本研究基于裸子植物中类似被子植物的花粉管导向现象，探究了铁杉的传粉与胚珠发育过程，首次证实颈卵器发育与花粉管导向之间的相关性，并鉴定出裸子植物中与雌雄互作相关的候选基因，加深了对种子植物演化的理解，也为揭示被子植物起源提供了一种新的思路。
铁杉（Tsuga chinensis）是东亚特有的一种裸子植物，其授粉完成后具有类似于被子植物的花粉管导向生长特征。通过综合形态和发育学方法，发现铁杉的传粉机制包括花粉粒在胚珠外萌发并形成导向珠孔的花粉管生长，通过同一个球果雌雄配子体解剖学观察，进一步证实了颈卵器出现的时间与花粉管生长之间存在相关性。转录组测序显示，有19643个差异表达基因（DEGs）参与胚珠发育。通过生物信息学分析，鉴定出若干在裸子植物雌雄互作中可能发挥作用的候选基因，今后对这些差异表达基因的功能进行进一步验证具有重要意义。以上发现为深入了解种子植物中复杂的花粉管导向演化进程提供了新起点，并为揭示裸子植物花粉管导向的分子机制和被子植物起源奠定了理论基础。
图 1 铁杉（Tsuga chinensis）和异叶铁杉（Tsuga heterophylla）的传粉机制
A 铁杉属的系统发育树基于 Feng 等人（2021）的研究结果。B 雌球果大小的时间动态变化。该图展示了雌球果长度（黑色实线）和宽度（红色虚线）随时间的变化。左上角插图为长度和宽度测量的示意图。C 铁杉传粉机制的扫描电镜照片。比例尺 = 200 µm。D 异叶铁杉传粉机制的扫描电镜照片。比例尺：1-3 为 2 mm；4-6 为 200 µm。（缩写说明：OS = 珠鳞，BS = 苞鳞，O = 胚珠，P = 花粉粒，PT = 花粉管，M = 珠孔）
图 2 计算机断层扫描原位观察铁杉的花粉管生长
A-H 铁杉雌球果中花粉管生长的显微图像。A 5 月下旬雌球果的正面视图。B A 中雌球果的纵切面。C、F 从球果轴的近轴面观察到的两个相邻苞鳞 - 珠鳞复合体，显示早期发育复合体的胚珠（蓝色）、晚期发育复合体的胚珠（红色）以及珠孔（红色箭头）。D 从球果轴观察到的一个苞鳞 - 珠鳞复合体的近轴面，显示胚珠和珠孔。E 从球果轴观察到的一个苞鳞 - 珠鳞复合体的远轴面，显示花粉管（白色箭头）、珠孔（红色箭头）以及可能的花粉管路径（白色波浪箭头）。G 从球果轴观察到的一个苞鳞 - 珠鳞复合体的远轴面，显示花粉管（白色箭头）。H 从球果轴的远轴面观察到的两个相邻苞鳞 - 珠鳞复合体，显示苞鳞上的花粉管以及可能的花粉管路径（白色波浪箭头）。比例尺 = 1 mm。
图 3 铁杉颈卵器出现与花粉管生长的相关性
A、B 5 月下旬，花粉管生长进入珠孔。C 苯胺蓝溶液中花粉管的观察结果，显示花粉管在珠心组织中生长（切面荧光显著）。D 观察到颈细胞和腹沟细胞发生降解，这是为配子融合做准备的关键步骤。E 观察到花粉管延伸至颈细胞的过程。F 珠鳞不同发育阶段的体视显微镜图像。G 胚珠与花粉管生长关系的示意图。（缩写说明：OS = 珠鳞，P = 花粉粒，I = 珠被，N = 珠心，MS = 大孢子，FG = 雌配子体，M = 珠孔，FN = 游离核，AIC = 颈卵器原始细胞，JC = 套细胞，PNC = 初生颈细胞，CC = 中央细胞，NC = 颈细胞，VCC = 腹沟细胞，EN = 卵核，PV = 蛋白液泡）比例尺 = 200 µm
文章发表于知名期刊Plant Cell Reports，第一作者为已毕业硕士尚鑫同学（现博士就读于中国科学院植物研究所裸子植物系统与进化研究组导师汪小全研究员）；已毕业硕士王亚鑫同学（博士就读于西北农林科技大学园艺学院，导师袁黎教授），姜国维同学（博士就读于西北农林科技大学林学院，导师王利兵教授），毕小航同学（现就职于中国热带作物研究院辛香料研究所）和本科生陈芷涵同学（硕士就读于中国科学院昆明植物研究所，导师李德铢研究员）参与了此项研究，西北大学地质学系孙洁老师在CT扫描给予了技术支撑。论文第一单位为西北农林科技大学林学院，通讯作者张鑫博士为林学院森林植物教研室主任，十余年来坚持植物多样性和植物形态发育与系统演化的基础理论研究，主要关注被子植物起源及其演化。同时感谢英国邱园的Rudall教授和中科院遗传发育研究所李红菊研究员对于本研究的建设性意见，以及华大基因刘欢研究员对于转录组测序的支持。感谢西北农林科技大学作物抗逆与高效生产全国重点实验室的张国云老师对于扫描电镜的支持，实验室已毕业研究生王志攀，宁小艺和余恩萍在样品采集的帮助，也感谢中科院华南植物园，中山植物园和德国波鸿鲁尔大学植物园对于样品采集的支持。研究受到国家植物标本资源库建设（E0117G1001）和陕西省博士启动基金（A279021830）支持。
终审：张鑫