枸杞小孢子发生发育过程中胼胝质壁的动态变化

3.8　枸杞小孢子发生发育过程中胼胝质壁的动态变化

胼胝质（callose）是β-l,3葡聚糖的混合物，微量存在于各种植物组织中，具有迅速聚合和解聚的物理和生理特性，广泛存在于胞间连丝通道、筛板、根毛以及多细胞绿藻和有胚植物分裂细胞的细胞板中。此外，它也作为应激反应的一部分，在植物受伤、遭受病原菌感染或受到各种胁迫时快速而大量地合成。在种子植物的生殖活动如花粉萌发、花粉与柱头亲和识别、胚乳发育等过程中都涉及到胼胝质的变化，特别是大小孢子母细胞壁上有无胼胝质壁的形成是判断正常发育的花药和胚珠的显著标志。所以，胼胝质是一种在植物生殖过程中特殊组织和特定发育时期出现和消失的重要细胞壁成分和重要特征。

造孢细胞与小孢子母细胞的一个明显区别是小孢子母细胞的表面具有胼胝质壁结构。Bhatia和Malik（1993）观察到胼胝质壁首先在小孢子母细胞角隅处的初生壁和质膜之间沉积，认为胼胝质壁的这种沉积可能与细胞内的粗糙内质网和高尔基体有关。肖德兴和陈祖铿等在黑松和马尾松小孢子母细胞减数分裂过程中观察到，胼胝质开始在减数母细胞的赤道区沉积，形成环状胼胝质带,并逐渐向内部延伸,直至将母细胞均等地分隔成两部分，形成二分体。随后在减数分裂II，在两个细胞的中部再次出现胼胝质带,并与减数分裂Ⅰ时所形成的胼胝质带相连,并向中心部位伸展,最终将孢母细胞分隔为4个小孢子。而一般认为，当小孢子母细胞进入减数分裂前期Ⅰ时，胼胝质开始在质膜与初生壁间逐渐沉积，它从角隅处侧向向外延伸，直至包围整个母细胞。另外，小孢子第一次不对称分裂后，形成的最初分隔营养细胞和生殖细胞的壁也是胼胝质性质的壁。所以，在小孢子发生、发育过程中，其细胞有3次胼胝质壁的形成过程。胼胝质壁首先在小孢子母细胞角隅处的初生壁和质膜之间沉积，这种沉积可能与细胞内的粗糙内质网和高尔基体有关。

目前，关于小孢子母细胞形成胼胝质壁的时间一直是一个有争议的问题。不同学者在不同植物材料的研究中，对于母细胞胼胝质壁的形成时间有不同的描述，如Waterkeyn（1962）在熊竹铁筷子（Helleborus foetidus）中发现胼胝质的形成最早开始于减数分裂的粗线期，并且首先在小孢子母细胞靠近绒毡层一侧的外平周壁上开始沉积，然后逐渐向径向壁和内平周壁上扩展，从粗线期到四分体阶段先后共形成6个密集度不同的胼胝质层，这些胼胝质层分别把各个小孢子母细胞、小孢子四分体以及四分体中的小孢子相互隔离。樊汝汶等（1992）在中国鹅掌楸（Liriodendron chinense（Hemsl.）Sarg.）中发现，当花粉母细胞减数分裂启动时，细胞质和细胞器的变化与胼胝质的积累是同步发生的；而黑麦花药中胼胝质的合成最早出现在造孢细胞晚期，并首先在小孢子囊中央的造孢细胞中沉积，随后向小孢子囊两端的细胞扩展。随着花药的发育，胼胝质在小孢子囊中央的造孢细胞中大量积累并解体，等等。作者认为造成这样的结果，一方面是由于研究材料的差异，另一方面是由于对造孢细胞和母细胞的划分没有一个统一的标准，对胼胝质壁的形成机制尚不清楚，从而导致了目前对母细胞及胼胝质壁形成时间这种比较混乱的表述现象。

而对于小孢子母细胞形成胼胝质壁的生物学意义，胡适宜、Kapil等认为形成胼胝质壁是减数分裂的先决条件，也是后来4个减数孢子转变为小孢子的前提。而Johri则认为花粉母细胞被胼胝质壁包裹的孤立化未必是减数分裂的先决条件，因为当胼胝质壁孤立小孢子母细胞时，细胞器已通过各种方式进行了重新组装，完成了消除孢子体信息的程序，因此胼胝质壁只是保护使之不再受邻近孢子体信息的干扰，从而转向单倍的配子体的发育。有些则认为胼胝质壁起着机械隔离、化学屏障或“分子筛”和保护等作用。

Heslop-Harrison（1968）在百合属中的研究结果表明，花药中胼胝质壁的早期分解产物是1,3-寡聚糖，如昆布二糖和昆布三糖等，它们存在的时间很短，并且很快分解成葡萄糖。而最近的研究表明，葡萄糖不仅调节光合作用过程中的基因表达，而且作为信使分子，还影响开花和衰老等植物生活史中的许多代谢和发育过程。葡萄糖信使分子的感受器是己糖激酶，它与光照、激素和营养信号系统协同作用，控制着植物的生长和发育过程，并对变化的环境作出响应。因此，胼胝质在植物生殖发育途径转变的关键时刻的出现和活动应该具有更深刻的生物学意义，它可能携带着决定细胞发育命运和分化方向的胞外信使分子（这些信使分子可能是一些葡萄糖分子），并导引细胞的发育途径。

胼胝质在植物生殖中有着相对固定的分布和变化模式，但也有多种变异形式。对大多数有性生殖的植物而言，胼胝质的消长对启动孢子母细胞分化的独特途径是必需的，它也直接参与有功能孢子的选择作用，引导着孢子向配子体的发育。胼胝质在特定细胞壁上的分布模式和时间以及它参与的生理过程，表明它在植物细胞的生长和分化中起着某种作用。

关于小孢子母细胞的胼胝质壁结构也有不同的报道。Heslop-Harrison等人在扫描电镜下观察到大多数植物的胼胝质壁并不是连续的，而表现为筛网状。陈祖铿等发现，在知母（Anemarrhenaasheloides）四分体小孢子的胼胝质壁上也间断分布着胞质通道。但是有的植物，如矮生菜豆（Phaseolus vulgarisL.）的四分体小孢子胼胝质壁上并无胞质通道。而作者在枸杞小孢子母细胞的胼胝质壁中也观察到了很多胞质通道。有学者认为，胼胝质壁的功能如同分子筛，控制着小孢子母细胞间的物质交流，成为减数分裂同步进行的原因并使小孢子间保持相对的独立性。但是，由于对胼胝质壁结构研究的资料不多，并在不同植物中有出入，有关其对小孢子母细胞的生理功能现在还没有统一的认识。

此外，胼胝质壁可能控制花粉外壁的形态建成。Bhandari认为，细胞核把花粉壁雕纹的信息发送到胼胝质壁层，形成印章一样的负模板，然后压制出外壁上特有的雕纹。但是，作者在对枸杞花粉原外壁形成过程观察后认为，这种负模板说并不能成立。因为原外壁原基以及原外壁形成过程中，其外侧的胼胝质壁并未发生任何形态或结构上的变化。作者认为，花粉原外壁是在四分孢子基因调控下，由四分孢子原生质分泌的物质形成，胼胝质壁似乎没有参与花粉原外壁的形成。