全 文 ：非洲狼尾草未受精无孢子生殖胚囊退化研究
?
刘 林1 ,2 , 叶秀麟2
(1 临沂师范学院 , 山东 临沂 276005; 2 中国科学院华南植物园 , 广东 广州 510650)
摘要 : 为理解植物无孢子生殖胚囊未受精条件下的退化 , 对无孢子生殖植物非洲狼尾草未受精成熟胚囊中
央细胞退化做了细胞形态学研究。没有受精的中央细胞退化时最显著的特点是细胞核产生核膜囊泡。核膜
囊泡有两种类型 : 单层膜的囊泡和双层膜的囊泡 , 单层膜囊泡在细胞质中 , 双层膜囊泡在细胞核内。核膜
囊泡有两种发生方式 : 1) 核膜的外膜向细胞质一侧膨胀产生囊泡 , 囊泡进入细胞质 ; 2) 核膜向核内凹陷
形成囊泡 , 囊泡进入细胞核。核膜囊泡类型与产生方式密切关联。核膜囊泡吞噬并消化包括线粒体在内的
细胞质和核质。
关键词 : 胚囊退化 ; 核膜囊泡 ; 非洲狼尾草 ; 未受精无孢子生殖胚囊
中图分类号 : Q 944 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700 (2007) 04 - 418 - 05
Study on Degeneration of Unfertilized Aposporous Embryo
Sac in Pennisetum squamulatum (Gramineae)
LIU Lin1 , 2 , YE Xiu-Lin2
(1 Linyi Normal University, Linyi 276005 , China; 2 South China Botanical Garden,
Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650 , China)
Abstract: Tounderstandthe degenerationof unfertilized aposporousembryo sac in an aposporous species Pennisetumsqua-
mulatum, thecentral cell in the unfertilizedembryo sac was characterized ultrastructurally . Themost prominent sign of de-
generation is that the central cell nucleus produced nuclear vacuoles . These nuclear vacuoles can be classified into single-
and double- layered types . Single- layered nuclear vacuoles are found in thecytoplasm, while the double-layered are inside
the nucleus . Therearetwo ways to produce nuclear vacuoles . Oneis that theouter membrane of the nuclear envelope dis-
tends towards thecytoplasmtoformnuclear vacuoles; and theother is the double-layered nuclear envelope derivesvacuoles
by depressing inwards . Nuclear envelope types are in relation to the ways they are produced . All nuclear vacuoles absorb
cytoplasmor nuclear matrix, and trap organelles such as mitochondria .
Key words: Embryo sac degeneration; Nuclear vacuole; Pennisetumsquamulatum; Unfertilized aposporous embryo sac
我们对未受精无孢子生殖胚囊中央细胞退化
的认识以前人对细胞核形态学的研究为基础。动
物或植物 , 正常发育或退化的细胞中 , 都可能在
一定发育阶段出现细胞核产生膜囊泡的活动。动
物细胞减数分裂过程中出现核膜囊泡 , 这一活动
与染色体联会相偶联 (Meek and Moses, 1961;
Danilova and Vereiskaya, 1970; Danilova, 1973a;
Rasmussen, 1976 )。植物细胞减数分裂时期或配
子体发育过程中有时出现核膜囊泡 (Godward and
Peristianis, 1976; Aldrich and Vasil , 1970; Sheffield
等 , 1979)。细胞程序性死亡过程中常出现核膜
囊泡 , 如导管分子成熟是程序性死亡过程 ( 王雅
清等 , 1998) , 胚珠内胚囊周围的珠心细胞随着
胚囊发育发生程序性死亡 ( 刘林等 , 2001 ) , 这
些程序性死亡过程中的细胞 , 其细胞核产生核膜
囊泡的活动非常明显。
云 南 植 物 研 究 2007 , 29 (4) : 418～422
Acta Botanica Yunnanica

? ?收稿日期 : 2006 - 10 - 09 , 2007 - 04 - 06 接受发表
作者简介 : 刘林 ( 1963 - ) 男 , 博士 , 主要从事植物细胞生物学和胚胎学研究。E-mail: linsks@ yahoo. com
无孢子生殖植物胚的发育需要假受精作用 :
卵细胞不受精而独立发育成胚 , 但胚的发育以胚
乳发育为先决条件 , 而胚乳是中央细胞受精后的
产物 ; 没有受精作用 , 中央细胞退化 (Nogler,
1984; Nogler, 1975 , 1982)。
