黄瓜的生物学研究进展.doc

黄瓜生物学研究进展崔启微 摘 要：通过介绍黄瓜在胚胎学、形态结构植物学、细胞学、育种学四个方面的生物学研究进展，揭示黄瓜的胚胎学特征，雌、雄同株异花的特殊性别分化机理，花粉母细胞减数分裂和雄配子发育，相反性器官的发育命运，和在实际育种中的单倍体的获得，微核仁的发现等问题关键词：黄瓜 发育 性器官黄瓜（Cucumis sativus L.）是葫芦科中重要的蔬菜植物，它具有芳香的气味、较高的食用价值，且在生理上为雌雄同株异花，因此成为研究植物性别分化、离体培养等方面重要的实验材料，所得的研究成果引起了人们的广泛关注本文对黄瓜的胚胎学、形态结构植物学、细胞学、育种学四个方面的研究成果进行综述，旨在全面揭示黄瓜生物学研究进展1 黄瓜生物学研究的现状1.1 黄瓜的胚胎学研究进展迄今为止，有关黄瓜的胚胎学研究方面的报道资料还比较匮乏，仅从以下几个方面进行简单的介绍1.1.1小孢子及雄配子体的发育花粉是在花药中产生的大多数的被子植物的花药具有四个小孢子囊，少数的具有两个，他们由药隔组织分开当花药达到成熟时期，每一侧的两个小孢子囊往往由于药隔消失而连通，每一个小孢子囊包含药室和由数层细胞组成的药壁，在药室中产生小孢子并继续留在小孢子囊中进一步发育形成雄配子体，即花粉。

[1]葫芦科的植物大多数是花药两室或者四室在黄瓜和野黄瓜中，同一朵花上既有两室也有四室，药室内壁有纤维加厚，中层有1—3层，它在发育的过程中消失最内层的腺质绒毡层细胞为2核或3核黄瓜的小孢子母细胞的减数分裂和胞质分裂是同时的发生小孢子经减数分裂产生营养细胞和生殖细胞，生殖细胞的有丝分裂则产生两个雄配子即精细胞在小孢子母细胞的减数分裂的过程中，四分体是四分同裂的如果没有发生变异，那么正常的花粉粒为2细胞型[2]1.1.2 大孢子及雌配子体的发育胚珠是种子的前体物它在大孢子囊中形成大孢子，并继续留在大孢子囊中进一步发育形成雌配子体被子植物的雌配子体常称之为胚囊胚囊的合点—珠孔轴具极性典型的结构形式是由七个细胞组成，在珠孔端有一个卵细胞和两个助细胞，在合点端有三个反足细胞及在这两群细胞之间有一个大的含二极核的中央细胞雌配子体发育又可以划分为两个时期：大孢子发生时期和雌配子发育时期[1]黄瓜具倒生的胚珠，双珠被，厚珠心其珠孔由内珠被形成胚珠发生孢原分裂形成周缘细胞与造胞细胞，随着珠心表皮的分裂和再分裂形成多层周缘层，狭长的珠心喙在珠孔中延伸造胞细胞发育为大孢子母细胞，大孢子母细胞发生减数分裂，线形四分体的合点端的大孢子发育为蓼形胚囊。

助细胞具钩，极核在受精时融合，3个反足细胞后来消失，常有淀粉粒存在花粉管在珠孔基部膨大1.1.3 受精作用受精是指雄配子（精细胞）与雌配子（卵细胞）的融合受精的终止即为新个体的起点被子植物发生的是双受精，即雄配子体的两个精细胞，一个与卵细胞融合，另一个与含两个极核的中央细胞融合双受精的结果导致被子植物的受精不仅产生胚，而且产生一个新的结构——胚乳整个过程经历的主要程序如下：①花粉在柱头萌发和长出花粉管②花粉管生长通过花柱③花粉管进入胚囊和释放内容物④配子融合[1]黄瓜属于单性花植物，其受精作用是基于雌雄同株异花的条件之上的经历的时间约为24—32h[1]1.1.4 胚乳的发育胚乳是双受精的产物，它的命运是最后作为一种特殊的营养组织，或早或迟被胚的发育吸收而不存在胚乳的发育是从初生胚乳核的分裂开始的根据初生胚乳核分裂后是否形成壁，胚乳分为三种类型：核型、细胞型、沼生目型[1]包括黄瓜在内的葫芦科植物的胚乳为核型胚囊的上部隆起，其余的部分形成很明显的合点吸器，在存活着的吸器中可观察到原生质的流动[2]胚乳的上部，即胚乳本体，在发育的后期一般形成细胞的胚乳，而下部保持游离核的形态胚乳的管状吸器部分含浓厚的细胞质，其中的游离核经常数个聚集成群，有的种类吸器末端显著膨大。

