胚乳

更新时间:2023-01-24 14:17

胚乳(endosperm)一般是指被子植物双受精过程中精子与极核融合后形成的滋养组织,也称内胚乳。这种组织既不是配子体,也不是孢子体,其染色体倍性一般为三倍体;为许多植物(如禾本科植物)种子的重要组成部分。裸子植物的雌配子体具有贮藏营养的功能,也称它为胚乳;但它是由未受精的大孢子发育形成的单倍体雌配子体组织,兼有分化产生卵细胞的功能,与被子植物的胚乳在起源及染色体倍性上都是不同的。有些植物的珠心组织(孢子体部分)在种子发育过程中,不但没有被吸收消耗,反而增殖并发育成充满丰富营养的组织——外胚乳

起源

在裸子植物的种子中,直接由雌配子体发育而来的营养组织;以及在被子植物的种子中,通过精子与极核融合,发育而来的营养组织,统称为胚乳。胚乳是种子贮藏营养物质的部分,为胚发育所需的营养物质,有的胚乳在胚的发育过程中,被消耗吸尽,因此。并不是所有种子都有胚乳。

胚乳是种子植物的特有结构,但被子植物和裸子植物的胚乳来源是不同的。被子植物的胚乳是受精的产物,属于孢子体组织;而裸子植物胚乳是减数分裂的产物,属于配子体组织。长期以来对被子植物胚乳的起源还不清楚。在双受精中,来自同一花粉管中的两个精细胞之一与卵细胞融合形成合子,另一个与中央细胞的次生核融合形成初生胚乳核。尽管双受精的细胞具有相似的遗传性并且所处环境相同,但是它们沿着两个显然不同的发育途径形成了胚胎和营养胚乳。人们发现双受精之后提出了两个关于胚乳进化起源的假说:一种假说认为,胚乳也是一种胚胎发生类型,但起一种利他作用;另一种假说认为胚乳是被第二次受精启动的雌配子体的统一整体。基于现存的被子植物双受精的发生,Friedman已经提出证据支持第一个假说。根据这个观点,胚乳起于双倍的额外胚胎,沿着被子植物的分化,这个双倍的额外胚胎形成了胚胎营养组——胚乳。

分类

根据种子里面有无胚乳的情况。分为有胚乳种子及无胚乳种子两类。在无胚乳的种子中,在种子形成的早期,胚乳中的营养物质被胚吸收转移到子叶里贮藏起来,因此种子成熟后胚乳消失,子叶特别肥厚,如玉豆种子,由于胚在发育过程中,将种子的胚乳吸尽,所以种子内不存在胚乳(由子叶起着胚乳的作用).如果种子萌发时,将两片肥大的子叶摘除后,幼芽因得不到营养物质的供给,很快就会死亡。有胚乳的种子,胚乳发达,胚较小,种子的营养物质大部分贮藏在胚乳中。在蔬菜作物中,这类种子较少,常见的稻谷、小麦等粮食作物,就是有胚乳的种子,它提供我们吃用的淀粉就是贮藏在胚乳里的。

胚乳种类

发育类型

根据细胞分化的特点,可将胚乳分为以下3种类型:

核型胚乳

胚乳的早期发育有一游离核时期。游离核分裂的次数则随植物种类而异。如咖啡属早在4核阶段就形成壁。马利筋属、大花草属和还阳参属,在8核或16核阶段形成胞壁。报春花属锦葵属杧果属胡桃属苹果属柑橘属等,沿着胚囊壁可以看到几百个胚乳核。图2c表示棉花核型胚乳的发育情况。开花后5天的棉花其胚乳游离核已超过1000个以上。椰子果实生长到50毫米时,胚囊充满清彻的液体,在液体中悬浮许多大小不等的游离核;当果实达到100毫米时,胚乳核逐渐形成细胞。然后,这些细胞和游离核沿大液泡腔周缘固定下来,并出现胚乳细胞层——椰子肉。另外一些植物,如倒地铃属、旱金莲属和野牡丹属完全不形成细胞壁

