花粉

　　　小孢子的發生

　　　雄配子體的發育

　　生活力和儲藏

　　　生活力的測試

　　　儲藏

　　萌發

　　　萌發條件

　　　花粉管生長

　　花粉分析

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　　花粉是種子植物特有的結構，它相當於一個小孢子和由它發育的前期雄配子體。在被子植物成熟花粉粒中包含2個或3個細胞，即一個營養細胞和一個生殖細胞或由其分裂產生的兩個精子。在兩個細胞的花粉粒中，兩個精子是在傳粉後在花粉管中由生殖細胞分裂形成的。在裸子植物的成熟花粉粒中包含的細胞數目變化較大，從1～5個或更多個細胞，其中有1～2個原葉細胞，是雄配子體中殘留的幾個營養細胞，形成後往往隨即退化，在被子植物的雄配子體中已完全消失。

形　　態

　　各類植物的花粉各不相同。根據花粉形狀大小，對稱性和極性，萌發孔的數目、結構和位置，壁的結構以及表面雕紋等，往往可以鑒定到科和屬，甚至可以鑒定到植物的種。花粉形態的研究可為分類鑒定和花粉分析中鑒定化石花粉提供依據，同時也為植物系統發育的研究提供有價值的資料。

　　單粒和復合花粉粒　大多數花粉成熟時分散，成為單粒花粉。但也有兩粒以上花粉粘合在一起的，稱為復合花粉粒。4合花粉分佈較廣，見於杜鵑花科(Ericaceae)，茅膏菜科(Droseraceae)，香蒲科(Typhaceae)和含羞草科(Mimosaceae)等。16合花粉見於合歡屬(Albizzia)和金合歡屬(Acacia)，2合花粉見於芝菜(Scheuchzeriapalustris)和川草科(Podostemaceae) 的川草屬(Cla-dopus)。許多花粉結合在一起，在一個藥室中至少有兩塊以上的，稱為花粉小塊。在一個或幾個藥室中全部花粉粒粘合在一起的，稱為花粉塊（圖1）。花粉小塊和花粉塊主要見於蘭科(Orchidaceae)和蘿藦科(Asclepiadaceae)的許多屬種中。

　　極性　花粉粒在四分體中朝內的部分，稱為近極面。朝外的部分稱為遠極面。連接花粉近極面中心點與遠極面中心的假想中的一條線，稱為極軸，與極軸成直角相交的一條線稱為赤道軸，沿花粉兩極之間表面的中線為赤道。

　　在有極性的花粉中，可以分為等極的，亞等極的和異極的3個類型。在等極花粉中，近極和遠極相同或大體上相似，大多數雙子葉花粉屬之。異極花粉的兩個極有明顯不同，如萌發孔的有無，大多數單子葉花粉屬之。亞等極花粉則介乎兩者之間，如在兩個極有一些次要的差別。此外，有的花粉不具明顯的極性，稱為無極的花粉。如黎科(Chenopodiaceae)的花粉。

　　對稱性　花粉通常是對稱的，有兩種不同的對稱性。①輻射對稱的花粉具有一個水平的對稱面和兩個或更多垂直的對稱面，如果隻有兩個垂直的對稱面，總是具等長的赤道軸。②左右對稱的花粉具有3個對稱面，一個水平對稱面和兩個垂直對稱面，但赤道軸是不等長的。

　　形狀和大小　花粉多為球形，赤道軸長於極軸的稱為扁球形；特別扁的稱為超扁球形；相反地，極軸長於赤道軸的稱為長球形，特別長的稱為超長球形。

　　花粉在極面觀所見赤道輪廓，可呈圓形，具角狀，具裂片狀等等。在赤道面觀，花粉輪廓可呈圓形、橢圓形、菱形、方形等等。

　　有的花粉形狀很特殊，如大葉藻(Zostera marina)為線形，念藤屬(Alyxia)的花粉為鼓狀，松科及羅漢松科許多屬花粉具氣囊，麻黃屬(Ephedra) 和百歲蘭屬(Welwitschia)的花粉具多褶或稱多溝。

　　花粉大小因種而不同，變化很大。最小的花粉見於紫草科勿忘草(Myosotis sylvatica)，約(4～8)×(2～4)微米。大型花粉直徑為100～200微米[薑屬(Zingiber)]，120～150微米〔錦葵科的許多屬種，以及牽牛(Pharbi-tusnil)，芭蕉屬(Musa)等〕。大多數花粉最大直徑約為20～50微米。水生植物大葉藻(Zostera marina)花粉細長，約為(1200～2900)×(3.5～9.5)微米。

