒体脱分化与再分化循环在小孢子母细胞和雄配子体细胞中均可发生
被子植物小孢子母细胞减数分裂过程中,线粒体发生脱分化与再分化循环属于常见
现象〔9, 13〕。Tradescanitia paludosa〔10〕和 Hyacinthoides non-scr ip ta〔12〕小孢子母细胞的线粒
体在减数分裂开始之前有一些内嵴, 减数分裂开始后内嵴几乎完全消失,减数分裂结束前
重新形成;扁豆〔13〕小孢子母细胞进入减数分裂后,线粒体内嵴消失,至末期 II 内嵴又重新
发育出来;棉花〔7〕小孢子母细胞线粒体在减数分裂时期也经历了脱分化与再分化循环。由
于减数分裂持续的时间不长,所以小孢子母细胞中线粒体脱分化与再分化周期也短。
被子植物配子体世代线粒体发生脱分化与再分化循环的情况在扁豆〔13〕中有过报道,
脱分化开始于小孢子晚期, 表现为该细胞器退化消失; 再分化发生在二胞晚期, 表现为数
量增多,形状多样化以及内嵴形成。分化周期较长,跨越两个细胞分裂周期,包括几乎整个
二胞花粉时期和单核花粉的后期阶段。
与扁豆中的情况相比,西瓜雄配子体发育过程中线粒体脱分化与再分化过程更加明
显。脱分化发生在液泡化时期, 表现为线粒体大量减少和每一线粒体内嵴几乎完全消失;
再分化发生于液泡化结束后,表现为每一线粒体发育出大量内嵴, 体积增大。脱分化与再
分化周期较短,仅占一个细胞分裂周期的一部分。
母细胞中线粒体的周期性变化是胞质改组的内容之一,胞质改组对消除部分孢子体
信息物质有贡献〔6～13〕。二胞时期线粒体发生脱分化与再分化,被认为有助于进一步消除
孢子体的信息物质〔14〕。小孢子中线粒体发生脱分化与再分化可能有多方面的意义。西瓜
小孢子中,线粒体发生脱分化可能与小孢子对能量的需求减少有关,因为细胞对能量的需
求会影响线粒体的发育〔15〕;线粒体经历再分化之后,获得了比原来增大数倍的体积和更
多的内嵴,个体的功能得到加强,为进入二胞花粉后迅速增殖奠定了基础。
参 考 文 献
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图 版 说 明
D.高尔基体; ER.内质网; M .线粒体; P.质体
图 版 Ⅰ
1.四分体小孢子的一部分,示核糖体、线粒体、高尔基体、内质网和质体,注意高电子密度颗粒的堆积(箭号) ,标尺
= 0. 5
m; 2.四分体小孢子的一部分, 高电子密度颗粒堆积(箭号) ,内质网池膨大,表面几乎没有核糖体,线粒体有一
些内嵴,标尺= 0. 5
m ; 3.液泡化时期小孢子,示线粒体、高尔基体和质体,标尺= 3
m
图 版 Ⅱ
4.液泡化时期小孢子,示大量线粒体和一些球状结构(箭号) ,标尺= 2
m; 5. 液泡化时期小孢子,示线粒体结构退
化,内嵴消失,标尺= 1
m; 6.图 4标有* 小泡的放大,小泡内的线粒体在退化,注意小泡的膜(箭号) ,标尺= 0. 4
m
图 版 Ⅲ
7～10液泡化结束后的小孢子: 7.示草鞋状线粒体,标尺= 0. 5
m; 8.示哑铃形线粒体(箭号) ,标尺= 0. 2
m; 9.
示核糖体、质体、线粒体、内质网和高尔基体,注意有些质体产生蜂腰状缢缩(箭号) , 标尺= 1
m; 10. 示核糖体、质体
和线粒体,标尺= 2
m。11.早期二细胞花粉一部分,示有发达内嵴的线粒体,含大量淀粉粒的质体,以及一些高尔基
体和内质网,标尺= 1
m
Explanation of plates
D. dictyosome; ER. endoplasmic reticulum; M . mitochondrion ; P. plas t id
Plate Ⅰ
1. Portion of tetr ad microspore sh owin g rib osomes, mitoch on dria, dictyosomes, en doplasmic ret icula, and plast ids.
Note the aggregate of granular sub stan ce ( arrow ) . S cale b ar = 0. 5
m. 2. Port ion of tet rad m icrospore. Granules
ag gregat ing ( ar row ) , endoplasmic ret icula show ing w idened cis ternae, w hose surfaces w ere studded with ver y few
ribosom es , mitochondria having some cris tae. Scale bar = 0. 5
m . 3. A vacuolizin g microspore showing mitochondr ia,
dictyosom es , and plast ids . Scale b ar= 3
m
Plate Ⅱ
4. A vacu olizing microspore show ing abundan t mitochondr ia and some large spherical b od ies (arrow ) . Scale b ar= 2

m. 5. Par t of microspore at the same s tage as Fig. 4, show ing dis ap pearan ce of mi tochondrial cristae. Scale b ar = 1

m. 6. Amp lif ication of the spherical body mar ked w ith * in Fig. 4, s how ing its memb ran e ( ar row ) and mitochondr ia
in and out of this st ru cture. S cale bar= 0. 4
m
Plate Ⅲ
7～ 10. Vacuol ized m icrosp or e: 7. Sh owing sh oe-sh aped mitoch ondria, S cale bar = 0. 5
m ; 8 Show ing dum bbel l-
sh aped mitochond ria( arrow ) , S cale bar= 0. 2
m; 9. Show ing ribos omes , mitoch on dria, plast ids, endoplasmic ret icula,
an d dictyos om es . Pay at tent ion to cons t rict ions girdl ing s om e plas t ids ( arrow ) . Scale bar = 1
m; 10. Show ing
ribosom es , mitoch ondria, and plas tids , S cale bar= 2
m . 11. Portion of young 2-cel led pollen, show ing dictyosomes,
en doplasmic ret icula, mitoch ondria w ith developed cris tae, and plast ids containing man y starch grains. Scale bar = 1
m
270 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 18卷