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雙受精(double fertilization)是指被子植物的雄配子體形成的兩個精子,一個與卵融合形成二倍體的合子,另一個與中央細胞的極核(通常兩個)融合形成初生胚乳核的現象。雙受精後由合子發育成胚,初生胚乳核發育成胚乳。被子植物胚囊中極核同卵一樣受精產生了具有父本和母本遺傳性的通常是三倍體的胚乳,由這種胚乳「哺育」胚可能使後代更加鞏固它雙親的特性並更富有生命力,因此有人認為雙受精是被子植物繁盛的一個重要原因。

1 雙受精 -概述

雙受精雙受精
被子植物的雄配子體形成的兩個精子,一個與卵融合形成二倍體的合子,另一個與中央細胞的極核(通常兩個)融合形成初生胚乳核的現象。雙受精後由合子發育成胚,初生胚乳核發育成胚乳。  
雙受精雙受精

1880年,俄國植物胚胎學家И.Н.戈羅然金首先發現了裸子植物配子的融合現象。4 年後德國植物胚胎學家、細胞學家Е.А.施特拉斯布格在被子植物中也看到了這種現象。他在水晶蘭中觀察到胚囊中由花粉管釋出兩個雄性核(精子),其中一個與卵結合;當時還不了解第2個精子的命運。1898年,俄國植物胚胎學家С.Г.納瓦申研究了頭巾百合和貝母的受精作用,才發現一個精子和卵融合,而另一個和兩個極核合併。這是雙受精現象的最早發現。1899年,法國植物胚胎學家L.吉尼亞爾也報道了百合屬和貝母屬中同樣的現象,並且繪出一套圖。以後證實雙受精是被子植物普遍存在的現象。

被子植物胚囊中極核同卵一樣受精產生了具有父本和母本遺傳性的通常是三倍體的胚乳,由這種胚乳「哺育」胚可能使後代更加鞏固它雙親的特性並更富有生命力,因此有人認為雙受精是被子植物繁盛的一個重要原因。

2 雙受精 -配子配合前的階段  

在這一段時期,發生的事態有:

花粉萌發和花粉管在花柱中生長 :花粉由各種媒介傳到雌蕊的柱頭上后,立即與雌蕊發生相互作用(見受精(植物))。在親和的情況下,花粉萌髮長出花粉管並鑽入柱頭。花粉管進入柱頭后,繼續在花柱中生長。不同植物的花柱在結構上是不同的。主要有兩種形式:①花柱中有寬廣的中空花柱道(如百合);②花柱是實心的,中央常有特殊的引導組織(如棉花、番茄)。花粉管通過中空的花柱道時,一般是沿著通道表面及在通道細胞分泌的物質中生長。在實心花柱中,花粉管通常是在引導組織充滿基質的細胞間隙中穿行。一般認為胞間隙中的基質成分是碳水化合物,主要是果膠物質。此外,花粉管還可能穿過引導組織的細胞壁生長(如棉花)或從細胞壁與質膜之間穿行(如菠菜)。

花粉管依賴其末端生長,當生長到一定長度后,原來在花粉中含有的物質全部集中到花粉管的前端。在生長過程中花粉管除利用自身的貯藏物質外,同時也可能從花柱中吸收營養。

花粉管進入胚囊和釋放內容物  花粉管伸入子房后,沿子房內壁或胎座繼續生長,直達胚珠,經珠孔進入胚珠,最後到達胚囊。關於花粉管沿一定道路生長的現象,一般認為是受化學物質的吸引,多數學者認為這種化學物質是由助細胞分泌的。

花粉管進入胚囊后的途徑也有各種說法,如穿入一個助細胞、從卵與一助細胞之間或卵與胚囊壁之間通過等等。經過對十多種植物,如棉花、玉米、矮牽牛等的電子顯微鏡研究,證實花粉管是從一個助細胞進入的,而且所進入的那個助細胞常常是在花粉管進入之前解體。花粉管就在此助細胞的位置釋放出內容物。

通過電子顯微鏡觀察發現有些植物的花粉管的末端(如矮牽牛、薺菜)或末端一側(如棉花)具有一孔,因此推測花粉管中的精子和其他內容物是通過此孔釋放的。

3 雙受精 -配子配合

雙受精雙受精

通常把精子與卵的融合稱為配子配合,而精子與極核的融合稱為三核併合。這兩種融合是差不多同時發生的(圖2)。關於配子配合過程的研究主要集中在下列幾方面:

雄配子與雌配子是如何併合為一體的

 過去有人把融合比作兩個油滴的併合,或推測是由於兩種配子的原生質體接觸后質膜突然破裂而得以融合。20世紀60年代后應用電子顯微鏡研究已明確精子與雌配子是通過局部質膜的接觸和溶解而融合的。1973年,美國植物胚胎學家W.A.詹森提出了被子植物雙受精作用中精子轉移至卵細胞和中央細胞的模式圖:雙受精精子先釋放至退化的助細胞(質膜已經消失),由於花粉管內容物釋放時的力量,兩個精子被分別轉移至卵細胞的質膜和中央細胞的質膜處並與之接觸,接觸處的質膜溶解,兩個精核分別轉移至卵和中央細胞的細胞質中。

精子的細胞質是否參與融合

  按W.A.詹森的精子入卵模式,只是精子核轉移至雌性細胞中。實際上在被子植物的受精作用中,精子的細胞質是否參加迄今尚無定論。應用電子顯微鏡的研究,也得出兩種不同的結論:如在棉花的受精卵內看不到精子的細胞質,推測只有核參加受精;但在紅萼月見草的合子中則發現有精子的質體;在白花丹受精后的卵和中央細胞中也發現有精子的線粒體和質體,表明細胞質也參與融合。