　　萌發孔　花粉壁上變薄的區域，花粉萌發時花粉管往往由萌發孔伸出。萌發孔按其長和寬的比例，通常分為溝、孔兩類。凡長與寬之比大於2的為溝，不到2的為孔，這完全是一種人為的劃分，實際上短溝和長孔之間有時不易區分。隻具溝或孔的為簡單萌發孔，溝和孔共同組成的為復合萌發孔。復合萌發孔有具孔溝的花粉，溝在外部，孔往往位於溝中央的內部；具孔孔的花粉，內外部都是孔。

　　萌發孔分佈在極面，赤道面或散佈於球面。分佈於遠極面上的單溝，又稱為槽，如許多單子葉植物花粉；遠極的孔稱為單孔，如禾本科植物。通過赤道，與之成直角的溝或孔溝，多為3個，在雙子葉植物中通見，或6個，如唇形科植物的花粉，其他數目的溝或孔溝，則較少見。分佈於赤道上的孔，多為3個，如大麻(Cannabis sativa)和葎草屬（Humulus）等的花粉，具2孔的少見，如桑樹(Morusalba)；分佈於球面的孔或溝，稱為散孔的，如藜科及石竹科花粉，或散溝的，如落葵(Basella rabra)，馬齒莧屬（Portulaca）的花粉。溝端在極面匯合的，稱為合溝的，溝端接近極面分叉，左右相互連結，極面中央留一個形狀規則的極區的，稱為副合溝的花粉。其他還有許多變異的萌發孔，也有沒有萌發孔的花粉〔黃三七(Souliea vaginata)〕。

　　花粉壁的構造　通常分為兩層；即外壁和內壁。內壁的成分主要是果膠纖維素，抗性較差、在地表容易腐爛，經酸堿處理則分解；而外壁主要成分是孢粉素，抗腐蝕及抗酸堿性能強，在地層中經千百萬年仍保持完好，所以研究花粉形態，主要依據外壁的結構。

　　外壁又可分兩層，即外層和內層。外層一般由3層組成，最外層為覆蓋層，其上或具穿孔，發育不完全時，為具半覆蓋層的或無覆蓋層的花粉。下面一層為柱狀層，具有柱狀（或棒狀）結構。再下面一層為基層。過去瑞典孢粉學傢G.埃德曼把基層歸於內層1。外壁內層基質比較一致，至少在光學顯微鏡下看不出有異質的結構（圖2）。

　　外壁紋飾　花粉表面光滑或具各種各樣的紋飾（雕紋）。紋飾的類型因種屬而不同。主要的雕紋有顆粒狀，瘤狀，棍棒狀，刺狀，條紋狀，皺波狀，網狀，腦皺狀等等。20世紀60年代以來由於掃描電子顯微鏡技術的運用，花粉表面的紋飾，本來不易分清的雕紋分子也能看得十分清楚。

發　　育

　　多數植物的花粉容易收集，保藏相當長時間而不失去生活力；並可在簡單培養基上離體培養，萌發生長比較迅速。所以長期以來，除胚胎學傢和形態學傢外，花粉也引起育種學傢、生理學傢、生物學傢、遺傳學傢及細胞生物學傢的興趣和註意。60年代以來各方面的綜合研究增進瞭對花粉結構與功能的瞭解。

　　小孢子的發生　合胞體　在幼小花藥中，藥壁、線氈層及造孢組織細胞之間以及同層細胞之間，都有正常的胞間連絲。當小孢子母細胞一旦進入減數分裂時，各層細胞之間的胞間連絲逐漸切斷，同時在小孢子母細胞周圍開始形成胼胝質，隨後初生胞壁解體。在小孢子母細胞之間形成細胞質溝，細胞質和細胞器可以自由流通，即合胞體。合胞體的形成在保持小孢子母細胞減數分裂的正常進行中起一個重要作用。小孢子母細胞經過減數分裂形成小孢子（單核花粉粒）。

　　細胞質重組　當減數分裂開始時，細胞質中RNA明顯下降，大部分核糖體群消失，到減數分裂後期又恢復。在百合中核糖體的恢復與類核仁的出現相關。在核糖體被排除之前，一部分細胞質被雙層膜所包圍，這些細胞質不受核糖體退化的影響，而且被帶到小孢子細胞質中去。在許多植物的減數分裂過程中，線粒體和質體也發生顯著的重組。在分裂前期，線粒體逐漸失去內部結構，隻留下少數嵴膜。線粒體的再分化在減數分裂 I之後開始，到小孢子進行分裂時，線粒體恢復正常形狀。質體也經歷同樣的脫分化和再分化過程。四分體時期再分化開始，層層增加，淀粉重新出現。

