全 文 ：收稿日期:2006-07-23
作者简介:许　明(1970-),女 ,辽宁沈阳人 ,博士 ,副教授 ,主要从事蔬菜遗传育种研究工作。
萝卜胞质紫菜薹雄性不育系花药发育的
细胞形态学研究
许　明 ,魏毓棠 ,白明义
(沈阳农业大学园艺学院 ,辽宁 沈阳　110161)
　　摘要:通过 2 种细胞质紫菜薹雄性不育系小孢子发生的细胞形态学观察表明 , 供试不育系的雄蕊都深度退化 ,花
药内无花粉。改良不育系小孢子在四分体前发育正常 ,在单核小孢子期 ,绒毡层异常膨大挤压小孢子 ,造成小孢子发
育营养不良 ,引起小孢子败育。 Ogura不育系的小孢子发育有所不同 , 它在孢原细胞分化期之前就已有 53%败育 , 不
形成花粉囊;形成花粉囊的孢原细胞大多只形成 2 个体积很小的的花粉囊 , 其中的小孢子发育与改良不育系的小孢
子发育相似:单核早期绒毡层膨大挤压小孢子 , 使小孢子败育。
关键词:细胞质雄性不育系;花药发育
中图分类号:S631.1　　文献标识码:A　　文章编号:1000-7091(2006)增刊-0058-05
Cytomorphological Studies on Anther Development of Radish Cytoplasmic
Male Sterile Lines in Purple Caitai
XU Ming , Wei Yu_tang , BAI Ming_yi
(The College of the Horticulture , Shenyang Agricultural University , Shenyang　110161 ,China)
Abstract:A comparative developmental study of anther in two male sterile lines of purple caitai indicated that the
anther of male sterile lines that do not contain pollen grains degenerated absolutely.Improved radish CMS lines were sim-
ilar to male fertile line in anther development up to the tetrad stage;after this stage , the tapetal cells became larger and
pressed microspore tightly thereby causing degeneration;but among ogura CMS line ,53%of the anther development was
inhibited before the stage of archesporial cell and had no differentiation of microsporangium ,47%of the anther had differ-
entiation of microsporangium which occupied small volume of the anther.The fate of microspore which aborted at uninu-
cleate pollen stage is similar to improved radish CMS lines.
Key words:Cytoplasmic male sterile;Anther development
　　植物雄性不育系花药发育的细胞形态学研究对
于研究雄性不育败育机制具有重要意义。Ogura雄
性不育源由于败育彻底 ,在十字花科作物中进行转
育 ,获得到不同十字花科作物的雄性不育系 ,但是由
于Ogura雄性不育源具有苗期低温黄化 、蜜腺退化 、
植株长势慢等特点 ,在生产一代杂种利用上还较少 。
1992年沈阳农业大学引进了美国康奈尔大学采用
不对称细胞融合技术合成的雄性不育甘蓝型白菜体
细胞杂种 ,该材料表现出低温不黄化 、蜜腺正常的优
点 ,称为改良萝卜胞质雄性不育系。1998年起笔者
利用 Ogura白菜雄性不育系和引进的美国改良萝卜
胞质白菜雄性不育系与紫菜薹(Brassica campestris
L.ssp.chinensis L.var.utilis Tsen et Lee.)连续回交多
代 ,获得了萝卜胞质紫菜薹的雄性不育系 ,本试验通
过对 2种细胞质紫菜薹的雄性不育系的不育花器构
造和花药发育的细胞学研究 ,揭示 Ogura 和改良萝
卜胞质在紫菜薹核背景下花药发育的过程及特点和
败育机制 。
华北农学报·2006 , 21(增刊):58-62
1　材料和方法
以Ogura 紫菜薹雄性不育系 ,改良萝卜胞质紫
菜薹雄性不育系和相应的保持系为试材 ,于 2002年
春季种植于沈阳农业大学蔬菜基地 ,取植株主茎顶
端整个总状花序 ,按发育时期选取不同蕾长的花蕾
