全 文 ：收稿日期:2010-01-16
基金项目:沈阳市科技攻关(1053100 3 02)。
作者简介:吕清璐(1979-),女 ,博士研究生 ,主要从事观赏植物种质资
源与遗传育种;E-mail:deverlu@sina.com。
通讯作者:沈向群。
美女樱雄性不育系小孢子发生的细胞学观察
吕清璐 1 , 　沈向群 1 , 　汪　玉1 , 　史湘华 1, 2
(1.沈阳农业大学园艺学院 , 　沈阳 110161;　2.辽宁省农业技术学校 , 　沈阳 110161)
摘要:采用常规显微制片法 , 在光学显微镜下观察了美女樱雄性不育系 B-58及其可育系的小孢子发生过程和各时期的
形态特征。结果表明:可育系小孢子发育经历了造孢细胞 、小孢子母细胞 、四分体等时期 , 最后发育成花粉 , 期间小孢子
发育靠绒毡层不断自我解体而提供营养。雄性不育系 B-58小孢子败育发生在四分体时期 , 其主要特征是绒毡层细胞提
前液泡化 ,四分体胼胝质壁不能适时降解 , 致使四分体持续时间较长 , 四分孢子核质收缩降解 ,形成形状不规则空瘪的小
孢子。
关键词:　美女樱;雄性不育;小孢子发生;细胞学
中图分类号:　S681.9;　Q813　　　文献标志码:　A　　　文章编号:1001-4705(2010)05-0012-04
CytologicalObservationofMicrosporogenesisintheMale
SterileLineofVerbenahybrida
L Qing-lu1 , SHENXiang-qun1 , WANGYu1 , SHIXiang-hua1, 2
(1.ColegeofHorticulture, ShenyangAgriculturalUniversity, Shenyang110161, China;
2.LiaoningAgriculturalTechnicalSchools, Shenyang110161 , China)
Abstract:Parafinsectionwasemployedtoobservethemorphologicalfeaturesatdiferentmicrosporogenesis
stagesofmalesterilityVerbenaB-58anditsmaintainerwithlightmicroscope.Theresultshowedthatinfertile
line, developmentofthematurepolengrainswasfolowedthroughtheinitiationofthesporogenouscel, mi-
crosporocyteformationandthetetraddevelopmentperiod.Inthemalesterileline, microsporeabortionoccurred
atthetetradstageandnomononuclearpolenwasobserved.Becausethedegradationoftetradcalosewalwas
abnormal, microsporedisaggregatedthoroughlyinthecolosewal.Tapetumlayercelsbegantovacuolatedand
disaggregatedlately.
Keywords:　Verbena;malesterile;microsporogenesis;cytology
　　植物雄性不育在杂交育种上 ,可免除人工去雄的
操作 ,节省大量的人力 ,所以对雄性不育机理的探索一
直是遗传育种研究的热点。雄性不育细胞学的研究 ,
主要是研究花粉败育的时期和过程。多年来 ,前人对
白菜[ 1] 、萝卜 [ 2, 3] 、辣椒 [ 4] 、芹菜 [ 5]等作物进行了大量
的细胞学研究 ,极大地丰富了杂种优势利用的理论基
础 ,提高了人们对雄性不育机理的认识。
美女樱(Verbenahybrida)为马鞭草科马鞭草属花
卉 ,其杂种 F1代广泛应用于花坛和花境 。前人对美女
樱的研究主要集中在组织培养[ 6]和田间栽培 [ 7]管理
方面 ,仅崔文山等 [ 8]对美女樱雄性不育在育种中的应
用做了介绍 ,对美女樱雄性不育的细胞形态学观察还
未见报道。本试验从细胞形态学角度对美女樱雄性不
育的小孢子发生过程进行了研究 ,旨在阐明其败育的
细胞学机制 ,为进一步研究败育的生理生化和分子遗