核的融合

 配子融合的最後一步。1933年,蘇聯植物胚胎學家Е.Н.格拉西莫娃-納瓦希娜和С.Г.納瓦申對一種菊科植物──還陽參受精作用中精核與卵核的融合作了相當詳細的描述並繪有精美的圖。雙受精根據1979年中國植物胚胎學家胡適宜等對向日葵、小麥、棉花和紫萼幾種植物所作的詳細觀察證明被子植物雄核與雌核融合的基本程序是:

①雄性核與雌性核接觸;

②雄性核和雌性核之間的核膜融合;

③精子核的染色質在卵核內分散和出現雄性核仁;

④雄性核的染色質與雌性核的染色質混合;

⑤雄性和雌性的核仁融合為一個大的核仁。

雙受精雙受精

 精核同極核(或次生核)的融合過程與精核同卵核的融合程序基本相同。

從花粉落到柱頭上至雄性和雌性核完全融合所經歷的時間,因植物不同而異。間隔期短的只有十幾分鐘(如橡膠草),長的可達一年(如櫟屬)。大多數植物為幾小時至48小時之間,例如向日葵是3小時,花生是10~18小時,棉花是20~24小時,甘藍是36~48小時,水稻是1~2小時,小麥是1~4小時,玉米是25~26小時。精卵融合與精子同極核融合通常是同時發生的,也可能精子同極核的融合更早發生,而且一般更快完成融合和進入分裂。這樣胚乳的發育早於胚,可以為胚的發育提供必需的營養物質。

傳粉至受精間隔期的長短還受環境因素,特別是溫度的影響。溫度對花粉萌發和花粉管的生長速度有直接的影響。每種植物花粉萌發和花粉管生長都有自己最適的溫度,低溫可使萌發和生長受抑制,從而延長花粉管到達胚囊的時間。
  

4 雙受精 -受精的類型 

雙受精雙受精

1961年Е.Н.格拉西莫娃-納瓦希娜把被子植物受精劃分為3種形式,即有絲分裂前的類型、有絲分裂后的類型和中間型。她認為精子在受精前處於有絲分裂末期,而卵是處於有絲分裂靜止期。在配子融合時精子表現的行為不同是她劃分受精類型的標準。在核融合過程中,精核與卵核接觸后立即溶解卵的核膜並進入其中,在卵核內過渡到休眠期,融合發生在合子的有絲分裂之前,這屬於有絲分裂前的類型,見於禾本科和菊科。有絲分裂后的類型的特點是精核在開始時不鑽進卵核中,雄核在和卵核靠近時處於休眠狀態。融合發生在合子的第一次分裂前期至中期。百合和香堇屬於這種形式。中間類型是處於前兩種類型之間的情況,即精核在進到卵核之前進入靜止狀態,在與卵核融合過程中同時開始合子的分裂。見於紫茉莉、鳳仙花及紫露草等植物。

在種子植物受精作用中存在不同的核融合方式。目前,詳細研究過的幾種松科植物,如油松、白皮松和歐洲黑松等,表現為精子核進入卵核后,各自獨立形成雄性及雌性的染色體組和自己的紡錘體,真正的融合是在受精卵有絲分裂之後;而詳細研究過的幾種被子植物,向日葵、小麥、棉花和紫萼,是雄性核和雌性核的染色質混合后才分裂。

卵細胞在受精前後的生理生化的變化  

受精前卵細胞的超微結構的特點是:線粒體和高爾基器少,核糖體很少而且不聚集成多體。代謝和合成活動強度比較低。在受精以後,合子中的各種細胞器增加和重新分佈,核常常被大量的造粉質體和線粒體包圍,核糖體聚集成多聚核糖體,呈代謝活躍狀態。

在受精前和受精后卵細胞核中脫氧核糖核酸 (DNA)的含量,根據孚爾根反應方法的測定是有變化的。應用這種方法已經確定,卵細胞在發育早期是強的孚爾根正反應,而達到成熟時變為弱的正反應或負反應。受精以後形成的合子中是正的孚爾根反應。對卵細胞在發育過程中所表現的孚爾根反應強弱的變化是否代表了核中 DNA含量的變化曾有爭論。70年代以來,經熒光顯微鏡和紫外光顯微分光光度計研究的結果,證明核不顯示孚爾根反應不一定缺少DNA或DNA分子的核苷酸,也就是說卵細胞核在任何時期都含有DNA。

多精子進入胚囊和多精入卵  

正常的情況下,一個胚囊只接受兩個精子,但是有時由於不止一個花粉管進入或是由於一個花粉管中形成不止一對精子,於是胚囊中出現有多於一對精子的現象。胚囊中額外精子的存在將有可能引起下面兩種異常受精作用:①多精入卵。有兩種不同的情況:一種是進入卵中多餘的精子在卵中退化,另一種是附加的精子也與卵核融合,這種異常的受精形式只在極少數植物中有細胞學的證據。例如在喜馬鳳仙花中根據在受精的卵核內看到兩個精子核的輪廓,認為是雙精子受精的。②額外的精子與胚囊中的其他細胞受精。 這種現象曾在一種慈菇屬植物(Sagittariagraminea)報道過。這種植物的助細胞形態上與卵細胞相似,有兩個花粉管進入胚囊並放出額外的兩個精子,在受精后的胚囊中有時看到 3個原胚存在,並有兩個花粉管在胚囊的上部。因此推測助細胞與進入的額外精子受精而產生了多胚。在還陽參中曾觀察到有些胚囊中含有2~5個卵細胞和有時一個花粉管不止兩個精子進入胚囊的情況,以及在受精后的胚囊中存在兩個受精卵在分裂的現象,推測有可能發生多於一個卵受精。

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