http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/zwxtb/zwxt99/zwxt9904/990403.htm 　正常可育的花粉是被子植物通过双受精过程进行有性生殖产生後代的必要条件之一。基 於此，花粉形成和发育成为生殖生物学家的研究热点，并被人们从形态、生理生化方面广 泛研究。花粉的形成经历如下几个过程：(1)通过几次有丝分裂形成二倍体造孢组织；(2) 通过两次减数分裂形成单倍体小孢子；(3)小孢子通过两次有丝分裂形成含精细胞的雄配 子体。尤为特别的是小孢子在有丝分裂过程中出现与一般有丝分裂不同的两个极为显着的 特徵：(1)缺少早前期带微管(PPB)；(2)小孢子第一次有丝分裂不对称，造成生殖细胞和 营养细胞的显着差异。已有实验证明上述一系列活动均由骨架因素控制。本文对小孢子母 细胞发育成花粉过程中(本文对二细胞和三细胞花粉均以形成生殖细胞和营养细胞的二细 胞阶段作为花粉发育的最终阶段)细胞骨架动态变化及生物学意义的研究进展进行介绍。 1　花粉形成过程中微管骨架的变化 　　应用免疫萤光定位技术结合超微结构研究对湖北百合(Sheldon和Dickinson,1986)、 紫露草(Schopfer和Hepler,1991)、茄(Traas等，1989)、茄和虎眼万年青(Hogan,1987)、 加州杓兰(Brown和Lemmon,1996)及其他植物(Brown和Lemmon,1988;1989;1991a;1992c)的 小孢子母细胞减数分裂和蝴蝶兰(Brown和Lemmon,1991c;1991d;1992b)、大叶杓兰(Brown 和Lemmon,1994)、欧洲油菜(Hause等，1992)、Dactylorchis fuschii (Burgess,1970)以 及沙鱼掌(Van等，1985；Van,1985)等小孢子有丝分裂过程中微管分布的变化进行过细致 的描述。最近利用共焦激光扫瞄电镜(CLSM)揭示出紫露草小孢子不对称纺锤体和半球状成 膜体的三维结构及微管的动态变化(Terasaka和Niitsu,1995)。 　　 小孢子母细胞减数分裂前期Ⅰ，微管呈网状随机分布於细胞质中，并在近核区域密 集(图1，a)。而在湖北百合早前期，微管在核表面的两个微管组织中心(MTOC)间扩展(图1 ，a1)，在晚前期分散开，并与核膜接触呈辐射状分布於细胞质中(图1，a2)，後来随机分 布。中期Ⅰ，微管构成两极汇聚的纺锤体(图1，b)，纺锤体区域无细胞器(Brown和 Lemmon,1989;Sheldon和Dickinson,1986)。後期Ⅰ，微管在极区松散而集中於赤道区，直 到末期Ⅰ形成成膜体(图1，c)，伴随着成膜体的离心扩展，细胞壁形成。二分体中的微管 从核向胞质辐射(图1,d)。减数分裂Ⅱ的微管分布变化类似於减数分裂Ⅰ的，胞质分裂中 出现成膜体及细胞壁沉积。小孢子四分体中微管的分布类似二分体的。此种类型多见於单 子叶植物连续型胞质分裂的种如玉米(Staiger和Cande,1991)、虎眼万年青(Hogan,1987) 及某些双子叶植物同时型胞质分裂的种如玉兰(Brown和Lemmon,1992c)。 大部分同时型胞质分裂的种如加州杓兰(Brown和Lemmon,1996)、忍冬和苏丹凤仙(Brown和 Lemmon,1988)的小孢子母细胞减数分裂Ⅱ的微管动态与上述类型有所不同。减数分裂Ⅰ完 成後，没有成膜体及细胞壁的沉积，但赤道区存在一个明显的胞器带。减数分裂前期Ⅱ， 微管仍从二分体的二个核向外辐射。中期Ⅱ，纺锤体同时形成於胞器带的两侧，纺锤体的 极汇聚，其轴均平行於胞器带(图2，a)，或一个平行，一个垂直(Brown和Lemmon,1988)。 後期Ⅱ，着丝点微管缩短，纺锤体伸长并在赤道区弯曲远离胞器带。晚後期/末期，着丝 点微管构成星状结构，极微管包围姊妹染色体群，立体观可见弯曲的纺锤体中长短不等的 微管汇聚成圆锥体(图2，b)。末期Ⅱ，微管於姊妹染色体群间聚集构成羽干，从羽干上发 出的微管构成扫帚状的结构，非姊妹染色体间微管相互接触(图2,c)。