蕨类植物受精孔的发生、功能及其演化意义

我们首次在水蕨卵细胞上发现了受精孔（雌配子上的交配结构），它对于阐明蕨类植物受精作用的机制具有重要意义。但受精孔在蕨类植物中发生的普遍性、细胞发生机制、生物学功能和演化意义等尚了解不够。本项目将进行以下研究：① 拟选用6种演化地位不同的蕨类植物为代表（详见正文），主要以TEM技术研究受精孔发生的细微结构，比较不同蕨类受精孔之间的差异，揭示其系统发生和演化意义。② 拟以铁线蕨和水蕨为材料，采用TEM技术对受精孔发生的细胞学过程进行研究，阐明腹沟细胞在卵发生和受精孔形成中的作用。③ 拟以铁线蕨和水蕨为材料，采用体外受精、环境影响因子调控、TEM和激光共聚焦技术等研究受精孔的生理功能和形成机制。本项目研究结果对揭示蕨类植物受精孔的形态发生机制、生物学功能和阐明蕨类植物有性生殖的演化等都具有重要的科学意义。

本项目是在水蕨（Ceratopteris thalitroides）卵细胞上发现受精孔的基础上，深入研究受精孔在蕨类植物中发生的普遍性，细胞学发生机制，生物学功能和系统演化意义。通过对问荆（Equisetum arvense）、福建观音座莲（Angiopteris fokiensis）、紫萁（Osmunda japonica）、铁线蕨（Adiantum flabellulatum）、华东安蕨（Anisocampium sheareri）、蕨（Pteridium aquilinum）、瘤足蕨（Plagiogyria euphlebia）、峨眉凤丫蕨（Coniogramme emeiensis）等8种演化地位不同的蕨类植物受精孔发生的研究，取得了一些重要发现：① 发现蕨类植物的进化类群（薄囊蕨），包括铁线蕨（A. flabellulatum）、华东安蕨（A. sheareri）、蕨（P. aquilinum）、瘤足蕨（P. euphlebia）、峨眉凤丫蕨（C. emeiensis）均具有卵膜和受精孔，即卵膜和受精孔在薄囊蕨中是普遍存在的；② 发现这些进化蕨类中卵膜结构和形成方式不同，可分为2种类型，水蕨、铁线蕨和峨眉凤丫蕨卵膜为多层膜结构，是内质网从质膜内侧形成的，而蕨、华东安蕨、瘤足蕨的卵膜是网状结构，是由分离腔内物质在质膜外侧沉积形成；③ 发现原始薄囊蕨紫萁成熟卵细胞不具有典型的卵膜结构和受精孔；④ 厚囊蕨观音座莲卵细胞无卵膜结构；⑤ 细胞化学研究表明蕨等卵膜含多糖类物质，不含脂类物质，澄清了卵膜的细胞化学性质；⑥ 通过BFA（布雷菲德菌素）处理卵细胞发育表明分离腔内物质与高尔基体和囊泡活动有关。此外，本项目的研究成果对揭示蕨类植物有性生殖的演化和阐明蕨类植物亲缘关系也具有重要的科学意义，如通过对水蕨、铁线蕨、蜈蚣草凤尾蕨、凤丫蕨卵发生研究表明它们发育类型相同，将它们并入同一个科是合适的。又如，国外分类学家传统上将紫萁列入薄囊蕨，但通过我们的研究表明紫萁卵发生与其他薄囊蕨完全不同，支持秦仁昌系统将紫萁单列为原始薄囊蕨刚。