胚乳

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胚乳(endosperm)一般是指被子植物在雙受精過程中精子極核融合後形成的滋養組織,也稱內胚乳。這種組織既不是配子體,也不是孢子體,其染色體倍性一般為三倍體;為許多植物(如禾本科植物)種子的重要組成部分。裸子植物的雌配子體具有貯藏營養的功能,也稱它為胚乳;但它是由未受精的大孢子發育形成的單倍體雌配子體組織,兼有分化產生卵細胞的功能,與被子植物的胚乳在起源及染色體倍性上都是不同的。有些植物的珠心組織(孢子體部分)在種子發育過程中,不但沒有被吸收消耗,反而增殖並發育成充滿豐富營養的組織——外胚乳。甜菜、胡椒和絲蘭屬等的種子都具有發達的外胚乳(圖1)。  

目錄

發育類型

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根據細胞分化的特點,可將胚乳分為以下3種類型:

1、核型胚乳胚乳的早期發育有一游離核時期。游離核分裂的次數則隨植物種類而異。如咖啡屬早在4核階段就形成壁。馬利筋屬、大花草屬和還陽參屬,在8核或16核階段形成胞壁。報春花屬、錦葵屬、杧果屬、胡桃屬、蘋果屬和柑橘屬等,沿著胚囊壁可以看到幾百個胚乳核。圖2c表示棉花核型胚乳的發育情況。開花後5天的棉花其胚乳游離核已超過1000個以上。椰子果實生長到50毫米時,胚囊充滿清徹的液體,在液體中懸浮許多大小不等的游離核;當果實達到100毫米時,胚乳核逐漸形成細胞。然後,這些細胞和游離核沿大液泡腔周緣固定下來,並出現胚乳細胞層——椰子肉。另外一些植物,如倒地鈴屬、旱金蓮屬和野牡丹屬完全不形成細胞壁

2、細胞型胚乳不存在游離核時期,初生胚乳核及其後繼的細胞分裂,有規則地形成細胞壁。根據第一次分裂形成的細胞方向,可分為縱向分裂(圖2a)和橫向分裂(圖2b)兩個亞型。五福花屬的初生胚乳細胞頭兩次分裂都是縱向的,結果形成4個柱狀細胞,到第3次分裂才是橫向的。大多數植物的初生胚乳細胞,第一次是橫向分裂。肉豆蔻科、馬兜鈴科、瓶爾草科、龍膽科和紫草科等植物,第2~3次分裂仍是橫向分裂,結果形成4個或更多的細胞系列。

3、沼生目型胚乳:初生胚乳核移到合點端後分裂,形成一個合點端小室和一個珠孔端大室。珠孔端核再行游離核分裂,後期才形成細胞壁;合點端的核不分裂,或只行幾次游離核分裂(圖2d)。  

形態與功能

胚乳在被子植物種子中是普遍存在的。它的主要功能是為發育中的胚提供營養。在蘭科植物的種子中,胚乳只有很少幾個細胞。柳葉菜科、河苔草科和菱科植物的種子不具胚乳。蠶豆豌豆和菜豆等豆科植物,種子發育初期雖有胚乳,但後期完全被發育中的胚吸收消耗了,因此種子成熟時不具胚乳或者只在種皮下殘存1~2層胚乳細胞;這種無胚乳的種子,胚具有肥厚而肉質的子葉,在種子萌發時為胚提供營養。

糊粉層:穀類植物胚乳最外面一層或幾層細胞,在形態與生理上高度特化,形成糊粉層。這些細胞富含糊粉粒,還含有一些圓球體。糊粉粒的主要成分是蛋白質植酸鈣鎂、磷酯和碳水化合物。在成熟穀粒中,糊粉細胞是活化的,當籽粒萌發時,胚乳細胞的貯藏物質被糊粉層細胞分泌水解酶所分解。

嚼爛狀胚乳:有些成熟胚乳表面,呈不同程度的凹凸不平,稱為嚼爛狀胚乳。在被子植物中約有32科植物具嚼爛狀胚乳。

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胚乳吸器:最初在銀樺胚乳合點端發現的蠕蟲狀附屬物(圖3a)。以後在葫蘆科、豆科和山龍眼科等許多植物中,也相繼發現了各種各樣的胚乳吸器。Iodina rhombifolia的胚乳吸器形態複雜,甚至成珊瑚狀;Impatiensroylei的胚乳吸器呈菌絲狀分枝,並侵入珠柄組織(圖3b);Nemophila aurita的胚乳組織呈球狀,其珠孔端和合點端兩極均具胚乳吸器。在細胞型胚乳中胚乳吸器特別發達。按胚乳吸器分布位置可將其分為合點端吸器和珠孔端吸器兩種類型。在Lomatia中,除合點端的主要吸器外,整個胚乳表面有許多單細胞的指狀突起,這就大大增加了胚乳的吸收面積。