　　生理生化變化　生理生化的變化隻在百合屬（Li-lium)，延齡草屬(Trilfium)，蔥屬(Allium) 和紫鴨蹠草屬(Tradescantia)等少數植物中研究過。小孢子母細胞的大部分DNA是在減數分裂前的分裂期間合成的，極少量的DNA是在偶線期和粗線期合成的。減數分裂開端的特征是出現一種脂蛋白復合體，以及一種與DNA 結合的γ－蛋白質。這可能對染色體配對起作用。

　　在減數分裂時期小孢子母細胞中 RNA和蛋白質含量也發生顯著變化。在減數分裂之前有一個明顯的 RNA和蛋白質合成，在分裂前期RNA合成有一個連續的下降。蛋白質合成也循 RNA同一圖式下降。減數分裂前小孢子母細胞蛋白質含量是明顯的，接近細線期時減少，並在減數分裂各時期保持低水平。

　　雄配子體的發育　完成減數分裂之後，花粉的初生外壁在胼胝質還包著四分體時已形成。此時由基質中形成厚棒，厚棒下面連結形成基層，在上部保持遊離或形成覆蓋層，蓋住初生外壁基質，外壁外層的藍圖已構成。同時，由於平行於質膜的內質網的存在，萌發孔的界限已分清，在萌發孔區沒有初生外壁。開始時，這些外壁層次對醋酸酐沒有抗性，隨著四分體的發育，這些成分變成抗醋酸酐的。這些孢粉素先質稱為原生孢粉素，是由花粉原生質體合成的。胼胝質解體，孢子（花粉）從四分體中釋放出來，迅速膨大，原生孢粉素轉化為外壁。隨著孢子的釋放，外壁內層以及內壁立刻同時開始發育。內壁的生長同高爾基器的活動有關。小孢子（單核花粉粒）剛從四分體釋放時，中央有一個大核，具正常的胞質細胞器。而後核向一邊運動，而在另一邊形成一個大液泡。核的移動以及隨後的不對稱分裂在決定兩個子細胞行為中非常重要。隨著核移動，細胞質發生重組，產生細胞器分配的極性。大部分質體和線粒體轉移到與核相反的細胞質部分，而後進行不對稱的核分裂，結果產生生殖細胞和營養細胞。開始生殖細胞和營養細胞之間有兩層質膜分開，胼胝質在兩層膜間出現，而且逐漸向生殖細胞各方面伸展，使生殖細胞與胞壁分離由一層胼胝質壁包著，迄今沒有證明有纖維素壁的存在，而且胼胝質壁的存在也是短暫的。所以生殖細胞實際位於營養細胞的細胞質中。一般生殖細胞中缺少質體，而線粒體，核糖體，內質網和高爾基器都存在。此外，生殖細胞中有微管，它的功能可能與保持細胞伸長的形狀有關。在3－細胞的花粉中，兩個精子周圍也沒有細胞壁，隻有質膜包微管住，在精子周緣存在，它的功能可能也是與保持精子的形狀有關。

　　營養細胞的細胞質具有全部正常的組織部分，細胞器與貯藏物質穩定地增加，直到花粉成熟。生殖細胞和營養細胞來源於同一個細胞，後來它們的行為是很不同的。分裂後生殖核中的DNA即增加到2C（一個單倍體細胞中所含的DNA總量稱為1C）水平，而營養核中的DNA仍保持1C水平。生殖和營養核之間有組蛋白的差異，生殖細胞中沒有RNA和蛋白質的合成。

　　絨氈層在花粉發育中的作用　絨氈層是藥壁最內面的一層細胞，從各方面包圍著小孢子母細胞，在花粉發育中有重要作用，在雄性不育系中，花粉的敗育往往同絨氈層的功能不正常或其發育的時間與花粉母細胞的發育不協調有關。外壁孢粉素先質有雙重來源，它們部分來源於孢子（花粉）細胞質，部分來源於絨氈層細胞質。絨氈層看來直接與包圍四分體的胼胝質的解體有關。胼胝質酶的活性集中於花藥體細胞區，而小孢子母細胞實際上沒有這種酶的活性。絨氈層是發育中花粉的滋養組織，由於它包圍著小孢子母細胞，任何代謝物都必需通過絨氈層細胞達到小孢子母細胞。絨氈層細胞本身解體後的物質也提供花粉發育之用。

