（植物学专业论文）水蕨卵发生和受精作用的研究.pdf

上海师范大学硕士学位论文 蛹要 论文题目：永蕨癸发生帮受特窿男嚣磷兖 学科专业：植物学 学位申请人：杨耐英 指导教师：曹建国副教授 王全喜教授 摘要 蕨类植物是一个j e 常特殊的类群，在整个植物界中处于演化的关键位置，其 有性生殖的研究对揭示植物生殖机制和了解植物有性生殖的演化均具有重要的 科学意义。有性生殖的关键环节是配子发生和受精作用，在蕨类植物中卵发生和 受精作用的研究相对谭弱，因此，本论文以蕨类模式植物水蕨( c p r a t o p t f 厂融 炽口姗觑绍g 。) t 兰r a n g n ) 为实验钎辫，主要运属透射电子显微缝( t e m 技术蔚 水蕨的卵发生和受精作用进行了研究，主要研究结果如下： 1 精子入卵的通道 首次发现与受精作用有关的特殊结构一受精孔，受精孔位于水蕨成熟卵细胞 的上表面中央部位，无卵膜覆盖，只有一层质膜覆盖的孔形结构，直径约2 。5g m ， 略太于水蕨精子的横向直径。实验证明，水蕨糯予是通过受精孔进入卵细胞完成 受精律雳，趣臻7 受壤作用的枫耐。 2 受精孔的形成与发育 新卵和腹沟细胞之间结合紧密，有胞间连丝连接。卵发育时，首先在卵细胞 的侧上方产生分离腔，分离腔向心扩张。同时，连接区相应减少，最后形成孔区。 此后，在卵细胞周围形成卵膜，卵膜是由内质网毪履膜内侧沉积形成。在孔区不 生成卵膜，形成受精孔， 研究表赁鳆淘缪戆参与受精孑。的形或在彝发育过程中具有强烈韵鑫噬作 用，这种作用可能使卯细胞内用于形成卵膜的物质破吸至腹沟细胞，导致内质网 等物质在孔区不能沉积，从而影响受精孔的形成和发育。 3 阻止多精受精 尽管有多个精子到达卵细胞上方，但只有个精子可通过受精孔进入卵细 胞，精子入卵时，卵强烈收缩，在受精孔下方有同心圆膜囊泡和一个含有大量不 摘要上海师范大学硕士学位论文 透明小泡的囊泡出现，封住受精孔，具有防止多精受精的作用。 4 精子细胞器的命运 受精时，精子所有的运动细胞器都进入卵细胞，包括微管带、多层结构、精 子线粒体、鞭毛、鞭毛带等。随着受精卵的发育，它们逐渐被分解，如鞭毛最先 失去外层膜，接着丢失内部结构。最后这些细胞器都被一层内质网包裹，最终在 合子细胞质内被消化。 5 核融合 当精子进入卵细胞后，精核表面的微管带即与染色质分离，染色质逐渐解浓 缩，精核在与卵核融合之前形成新的核膜。当精卵核融合时，卵核高度不规则， 产生许多突起，主动与精核接触并融合。精卵核融合标志着合子细胞的建立。 6 合子的形成与发育 刚融合时合子核高度不规则，精核染色质在合子核内呈纤维状或颗粒状。此 后，精核染色质也逐渐均质化，最终与卵细胞染色质同质。合子核逐渐变成圆形。 细胞器在合子发育过程中发生重排，细胞极性也发生相应的转变，由最初的 垂直极性转变为水平极性，这对合子的第一次分裂具有重要的意义。合子在分裂 之前重新产生细胞膜和细胞壁，从而使合子在形态和结构上成为一个具有分生功 能的细胞，为胚的发育做好准备， 蕨类植物有性生殖是十分精细而复杂的过程，本论文通过时间进程对水蕨卵 发生和受精作用进行了详细观察，解决了精子入卵的通道问题，受精孔如何形成 与发育，卵细胞如何阻止多精受精等许多当前未被解决的问题，主要在细胞学水 平上阐明了蕨类植物有性生殖的机理。 关键词：蕨类植物；水蕨；卵发生；受精作用；受精卵；合子 i i t h s e s e o p 泛：s t u d y 。瓦o v g e a e s i s 盒n 4f e r t i l i z a t i o n i at h ef 撒 c e r z 2 t o t t t e r i j t h a l i c t r o i d e s p r o f e s s i o n a ld i s c i p l i n e s ：b o t a n y d e g r e ea p p l i c a n t ：y a n gn a i y i n g su p e r v i s o r ：a s s o p r o f c a oj i a n g u o p r o f w a n gq u a n x i a b s t r ac t e t e r i d o p h f t , i s 垒s p e c i a lg r o u p , w b _ i c bl ；亡s ；ql b ek e yp v s h i o no f t h ep b y l o g e n e l i g r e v o l u t i o ni nt h ep l a n tk i n g d o m t h ei n v e s t i g a t i o no nt h ea e x u a lr e p r o d u c t i o no fc h e p t e r i d o p h y t ep o s s e s e sa ni m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ei nr e v e a l i n g t h em e c h a n i a m o fs e x u a lr e p r o d u c t i o na n di t se v o l u t i o no