一个新的学科生长点

植物生殖的细胞生物学：一个新的学科生长点

学科经常处于演替与更新之中。当代自然科学发展的特点是学科分支愈来愈细，而学科间的互相渗透日益密切。在此一学科和彼一学科的接触点上，新的“生长点”往往脱颖而出，发展成新的学科。从事基础科学研究，要善于发现并把握学科的生长点，努力突破，以求推动学科的发展。这里，我仅就一个新的学科生长点作一番解剖麻雀的尝试。

一

一百多年前，由植物形态学中的一个生长点派生出一门新的学科：植物胚胎学。它的任务是研究植物有性生殖过程及其结局——胚胎发生——的规律。首先奠定的是描述胚胎学。以后又产生了两个生长点：一个是与分类学结合的比较胚胎学；另一个是与生理学和遗传学结合的实验胚胎学。已故著名植物胚胎学家Maheshwari早在1950年即已预见，尽管当时实验胚胎学尚初露头角，却已显示广阔的前景，必将成为未来植物胚胎学的主流。30多年后的今天，植物实验胚胎学可说已经羽毛丰满。这时再来考察一下它有什么新的生长点，估计一下它的发展趋向，是很有必要的。

胡适宜在近著《被子植物胚胎学》（1983）中指出，“应用细胞生物学的方法来研究胚胎学的问题，以期对植物有机体初期的发生有一个全面的生物学认识”，是植物胚胎学一个正在形成的特点。这一论断是基于对近一二十年来国际学术动态所作的中肯的分析。自1968年第一次在巴黎召开以“种子植物有性生殖的细胞学”为题的讨论会以来，至1982年止已经先后召开了七次类似主题的国际会议，几乎每两年召开一次，表明这是一个相当活跃的研究领域。这是因为，对于在植物生活史上十分重要而又和国计民生密切相关的植物生殖过程，以往虽已取得了巨大的研究成就，但迄今仍然停留在只知其然而不知其所以然的水平，就很不足了。只有跳出传统的框框，引入现代生物学尤其是细胞生物学的概念、技术与方法，才能继续前进。因此，作为植物胚胎学和细胞生物学互相渗透的产物，研究植物生殖的细胞生物学这一新的学科生长点便应运而生了。

下面，试从三方面解剖一下这个生长点。

二

在植物一生中，没有任何过程比生殖过程所包含的形态发生变化更为复杂和曲折。从大小孢子发生到雌、雄配子体发育，从传粉、受精到胚胎发生和胚乳发育，包含一系列结构与功能的演替，其发育程序之严密、时间节律之精巧、形态与生理变化之多样，令人惊羡不止。经典胚胎学在揭示这些变化的过程方面作出了并仍在继续作出无可否认的贡献，贬低这类工作的价值是毫无理由的。但是传统的形态学思维方法对于认识这些变化的机理却无能为力。这正是当前面临的挑战。生物学发展到今天，积累了庞大的知识宝库。奇怪的是，每每连最常见的现象也无法解释。而按照传统的思维方法，往往熟视无睹，并不打算去解释。例如，减数分裂是人所共知的现象，但为什么减数分裂只发生在特殊时期的特殊细胞中呢？又如，花粉在体内的发育程序总是由小孢子到雄配子体，那么为什么在离体培养时又可以改变程序发育为孢子体植株呢？再如受精，人们习惯于认识它是精卵融合的过程，然而精子为什么能导致卵的激活呢？胚胎发生的分裂和分化模式又是受什么因素决定的呢？诸如此类植物生物学中的基本问题，可以说迄今无一得到完满的解答。我认为这在一定程度上是由于研究者受到狭隘的形态学思维方法的束缚，很少想到运用现代生物学的原理与方法去思考、观察和回答这类“所以然”的问题。如果换上细胞生物学的思考方法去探索，研究的深度就大大改观了。

仍以减数分裂为例。植物一生都是借有丝分裂增殖其细胞的，花药中的造孢细胞同样借有丝分裂而增殖。但当形成花粉母细胞后，有丝分裂即告停止，而开始减数分裂。按照细胞生物学的思考方法，首先查明了减数分裂是在花粉母细胞的细胞周期的特定时相启动的；在此以前，由有丝分裂向减数分裂的转变是可逆的；在此以后就不可逆了。其次，发现减数分裂的启动和DNA合成的特点有关，如果改变了合成的方式，母细胞可以继续有丝分裂而不进入减数分裂。再者，减数分裂是一个自主性程度很高的过程，一旦启动便按预定程序进行到底。这一自主进程可能受母细胞在结构上的孤立化所保证。减数分裂过程中除人们熟知的核内变化（联会、重组、分离）外，细胞质内同样发生深刻变化。这种细胞质改组被认为是植物通过减数分裂由孢子体世代转向配子体世代的基础。当然，关于植物减数分裂的细胞生物学研究还远远没有完成。但是仅仅上述初步的研究结果已经预示，运用现代生物学的观点去研究这样的一个早已存在然而往往视而不见的基本问题，必然会给学科的发展注入新的生命力。关于生殖过程的其他环节也可以作如是观。

