白杄花粉管胞吞/胞吐动态及其与细胞壁构建的关系

在有花植物受精过程中，具有顶端极性生长特性的花粉管是雄性生殖单位的载体，同时也是研究细胞生长分子调控机理的理想体系。与被子植物相比，裸子植物花粉具有萌发时间长、花粉管生长缓慢等特点。对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的机理，目前人们尚不十分清楚。本文将以裸子植物白杄（Picea meyeri）花粉为材料，应用不同浓度的分泌系统干扰剂Brefeldin A处理，并通过细胞学和生理生化方法，其中包括普通光学显微镜、荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、显微红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）等技术，对其花粉萌发和花粉管生长过程中胞吞胞吐的调控，以及与细胞壁建成的关系等进行较为系统的研究，旨在为进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机理提供参考。 首先比较观察了各种细胞器在白杄与被子植物花粉管中的分布差异。经FM4-64探针标记结果表明，在正常生长的白杄花粉管顶端存在分泌小泡积累的透明区，但与被子植物比较起来，此透明区在花粉管中所占比例较小，且不呈倒“V”字型。在透射电镜下观察发现，其花粉管顶端透明区内分泌小泡的分布密度远低于被子植物。另外，在白杄花粉管中，线粒体的分布一般靠近细胞壁的地方，高尔基体分布较为分散，而内质网的分布则不具方向性。 其次，研究了BFA对白杄花粉萌发和花粉管生长的影响，特别是对其花粉管生长过程中的胞吐/胞吞作用。通常在正常生长的白杄花粉管中，用FM4-64标记后发现，在其顶端形成与透明区对应的荧光亮区;超微结构显示，在花粉管顶端进行旺盛的胞吐作用，许多分泌小泡正与质膜融合，以及分布有大量显示高分泌活性的壁旁体（PB）等。而经过BFA处理后，花粉的萌发和花粉管的生长均受到严重抑制，花粉管出现了弯曲（波状生长）或顶端膨大等异常形态，同时还干扰了FM4-64在花粉管顶端的标记模式。另外，花粉管顶端分泌小泡数量减少，透明区内充满线粒体、高尔基体和空泡等一些大的细胞器，壁旁体也随之消失，其中高尔基体呈现解体或弯曲的异常形态，在其周围的分泌小泡数量大大减少，内质网出现膨胀和核糖体脱落等;同时胞吐活性标志性酶——酸性磷酸酶的活性也随之降低。通过对FM4-64的染料吸收实验表明，BFA对胞吞有明显的促进作用。由上可见，BFA对白杄花粉管生长过程中的胞吐和胞吞作用起了相反的影响， BFA正是通过扰乱花粉管生长过程中的分泌途径来抑制其花粉管的生长。 最后，检测了白杄花粉管分泌途径紊乱后，管壁物质合成的变化情况。通过FTIR光谱分析表明，BFA处理后花粉管壁化学组分发生了变化，例如蛋白质和多糖含量明显减少，而且与蛋白比较起来，多糖的含量下降更为明显，尤其是在顶端。蛋白和多糖含量的下降导致花粉管壁的组成结构不够致密。由SDS-PAGE的结果显示， BFA抑制后，花粉管壁中糖蛋白的含量下降了60%，同时很多壁蛋白条带在BFA处理后不表达或含量减少。通过对花粉管壁多糖成分的研究表明，BFA处理还导致纤维素含量下降，而胼胝质在花粉管顶端积累。用识别AGPs的LM6和识别酸性果胶的JIM5对花粉管进行标记，发现BFA处理后AGPs的环状分布消失，酸性果胶质在顶端的含量也明显减少，但在胞质内却形成一些小的分隔亮点（compartments）。 综上所述，导致裸子植物白杄花粉管生长缓慢的原因，可能与其顶端透明区较小、分泌小泡数量少等有关。另外，从白杄花粉管的细胞质状态和细胞器分布上看，虽然与被子植物相比差异较大，但在其正常生长中仍能进行旺盛地胞吐和胞吞过程。经BFA处理后引起花粉管内分泌系统的紊乱，致使管壁物质不能正常合成，从而导致花粉管的停滞生长。