全 文 ：第 28卷
Vol.28 　
第 2期
No.2
西华 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
JournalofChinaWestNormalUniversity(NaturalSciences)
2007年 6月
Jun.2007
文章编号:1673-5072(2007)02-0117-04
　　收稿日期:2007-01-21
基金项目:四川省应用基础研究基金资助项目(JY029-055-2);四川省重点学科建设项目资助(SZD0420)
作者简介:王祖秀(1949-), 女 ,四川成都人 , 西华师大生命科学学院副教授 ,主要从事遗传学教学和研究工作.
航天诱变凤仙花 SP2 的细胞学观察
王祖秀 1 ,汤泽生 1 ,杨　军2 ,刘　平3
(1.西华师范大学生命科学学院 ,四川 南充　 637002;2.西华师范大学珍稀动植物研究所 ,四川南充　 637002;
3.四川省南充市航天农业有限公司 ,四川南充　637000)
摘　要:对来自航天诱变凤仙花突变体院 -3的子代(SP2)的减数分裂行为进行了研究.对 13株子代(SP2)的细
胞学观察发现 , 减数分裂中期Ⅰ均为 7个二价体(7Ⅱ),表明 SP1减数分裂的不均等分离未能导致 SP2非整倍体变
异.并首次发现 SP2小孢子在发育早期以 “凹陷式 “和 “出芽式”分裂形成小花粉粒.分析认为:SP1减数分裂中的不
均等分离和多极分离的主要原因是由航天条件下多种因素造成的生理损伤所致 , 是不遗传的.“凹陷式 ”和 “出芽
式”分裂是 SP2花粉败育的主要原因.该分裂方式可能与基因突变有关.
关键词:凤仙花(Impatiensbalsamina);航天诱变;SP2;减数分裂;小孢子发育.
中图分类号:Q319.33　　　文献标识码:A
随着航天事业的发展 ,航天诱变效应越来越引起人们的关注和广泛研究.国外对于航天效应的研究主要
集中在不同引力的条件下 ,对动物体以及低等植物的胚胎发育 、生理特性等方面的影响 [ 1 -5] .而国内对空间
诱变的研究大都着眼于植物育种性状的选育和对生物学特性的影响[ 6, 7] ,并在航天诱变育种方面取得了大
量成果 [ 8] .对于航天诱变的细胞学研究极少.李金国 、汤泽生等人也仅仅是对绿菜花 、凤仙花(Impatiensbal-
samina)SP1的减数分裂进行观察 ,并都发现其后期Ⅰ出现染色体的不均等分离 [ 9, 10] .但均未对航天搭载导致
减数分裂异常的原因进行分析.SP1植株减数分裂中的染色体的不均等分离是否导致在 SP2中出现整倍性
或非整倍性的染色体数目变异子代 , 也尚无细胞学方面的研究报道.为了弄清航天诱变(SP1)减数分裂中染
色体不均等分离的原因以及该原因是否会间接导致航天诱变材料的后代出现非整倍性变异类型 ,为航天诱
变的遗传研究和航天诱变育种提供细胞学依据.为此我们对航天诱变凤仙花突变体(院 3, SP1)的子代(SP2)
进行了细胞学研究.
1　材料和方法
1.1　材料
本文所用材料是凤仙花(Impatiensbalsamina),其种子经搭乘 “神舟 4号”飞船诱变产生的突变株 2003-
3突变体(简称:院 3,以下同)的子代(SP2).院 3(SP1)是一种花形变异突变体 ,其细胞学观察见汤泽生的报
道 [ 10] .院 3植株子代及其对照均种植在西华师范大学生命科学学院的实验园地.
1.2　方法
随机选取 5株对照植株和院 3突变体(SP1)子代中的 13株单株(SP2)进行细胞学的跟踪观察和统计分
析.
减数分裂及小孢子发育的观察:分别取未上天的对照和 SP2单株 3.5-5.0mm大小的花蕾 ,用压片法制
片 ,改良苯酚品红染色 ,观察统计减数分裂各时期正常和异常分离的小孢子母细胞数目 ,对典型的变异进行
显微摄影.将实验结果与对照和 SP1的结果 [ 10]进行比较分析.
花粉活力测定:采用 TTC染色法 [ 11] .染色后的花粉粒经显微镜观察 ,根据花粉粒的颜色和相对大小统计
3个不同视野的花粉 ,对统计结果进行比较分析.
