花粉粒的萌發(fā)和花粉管通道法簡(jiǎn)述

摘要 主要通過(guò)文字配圖簡(jiǎn)述了花粉粒的萌發(fā)和花粉管的伸長(zhǎng)過(guò)程。敘述了植物基因工程中的花粉管通道法理論的提出、外源DNA導(dǎo)入方法和時(shí)機(jī)、應(yīng)用前景、局限性及其優(yōu)化等內(nèi)容，以期對(duì)中學(xué)師生學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容有所幫助。

關(guān)鍵詞 花粉粒萌發(fā) 花粉管伸長(zhǎng) 花粉管通道法 外源DNA導(dǎo)入

中圖分類(lèi)號(hào) Q-49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 E

新課標(biāo)高中生物選修三中講到基因工程操作程序中，將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞時(shí)提到了花粉管通道法；在高中生物必修一組成生物體的化學(xué)元素中講元素的重要作用時(shí)，教師一般會(huì)舉例微量元素硼(B)的生理功能是促進(jìn)花粉粒的萌發(fā)和花粉管的伸長(zhǎng)。高中學(xué)生對(duì)花粉粒和花粉管的知識(shí)了解得很少，而對(duì)于花粉管通道法的具體內(nèi)容中學(xué)教師也知之甚少。下面將通過(guò)文字配圖簡(jiǎn)述之，以期對(duì)中學(xué)師生學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容有所幫助。

1 花粉粒的萌發(fā)和花粉管的伸長(zhǎng)

1.1 花粉粒的萌發(fā)

植物授粉是受精的前提。具有生活力的花粉粒落到雌蕊的柱頭上，被柱頭表皮細(xì)胞分泌的黏液吸附后，花粉壁中的識(shí)別蛋白與柱頭乳突細(xì)胞表面的特異蛋白質(zhì)表膜相互識(shí)別。如果二者是親和的，則花粉粒可得到柱頭的滋養(yǎng)并從周?chē)账郑x活動(dòng)加強(qiáng)，體積增大。吸水后的花粉粒呼吸作用迅速增強(qiáng)，細(xì)胞中多聚核糖體數(shù)量增多，蛋白質(zhì)的合成也有顯著的提高，其營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的液泡化增強(qiáng)，細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)增多，細(xì)胞的內(nèi)壓增大，這就迫使花粉粒的內(nèi)壁向著一個(gè)(或幾個(gè))萌發(fā)孔突出并繼續(xù)伸長(zhǎng)，形成花粉管，這一過(guò)程稱(chēng)作花粉粒的萌發(fā)(圖1)。實(shí)驗(yàn)證明此過(guò)程中，硼(B)元素起著重要作用，硼元素可以減少花粉的破裂，提高花粉的萌發(fā)率，并促使花粉管生長(zhǎng)。

1.2 花粉管的伸長(zhǎng)

由于花粉粒的外壁性質(zhì)堅(jiān)硬，包圍著內(nèi)壁的四周，只有在萌發(fā)孔的地方留下伸展余地，所以花粉的原生質(zhì)體和內(nèi)壁，在膨脹的情況下，一般向著一個(gè)萌發(fā)孔突出，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管子，稱(chēng)為花粉管。有些植物的花粉具有幾個(gè)萌發(fā)孔，可同時(shí)長(zhǎng)出幾個(gè)花粉管，但其中只有一個(gè)能繼續(xù)生長(zhǎng)下去，其余都停止生長(zhǎng)。花粉管必須伸長(zhǎng)才能進(jìn)入胚囊(圖2)。花粉管實(shí)際上是一種有多個(gè)核的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)。花粉粒萌發(fā)后，花粉管進(jìn)入柱頭，穿過(guò)花柱而到達(dá)子房。當(dāng)花粉管生長(zhǎng)時(shí)，花粉粒中的內(nèi)容物幾乎全部集中在花粉管的亞頂端。如果是三核期花粉粒，則包括1個(gè)營(yíng)養(yǎng)核和2個(gè)精細(xì)胞、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器。如果是二核期花粉粒，生殖細(xì)胞在花粉管中再分裂一次，形成2個(gè)精細(xì)胞。花粉管到達(dá)子房后，通常從珠孔進(jìn)入胚囊，稱(chēng)為珠孔受精。少數(shù)植物的花粉管從合點(diǎn)部位進(jìn)入胚囊，稱(chēng)為合點(diǎn)受精；或從胚珠中部進(jìn)入胚囊，稱(chēng)為中部受精。為什么花粉管總能準(zhǔn)確地伸向胚珠和胚囊呢?目前有研究認(rèn)為花柱道、子房?jī)?nèi)壁、胎座、珠孔道和助細(xì)胞等，能分泌某些化學(xué)物質(zhì)(如鈣、硼)，誘導(dǎo)花粉管的定向生長(zhǎng)。

2 花粉管通道法及其應(yīng)用前景

2.1 花粉管通道法轉(zhuǎn)化理論提出

花粉管通道法是_種較老的植物轉(zhuǎn)化方法，是我國(guó)科學(xué)家周光宇在1983年首次在“Methods in En-zymology”報(bào)道的研究成果。該技術(shù)的原理主要是授粉后向子房注射含目的基因的DNA溶液，利用植物在