传机制 ,利用杂交优势制种提供理论依据 。
1　材料和方法
1.1　材　料
供试材料为美女樱雄性不育系 B-58及其可育系 ,
种植保存于沈阳农业大学花卉基地。
1.2　方　法
在美女樱盛花期时 ,取处于不同发育时期的花药 ,
分别用 FAA固定液固定 。取已固定好的各材料 ,经梯
·12·
第 29卷　第 5期　2010年 5月　　　 　　 　 　　　　　种　子　(Seed)　　　 　　　　 　 　　Vol.29　No.5　May.　2010
度酒精脱水 , 二甲苯透明 , 石蜡包埋 , 切片厚度为
9μm,铁矾-苏木精染色 ,中性树胶封片 ,显微观察并
拍照。
2　结果与分析
2.1　美女樱可育系小孢子发育的细胞学观察
2.1.1　造孢细胞时期
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。初生造孢细胞分裂形成小孢子母细胞
(图版Ⅰ , 1)。
2.1.2　小孢子母细胞时期
小孢子母细胞位于小孢子囊的中央 ,细胞体积较
大 ,核大质浓 。由外向内可清晰看到表皮 、纤维层 、中
层和绒毡层 。表皮 、纤维层和中层细胞体积小 、扁平 、
核小 、着色浅 。绒毡层细胞较大 ,呈正方形或不规则多
边形 ,细胞较大 ,核大而明显 ,一般 1到 2个。同时 ,绒
毡层细胞质浓厚 ,染色较深 ,但核清晰易辨 (图版 Ⅰ ,
2、3)。
2.1.3　四分体时期
小孢子母细胞减数分裂过程中 ,胞质分裂为同时
型 ,因而没有二分体阶段 ,在形成四分体时同时产生胼
胝质壁 ,把各个小孢子隔开。同时 ,中层细胞消失 ,绒
毡层细胞开始退化(图版Ⅰ , 4)。
2.1.4　单核花粉粒时期
四分体完全形成后随着胼胝质壁的溶解 ,释放出
游离的小孢子 ,进入单核花粉粒时期 。此时花药壁的
特征是绒毡层细胞核仁消失 ,细胞解体 ,中层细胞已经
降解完全 ,表皮细胞较之前有所增大 ,药室内壁细胞纤
维化增厚(图版Ⅰ , 5)。
2.1.5　花粉粒成熟期
小孢子经过有丝分裂形成 1个生殖核和 1个营养
核 ,生殖核再经过一次有丝分裂形成 2个生殖核 ,最终
发育成为成熟花粉粒 。此时 ,绒毡层完全解体 ,只剩下
表皮层和明显加厚的纤维层细胞(图版Ⅰ , 6)。
2.2　美女樱雄性不育系小孢子发育的细胞学观察
2.2.1　造孢细胞时期
美女樱不育系 B-58和可育系在该时期的特征相
似 ,无明显差异(图版 Ⅰ , 7)。
2.2.2　小孢子母细胞时期
雄性不育系 B-58该时期的特征与可育系相似。
雄性不育系小孢子母细胞能够完成减数分裂 ,形成四
分体。药隔维管束 、表皮 、药室内壁 、中层未表现异常
(图版Ⅰ , 8)。
2.2.3　四分体时期
初形成的四分体形态正常 ,后期胼胝质壁不分解 ,
致使四分体持续时间较长 ,随后四分孢子的核质开始
收缩降解 ,形成不规则三角形 、空瘪的四分小孢子。同
时绒毡层出现较大液泡 ,细胞质逐渐降解 ,四分体出现
部分堆积粘连现象。随后绒毡层细胞液泡化加剧 ,侵
入药室腔(图版Ⅰ , 9、10)。
2.2.4　花粉粒时期
随着小孢子和绒毡层细胞的不断解体 ,绒毡层逐
渐消融 ,小孢子进一步降解为空壳状 ,使得花粉彻底败
育(图版 Ⅰ , 11、12)。
3　讨　论
3.1　美女樱雄性不育系小孢子败育时期的确定
Laser等 [ 9]在总结大量被子植物雄性不育研究结
果的基础上认为 ,花药发生败育的形式和时期是多种
多样的 ,即使同一种作物 ,其不同类型 、不同来源的雄
性不育小孢子败育时期也不尽相同。双子叶植物花药
败育多在四分体时期或小孢子早期发育阶段。本研究
也证实了这一论断 ,美女樱雄性不育系 B-58败育时期
即发生在四分体形成之后 ,四分体胼胝质壁不分解 ,细
胞呈不规则状 ,进一步破碎 、解体 ,无法形成正常的花
粉粒。
3.2　美女樱雄性不育系小孢子败育与绒毡层的关系
绒毡层在小孢子发育中起着重要的作用 ,在花药
发育的过程中 ,绒毡层细胞是运送养分到花粉母细胞
的通道;当绒毡层解体后 ,它的降解产物可以作为花粉
合成 DNA、RNA、蛋白质和淀粉的原料。正常的绒毡
层细胞 ,在减数分裂时其细胞连接松弛 ,并开始解体 ,
随着划分的成熟而逐渐退化 ,仅留残片 。发育异常的
绒毡层细胞必然影响给小孢子输运营养而使其发育受
阻 ,导致花粉败育 [ 10 ～ 12] 。在美女樱雄性不育花花药
中 ,出现了明显的结构退化现象 ,绒毡层液泡化 ,胞质
稀少。本研究表明:因绒毡层结构失常导致功能丧失 ,