ft h ep l a n t t h eg a m e t o g e n e s i za n d f e r t i l i z a t i o na r ek e ys t a g e si ns e x u a lr e p r o d u c t i o n ，b u tt h es t u d e i so r lt h e g a m e t o g e n e s i sa n df e r t i l i z a t i o no ft h es e x u a lr e p r o d u c t i o na r ew e a ki nf e m g o ，w e u s et h ec e r a t o p t e r i st h a l i e t r o i d e s ( l ) b r o n g nw h i c hi st h em o d e lp l a n to ft h ef e r nt o s t u d yt h eo o g e n e s i 宝a n df e r t i l i z a t i o nm a i n l yb yl r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y 疆e 购t h em a i nr e s u t s 墨w 弱f o t t o w ： 1 t h ec h a n n e loft h es p e r m a t o z o i de n t e r i n ge g g af e r t i l i z a t i o np o r ew h i c has p e c i a ls t r u c t u r er e l a t e dt of e r t i l i z a t i o ni st ；a u n df o r t h ef i r s tt i m e i ti sap o r es t r u c t u r et h a to n l yc o v e r e db yap l a s m a l e m m ai nt h ec e n t r a l r e g i o no ft h eu p p e rs u r f a c eo ft h ee g gi nc e r a t o p t e r i st h a l i c t r o i d e s ，n oe x t r ae g g m e m b r a n ec o v e r i n g t h ed i a m e t e ro ft h ef e r t i l i z a t i o np o r ea b o u t2 5i t m ，w h i c hi s s l i g h t l yw i d e rt h a nt h el l a t n s ；v e r s ed i a m e t e ro f t h eg p e r m a t o z o i d 2 ，t h ef o r m a 6 0 na n dd e v e l o p m e n to ft h ef e r l i l i z a l i o ap o r e t h en e w - l ! h r m e de g gi 5a t 了p r e 3 s e dc l o s e i yt ot h ev e n t r a tc a n a lc e i t t h e r e 客心w 弓i d e v e l o p e dp l a s m o d e s m a t ab e t w e e nt h e m d u r i n gm a t u r a t i o n ，as e p a r a t i o nc a v i t y b e g i n st of o r ma tt h ep e r i p h e r yo f t h eu p p e rs u r f a c eo ft h ee g g t h es e p a r a t i o nc a v i t y e x p a n d sc e n t r i p e t a l l ya n dt h ec o n n e c t i o nr e g i o nc o r r e s p o n d i n g l yd e c r e a s e s i tf i n a l l y f o r m st h ep o r er e g i o n a f t e rt h a tal a y e ro fe x t r ae g gm e m b r a n ew h i c hi sg e n e r a t e db y t h ed e p o s i t i o no ft h es h e e t so fe rf o r m sa r o u n d1 h ee g g h o w e v e r , t h ee x t r ae g g m e m b r a n ed o e s n td e p o s i l ea tt h ep o r er e g i o nw h i c hg e n e r a t i n gt h ef e r t i