三

仅有很好的思路，而缺乏加以实行的技术手段，还是一种空想。就研究植物生殖过程来说，以石蜡切片和普通显微镜观察为主的经典技术曾经并仍在作出很大的贡献。但是当涉及生殖过程机制时，显然必须借助多种新技术从各个角度进行综合性的研究。其中，起主要推动作用的是电子显微镜技术和细胞化学技术。

60年代以来，应用电镜技术研究植物生殖过程的超微结构变化取得不少重要的进展，围绕受精作用的研究尤其突出。例如，植物精子有无细胞质及其是否参加受精作用是一个有重要理论与实际意义而在光学显微镜观察中长期不能解决的问题。电镜观察确凿证明精子是有细胞质的。至于精细胞质是否参加受精，涉及细胞质遗传的途径。现已在裸子植物中证明精细胞质能进入卵细胞并在其中形成“新细胞质”。在被子植物方面，迄今电镜观察尚未得出一致的结论。棉花的精细胞质是留在卵外，只有精核入卵。而在一种月见草和白花丹上看到受精卵中存在精子特有的细胞器。关于花粉管如何进入胚囊释放精子，现在知道得比较具体了：花粉管通常是由助细胞进入胚囊的。助细胞中的丝状器（一种传递细胞型的发达的壁膜内突结构）与吸引花粉管的功能有关。花粉管末端在助细胞中形成一个小孔，精子被由小孔中喷出的细胞质流带到助细胞的顶端并通过此处的无壁区域到达卵细胞和中央细胞之间的位置。关于精卵融合，通过电镜研究，现在知道卵细胞的特定区域是没有细胞壁或具不完全壁的，而精子是完全没有细胞壁的，这种结构上的特点保证了精卵以原生质膜互相接触，并通过膜的融合实现受精。精核与卵核也是通过核膜融合的方式而合并的。无疑，由于技术上的难度，围绕受精过程的超微结构研究目前还只处于初级阶段。

细胞化学是研究植物生殖过程的另一类重要技术。它有助于从物质成分的分布与变化来探索各种结构与功能的关系。除早年发明而一直广泛应用的Feulgen反应等常规的细胞化学技术外，近年有几个新的发展趋势。一是荧光显微技术的应用。由于它具有高度的灵敏性并扩大了可测物质的范围，在许多场合补充了常规染色反应的不足。如用荧光技术研究大、小孢子发生过程中细胞壁胼胝质的变化及其生物学意义，还有根据胼胝质的荧光反应研究花粉管在雌蕊组织中的行为，这是用常规显微化学方法所不能做到的。又如，荧光技术特别是免疫荧光技术在鉴别花粉壁和柱头表面蛋白质、研究花粉与柱头的“识别”方面，起了很大的推动作用，这对阐明受精不亲和性的机制这一重要的生物学问题帮助很大。再如，过去用Feulgen反应发现受精前的卵核是缺乏DNA的，从而作出DNA在受精过程中重新形成的论断。然而荧光显微鉴定表明DNA同样存在于未受精的卵核中，因而DNA并没有消失，也没有重新形成，而可能是处于不同的状态。二是显微分光光度技术的应用，使细胞化学由定性、定位提高到定量的水平。Feulgen光度测定已被广泛用于研究小孢子发生、雄配子体发育、受精、胚胎发育以及花粉在离体培养中的雄核发育等过程的DNA量的变化。这里再举一个小的例子。胚柄是幼胚的附属机构，过去不很清楚它的功能。在菜豆的胚柄细胞中观察到巨大的多线染色体，而用Feulgen光度测定发现胚柄不同部位细胞中的DNA含量呈梯度变化，最高可达8000以上C值的水平。结合其他方面的研究，现在认为上述特点表明胚柄具有通过“基因放大”在短时间内合成大量活性物质以调节胚的发育的功能。除了Feulgen光度测定外，当前一个值得注意的动向是开始应用荧光显微光度测定技术。三是把电镜技术和细胞化学技术结合起来，在亚显微水平上研究细胞化学的变化。如超微细胞化学、超微酶细胞化学、超微放射自显影等新技术，目前还很少用在植物生殖过程的研究上，但迟早是会发挥其作用的。

在强调研究技术的重要性的同时，也要注意防止片面追求技术上的“高、精、尖”以至滥用新技术的倾向。各种技术各自有其独特的功用。衡量研究水平高低的标准应是恰当运用技术解决问题的程度，而非技术的表面价值。无论常规技术或新技术均应用到实处，做到“有的放矢”。

四

传统胚胎学的基本方法是体内的研究。现代则体外研究的方法日益受到重视。所谓体外研究，即在离体条件下研究发育的过程及其机理，具有多方面的优点：①可以摆脱整体的制约，突出被研究的局部对象（器官、组织、细胞）。②可以提供较自然界更稳定的实验条件。③可以有针对性地研究各种因素对发育的作用。④可以更有效地引进新的实验技术。⑤可以人为地促使发育朝所希望的方向变化。因此，离体培养不仅是一项具体的实验技术，而且是在生物学中具有广泛意义的研究方法。植物实验胚胎学就主要是通过体外研究发展起来的一门新学科。

