花粉粒的萌發(fā)和花粉管通道法簡述

摘要 主要通過文字配圖簡述了花粉粒的萌發(fā)和花粉管的伸長過程。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)入方法和時機、應(yīng)用前景、局限性及其優(yōu)化等內(nèi)容，以期對中學(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 花粉管通道法 外源DNA導(dǎo)入

中圖分類號 Q-49

文獻標(biāo)識碼 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)胫参锛毎麜r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，教師一般會舉例微量元素硼(B)的生理功能是促進花粉粒的萌發(fā)和花粉管的伸長。高中學(xué)生對花粉粒和花粉管的知識了解得很少，而對于花粉管通道法的具體內(nèi)容中學(xué)教師也知之甚少。下面將通過文字配圖簡述之，以期對中學(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

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，被柱頭表皮細胞分泌的黏液吸附后，花粉壁中的識別蛋白與柱頭乳突細胞表面的特異蛋白質(zhì)表膜相互識別。如果二者是親和的，則花粉?？傻玫街^的滋養(yǎng)并從周圍吸收水分，代謝活動加強，體積增大。吸水后的花粉粒呼吸作用迅速增強，細胞中多聚核糖體數(shù)量增多，蛋白質(zhì)的合成也有顯著的提高，其營養(yǎng)細胞的液泡化增強，細胞內(nèi)部物質(zhì)增多，細胞的內(nèi)壓增大，這就迫使花粉粒的內(nèi)壁向著一個(或幾個)萌發(fā)孔突出并繼續(xù)伸長，形成花粉管，這一過程稱作花粉粒的萌發(fā)(圖1)。實驗證明此過程中，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。

1.2 花粉管的伸長

由于花粉粒的外壁性質(zhì)堅硬，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，一般向著一個萌發(fā)孔突出，形成一個細長的管子，稱為花粉管。有些植物的花粉具有幾個萌發(fā)孔，可同時長出幾個花粉管，但其中只有一個能繼續(xù)生長下去，其余都停止生長?；ǚ酃鼙仨毶扉L才能進入胚囊(圖2)。花粉管實際上是一種有多個核的單細胞結(jié)構(gòu)?；ǚ哿Ｃ劝l(fā)后，花粉管進入柱頭，穿過花柱而到達子房。當(dāng)花粉管生長時，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個營養(yǎng)核和2個精細胞、細胞質(zhì)和細胞器。如果是二核期花粉粒，生殖細胞在花粉管中再分裂一次，形成2個精細胞?；ǚ酃艿竭_子房后，通常從珠孔進入胚囊，稱為珠孔受精。少數(shù)植物的花粉管從合點部位進入胚囊，稱為合點受精；或從胚珠中部進入胚囊，稱為中部受精。為什么花粉管總能準(zhǔn)確地伸向胚珠和胚囊呢?目前有研究認為花柱道、子房內(nèi)壁、胎座、珠孔道和助細胞等，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。

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，是我國科學(xué)家周光宇在1983年首次在“Methods in En-zymology”報道的研究成果。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)過程開花、受精過程中形成的花粉管通道，將外源DNA導(dǎo)人受精卵細

胞，并進一步地被整合到受體細胞的基因組中，隨著受精卵的發(fā)育而成為帶轉(zhuǎn)基因的新個體。該法的最大優(yōu)點是不依賴組織培養(yǎng)人工再生植株，技術(shù)簡單，不需要裝備精良的實驗室，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)入方法和時機

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。在以后的實踐中，又根據(jù)植物的花器結(jié)構(gòu)特征等，開發(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?；ǚ酃芡ǖ婪▽嵤┑淖罴褧r機集中在植物傳粉受精后的一段時間，這是有其根據(jù)的。一方面，早期胚細胞不具有正常細胞壁，因此易于DNA轉(zhuǎn)化；另一方面，受精后的細胞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)點包括以下幾個方面。

①保留了常規(guī)育種的基本特點，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，無須進行繁瑣的組織培養(yǎng)，并免除了從離體原生質(zhì)到再生植株漫長的人工培養(yǎng)過程，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操作簡便經(jīng)濟，無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，將不會含有抗生素表達，安全性可能更好。

總之，花粉管通道法現(xiàn)已被譽為流行的轉(zhuǎn)基因方法的一種，成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中的熱門課題。在其他涉及植株再生的轉(zhuǎn)基因方法遇到困難時，研究者往往利用花粉管通道法來改變現(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，所以時間相對久一些。同時，花粉管通道法只能用于開花植物，且只有在花期可以進行轉(zhuǎn)育，導(dǎo)入總DNA片段的轉(zhuǎn)育株會帶有少量非目的性狀的DNA片段，其效果也受結(jié)實率與轉(zhuǎn)化率的限制，如前人研究中運用花粉管通道法轉(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)人時期與方法有不少報道，在多種植物中取得了成功。但實際操作起來還需根據(jù)不同情況進行必要的調(diào)整和優(yōu)化，使花粉管通道法技術(shù)趨向成熟。例如，對于一些花器小的作物，花粉管通道細，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，人們開始考慮用脅迫法、誘導(dǎo)法、農(nóng)桿菌法以及通過單基因結(jié)合總DNA導(dǎo)入等方法以加快外源DNA移動。