http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/zwxtb/zwxt99/zwxt9904/990403.htm
正常可育的花粉是被子植物通過雙受精過程進行有性生殖產生後代的必要條件之一。基
於此，花粉形成和發育成為生殖生物學家的研究熱點，並被人們從形態、生理生化方面廣
泛研究。花粉的形成經歷如下幾個過程：(1)通過幾次有絲分裂形成二倍體造孢組織；(2)
通過兩次減數分裂形成單倍體小孢子；(3)小孢子通過兩次有絲分裂形成含精細胞的雄配
子體。尤為特別的是小孢子在有絲分裂過程中出現與一般有絲分裂不同的兩個極為顯著的
特徵：(1)缺少早前期帶微管(PPB)；(2)小孢子第一次有絲分裂不對稱，造成生殖細胞和
營養細胞的顯著差異。已有實驗證明上述一系列活動均由骨架因素控制。本文對小孢子母
細胞發育成花粉過程中(本文對二細胞和三細胞花粉均以形成生殖細胞和營養細胞的二細
胞階段作為花粉發育的最終階段)細胞骨架動態變化及生物學意義的研究進展進行介紹。
1 花粉形成過程中微管骨架的變化
應用免疫螢光定位技術結合超微結構研究對湖北百合(Sheldon和Dickinson,1986)、
紫露草(Schopfer和Hepler,1991)、茄(Traas等，1989)、茄和虎眼萬年青(Hogan,1987)、
加州杓蘭(Brown和Lemmon,1996)及其他植物(Brown和Lemmon,1988;1989;1991a;1992c)的
小孢子母細胞減數分裂和蝴蝶蘭(Brown和Lemmon,1991c;1991d;1992b)、大葉杓蘭(Brown
和Lemmon,1994)、歐洲油菜(Hause等，1992)、Dactylorchis fuschii (Burgess,1970)以
及沙魚掌(Van等，1985；Van,1985)等小孢子有絲分裂過程中微管分佈的變化進行過細緻
的描述。最近利用共焦激光掃瞄電鏡(CLSM)揭示出紫露草小孢子不對稱紡錘體和半球狀成
膜體的三維結構及微管的動態變化(Terasaka和Niitsu,1995)。
小孢子母細胞減數分裂前期Ⅰ，微管呈網狀隨機分佈於細胞質中，並在近核區域密
集(圖1，a)。而在湖北百合早前期，微管在核表面的兩個微管組織中心(MTOC)間擴展(圖1
，a1)，在晚前期分散開，並與核膜接觸呈輻射狀分佈於細胞質中(圖1，a2)，後來隨機分
佈。中期Ⅰ，微管構成兩極匯聚的紡錘體(圖1，b)，紡錘體區域無細胞器(Brown和
Lemmon,1989;Sheldon和Dickinson,1986)。後期Ⅰ，微管在極區鬆散而集中於赤道區，直
到末期Ⅰ形成成膜體(圖1，c)，伴隨著成膜體的離心擴展，細胞壁形成。二分體中的微管
從核向胞質輻射(圖1,d)。減數分裂Ⅱ的微管分佈變化類似於減數分裂Ⅰ的，胞質分裂中
出現成膜體及細胞壁沉積。小孢子四分體中微管的分佈類似二分體的。此種類型多見於單
子葉植物連續型胞質分裂的種如玉米(Staiger和Cande,1991)、虎眼萬年青(Hogan,1987)
及某些雙子葉植物同時型胞質分裂的種如玉蘭(Brown和Lemmon,1992c)。
大部分同時型胞質分裂的種如加州杓蘭(Brown和Lemmon,1996)、忍冬和蘇丹鳳仙(Brown和
Lemmon,1988)的小孢子母細胞減數分裂Ⅱ的微管動態與上述類型有所不同。減數分裂Ⅰ完
成後，沒有成膜體及細胞壁的沉積，但赤道區存在一個明顯的胞器帶。減數分裂前期Ⅱ，
微管仍從二分體的二個核向外輻射。中期Ⅱ，紡錘體同時形成於胞器帶的兩側，紡錘體的
極匯聚，其軸均平行於胞器帶(圖2，a)，或一個平行，一個垂直(Brown和Lemmon,1988)。
後期Ⅱ，著絲點微管縮短，紡錘體伸長並在赤道區彎曲遠離胞器帶。晚後期/末期，著絲
點微管構成星狀結構，極微管包圍姊妹染色體群，立體觀可見彎曲的紡錘體中長短不等的
微管匯聚成圓錐體(圖2，b)。末期Ⅱ，微管於姊妹染色體群間聚集構成羽干，從羽幹上發
出的微管構成掃帚狀的結構，非姊妹染色體間微管相互接觸(圖2,c)。末期完成時，極聚