非洲狼尾草进行无孢子生殖 , 成熟无孢子生殖
胚囊含一个卵、一个助细胞和一个双极核中央细
胞; 胚发育不需要受精 , 但需要胚乳 , 而胚乳发育
需要受精 (温沁山等 , 1998)。人工控制不让授粉 ,
胚囊退化 , 不能结实。中央细胞退化因没有受精 ,
卵细胞退化因没有胚乳提供营养。由此产生的中央
细胞退化是程序性死亡 , 本文报导非洲狼尾草中央
细胞程序性死亡过程中细胞核产生囊泡的活动。
1 材料与方法
非洲狼尾草 ( Pennisetum squamulatum Fresen) 试材系
从美国农业部农业服务中心海岸平原实验站 (USDA =
ARS, Coastal Plain Station, Tifton, GA31793 , USA) 引种 ,
种植于华南植物园试验田。
标记一组小花 , 于开花前 3 d去雄 , 去雄后套袋 , 避免
小花授粉。从花前 1 d到花后 1 d, 取小花 , 分离出子房。
将子房顶部切去 , 然后置入 2% 戊二醛溶液 (0 . 1 mol?L
磷酸缓冲液配制 , pH6 .8) 于室温下初固定 12 h。然后用
1 %锇酸 (0 . 1 mol?L 磷酸缓冲液配制 , pH6 .8 ) 在 4℃温
度下再固定 12 h。梯度酒精脱水 , Epon-812 包埋。先做 2
图 1 非洲狼尾草无孢子生殖胚囊
A . 花前 1 d, 示成熟胚囊含卵 (E)、助细胞 (Sn) 和极核 (N) ; B . 开花当天 , 示合点端成熟胚囊含卵 (E )、两个极核 (N) ; C～E . 开花当天,
示珠孔端胚囊胚囊成员次生核 ( N)、卵 (E) 或助细胞 ( Sn) ; F . 花后 1 d, 示珠孔端胚囊中卵 (E ) 和助细胞 (Sn) , 中央细胞核已经退化。
Fig . 1 Aposporous embryo sacs in Pennesetum squamulatum at anthesis
A . 1 day before anthesis, showinga mature embryo sac consisting of an egg ( E ) , a synergid (Sn) and polar nuclei ( N) ; B . At anthesis, showing egg cell
( E ) and polar nuclei ( N) in an embryo sac at chalazal end; C-E . At anthesis, showing egg ( E ) , synergid ( Sn) , or secondary nucleus ( N) in embryo sac
near micropylar end; F . 1 day after anthesis, showing egg ( E) , synergid ( Sn) and disappearanceof polar nucleus in the embryo sac near miropylar end .
9144 期 刘 林等 : 非洲狼尾草未受精无孢子生殖胚囊退化研究
～3μm半薄切片 , 甲苯胺蓝染色 , 光镜下观察照相。对
开花当天的材料 , 做 80 nm超薄切片 , 醋酸双氧铀和柠
檬酸铅双染 , JEM-1010 透射电子显微镜下观察并照相。
2 实验结果
非洲狼尾草具多个无孢子生殖原始细胞 , 发
育多个无孢子生殖胚囊 , 通常情况下 , 总是最接
近珠孔端的一个发育占优势。光镜观察 , 花前 1
d, 最靠近珠孔端的胚囊成熟 , 含一个卵细胞、
一个助细胞和两个极核 (图 1: A )。开花当天 ,
除个别不靠近珠孔端的胚囊也发育成熟 , 含两个
极核 ( 图 1: B) , 最靠近珠孔端胚囊的两个极核
已经融合成次生核 ( 图 1: C～E)。花后 1 d, 中
央细胞次生核退化 , 有些胚囊中次生核完全解体
(图 1: F)。
电镜观察 , 开花当天未受精成熟胚囊中卵细
胞高度液泡化 , 细胞质主要分布在细胞核周围 ,
细胞核具平滑核膜 , 核质均匀 , 核质内有染色质
分布 ; 细胞质含大量质体、线粒体、内质网等细
胞器 , 表明卵是代谢活跃的细胞 (图 2)。显然 ,
开花当天非洲狼尾草无孢子生殖胚囊即使不受
精 , 卵细胞也没有退化迹象。
开花当天未受精无孢子生殖胚囊中 , 中央细
胞有丰富的质体、线粒体、高尔基体等细胞器
(图 3: A～D) , 表明细胞质代谢旺盛 ; 但是细胞
核开始出现不正常形态变化 , 核膜产生核囊泡。
核膜囊泡具双层膜或单层膜。核内膜和外膜分
开 , 外膜向细胞质膨胀 , 产生具单层膜的囊泡
(图 3: A～C) , 这种囊泡与细胞质中的小泡类似
(图 3: C) , 显示细胞质中小泡由核膜活动产生 ;
完整的核膜向核内凹陷而产生具双层膜的囊泡
(图 3: B～E)。值得注意的是 , 双层膜的核膜囊
泡只向核内侧产生 , 单层膜的囊泡只向细胞质一
侧发生。核膜囊泡产生时吞噬细胞质 , 包括线粒
体等细胞器 (图 3: C～E) ; 进入核内的囊泡继
续吞噬核基质。细胞质基质、线粒体、核基质等
在核囊泡内逐渐消化。
3 讨论
植物无孢子生殖方式的显著特点之一是 : 卵
细胞不受精直接发育成胚 , 中央细胞受精后才能
发育成胚乳 ; 没有受精作用 , 中央细胞退化 , 进
而卵细胞退化 , 最终不能结实 (Nogler, 1984;
图 2 非洲狼尾草开花当天未受精成熟无孢子生殖胚囊中的卵细胞
N: 示卵细胞核 ; M: 周围细胞质中的线粒体 ; P: 质体 ; ER: 内质网
Fig . 2 Egg cell of unfertilized aposporous embryo sac in Pennisetum squamulatum at anthesis
N: nucleus; M : mitochondria; P: plastids; ER : endoplasmic reticula .
