问题

如何判断种子是否已成功受精?

回答
判断种子是否成功受精,其实比我们想象的要有趣得多,它不仅仅是“种子长大了”这么简单。这是一个贯穿植物生命周期中的关键环节,直接关系到下一代的繁衍。我们可以从多个角度来观察和判断,就像一个细心的观察者,发现植物传递生命信号的蛛丝马迹。

一、从“花”的信号说起:受精的“前奏”

在种子形成之前,花朵是关键的舞台。花朵的结构本身就蕴藏着是否即将发生或已经发生受精的线索。

花瓣的变化: 很多植物在成功受精后,花瓣会逐渐凋谢、枯萎、脱落。这是因为花瓣的主要功能是吸引传粉者,一旦授粉完成,并且受精过程顺利进行,花瓣的“使命”也就完成了。你可以留意,如果花朵在开放后不久就迅速失去鲜艳,甚至开始干瘪,这往往是一个积极的信号。当然,也有一些植物,比如玫瑰,即使受精后花瓣依然可以保持一段时间的美丽,但这通常伴随着其他变化。
柱头的变化: 柱头是雌蕊接受花粉的部分。受精成功后,柱头通常会发生一些变化,比如变得干燥、卷曲,或者直接脱落。它不再需要继续等待花粉的到来,其功能已经实现。你可以观察柱头是否在花朵凋谢后依然坚挺,如果它也随着花瓣一同枯萎,很可能意味着受精已经发生。
花托的变化: 在很多植物中,我们看到的“花朵”实际上是整个花序,而我们最终食用的果实,很多时候就是由花托膨大形成的。如果花托开始明显地膨大起来,并且看起来饱满、充实,这是一个非常强烈的受精成功的迹象。你可以想象一下草莓的花,花瓣掉落后,那个红色的、多籽的“果实”就是膨大的花托。

二、关注“种子”本身:直接的证据

当然,最直接的证据来自于种子本身。如果能看到种子形成并发生一系列变化,那就基本可以确认受精成功了。

种子的形成与膨大: 这是最显而易见的变化。在成功受精后,胚珠会发育成种子,子房会发育成果实。你可以观察到原本细小、干瘪的胚珠逐渐变得饱满、圆润,体积增大。对于我们可食用的种子,比如豆子、玉米粒、瓜子等,它们的膨大过程是非常明显的。
种皮颜色的变化: 许多种子的种皮在发育过程中会发生颜色变化。从最初的浅绿色或白色,逐渐变为成熟的颜色,比如棕色、黑色、黄色等。这种颜色变化往往与种子内部物质的积累和成熟过程相关,而这些都离不开成功的受精。
种子的硬度与饱满度: 轻轻捏一下或者感受一下种子的硬度。成熟、受精成功的种子通常会变得坚实、饱满,而未受精的种子则可能依然软塌塌的,甚至空壳。你可以试着对比一下同一植株上一些看起来发育不全的“瘪籽”和饱满的种子,差异是很明显的。
内部胚的发育(需要解剖): 如果你对细节非常感兴趣,也可以小心地解剖一下种子。在成熟的种子内部,你会看到发育完整的胚芽、胚根、子叶。未受精的胚珠可能根本没有胚,或者胚发育不全。这需要借助放大镜甚至显微镜才能看清楚。

三、观察“果实”的生长:间接但可靠的信号

果实是我们最容易观察到的部分,它的生长状况直接反映了其内部种子的发育情况。

果实的膨大: 就像前面提到的花托,子房的膨大是受精成功的直接结果。你将看到一个原本小小的、青涩的子房,逐渐长大、成熟,变成我们熟悉的果实形态。无论是苹果、番茄、辣椒,还是我们不常注意到的豆荚,它们的膨大过程都是受精成功的重要标志。
果实的颜色和质地的变化: 随着果实内部种子的成熟,果实的颜色和质地也会发生变化。比如,绿色未成熟的果实会转变为成熟时的鲜艳颜色(红、黄、紫等),质地也会从坚硬变得柔软多汁。这些变化都与种子发育所需的营养物质输送有关。
果实的脱落或挂枝: 成熟的果实可能会自行从植株上脱落,或者在成熟后依然挂在枝头,等待传播。而那些未受精或发育不良的子房,通常会过早地枯萎、干瘪,并从植株上脱落,它们没有能力继续生长,也就不会形成成熟的果实。

