全 文 ：植物学通报 2005, 22 (3): 325~330
Chinese Bulletin of Botany
①陕西省自然科学基金项目(2001SM32)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: yangcuiling@sina.com
收稿日期: 2004-07-29 接受日期: 2004-11-24 责任编辑: 于昕
实 验 简 报
一种新型无花瓣油菜突变不育系花器官
的形态解剖研究①
杨翠玲② 张文学 李殿荣 田建华
(陕西省杂交油菜研究中心 大荔 715105)
摘要 在自育的甘蓝型油菜(Brassica napus)无花瓣品系AP197中, 发现并育成由4对隐性核基因控制的
无花瓣油菜突变不育系AMS971。AMS是一种雄蕊心皮化为不结实的假性雌蕊而引起的新的雄性不育
类型, 不育性非常彻底, 其植株形态特征与AP197相同。比较花器官发现, AMS971除一个正常的雌蕊外,
还有6个梭形的心皮化假性雌蕊。假心皮化雌蕊上部变成近似倒U形的柱头结构区, 下部是完全突变的半
开裂心皮, 其上着生4~14个不等的裸露的幼小胚珠; 蜜腺比正常油菜小, 数目为0~4个, 这与AP197没有
差异。AMS971的四轮花器官由于突变造成了大小和重量的重新分配。推断AMS为类似拟南芥属B功能
缺失的突变体。
关键词 无花瓣油菜, 突变雄性不育系, 花器官, 雄蕊心皮化
Morphology and Anatomy of a New Apetalous Mutant Sterile
Line in Brassica napus
YANG Cui-Ling② ZHANG Wen-Xue LI Dian-Rong TIAN Jian-Hua
(Hybrid Rapeseed Research Center of Shaanxi Province, Dali 715105)
Abstract A new kind of apetalous mutant male sterility line, AMS971, was discovered in apetalous
oilseed rape AP197 (Brassica napus). The male-sterile trait was genetically controlled by four pairs of
recessive nuclear genes. The AMS971 flower consists of four sepals, six carpelloid stamens without
anthers and a normal carpel in the center of the flower. The top to base of the third-whorl carpelloid
stamens showed stigmatic papillae-like inversed-U and semi-fusion carpels with 4~14 exposed ovules.
Compared with the wild-type, AMS971 showed 0~4 smaller nectarines, which is similar to AP197.
Moreover, the size and weight of the floral organ in AMS971 differs from that in AP197. It was
deduced that the AMS971 mutant was caused largely by B-class mutation from genes such as
Arabidopsis thaliana.
Key words Brassica napus, Apetalous mutant sterile (AMS), Floral organ, Carpelloid stamens
326 22(3)
高等植物中普遍存在雄性不育现象, 据统
计(Kaul, 1988), 已经在43个科162个属320种植
物中发现了雄性不育。随着细胞质雄性不育
系陕2A的发现及世界上第一个大面积应用的
杂交油菜“秦油二号”的全面推广, 优质油菜
的应用已经越来越广泛(李殿荣, 1986; 傅廷栋,
1995)。油菜杂种优势利用的主要途径是细胞
质雄性不育三系法和细胞核雄性不育两系或三
系法, 这两种方法所用的不育系的四轮花器官
中, 只是花药退化而花瓣仍存在(Zhang et al.,
2003)。有关研究认为, 无花瓣油菜的发现, 使
得油菜高产且抗病的潜势得以继续挖掘(谭小
力等, 1998)。但目前仍未见到有关无花瓣油菜
雄性不育利用的详细报道。我们于1997年育
成了纯合稳定的无花瓣油菜新品系AP197(谭
小力等, 1998)。1998年4月花期, 在该品系中
发现并育成一种可能由4对隐性核基因控制的
雄蕊雌化的无花瓣油菜突变不育系AMS 971
(Zhang et al., 2003)。连续6年的研究表明: 该
AMS不育性非常彻底, 是一种雄性器官雌性异
常化而引起的新的雄性不育现象。该特异种
质资源的创建为油菜杂种优势利用开辟了一种
新的途径(Zhang et al., 2003)。本文通过对
AMS971花器官形态特征的研究, 为进一步深
入研究其花发育的分子机理及其油菜杂交育种
提供了科学的依据。
1 材料与方法
1.1 材料
材料选自陕西省杂交油菜研究中心选育的
