全 文 ：弓 蚪
广 西 植 物 C-uihaia 12(4)：349~354．Nov． 1992
植物受精工程
莫永胜
(武汉太辜蛋石i ~430072)
董筮t 任琼
(南京转业大学林学系，南京21003~)
’
多
摘要 植物受精工程是正在发展之中的高技术领域 近年来，雌雄配子的人工分离取得 了较
＼ 大进展．两者的体外模拟受精在玉 史县首次盛 ～李文对谈领域的理论体系形成和实验系统创
建作了评谜 对甘前存在的i可题静争后的发展趋势进行了讨论。 ．
关键调—堕 (精卵细胞)． ：融合和培养；，三型青堡 垒目乡 ．
’『
植物有性生殖过程是植物个体发育中最复杂，最曲折的阶段，也是最重要的环节。围绕
有性生殖过程的研究，在植物科学研究中历来占居十分重要的地位，并已在理论上尤其在农
业实践中显示出重要的意义和巨大的价值。应用现代生物科学的新理论和技术，迄今对其核
心环节一一受精——柞 了大量的工作，获得了许多新的认识 ” ””】。随着生物科学 多 学
科的渗透和汇台。该领域目前的主要研究工作正朝控制和利用受精过程从而改 良植物的实验
操作方向纵深发展 。在此基础上。较成熟的植物耋田胞工程技术的}f进，必将导致植 物 受
精工程应用技术领域的形成。
一
， 从性别认识到受精控制
我们对植物有性生殖的认识和利用，可追溯到三千年以前，那时的阿拉伯人和亚术人就
已认识到海枣植株有雌雄之分并进行了人工授粉。但对植物是否存在性别直到十七，十八世
纪才有科学认识。农业生产实践需要植物学家不断揭示植物有性 生 殖 的 奥 秘。 从Amioi
(1824)观察到花粉管， 揭示了花粉在植物受精过程中的作 用， 到Nawa~chin(1898)发
现被子植物的双受精现象，是植物受精生物学理论研究的奠基阶段。在逭之后的近 一 百年
中，随着植物胚胎学整体研究体系从传统的形态描述 过 渡 到 比较胚胎学研究并继而发展到
生理生化承平和离体实验研究的宏观发展趋势，关于植物受精过程的研究亦相应地发生了变
化，主要形成了两大研究方向，一是研究受精的内在机翩，迄今已在超微结构和分子水平上
积累了相当丰富的新资料，二是控翩和和用植物受精过程．后者在农业生产上具有更直接的
应 用价值。
早期对植物受精过程的利用就是授粉受精以保证丰收，但在育种实践中常遇蓟自交或杂
交不亲舍性造虚不孕的问题。六十年代后，经过不断积累经验，逐渐摸索出较多克服不亲台性
豹有效方法。其中，至今得到广泛研究和实践应用的是子房内授粉、雌蕊离体授粉和胚珠离
承杨弘远教授．周蝣麓授培予关心．奠北京太学胡适宜教授-西安擅物品叶算蔗副研究员惠 部分文献盎辩-一井谨
致谢忱．
维普资讯 http://www.cqvip.com
广 西 植 物 I2卷
体受精技术 ·。 一“ 。子房内授粉就是将花粉引入子房而进行正常的受精作用，雌蕊离
体投粉就是将雌蕊进行离体培养，在试管内对其柱头进行人工授粉而 得到能育种子的果实}
面胚珠离体受精则是将未受精的胚珠进行离体培养，在试管内对胚珠进行授粉而结出正常种
量。一般将胚珠离体受精称为植物 “试管受精 ，但广义的植物 “试管受精”还包括雌蕊离
体授粉，有时甚至将子房内授粉也包括在内 ]。可以说，到七十年代初期，对 植 物受精作
用的控制和利用从应用角度来分析仍维持在组织、器官水平上的 试管受精 。
二、受精工程理论体系的形成
有必要对前述的几种试管受精技术进行分析。同田间人工授耪相比，子房内授粉技术保
证 了花粉粒萌发和花粉管生长不需要通过柱头和花柱组织而得以直接伸入胚珠完 成 受 精 作
用，避免了花粉和柱头、花粉管和花柱组织问的不亲台性 。该技术存在的一个主要问题就是
整个过程仍在母体植株上进行，这对于某些容
易落花落果的植物来说，难以避免在杂交试验
中子房的早脱 问题 }雌蕊离体授粉技 术 从
授粉到最终果 实成熟都是在试管内进行的，因
此 ，避免了子房脱落问题 ，但因为其受精过程仍
需通过柱头和花柱组织，所以又出现了花粉一
柱头 、花粉管一花柱组织间的l雨索合性问题’
而胚珠离体受精技术则是兼顾了前述两种技术
的特点，既克服了子房早脱现象又解决 了花粉
一 柱头和花粉管一花柱组织间的不 亲 台 性 问
题。尽管如此，该技术中精卵受精作用仍然在
胚珠内完成，精卵之间可能的受精不亲台性仍