用卡诺固定液固定 ,4℃冰箱保存 ,按常规石蜡切片
程序包埋花蕾 ,进行切片 ,切片厚度 10 μm ,铁矾一
苏木精染色 ,加拿大树胶封片 ,dympus_BH2型显微镜
观察并照相。
2　结果与分析
2.1　萝卜胞质紫菜薹雄性不育系和保持系的花器
结构观察
取刚刚开放的 Ogura 、改良萝卜胞质紫菜薹雄性
不育系和保持系花朵 ,用游标卡尺测量花瓣长 、宽等
项目 ,具体测量结果列于表 1 ,花器结构列于图 1。
表 1 紫菜薹雄性不育系与保持系花器结构特征的比较(单位:cm)
Tab.1　Comparisons between male sterile lines and maintainer line on flower organic structure in purple-caitai(unit:cm)
试材
Test piece
花瓣长
Petal length
花瓣宽
Petal width
花柱长
Style length
花柱直径
Style diameter
花药长
Anther length
花蕾长
Bud length
花蕾直径
Bud diameter
保持系Maintainer line 0.943 0.578 0.855 0.117 0.696 0.574 0.251
Ogura不育系Ogura CMS 0.656 0.363 0.546 0.123 0.360 0.417 0.161
改良不育系 Improved CMS 0.721 0.408 0.758 0.112 0.394 0.509 0.158
A.保持系;B.改良萝卜胞质雄性不育系;C.Ogura萝卜胞质雄性不育系
A.maintainer line;B.improved radish CMS line;C.Ogura radish CMS line
图 1　紫菜薹雄性不育系和保持系的花器结构
Fig.1　The flower organic structure of male sterile lines and their maintainer line in Zi Caita
　　从表 1和图 1可以看出 ,Ogura 和改良紫菜薹不
育系花瓣长 、花瓣宽 、花柱长 、花药长 、花蕾长 、花蕾
直径都明显小于保持系可育株花。改良萝卜胞质不
育系的测定项目相对高于 Ogura 不育系 ,它的花瓣
略小于可育株 ,花蕾细长 ,雌蕊正常发育 ,有少部分
柱头发生弯曲 ,雄蕊呈戟状 ,无花粉 ,蜜腺发育正常 。
Ogura 不育系生长发育速度缓慢 ,小花败育较多 ,柱
头弯曲现象发生严重 ,雄蕊类似花瓣干枯 ,蜜腺不发
达 ,有的花中无蜜腺产生 。所有雄性不育材料均表
现高度不育 ,不育率达 100%,不育度也达 100%,并
且不育性相当稳定 ,不受环境影响 。
2.2　保持系小孢子的正常发育过程
2.2.1　造孢细胞期　取幼小花药横切面观察 ,在花
药的 4个角隅处出现孢原细胞 ,由孢原细胞经过平
周分裂形成初生壁细胞和初生造孢细胞 。初生壁细
胞再经过平周和垂周分裂形成内外层次生壁细胞 。
外层的次生壁细胞进一步分化为药室内壁和中层 ,
内层的次生壁细胞则直接发育为绒毡层。初生造孢
细胞这时花药壁已形成 ,从外向内依次为表皮 ,药室
内壁 、中层和绒毡层(图 2_A , B)。
2.2.2　小孢子母细胞期　造孢细胞停止有丝分裂
后 ,其细胞体积增大 ,特别是核增大明显 ,核中可见
染色体 ,细胞外周逐渐积累胼胝质 ,绒毡层细胞双
核 ,核大质浓 ,中层细胞扁化(图 2_C)
2.2.3　减数分裂期　当进入减数分裂中期Ⅰ时 ,花
粉母细胞之间的胞间层已溶解 ,细胞变为椭圆形(图
2_D)。
2.2.4　四分体时期　花粉母细胞经过连续两次分
裂形成四分体 ,紫菜薹减数分裂属同时型 ,形成的四
分体为正四面体形 ,在花粉母细胞向四分体发育的
同时 ,表皮细胞 、药室内壁细胞液泡化明显 ,中层细
胞在刚形成花粉母细胞时退化 ,在四分体期绒毡层
着色较深 ,核质难以分辨 ,排列整齐(图 2_E)。
2.2.5　单核小孢子期　小孢子从四分体中释放出
增刊 许　明等:萝卜胞质紫菜薹雄性不育系花药发育的细胞形态学研究 59　
A , B.保持系花药的造孢细胞(100倍 , 500倍);C.保持系花药的小孢子母细胞(400倍);D.保持系花药的减数分裂时期(400倍);E.保持系花药
的四分体细胞(300倍);F ,G.保持系花药的单核小孢子细胞(300倍 , 300倍);H 保持系花药的成熟花粉粒(200倍);I , J.ogura 不育系花药的造
孢细胞(100倍 , 400倍);K ,L.ogura不育系花药的小孢子母细胞(100倍 , 400倍);M.ogura 不育系小孢子母细胞(400倍);N , O.ogura不育系花
药的四分体(400倍 , 400倍);P.ogura不育系花药的单核小孢子(400倍);Q , R , S.ogura不育系花药的单核小孢子(400 倍 , 400倍 , 300倍);T.