一些需要注意的“例外”和细节:

单性结实: 有些植物可以通过无核(parthenocarpy)的方式结出果实,即便没有受精,果实也能发育。例如香蕉、某些葡萄品种。在这种情况下,观察果实是否“成熟”可以作为判断依据,但它们内部是没有种子的。
授粉不等于受精: 成功授粉只是第一步,花粉需要萌发并穿过花柱,到达胚珠,雄配子与卵细胞结合,这才是真正的受精。有时会遇到授粉了,但由于花粉不育、柱头粘液不足、环境不利等原因,受精未能成功。
环境因素: 温度、湿度、光照等环境因素都会影响授粉和受精的成功率。

总的来说,判断种子是否成功受精,需要我们耐心细致地观察植物从花朵到果实,再到种子的整个发育过程。关注花朵的凋谢、柱头的变化、果实的膨大,以及最核心的——种子的饱满与颜色变化,就能大概率地了解这个生命传递的过程是否顺利。这就像在观察一个植物宝宝的孕育过程,每一点变化都值得我们去发现和体会。

网友意见

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哈哈哈,我……

看到这个题我差点爆粗口。这是什么问题!

这不是开玩笑的题目,这个题问的太专业了。提问的人不仅专业,而且擅长伪装,因为他根本就没做任何解释,就这么简单粗暴的问了。

大家发现这个问题背后的逻辑了吗?有些种子的形成根本不需要受精作用。

再说一遍,有些植物不用经过受精作用就能得到种子

这个问题太大了,我在这里只能退而求其次,只解决这个大问题下的一个小小问题,希望可以提供思路,抛砖引玉。

我把我要回答的问题再重新组织一下。如果我曲解了题主的原意,请原谅。

问:种子形成可以不经过受精作用吗?如何判断?


-------以下是我的回答---------

1.什么是种子

在植物学教材中,种子的定义如下[1]

种子是种子植物在经过传粉、受精(或不经过受精)作用之后,有胚珠发育而来的,是种子植物繁衍后代的特有结构,是植物高度进化的产物。

我们还是要界定一下,这里讨论的种子不是农业生产上的广义的种子(种子或能繁殖后代的繁殖体),而是生物学中种子植物的种子,是植物的特化的生殖器官。

一般我们认为种子受精作用之后发育来的,如下图。

但是不经受精作用发育而来的种子是什么样子的呢?又是如何得到种子的呢?背后的原理是什么?

为了解决这些问题,要介绍一个比较专业的名词:无融合生殖


2.什么是无融合生殖

无融合生殖现象并不罕见,比如在高中生物课本中出现的山柳菊[2]就存在无融合生殖现象[3]

1841年,Smith在大戟科植物冬青叶山杆麻中发现雌珠在无花粉供体的情况下结籽的现象[4]

1866年孟德尔在山柳菊属植物的杂交实验中,观察到杂交后代的无序性,无法做出科学解释。课本上了几点,但是没有提无融合生殖,这个可以理解,课本是由良心的,这个概念不提是对的。

1908年,winkler将其命名为无融合繁殖(apomixis)[5]

我国学者蔡得田和陈冬玲提出的概念是这样描述的,无融合生殖是指发生在植物配珠中,不经精卵融合形成胚,以种子进行繁殖的生殖方式[6]

分为三个特点,两个大类[7]

三个特点:

  • 发生在性器官中;
  • 没有性细胞融合过程;
  • 以种子而不是营养器官繁殖。

两个大类:

