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一、花丝的结构与功能 横切花丝，最外一层为表皮，内为基本组织，中央有一个维管束，上连花药的药隔，下连花托。花丝在花芽中常不明显伸长，临开花前或开花初始阶段，因生长素（IAA）的诱导，以居间生长的方式迅速伸长。花丝有向花药运转营养物质、支持花药、促进开花，使花药暴露在空中，有利于花药的开裂和传粉功能。 二、花药的结构与功能 （一）花药的发育和结构 1.幼嫩花药的发育与结构 雄蕊原基经顶端生长和边缘生长基本完成幼嫩花药的发育。幼嫩花药最初为一团分生组织，外面为一层原表皮，垂周分裂将来形成花药的表皮；内方是基本分生组织，与药隔和花粉囊的发育；原基的近中央部分为原形成层，将来形成药隔维管束，与花丝维管束相连。 幼小花药经细胞分裂而逐渐长大，由于4个角隅处的细胞分裂较快，横切面上由近圆形变成四棱形。以后在四棱处原表层下面的第一层基本分生组织细胞分化成为多列的孢原细胞，其细胞较大，核大、质浓，分裂能力较强。随后，孢原细胞进行平周分裂，形成内外两层，外层为初生周缘层，内层为初生造孢细胞。花药中部的原形成层细胞逐渐分裂、分化形成维管束，并和其他基本分生组织发育来的薄壁细胞一起形成药隔。 表皮为整个花药的最外一层细胞，以垂周分裂增加细胞数目以适应内部组织的生长。 初生周缘层细胞继续进行平周分裂，自外而内逐渐形成药室内壁、中层和绒毡层，与表皮一起构成花粉囊壁。药室内壁常为一层细胞，初期常储藏大量的淀粉和其他营养物质；中层由一至数层较小而扁平的细胞组成，并有大量的淀粉等营养物质；绒毡层是花粉囊壁的最内一层细胞，其细胞较大，初期为单核，中期可形成多核细胞。绒毡层细胞质浓，细胞器丰富，含较多的RNA及蛋白质以及丰富的油脂和类胡萝卜素等营养物质和生理活性物质，对小孢子的发育和花粉粒的形成起重要的营养作用和调节作用。 初生造孢细胞经有丝分裂或不经过有丝分裂发育成花粉粒母细胞。在花药成熟过程中，花粉母细胞经减数分裂、发育成花粉粒。 2.花药的成熟与结构 成熟的花药由药隔和花粉囊两部分组成。药隔是连接花丝和花粉囊的重要结构，包括表皮、药隔基本组织和药隔维管束三部分。表皮和药隔基本组织细胞中的淀粉等储藏物质被逐渐分解转移，药隔维管束则进一步分化成熟，表现为导管壁增厚、腔明显。花粉囊由花粉囊壁和花粉室组成。 在花粉囊的成熟过程中，花粉囊歪鼻细胞呈扁长形，外壁可外凸，通常具有明显的角质层、有气孔器。 药室内壁细胞径向扩展，细胞壁内五面呈斜纵向条纹状的次生加厚，加厚的壁物质主要为纤维素和少量木质素。在此过程中，细胞内的储藏物质逐渐消失，此时的药室内壁又称纤维层。一些水生植物和闭花受精植物的药室内壁不发生带状加厚。药室内壁在纤维束状增厚时，常在两个相邻花粉囊交界处不发生加厚，留下一条狭条状的薄壁细胞区域。开花后，花药暴露，细胞失水，因纤维层外切向壁不增厚而产生较多的皱缩，缩形成的机械力使邻近的花粉囊交界处断开，并形成裂口。花粉粒则由花粉囊的裂口或裂缝处散出。 中层细胞在花药成熟过程中，其细胞内的储藏物质被分解和转移，成为花粉粒发育成熟过程中的养分，其细胞壁被挤压变扁逐渐阶梯冰杯绒毡层吸收和利用。所以，成熟的花耀中，无中层或仅有残留的中层。 绒毡层在花粉母细胞开始减数分裂时，其细胞核分裂但不伴随细胞质的分裂，常形成具有双核或多核细胞绒毡层细胞的生长过程可分为两个时期：①前期，从花药特异组织的分化到花粉粒形成的早期，绒毡层处于一种旺盛的生长状态，它对花粉粒发育的影响也主要集中在这一时期。②后期，随着单细胞花粉粒的中央大液泡的形成第一次有丝分裂的进行，绒毡层细胞程序性死亡而逐渐衰退、直至消失。 