细胞型胚乳

细胞型胚乳:不存在游离核时期,初生胚乳核及其后继的细胞分裂,有规则地形成细胞壁。根据第一次分裂形成的细胞方向,可分为纵向分裂(图2a)和横向分裂(图2b)两个亚型。五福花属的初生胚乳细胞头两次分裂都是纵向的,结果形成4个柱状细胞,到第3次分裂才是横向的。大多数植物的初生胚乳细胞,第一次是横向分裂。肉豆蔻科、马兜铃科、瓶尔草科、龙胆科和紫草科等植物,第2~3次分裂仍是横向分裂,结果形成4个或更多的细胞系列。

沼生目型胚乳

初生胚乳核移到合点端后分裂,形成一个合点端小室和一个珠孔端大室。珠孔端核再行游离核分裂,后期才形成细胞壁;合点端的核不分裂,或只行几次游离核分裂(图2d)。

形态与功能

胚乳在被子植物种子中是普遍存在的,甜菜、胡椒和丝兰属等的种子都具有发达的外胚乳。胚乳是种子集中贮藏养料的地方,占有种子的一定体积。也有成熟种子不具有胚乳的,这类种子在成长发育时,胚乳的养料被胚吸收,转入子叶中贮存,所以成熟的种子里的胚乳不再存在。有胚乳的种子的胚乳含量,在不同植物种类中并不相同,例如在蓖麻水稻等种子的胚乳肥厚、占有种子的大部分体积。豆科植物如田菁种子,胚乳成为一薄层,包围在胚的外面。兰科、川苔草科、凌科等植物,种子在形成时不产生胚乳。它的主要功能是为发育中的胚提供营养。在兰科植物的种子中,胚乳只有很少几个细胞。柳叶菜科、河苔草科和菱科植物的种子不具胚乳。蚕豆、豌豆和菜豆等豆科植物,种子发育初期虽有胚乳,但后期完全被发育中的胚吸收消耗了,因此种子成熟时不具胚乳或者只在种皮下残存1~2层胚乳细胞;这种无胚乳的种子,胚具有肥厚而肉质的子叶,在种子萌发时为胚提供营养。

糊粉层:谷类植物胚乳最外面一层或几层细胞,在形态与生理上高度特化,形成糊粉层。这些细胞富含糊粉粒,还含有一些圆球体。糊粉粒的主要成分是蛋白质、植酸钙镁、磷酯和碳水化合物。在成熟谷粒中,糊粉细胞是活化的,当籽粒萌发时,胚乳细胞的贮藏物质被糊粉层细胞分泌的α-淀粉酶所分解。

嚼烂状胚乳:有些成熟胚乳表面,呈不同程度的凹凸不平,称为嚼烂状胚乳。在被子植物中约有32科植物具嚼烂状胚乳。

胚乳吸器:最初在银桦胚乳合点端发现的蠕虫状附属物(图3a)。以后在葫芦科、豆科和山龙眼科等许多植物中,也相继发现了各种各样的胚乳吸器。Iodina rhombifolia的胚乳吸器形态复杂,甚至成珊瑚状;Impatiensroylei的胚乳吸器呈菌丝状分枝,并侵入珠柄组织(图3b);Nemophila aurita的胚乳组织呈球状,其珠孔端和合点端两极均具胚乳吸器。在细胞型胚乳中胚乳吸器特别发达。按胚乳吸器分布位置可将其分为合点端吸器和珠孔端吸器两种类型。在Lomatia中,除合点端的主要吸器外,整个胚乳表面有许多单细胞的指状突起,这就大大增加了胚乳的吸收面积。

类型

多数被子植物胚乳,开始时是三倍体细胞。但由于胚囊发育类型不同,胚囊中极核的数目也不同,所以初生胚乳核的倍性也不相同;月见草型为二倍体;椒草型为九倍体;蓼、葱、五福花以及德鲁撒型为三倍体;皮耐亚和白花丹型为五倍体;贝母型和小白花丹型也是五倍体。即使一般为三倍体的胚乳组织,在发育过程中,也能发生倍性的改变。不少胚乳细胞有很高的倍性。例如Thesium alpinum胚乳吸器的核为384倍体,而Melampyrumpratense合点吸器的核倍性达1536倍。倍性的增加与核内有丝分裂和核融合现象有关。胚乳细胞的大小与数目也有很大变化。葱莲属胚乳有特大的细胞核,核仁数目多达23个。