此外，当吸器的活动减弱时，胚乳本体基部的周缘细胞常常变为排列疏松和形成乳头状的突起，它们有浓厚的细胞质和较大的细胞核，似有代替原来吸器的作用[1]1.1.5胚的发育胚也是双受精的产物，它的命运是成为新一代独立生活的孢子体胚包含一具叶的胚轴，在子叶上方的胚轴极短和不明显，将来伸长为上胚轴，最上端的是胚芽，即胚性的茎端，子叶下方的胚轴部分称为下胚轴，最下端产生胚根，胚的发育是从合子分裂开始的，经过原胚和胚的发育和分化阶段，最后达到成熟[1]黄瓜的胚的发育中，细胞的形成始于珠孔端，逐渐到合点极，而吸器仍保持多核，胚胎发生为柳叶菜型葫芦科种子的特征可归纳为：种子无胚乳，有一个大的、直立的匙形胚芽，子叶提供脂肪类养分[2]1.2黄瓜的形态结构植物学的研究进展黄瓜的形态结构植物学，着重于微观角度的探究，即着重于细胞形态方面，具体而言，则是雌、雄花的发育时期的形态特征1.2.1 黄瓜的解剖学形态黄瓜，葫芦科，黄瓜属是一年生草质藤本植物，茎是蔓生的，长可达3米以上，有分枝，茎上面长有细刺毛，黄瓜的叶片大而薄，呈五角状心脏形，叶缘有细锯齿黄瓜是雌、雄同株的植物，花是单性花，有雌、雄两种雌、雄花的萼片和花瓣都联合成筒状，５裂，花冠黄色。

雄花有雄蕊５枚，两两结合，１枚分离雌花有雌蕊一枚，下位，子房成小黄瓜形果实是瓠果，表面常有棱，棱上有瘤状突起，突起上长有小刺，长数厘米至70厘米以上，嫩果颜色由乳白至深绿果面光滑或具白、褐或黑色的瘤刺有的果实有来自葫芦素的苦味种子扁平，长椭圆形，种皮浅黄色黄瓜根系分布浅，再生能力较弱1.2.2 黄瓜的花的形态1.2.2.1黄瓜的雌、雄花发育的外部形态变化 对黄瓜主要发育时期的雌、雄花的大小测量结果如下：[3]表一：黄瓜雌、雄花发育的外部形态Tab.1 Morphological characters of male and female flower of cucumber发 育 时 期 花 的 类 型雄 花（mm）雌 花 (mm)两性期1.75士0.232.35士0.26大或小孢子母细胞时期3.22士0.354.06士0.47大或小孢子四分体时期4.14士0.627.15士0.69花粉粒初成期6.63士0.69成熟雄花16.02士0.80大孢子时期27.26士1.33成熟雌花43.73士1.47但是如果外界条件改变，特别是温度的变化，雌、雄花的发育进程也会发生改变。

此外，不同品种的雌、雄花的大小也存在着一定的差异1.2.2.2 雌、雄花发育时期的内部形态特征 雌、雄花的发育可细分为十个时期，在这十个时期里，其典型的特征见表2：[4]表2：雌、雄花的发育时期Table 2 Developmental stages of female and fame flower发育时期典 型 特 征Ⅰ 花芽原基在叶腋突起Ⅱ花芽原基中心凹陷，分化出花萼原基Ⅲ在花萼原基内侧进一步分化出花瓣原基Ⅳ分化出雄蕊原基Ⅴ分化出雌蕊原基，为两性期花芽雄 花雌 花 Ⅵ花药原基体积迅速增大，从形态上可以分辨出雄花花芽中心开始凹陷形成下位子房；胎座分化，胚珠出现Ⅶ花粉母细胞减数分裂大孢子母细胞减数分裂Ⅶ.Ⅰ二分体二分体Ⅶ.Ⅱ四分体四分体Ⅷ小孢子有丝分裂大孢子有丝分裂Ⅸ花粉成熟胚囊成熟Ⅹ开花期开花期可见，黄瓜单性花的形成首先经历了两性期，之后再分别向雌花或雄花的方向发育，在两性期（时期Ⅴ）之前，雌、雄花之间不存在明显的形态学差异1.3. 黄瓜的细胞学研究进展由于黄瓜具有雌雄同株异花的特点，人们针对黄瓜的性别分化等一系列问题进行过广泛的研究1.3.1.黄瓜性器官的发育要想探讨黄瓜性别的决定，就要首先搞清楚黄瓜性器官的发育历程。