多數被子植物胚乳,開始時是三倍體細胞。但由於胚囊發育類型不同,胚囊中極核的數目也不同,所以初生胚乳核的倍性也不相同;月見草型為二倍體;椒草型為九倍體;、蔥、五福花以及德魯撒型為三倍體;皮耐亞和白花丹型為五倍體;貝母型和小白花丹型也是五倍體。即使一般為三倍體的胚乳組織,在發育過程中,也能發生倍性的改變。不少胚乳細胞有很高的倍性。例如Thesium alpinum胚乳吸器的核為384倍體,而Melampyrumpratense合點吸器的核倍性達1536倍。倍性的增加與核內有絲分裂核融合現象有關。胚乳細胞的大小與數目也有很大變化。蔥蓮屬胚乳有特大的細胞核核仁數目多達23個。

被子植物的胚和胚乳都是雙受精的產物,但是胚乳核和合子核的分裂並不同步,一般說來,前者分裂比後者早,所以,初期胚的發育和分化就可靠胚乳提供營養。無胚乳種子的胚可以從外胚乳甚至珠心或珠被絨氈層組織吸收營養。  

營養的貯藏形式和化學成分

胚乳的貯藏物質主要是碳水化合物、蛋白質、脂肪和油脂。碳水化合物的基本貯藏形式為澱粉。其中含有營養物質.在穀類籽粒中,澱粉是胚乳的主要貯藏物質。人們食用糧食(例如水稻、小麥和玉米等)的主要部分,也是種子的胚乳部分。在糊粉層細胞中還含有大量蛋白質。蓖麻胚乳是典型的高脂肪胚乳。在胡椒科、科、馬齒莧科、白花菜科、姜科和美人蕉科,營養物質也可以貯藏在外胚乳中。

植物胚乳的化學成分非常複雜,例如椰子乳汁,除含無機鹽、20種胺基酸和其他含氮化合物、有機酸、維生素、糖等以外,還含有一些激素。由組織培養試驗表明,椰子乳汁起生長誘導作用的主要成分是己糖醇、肌醇、二苯尿和嘌呤等,其中嘌呤成分為玉米素核糖苷,它具有高度的細胞分裂素的活性。起主要作用的胺基酸苯丙氨酸,對細胞分裂有起動作用。發育中的玉米胚乳含有大量碳水化合物、胺基酸、蛋白質、吲哚乙酸和嘌呤等,20世紀70年代以來還發現一種細胞分裂素——玉米素。  

胚乳類型的演化關係

根據G.L.戴維斯的報告,在288科被子植物中,161科為核型胚乳,72科為細胞型胚乳,只有17科為沼生目型胚乳。細胞型胚乳多集中於雙子葉植物,單子葉植物中只有天南星科和浮萍科為細胞型胚乳。同樣,在17科沼生目型胚乳中,單子葉植物佔14科。從胚乳類型之間的系統發育來看,一般認為沼生目型胚乳是中間類型。K.R.斯波恩應用統計學方法發現,核型胚乳與一系列具有原始特徵的植物關係密切,認為是由核型向細胞型過渡。B.G.L.斯沃米和P.M迦納珀蒂根據導管穿孔類型,以是否為梯狀穿孔導管或單穿孔,來計算統計學上的相關性,發現核型胚乳與具單穿孔的植物有比較肯定的關係。他們認為導管分子起源於具梯狀梯紋紋孔的管胞;而單穿孔板比梯狀穿孔板較為特化,因此,主張由細胞型向核型過渡。到底哪一種胚乳類型較原始,還沒有肯定的答案。  

胚乳培養

從1933年L.蘭普和C.O.米爾利用植物組織培養方法,培養玉米幼嫩胚乳起,到1979年才有胚乳植株產生,到20世紀80年代只有少數胚乳植株培養成功,例如水稻、蘋果、檀香大麥馬鈴薯獼猴桃等。胚乳植株不一定是三倍體植株,而往往是混倍體。由於染色體數目和形態發生變異,胚乳的試管培養可望得到新類型的植株。胚乳植株的培養成功,說明胚乳細胞與二倍體或單倍體細胞一樣具有全能性

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