DOI :10.16246/j.issn.1673-5072.2007.02.002
118　 西华师范大学学报(自然科学版) 2007年
2　实验结果
2.1　减数分裂
观察发现:13株植物的小孢子母细胞减数分裂中期 I均为 7个二价体(7Ⅱ)(图 1-1),绝大多数都呈
7∶7正常分离(图 1-2),也有少量出现 6∶8分离(图 1-3),还有的母细胞具有落后染色体 、细胞不同步分裂
或者是后期 Ⅰ 、Ⅱ不均等分裂现象(图 1-4、5、6、7、8).观察还发现:大多数小孢子母细胞的减数分裂过程直
至末期 Ⅱ基本正常(图 1-9),但有的小孢子母细胞的减数分裂进行至晚末期 Ⅱ核膜形成前时 ,表现出染色
体的分布散乱(图 1-10).对 13株 SP2植株的减数分裂进行观察和统计 ,平均每株观察了 530个小孢子母
细胞 ,结果显示各株间异常分离率差异较小 ,其平均比例为 7.09%.对照株的减数分裂的观察 ,极少发现异
常.其 5株对照植株的小孢子母细胞减数分裂期的总异常分离的平均比例仅为 0.23%.
1.中期Ⅰ∶7Ⅱ;2.7∶7正常分离;3.6∶8不等分离;4.后期Ⅰ∶不等分离和落后染色体;5.后期Ⅱ∶落后染色体, 6.后期Ⅱ∶不等分离;
7.后期Ⅱ∶不同步分裂;8.末期Ⅱ∶不等分离;9.正常末期Ⅱ∶10.晚末期Ⅱ∶散乱染色体.
图 1　航天诱变凤仙花院 3突变体子代(SP2)减数分裂
Fig.1　MeiosisofSP2 generationfromI.balsaminayuan-3mutantinducedbyspaceflight
2.2　小孢子发育及花粉活力测定
13株 SP2单株都能完成减数分裂过程进入四分孢子时期.在其小孢子发育早期 ,大部分为四分孢子 ,少
量为三分孢子 、不等四分孢子和多分孢子(图 2-1、2、3).四分孢子体期 ,只有 43.23%的四分孢子中的小孢
子细胞拉长 , 形成两两平行垂直似 “井 ”字形的正常四分体.其余四分孢子体中的小孢子中部凹陷(图 2 -
4).同时还发现观察小孢子发育的时期愈早 ,其多分孢子母细胞比例愈低 ,反之则愈高.
四分孢子体晚期 ,小孢子释放.还发现较多的小孢子不能完成有丝分裂 ,而是向外突出一小团 ,似 “出
芽 ”分裂(图 2-5).以 “凹陷式 ”或 “出芽式 ”分裂形成的花粉粒 ,其染色体数目多少不等 ,通常为 1-6条.一
些未完成 “凹陷式 ”和 “出芽式”分裂的小孢子发育成联体花粉(图 2-6、7).个别植株的小孢子不易分开 ,多
分孢子呈团状(图 2-8).而对照株的小孢子在发育过程中 ,未观察 “凹陷式 ”和 “出芽式 ”以及小孢子不易分
开的现象.
对花药刚开裂散粉的 13株 SP2植株的成熟花粉用 TTC染色测定花粉活力发现 ,平均败育率高达 72.
43%.成熟花粉粒的形态 ,多数呈卵圆形(图 2-9).对照株的花粉粒的大小均匀 ,呈现圆角长方形 ,四个角各
有一萌发孔(图 2-10).其成熟花粉粒的平均败育率仅 4.4%.同时对着色和不着色花粉粒进行了相对大小
的统计时发现 ,着色的花粉粒都是较大的花粉粒.但大花粉粒也存在不着色的无活性花粉粒.不同植株间在
败育花粉的相对大小及比例也存在明显差异.
3　讨　论
汤泽生等观察到院 3突变株小孢子母细胞减数分裂后期 Ⅰ出现大量染色体不均等分离和多极分离.而
我们对对照植株的减数分裂观察表明 ,后期Ⅰ的不均等分离和其它异常都少有观察到.说明:SP1花形变异
　第 28卷第 2期 　　　王祖秀 ,等:航天诱变凤仙花 SP2的细胞学观察 119　
突变体减数分裂异常与航天诱变有关.突变体的 13株子代植株的减数分裂仍然存在变异 ,但与亲代 SP1相
比 ,其变异幅度明显减小.分析认为:SP1在减数分裂后期 Ⅰ出现的染色体不均等分离和多极分离的原因主
要是由航天条件下的各种宇宙射线 ,以及失重等多种因素造成的生理损伤所致 ,是不遗传的.因此 , SP1减数
分裂异常对其子代的影响较小.
1.三分孢子;2.不等四分孢子;3.多分孢子;4.小孢子 “凹陷式 ”分裂;5.小孢子 “出芽式 ”分裂产生染色体数目不等的小
孢子;6.“凹陷式”分裂花粉;7.“出芽式 ”分裂花粉;8.院 3-33的小孢子不分开呈团状;9.TTC染色 SP2成熟花粉粒;
10.正常株花粉粒
图 2　航天诱变凤仙花院 3突变体子代(SP2)小孢子发育
Fig.2 microsporedevelopmentofSP2 generationfromI.balsaminayuan-3 mutantinducedbyspaceflight.
