Сингамия — объединение спермиев с ядром яйцеклетки.
Тройное слияние — объединение спермия с полярными ядрами центральной клетки.
Входя в зародышевый мешок, пыльцевая трубка изливает свое содержимое в синергиды, при этом одна из них или обе разрушаются. Процесс дегенерации синергид происходит в течение длительного отрезка времени и они сохраняются еще на стадии проэмбрио. Ядра синергид распадаются на отдельные структуры, имеющие сходство с мужскими гаметами; часто их принимают за спермии дополнительных пыльцевых трубок. Обнаружить спермий первой пыльцевой трубки трудно из-за быстроты излияния содержимого пыльцевой трубки в промежуток между яйцевым аппаратом в центральной клетке зародышевого мешка, откуда спермии «расходятся» в противоположных направлениях.
Через 30—40 мин спермии пшеницы попадают в цитоплазму обеих клеток. После проникновения в яйцеклетку спермий в течение 1 ч находится в ее цитоплазме, что дает возможность проследить все дальнейшие фазы его изменений. По пути к ядру яйцеклетки, находящейся в интерфазе, в спермиях становится отчетливо видна их хроматизация. Цитохимическое изучение процесса оплодотворения у ячменя выявило, что в ядре яйцеклетки после его контакта со спермием происходят большие структурные перестройки. Ослабляются связи ДНК с белками и усиливается связь с липидными компонентами и, вероятно, с ядерной мембраной. Хроматин деконденсируется, переходя в диффузное состояние; только после такой перестройки начинается процесс объединения ядер гамет.
У пшениц спермий имеет 2 явно различающихся по форме конца: широкий конец более рыхлый, чем узкий. Погружение спермия и деспирализация его в ядре яйцеклетки, как правило, начинаются с широкого конца, теряющего свои очертания, что особенно явственно наблюдается при слиянии второго спермия с полярными ядрами. Весь процесс объединения спермия с ядром яйцеклетки занимает 5—6 ч. В этом процессе хроматин спермия постепенно деспирализуется, появляются одно или 2 ядрышка, которые сливаются с женским ядрышком, а иногда остаются необъединенными.
Электронно-микроскопические исследования у некоторых форм ячменя показали, что спермии имеют плотное ядро, окруженное цитоплазмой. Последняя содержит органеллы, в основном митохондрии, диктиосомы, рибосомы, ЭР, липидные тела и маленькие вакуоли. Слияние спермиев с яйцеклеткой и центральной клеткой начинается с контакта плазматических мембран. Попав в женские клетки, спермии теряют свою цитоплазму, причем никаких различимых органелл спермиев не обнаружено. Вероятно, при сингамии мужская цитоплазма не входит в яйцеклетку. Слияние ядер спермия с ядром яйцеклетки и полярными ядрами происходит после контакта ядерных мембран и образования мостиков между ними. После окончательного слияния спермия с ядром яйцеклетки зигота длительное время находится в интерфазном периоде, продолжающимся у пшеницы 16—18 ч. В ядре зиготы нельзя отличить мужской хроматин от женского, и поэтому в профазу зигота вступает как единое целое.
Процесс погружения спермия в ядро центральной яйцеклетки сходен с таковым в яйцеклетке, но протекает значительно быстрее. Если в цитоплазме яйцеклетки спермий пшеницы находится около 1 ч, то в цитоплазме центральной клетки — 15—30 мин. Как уже отмечалось, полярные ядра, как правило, до оплодотворения сближены, но не слиты. С началом контакта спермия с полярными ядрами происходит их быстрое объединение, вследствие чего между ними можно наблюдать цитоплазму центральной клетки, которая затем дегенерирует. Наличие цитоплазматических «захватов» может служить показателем начала объединения полярных ядер, которое полностью еще не завершилось. Процесс их объединения со спермием происходит за 1.5—2 ч. У пшеницы через 2—3 ч после опыления, как правило, он уже закончен и в интерфазе видно ядро. Особенность этого процесса в центральной клетке — отсутствие объединения мужских и женских ядрышек в полярных ядрах и раздельное (асинхронное) вступление спермия в профазу внутри первичного ядра эндосперма. Полное объединение хроматина спермия и полярных ядер центральной клетки происходит в метафазе. Этот феномен асинхронного преобразования хроматина мужских и женских гамет во время оплодотворения у некоторых видов растений, в том числе и злаков, является общебиологическим. Некоторые исследователи объясняют его разными темпами прохождения мужскими и женскими гаметами различных периодов митотических циклов.