  • 第一类,减数胚囊中的无融合生殖, 包括孤雄生殖、孤雌生殖和无配子生殖3种形式。
  • 第二类, 未减数的胚囊中的无融合生殖, 包括二倍体孢子生殖和体细胞无孢子生殖2种形式。

无融合生殖的过程相当复杂,情况很多。需要分类讨论。为了表述清晰我们只挑选一个例子来说明,这个植物就是我们的一个“假想植物”,它没有孤雄生殖,是一个正常的二倍体被子植物。

用假想植物一方面是为了偷懒,可以只介绍一部分内容,另一方面是为了方便理解。具体后面会介绍。


3.受精作用之后发育成的种子

3.1被子植物的生活史

我们假想的二倍体被子植物,其双受精过程中会出现“八核七细胞”的胚囊。胚囊可以认为是植物的配子体,雌配子体产生雌配子[8],可与雄配子识别并融合完成受精作用。

接下来我们就用这个“假想个体”来讨论如何判断得到的“种子是否经过了受精作用”。

3.2 配子体:“八核七细胞”的胚囊

胚囊,为大孢子有丝分裂的产物。我们假想二倍体植物细胞减数分裂得到大孢子(N),1个大孢子细胞经过三次有丝分裂得到了8个核(N),并进一步形成了7个细胞。7细胞为:1个卵细胞、2个助细胞、3个反足细胞和1个中央细胞,中央细胞内有2个极核[9]

所以,在我们的假想二倍体植物(2N)的胚囊中,这8个核都只有一个染色体组,我们记做N。

3.3 典型的双受精

双受精(double fertilization)是指裸子植物麻黄属和买麻藤属以及被子植物的雄配子体形成的两个精子,一个与卵融合形成二倍体的合子,另一个与中央细胞的极核(通常两个)融合形成初生胚乳核的现象[10]

假想植物双受精后,合子(受精卵)发育成胚,染色体倍性为N+N=2N;中央细胞(受精极核)发育成胚乳,染色体倍性为N+N+N=3N。


4.没有受精作用发育成种子

4.1 有减数分裂但没有受精作用

假想植物没有受精作用,但是还是发育成了种子。若由卵细胞不经受精作用直接发育成胚,称为单倍体孤雌生殖[11]。若由助细胞或者反足细胞直接发育成胚,则称为单倍体无配子生殖[12]。这样,我们假想植物得到的种子由于内部的胚是单倍体,因此小苗弱小,不育。这样的种子,胚的染色体倍性为N,胚乳(中央细胞)的染色体倍性为N+N=2N。

4.2 如果没有减数分裂但有假受精

假受精又称为雌核生殖(gynogenesis)意指精子虽能正常地进入和激活卵细胞,但合子发育的遗传信息完全来自卵细胞,精子没有遗传信息参与子代的发育,而仅仅起激活卵子发育的作用[13]。假受精虽然没有得到受精卵,但是存在中央细胞与雄配子融合[14],也就是有受精极核。

假想植物没有减数分裂,但是还是发育成了种子。没有减数分裂,配子体染色体倍性为2N,直接发育成胚,因此胚也为2N。存在假受精,中央细胞与雄配子融合发育成胚乳,因此胚乳的染色体倍性为5N。

4.3 如果没有减数分裂也没有假受精

我们的假想植物没有减数分裂也没有假受精,但是还是发育成了种子。这种情况下,无论种子中的胚是由配子细胞直接发育二倍体孤雌生殖[15],还是由助细胞或者反足细胞的二倍体无配子生殖[16],胚中的染色体均为2N,胚乳(中央细胞)的染色体倍性为2N+2N=4N。这种情况下,种子发育得到的幼苗为二倍体,可正常发育和遗传。


5.鉴定方法

哈哈哈,终于要进入正题了!假想植物的种子已经有了,怎么逆推有没有受精作用呢?在这些方法中有哪些适合用来鉴定我们的假想植物呢?