024 云 南 植 物 研 究 29 卷
图 3 非洲狼尾草开花当天未受精无孢子生殖胚囊中央细胞产生核膜囊泡
A . 核外膜 ( NEo) 与内膜 ( NVi) 分开形成囊泡 (NV ) ; B . 核外膜 (NEo) 产生囊泡 ( NV ) , 完整核膜内陷并吞噬线粒体 ( 箭号 ) , 核
(N ) 附近有线粒体 (M ) 、质体 ( P) 等细胞器 ; C . 图 3A 数字 1 所示位置 , 核外膜产生的囊泡 ( NV ) 和细胞质中的囊泡 ( V ) 类似。
核 ( N) 内的囊泡 ( NV ) 有线粒体 (M ) , 核周围有质体 ( P )。D . 图 3C 一个核内部囊泡 ( NV ) 放大 , 示双层膜和所含线粒体 (M ) 。
E . 图 3A 数字 2 所示位置 , 示发育中的囊泡 ( NV ) 和所吞噬线粒体 (M )。注意核 ( N) 和核膜 ( NE )
Fig . 3 Nuclear vacuoles production from central cell of unfertilized aposporous embryo sac in Pennisetum squamulatum at anthesis
A . Outer and inner membranes ( NEo, NVi) separate, producing nuclear vacuoles ( NV ) ; B . Showing nuclear vacuoles ( NV ) . A nuclear vacuole forma-
tion just begins (arrow) ; C . Highlighting similarity between vesicles ( V ) in cytoplasm and outer membrane-derived nuclear vacuole ( NV ) in area marked
as 1 in A . Mitochondria ( M) are in nuclear vacuoles; D . Highlighting a two membrane-bounded nuclear vacuole ( NV ) shown in C; E . Highlighting de-
velopment of a twomembrane-bounded nuclear vacuole ( NV ) marked with 2 in A . Notenucleus ( N) , nuclear evelope ( NE ) , out membrane ( NEo) , mi-
tochondria ( M ) , and plastids ( P ) .
Nogler, 1975 , 1982 )。在通过人工控制而不受精
的条件下 , 非洲狼尾草无孢子生殖胚囊的中央细
胞退化时 , 卵细胞依然正常 , 表明受精对中央细
胞向胚乳发育的重要性。中央细胞退化后 , 卵细
胞还能生存一段时间 , 但最终还要退化。中央细
胞的退化是程序性死亡过程。
中央细胞退化时 , 细胞核产生大量核膜囊泡。
按照囊泡的膜结构 , 可将囊泡分成两种类型: 一
1244 期 刘 林等 : 非洲狼尾草未受精无孢子生殖胚囊退化研究
种具有单层膜 , 另一种具双层膜。核膜囊泡产生
有两种方式: 一种方式是核膜的外膜向外膨胀 ,
进而形成囊泡并脱离细胞核进入细胞质 ; 另一种
方式是核膜向内凹陷形成囊泡 , 囊泡最终脱离核
膜游离于细胞核内。核膜囊泡的类型与产生方式
有密切联系 , 向外膨胀产生的囊泡具单层膜 , 向
核内凹陷产的囊泡具双层膜。同时具有两种产生
核膜囊泡的方式 , 产生两种类型的核膜囊泡 , 是
非洲狼尾草无孢子生殖胚囊中央细胞所具有的特
点。正常发育的细胞 , 核膜的内膜向核内产生单
层膜的囊泡 (Sheffield 等 , 1979 ) , 或者核膜的外
膜向核外产生单层膜的囊泡 (Aldrich and Vasil ,
1970; Godward and Peristianis, 1976 )。程序性死亡
中的细胞 , 通常是核膜的外膜向外膨胀产生单层
膜的囊泡 (王雅清等 , 1998; 刘林等 , 2001)。
正常减数分裂细胞产生核膜囊泡与染色体联
会后再分布有关 (Meek andMoses, 1961; Danilova
and Vereiskaya, 1970; Danilova, 1973 a, b ; Rasmus-
sen, 1976; Sheffield 等 , 1979 ) , 细胞核没有因为
产生囊泡的活动而解体。非洲狼尾草程序性死亡
的中央细胞产生核膜囊泡与细胞质和核解体有密
切联系。核膜囊泡都吞噬细胞质 , 包括线粒体这
样的细胞器 , 进入囊泡中的细胞质和细胞器被降
解 , 结果细胞结构破坏 , 功能丧失 , 因而核膜囊
泡产生促进中央细胞迅速解体。珠心细胞和导管
分子的核膜囊泡都不吞噬线粒体这样的大型细胞
器 , 而中央细胞的核膜囊泡吞噬线粒体这种大的
细胞器 , 可能与细胞死亡速度有关。珠心细胞解
体的产物被发育中的胚囊或胚与胚乳所利用 , 导
管分子细胞质解体的产物可作为次生壁生长的原
料 , 显然这些细胞程序性死亡与其它生物学过程
有密切的偶联 , 缓慢进行则与其它发育过程相适
应 ; 而非洲狼尾无孢子生殖胚囊中央细胞解体没
有与之相偶联的发育过程 , 对其它生物学过程没
有贡献 , 也许这与选择快速解体有关 ?