被子植物的胚和胚乳都是双受精的产物,但是胚乳核和合子核的分裂并不同步,一般说来,前者分裂比后者早,所以,初期胚的发育和分化就可靠胚乳提供营养。无胚乳种子的胚可以从外胚乳甚至珠心或珠被绒毡层组织吸收营养。

营养的贮藏形式

胚乳的贮藏物质主要是碳水化合物、蛋白质、半纤维素、脂肪和油脂。碳水化合物的基本贮藏形式为淀粉。其中含有营养物质.在谷类籽粒中,淀粉是胚乳的主要贮藏物质。人们食用粮食(例如水稻小麦玉米等)的主要部分,也是种子的胚乳部分。种子中助残的可溶性糖大多是蔗糖,这类植物的种子成熟时含有甜味,如玉米、板栗等。以半纤维素为贮藏养料的植物种类并不很多,这类植物的种子中胚乳细胞壁特别厚,是由半纤维素组成的,种子萌发时,半纤维素经过水解成为简单的营养物质,为幼胚吸收利用,如海枣、咖啡、天门冬等。在糊粉层细胞中还含有大量蛋白质。蓖麻胚乳是典型的高脂肪胚乳。在胡椒科、苋科、马齿苋科、白花菜科、姜科和美人蕉科,营养物质也可以贮藏在外胚乳中。

化学成分

植物胚乳的化学成分非常复杂,例如椰子乳汁,除含无机盐、20种氨基酸和其他含氮化合物、有机酸、维生素、糖等以外,还含有一些激素。由组织培养试验表明,椰子乳汁起生长诱导作用的主要成分是己糖醇、肌醇、二苯尿和嘌呤等,其中嘌呤成分为玉米素核糖苷,它具有高度的细胞分裂素的活性。起主要作用的氨基酸是苯丙氨酸,对细胞分裂有起动作用。发育中的玉米胚乳含有大量碳水化合物、氨基酸、蛋白质、吲哚乙酸和嘌呤等,20世纪70年代以来还发现一种细胞分裂素——玉米素。

胚乳类型的演化关系

根据G·L·戴维斯的报告,在288科被子植物中,161科为核型胚乳,72科为细胞型胚乳,只有17科为沼生目型胚乳。细胞型胚乳多集中于双子叶植物,单子叶植物中只有天南星科和浮萍科为细胞型胚乳。同样,在17科沼生目型胚乳中,单子叶植物占14科。从胚乳类型之间的系统发育来看,一般认为沼生目型胚乳是中间类型。K·R·斯波恩应用统计学方法发现,核型胚乳与一系列具有原始特征的植物关系密切,认为是由核型向细胞型过渡。B·G·L·斯沃米和P·M加纳珀蒂根据导管穿孔类型,以是否为梯状穿孔导管或单穿孔,来计算统计学上的相关性,发现核型胚乳与具单穿孔的植物有比较肯定的关系。他们认为导管分子起源于具梯状梯纹纹孔的管胞;而单穿孔板比梯状穿孔板较为特化,因此,主张由细胞型向核型过渡。到底哪一种胚乳类型较原始,还没有肯定的答案。

胚乳培养

从1933年L·兰普和C·O·米尔利用植物组织培养方法,培养玉米幼嫩胚乳起,到1979年才有胚乳植株产生,到20世纪80年代只有少数胚乳植株培养成功,例如水稻、苹果、柚、檀香、大麦、马铃薯和猕猴桃等。胚乳植株不一定是三倍体植株,而往往是混倍体。由于染色体数目和形态发生变异,胚乳的试管培养可望得到新类型的植株。胚乳植株的培养成功,说明胚乳细胞与二倍体或单倍体细胞一样具有全能性。

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