蕨类植物配子体发育及其性器官分化的研究进展

@ 前言
蕨类植物也称为羊齿植物， 其生活周期具有明显的世代交替 （图 !） 。无性生殖产生 孢子， 有性生殖器官是精子器和颈卵器， 精子器产生精子， 颈卵器产生卵。孢子体发达， 有 根、 茎、 叶分化和较原始的维管组织构成的输导系统。配子体形态结构简单， 生活期短， 多 为有背腹分化的绿色叶状体， 又叫做原叶体， 幼小的原叶体通常仅由一层细胞构成， 孢子 体、 配子体能独立生活是该类植物的独特之处。 由于蕨类植物的幼小配子体仅由一层细胞组成， 能直接在镜下研究其细胞的大小、 形 状、 分裂速度、 生长速度和分裂面的变化； 配子体存在不同的细胞类型 （如假根） 、 不同发育 阶段 （丝状体、 叶状体） 和不同结构类型 （如精子器和颈卵器） 的特征， 为细胞骨架、 超微结 构、 信号传导、 抗原抗体免疫反应、 代谢产物、 孢子萌发调控、 光形态建成、 分生组织发育、
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! 配子体生长发育
蕨类植物配子体的发育从孢子开始， 在适宜的外界环境条件下， 孢子经休眠或不休眠 萌发， 长出假根， 首先形成丝状体， 再进一发育形成具有性器官分化的原叶体。 !"" 影响配子体生长的条件 为蕨类植物的研究提供了良好条件。时至 !#$% 年蕨配子体无菌条件下生长的实现， 今日， 人们借助蕨配子体培养系统对蕨配子体的发育做了大量的研究 （ &’(()*， 包文 !#+%； 美等， 刘朝晖等， ； 特别是对影响蕨配子体生长发育的条件， 如： 温度、 水、 !#%,； !###-； .） /0 值、 无机元素、 有机氮、 特殊化学物质 （激素、 糖类、 硫氢酸、 盐、 氨基酸） 、 生物因子 （种间密 度、 菌类） 、 光、 紫外线和电离辐射等多方面进行了研究， 其中以光对蕨配子体生长的影响 研究的最为详尽 （&’(()*， 。 !#+%） !"""" 光与配子体的生长 细胞学和生理学研究 光不仅影响孢子的萌发， 而 ! " " " " " " 光与配子体生长的形态学、 且对配子体的生长有调节控制作用。将萌发了的孢子放在黑暗中培养， 它只形成由几个 极度伸长的细胞构成的丝状体。绝大多数种类只有在光照条件下， 才能有正常的两维原 叶体生长。暗中培养的丝状体重新放在白光下， 仍保持继续形成原叶体的能力。 原叶体形成的启动与白光的光强度有关。当光强度足够低时， 只长成丝状体。当光 强度是太阳光强度的 $ " 12 时， 塔斯马尼亚蚌壳蕨 （ *(+,)&-($ $-%$#+%($ 3-.’(( " ） 、./)&’0(/$ 保持在丝状阶段； 当光强 ’#1(-$%$ 4-5(6、.-"2($ ’03//(%(4() $-4 .%03#(12 5(/(6 5"2(-$（ 3" ） 789:） 小于 +$$ 35; 时， 荚果蕨 （ 7$%%"1++($ )%#1%0(&’%"#() <8= " ） 保持在丝状体阶段， 每天至少 + 小时 （&’(()*， 。 >$$$ 35; 的连续光照对其形成原叶体最有利 !#+%） 原叶体的两维生长被启动后， 细胞的分裂速度和原叶体的形态也与光强度有关。北
C期
刘建武等：蕨类植物配子体发育及其性器官分化的研究进展
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美球子蕨 （ !"#$%&’ (&"()*)%)( !" ） 配子体在连续光照下， 细胞分裂速度和原叶体面积的增长 随着光强的增加而增大， 但是原叶体的长宽比减少， 此差异可通过在培养基中增加 #$ 的 蔗糖而改变， 反映了该差异的形成可能与光合作用有关。在欧洲蕨 （ +,&-).)/0 ’1/)%)"/0 的研究中也得到了类似的结果 （ )*+*,- -(. /-0,-(1(， 。由此可见光合作用在配 %&’(） #233） 子体形态建成中仅与已形成的原叶体的增长有关， 而与原叶体形成的诱导无关 （ 456610， 。 #237） 进一步实验证明， 蓝光在原叶体形成的诱导过程中， 扮演了一个非常重要的角色， 对 大多数已研究过的蕨类植物而言， 只有在有效蓝光光强下细胞分裂和两维生长才是可能 的， 蓝光对两维生长的诱导作用有一个光强的临界点， 越过该临界点， 随着光强的增加细 胞分裂速度加快， 两维分化诱导加快， 但对细胞体积的扩大有抑制作用 （ 456610 -(. 456610， 。红光只能使植物保持在丝状体阶段， 但有些蕨类植物如欧紫萁 （ !