〔参 考 文 献〕
Aldr ?ich HC , Vasil IK , 1970 . Ultrastructure of the postmeiotic nuclear
envelope in microspores of Podocarpus macrophyllus [ J ] . J Ul-
trastruct Res, 32 : 307—315
Dani ?lova LV , 1973a . Electron microscopic study of meiosis in diploid
male silkworms [ J ] . Ontogenez, 4 : 40—48
Dani ?lova LV , 1973b . An electron microscope study of meiosis in oligopy-
rene spermatocytes of the silkworm [ J ] . Ontogenez, 4 : 281—287
Dani ?lova LV , Vereiskaya VN , 1970 . Lamellar bodies in spermatogenesis
in the silkworm Bombyx mori [ J ] . Ontogenez, 1 : 360—367
Godw ?ard MBE, Peristianis GC, 1976 . An electron microscope autoradio-
graphic investigation of the uptake of [ 3 H ] thymidine into the
pachytenenucleus [ A ] . In Current Chromosome Research, Jones
K , BrandhamPE , eds ( North Holland: Elsevier) , 327—338
Liu ?L (刘林 ) , Ye XL (叶秀麟 ) , Liang CY ( 梁承邺 ) , 2001 . Ul-
trastructural observation on programmed cell death of nucellus in Pen-
nisetumsquamulatum [ J ] . J Trop Subtrop Bot ( 热带亚热带植物
学报 ) , 9 (2 ) : 136—141
Meek ?GA , Moses MJ , 1961 . Microtubulation of the inner membrane of
thenuclear envelope [ J ] . J Biophys BiochemCytol , 10 : 121—131
Nogl ?er GA , 1975 . Genetics of apospory in Ramunculus auriconus . IV .
Embryology of F3 and F4 backcross offspring [ J ] . Phytomorphology,
25 : 485—490
Nogl ?er GA , 1982 . How to obtain diploid apomictic Ramunculus aurico-
mus plants not found in the wild state [ J ] . Bot Helv, 92 : 13—22
Nogl ?er GA , 1984 . Gametophytic apomixis [ A ] . In Embryology of Angio-
sperms, J ohri BM, ed (Berlin: Springer-Verlag) , 475—518
Rasm ?ussen SW, 1976 . Themeiotic prophase in Bombyx mori femalesan-
alysed by three-dimensional reconstructions of synaptonemal complex-
es [ J ] . Chromosoma, 54 : 245—293
Shef ?field E , Cawood AH , Bell PR et al . 1979 . Thedevelopment of nu-
clear vacuoles duringmeiosis in plants [ J ] . Planta, 146: 597—601
WangYQ ( 王雅 清 ) , Cui KM ( 催 克 明 ) , 1998 . Programmed cell
death during thevessel element differentiation of the secondary xy-
lem in Eucommia ulmoides shoots [ J ] . Acta Bot Sin ( 植 物学
报 ) , 40 ( 12) : 1102—1107
Wen ?XS (温沁山 ) , Ye XL ( 叶 秀 麟 ) , Li YQ ( 黎垣 庆 ) et al .
1998 . Embryological studies on apomixis in Pennisetum squamula-
tum [ J ] . Acta Bot Sin ( 植物学报 ) , 40 (7 ) : 598—604
224 云 南 植 物 研 究 29 卷