即绒毡层不能适时正常合成和分泌胼胝质酶 ,降解胼
胝质壁 ,导致了四分孢子无法释放出游离小孢子。雄
性不育作为一个性状而言 ,其实现是很复杂的。在物
质代谢水平上出现营养物质供应失调 ,可能只是不育
基因的一种表现形式 。植物雄性不育小孢子的败育时
期和方式多种多样 ,正如 Laser[ 9]推测的那样 ,雄性不
育可能涉及不止一种败育机制 。
·13·
研究报告　　吕清璐 等:美女樱雄性不育系小孢子发生的细胞学观察
图版Ⅰ
说明:1～ 6可育株:1.造孢细胞 , ×200;2.小孢子母细胞 , ×200;3.小孢子母细胞减数分裂 , ×400;4.小孢子四分体时期 , ×400;5.单核期 , ×400;
6.成熟花粉粒时期 , ×400;7～ 12不育株:7.造孢细胞 , ×200;8.小孢子母细胞 , ×200;9.四分体持续期 ,胼胝质壁不分解 ,绒毡层液泡化
(箭头), ×400;10.绒毡层液泡化降解中 , ×400;11.表皮收缩 ,药室内壁纤维化 ,绒毡层即将降解完全 , ×400;12.空的花粉囊和降解后小
孢子和绒毡层的残片 , ×100。 Sp.造孢细胞;T.绒毡层;Mmc.小孢子母细胞;Td.四分体;P.花粉;M.中层;Ep.表皮。
参考文献:
[ 1]郭晶心 , 孙日飞 ,宋家祥 , 等.大白菜雄性不育系小孢子发生
的细胞形态学研究 [ J] .园艺学报 , 2001, 28(5):409-414.
[ 2]粟翼玟 , 赵双宜 ,张燕君 , 等.萝卜雄性不育系小孢子发生的
细胞生态学研究 [ J] .园艺学报 , 1995, 22(4):348-352.
[ 3]张丽 ,宫国义 , 魏毓堂 ,等.萝卜雄性不育系小孢子发生的形
态学研究 [ J] .华北农学报 , 2002, 17(3):84-89.
[ 4]逯红栋 ,巩振辉 , 王晓敏 ,等.辣椒雄性不育材料小孢子发生
的细胞形态学观察 [ J] .西北植物学报 , 2006, 26(9):
1 842-1 845.
(下转第 18页)
·14·
第 29卷　第 5期　2010年 5月　　　 　　 　 　　　　　种　子　(Seed)　　　 　　　　 　 　　Vol.29　No.5　May.　2010
模式植物 ,二穗短柄草在切割处理下休眠特性的变化
及其种子萌发的表现 ,对进一步研究植物种子休眠的
机理十分有益。
参考文献:
[ 1] EditorialCommiteeoftheFloraofChinaofChineseAcademy
ofScience(中国科学院中国植物志编辑委员会).Floraof
China[ M] .Beijing:SciencePress(科学出版社), 2002, 9
(2):382(inChinese).
[ 2] DraperJ, MurLAJ, JenkinsG, etal.Brachypodiumdis-
tachyon.Anewmodelsystemforfunctionalgenomicsingras-
ses[ J] .PlantPhysiol, 2001, 127:1 539-1 555.
[ 3] ChristiansenP, AndersenCH, DidionT, etal.Arapidandefi-
cienttransformationprotocolforthegrassBrachypodiumdis-
tachyon[ J] .PlantCellRep, 2005, 23:751-758.
[ 4] HasterokR, DraperJ, JenkinsG.Layingthecytotaxonomic
foundationsofanewmodelgrass, Brachypodium distachyon
(L.)Beauv[ J] .ChromosomeRes, 2004, 12:397-403.
[ 5] HasterokR, MarasekA, DonnisonIS, etal.Alignmentofthege-
nomesofBrachypodiumdistachyonandtemperatecerealsand
grassesusingBAClandingwithfluorescentinsituhybridization
[ J] .GenetSocAm, 2006, 173:349-362.
[ 6]叶兴国.新模式植物短柄草模式特性研究进展 [ J] .作物学
报 , 2008, 34(6):919-925.