(0/".’ -&2’%)( #238） 、 澳洲桫椤 （ 3 4 ’/(,-’%)( 9:" ;0 " ） 和欧洲蕨等在红光下也能形成两维的原叶体 （ )*+*,!" ） 。 -(. /-0,-(1(， #233） ! " " " " " ! 光与配子体生长的分子生物学研究 利用拟南芥 （ 3-’*).#5()( ） 的 <:=# >?@A 作探针从铁线蕨 （ 3.)’",/0 $’5)%%/( 6&"&-)( !" ） 中分离到和编码高等植物蓝光受体序列相似的基因组克隆。该克隆分成五个独立的组 分， 用 :A<B 方法， 得到了其中三个的全长序列， 由此推导出的氨基酸序列的 @ 端含有光 解酶同源区域， 这些结构特点表明该基因确实编码了 < 端大约有 CDD 氨基酸长的突出端， 铁线蕨的蓝光受体， 而且是一个至少有三个成员的基因家族 （%-(1E-1 -(. 9-.-， 。 #227） 两维状态的配子体和红光诱导形成的 在蓝光下发育形成的蜈蚣草 （ +,&-)( 6),,’,’ !" ） 丝状配子体相比具有较高的 <FC 固定效率和不同的核酮糖G#， （ :&G HG二磷酸羧化 I 加氧酶 小亚基 （ ))K） 。对两个 -*$7 基因及另外两个 -*$7 基因的部分 >?@A 研究后， 发现蕨 +5J>*） 类的 -*$7 基因和高等植物有一些相似之处， 如均有启动子光调控元件 （ !:BJ） ， 有相似的 内含子数量和位置， 但是， 蕨的小亚基初级结构在基因家族内差别较大， 结构的差异与红 光和蓝光下不同稳定态的 L:@A 相对应。基因 -*$7 89 和 -*$78: 倾向在蓝光下转录 0+>) 而基因 -*$7 8; 和 -*$78< 在红光下比在蓝光下有超过六倍的转录水平。 0+>) GC 和 L:@A， 同时可能决定着 <FC 的固定 0+>) G8 的 #C 个不同氨基酸中的 H 个影响了小亚基的疏水性， 效率。核酮糖G#， 蕨类的亚基类型 HG二磷酸羧化 I 加氧酶小亚基和大亚基的树状图表明： 在很早以前就与其它维管植物发生了分离。高等植物核酮糖G#， HG二磷酸羧化 I 加氧酶分 子特殊性原型发生于蕨类植物出现之前 （ B561(+10E &, ’% ， 。 #227） ! " " " ! 其它因子与配子体的生长 配子体生长的最适温度为 CDM N ODM ， 最适 PQ 为 H N 3。除了几种孢子能浮水的种 类外， 大多数只能在固体支持物上生长， 沉水生长则发育迟缓， 而且发育不正常。 糖类的促进作用只是在光合作用受到限制后才表现出来， 所以从某种意义上看， 配子 体的正常生长不需要外源糖。对光合作用受到限制后促进正常生长作用最强的是蔗糖， 依次为葡萄糖、 麦芽糖和果糖。有些糖对配子体生长有毒性或强烈的抑制作用， 如木糖、 半乳糖、 ?G核糖、 !G阿拉伯糖和 !G鼠李糖。 植物生长调节物质对配子体生长的影响， 因蕨的不同种类和不同的生长条件而不同。
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赤霉素的主要作用是促进孢子的萌发和性器官的分化， 对配子体营养生长作用不大。和 赤霉素有拮抗作用的矮壮素 （ !!!） 能延长被处理植物的对数生长期、 增加细胞和假根数 量， 从而导致配子体的生长。天然或人工生长素一方面影响配子体细胞的大小， 另一方面 又影响细胞的分裂， 北美球子蕨幼小原叶体在含 "##、 $， %&’ 或 (## 的培养基中暗培养， +, 当生长素浓度为 )* -./ 0 1 时能促进细胞增大； 在红光诱导后的植物中增加生长素的浓 度， 能强烈抑制光诱导的细胞分裂， 导致细胞增大； 当生长素浓度为 )* + 2 -./ 0 1 时细胞的 扩大主要是由于细胞伸长所致， 当浓度再增高时， 细胞的扩大是等径的， 浓度进一步增高， 形成鳞茎状的粗壮假根。北美球子蕨原叶体对 "## 的强烈反应和细胞的年龄有关， 一般 而言， 细胞分裂后经历时间越短， 对 "## 的反应越大， 所以 "## 促进细胞增长的最适浓度 对幼小细胞为 )* + 2 -./ 0 1， 对老细胞为 )* + , -./ 0 1， 但是促进细胞增宽的浓度均为 )* + , 与细胞年龄无关。 "## 促进北美球子蕨丝状体的伸长还与温度有关， 最低温度为 -./ 0 1， 最适温度为 $4 5 $63 （78//9:， 。 $$3 ， )62; ） !<! 性器官的分化 蕨类植物分为具同型孢子和具异型孢子两大类。