全 文 ：第 27 卷 第 12 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol． 27 No． 12
2013 年 12 月 Journal of Arid Land Resources and Environment Dec． 2013
文章编号:1003 － 7578(2013)12 － 137 － 05
大白刺雄性不育株超微结构和生理生化特性研究
*
窦振东，燕玲，赵淑文，张先红，刘哲荣
(内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特 010019)
提 要:以大白刺的花器官为实验材料，分别对雄性不育株和可育株花药超微结构和生理生化特性进行
观察和研究，探讨雄性不育株发生败育的时期、方式和细胞超微结构的变化，以及物质代谢与雄性不育之间的
关系。结果表明:不育株小孢子母细胞形成后，绒毡层细胞出现提前解体现象，随之小孢子母细胞液泡化并解
体，最终形成败育花药。生理生化指标的检测结果显示:不育材料可溶性蛋白质和脯氨酸含量均低于同期的可
育材料，过氧化物酶活性和丙二醛含量则均高于同期的可育材料。说明不育株花器官存在物质能量代谢降低，
有害物质积累现象。
关键词:大白刺;雄性不育;超微结构;生理生化
中图分类号:Q945 文献标识码:A
大白刺(Nitraria roborowskii Kom．)是蒺藜科白刺属植物，主要分布在我国西北、前苏联及蒙古，是我国
西北干旱区荒漠植被的重要建群种和防风固沙植物，其生态价值尤显突出。特别是近年来，随着西部大开
发的不断推进，在植被恢复、围封育林和资源利用中，白刺属植物更是受到了人们的高度关注。但野外调
查中发现白刺种内变异显著，即使相邻的植株，其果实大小、颜色、味道、药用成分含量等性状的差异也很
大［1］，而且大白刺种群内部普遍存在雄性可育与不育两种居群共存的分布格局，成为白刺开发利用和繁
殖生态中亟待解决的问题。文中从细胞学角度，利用透射电镜对大白刺可育株和不育株花药进行超微结
构对比研究，同时对花器官生理生化特性进行对比分析，为弄清大白刺雄性不育的发生机理以及生化遗传
机制提供依据，填补白刺属植物研究中的一些空白。
1 材料与方法
供试材料为大白刺不育株和可育株的花器官，均采自内蒙古巴彦淖尔市磴口县西郊。大白刺为顶生
聚伞花序，花期开始时花序自上而下相继现蕾、开花，具有不同发育阶段花蕾并存的现象。鉴于此特点，试
验材料于 2011 年 5 月 25 日上午 8 点至 10 点一次性分批采集。
供电镜用实验材料先经 4%戊二醛固定，然后保存于 4℃冰箱中。实验前，将不同发育时期的花药自
花器官中剥出，以常规的电镜切片法制片，HITACHI H －800 型透射电镜下观察并拍照。
用于测定生理生化指标的实验材料采后直接放入液氮罐中保存，测定前将实验材料分成 4 级:1)造
孢细胞时期 －花蕾直径 0． 4 ～ 0． 8mm。2)减数分裂时期 －花蕾直径 0． 8 ～ 1． 2mm。3)小孢子时期 －花蕾
直径 1． 2 ～ 2． 0mm。4)花粉粒成熟时期 －花蕾直径大于 2． 0mm。分别采用考马斯亮兰比色法、茚三酮显
色法、硫代巴比妥酸显色法和愈创木酚法进行可溶性蛋白含量、氨基酸总量、丙二醛含量和过氧化物酶活
性测定，3 次重复，取平均值。所得数据用 Microsoft Excel 2003 软件处理。
2 结果与分析
2． 1 药壁发育的超微结构观察
* 收稿日期:2012 － 11 － 22;修回日期:2012 － 12 － 23。
基金项目:国家科技支撑项目(2011BACO7B02 － 03) ;内蒙古自然科学基金项目(2012MS0508)资助。
作者简介:窦振东(1985 －) ，男，内蒙古赤峰市人，E － mail:doooou@ 163． com
通讯作者:燕玲，E － mail:yanling8058@ 126． com
DOI:10.13448/j.cnki.jalre.2013.12.025
2． 1． 1 雄性可育材料药壁发育的超微结构观察
从透射电镜观察的横切面可以看出，在花粉母细胞形成初期，花药壁结构已经分化完成，自外到内依
次为表皮、药室内壁、中层和绒毡层。中层由 1 层细胞组成;绒毡层细胞初期形状不规则，排列较疏松(图
版 － 1)。
随着花药发育，可育株花药的绒毡层细胞逐渐增大，排列紧密，细胞质浓，细胞器更加丰富，可见少量
很小的液泡。小孢子母细胞的形态与周围的药壁细胞明显不同，细胞大，排列整齐有序，细胞壁形状规则，