l i z a t i o np o r e ， t h es t u d yp r o v e st h a tt h ev e n t r a lc a , a ) e g gl a k e s 刚i nt h ef o r m m i o no ft h e f e r t i l i z a t i o np o r e t h ev c c p o a a i b l yc a na b s o r bt h em a t e r i a lo ft h ee g gt h r o u g ht h e p l a s m o d e s m a t a ，w h i c hl e a d st oar e s u l ti s t h a tt h ee kc a nn o td e p o s i ti nt h ep o r e r e g i o na n d t h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ef e r t i l i z a t i o np o r ei sa f f e c t e d 3 p r e v e n tp o l y s p e r m y t h e r ea r es e v e r a lg p e r m a t o z o i d se n t e r i n gt h ec a v i t ya b o v et h ee g g ，b u to n l yo n e s p e r m a t o z o i dc a ne n t e rin t ot h ee g gt h r o u g ht h ef e r t i l i z a t i o np o r e t h ee g g 蜘i n k s o b v i o u s l ya st h e p e r m a l o g o i dp e n e t r a t i n gt h ee g g ，t h e n ，al o to fv e g i c l e so f i n a b s t r a c t上海师范大学硕士学位论文 c o n c e n t r i cm e m b r a n ea n das a cc o n t a i n i n gal a r g ea m o u n to p a q u em a t e r i a la p p e a r , b l o c kt h ef e r t i l i z a t i o np o r e ，a n dp r e v e n tp o l y s p e r m y 4 t h ef a t eo ft h es p e r mo r g a n e l l e s t h ew h o l em a l eo r g a n e l ! e si n c l u d i n gt h em t r , t h em l s ，t h em a l em i t o c h o n d r i a ， t h ef l a g e l l a ，b a n do ft h ef l a g e l l aa n ds oo ne n t e rt h ee g g ，d u r i n gt h ee g gm a t u r i n g ， t h e ya r eg r a d u a l l yd i g e s t e d f o re x a m p l e ，t h ef l a g e l l al o s et h ep e r i p h e r a lm e m b r a n e a t f i r s t t h e n ，t h e yl o s et h ei n n e rs t r u c t u r e a tl a s t ，t h es p e r mo r g a n e l l e sa r ew r a p p e db y al a y e ro fe ra n df i n a l l yd i g e s t e di nt h ez y g o t i cc y t o p l a s m 5 k a r y o g a m y w h e nt h es p e r m a t o z o i dh a se n t e r e dt h ee g g ，t h em t rs e p a r a t e sf r o mt h em a l e n u c l e u s t h em a l ec h r o m a t i ng r a d u a l l yd e c o n d e n s e s t h en u c l e a re n v e l o p er e a p p e a r s a r o u n dt h em a l ec h r o m a t i nb e f o r et h ek a r y o g a m y w h i l et h eg a m e t i cn u c l e ib e g i nt o f u s ew i t he a c ho t h e r , t h ee g gn u c l e u sf o r