圖2雌蕊的結(jié)構(gòu)模式及其花粉的萌發(fā)過(guò)程開(kāi)花、受精過(guò)程中形成的花粉管通道，將外源DNA導(dǎo)人受精卵細(xì)

胞，并進(jìn)一步地被整合到受體細(xì)胞的基因組中，隨著受精卵的發(fā)育而成為帶轉(zhuǎn)基因的新個(gè)體。該法的最大優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)組織培養(yǎng)人工再生植株，技術(shù)簡(jiǎn)單，不需要裝備精良的實(shí)驗(yàn)室，常規(guī)育種工作者易于掌握。

2.2 花粉管通道法中外源DNA導(dǎo)入方法和時(shí)機(jī)

花粉管通道操作方法通常有：微注射法、柱頭滴加和花粉粒攜帶。其中，最初的操作方法是柱頭滴加法。在以后的實(shí)踐中，又根據(jù)植物的花器結(jié)構(gòu)特征等，開(kāi)發(fā)了一些新的花粉管通道導(dǎo)入外源DNA的技術(shù)方法，如子房注射法，即對(duì)于子房較大的受體，在授粉后使用微量注射器沿子房縱軸插入一定深度注射外源DNA溶液；或采用花粉粒攜帶法，即用待轉(zhuǎn)基因的溶液處理花粉粒，用這種攜帶有外源基因的花粉粒授粉。

早期的花粉管通道法所用的外源DNA是種間或?qū)匍g帶有目的基因的供體總DNA片段，隨著基因工程的發(fā)展，現(xiàn)在導(dǎo)入的一般為重組分子，把有益的基因連在質(zhì)粒載體上導(dǎo)人受體，去除不必要的基因。花粉管通道法實(shí)施的最佳時(shí)機(jī)集中在植物傳粉受精后的一段時(shí)間，這是有其根據(jù)的。一方面，早期胚細(xì)胞不具有正常細(xì)胞壁，因此易于DNA轉(zhuǎn)化；另一方面，受精后的細(xì)胞DNA復(fù)制活躍，易于DNA整合。

2.3 花粉管通道法應(yīng)用前景

_花粉管通道法與其他轉(zhuǎn)化方法比較，主要優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。

①保留了常規(guī)育種的基本特點(diǎn)，可直接按照育種要求選擇轉(zhuǎn)化后代。

②直接得到轉(zhuǎn)化種子，無(wú)須進(jìn)行繁瑣的組織培養(yǎng)，并免除了從離體原生質(zhì)到再生植株漫長(zhǎng)的人工培養(yǎng)過(guò)程，比常規(guī)有性雜交有更快的速度。也減少了基因型的影響。

③操作簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，無(wú)需昂貴的儀器和化學(xué)藥品，育種研究人員可直接在大田操作。

④進(jìn)入受體基因組的是部分DNA片段或目的基因，因此導(dǎo)入的DNA易于整合，轉(zhuǎn)移基因所控制的性狀在受體株中易于穩(wěn)定。

⑤具備基因工程的先進(jìn)性，不僅可以導(dǎo)入供體的總DNA，而且可以導(dǎo)入含有目標(biāo)基因的質(zhì)粒，甚至可將化學(xué)誘變劑導(dǎo)入胚囊。

⑥可省略抗生素標(biāo)記基因，因而在轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品中，將不會(huì)含有抗生素表達(dá)，安全性可能更好。

總之，花粉管通道法現(xiàn)已被譽(yù)為流行的轉(zhuǎn)基因方法的一種，成為國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中的熱門(mén)課題。在其他涉及植株再生的轉(zhuǎn)基因方法遇到困難時(shí)，研究者往往利用花粉管通道法來(lái)改變現(xiàn)狀。

2.4 花粉管通道法的局限性及其優(yōu)化

花粉管通道法屬于常規(guī)育種范疇的技術(shù)手段之一，也有其局限性，如早期將完整的基因組導(dǎo)人受體基因組，會(huì)引起性狀的大量分離，需經(jīng)多代自交純化，才能得到目標(biāo)性狀純合穩(wěn)定的后代，所以時(shí)間相對(duì)久一些。同時(shí)，花粉管通道法只能用于開(kāi)花植物，且只有在花期可以進(jìn)行轉(zhuǎn)育，導(dǎo)入總DNA片段的轉(zhuǎn)育株會(huì)帶有少量非目的性狀的DNA片段，其效果也受結(jié)實(shí)率與轉(zhuǎn)化率的限制，如前人研究中運(yùn)用花粉管通道法轉(zhuǎn)化外源DNA轉(zhuǎn)化成植株率一般僅為1％～10％。另外花粉管通道法的外源基因整合機(jī)理還不清楚。因此，花粉管通道法技術(shù)還并不十分成熟，在一定程度上限制其廣泛應(yīng)用。

目前研究花粉管通道法導(dǎo)人時(shí)期與方法有不少報(bào)道，在多種植物中取得了成功。但實(shí)際操作起來(lái)還需根據(jù)不同情況進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，使花粉管通道法技術(shù)趨向成熟。例如，對(duì)于一些花器小的作物，花粉管通道細(xì)，以及閉花授粉等原因，使得花粉管通道技術(shù)應(yīng)用難度較大，人們開(kāi)始考慮用脅迫法、誘導(dǎo)法、農(nóng)桿菌法以及通過(guò)單基因結(jié)合總DNA導(dǎo)入等方法以加快外源DNA移動(dòng)。