绒毡层的作用有一下两个方面：①提供货转运营养物质至花粉囊，花药成熟时，绒毡层解体，它的降解产物可以作为花粉合成DNA、RNA、蛋白质和淀粉的原料。②提供构成花粉外壁中的特殊物质——孢粉素，以及成熟花粉表面的脂类和胡萝卜素。③合成和分泌胼胝质酶，分解包围四分孢子的胼胝质壁使小孢子分离。④提供花粉外壁中一种具有识别作用的识别蛋白，在花粉与雌蕊的相互识别中对决定亲和与否起重要作用。 花粉母细胞经减数分裂，形成四分体，四分体解离，发育成单细胞花粉，经1-2次有丝分裂，逐步发育成为成熟花粉粒。 当花粉粒发育完成后，花药也已成熟，此时，花粉囊或花药的部分壁常因绒毡层解体而消失或仅存痕迹，故成熟的花粉囊只剩有表皮、纤维层和成熟的花粉粒。 （二）花粉粒的发育、形态与结构 1.花粉粒的发育 1）花粉母细胞的减数分裂 减数分裂与花粉母细胞的形成单细胞花粉粒和胚囊母细胞形成单细胞胚囊直接相关。减数分裂包括两次连续的有丝分裂，但DNA的复制只有一次，染色体也仅分裂一次。因此，一个花粉母细胞或胚囊母细胞经过减数分裂后，形成4个子细胞，每个子细胞染色体的数目（以1n表示）比母细胞（以2n表示）减少了一半，减数分裂即因此而得名。 减数分裂期间，称为减数分裂前间期。高等植物减数分裂前间期所持续的时间比有丝分裂长得多，绝大部分的DNA在此中合成，极少量的DNA在减数分裂前期I中的偶线期和粗线期合成。细胞进入减数分裂就绪状态后，即可进行减数分裂。 减数分裂的胞质分裂有连续型和同时型两类。 连续型 减数分裂第一次分裂末，随即产生新壁形成二分体，然后在第二次分裂末，再在二分体各自的细胞中产生细胞板，形成四分体。由于第二次的分裂面与第一次的分裂面相垂直，四分体排列在一个平面上。其壁的发育为离心式，即胼胝质先在细胞板的中央沉积，然后向两侧扩展，直到和母细胞外围的胼胝质壁相接。 同类型 细胞壁发生在减数分裂的第二次分裂末期，形成四个子细胞核以后，因细胞壁互不垂直，故四分体呈四面体型。其壁的发育为向心式，胼胝质从绒毡层一侧的壁开始，逐渐向四分体的中央积累，同时把四分体中的细胞彼此隔开。 花粉母细胞经减数分裂形成四分体后，四分体的细胞逐渐彼此分离，形成四个单核的花粉粒。但有些植物由同一花粉母细胞形成的四个花粉粒始终结合在一起，保持四分体的状态。 2）花粉粒的发育 花粉粒初期细胞壁薄，细胞质浓，核位于细胞的中央。它们不断地从周围吸取绒毡层的分泌物或其降解物，体积增大，细胞质中的小液泡合并成中央大液泡，细胞支成一薄层，细胞核通常被挤向与花粉粒壁上萌发孔相对的一侧。此后，细胞核在近壁处不均等分裂，其纺锤体多与花粉粒的壁垂直，细胞板呈弧形弯向生殖核一侧。分裂结果，形成一大一小两个细胞，大的即为营养细胞，小的为生殖细胞。 营养细胞包含了单核花粉的大液泡及大部分细胞质，细胞器丰富，代谢活跃，并含有大量的淀粉、脂肪、色素及生理活性物质等，营养细胞的功能主要与花粉发育中的营养以及花粉管的生长有关。两个子细胞之间的壁不含纤维素，主要由胼胝质组成。在花粉粒的壁和生殖细胞的膜质之间也有胼胝质渗入。 生殖细胞最初紧贴着花粉粒的内壁，呈凸透镜形或半球形，核大，含有少量的细胞质。随着生殖细胞收缩、内移，细胞逐渐变圆，与花粉粒的内壁分离，游离在营养细胞之中，出现细胞中有细胞的独特现象。此时，生殖细胞变为球形，胼胝质消失，成为裸露的细胞，浸泡在营养细胞之中，成为细胞中细胞。以后，生殖细胞逐渐伸长，呈纺锤形。 四分体形成后不久，花粉粒壁即开始发育，最初，在单细胞花粉的胼胝质壁和质膜之间形成纤维素的出生外壁沉积。几乎在初生外壁发育的同时，在质膜上形成许多圆柱状突起，穿过初生外壁作辐射状排列于花粉粒的表面。