m sm a n yn u c l e a rf o l d sa n df u s ew i t ht h em a l e n u c l e u sa c t i v e l y k a r y o g a m ym a r k st h a tt h ef o r m a t i o no ft h ez y t o g e 6 t h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ez y g o t e a tt h eb e g i n n i n go ft h ek a r y o g a m y , t h ez y g o t i cn u c l e u si se x t r e m e l yi r r e g u l a r i t y t h em a l ec h r o m a t i ni nt h ez y g o t i cn u c l e u sc a nb ei d e n t i f i e db yi t sf i b r o u so rg r a n u l a r s t r u c t u r e f r o mt h e no n ，t h em a l ec h r o m a t i ng r a d u a l l yb e c o m e sh o m o g e n i z a t i o nw i t h t h a to ft h ee g gn u c l e u s t h ez y g o t i cn u c l e u sc o n t r a c t sa n dt r a n s f o r m st os p h e r i c a l s h a p e t h eo r g a n e l l e si nt h ez y g o t i cc y t o p l a s ma r er e a r r a n g e d t h ec e l l p o l a r i t y c o r r e s p o n d i n g l yc h a n g e sf r o mt h ev e r t i c a lp o l a r i t yt ot h eh o r i z o n t a lp o l a r i t y , w h i c hi s i m p o r t a n tt ot h ez y g o t i cd i v i s i o nf o rt h ef i r s tt i m e t h ez y g o t er e b u i l d sp l a s m a l e m m a a n dc e l lw a l lb e f o r et h ef i r s td i v i s i o n 。s ot h ez y g o t eb e c o m e sac e l lh a v i n gd i v i s i o n f u n c t i o ni nt h em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r ea n di sr e a d yf o rt h ee m b r y od e v e l o p m e n t t h ep r o c e s so ft h es e x u a lr e p r o d u c t i o ni nt h ef e mi sv e r yp r e c i s ea n d c o m p l i c a t e d t h i sp a p e rs o l v e ss o m eq u e s t i o n sw h i c h a r el i t t l eu n d e r s t o o ds u c ha st h e q u e s t i o n so ft h e c h a n n e lo ft h e s p e r m a t o z o i de n t e r i n ge g g ，t h ef o r m a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h ef e r t i l i z a t i o np o r e ，p r e v e n tp o l y s p e r m ya n ds oo n i ti l l u m i n a t e st h e m e c h a n i s mo ft h es e x u a lr e p r o d u c t i o no ft h ef e mi nt h ec y t o l o g i c a ll e v e l k e yw o r d s ：f e r n ；c e r a t o p t e r & ；o o g e n e s i s ；f e r t i l i z a t i o n ；f e r t i l i z e de g g ；z y g o t e i v 上海师范大学硕士学位论文 名、司雅写表 a b ： a m ： a r - b c ： c c ： c m ： c p ： c s ： d