植物实验胚胎学的发端，一般认为应从Hannig（1904）首先开展胚胎培养的实验算起。但早期的实验工作仍以体内研究为主。Maheshwari（1950）首次总结20世纪前半叶植物实验胚胎学的成就，将它们归纳成五个方面：受精的控制、胚胎培养、人工诱导孤雌生殖、人工诱导不定胚生殖、人工诱导单性结实。可以看出其中除胚胎培养外多属体内的实验研究。30年后，在Johri（1982）主编的《维管植物实验胚胎学》一书中，仅从各章的标题即可一目了然地看出离体培养已上升为最主要的实验手段。也许不妨说：现代植物实验胚胎学基本上就是体外的胚胎学。

这样一种趋势继续存在于有关植物生殖的细胞学研究中。几乎在被子植物生殖过程的所有环节均已开展了体外的研究，如花粉母细胞培养、花药与花粉培养、花粉管培养、试管受精、胚胎培养、受精后的子房与胚珠培养、胚乳培养等。不仅有的已在生产实践中发生作用，而且在基础理论研究方面通过它们也大大加深了人们对小孢子发生、雄配子发生、花粉雄核发育、花粉与雌蕊的相互作用、受精作用、胚胎发育、胚乳发育及其与胚胎发育的关系、果实与种子形成等一系列生物学过程的认识。

惟一的例外是胚囊发育的体外研究。著名植物生殖生理学家Heslop－Harrison（1972）曾指出：“在有花植物的所有重要器官中，缺乏生理学研究的莫过于胚珠和胚囊了。”并不是由于胚囊不重要，它的重要性无论如何不逊于花粉。这种现状的产生，在很大程度上是受到缺少体外研究的限制。胚囊被层层孢子体组织包裹，而本身又相当柔嫩，并具有很大程度上的“寄生”性。这些使它的体外研究有特殊困难。但是，最近未传粉的子房和胚珠培养的成功，以及用酶法分离完整胚囊的初步突破，使我们可能逐步填补这一空白，在植物实验胚胎学中开辟一个新的领域，并在此基础上用体外的方法开展对于大孢子发生、雌配子体发育、雌配子发生、无融合生殖等重要过程的细胞生物学研究。

五

这里简单谈谈未传粉子房与胚珠培养和胚囊体外研究的关系。自从20年代初首次发现自然界有单倍体植株以来，人们认识到它在应用和学术研究中的价值，一直尝试用人工方法诱导它的发生。概言之，有两条技术路线：一条是走体内诱导的道路；另一条是走体外诱导的道路。后一条虽然在50年代以后才开始试探，但在60年代就突破了花药培养而发展成当前诱导单倍体的主要方法。接着，在70年代又突破了未传粉的子房和胚珠培养，开辟了用离体培养方法诱导单倍体的另一条新途径。

我们实验室几年前刚由水稻未传粉子房培养出单倍体植株时，即认识到它不仅有应用方面的潜力，而且也是学术研究上的一个“生长点”，从而把工作重心转移到这上面来。我们考虑的是：

第一，首先进行扎实的基本研究，然后往高里提。摆在前面的是植物生殖生物学中一片未开垦的处女地，当务之急是进行多方面的基本研究。四年来，我们从诱导因素、雌核发育起源与过程、再生植株表现三方面作了较大规模的研究，摸清了基本规律，为今后更深入的研究打下了基础。例如，孤雌生殖与无配子生殖在自然界是偶发而罕见的现象，很难据此开展有关的细胞胚胎学研究。现在，用子房培养方法诱导了水稻的无配子生殖，用胚珠培养方法初步诱导了向日葵的孤雌生殖，这就创造了两个可靠的、可以重复的体外实验系统，进一步研究其详细过程与机理就容易多了。

第二，预见研究发展的趋势，有步骤地作好纵深部署。目前我们只成功了子房培养，胚珠培养已有苗头。但是，从子房培养到胚珠培养、将来再到胚囊培养，是合乎逻辑的发展趋势。同时，实现胚囊培养的前提——胚囊分离技术——最近已开始突破。因此上述纵深部署也是现实可行的。如果沿着上述思路坚持系统的工作，将有可能在植物生殖细胞生物学的领域中另辟一条蹊径。

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在科学实践中我们认识到寻找学科生长点的重要性。任何基础学科，不论其为新兴的或被视为“古老”的，也不论其领域的宽或窄，均有自己的生长点。研究者既不应固步自封，也无须妄自菲薄。我们应该立足于本学科，研究它的来龙去脉，考察它和相邻学科的关系及在应用上的前景，敏锐地发现新苗头，努力开辟新领域，以期在推动学科发展和促进“四化”建设上作出应有的贡献。

（原载《生物科学动态》，1984年第4期）