集體消失，姊妹間微管相互接觸(圖2，d)。此時四核孢子間微管相互接觸，構成四個小孢
子的胞質域(domain)(圖2,e)。細胞壁同時離心沉積於相互接觸的微管間(圖2，f)。在某
些同時型胞質分裂的種中，二次減數分裂均形成成膜體，減數分裂Ⅰ有短暫的壁或無，四
核孢子中非姊妹間的次生成膜體晚於姊妹間的，以細胞板形成(Brown和
Lemmon,1991a;1991b)或溝化過程(Brown和Lemmon,1992a;1992c)完成胞質分裂。還有一些
同時型胞質分裂的種，減數分裂Ⅰ形成成膜體，減數分裂Ⅱ無成膜體，以溝化方式分隔四
分孢子(Brown和Lemmon,1988;1989;Hogan,1987;Van等，1985)。
胞質分裂完成後，包在一起的四個小孢子中微管單個存在，從核向胞質輻射，並連接質膜
(Dickinson和Sheldon,1984;Van等，1985；Van,1985)。自由小孢子核位於細胞中央，微
管圍繞核膜分佈。當小孢子通過液泡化增大體積，小孢子核移向小孢子壁時，單一微管呈
隨機網狀，與前者相比緻密程度極大減少，電鏡觀察可見微管連接核與質膜
(Burgess,1970;Hause等，1992；Sheldon和Dickinson,1986;Van等，1985)。
進入分裂期的小孢子，除不形成PPB外，其微管分佈特徵同體細胞的基本一致。分裂
前期的微管在核區構成緻密網絡。中期的微管構成不對稱紡錘體，著絲點微管連接染色體
和極區，有些進入赤道板連接兩極。紡錘體的生殖極寬並靠近質膜，營養極匯聚於細胞中
央(Brown和Lemmon,1991c;1991d;1992a;1992b;1994;Burgess,1970;Hause等，1992；
Terasaka和Niitsu,1990;Van等，1985)。中期向末期轉變中，著絲點微管縮短，並在胞質
分裂開始時消失；極到極的微管仍存在，直到末期圍繞生殖核的半球狀成膜體出現。此時
生殖細胞的微管與生殖核膜連接並與細胞板的小泡靠近；營養細胞的微管終止於內質網。
當細胞壁在成膜體中央形成並離心擴展時，微管存在於成膜體靠近花粉壁處。生殖細胞從
營養細胞中分離但仍貼壁時，兩細胞的微管均靠近共同壁，但生殖細胞的微管與共同壁平
行，營養細胞的微管呈隨機網絡。
需特別指出的是在蝴蝶蘭屬小孢子有絲分裂早前期(Brown和Lemmon,1991c;1992b)，
細胞的極性化以微管骨架的重組為標誌，在小孢子遠端表面，極的結構由大量刷狀微管構
成，它們排列鬆散，具多個中心，該結構稱作GPMS系統(system of microtubules at
the generative pole)。小孢子核移向花粉壁時，生殖極靠近GPMS處。晚前期的小孢子強
烈極性化，大量內質網在遠側胞質中呈區域性擴增，其他細胞器被排除，生殖極明亮區域
被GPMS微管佔據。
2 花粉形成過程中肌動蛋白纖絲骨架的變化
利用螢光探針方法已對沙魚掌(Van等，1989)、二喬木蘭(Dinis和Mesquita,1993)、
百合(Sheldon和Hawes,1988)、茄(Traas等，1989)及玉米(Staiger和Cande,1991)等的小
孢子母細胞減數分裂和歐洲油菜(Hause等，1992)、蝴蝶蘭(Brown和Lemmon,1991d;1992b)
等的小孢子有絲分裂過程中肌動蛋白的動態變化進行了詳細的觀察。微絲的分佈格局與微
管的相似，尤其與紡錘體及成膜體中的微管相伴存在。
小孢子母細胞減數分裂前期Ⅰ，微絲隨機分佈，近核區緻密。中期Ⅰ，紡錘體中出現
微絲，胞質微絲仍存在。後期Ⅰ，紡錘體中染色體到極的微絲縮短，極到極的微絲無變化
。末期Ⅰ，胞質微絲急劇減少，紡錘體微絲消失，成膜體微絲出現，甚至構成類似成膜體
的盤狀結構(Dinis和Mesquita,1993;Traas等，1989)。兩核移向中央後，微絲網繞核分佈
，核間絲隨機分佈。減數分裂Ⅱ各時期微絲構型與減數分裂Ⅰ的相以。四分孢子中微絲呈
網狀分佈。
自由小孢子時期，微絲在細胞中央形成粗束，在胞質形成平行束(Van等，1989)。但