同型孢子蕨产生同型孢子， 占蕨类 植物的大多数， 同型孢子在适合的条件下可能发育为具精子器或颈卵器的单性配子体或 同时具有精子器和颈卵器的两性配子体； 异型孢子蕨产生大小不同的孢子， 小孢子发育为 雄配子体， 大孢子发育为雌配子体， 也有个别例外， 如： 卷边蕨属 （ !"#$%&’(# ） 植物是部分双 性的， 小孢子产生雄配子体， 大孢子萌发后形成雌配子体， 但随后又产生了精子器。此外， 还有一些专性无配子生殖和无孢子生殖的种类 （=.:>9/?8@9@， 。 )66;） ! < ! < " 同型孢子蕨的性分化的不稳定性 所有同型孢子蕨的性表现都是不稳定的。植物的性表现可能因配子体的年龄、 大小 而决定， 也可能因环境因子而决定， 比如是否处在由相邻配子体分泌的类似于赤霉素的成 精子囊素的环境中。如果环境中没有成精子囊素， 最常见的性表达为雄性&雌雄同体， 其 它可能的性表达为： 雄&雌&雌雄同体、 雌&雌雄同体、 雄&雌雄同体&雌 （=.:>9/?8@9@， 。问 )66;） 荆属 （ )*+,-.$+( ） 植物配子体最初为雄性或雌性， 雌性的配子体后来产生精子器， 而雄性的 极少产生颈卵器 （’ABC9DD， 。上述研究表明： 孢子之间在关于配子体的性表达方面没 )644） 有内在的生理性不同， 绝大多数同型孢子蕨最后都发展为雌雄同体的配子体。 !<!<! 同型孢子蕨性分化的影响因素 ! < ! < ! < " 成精子囊素与蕨精子器的形成 成精子囊素对蕨性别表达的影响于 )6,* 年被发现。已实验过的同型孢子蕨中的大 多数能产生成精子囊素， 并对成精子囊素作出反应 （ E.9//9:， 。在这些类群中， 孢子 )62%） 萌发后生长较快的形成雌配子体并分泌成精子囊素， 而生长较慢则在成精子囊素的影响 下成为雄配子体 （78//9:， 。 )62;） 水蕨 （ /.0#$’1$.0,- $2#",3$0’,4.- F:.@G@ < ） 孢子大小差异和其后的的发育速度与配子体的 性表达相关 （=.:>9/?8@9@， ， 一般快速生长的配子体成为雌雄同体配子体， 而发育较慢 )66;） 的成为雄配子体。 作为研究性别决定和环境因子关系的模式植物 /.0#$’1$.0,- 0,32#04,, 对成精子囊素的 反应只在一个极短的时间， 从孢子壁破裂到配子体四个细胞大时， 如果环境中一直有成精
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蕨类植物的生活史
游动精子分化、 无孢子生殖、 外源激素对性别分化的影响及其它生理生化过程的研究创造 了条件； 配子体能通过自体受精， 形成每一个位点都纯合的纯合子， 可快速分离和研究突 变体， 便于开展分子生物学、 遗传学等工作。如今蕨类植物已日益成为实验生物学家的一 种极有用的研究材料， 其中水蕨属 （ !"#$%&’%"#() ） 的几种植物更是被作为可以与拟南芥媲美 的模式植物而应用。
蕨类植物配子体发育及其性器官分化的研究进展
刘建武 刘 宁
（北京师范大学生命科学学院 北京 !""#$%）
摘要
作者概述了蕨类植物生活周期中不同发育阶段的特点， 并着重介绍了光、 植物生长调节物质、 水
和温度等因素对蕨类植物配子体发育的影响以及成精子囊素、 光、 钙离子和其它植物生长调节物质在性 器官形成和分化过程中的作用。同时作者对蕨类植物性Байду номын сангаас官分化的不稳定性进行了探讨、 并结合目前 蕨类植物性器官分化的遗传学和分子生物学研究的最新进展， 说明蕨类植物作为研究系统在植物生物 学研究领域中的优势。 关键词 蕨类植物， 配子体， 发育， 性器官
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作者简介： 刘宁， 获学士学位。!K#% 年北京大学生物系毕业， 获硕士学位。!KK" !K#L 年北京师范大学生物系毕业， 年在中国科学院植物研究所获得博士学位。同年秋来到北京师范大学生物系任教， 担任讲师、 副教授。现为北京 获学士学位， 并留 校任 教。 师范大学生命科学学院生物系主任。刘建武， !KK" 年毕业于北京师范大学生物系， !KK$ 年在北京师范大学生命科学学院在职攻读硕士学位。L""" 年获硕士学位。 收稿日期： 程红焱 L"""-"M-L# 接受日期： L"""-"N-!N 责任编辑：
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