未解决，人工直接控制其受精过程仍十分困难。
侍A 的 田闻 人工授 格
J
●
干房 内授格
J
●
广 — — —]
雌嚣 离体表格 胚球 离体授格
‘
雌牵 酷子 离体．I妻拟受精
I
●
‘代冉辩子 离体．I妻拙 受精
图 1 植物受精工程的形成过程
1974年，著名植物学家 Linskens指出， “对受精作用控嗣的研究将导致受精工程的．发
展 [2”。这是对建立能控制和利用植物受精作用的理论体系富有启发性 的最初思想。19178：
年，叶树茂等在一篇 关 于试 管孽精的评述中提出了从胚囊和花粉管中取出卵细胞和精子在
人工条 件下 直 接 受精或人工选用 “往用配子 *与正常配子进行受精的观点，作者还进一
步设想对配子的一方或双方预先进行遗传组成控制再离体受精 1985年，胡适宜等 在 用
酶法分离烟草生活胚囊组成细胞原生质体的基础上，明确提出了开拓 “植物受精工程 研究
的设想 lE】。到今天，植物受精工程的理论体系已初具规模，研究设想趋于成熟。 图 1为 植
物受精工程的形成过程。植物受精工程指在细胞 和分子水平上应用现代生物科学
．
的 理 论 和
方法在离体条件下控制雌雄配子融合从而达到改 良植物的高技术领域，其研究内容不仅仅指
精 卵 ．细 胞 的人工模拟受精，还包括精卵细胞同其它细胞原生质体的融合以及相关的遗传操
作。
‘ 叶t用配子一指同配子融合的其它细胞或骧生质体，如花粉原生质体 生殖细胞、骑细拖 甲央细朐及多种来源的
细胞巨生质体等。
维普资讯 http://www.cqvip.com
莫永胜等：植物受精工程 351
三，实验系统的创建及成就
这里着重就迄今在原生质体水平上植物受精工程实验系统的创建所取得的成 就 进 行 综
述。原生质体水平上的植物受精工程可分为三个环节；一是雄配子分离，二是雌配子分离，
三是雌雄配子的融合一 一离体模拟受精。早在受精工程设想萌芽之际，就有这方面的实验尝
试。近年来在三个环节上均有很大的进展。
1．雄冠子分离 雄配子(即
精子 )在体内包藏于花粉或花粉
管中。Cass(1973)首先尝试 了
大麦精子的 人 工 分 离 r¨ 】。之
后，该领域工作几乎趋于停顿。
Russoll和 Cass(1981)在 白花
丹中继续了这方面的探索 、”】。
最近几年，精子的分离有了突破
性进展。迄今已从 9科15种植物
中分离出大量精子 (表 1)。并
且，建立了有效的分离方法，如
研磨法、渗透压冲击法和活体一
离体技术 0一“ 在多种植物中
还解决了精子分离后的生活力问
题 ]。分离的紫菜苔精子 能 低
温存活近一周 ]。
2．雌配子分离 在 体 内，
J隹配子 (卵细胞 )位于被包藏于
胚珠 的最内层的胚囊内。因此，
分离卵细胞的一条思路是从分离
胚囊着手。早在1 948年 Braaley
就首先采用压片法分离烟草和矮
牵 牛的胚囊。七十年代后，国内
外学者先后建立了解剖法，酶解
法和显徽操作术，从几十种植物
表 1 精子大量分离成功的物种名录
材 料 参 考 文 献
蓝 雪 科
白花丹 (P mbago zeytanlca) (38)
禾 本 科
小 麦 (Triflcum aesfioum) (28)
大 麦 (Hordeum oulgare) (18)
玉 米 (Zea raay$) (13 J14 15，28，29，36，46)
黑 麦 (Secate cereate) (d6)
十字花科
白菜型油菜 (Brazsica campesfris)
甘蓝型油菜 (Brasslca napus)
甘 蓝 (Brassica oteraeea)
藜 科
菠 菜 (Spinacla oleracea)
甜 菜 (Beta vulgaris)
玄 参 科
蓝猪耳 (Torenla fournier1)
菊 科
非州菊 (Gerbera ，a mesonil)
驾 尾 科
唐 昌蒲 (Gladiolus gandavenMs)
杜鹃花科
杜鹃花 (月 o^dod曲 伽 )
百 台 科
赢香百合 (Litium tong盯lorum)
[9，13，16，21)
[29， 6)
(z8，3B)
[36，43)
[31)
[20)
中分离出胚囊。在此基础上，1985年胡适宜等从茄科的烟草 [|]、Allingto从几种禾本科植