在歐洲油菜(Hause等，1992)小孢子中檢測不到肌動蛋白，僅當胞質分裂時微絲在成膜體
中出現並向兩邊的花粉壁方向擴展。生殖細胞從營養細胞中分離出來時被微絲厚束包圍，
而營養細胞的微絲呈環狀局限於赤道處一個狹小的區域，後來環狀結構沿花粉表面擴展。
肌動蛋白纖絲存在於蝴蝶蘭(Brown和Lemmon,1991c;1992b)及紫露草(Schopfer和
Hepler,1991)小孢子有絲分裂過程中，它們在前期細胞極性化和核遷移過程中維持網狀
(Brown和Lemmon,1991c;1992b),並參與形成紡錘體和成膜體(Brown和
Lemmon,1991c;1991d;1992b;Schopfer和Hepler,1991)。
3 微管和微絲在花粉形成中的作用
3.1 正常可育花粉的形成依靠小孢子不等有絲分裂產生的生殖細胞和營養細胞的分化
小孢子分裂前核的遷移、核靠邊位置的維持及細胞質重組過程均由微管系統決定
(Brown和Lemmon,1991c;1991d;1992b;Tanaka,1991;1997;Terasaka和
Niitsu,1990;1995;Van等，1985)。微管抑制劑秋水仙素阻止小孢子不對稱分裂和破壞質
體等的極性分佈，而微絲抑制劑細胞鬆弛素對此無影響(Eady等，1995；Tanaka和Ito，
1981；Terasaka和Niitsu,1990)；高溫(32 ℃)條件下培養小孢子，微管分佈發生重排，
導致小孢子對稱分裂而形成胚(Hause等，1993)，微絲對此無影響；鋰可阻止小孢子核遷
移和增加對稱分裂的頻率，這種效應可被Ca2+和肌醇逆轉，推測鋰可直接或間接與微管或
其他骨架成分相互作用(Zonia和Tupy,1995)。蝴蝶蘭小孢子生殖極微管系統(GPMS)可能還
參與生殖極的形成，並可代替早前期帶微管(PPB)控制分裂面的建立(Brown和
Lemmon,1991c;1992b)。成膜體彎曲形狀及細胞板離心沉積的方式由生殖核發出的輻射狀
微管決定(Brown和Lemmon,1991a;1991c;1991d;1992b;1994)。
3.2 小孢子母細胞正常的減數分裂過程也是由微管系統決定的
實驗證明秋水仙素處理不同發育時期的小孢子母細胞可以不同程度地破壞減數分裂繼
續進行(Sheldon和Dickinson,1986;Traas等，1989)。氯異丙基苯基氨基甲酸
(chloroisopropylphenyl carbamate CIPC)和灰黃黴素(griseofulvin)處理小孢子母細胞
導致多極紡錘體出現和染色體錯誤分佈，產生非正常位置的核及異常排列的四分體(線形
或T形)(Brown和Lemmon,1992c;Traas等，1989)。最近Brown和Lommon(1996)對同時型胞質
分裂產生的機制提出新的見解：基於核而建立的輻射狀微管系統決定胞質域，沒有胞質分
裂器(PPB和成膜體)細胞仍可進行胞質分裂及調節細胞壁的沉積。這可由灰黃黴素處理
(Brown和Lemmon,1992c)或種間雜交(Brown和Lemmon,1989)導致減數分裂形成異常四分體
，但輻射狀微管仍出現及胞質分裂仍正常進行的事實得到證明。
此外，微管網狀構型利於核的固著、維持細胞質的剛性及向細胞表面運輸物質
(Dickinson和Sheldon,1984;Hause等，1992；Van等，1985)。
3.3 微絲在花粉形成中具四種分佈格局
中央細胞質網、周質網、紡錘體絲和成膜體絲。微絲常與微管相伴存在。通過比較玉
米野生型與兩個突變體ms 17(產生多極紡錘體和多餘紡錘體)和dv(紡錘體不匯聚)小孢子
母細胞減數分裂過程中微管和微絲的分佈(Staiger和Cande,1991)及藥物處理(Brown和
Lemmon,1992b;Sheldon和Hawes,1988;Staiger和Cande,1991;Traas等，1989)、低溫實驗
(Van等，1989)，證明了微絲和微管的相互依賴關係。微絲網狀構型可能參與胞質空間結
構的維持和液泡運輸(Brown和Lemmon,1988;1991c;1992b;Sheldon和Hawes,1988;Traas等