末期完成时，极聚 集体消失，姊妹间微管相互接触(图2，d)。此时四核孢子间微管相互接触，构成四个小孢 子的胞质域(domain)(图2,e)。细胞壁同时离心沉积於相互接触的微管间(图2，f)。在某 些同时型胞质分裂的种中，二次减数分裂均形成成膜体，减数分裂Ⅰ有短暂的壁或无，四 核孢子中非姊妹间的次生成膜体晚於姊妹间的，以细胞板形成(Brown和 Lemmon,1991a;1991b)或沟化过程(Brown和Lemmon,1992a;1992c)完成胞质分裂。还有一些 同时型胞质分裂的种，减数分裂Ⅰ形成成膜体，减数分裂Ⅱ无成膜体，以沟化方式分隔四 分孢子(Brown和Lemmon,1988;1989;Hogan,1987;Van等，1985)。 胞质分裂完成後，包在一起的四个小孢子中微管单个存在，从核向胞质辐射，并连接质膜 (Dickinson和Sheldon,1984;Van等，1985；Van,1985)。自由小孢子核位於细胞中央，微 管围绕核膜分布。当小孢子通过液泡化增大体积，小孢子核移向小孢子壁时，单一微管呈 随机网状，与前者相比致密程度极大减少，电镜观察可见微管连接核与质膜 (Burgess,1970;Hause等，1992；Sheldon和Dickinson,1986;Van等，1985)。 　　进入分裂期的小孢子，除不形成PPB外，其微管分布特徵同体细胞的基本一致。分裂 前期的微管在核区构成致密网络。中期的微管构成不对称纺锤体，着丝点微管连接染色体 和极区，有些进入赤道板连接两极。纺锤体的生殖极宽并靠近质膜，营养极汇聚於细胞中 央(Brown和Lemmon,1991c;1991d;1992a;1992b;1994;Burgess,1970;Hause等，1992； Terasaka和Niitsu,1990;Van等，1985)。中期向末期转变中，着丝点微管缩短，并在胞质 分裂开始时消失；极到极的微管仍存在，直到末期围绕生殖核的半球状成膜体出现。此时 生殖细胞的微管与生殖核膜连接并与细胞板的小泡靠近；营养细胞的微管终止於内质网。 当细胞壁在成膜体中央形成并离心扩展时，微管存在於成膜体靠近花粉壁处。生殖细胞从 营养细胞中分离但仍贴壁时，两细胞的微管均靠近共同壁，但生殖细胞的微管与共同壁平 行，营养细胞的微管呈随机网络。 　　需特别指出的是在蝴蝶兰属小孢子有丝分裂早前期(Brown和Lemmon,1991c;1992b)， 细胞的极性化以微管骨架的重组为标志，在小孢子远端表面，极的结构由大量刷状微管构 成，它们排列松散，具多个中心，该结构称作GPMS系统(system of microtubules at the generative pole)。小孢子核移向花粉壁时，生殖极靠近GPMS处。晚前期的小孢子强 烈极性化，大量内质网在远侧胞质中呈区域性扩增，其他细胞器被排除，生殖极明亮区域 被GPMS微管占据。 2　花粉形成过程中肌动蛋白纤丝骨架的变化 　　利用萤光探针方法已对沙鱼掌(Van等，1989)、二乔木兰(Dinis和Mesquita,1993)、 百合(Sheldon和Hawes,1988)、茄(Traas等，1989)及玉米(Staiger和Cande,1991)等的小 孢子母细胞减数分裂和欧洲油菜(Hause等，1992)、蝴蝶兰(Brown和Lemmon,1991d;1992b) 等的小孢子有丝分裂过程中肌动蛋白的动态变化进行了详细的观察。微丝的分布格局与微 管的相似，尤其与纺锤体及成膜体中的微管相伴存在。 　　小孢子母细胞减数分裂前期Ⅰ，微丝随机分布，近核区致密。中期Ⅰ，纺锤体中出现 微丝，胞质微丝仍存在。後期Ⅰ，纺锤体中染色体到极的微丝缩短，极到极的微丝无变化 。末期Ⅰ，胞质微丝急剧减少，纺锤体微丝消失，成膜体微丝出现，甚至构成类似成膜体 的盘状结构(Dinis和Mesquita,1993;Traas等，1989)。两核移向中央後，微丝网绕核分布 ，核间丝随机分布。减数分裂Ⅱ各时期微丝构型与减数分裂Ⅰ的相以。四分孢子中微丝呈 网状分布。 　　自由小孢子时期，微丝在细胞中央形成粗束，在胞质形成平行束(Van等，1989)。