物c”一中首次分离出卵细胞。至今还从茄科的颠茄 ”、畜参科的蓝猪耳 、禾本科 的玉
米 ““ 和蓝雪科的白花丹 ” ]等植物中分离出卵细胞。分离卵细胞的方法一 般 是 酶 解
法。
8．雌雄配子融合—一离体曩报受精 精子和卵细胞人工分离的成功为离体模拟受 精奠
定了基础。1988年，Keijzer等在蓝猪耳中首先试探了将分离的精子显微注射到胚囊进 行 人
工受精 ]。最近，德国马克斯普朗克育种研究所的 Krauz等在用单个玉米花粉粒进行显镦
维普资讯 http://www.cqvip.com
广 西 植 物 l2卷
操作和离体受精【“ 的基础上，应用电融台方法使分离的玉米精子和卵细胞融台，创建了高
等植物第一铡 人工台子”，然后，应用精密的单细胞培养技术使融合体分裂形成多细胞结
构，并以胞质体作为 “代用配子 ， 进行了精子和胞质体融合的模拟受精尝试 [z 。 这
些突破性工作为实现前述的受精工程的设想迈进了一大步。
四、展 望
尽管被子植物雌雄配子的人工分离已取得了很大进展，但倘若要应用于受精工程及相关
的遗传操作研究，在分离率和生活力两方面仍存在 不少 问题。因此，改善精卵细胞的分离、
纯化和保存技术已显得十分重要，而且，生活卵细胞的分离仅在少数植物中取得成功，尚需
扩大研究对象进行试探。雌雄配子或代用配子的体外融台和培养是一项正在探索之中的新技
术，迄今无成熟经验可循。Kranz等人的人工模拟受精工作是具两方面成功基础的：一是玉
米精卵细胞的人工分离技术已相当成熟，二是采用 了体细胞原生质体实验系统中的微滴融合
和培养技术。从第一方面分析，迄今在白花丹和蓝猪耳等植物中精卵细胞 的人工分离技术也
已建立，可望进行其离体模拟受精研究，从第二方面分析，该技术具有微量 (单细胞 )，选
择和确定性等优点，值得推广。当然，如何应用常规细胞融合与培养技术在更多的供试植物
中进行模拟受精更值得探索。可以期望不久实现 “人工合子”培养后再生植株。
从广义的受精工程角度来设想进一步研究的课题有。精卵细胞 (或预先经遗传转化 )同
体细胞原生质体或胞质体的杂交，这方面的研究可借鉴新近烟草属种间和矮牵牛属种间和种
内四分体原生质体和体细胞原生质体融台再生可育三倍体杂种植株 ， “ 一‘ 的 成功先
倒l精卵细胞一方或双方先经遗传转化再进行融台}精卵细胞 同生殖系统的其它单倍体原生
质体的融合，如精子同花粉原生质体或生殖细胞的融合I将遗传转化过的精子显微注射进 同
种或不同种植物的花粉管甚至直接注射进胚囊内进行人工受精}进行精卵识别机制的离体研
究。这方面近年来在免疫学、生物化学和分子生物学水平上已有若干很有意义的 开 创 性 工
作。今后也许可望进行精卵自然融合识别蛋白基因的遗传工程研究}此外，尚可进行花粉原
生质体授粉和受精的工作，为外源 DNA的导入开辟新途径。
精卵细胞的离体受精成功将为人类从根本上突破体内受精过程中精卵细胞 间的可能不亲
台性 以及远缘杂交中不亲台性的束缚和阻碍铺平道路，开创野生种有用基因导入栽培种研究
的新局面。当前 日趋成熟的细胞工程和遗传工程技术的不断渗透，势必将促进受精工程研究
向更高的水平发展。如果说关于植物离体受精的研究，在六、七十年代达蓟器官 和 组 织 水
平，到八十年代和九十年代初闯入细胞和原生质体水平，那么，今后将从原生质体水平迈向
分子水平。毋容置疑，植物受精工程技术的发展将为改 良和培育农林作物新品种开辟一条新
的尝试途径。
维普资讯 http://www.cqvip.com
4期 曼永眭等：植物受精工程 353
参 考 文 颤
(1)叶树茂等，1978：辩学通报，23(9)：574— 576。
(2)叶树茂，1988：《经济作物组织培养》(罗士韦和许智宏主编 )．科学出版社，61—72。
(3)李乐工 ，胡适宜，1986：实验生物学报。19(2)：255—259．
(4)杨弘远 ，周 嫦 ，1989：植 物学通报 ，6(4)：193—196．
(5)岳绍先 ，刘伯林，1988：植物学通报 5(1)：“一17。
(6)周 嫦，杨 弘远，1989：植物学报．31(11)：726—734。
(7)胡适宜．1982：被子植物胚胎学 ，高等教育出版社。