，1989；Van等，1989)。成膜體中的微絲可能與微管協作使成膜體從初始的中央位置向細
胞邊緣移動，指導細胞板弓狀發育和向細胞板運輸小泡(Brown和
Lemmon,1991d;1992b;Dinis和Mesquita,1993;Hause等，1992；Traas等，1989)。赤道區
肌動蛋白盤狀結構類似PPB，參與減數分裂Ⅱ分裂面的決定及胞質溝化過程(Dinis和
Mesquita,1993;Traas等，1989)。此外線粒體和質體聚集於赤道區，赤道區交叉微絲維持
其特徵性分佈(Sheldon和Hawes,1988)。
4 問題和展望
綜上所述不難看出，對花粉形成過程中細胞骨架功能已有相當深入的瞭解和認識，但
這種認識多是依據形態學上的觀察結果而進行的推測，缺少充分的實驗證據，並且還有一
些關鍵性的問題存在爭議，如(1)關於減數分裂中胞質分裂的機制問題，即胞質分裂器的
有無及組成，尚有爭議。在連續型的胞質分裂植物(絕大多數單子葉植物)及少數同時型胞
質分裂植物(雙子葉植物)中，胞質分裂器與體細胞的同源，成膜體由微管、微絲和膜結構
組成，細胞壁的沉積與成膜體的離心擴展有關(Brown和Lemmon,1991a;1991b;Staiger和
Cande,1991;Sheldon和Hawes,1988;Schopfer和Hepler,1991)。而大多數同時型胞質分裂
的植物，成膜體/細胞板缺少或有而一般不被認為是胞質分裂器的一部分，胞質分裂由溝
化過程(Brown和Lemmon,1988;1989;1992a;1992c;Hogan,1987;Van等，1985)或細胞壁的向
心沉積而完成(Brown和Lemmon,1996;Traas等，1989)。Brown
Lemmon(1988,1989,1992a,1992c,1996)提出胞質分裂的模型：同時型胞質分裂的分裂面由
基於核而建立的輻射狀微管系統確定的胞質域決定的，而不似體細胞那樣分裂面由分裂前
就已確定的分裂位點(sites)決定。可以肯定，胞質分裂方式發生多種形式的變異與進化
過程有關。但胞質分裂的調控機制及其與進化的關係等有待今後進一步研究。(2)生殖極
微管系統(GPMS)僅在蝴蝶蘭(Brown和Lemmon,1991c;1992b)的小孢子中發現，此屬小孢子
缺乏其他植物那樣的液泡系統。而在大葉杓蘭(Brown和Lemmon,1994)、紫露草(Terasaka
和Niitsu,1990)及歐洲油菜(Hause等，1992)、沙魚掌(Van等，1985)的小孢子中未觀察到
此結構，這種特殊的微管系統在被子植物中是否具有普遍性尚需廣泛調查，它在小孢子分
裂中的作用值得進一步研究。
近幾年，藥物學、分子生物學及生物化學等研究手段的引入為該領域在更高層次上的
研究工作開拓了新的視野(Brown和Lemmon,1992c;Eady等，1994；1995；Staiger和
Cande,1991;Tanaka,1997;Traas等，1989)。例如人們已經克隆出花粉發育過程中特異表
達的基因，如廣泛研究的花粉發育後期表達基因(late pollen genes)，並已在轉基因植
物中表達。將該基因群中的一類，營養細胞特異的蕃茄花藥發育後期表達基因lat52(其啟
動子僅在小孢子有絲分裂後，生殖細胞脫離花粉壁進入營養細胞中發生激活(Eady等，
1994)，導入煙草可與報告基因(β-葡糖苷酸酶基因，即gus基因)融合，獲得轉基因煙草
，研究轉基因煙草的小孢子在不同濃度秋水仙素處理後生殖細胞的正常分化與lat52基因
活化之間的關係(Eady等，1995)，從另一個角度提供了微管在細胞分化中的作用的證據。
勿庸置疑，多學科的相互滲透、實驗結果的相互印證是本學科今後的發展趨勢。
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After black clouds, clear weather.
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