细胞质浓厚，含丰富的细胞器，没有明显的液泡(图版 － 2)。
小孢子母细胞进入减数分裂期后，绒毡层细胞开始脱离中层。此时的绒毡层细胞径向伸长，内切向壁
及径向壁开始弯曲并溶解成不连续状，原生质体开始浓缩，周边有空腔出现，浓缩的胞质内含有脂质小球
及丰富的线粒体、核糖体、内质网(图版 － 3)。
图版说明:
图 1 ～ 7:可育材料小孢子发育不同阶段． 1．花药壁结构分化完成． × 3000;2．绒毡层和花粉母细胞． × 8000;3．减数分裂期的绒毡层
细胞． × 10000;4．小孢子时期的药室内壁和中层． × 5000;5．绒毡层膜上的乌氏体． × 10000;6．小孢子． × 8000;7．成熟的药壁结构． ×
6000;图 8 ～ 12:不育材料小孢子发育不同阶段． 8．不育材料药壁结构分化完成． × 3000;9．绒毡层细胞． × 10000;10．解体后的绒毡层膜
及染色很深的解体残留物． × 10000;11．残存的绒毡层膜及变形的花粉母细胞． × 10000;12． 绒毡层及花粉母细胞解体残体残留物． ×
8000．注:E． 表皮;En． 药室内壁;ML． 中层;T． 绒毡层;MMC． 小孢子母细胞;HL:角质层;TM:绒毡层膜;IM:壁内突;UB:乌氏体
小孢子形成期，表皮细胞开始退化，其外切向壁进一步角质化。药室内壁细胞径向壁带状纤维加厚，
同时可观察到部分药室内壁具有壁内突的特性(图版 － 4)。此时的绒毡层进一步解体，内含物开始降解，
可见解体后的绒毡层膜是由索状系统形成的形状不规则的网层，上面分布了许多排列紧密的不透明球状
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乌氏体(图版 － 5)。
小孢子为球形或椭圆形，可见清晰的基粒棒和很薄的外壁内层，细胞核不明显，细胞质中有丰富的细
胞器和大量的小液泡，表面有孔沟出现(图版 － 6);随着小孢子的发育，药室内壁特化成纤维层，表皮细胞
基本退化，只残留一层角质层，绒毡层细胞进一步降解至基本消失(图版 － 7)。
2． 1． 2 雄性不育材料药壁发育的超微结构观察
不育株花药发育至花粉母细胞形成初期，其药壁形态和结构与可育系花药基本相同，无明显区别(图
版 － 8)。绒毡层细胞发育正常，基本呈长方形，细胞质浓，细胞器丰富，液泡小且很少(图版 － 9)。随着花
药的进一步发育，绒毡层出现了异常迹象，其细胞中的许多小液泡合并成大液泡，将细胞中的细胞核、细胞
器与质体挤压到细胞边缘;随后，细胞核、细胞器和质体解体，形成染色很深的物质。绒毡层细胞解体后，
绒毡层膜弯曲变形，同时能看到紧贴在膜内侧颜色较深的解体残留物(图版 － 10)。随着绒毡层细胞的解
体，细胞内容物被释放到药室中，绒毡层细胞只剩下一层卷曲折叠的绒毡层膜，也没有出现乌氏体。此时
花粉母细胞也出现了类似的液泡化现象，细胞内形成的大液泡把细胞核以及细胞器等挤压至细胞的边缘
(图版 － 11)。随后，花粉母细胞的核膜、核仁、细胞器、质体，以及形成的大液泡也全部解体，解体的残骸
相互混杂，最终形成败育花药(图版 － 12)。
2． 2 小孢子发育各时期花器官生理生化指标的变化
2． 2． 1 可溶性蛋白含量的变化
检测结果显示，随着小孢子的发育，不育材料和可育材料可溶性蛋白质含量均呈下降趋势，并在花粉
粒成熟时降到最低值，且不育材料花器官中可溶性蛋白含量始终明显低于同期的可育材料，尤以造孢细胞
期含量差距最明显，仅为后者的约 56%。可育材料在造孢细胞期至减数分裂期可溶性蛋白含量下降明
显，后期变化趋于平缓。而不育材料自造孢细胞期直至花粉成熟期可溶性蛋白含量均呈平缓下降趋势，变
化不大(图 1)。
图 1 小孢子不同发育时期可溶性蛋白含量的比较
Fig． 1 The changes of soluble protein content
in microspore development period
图 2 小孢子不同发育时期脯氨酸含量的比较
Fig． 2 The changes of proline content in
microspore development period
注:1．造孢细胞期 2．减数分裂期 3． 单核小孢子期 4．花粉粒成熟期
2． 2． 2 脯氨酸含量的变化
在小孢子发育过程中，可育材料花器官中脯氨酸含量总体呈增加趋势，不育材料则呈缓慢下降趋势。
在造孢细胞期，不育材料就比可育材料的脯氨酸含量低，减数分裂期开始后至单核小孢子时期，含量呈现