植物无融合生殖在农业生产中有较好的应用前景[17],目前有关鉴定的方法,主要可以分为五大类,形态学观察法[18]、显微观察法[19]、生化鉴定法[20]、分子生物学[21]的方法以及除前四种方法以外的其它方法[22]

我想到了3个相对容易操作的。

5.1 做切片,观察胚与胚乳

胚与胚乳染色体数目比会出现2:3,1:2,2:4,2:5这几种情况。正常受精作用的种子是2:3,其他都没有受精作用的无融合生殖。

5.2 种下去,关注母本性状

我很机智的把“假想植物”设定为了没有孤雄生殖。这样,孤雌生殖的无融合生殖得到的二倍体后代性状与母本保持一致,单倍体后代相对弱小。

5.3 花点钱,送去鉴定机构

哈哈哈,我又来偷懒了。其他的方法都有些麻烦,费事费力,也不经济,还是送专业机构鉴定吧。能观察染色体解决或者是通过性状分析解决很好,不能解决就算了。

最后还有加个设定,我们的“假想植物”果实鲜美,种子可食且营养丰富。与其思考有没有受精作用,还不如想想怎么烹饪更加美味呢。对吧,别浪费了!

参考

  1. ^ 金银根,《植物学 第2版》,科学出版社
  2. ^ 高中生物教材,必修Ⅱ,人民教育出版社,2004年初审通过
  3. ^ 蔡得田, 陈冬玲. 崛起的生物学科生长点──无融合生殖学[J]. 中国生物工程杂志, 1995, 15(3):34-40.
  4. ^ John S . Notice of a Plant which produces perfect Seeds without any apparent Action of Pollen[J]. Transactions of the Linnean Society of London(4):4.
  5. ^ Winkler H A . Parthenogenesis und Apogamie im Pflanzenreiche[J]. Archiv für Mikroskopische Anatomie, 1908, 26(4):696-696.
  6. ^ 曹虎. 无融合生殖[J]. 植物杂志, 1996.
  7. ^ 胡适宜, 1984, 被子植物胚胎学, 高等教育出版社
  8. ^ 陈阅增普通生物学,第4版,高等教育出版社
  9. ^ campbell biology
  10. ^百科词条:双受精 https://baike.baidu.com/item/%E5%8F%8C%E5%8F%97%E7%B2%BE/1317140?fr=aladdin
  11. ^ 在小麦,玉米,烟草等植物中有发现
  12. ^ 在水稻,玉米,烟草,棉花,黑麦,辣椒等植物中又发现。
  13. ^百科词条:假受精 https://baike.baidu.com/item/%E5%81%87%E5%8F%97%E7%B2%BE/1690608?fr=aladdin
  14. ^ 赵世绪. 无融合生殖与植物育种[M]. 北京农业大学出版社, 1990.
  15. ^ 在芸薹属、蒲公英等植物中有发现
  16. ^ 在葱等植物中有发现
  17. ^ 高建伟,李忠德等, 植物无融合生殖研究进展[J]. 生物工程进展(5):43-47.
  18. ^ Hanna W W . Use of Apomixis in Cultivar Development[J]. Advances in Agronomy, 1995, 54(08):333-350.
  19. ^ Naumova T N , Osadtchiy J V , Sharma V K , et al. Apomixis in plants: Structural and functional aspects of diplospory in Poa nemoralis and P. palustris[J]. Protoplasma, 1999, 208(1):186-195.
  20. ^ Torres A M , Soost R K , Terry M L . Citrus isozymes[J]. Journal of Heredity(5):5.
  21. ^ H, Ur-Rahman, D, et al. The use of RAPD for verifying the apomictic status of seedlings of Malus species[J]. TAG Theoretical&Applied Genetics, 1997.
  22. ^ 马三梅,王永飞,叶秀粦,赵南先,梁承邺. 植物无融合生殖鉴定方法的研究进展[J]. 西北植物学报(4):985-992.

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