ogura不育系花药败育后的残留物(300倍);U , V.改良萝卜不育系的造孢细胞(200倍 , 400倍);W.改良萝卜不育系的小孢子母细胞(300倍);X ,
Y.改良萝卜不育系的四分体细胞(400倍);Z.改良萝卜不育系的单核小孢子(400倍 , 400倍);A , 改良萝卜不育系的小孢子发生败育
A ,B.Sporogenous cell of maintainer lines(100×, 500×);C.Microspore mother cell of maintainer lines(400×);D.Meiosis stage of maintainer lines anther
(400×);E.Tetrad cell of maintainer lines anther(300×);F , G.Mononuclear cell of maintainer lines anther(300×, 300×);H.Mature pollen grain of main-
tainer lines(200×);I , J.Sporogenous cell of ogu cms lines anther(100×, 400×);K ,L.Microspore mother cell of ogu cms lines anther(100×,400×);M.Mi-
crospore mother cell of ogu cms lines anther(400×);N , O.Tetrad cell of ogu cms lines anther(400×, 400×);P.Mononuclear cell of ogu cms lines anther(400
×);Q , R, S.Mononuclear cell of ogu cms lines anther(400×, 400×, 400×);T.Pollen sac remains of ogu cms lines anther(300×);U , V.Sporogenous cell
of improved radish cms lines anther(100×,400×)Plate24Microspore mother cell of ogu cms lines anther(300×);W.Tetrad cell of improved radish cms lines
anther(400×);X , Y.Mononuclear cell of improved radish cms lines anther(400×, 400×);Z.Pollen sac remains of improved radish cms lines anther(400×,
200×)
图 2　萝卜胞质紫菜薹雄性不育系和保持系花药发育过程
Fig.2　Anther development of radish cytoplasmic male sterile lines and maintainer lines in purle caitai
60　 华　北　农　学　报 21卷
来以后 ,聚集在药室中央 ,以后逐渐散开 ,单胞早期
细胞核居于中央 ,细胞质浓 ,单胞晚期 ,细胞质中存
在大液泡 ,把细胞核挤向边缘 ,绒毡层细胞逐渐解体
(图 2_F ,G)。
2.2.6　花粉粒成熟期　小孢子经过一次不均等分
裂形成一个大的营养细胞和一个小的生殖细胞 ,生
殖细胞又经过一次分裂 ,形成两个精细胞 ,成熟花粉