但 在欧洲油菜(Hause等，1992)小孢子中检测不到肌动蛋白，仅当胞质分裂时微丝在成膜体 中出现并向两边的花粉壁方向扩展。生殖细胞从营养细胞中分离出来时被微丝厚束包围， 而营养细胞的微丝呈环状局限於赤道处一个狭小的区域，後来环状结构沿花粉表面扩展。 肌动蛋白纤丝存在於蝴蝶兰(Brown和Lemmon,1991c;1992b)及紫露草(Schopfer和 Hepler,1991)小孢子有丝分裂过程中，它们在前期细胞极性化和核迁移过程中维持网状 (Brown和Lemmon,1991c;1992b),并参与形成纺锤体和成膜体(Brown和 Lemmon,1991c;1991d;1992b;Schopfer和Hepler,1991)。 3　微管和微丝在花粉形成中的作用 3.1　正常可育花粉的形成依靠小孢子不等有丝分裂产生的生殖细胞和营养细胞的分化 　　小孢子分裂前核的迁移、核靠边位置的维持及细胞质重组过程均由微管系统决定 (Brown和Lemmon,1991c;1991d;1992b;Tanaka,1991;1997;Terasaka和 Niitsu,1990;1995;Van等，1985)。微管抑制剂秋水仙素阻止小孢子不对称分裂和破坏质 体等的极性分布，而微丝抑制剂细胞松弛素对此无影响(Eady等，1995；Tanaka和Ito， 1981；Terasaka和Niitsu,1990)；高温(32 ℃)条件下培养小孢子，微管分布发生重排， 导致小孢子对称分裂而形成胚(Hause等，1993)，微丝对此无影响；锂可阻止小孢子核迁 移和增加对称分裂的频率，这种效应可被Ca2+和肌醇逆转，推测锂可直接或间接与微管或 其他骨架成分相互作用(Zonia和Tupy,1995)。蝴蝶兰小孢子生殖极微管系统(GPMS)可能还 参与生殖极的形成，并可代替早前期带微管(PPB)控制分裂面的建立(Brown和 Lemmon,1991c;1992b)。成膜体弯曲形状及细胞板离心沉积的方式由生殖核发出的辐射状 微管决定(Brown和Lemmon,1991a;1991c;1991d;1992b;1994)。 3.2　小孢子母细胞正常的减数分裂过程也是由微管系统决定的 　　实验证明秋水仙素处理不同发育时期的小孢子母细胞可以不同程度地破坏减数分裂继 续进行(Sheldon和Dickinson,1986;Traas等，1989)。氯异丙基苯基氨基甲酸 (chloroisopropylphenyl carbamate CIPC)和灰黄霉素(griseofulvin)处理小孢子母细胞 导致多极纺锤体出现和染色体错误分布，产生非正常位置的核及异常排列的四分体(线形 或T形)(Brown和Lemmon,1992c;Traas等，1989)。最近Brown和Lommon(1996)对同时型胞质 分裂产生的机制提出新的见解：基於核而建立的辐射状微管系统决定胞质域，没有胞质分 裂器(PPB和成膜体)细胞仍可进行胞质分裂及调节细胞壁的沉积。这可由灰黄霉素处理 (Brown和Lemmon,1992c)或种间杂交(Brown和Lemmon,1989)导致减数分裂形成异常四分体 ，但辐射状微管仍出现及胞质分裂仍正常进行的事实得到证明。 　　此外，微管网状构型利於核的固着、维持细胞质的刚性及向细胞表面运输物质 (Dickinson和Sheldon,1984;Hause等，1992；Van等，1985)。 3.3　微丝在花粉形成中具四种分布格局 　　中央细胞质网、周质网、纺锤体丝和成膜体丝。微丝常与微管相伴存在。通过比较玉 米野生型与两个突变体ms 17(产生多极纺锤体和多余纺锤体)和dv(纺锤体不汇聚)小孢子 母细胞减数分裂过程中微管和微丝的分布(Staiger和Cande,1991)及药物处理(Brown和 Lemmon,1992b;Sheldon和Hawes,1988;Staiger和Cande,1991;Traas等，1989)、低温实验 (Van等，1989)，证明了微丝和微管的相互依赖关系。