1.3.1.1黄瓜雌、雄花性别发育进程、大小孢子发育的细胞学形态特征雄花的发育经历了两性期、花粉母细胞时期（小孢子母细胞）时期、小孢子四分体时期、花粉粒初成期和成熟花粉粒时期，共五个重要的时期在两性期，雄蕊原基特别发达，而雌蕊原基不明显在小孢子母细胞时期，细胞核位于细胞中央，四周被液泡包围，至四分体时期则可见明显的小孢子的核结构从四分体中刚释放出来的花粉粒比较小，花粉壁尚未完全发育，可见明显的细胞质和细胞核，花粉萌发孔不明显，整体上其典型的花粉粒的特征还未完全表现出来，至雄花开花前一天，花粉粒可见有3个明显的萌发孔在雄花发育的花粉母细胞时期，雌蕊已明显退化成一痕迹，至雄花发育成熟时雌蕊痕迹仍清晰可见雌花在两性时期，雌、雄蕊均较发达，至大孢子四分体时期，仍可见明显的退化的雄蕊，雌花中雄蕊的退化速度较慢随着子房的发育，在子房的中腹出现胚珠，接着胚珠中大孢子母细胞经减数分裂形成大孢子四分体，其中三个退化，一个成为功能大孢子，大孢子具明显的细胞核，四周充满细胞液，经三次连续的核分裂发育成成熟的胚囊 [3]近期的一些材料比较倾向于将雌、雄花的发育细分为十个时期，见表2不管具体划分为多少个时期，雌、雄花的不同之处就在于从两性期至形成大、小孢子所经历的时间不同，雄花较短，雌花较长。

而造成雌、雄花发育进程不一致的细胞形态学原因主要是因为雌、雄花中相对器官退化的速度不一致1.3.1.2 相反性器官的发育命运在考察了黄瓜雌、雄花的发育进程之后，对雌、雄花中相反性别的性器官（雌花中的雄蕊和雄花中的心皮）的发育命运的关注，也成为研究热点先前的一些学者认为而造成雌、雄花发育进程不一致的细胞形态学原因主要是因为雌、雄花中相对器官退化的速度不一致[3]具体而言，是两性器官原基在发育的起始都出现，之后由于性决定基因的作用，其中一种原基在特定的阶段发育停滞，致使生殖器官败育而丧失功能但袁高峰等[4]认为，相反的性器官的发育命运，不能笼统的认为是“退化”，在不同的瓜类植物中，相反的性器官的发育命运是有明显区别的在黄瓜的雄花的形成过程中，心皮能不断的进行细胞分裂，细胞数目和体积不断增大，并且在开花期分化出类似胎座组织的结构这些证据都表明，黄瓜雄花中的心皮不是处于停滞或逐步解体死亡的状态，而是一直具有代谢活性，只是和雌花中的心皮相比发育速度比较缓慢1.3.1.3 黄瓜雌花发育过程中柱头的腺特征彭宜本等[5] 利用透射电镜技术研究了黄瓜的雌花柱头发育过程中传递组织、分泌组织和乳突细胞的超微结构，在整个发育过程中，乳突细胞和分泌组织细胞的细胞质内密布很多管状及槽库膨大的内质网，产生很多分泌囊泡；在成熟柱头的传递组织和分泌组织细胞间观察到大量的胞间连丝；乳突细胞和分泌细胞高度液泡化，质膜内折；在柱头发育过程中分泌组织细胞的核周腔扩大形成裂瓣状核，到柱头成熟阶段裂瓣状核更加明显。

进一步的研究显示，在成熟柱头的不同组织细胞中，ATPase的活性呈现在质膜和液泡膜上，随着柱头的发育，PM-H+-ATPase的比活性明显增强结果表明，黄瓜雌花柱头的腺特征随发育进程而趋于显著1.3.2 黄瓜性别决定的研究进展1.3.2.1 黄瓜的性别分化在黄瓜性别决定的细胞学研究中，揭示了黄瓜雌雄花的细胞学特征黄瓜雌、雄花的发育从花芽原基至雄蕊原基的出现，并无明显差异在雌花中雄蕊原基出现后雌花进一步发育，花芽的中心凹陷发育为下位子房，雄蕊的花药原基中并未分化出小孢子母细胞开花时，花药体积较小，并由一群形态结构基本一致的小型细胞组成在雄花中，雌蕊原基出。