(8)胡适宜等，1985：植 物学报，27(4)：337—3l4。
(9)莫永胜 ，杨 弘递．1991：植物学报，33(9)：64》一657．
(1O)Allingto P．M．， 1985：Experimental manipulation of ovule tissues(Chapman G
P．et a1．eds．)，Longman，Essex，39-51．
(11)Bhojwani S．T．．1984：CeU culture and somatic cell genetics of plants． Vol 1
(Vasil I．K．ed．)，Academic Press Inc．，269- 278．
(12)Cas D．D．．1973：CaⅡ．J．Bot．，51；601-695．
(13)Cast D．D．et a1．，1986：Plant Physio1．，80(4，supp1．)：130．
(14)cass D．D．，Fabi G．C．，1988：Can．J．Bot．，66：819—825
(坫 )Dupuis I．et a1．，1987：Phnt Physio1．．85(4)：B76—879．
(16)Hough T．et a1．．1986：J．Immuno1．Meth．，92：1O3—108．
(17】Huang B．Q．，Puttell S．D．，1989：Plant Phytio1． 90：9-12．
(18)Jensen C J．et a1．．1986：Genetic ma nipulation in plant breeding (Horn W ． et
al_eds．)．de Gruyter，473-475．
C 19)Johri B．M．，1984：Embryology of angiosperms，Springer．
C 20)Keijzer C．J．et a1．，1988：Sexual reproduction in higher plants(Cretti M．et a1．
eds．)，Springer，Berlin．245— 250．
C 21)Knox R．B．et a1．，1988：Eul【aryotic cell pecognition (Chapman G．P．et a1．eds．)．
Cam bridge Univ．Press，l75一l93．
C 22)Kranz E．，Lerz H．，1990：Sex．Plant Reprod．，3：160-169．
C 23)Kranz E．et a1．．1990：Progres in plant cellular and molecular biology 啦 一
mp H．J．J．et a1．edt．)，Kluwer Academic Publishers 252—257．
C 24)Kranz E．et a1．，1991：Sex．Plant Reprod．，4：12— 16．
(25)Lee C。H．．Power J，B．，1986：Plant cel1．tissue and organ Culture．12：197—2∞．
C 26)Lee C．H ，Power J．B．，1988：Plant Cel1．Beports，7：l7～ 18．
C 27)Linskens H．F．，1974：Fertilization in higher plants．Horth-Horthand Pub1．
Com p．
C28)Matthys-Rochon E，et a1．．1987：Plant Phytio1．，83：464-466。
C 29)Matthys-Rochon E．et a1．，1988：the same one at(80)．
C 30)Mol R．．1989：Plant Cel1 Reports，3；202-206．
C 31)Nielsen J-E．．Olesen P．，1988：Plant Sperm Cells at Tools for Bioteehnologv
(Wilms H．J_，Keijzer C．J．eds．)．Pudoc，Wageningen，l1l一122
．
(32)Petnal D．et al，，1988：Theor．appl1． genet．，76：237—243