c ： d m ： e ： e m e m ： e r - f ： f b ： f e f p ： g ： i c ： l s ： m ： m l s ： 【n c ： m t r ： m u ： n ： 名词缩写表 附属微管带 附属线粒体 颈卵器 基部缨胞 中央细胞 环状线粒体 细胞板 染色体 嗜锇冠 退化的物质 卯细胞 胚 卵膜 内质网 鞭毛 鞭毛带 受精卵 受精孔 高尔基体 原始细胞 片层盘 线粒体 多层结构 单核颈沟细胞 微管带 粘液颗粒状物质 细胞核 ( a c c e s s o r yb a n do fm i c r o t u b u l e s ) ( a c c e s s o r ym i t o c h o n d r i a ) ( a r c h e g o n i u m ) ( b a s a lc e l l ) ( c e n t r a lc e l l ) ( c o i l e dm i t o c h o n d r i o n ) ( c e l lp l a t e ) ( c h r o m o s o m e ) ( d e n s ec r e s t ) ( d e g e n e r a t e dm a t e r i a l ) ( e g g ) ( e m b r y o ) ( e x t r ae g gm e m b r a n e ) ( e n d o p l a s m i cr e t i c u l u m ) ( f la g e l l a ) ( f l a g e ! l a rb a n d ) ( f e r t i l i z e de g g ) ( f e r t i l i z a t i o np o r e ) ( g o l g ib o d y ) ( i n i t i a lc e l l ) ( 1a m e l l a rs t r i p ) ( 玩氧c 五n d 薮矽 ( r n u l t i l a y e rs t r u c t u r e ) ( m o n o n u c l e a t e dn e c kc a n a lc e l l ) ( r n i c r o t u b u l a rr i b b o n ) ( m u c i l a g i n o u sg r a n u l a rm a t e r i a l ) ( n u c l e u s ) v 王王 名词缩写表 上海师范大学硕士学位论义 v i i i n c c ： n e ： n f ： n m ： n s ： n u s ： o m ： p ： p c ： p d ： p l ： p r ： s a c ： s p ： s e c ： t c ： v ： v c m ： v e ： v e r v o ： v c ： v c c ： w ： z - 颈沟细胞 卵核 折叠的核 核膜 精核 核仁 ( n e c kc a n a lc e l l ) ( n u c l e u so fe g g ) ( n u c l e a rf o l d ) ( n u c l e a rm e m b r a n e ) ( m a l en u c l e u s ) ( n u c l e o l u s ) 嗜锇物质( o p a q u em a t e f i a i ) 质体( p l a s t i d ) 初生细胞( p r i m a r yc e l l ) 胞间连丝( p l a s m o d e s m a ) 质膜 孔区 泡 精子 分离腔 顶端细胞 液泡 同心圆膜囊泡 小泡 内质网囊泡 不透明泡 营养细胞 腹沟细胞 细胞壁 合子 ( p l a s m a l e m m a ) ( p o r er e g i o n ) ( s a c ) ( s p e r m a t o z o i d ) ( s e p a r a t i o nc a v i t y ) ( t o pc e l l ) ( v a c u o l e ) ( v e s i c l eo fc o n c e n t r i cm e m b r a n e ) ( v e s i c l e ) ( v e s i c l eo fe n d o p l a s m i cr e t i c u l a ) ( o p a q u ev e s i c l e ) ( v e g e t a t i v ec e l l ) ( v e n t r a lc a n a lc e i l ) ( c e l lw a l l ) ( z y g o t e ) 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致i 身十的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名：书嘲襄日期：炉户杉o 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名杨镅英新躲韵协期：汩卜，矿 上海师范大学硕士学位论文第章文献综述 第一章文献综述 1 1 蕨类植物概况 蕨类植物也称羊齿植物，是植物界率的一个大群。