植物花粉管形態觀察及生理過程研究進展

中圖分類號Q945.6文獻標識碼A文章編號 0517-6611（2025）12-0005-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.12.002

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Advances in Morphological Observation and Physiological Processes of Pollen Tubes in Plants

WANG X_in^1，2 ，WU Cui-yun'，CHEN Qi-lng2etal（1.Colege of HorticultureandForestry，Tarim University，Alar，Xinjiang 84330;2.Ir stituteofForestryand Horticulture，XinjiangAcademyofAgriculturalReclamation Sciences，Shihezi，Xinjiang 832000）

AbstractThiyofplantbdingaftsthustaiableevelopmntofgudctllntubegrothisteylinfant breding.Theomplexityofllntubegrowtprocsanditssstivioeviomealoditioladtoustableseedseigrateadre strictthebdgfcyisschummadtsahrgessioloicaleatiodpilgicalf plantpollnubsisptssuhstucturedmorpologicaleaioetdsoflnubs，teactitwltubs andpisilsadgowh，posiootegaondigangpatas.Italsadthgite curentesearchndfuturedevelopenttreds.isprovidesthoetcaleerecableaoreituitieseatiooftela tureandbehavraltateinheplntbe，andtonchunderstandingofteorogeesisdgulatorymchansmsoftelntube， as well as to improve the breeding eficiency and promote the sustainable development of agriculture.

Key wordsPollen tube;Morphological observation;Physiology;Regulatory mechanism

雙受精是被子植物特有的生殖方式1，主要為花粉管穿過花柱進入子房并在胚囊中釋放精細胞，兩個精細胞分別與卵細胞、中央細胞結合完成雙受精[2]。授粉后，花粉粒黏附于柱頭上乳突細胞表面后進行水合作用，萌發的花粉管伸入柱頭沿花柱通道生長，抵達胚珠，完成受精[3]。該過程中，花粉管的快速生長是實現雙受精的必要條件[4]。此外，花粉管作為植物生殖過程中的關鍵結構，不僅承載著遺傳信息的傳遞，也反映了植物種間親和性及適應性的獨特視角。其頂端生長特性在調控細胞互作和信號傳遞等方面發揮著重要作用[5-6]

從多角度分析影響花粉管生長的生理過程，深入理解植物有性生殖的機制，有助于揭示植物繁殖的規律，并為提高結實率、優化育種策略提供理論依據，對于推動農業產業面對全球氣候變化和市場需求的挑戰、促進農業可持續發展具有重要的指導意義。基于此，該研究綜述花粉管形態觀察方法，為更直觀地觀察花粉管中細胞結構以及行為狀態，豐富對花粉管形態發生和調控機制的認識、提高繁育效率、促進農業可持續發展提供理論借鑒。

1花粉管熒光觀察

1.1花粉管的基本結構

1.1.1花粉管的細胞結構。花粉管細胞兩大組成結構為細胞壁與原生質體，由駢胝質塞將有原生質體的部分與花粉管其他部分隔開]，如圖1所示。原生質體包含細胞器區、核區、液泡區、透明區4個部分。花粉管的頂端生長區主要有細胞質，還有內質網、線粒體和高爾基體等。花粉管的生長方式為先端極性生長，需要不斷地將細胞壁和細胞質的前體物質運輸到頂端來促進花粉管的伸長[8]

1.1.2花粉管的細胞骨架。細胞骨架是一種網絡結構，主要組成成分為蛋白質纖維，主要包括微管、微絲等。微管、微絲骨架系統對花粉萌發及花粉管生長至關重要。通過電鏡、免疫熒光技術、激光共聚焦顯微技術等技術可以觀察到[9-10]，花粉管中的微管被組裝成束且沿花粉管呈縱軸延伸[]。在大多數被子植物花粉管中，微絲存在于花粉管主干的近質膜部分且大多與花粉管的長軸平行[12-13]。也有研究發現，在花粉管的主體部分成束地出現呈網絡狀軸向分布或無明顯排列方向微絲[14]。proflin是一種單體肌動蛋白結合蛋白，又稱為前纖維蛋白，其通過控制花粉管頂端的微絲結構調控花粉管極性生長[15]

1.2花粉管形態觀察方法近年來，對花粉管的形態觀察已經從傳統的光學顯微鏡逐步轉向更為精細和直觀的熒光顯微技術，并且隨著激光掃描共聚焦熒光顯微技術的發展，利用特定的熒光標記物質，研究者能夠在細胞水平上清晰地觀察到花粉管的生長路徑、速度以及與雌蕊組織的相互作用等。

1.2.1熒光顯微技術。熒光顯微鏡技術的發展顯著提升了對花粉管微觀結構和生長行為的觀察能力。國內外學者利用熒光顯微鏡觀察花粉管在花柱中的行為差異，以揭示自花和異花授粉對花粉管生長的影響。