．
维普资讯 http://www.cqvip.com
85t 广 西 植 物 12卷
C 83)Peutal ．et a1．，1989：Theor．app1． genet．，78：547—552．
(34)PiFT；e A--Power J．B．，1986：Theor．app1．genet．。72：48—52．
(35)Pafhaven V．，1986：Embryogenesis in angiosperms：A developmental and exp—
erjmental stulty．Cambridge Univ．press．
(38)Roeckel P．et a1．，1988：the#ame one as C 31]
．
(37)Russell S．D．，Cass D．D．，1981： Protoplasms．107：85一 l07．
(38)Russell S．D．，1986：Plant Physio1．，81：3I7—3I9．
(39)ShiVRnm K．R．et a1．，1988t Pinnt Physio1．，87：6盯一B50．
(40)Southw~rth D．，1988：Pollination’88(W illiams E．G．eta1．eds．)，Univ．of Melbo-
Uroe，1 7 一 177．
(41)Southwcr~h D．，Knox R．B．，1988：the same one as (31)．
C 42)Southw~rth D．，Knox R．B．，1989：Plant Science，6O：273-277．
(43)Tbeunjs C．H．et a1．，1988：the Same one as (20]
．
(44)Wagner V．T．et a1．，1988：the same one as [20]．
(45)W agner V．T．et a1．．1989：Plant Science，59：I27—132．
(46)~ang H．Y．，Zhou C．，1989：Chinese J．Bot．．1：8O一84
．
PLANT FERTILIZAT10N ENGINEERING
M o Y ongsheng
(Department of Biology，W uhan University，W nhan 48007~)
H uang M inren and Li Shiqiong
(Department of Forestry，Nanjing Forestry University，Nanjing 210087)
Abstract Plant fertilization engineering，one of the most exciting areas of p1ant
science today．is the important part of modern plant reproductive biology and plant
cell eng~neering． This review deals With the overall tentative ideas and the advan ，
ces made up—to— date，such as，the isolation of viable sperm cells and protoplasts
of embryo sac elements as wel1 a8 the true testtube fertilization of iso lated sperm
celIs fusion with egg and central celIs，in this HI—TECH fieId． Some problems n d
fntare perapectives related to the new area also discussed．
Key words Male and female gametes (Sperm and egg cells)； Isolation； Fusion‘
and cnItare； Fertilization engineering
维普资讯 http://www.cqvip.com