在植物学分类中，它属于 苔藓植物和被子植物之间的一个过渡类型，是维管植物进化过程中的个关键环 节。全世界的蕨类植物约有1 2 0 0 0 种。中国蕨类植物的种类也十分丰富，约有2 6 0 0 种占世界蕨类总数的1 6 7 ，属于世界蕨类区系的一个重要组成部分。我国大 多数蕨类植物分布于热带亚热带温暖湿润地区；其中1 5 0 0 多种分布在我国云南 省。蕨类植物对人类生产及生活有重要的贡献。除古代蕨类植物形成的煤炭人类 提供大量的能源外，现存的蕨类植物在食用、药用、绿化观赏、环境指示、工业、 环境修复等方面都有一定的利用价值( 刘媛等，2 0 0 6 ；何川生，1 9 9 7 ) 。在学术 方面，由于蕨类植物所具有的独特性，使其成为植物进化和植物系统发育理论研 究重要的实验材料。如今经过上百年的研究，我们对蕨类植物的形态学、分类学、 细胞学和遗传学等都有了较为深刻的认识。蕨类植物己日益成为实验生物学家的 一种极有用的研究材料，其中水蕨属( c e r a t o p t e r i s ) 被作为与拟南芥媲美的模式 植物应用( 李景元和王太霞，t 9 9 7 ) 。 1 2 蕨类植物有性生殖生物学的研究概况 蕨类植物的生括史由两个世代交替完成，即孢子体和配子体世代。两个世代 都能独立存活，这在植物界是独一无二的。孢子体世代的植物体高大，具有根茎 叶及维管组织的分化，在生活史中占优势，它的植物体称无性世代，即从雌雄配 子结合的合子生长发育开始，至孢子体成熟后孢子囊中的孢母细胞经减数分裂产 生孢子为止。配子体世代的植物体是小型的绿色原叶体，只有几个毫米，形态结 构简单，不具组织分化或分化很少，在生活史中占劣势。它的植物体又称有性世 代，即孢子萌发至雌雄性器官分别产生雌雄配子的阶段。配子体世代是蕨类植物 生活史中有性别表象的阶段，在同一或不同的原叶体上发育出颈卵器和( 或) 精 子器进行有性繁殖( 王全喜和张小平，2 0 0 4 ) ，蕨类植物的有性生殖生物学的研 究包括配子发生、受精作用及胚胎发育等多个方面，其中配子发生包含了精子发 第一章文献综述上海师范大学硕士学位论文 生和卵发生。 由于配子体比较小型，肉眼较难观察到。但随着显微镜技术的进步，在1 9 世纪5 0 年代，德国的h o f m e i s t e r 首先观察到配子体的存在，找到了世代交替的 例证( 吴兆洪和秦仁昌，1 9 9 1 ) 。自2 0 世纪2 0 年代开始，国外的一些学者在光镜 水平上对蕨类植物配子体的形态发育做了大量工作。例如，s t o k e y ( 1 9 4 0 ，1 9 4 2 ， 1 9 5 1 ，1 9 6 0 ) 从1 9 2 4 至0 1 9 6 0 年间研究了蕨类植物多个科属的配子体的形态发育过 程；n a y a r ( 1 9 7 0 ，1 9 7 1 ) 在2 0 世纪的6 0 至7 0 年代对同型孢子真蕨类的配子体的 形态发育做了大量研究，同时也研究了同型孢子真蕨类的系统演化分类关系，为 蕨类配子体分类系统奠定了基础；y u a s a ( 1 9 3 2 ，1 9 3 3 ，1 9 3 6 ，1 9 3 7 ) 对蕨类植 物精细胞形态进行了详细观察。在这基础上，蕨类植物配子体发育和有性生殖器 官的位置及构造被分类学家作为蕨类植物分类的重要依据而应用，对各类群的系 统分类提供了有价值的参考。以上学者的工作为蕨类生殖生物学的研究积累了基 础资料，但是受光镜分辨率和研究方法的限制，对配子体及其有性生殖发育的研 究进展缓慢。直到透射电子显微镜的( t e m ) 技术的出现，才使进一步的研究得 以开展。9 2 0 世纪5 0 年代起，人们对蕨类植物的生殖生物学的超微结构进行了研 究。 1 2 1 蕨类植物精子发生的研究进展 在精子发生( s p e r m a t o g e n e s i s ) 的研究中，首先是m a n t o n ( 1 9 5 1 ，1 9 5 9 ) 利用透射电子显微镜对蕨类植物蕨( p t e r i d i u ma q u i l i u m ) 的精子进行了研究。到 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代，蕨类植物精子超微结构的研究得到了广泛开展。贡献较 大，较成体系的b e l l ，d u c k e r 和m y l e s 。d u c k e r 和b e l l ( 1 9 6 9 ) 研究了问荆 ( e q u i s e t u ma v e n s e ) 精细胞中的多层结构，认为多层结构有四层结构。b e l l ， d u c k e r 和m y l e s ( 1 9 7 1 ) 研究了蕨( p t e r i d i u ma q u i l i u m ) 精子的多层结构( l m s ) 的发生。c a v e 和b e l l ( 1 9 7 3 ) 利用化学染色和荧光显微技术研究了水蕨 ( c e r a t o p t e r sr i c h a r d i i ) 精母细胞细胞壁的化学成分。d u c k e r ( 1 9 7 3 ) 报道了木 贼( e q u i s e t u mh y e m a l e ) 的精细胞分化的超微结构。