許多研究者利用熒光顯微技術進行試驗。國外Amaki等[16]在1991年就用熒光顯微鏡來觀察百合花粉管的生長過程。馮莎莎等[17]為比較多個雜交組合仁用杏人工授粉后花粉的萌發情況，為良種繁育和高產優質栽培等奠定基礎，對人工授粉后柱頭上花粉的黏附、萌發和花粉管生長情況進行了熒光顯微觀察。謝秋霞等[8]對越南油茶SP0H-72h 及 CP0-72h 花柱中花粉管的伸長情況進行熒光顯微觀察表明，自交與異交授粉后花粉管在花柱中的生長速率各有不同。魏子秋等[探究觀賞海棠品種間的雜交親和性，通過熒光顯微觀察發現，授粉后 4～8h 花粉開始萌發， 48～96h 完成受精。肖玉潔等[20]對樂昌含笑進行熒光顯微觀察試驗發現，樂昌含笑人工自花授粉后 8h ，花粉管長度達到花粉粒本身2＼～3倍，部分花粉管有纏繞扭曲現象，授粉4d后，出現花粉管到達胚珠的現象，自花授粉套袋后2d，花粉管向下伸長不明顯，逐漸停正生長，胼胝質堆積在花粉管內，未見花粉管伸入胚珠。田青蘭等[2]在西番蓮自交和異交的研究中應用了熒光顯微觀察，揭示了不同授粉方式下花粉管的行為差異。熒光顯微技術已成為理解花粉管生長及其在不同授粉條件下行為差異的關鍵工具，為植物科學研究和應用提供了支持。

1.2.2激光掃描共聚焦熒光顯微技術。與傳統光學顯微技術和熒光顯微技術不同，激光共聚焦是一種新顯微層面的研究手段。激光掃描共聚焦熒光顯微技術的發展已在花粉和花粉管 Ca²⁺ 動態變化、骨架系統、信號傳導等研究中發揮了重要作用[22]。Parton等[23]利用熒光染色技術及激光掃描共聚焦顯微技術觀察百合花粉管先端的囊泡聚集的動態變化以及花粉管的生長速率。Wang等24通過激光掃描共聚焦顯微鏡技術研究硼對白扦花粉萌發和花粉管生長的影響。Sandaklie-Nikolova等[25]利用激光掃描共聚焦顯微鏡和普通光學顯微鏡等相結合，探討擬南芥雙受精過程中花粉管引起助細胞死亡的機制。李玲俐等[2應用激光共聚焦顯微技術研究并定位青桿花粉管中 Ca²⁺ 及分泌囊泡空間分布模式與對應關系。激光掃描共聚焦熒光顯微技術的發展，使人們能更清晰準確地了解花粉及花粉管相關的各種生理過程和微觀結構變化，并且為進一步揭示植物繁衍的奧秘、優化植物培育等工作提供了重要的理論依據和數據支撐。

2花粉管生理過程研究

2.1花粉管與雌蕊互作以及極性生長維持花粉管在雌蕊中的正常生長受到花粉管與雌蕊互作機制的調控。Higashiyama等[27]進行花粉離體培養試驗表明，花粉管的生長受到雌蕊組織信號物質的誘導。在花粉-雌蕊互作過程中，阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）參與了包括花粉的柱頭識別、花粉管生長、引導等[28]。花粉管的極性生長是一個非常復雜的動力學過程。祝蕾[29]分析和鑒定了花粉和花粉管表達的CrRLK1L亞家族RLKs在花粉管體內生長中的作用和機制，認為CLP基因在調控花粉管在雌蕊組織中的極性生長起重要作用。CLP蛋白可能參與花粉管與雌蕊組織的互作，并可能通過與ROP信號途徑互作調控花粉管在雌蕊中的極性生長。

花粉管的極性生長是指花粉管保持管狀從頂端不斷伸長，也叫頂端生長。花粉管細胞壁、離子平衡等也在調控花粉管頂端生長的過程中起重要作用。花粉管生長受許多因素影響，細胞壁對保持花粉管完整性至關重要[30]。作為花粉細胞壁外層的成分之一，纖維素的合成在花粉萌發和花粉管生長中發揮作用[31]。花粉管萌發生長過程中，離子平衡也起著重要的作用。