　　花粉壁蛋白質　花粉內外壁都包含相當量的蛋白質。內壁蛋白質成為徑向排列的小管，或者切向方向的小片，它們一般集中於萌發孔附近。外壁蛋白質存在於棒(柱)間的腔中（具覆蓋層的花粉），或者表面的凹處（無覆蓋層的花粉）。這些蛋白質的一部分是酶，其中大部分是水解酶，例如酯酶，酸性磷酸酶，淀粉酶和核糖核酸酶。與花粉過敏癥有關的蛋白質也存在於花粉壁中。酯酶主要存在於外壁中，而酸性磷酸酯酶主要存在於內壁中。

　　內壁蛋白質產生於花粉細胞質，所以是雄配子體的產物，而外壁蛋白質是絨氈層的產物，它來源於孢子體組織。

　　不育性　雄性不育是由於花粉在發育各時期在任何時候停止發育造成的，大多數情形發生在減數分裂之後。不育性一般有細胞質雄性不育，核不育以及核與細胞質相互作用引起不育3類。

　　雄性不育有重要的生產實踐意義。目前多數研究者認為細胞器，特別是線粒體與細胞質雄性不育有直接關系，因為線粒體是獨立的系統，具有遺傳物質DNA，而且一般通過卵傳遞。

　　細胞質雄性不育的原因，一般認為是由於絨氈層的緣故。雄性不育系植物中，絨氈層比正常植物中保持完整時間較長，或者破壞較早。絨氈層不能提供適當營養物給發育中的花粉，或者由於營養從絨氈層到花粉間存在運輸障礙，或者營養不能運到絨氈層，都可以造成花粉敗育。除瞭營養不協調之外，小孢子母細胞周圍胼胝質的積聚及其及時破壞的不規則也是與細胞質雄性不育有關的，因為胼胝質的積聚及其及時的解體對花粉的正常發育是重要的。也可能絨氈層本身不是花粉敗育的原因，而是某些別的因子通過絨氈層引起破壞。

生活力和儲藏

　　一般花粉粒在脫水情況下散佈，代謝水平是很低的。然而禾本科的花粉是在水合情況下散落的，並保持高水平代謝。成熟花粉的生活力因不同種類而變化很大。許多果樹花粉的生活力，在實驗室可以保持幾個月。禾本科和菊科花粉，往往幾分鐘到幾十分鐘就失去生活力，其他大多數植物花粉的生活力介乎這兩個極端之間。環境因子，特別是溫度與濕度，對花粉的生活力有很大影響。2－細胞花粉的生活力比3－細胞花粉的強。

　　生活力的測試　最常用的測試方法是離體萌發試驗。這個方法比較方便可靠。主要的限制是有許多植物的花粉不易找到合適的培養基，特別是3-細胞花粉。另一個缺點是對新鮮花粉合適的培養基不一定適合於儲藏過的花粉。以特殊酶的活性為依據的幾個方法也是可用的，如過氧化物酶測試法，四氧唑測試法。另一個方法是酶誘導熒光法。

　　儲藏　克服雜交親本花期不遇及產地不同的困難，最有效而切實可行的辦法是用儲藏花粉。

　　花粉可以方便地儲藏於膠囊中或小玻璃管內，容器一般置於幹燥器中，以控制濕度(氯化鈣、碳酸鉀或濃硫酸)。最適溫度和濕度因植物種類而不同。低溫（最低到-196℃）減少花粉的代謝活動。咖啡花粉儲藏於－18℃（真空，密封），11個月後55％有生活力。核桃花粉保存於-19℃，一年後幾乎和新鮮花粉一樣有效。苜蓿花粉在真空幹燥條件下保存11年，傳粉後仍能結實。楊樹花粉幹燥12～16小時，在-18℃以下，可以存活幾年。一般果樹花粉，在適合溫度和濕度條件下，可以保存幾年。對育種工作者說，延長幾個月已足夠瞭。

　　禾本科的花粉壽命很短，儲藏比較困難。困難之一是由於它們在水合條件下散粉，而幹燥對它們有害。也不能在冰點下的溫度保存，因為冰凍對花粉生存有害。玉米花粉在2℃保存一天，100％萌發，此後即逐漸減低，少數花粉到6天仍可受精。狼尾草屬也許是一個例外，花粉保存在16～35℃，相對濕度0％，可成活186天。70年代以來有人用各種有機溶劑如苯、石油醚、丙酮、氯仿等保存花粉，也取得一些成績。采集花粉時的溫度和濕度條件，對花粉的生活力也很有關系。