b e l l ( 1 9 7 4 a ，1 9 7 4 c ，1 9 7 8 ) 主要研究了蕨精子的超微结构，如微管在鞭毛发生时作用、多层结构的起源、微 管核膜复合体结构等。m y l e s 和b e l l ( 1 9 7 5 ) 对苹( m a r s i l e av e s t i t a ) 精子的超 微结构进行了研究。b e l l 和d u c k e r ( 1 9 7 6 ) 对精子发生做了总结，精细胞在 2 上海师范大学硕士学位论文第章文献综述 经历了生毛体的发生、多层结构发生阶段、核塑形及鞭毛形成等多个阶段后，最 终发育为一个螺旋状的精子。m y l e s 和h e p l e r ( 1 9 7 7 ) 详细报道苹( m a r s i l e a v e s t i t a ) 在精子发生时微管、核塑形及细胞形态的发生。m y l e s 和h e p l e r ( 1 9 8 2 ) 利用秋水仙素干预微管的组装来研究核塑形的问题。还有r o b b i n s 和c a r t h e r s ( 1 9 7 8 ) 研究了石松属( l y c o p o d i u m ) 精子发生的超微结构，r e n z a g l a 和d e n g a t e ( 1 9 9 8 ) 以及r e n z a g l a 等( 1 9 9 9 ) 研究了卷柏属( s e l a g i n e l l a ) 的精子发生的超 微结构。d o o n a n ，l l o y d _ ； d d u c k e r ( 1 9 8 6 ) 以羽叶里白( p l a t y z o m a m i c r o p h y l l u m ) 为材料，以免疫荧光和电镜技术为手段对生毛体的发生进行了定位研究。k o t e n k o ( 1 9 9 0 ) 提出球子蕨( o n o c l e as e n s i b i l i s ) 的精子发生与先前研究的蕨类植物有 很多不同之处。h o f f m a n 和v a u g h n ( 1 9 9 5 ) 对水蕨( c e r a t o p t e r sr i c h a r d i i ) 产 精细胞的翻译后微管蛋白的修饰问题进行了研究。 到目前为止，对于蕨类植物的精子发生过程的研究已经比较详细。 1 2 2 蕨类植物卵发生的研究进展 在植物的演化过程中，颈卵器作为高等植物的重要雌性繁殖结构出现，是高 级适应性状，而颈卵器从苔藓植物、蕨类植物、裸子植物的相继退化、简化，发 展到被子植物的消失，这都与植物演化过程密切相关。蕨类植物与苔藓植物的颈 卵器相似，颈卵器内含有颈沟细胞、腹沟细胞和卵细胞。 在蕨类植物卵的发生( o o g e n e s i s ) 研究中，b e l l ( 1 9 6 0 ，1 9 7 2 ，1 9 7 4 b ，1 9 7 6 ， 1 9 8 0 ) 主要以蕨( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 为材料研究它们的细胞核和细胞质之闯 的关系，他与m i j h l e t h a l e r ( 1 9 6 2 a ，1 9 6 2 b ) 对蕨卵发生过程的一系列细胞的超 微结构及变化进行了研究，他们发现该种蕨类植物的卵在成熟时期卵细胞周围产 生层特殊的膜，称为卵膜。c a v e 和b e l l ( 1 9 7 4 ) 对此膜的性质又做出了深入 的研究，认为此膜抗醋酸酐分解，是由脂类物质构成的。b e l l ( 1 9 6 0 ) 报道了蕨 ( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 的卵在发生过程中的核质互作问题，他利用同位素跟踪 法证明了核质在发育的某一个阶段曾充满整个细胞。b e l l 和m f i h t e t h a l e r ( i9 6 4 ) 发现蕨( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 卵内的线粒体在发育过程中曾一度退化，然后又 重新产生，他们认为这种重新产生的线粒体可能是由核外突与核脱离而形成的。 1 9 7 2 年b e l l 发现蕨( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 卵在发育过程中形成核夕卜突时卵核的 体积并不减少，核外突在其自身结构上有其自身的特点，由此他认为核外突是特 3 第一章文献综述上海师范大学硕士学位论文 别形成的，而非核的不规则延伸，核外突最终与核脱离并可能转变成线粒体等细 胞器。b e l l ( 1 9 7 4 b ) 又以欧洲鳞毛蕨( d r y o p t e r i s f i l i x m a s ) 为材料，发现该种 的卵细胞在成熟过程中细胞核向细胞质中伸出片层盘的结构，称为核片层。b e l l 认为这也是核产生的核外突，片层盘上的电子暗物质是有关膜生长的酶复合物。 c a v e 和b e l l ( 1 9 7 5 ) 利用酰基转移酶与膜生长有关的现象，证明了欧洲鳞毛蕨 的核外突不是核膜暂时的延伸，而是由核膜的局部生长而形成。