微丝网状构型可能参与胞质空间结 构的维持和液泡运输(Brown和Lemmon,1988;1991c;1992b;Sheldon和Hawes,1988;Traas等 ，1989；Van等，1989)。成膜体中的微丝可能与微管协作使成膜体从初始的中央位置向细 胞边缘移动，指导细胞板弓状发育和向细胞板运输小泡(Brown和 Lemmon,1991d;1992b;Dinis和Mesquita,1993;Hause等，1992；Traas等，1989)。赤道区 肌动蛋白盘状结构类似PPB，参与减数分裂Ⅱ分裂面的决定及胞质沟化过程(Dinis和 Mesquita,1993;Traas等，1989)。此外线粒体和质体聚集於赤道区，赤道区交叉微丝维持 其特徵性分布(Sheldon和Hawes,1988)。 4　问题和展望 　　综上所述不难看出，对花粉形成过程中细胞骨架功能已有相当深入的了解和认识，但 这种认识多是依据形态学上的观察结果而进行的推测，缺少充分的实验证据，并且还有一 些关键性的问题存在争议，如(1)关於减数分裂中胞质分裂的机制问题，即胞质分裂器的 有无及组成，尚有争议。在连续型的胞质分裂植物(绝大多数单子叶植物)及少数同时型胞 质分裂植物(双子叶植物)中，胞质分裂器与体细胞的同源，成膜体由微管、微丝和膜结构 组成，细胞壁的沉积与成膜体的离心扩展有关(Brown和Lemmon,1991a;1991b;Staiger和 Cande,1991;Sheldon和Hawes,1988;Schopfer和Hepler,1991)。而大多数同时型胞质分裂 的植物，成膜体/细胞板缺少或有而一般不被认为是胞质分裂器的一部分，胞质分裂由沟 化过程(Brown和Lemmon,1988;1989;1992a;1992c;Hogan,1987;Van等，1985)或细胞壁的向 心沉积而完成(Brown和Lemmon,1996;Traas等，1989)。Brown Lemmon(1988,1989,1992a,1992c,1996)提出胞质分裂的模型：同时型胞质分裂的分裂面由 基於核而建立的辐射状微管系统确定的胞质域决定的，而不似体细胞那样分裂面由分裂前 就已确定的分裂位点(sites)决定。可以肯定，胞质分裂方式发生多种形式的变异与进化 过程有关。但胞质分裂的调控机制及其与进化的关系等有待今後进一步研究。(2)生殖极 微管系统(GPMS)仅在蝴蝶兰(Brown和Lemmon,1991c;1992b)的小孢子中发现，此属小孢子 缺乏其他植物那样的液泡系统。而在大叶杓兰(Brown和Lemmon,1994)、紫露草(Terasaka 和Niitsu,1990)及欧洲油菜(Hause等，1992)、沙鱼掌(Van等，1985)的小孢子中未观察到 此结构，这种特殊的微管系统在被子植物中是否具有普遍性尚需广泛调查，它在小孢子分 裂中的作用值得进一步研究。 　　近几年，药物学、分子生物学及生物化学等研究手段的引入为该领域在更高层次上的 研究工作开拓了新的视野(Brown和Lemmon,1992c;Eady等，1994；1995；Staiger和 Cande,1991;Tanaka,1997;Traas等，1989)。例如人们已经克隆出花粉发育过程中特异表 达的基因，如广泛研究的花粉发育後期表达基因(late pollen genes)，并已在转基因植 物中表达。将该基因群中的一类，营养细胞特异的蕃茄花药发育後期表达基因lat52(其启 动子仅在小孢子有丝分裂後，生殖细胞脱离花粉壁进入营养细胞中发生激活(Eady等， 1994)，导入烟草可与报告基因(β-葡糖苷酸酶基因，即gus基因)融合，获得转基因烟草 ，研究转基因烟草的小孢子在不同浓度秋水仙素处理後生殖细胞的正常分化与lat52基因 活化之间的关系(Eady等，1995)，从另一个角度提供了微管在细胞分化中的作用的证据。 勿庸置疑，多学科的相互渗透、实验结果的相互印证是本学科今後的发展趋势。 -- After black clouds, clear weather. 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