为三细胞型。此时 ,绒毡层完全解体 ,只剩下表皮和
纤维层 ,相邻两个花粉囊壁解体破裂 ,花粉粒散出
(图 2_H)。
2.3　ogura紫菜薹雄性不育系小孢子发育过程
2.3.1　孢原细胞期　在所有观察的切片中 , ogura
雄性不育系的花约有 47%的花药发育受阻于孢原
细胞分化期 ,不形成孢原细胞 ,也不分化出药室 、绒
毡层细胞及小孢子母细胞 、也不产生花粉囊 。另外
53%的花药可发育形成孢原细胞 ,继而分化出药室 ,
形成花粉囊(图 2_I , J)。
2.3.2　小孢子母细胞期　部分花药小孢子母细胞
发育正常 ,能进行正常的减数分裂 ,发育如保持系 。
但花蕾内的六个花药发育不一致 ,有的花药已发育
到小孢子母细胞 ,但有的花药还处于造孢细胞;同一
花药内的四个花粉囊发育也异常 ,大部分花药只能
发育出两个药室 ,呈现哑铃型 ,其它部分为薄壁细
胞 ,也有部分花药能发育三个药室(图 2_K ,L ,M)。
2.3.3　四分体时期　部分花药中能形成少量正常
四分体 ,四面体型 ,外被胼胝质 ,绒毡层细胞亦可看
出具有二核 ,但此时的绒毡层细胞已开始表现出异
常。有两种异常情况 ,一是 ,绒毡层原位解体;二是 ,
绒毡层细胞液泡化 ,异常膨大挤压四分体小孢子细
胞(图 2_N ,O)。
2.3.4　单核小孢子期　部分四分体小孢子能形成
单核小孢子 ,但液泡化不明显 ,细胞核位于中央。随
后单核小孢子的发育也有两种情况:一是 ,由于绒毡
层的原位解体 ,单核小孢子得不到足够的养分发育 ,
从而发生败育。二是 ,绒毡层细胞继续膨大挤压单
核小孢子 ,使得小孢子发生败育(图 2_P ,Q , R ,S)。
2.3.5 ogura雄性不育系小孢子在四分体和单核小孢
子已完全败育 ,最后留下花药中残留物(图 2_T)。
2.4　改良萝卜胞质紫菜薹雄性不育系小孢子的发
育过程
改良萝卜胞质雄性不育系造孢细胞期与保持系
一样在横切面上出现孢原细胞(图 2_U ,V),在花粉
母细胞期同样看到花药壁四层结构 ,绒毡层为双核 ,
染色较深 。花粉母细胞内可见染色体 ,细胞外积累
胼胝质(图 2_W)。四分体时期绒毡层排列不整齐 ,
并逐渐膨大 ,染色较正常可育株浅 ,四分体着色深浅
不一 ,减数分裂处于不同步状态 ,大部分处于四分体
时期 ,有的在减数分裂期(图 2_X)。四分体时期胼
胝质壁溶解 ,小孢子释放出来 ,小孢子呈圆形 ,单核
居中 ,内部出现液泡 ,外壁单薄 ,发育不良 ,有不规则
形状 ,在单核花粉靠边期 ,绒毡层异常膨大 ,将小孢
子凝聚中心 ,小孢子逐渐降解(图 2_Y ,Z),花粉囊内
剩余染色较深的残留物(图 2_A′),败育彻底。
3　讨论
3.1　萝卜胞质紫菜薹雄性不育系小孢子败育时期
Laser[ 6]在总结前人研究的基础上提出:被子植
物雄性不育系花粉败育的形式和时期是多种多样
的。单子叶植物花粉败育多数达到或接近双核期 ,
双子叶植物花粉败育则多在四分小孢子时期或小孢
子早期发育阶段。同时也指出:败育几乎被报道发
生在花粉发育的所有阶段 ,雄性不育可能涉及不止
一个机制 。本文的研究进一步证实了这一论断 ,
ogura紫菜薹不育系的小孢子从孢原细胞时期就以
表现出败育 ,而改良萝卜不育系的小孢子败育出现
在单核小孢子发育过程中。上述结果是在光学显微
镜下观察的粗略结果 ,但是 ,正如 Laser所说 ,败育可
能发生在花粉发育的所有阶段 ,只是目前我们的检
测手段尚未能达到上述检测要求 。
3.2　绒毡层细胞与小孢子败育的关系
Bedinger指出 ,植物绒毡层的已知功能至少有 3