[ 7] SorenKR.Brachypodiumamodelplantfortemperategrasses,
BM62.PlantBiotechnology, KVL.(Releasedin2006)[ 2007 -
11-06] www.kursus.kvl.dk/shares/plgenomics.
[ 8] BablakP, DraperJ, DaveyMR, etal.Plantregenerationand
micropropagationofBrachypodiumdistachyon[ J] .PlantCell
TissueOrganCult, 1995, 42:97? 107.
[ 9]严俊 , 程剑平 , 王莹 , 等.以色列二穗短柄草(Brochypodium
distachyon)种子的休眠与萌发特性 [ J] .热带亚热带植物学
报 , 2008, 16(2):104-108.
[ 10] GutermanY.Survivalstrategiesofannualdesertplants.Adap-
tationsofDesertOrganisms.Springer, Berlin, Heidelberg, New
York, 2002, 348pp.
[ 11] VilagraPE, MaroneL, ConyMA.Mechanismsaffectingthe
fateofProsopisflexuosa(Fabaceae, Mimosoideae)seedsdur-
ingearlysecondarydispersalintheMonteDesert, Argentina
[ J] .AustralEcology, 2002, 27:416-421.
[ 12] GuttermanY.Seedgerminationindesertplants.Adaptationsof
DesertOrganisms[ M] .SpringerBerlin, Heidelberg, New
York, 1993.
[ 13] HuangZY, DongM., Gutterman, Y.Factorsinfluencingseed
dormancyandgerminationinsand, andseedlingsurvivalun-
derdesiccation, ofPsammochloavilosa(Poaceae), inhabiting
themovingsanddunesofOrdos, China[ J] .PlantandSoil,
2004, 259:231-241.
[ 14] BaskinCC, BaskinJM.Seeds-ecology, biogeography, andevo-
lutionofdormancyandgermination[ M] .AcademicPress,
SanDiego, 1998.
[ 15] BaskinJM, BaskinCC.Aclassificationsystemforseeddor-
mancy[ J] .SeedSciRes, 2004, 14:1-16.
[ 16] NambaraE, Marion-PollA.ABAactionandinteractionsin
seeds[ J] .TrendsPlantSci, 2003, 8, 213-217.
[ 17] BasselGW, ZielinskaE, MulenRT, etal.Downregulationof
DELLAgenesisnotessentialforgerminationoftomato, soy-
bean, andArabidopsisseeds[ J] .PlantPhysiol, 2004, 136:
2 782-2 789.
[ 18] GonaiT, KawaharaS, TougouM, etal.Abscisicacidinthe
thermoinhibitionoflettuceseedgerminationandenhancement
ofitscatabolismbygibberelin[ J] .JExpBot, 2004, 55:
111-118.
(上接第 14页)
[ 5]陆子梅 , 高国训 ,靳力争 , 等.芹菜雄性不育花药发育的细胞
学观察 [ J] .华北农学报 , 2007, 22(1):120-122.
[ 6]赵志强 , 李瑞英 , 吴俊华 , 等.美女樱的组织培养技术研究
[ J] .内蒙古农业科技 , 2006(3):25-26.
[ 7]贾春蕾.美女樱的引种栽培试验 [ J] .金华职业技术学院学
报 , 2004(9):40-42.
[ 8]崔文山 , 黄振涛 ,孙晓梅 , 等.雄性不育系列细叶美女樱选育
及应用 [ J] .辽宁林业科技 , 2005(3):47-48.
[ 9] LaserKD, LerstenNR.Anatomyandcytologyofmicrosporo-
genesincytoplasmicmalesterileangiosperms[ J] .BotRev,
1972, 38:427-454.
[ 10]田英 , 李云翔 , 秦垦 , 等.宁夏枸杞雄性不育材料小孢子发
生的细胞形态学观察 [ J] .西北植物学报 , 2009, 29(2):
263-268.
[ 11]傅小鹏 , 胡金义 , 胡惠蓉 , 等.石竹雄性不育系小孢子形成
过程的细胞学观察 [ J] .中国农业科学 , 2008, 41(7):
2 085-2 091.
[ 12] LiYY, YangQ, YangJY, etal.Cytoplasmicmale-sterilityof
onion(AliumcepaL.)63Aisassociatedwithprematurede-
generationofthetapetum.ActaAgromicaSinica, 2006, 32
(3):369-372.
·18·
第 29卷　第 5期　2010年 5月　　　 　　 　 　　　　　种　子　(Seed)　　　 　　　　 　 　　Vol.29　No.5　May.　2010