一个相对较大的下降趋势;可育材料在小孢子的发育过程中，脯氨酸含量一直处于持续积累的状态，尤其
在减数分裂期开始后，速度加快，花粉粒成熟时脯氨酸含量达到最高值(图 2)。
2． 2． 3 MDA含量的变化
检测结果显示，在小孢子的发育过程中，不育材料中丙二醛含量均明显高于同期的可育材料，二者基
本均呈先降后升的趋势。不同的是不育材料在减数分裂期便开始积累 MDA，而可育材料的 MDA 含量则
在小孢子发育期开始稍有增加。花粉粒成熟时，两种材料的 MDA含量都达到最高，不育材料是可育株材
料的 2． 1 倍(图 3)。
2． 2． 4 POD活性的变化
在小孢子整个发育过程中，不育材料和可育材料 POD 活性总体呈上升趋势。可育材料中的 POD 活
性在减数分裂时期增强幅度较明显，单核小孢子期略有下降，在花粉粒成熟时期达到最大值，但是总体变
化不大;不育材料 POD活性呈明显增强趋势，花粉粒成熟时达到最大值，变化十分明显(图 4)。
·931·第 12 期 窦振东 等 大白刺雄性不育株超微结构和生理生化特性研究
图 3 小孢子不同发育时期 MDA 活性的比较
Fig． 3 The change of MDA content in
microspore development period
图 4 小孢子不同发育时期 POD活性的比较
Fig． 4 The change of POD activity in
microsporedevelopment period
注:1．造孢细胞期 2．减数分裂期 3．单核小孢子期 4．花粉粒成熟期
3 讨论
在对不同植物雄性不育系花药发育过程的研究中，很多学者对绒毡层发育与花粉败育间的关系进行
了讨论。诸多研究结论表明，绒毡层异常是直接影响小孢子发育，导致花粉败育的重要原因之一，常见的
绒毡层异常表现形式包括:绒毡层细胞膨大或液泡化［2 － 3］、绒毡层提前解体［4］、延迟解体或不解体［5］等。
该研究中大白刺雄性不育株花药壁早期发育正常，但在小孢子母细胞形成后不久，绒毡层便出现异常
解体现象，随后小孢子母细胞也开始出现液泡化及解体现象，造成小孢子母细胞不能正常进行减数分裂形
成小孢子而最终导致雄性不育。初步认为绒毡层生理异常并提前解体是造成小孢子母细胞不能发育形成
花粉粒，进而造成雄性不育的主要原因。但是何原因造成的绒毡层行为异常还有待于进一步研究。
蛋白质作为细胞组成中重要的代谢物质和能源物质，对于花药和小孢子的正常发育极为重要。花药
的正常发育以及小孢子形成过程中的细胞分裂、花粉内外壁形成等，均需蛋白质的参与。本实验研究结果
表明正常发育的大白刺花器官进入减数分裂前，需要积累较多的可溶性蛋白质以供给小孢子母细胞发育
和减数分裂的需要，而不育材料可溶性蛋白质含量只有可育材料的 51%。可推测可溶性蛋白质严重缺失
是造成大白刺花药败育的原因之一。
脯氨酸也是花药和花粉发育过程中不可缺少的一种氨基酸。它可转化为谷氨酸等其他氨基酸供给花
粉发育的物质代谢。同时，脯氨酸的积累还起到调节细胞渗透以及清除自由基的作用［6］，可以说脯氨酸
含量的正常是花粉粒形成的前提保障。本实验结果显示雄性不育材料脯氨酸含量持续下降，出现了与可
育材料完全相反的变化。说明不育材料花器官在发育过程中存在重要代谢物质不能积累的现象。
本试验中不育材料在不同时期花蕾中的可溶性蛋白质含量和脯氨酸含量均低于可育材料。这与前人
在白菜［7］、辣椒［8］和胡萝卜［9］上得出的研究结论是一致的，说明不育材料可能由于可溶性蛋白质和脯氨
酸的缺乏，而导致一些正常的生理代谢反应不能有效地进行，进而引起花药不能正常发育。
过氧化物酶是一种成分比较复杂的酶，具有清除细胞中活性氧自由基的作用，它在小孢子的发育过程
中对物质和能量代谢也起着显著的作用，它的功能是否正常行使，将直接决定小孢子是否发育正常［10］。
但是过氧化物酶也有降解植物体内 IAA的作用，它的大量存在必然会降低 IAA 含量，进一步影响花药物
质代谢。本试验中不育材料在不同时期花蕾中的过氧化物酶活性均高于可育材料，这样势必会造成花药
代谢紊乱，进而影响小孢子的正常发育，这与逯红栋［11］在辣椒雄性不育系上的研究结果一致。
丙二醛是自由基作用于脂质发生过氧化反应的产物，其含量的高低在一定程度上反映了膜脂遭破坏
的程度。本研究中，雄性不育材料小孢子发育各时期的丙二醛含量都明显高于可育材料，其在不育株花器
官中一直存在过量积累现象，这与彭婧［12］、安岩［13］在白菜和胡萝卜上的研究结果一致，说明不育花蕾中
脂膜的破坏程度比可育花蕾高。这也可能是不育材料绒粘层细胞提前解体以及后期小孢子细胞的降解的