其外侧进一步积累孢粉素，形成基粒棒，基粒棒基部扩展，并互相连接形成基足层。基粒棒的顶端扩展、联结，形成覆盖层。覆盖层、基粒棒层构成花粉外壁的外层，基足层又称为花粉外壁内层I，花粉的质膜分泌纤维素物质，形成外壁内层Ⅱ，它与基足层（内层I）共构成花粉外壁内层。内壁通常在花粉粒分裂阶段开始形成。花粉内壁与外壁内层Ⅱ相同，主要是纤维素等。 花粉成熟时，只有生殖细胞核营养细胞的花粉粒称为二细胞花粉粒；另外一些植物，它们的花粉尚需进一步的发育，其生殖细胞进行一次有丝分裂，形成两个精细胞，称为三细胞花粉粒。 2.花粉粒发育中胼胝质壁、淀粉粒、细胞器的动态变化 （1）胼胝质壁动态 胼胝质在小孢子母细胞角偶处的初生壁和质膜之间沉积，与胞内粗糙内质网和高尔基体有关，是小孢子母细胞进入减数分裂的一个先决条件；减数分裂I的后期或末期。胼胝质开始在母细胞的赤道区沉积，形成环状胼胝质带，并逐渐向中央延伸，直至将母细胞均等地分割成为两部分。随后在两部分细胞质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，最终将花粉母细胞分隔为4个单细胞花粉粒。 （2）细胞器和淀粉粒的动态 在早前期I，所有线粒体和质体都聚集成团，部分质体仍继续分裂。聚集后的细胞器在中前期I分开。在小孢子发生时期质体和线粒体聚集。 细胞器的第二次聚集发生在前期I末期，在末期I或末期I后的赤道板处聚集成带状，一直延续到末期Ⅱ。末期I晚期成膜体解体，此时没有胞质分裂，细胞器明显在赤道板处聚集。在一些植物中，减数分裂Ⅱ后，细胞器改变聚集状态，主要集中于细胞壁形成和胞质分裂的位置，以利于质体和线粒体同等比例的分配于减数分裂后的细胞中。 （3）花粉粒发育过程中的特异基因 SPL基因在孢原细胞和小孢子母细胞中表达，促进小孢子母细胞的形成，是拟南芥小孢子发生初始阶段的必须基因。在突变体spl花药中，花药壁和绒毡层的形成被破坏，说明spl基因与花药壁的发育也有一定关系。 花粉发育中表达的基因可分为早、晚两个时期。早期基因的转录在减数分裂后即可检测到，而在成熟花粉中减少或完全消失。晚期基因的转录最早发生于小孢子有丝分裂期，并且随着花粉的成熟继续累加。 （4）花粉发育——不对称分裂和细胞的命运 小孢子第一次不对称分裂产生两个大小不等、结构和命运不同的细胞，即营养细胞和生殖细胞。大量资料表明，小孢子的不对称分裂和细胞不同的发育命运是花粉发育过程中特异基因表达的结果。不对称分裂是分化形成生殖细胞的必要条件，小孢子内部的极性因子影响不对称分裂。 3.成熟花粉粒的形态 成熟花粉粒的形状一般多呈球形、椭圆形，也有略呈三角形或长方形的。水稻、小麦、玉米、棉花、柑橘、桃、番瓜，紫云英等为球形；油菜、蚕豆、桑、梨、苹果等为椭圆形；茶略呈三角形；此外，有的呈线形或四方形。 大多数植物花粉粒的直径在15-50μm之间，水稻花粉粒的直径在42-43μm，玉米味77-89μm，桃为50-57μm，棉花为125-138μm；最大的如紫茉莉为250μm，属于巨粒型；最小的花粉粒为高山勿忘草，仅2.5-3.5μm属于微粒型。 花粉粒外壁的孢粉素的化学稳定性高，抗酸及抗酶解能力很强，使花粉粒外壁的雕文能长期保存。 4.成熟花粉粒的结构 成熟花粉粒具有两层细胞壁，即外壁和内壁，内含2-3个细胞，即一个营养细胞核一个生殖细胞或两个精细胞。 （1）花粉粒壁 外壁较厚，硬而缺乏弹性。外壁的雕纹变化很大，常构成美丽的图案。花粉粒外壁的主要成分为孢粉素，此外尚有纤维素、类胡萝卜素、类黄酮素、脂类及蛋白质等，所以，花粉粒常呈黄色、橙色。花粉粒的内壁较薄，软而有弹性，在萌发孔处常较厚。内壁的主要成分为纤维素、果胶质、半纤维素及蛋白质等。 （2）营养细胞 营养细胞和生殖细胞来自于同一个母细胞，但是在形态结构上，出现了明显变化。营养细胞较大，核结构疏松，核质常向外扩散，含酸性蛋白质较多，染色较浅，通常没有核仁，有的植物营养细胞呈不规则的瓣裂状。营养细胞的细胞质多，细胞器丰富，有大量的质体、线粒体、内质网、多聚核糖体、高尔基体及小泡RNA含量较高。储藏物质的含量也丰富，花粉成熟时，营养细胞中储藏有大量的淀粉、脂肪等，还有各种酶、维生素、无机盐等，在花粉粒的发育后期，质体中常积累大量的淀粉粒，营养细胞的代谢活动较旺盛，这对以后花粉粒萌发和花粉管生长有利。 （3）生殖细胞 在二细胞型花粉粒中，生殖细胞无细胞壁，纺锤形的裸细胞，核结构紧密，组蛋白丰富，染色较深，核仁1-2枚，细胞质较少，内质网不明显，线粒体较小，有成群的微管，与细胞的长轴平行分布，对维持细胞的形状起重要作用。 （4）精细胞 精细胞的结构较为简单，缺少细胞壁，细胞核大，细胞质呈薄层，含线粒体、高尔基体、核蛋白体、内质网和微管等多种细胞器，无质体。 （5）花粉的内含物 花粉的内含物主要储藏于营养细胞的细胞质中，包括营养物质、各种生理活跃物质和盐类。成熟花粉粒的化学成分主要为：蛋白质、糖类、脂肪，灰分，水分。花粉储藏物质以淀粉和脂肪为主。通常风媒植物花粉多为淀粉质的，虫媒植物的花粉则多为脂肪质的。此外，花粉中还含有果糖、葡萄糖、蔗糖、蛋白质以及人体必需的多种氨基酸，这些必需氨基酸含量越丰富，花粉的营养价值就越高。 花粉含有多种维生素，且含量很高，其中尤以B族维生素最多，但缺乏脂溶性维生素。 花粉中的生长调节物质通常包括植物生长素、细胞分裂素、赤霉素、芸薹素、乙烯等。 花粉中含有各种不同的酶，主要是水解酶或转化酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、果胶酶和纤维素酶等。酶对花粉管生长过程中的物质代谢，分解花粉的储藏物质以及同化外界物质起重要作用。 花粉中还含有花青素，糖苷等色素以及无机盐。色素对紫外线起着滤光器的作用，能减少紫外线对花粉的伤害，使花粉能保持较高的萌发率。 三、花粉植物与单倍体育种 （一）花粉的活力 花粉生活力的长短，即决定于植物的遗传性，又受到环境因素的影响。在自然条件下，大多数植物的花粉从花药中散出后，只能存活几小时、几天或几周 花粉粒的类型也与生活力有关，通常三细胞花粉粒因多分裂一次而消耗了一部分营养，其生活力较二细胞的低，不耐储存，对外界不良条件耐受力较差。 影响花粉生活力最重要的环境因素是温度、相对湿度和气体环境。控制这几个因素，最大限度地减低花粉的代谢水平，使花粉处于休眠状态，这时延长花粉生活力的基本原则。 （二）单倍体育种 利用花药和花粉粒离体培养，使其产生愈伤组织或胚状体，然后分化成植株的方法已得到普遍应用。这种来自花粉粒的植株，称为花粉植物，因花粉粒的染色体是单倍体，故又称其为单倍体植物，不过这种植物比较矮小，不能正常开花结实，其细胞中的染色体需经过人工或自然加倍后，才能产生正常开花结实的纯合二倍体植物。 由花粉诱导形成单倍体植株有两种方式。一是由花粉直接形成“胚状体”，“胚状体”一般经过与合子胚类似的各个发育时期，形成单倍体植株。一是由花粉形成愈伤组织，再将愈伤组织转移到分化培养基上，诱导出单倍体植株。在花药和花粉培养中，花药的不同发育时期对诱导分化有很大的影响，由于培养条件及培养基本成分的不同，同一植物的给亚太，其适于培养的发育时期也相应地发生变化，一般多采用 处于单核中期或晚期的花粉。 |
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