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线粒体DNA(mtDNA)是线粒体的遗传物质,与核基因共同调控线粒体的活动。在哺乳动物卵细胞发育过程中,mtDNA会发生超量复制而达到>10~5个拷贝。这些mtDNA在数量上约为普通体细胞的100倍,能够保证早期胚胎在没有mtDNA复制的情况下亦能正常发育至囊胚时期。然而,在被子植物中,卵细胞仅包含与体细胞相似的mtDNA含量,并没有像哺乳动物卵细胞那样含有大量的mtDNA。这些研究结果暗示:在被子植物早期胚胎发生过程中,mtDNA在数量上可能有异于哺乳动物早期胚胎中mtDNA的变化规律。然而由于被子植物早期胚胎细胞分离较困难,其内的mtDNA在数量变化上的规律并未被研究过。利用蓝猪耳和拟南芥作为实验材料,我们探索了它们早期胚胎发生过程中mtDNA数量的变化规律。实时荧光定量PCR结果显示:蓝猪耳晚期合子和成熟卵细胞分别包含154.2±36.9和78.0±22.7个线粒体DNA拷贝,表明在合子发育过程中mtDNA发生了数量加倍。我们也定量了早期基、顶细胞中的mtDNA数量(103.0±26.1和33.4±10.5),早期基、顶细胞是成熟合子的分裂产物,那么成熟合子包含136.4个mtDNA拷贝,进而再次揭示mtDNA在合子发育过程中发生了数量加倍。为了提供mtDNA加倍的细胞学证据,我们构建了标记卵细胞及合子线粒体的蓝猪耳proDD45:Mt-GFP转基因植株,该转基因有利于我们用DAPI染色来区分线粒体拟核(mtDNA和蛋白的复合物)和质体拟核。荧光显微技术定量研究表明:在蓝猪耳合子发育过程中,线粒体数量、线粒体拟核数量、和线粒体拟核荧光都发生了加倍(线粒体数量从317.3±28.3增加到了584.3±26.5,线粒体拟核数量从220.0±29.2增加到了412.7±13.5,线粒体拟核荧光从3.2±0.5×10~4增加到了7.2±1.5×10~4),因而确认了mtDNA在合子发育过程中数量加倍的结论。利用荧光定量显微技术,我们也探索了拟南芥转基因系proDD45:Mt-GFP合子发育过程中的mtDNA数量变化。不同于蓝猪耳合子,拟南芥mtDNA的加倍并没有发生在合子发育过程中(拟南芥成熟合子和成熟卵细胞分别包含355.4±31.8和326.2±28.1个线粒体,253.8±20.0和254.0±33.8个线粒体拟核,3.1±0.3×10~4和3.7±0.5×10~4线粒体拟核荧光),其mtDNA的数量增多起始于两细胞胚的发育时期(拟南芥早期顶细胞和晚期顶细胞分别包含132.8±21.4和211.7±20.8个线粒体、99.3±18.6和183.3±11.5个线粒体拟核、1.4±0.2×10~4和2.6±0.2×10~4线粒体拟核荧光)。这些研究结果表明mtDNA在蓝猪耳和拟南芥早期胚胎发育过程中发生了数量加倍,揭示mtDNA在被子植物及哺乳动物早期胚胎发生过程中存在不同的数量变化规律。我们还探索了蓝猪耳和拟南芥成熟合子中的mtDNA分布。利用假想的分裂板,我们将成熟合子于细胞核中央处分为基部和顶部,并统计了其内的线粒体拟核数量、及线粒体拟核荧光。蓝猪耳成熟合子基、顶部线粒体拟核比例是2.96:1、线粒体拟核荧光比例是3.00:1,拟南芥成熟合子基、顶部线粒体拟核、线粒体拟核荧光的比例分别是1.68:1、1.64:1,因此mtDNA在蓝猪耳和拟南芥合子中的分布是不同的。由于合子的基、顶部在合子分裂后分别形成基、顶细胞,这些研究结果也首次暗示合子中的mtDNA在蓝猪耳及拟南芥基、顶细胞中将分别按照3.00:1及1.64:1进行分配。有趣的是,这种mtDNA分布暗示蓝猪耳和拟南芥顶细胞将包含数量相似的mtDNA,而基细胞却包含数量明显不同的mtDNA。该现象背后的生物学意义目前并不清楚,还需要进一步探究。综上所述,这些发现不仅首次揭示了被子植物早期胚胎发育过程中的mtDNA数量变化,还首次发现了不同物种的成熟合子有着不同的mtDNA分布,使我们更好的理解被子植物早期胚胎发育。