一个重要原因。
大白刺雄性不育花药发育过程中所出现的蛋白质和氨基酸合成受阻以及有害物质的积累，说明了与
花粉发育有关的基因表达已经偏离了正常程序，这是导致大白刺花药败育的重要原因，但是是什么原因导
致了其基因表达出现这种偏离，还需要进一步的深入研究。
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4 结论
通过对大白刺雄性不育株和可育株花药发育过程的超微结构对比观察后发现:与正常发育的可育株
相比，不育株材料的败育现象出现在小孢子母细胞形成以后，主要表现为绒毡层细胞提前解体，出现异常
大液泡和细胞器异常解体等现象。随后，小孢子母细胞出现液泡化并逐渐解体，最终形成败育花药。生理
生化指标的检测结果显示:不育株材料中可溶性蛋白质和脯氨酸含量均低于同期的可育株材料，过氧化物
酶活性和丙二醛含量则均高于同期的可育株材料。说明不育株花器官在发育过程中存在物质能量代谢降
低，有害物质积累的现象。
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Physiological ＆ biochemical properties and ultrastructure of male sterile Ni-
traria roborowskii Kom．
DOU Zhendong，YAN Ling，ZHAO Shuwen，ZHANG Xianhong，LIU Zherong
(College of Ecology and Environment，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，P． R． China)
Abstract:The floral organs from the male sterile and fertile Nitraria roborowskii Kom． were chosen as the experi-
mental materials，the physiological ＆ biochemical characteristics and ultrastructure of anther were observed and
researched to explore the period，pattern，and cell ultrastructure changes and relationship between metabolism and
male sterility in abortion of the male sterile plants． Results indicate that the tapetal cells appear disintegration ear-
ly as microsporocyte formed，and then vacuolization and disintegration occur in the microspore mother cell，the a-
bortive anthers form at last． Physiological and biochemical tests results showed that in the same period，the content
of soluble protein and proline in the male sterile materials are lower than that in the fertile materials． The content
of POD and MDA are higher than that in the fertile materials which are in the same period． The results suggest
that the reduction of substance ＆ energy metabolism，accumulation of harmful substances are existed in male
sterile plants．
Key words:Nitraria roborowskii kom．;male sterile;ultrastructure;physiological ＆ biochemical
·141·第 12 期 窦振东 等 大白刺雄性不育株超微结构和生理生化特性研究