萌　　發

　　在自然界柱頭為花粉萌發提供一個合適的場所。花粉粒落在柱頭上後，即發生吸漲水合，大量吸水，並由於營養核中mRNA的大量形成而產生專一性蛋白質，使花粉萌發，長出花粉管。這些專一性蛋白質與柱頭表膜的專一性蛋白質起識別作用，雙方是否親和，決定於花粉外壁和柱頭表膜上的酶和抗體的特性。如果是親和的，花粉可以萌發，並長進花柱組織和胚囊。許多植物的花粉可以在培養基上萌發，長出花粉管。

　　萌發條件　隻有少數花粉能在蒸餾水中萌發，一般要求有一種碳水化合物，最常用的是蔗糖，許多植物的花粉對葡萄糖、果糖、棉籽糖也反應良好。糖在培養基中有兩個作用：①保持滲透壓，②作為花粉代謝的底物。糖的最適濃度因種而異，2-細胞花粉要求10～20％，3-細胞花粉要求的是硼和鈣。硼對花粉管生長有促進作用。所用濃度為10～150ppm。缺硼，花粉萌發很差，且多炸開。例如絲蘭(Yucca aloifolia)花粉培養基中加硼，可提高萌發率。在自然情況下花粉粒雖缺硼，但柱頭和花柱中硼的水平高。可從中得到補償。

　　鈣對花粉管生長有明顯作用。1963年美國植物生理學傢J.L.佈魯貝克等證明早期所謂“群體效應”，後來證明是鈣離子的作用。但許多植物的花粉萌發和花粉管生長並不需要鈣。其他物質如植物生長素、赤黴素、細胞分裂素、氨基酸、維生素等對花粉萌發和花粉管生長沒有明顯效果。

　　3-細胞花粉的萌發比較困難，但對下列幾種植物花粉已找出最適條件。玉米培養基：蔗糖(15%)+瓊膠(0.6%)+硝酸鈣(0.03％)+硼酸(0.01％)。菊花花粉培養基：蔗糖(1.32摩)+硼酸(100ppm)+氧化鈣(2毫摩)。

　　花粉管生長　花粉萌發和花粉管生長一般分為四個階段：吸脹、停滯、花粉管發端及花粉管迅速伸長階段。各個階段所需時間因種而不同，並決定於花粉本身所儲存食物及外界因子。鳳仙花花粉主要含葡萄糖，在2～3分鐘內開始萌發。而百合花粉中呼吸作用顯示有3個階段：①10～30分鐘為高速度，與淀粉迅速形成相一致；②30～60分鐘為低速度，與花粉管發端相一致：③60～120分鐘高速度，與粉管伸長相一致。

　　花粉管的生長區隻限於末端幾個微米。區內富含RNA，蛋白質以及pAS-正反應物質。生長區有許多小泡，可能從高爾基器的嵴膜末端形成。生長區後面的細胞質含細胞器和淀粉體。萌發的特征是靜止的高爾基器轉變為一個活動的器官，產生小泡，在細胞質中形成液泡。花粉管中大量積累胼胝質，而末端沒有胼胝質，當花粉管伸長時，形成胼胝質柱，在較老的花粉管部分不斷產生橫向的封閉，這樣使幼嫩部分與較老部分分隔。

花粉分析

　　花粉外壁具有堅強的抗性，在地層中可保存千百萬年乃至幾億年而不腐蝕。花粉分析就是研究化石花粉的外壁。常用於古植被的演變史、古植物地理、古氣候的研究、地層對比、找石油以及找礦產等方面，50年代以來發展非常迅速。空氣中常年有孢子花粉的散佈，在一定季節有一定區別，某些植物花粉可以引致花粉過敏癥。如北京地區致病的主要花粉是菊科的艾屬(Artemisia)。蜂蜜中含有大量花粉，可以根據其中花粉的含量鑒別蜂蜜是否摻假。如荔枝蜜中的花粉以荔枝花粉占大多數。

　　無論分析古代化石花粉或空氣中和蜂蜜中的花粉，主要根據花粉的形態特征來鑒定。研究孢子花粉各方面的分支學科，稱為孢粉學。

參考書目

　中國科學院植物研究所植物室孢粉組及華南植物所形態研究室：《中國熱帶亞熱帶被子植物花粉形態》，科學出版社，北京，1983。