Темп прохождения сингамии и тройного слияния неодинаков. Вероятно, дело в разных условиях, имеющихся в яйцеклетке и центральной клетке. В полярных ядрах в момент контакта со спермием хроматин находится в диффузном состоянии, поэтому не происходит сложных перестроек, как в яйцеклетке, и процесс объединения совершается быстро. По-видимому, разная скорость процесса объединения спермия с женскими ядрами зависит также от плоидности клеток: яйцеклетка имеет гаплоидный набор хромосом, а центральная клетка — диплоидный. Различные размеры и строение этих 2 клеток обусловливают также и то, что у них и период интерфазы разной длительности: в зиготе — около 17—18 ч, а в первичной клетке эндосперма — всего 0.5—1 ч. Период покоя зиготы характеризуется значительными изменениями структур интерфазного ядра и цитоплазмы, что проявляется в заметном росте зиготы и ее ядра, в характере вакуолизации, в почти полном исчезновении крахмала в амилопластах, в изменении распределения митохондрий и других органелл. В первичной клетке эндосперма в отличие от зиготы в период короткой интерфазы не происходят такие изменения: присутствуют пластиды с крахмальными зернами и т. п. Различная продолжительность интерфазы в этих клетках объясняется, вероятно, разным характером процессов их дедифференциации. Как было отмечено ранее, половые клетки являются высокоспециализированными, а зигота, вступающая в митоз, характеризуется скорее признаками, присущими меристеме, и в определенном смысле тотипотентна. В интерфазный период происходят сложнейшие морфо-структурные преобразования, в результате которых «теряется» специализация, присущая половым клеткам. Сравнительное электронно-микроскопическое изучение цитоплазмы яйцеклетки у кукурузы до и после оплодотворения выявило изменение поляризации органелл, формирование агрегатов рибосом, увеличение синтеза м-РНК Увеличение числа митохондрий и пластид в зиготе и изменение их внутренней организации свидетельствуют об интенсификации метаболической активности. Разный период покоя в зиготе и первичной клетке эндосперма у некоторых представителей цветковых растений, вероятно, можно объяснить также различным строением этих клеток, которые в свою очередь обусловлены неодинаковым строением семяпочек, завязи и цветка в целом.
Процесс двойного оплодотворения у всех хлебных злаков происходит сходным образом. Различия касаются типов, форм, размеров и строения половых клеток. Так, у кукурузы в зародышевом мешке спермии имеют округлую, несколько вытянутую форму, у ячменя и ржи все половые клетки значительно меньших размеров, чем у пшеницы.
Таким образом, процесс двойного оплодотворения у злаков идет по премитотическому типу, т. е. объединение половых ядер происходит до митоза. Следует отметить, что объединение спермия с полярными ядрами центральной клетки не соответствует классическому премитотическому типу. Первый этап, т. е. объединение спермия с ядрами центральной клетки, происходит до митоза, что соответствует премитотическому типу. Второй этап, т. е. объединение мужского и женского хроматина, не происходит до митоза, поскольку хроматин спермия вступает в профазу раньше, чем хроматин полярных ядер. Полное их объединение происходит в метафазе.
Исходя из этого, можно полагать, что в центральной клетке объединение половых гамет, вероятно, правильнее отнести к промежуточному типу оплодотворения, а весь процесс двойного оплодотворения охарактеризовать все же как премитотический.
Сопряженность процессов сингамии и тройного слияния. Несмотря на различие темпов сингамии и тройного слияния, имеется корреляция в их прохождении. Определенному состоянию яйцеклетки и зиготы всегда соответствует определенное состояние полярных ядер и эндосперма. Так, через 3 ч после опыления в первичной клетке эндосперма пшеницы наступает профаза, а в яйцеклетке происходит объединение спермия с ядром яйцеклетки. Через 7 ч после опыления зигота находится в покое, а в эндосперме прошло первое деление. Эта корреляция мало подвержена влиянию внешних факторов и практически от них не зависит, т. е. детерминирована. Естественно, что имеется определенная амплитуда колебания во времени в процессе двойного оплодотворения. Скорость протекания эмбриологических процессов в целом зависит от внешних условий, поэтому процесс двойного оплодотворения может либо замедляться, либо ускоряться. Нарушение сопряженности процессов сингамии и тройного слияния может проявляться при экстремальных условиях, что часто вызывает аномальное развитие зародыша и эндосперма.