个:(1)给产生小孢子的组织提供营养;(2)分泌出胼
胝质酶溶解包裹着减数分裂四分体的一层胼胝质
壁 ,释放出单倍体小孢子 ,胼胝质酶的适时分泌在花
粉正常发育中起着关键性作用;(3)产生生物合成花
粉外壁的前体物。在 ogura 和改良萝卜胞质紫菜薹
雄性不育系小孢子发生过程中 ,绒毡层细胞表现异
常 ,特别是四分体时期后 ,绒毡层细胞膨大 ,花粉发
生败育。另一方面 ,由于绒毡层细胞贮存营养物质 ,
它需将营养物质输送小孢子发育 ,由于自身的膨大
消耗大量营养物质 ,使小孢子得不到营养 ,从而发生
败育现象 。因此 ,绒毡层的异常膨大是造成小孢子
败育的主要原因。
3.3　萝卜胞质紫菜薹不育系小孢子发育过程中的
异常现象
保持系花中雄蕊数目固定为 6枚 ,每个花药由
增刊 许　明等:萝卜胞质紫菜薹雄性不育系花药发育的细胞形态学研究 61　
四个花粉囊组成 ,左右均匀分布 ,在Ogura紫菜薹不
育系小孢子发育的过程 ,花药多为畸形 ,不仅大小相
差很大 ,而且形状各异 ,花药中通常仅有 1个或 2个
花粉囊发育 ,而且花粉囊体积较小 ,周围具有多层薄
型细胞包围。在观察改良萝卜胞质雄性不育系小孢
子发育过程中 ,发现小孢子母细胞减数分裂时期不
同步的现象 ,有的已进入四分体时期 ,有的还在减数
分裂期。
3.4　萝卜胞质不育系小孢子败育发生的其它原因
分析
在观察 Ogura紫菜薹雄性不育系小孢子发育过
程中 ,发现在四分体时期中层细胞仍然存在 ,这与保
持系在花粉母细胞时期退化有很大不同 ,中层细胞
将对小孢子败育发生有一定的影响
3.5　细胞质基因与小孢子败育的关系
同一核背景条件下 ,不同细胞质类型的 CMS败
育时期 、败育过程以及绒毡层等药壁组织的异常相
差很大。洪青松[ 5] 对小麦同核异质的 85EA , 89AR
和T_CMS系和珍珠粟同核异质的 A1 ,A4 和 AV CMS
系的小孢子发生过程细胞学观察证实了这一点。在
本文的研究中 ,我们采用了同一核背景转育的不同
细胞质的Ogura不育系和改良萝卜不育系为试材进
行了研究 ,观察结果表明二者的小孢子败育方式存
在差异 ,Ogura不育系的小孢子从孢原细胞时期开始
就表现出一系列的异常 ,最终在小孢子的单核靠边
期完全败育;而改良萝卜雄性不育系的小孢子发育
异常是从单核小孢子时期表现出来的。这两种不育
系的核背景完全相同 ,只是细胞质不同 ,二者的小孢
子败育方式不同 ,说明在紫菜薹的小孢子发育过程
中细胞质参与了其发育的调控 。但它的调控方式和
作用机理仍有待进一步的研究 。
4　结论
从外部形态来看 ,紫菜薹的萝卜胞质不育系和
Ogura不育系的花小于保持系 ,雄蕊退化。所有雄性
不育材料均表现高度不育 ,不育率达 100%,不育度
也达 100%,并且不育性相当稳定 ,不受环境影响 。
Ogura不育系的小孢子从孢原细胞开始到单核
小孢子都表现异常 。在孢原细胞期 ,大约有 47%的
孢原细胞不能正常发育 。能正常发育的孢原细胞可
形成少数正常的四分体细胞和单核小孢子 ,从四分
体起 ,绒毡层细胞开始表现异常 ,出现解体和异常膨
大两种情况 ,最终小孢子因得不到足够的营养 ,而发
生败育。
改良萝卜不育系小孢子在四分体前发育正常 ,
在单核小孢子期 ,绒毡层表现异常 ,分液泡化肥大和
没有液泡化增生两种情况 ,最终小孢子因得不到足
够的空间和营养来发育 ,而发生败育。
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