2.2胼抵質沉積朕抵質在花粉外壁形成、花粉發育和花粉管生長過程中發揮重要作用[32]。若胼抵質在花粉管生長時發生異常沉積，花粉管尖端會產生胼脹質塞，阻礙花粉管的胞吐與胞吞，從而使花粉管停止生長[33]。胼抵質合成酶（callosesynthase，CalS）是控制胼眠質合成的關鍵酶類。在擬南芥中的12個AtCaIS朕抵質合成酶基因中，5個基因如AtCalS5、AtCalS9等參與了小孢子和配子的發生，影響花粉的發育[34-35]。PbrCalS1B.1是調控花粉管胼抵質合成的關鍵基因。PbrbZIP52通過轉錄調控PbrCalS1B.1的表達，從而促進花粉管朕脹質的沉積，持續不斷的朕脹質塞沉積可以維持梨花粉管生命周期，若其合成受阻會導致梨花粉管早衰從而喪失育性[4]。由于PbrCalS5在梨花粉管發育中具有促進花粉管生長等調控功能，因此提出PbrCalS5可能參與調控梨花粉管胼胝質的合成[36]。此外，于曉艷等[37]進行玫瑰與月季種間雜交試驗表明，花粉管頂端大量朕胝質沉積可能是導致種間雜交花粉管停止生長的原因之一。

2.3蛋白質調控Cheung等[38]研究表明，花柱引導組織特異性表達的糖蛋白TTS（transmitting tissue-specific）能夠顯著提高花粉管離體生長能力，同時在煙草中發現TTS糖蛋白濃度梯度誘導花粉管的生長[39]。目前已知擬南芥基因組編碼66個PME相關蛋白，VANGUARD1（VGD1， At2g47040 屬于第二類PME。VGD1的缺失會導致花粉管的生長速度嚴重減慢，造成擬南芥育性降低和結實率下降[40]。VGD1編碼含有595個氨基酸的果膠甲酯酶同源蛋白，當該酶的活性降低時，花粉管在花柱和引導組織生長緩慢，育性顯著降低[41]環核苷酸門控離子通道（cyclic nucleotide gated ionchannels，CNGC）蛋白在花粉管的生長過程中發揮重要作用。AtCNGC7/8/16/18在花粉中特異表達，參與花粉管的極性生長。AtCNGC18突變體的花粉管生長缺陷，導致雄性不育的表型[42]。擬南芥CPK34和CPKI7屬于鈣依賴蛋白激酶（CDPK），當這2種蛋白的基因同時發生突變，會導致花粉管形態異常，生長變慢[43]

2.4鈣離子信號通路 Ca²⁺ 在花粉管生長和導向中起關鍵作用[44]。花粉管頂端的 Ca²⁺ 濃度梯度影響花粉萌發、花粉管伸長及花粉管生長導向[45]。引起 Ca²⁺ 濃度梯度消失的因素都會導致花粉管停止生長[46]。花粉管質膜鈣離子通道蛋白（CNGC18）就是通過調控 Ca²⁺ 濃度從而影響花粉管的生長發育[47]

在植物中有4類鈣感受蛋白。第一類是鈣調蛋白（CaM），主要在細胞質中，也有部分存在于細胞核中。研究證實，植物體內有一套以 Ca²⁺-CaM 為核心的鈣信使系統存在，用于自身生長發育以及適應環境[48]，其主要作用于花粉萌發初期。此外，CaM家族中CaM2及CaM7均可以促進花粉管的生長[49]。第二類是鈣調素類似蛋白（CaM-like，CML）。當CML蛋白與 Ca²⁺ 結合時，會使結構改變，提高與受體蛋白的結合能力，引發 Ca²⁺ 依賴性級聯信號放大[50]。當月季花粉的萌發時，CML25會與 Ca²⁺ 結合，加入雙酚A導致 Ca²⁺ 濃度發生變化，抑制CML25表達，影響花粉管的生長[51]。第三類是鈣調磷酸酶B類似蛋白（calcineurinB-likeprotein，CBL），其參與花粉管的萌發與生長調控。擬南芥中CBL1及CBL9在低 K⁺ 濃度下會抑制花粉管生長[52]。第四類是鈣依賴蛋白激酶（calcium-dependent pro-tein kinase，CDPK）。研究發現，BoCDPK14與 Ca²⁺ 結合可能會激活CDPK激酶，使柱頭內的Ca²⁺ 濃度明顯升高，抑制花粉正常萌發及生長[53]。

3總結與展望

目前對植物花粉管形態觀察和生理過程的研究不斷深入，但仍有許多問題有待進一步探索。在植物傳粉授粉過程中，柱頭與花柱引導組織內許多分子參與了花粉萌發和花粉管的生長與調控，因此，花粉管在體內環境中的生長過程、復雜生理活動及細胞器運動機制仍需深入探討。此外，未來研究需借助熒光顯微技術解析花粉管與其他因子互作對授粉受精的影響，探究花粉管萌發的分子機制（包括基因表達調控），并結合轉錄組學、蛋白組學等技術，為優化植物的栽培管理措施提供科學依據，同時為農業發展提供新的視角和策略，進而促進農業可持續健康發展。

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