b e l l ( 1 9 8 0 ) 对 栗蕨( h i s t i o p t e r i si n c i s e s ) 的核外突和核质互作进行研究，发现它的核外突极为 复杂，从而使核质交流广泛。蕨( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 和海金沙( l y g o d i u m j a p o n i c u m ) 等蕨类植物核外突中含有核体，核体从细胞核中通过核外突释放到 细胞质中，核体的产生可能也是核质交流的重要组成部分。一些原始种类的蕨的 卵的发育变化很少( b e l l ，1 9 8 6 ) ，如块茎蕨( t o d e ab a r b a r a ) 、观音坐莲( a n g i o p t e r i s e v e c t a ) 、紫萁( o s m u n d ar e g a l i s ) 和双扇蕨( d i p t e r i sc o n g u g a t a ) 等，它们卵 的发育过程中不产生核外突或极少产生核外突，卵中始终含有丰富的淀粉粒，这 些都可能是原始的特征。 1 2 3 蕨类植物受精作用的研究进展 有性生殖中的受精作用是植物亲代与子代之间的联系桥梁，受精可以激活卵 细胞，启动胚胎发生；实现由配子体向孢子体，由单倍体向二倍体的世代转换； 实现双亲遗传物质的结合。受精作用的过程通常包括精子入卵、阻止多精受精、 配子融合等过程。 m y l e s ( 1 9 7 8 ) 报道过异型孢子蕨类苹( m a r s h e av e s t i t a ) 的受精作用。但异 型孢子蕨的生殖生物学同其他同型孢子蕨类肯定有较大差异，如同型孢子蕨中的 蕨( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 的一些受精作用的过程( d u c k e t t 和b e l l ，19 7 2 ；b e l ! ， 1 9 7 5 ) ，包括受精腔的形成、核融合、精子细胞器的分解等与苹确实存在很大的 差异。但在b e l l 和d u c k e r ( 1 9 7 6 ) 随后的评论中指出受精腔可能是人为引起的。 另一种周型孢子蕨蹄盖蕨( a t h y r i u m f i l i x - f e m i n a ) 的受精作用的活体观察以及它 的超微结构被研究( f a s c i a t i 等，1 9 9 4 a ，b ) 。认为该种的卵细胞上有接受精子停 靠的一个接收位点( f a s c i a t i 等，1 9 9 4 a ) 。一个或者多个精子可以在卵细胞的上 方钻出一个孔，之后经过这个孔进入卵细胞的一个受精囊中，这个受精囊是用来 隔离精子和卵细胞的细胞质接触( f a s c i a t i 等，1 9 9 4 b ) 。但是这个接收位点的结 4 上海师范大学硕士学位论文 第一章文献综述 构不是很清楚。尽管l o p e z - s m i t h 和r e n z a g l i a ( 2 0 0 8 ) 对于水蕨( c e r a t o p t e r i s r i c h a r d i i ) 的受精作用有一些描述，但是他们没有找到成熟卵上的受精结构。总 之，在受精作用中一些重要的过程如精子如何进入卵细胞中以及卵细胞如何阻止 多精受精至今不清楚。 总的来说，国外学者近四十年来利用电镜技术对蕨类植物生殖生物学做了大 量工作。但涉及的种类不多，尤其在同型孢子真蕨类中仅1 0 余种，除了对蕨的研 究较全面外，对其余种的研究仅涉及某些方面。在精子发生、卵发生、受精作用 和胚胎发育等多个环节中，有关精子和卵发生的研究较多( 见上文) ，而对蕨类 植物有性生殖的关键环节即受精作用及其系列事件的研究很少。对受精作用的其 他细节，如受精过程、受精前后卵细胞的变化、受精作用与钙离子的关系、精核 与卵核的融合过程、精子细胞质的命运及细胞质遗传等缺少详尽的研究；对其胚 胎发育和营养获取方面的研究还没有过报道，对胚胎发育的细节，如合子的分化 是否具有极性、是否存在不均等分裂现象以及胚胎早期发育的详细过程都有待进 行详细的研究。 国内对蕨类植物配子体的研究仅有我国学者包文美老师和她的学生们。她从 2 0 世纪6 0 年代起，系统的研究了蕨类植物1 3 科4 8 种配子体的形态发育。并利用相 差显微镜技术、电子显微镜技术对成熟精子器、颈卵器及精子释放后的形态特征、 活动行为等进行了研究，为进一步研究蕨类生殖生物学打下了良好的基础。目前 国内的生殖生物学的研究主要由本研究室承担。曹建国等( 2 0 0 3 a ) 对蕨类植物 分株紫萁( o s m u n d ac i n n a m o m e av a r a s i a t i c a ) 颈卵器和精子器的形态和发育进 行了研究。曹建国等( 2 0 0 3 b ) 和包文美等( 2 0 0 3 ) 对分株紫萁( dc i n n a m o m e a v a t , a s i a t i c a ) 的精子发生和卵发生进行了超微结构研究。曹建国等( 2 0 0 5 ) 和包 文美等( 2 0 0 5 ) 对蕨类植物绵马鳞毛蕨( d r y o p t e r