　　院 3突变体(SP1)的小孢子母细胞减数分裂严重异常 ,但其 13株子代的减数分裂的中期 Ⅰ均为 7个二
价体 ,表明 13株子代植株的体细胞染色体都为二倍体(2N=14),没有单倍体 、多倍体或非整倍体变异类型.
分析认为:减数分裂极其异常的 SP1不能产生染色体数目变异的子代 ,其原因是大量有染色体数目变异的
配子败育而不能参与授精.即使参与受精形成合子胚 ,由于这种胚的染色体数目不平衡而导致种子不能萌发
或萌发不良而被自然淘汰.
院 3的子代(SP2)的部分小孢子不能进行正常的有丝分裂 ,而是进行 “凹陷式”或 “出芽式”分裂.由于这
种分裂无纺锤体的形成 ,也无着丝粒分裂 ,染色体被随机地分配到子细胞中 ,分裂后形成小花粉粒 ,其细胞核
中所含的染色体数目自然会少于正常的单倍体染色体(n=7).这与我们在 SP2代花粉粒中观察到的染色体
数目大多数为 1-6条的结果一致.随着小孢子的发育 ,小孢子壁逐渐增厚并出现外壁雕纹和萌发孔 ,未完成
“凹陷式 ”或 “出芽式”分裂的花粉便终止分裂成为 “联体花粉”.汤泽生等在 SP1中所观察到的联体花粉 ,实
际上是 “凹陷式”分裂不彻底的花粉.由于联体花粉在亲 、子代中都可以观察到 ,而这种分裂方式 ,在对照株
的小孢子发育过程中 ,未观察到.可以推测早期的小孢子的 “凹陷式 ”或 “出芽式”分裂与航天诱变处理有关.
因为在 SP1和 SP2都有发生 ,分析认为:该种分裂方式可能与航天诱变基因突变有关.因为经空间因子处理
过的植株的染色体畸变造成的损害在第一代被消除 ,而一些微小的畸变 ,如小段 DNA的缺失则可能长时间
保留.而这些微小的畸变可能是导致基因突变的根本原因.
亲代院 3和其子代都能产生大量的败育花粉 ,但其原因有所不同.亲代产生败育花粉的主要原因是航天
诱变因子造成的生理损伤导致减数分裂的异常.在 SP2代中 ,减数分裂中染色体异常分离已大幅度减轻(平
均 7.09%),花粉平均败育率却高达 72.43%.其主要原因是小孢子在发育早期能够进行 “凹陷式 ”或 “出芽
式 ”分裂导致花粉粒中染色体数目的减少所致.其次是晚后期 Ⅱ核膜形成前染色体较散乱的分布 ,容易导致
末期Ⅱ染色体分配不均形成不等四分或多分孢子.
突变体子代中各株的减数分裂异常率及对成熟花粉活性的测定的差异都较小.但其各株间成熟花粉中 ,
不着色的败育花粉的大小及其比例的差异较大.其原因可能是院 3(SP1)的基因分离 ,导致其子代不同植株
间影响花粉败育的基因存在差异.
120　 西华师范大学学报(自然科学版) 2007年
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CytologyObservationinSP2 GenerationImpatiensbalsamina
InducedbySpaceFlight
WANGZu-xiu1 , TANGZe-sheng1 , YANGJun2 , LIUPing3
　　　　(1.ColegeofLifeSciences, ChinaWestNormalUniversity, Nanchong637002, China;
2.InstituteofRareandPreciousAnimalsandPlants, ChinaWestNormalUniversity, Nanchong637002, China;
3.NanchongAerospaceBreedingCompanyLtd., Nanchong637000, China)
Abstract:ThemeioticbehaviorinSP2 generationfromImpatiensbalsaminaYuan-3 inducedbyspaceflighthas
beeninvestigatedinthisstudy.Itwasfoundthataltheobserved13 plantsshowed7 bivalent(7Ⅱ)inmeiotic
metaphaseⅠ , suggestingtheunequalsegregationofmeiosisinSP1 plantscouldnotresulttheaneuploidvariationin
SP2 generation.Thedividedtypeswereobservedfirstdividinginthewayof“cavatus” and“budding” atearly
stageofmicrosporedevelopmenttoformsmalpolengrains.Itisthoughtthatthemainreasonofunequalsegrega-
tionandpoly-polesegregationofmeiosisinSP1 wasresultedfromvariousphysiologicaldamagesbyspaceflightfac-
tors, whichwasnothereditary.Thedivisionof“cavatus” and“budding” isthemainreasontoproducesterilepol-
lengrainsinSP2 , andthedivisiontypemayrelatetogenemutation.
Keywords:Impatiensbalsamina;spaceflight;SP2 , meiosis;microsporedevelopment.