甘蓝型无花瓣油菜 AP197 及其突变不育系
AMS971, 该不育系中不育株(ams)和可育株
(amf)呈现 1:1分离。
1.2 方法
1.2.1 花器测量方法 于油菜的初花期, 在无
花瓣油菜AP197及其突变不育系AMS971(ams
和amf)中各选10株, 在每个主花序上从下往上
按顺序取5个即将开放的花蕾, 迅速对花器进行
测量、解剖和称量。花蕾的长度、宽度及雌
蕊的长度用游标卡尺测量; 花器各部分鲜重用
METTLER AE50电子天平测量, 雄蕊重量用一
个花蕾中 6个雄蕊的总重量表示。
1.2.2 花器解剖研究 于油菜的蕾苔期、初
花期分别取AP197、AMS971中的 ams和 amf
的花蕾, 在XTL-Ⅱ型照相体视显微镜下进行解
剖, 观察测量雌蕊、花药的长度及宽度、雄蕊
心皮化结构的特征等, 用FinePix S602 ZOOM型
数码照相机对解剖结构拍照。
2 结果与分析
2.1 甘蓝型无花瓣油菜突变不育系AMS971
(1:1系)花器特性
2.1.1 植物学特性 甘蓝型无花瓣油菜突变
不育系AMS971的植株发育正常, 植株形态特
征与无花瓣正常可育植株完全相同。植物学
鉴定和比较认为, AMS971为离萼、单被花, 6
个雄蕊完全突变为 6 个心皮化的假性雌蕊
(图 1A)。AP197的花蕾表面基本平滑, ams花
蕾表面微皱、略不平(图 1B)。6个半开裂的
心皮化雌蕊在开花之前相互之间紧密抱合, 暗
黄色的柱头结构与正常柱头组织连接紧密
(图 1C)。
无花瓣油菜AP197的近等系正常油菜及其
AMS971、AP197开花后剥掉萼片的形态见图
1A。无花瓣油菜AP197近等系花器发育正常,
AP197缺少了4个平展的球拍形花瓣, AMS971
的6个雄蕊突变成为心皮化假性雌蕊, 三者之间
截然不同。一个完整的AMS971花蕾包括4个
萼片、0~4片不等变态的残瓣、6个心皮化的
假性雌蕊和一个正常雌蕊(图1D)。心皮化雌蕊
因为相互之间抱合方式不同而形成不完全规则
的梭形。梭形上半部分边缘呈黄色、倒U形
的柱头乳突细胞组织; 中部和下半部分边缘着
生4～14个不等(平均7.1个)的绿色幼小胚珠(图
1E), 下部以绿色小柄与花托连接。随着角果的
发育, 绿色胚珠发育停止并死亡, 但不脱落; 而
3272005 杨翠玲等: 一种新型无花瓣油菜突变不育系花器官的形态解剖研究
图 1 无花瓣油菜突变不育系AMS971的花器官结构
A. 正常油菜、AMS971和AP197的花(剥掉花萼); B. AMS971和AP197的花蕾(各 2个); C. AMS971花
蕾自然形态; D. AMS971一朵完整花的结构; E. 完全心皮化的6个雄蕊; F. AMS971和AP197的子房(各2
个); G, H. AMS971花的残瓣; I. AMS971和AP197的蜜腺(各 2个)。 Sp. 萼片; Pt. 花瓣; St. 雄蕊; Pi. 雌蕊
Fig.1 Morphology of apetalous mutant sterile line 971 in Brassica napus
A. Flowers in wild-type, AMS971 and AP197 plants (sepals are removed); B. Buds in AMS971 and AP197; C.
Buds in AMS971 plant; D. Total components in AMS971 bud; E. Six carpelloid stamens in AMS971 flower; F.
Germens in AMS971 and AP197; G, H. Petals in AMS971 flower; I. Nectaris in AMS971 and AP197. Sp. Sepal;
Pt. Petal. St. Stamen; Pi. Pistil
绿色心皮仍然存活, 直到角果发育成熟才干枯。
雌蕊变粗变短, 部分心皮化雄蕊相互之间开花之
前的过度抱合导致了花柱中部略有弯曲; 个别
子房在开花时也稍微弯曲, 随着开花的进行, 变
得基本正常(图1F)。AMS971剥蕾授粉和自然
开花人工授粉结实良好, 二者结角率分别为94.
8%和 94.3%(Zhang et al., 2003)。
2.1.2 花器大小的比较 甘蓝型无花瓣油菜
突变不育系AMS971中的 ams 与 amf相比较,
ams花蕾柄变长约0.6 mm; 花蕾和萼片长度分别
减少1.38 mm和1.36 mm左右, 花蕾宽度增加
0.16 mm; 萼片宽度增长0.16 mm; 雌蕊变短1.74
mm, 变粗0.14 mm; 而ams心皮化假性雌蕊由于
心皮的半开裂, 长度增加约 50%, 宽度增加
328 22(3)
60%~80%不等。ams与AP197比较, 花蕾柄长
一致; 花蕾和萼片长度减少0.74 mm, 花蕾宽度
增加约0.10 mm; 萼片宽度增长0.08 mm。amf与
AP197比较, 雄蕊长度平均增加0.57~0.69 mm, 宽
度变化不大; 花药长度增加0.39~0.41 mm, 宽度
增加甚微。雌蕊的长度, ams比AP197减少了
1.05 mm, amf比AP197增加了0.70 mm, 宽度三
者之间差异很小(表 1)。
2.1.3 花器鲜重的比较 甘蓝型无花瓣油菜
AP197与其近等系正常油菜比较, 由于花瓣的消
失, 使得花器别的部分增大或增重。其中, 萼片
增重46.85%, 雌蕊增重93.94%, 花药增重
42.85%，这为角果的生长发育提供了很好的物
质基础。无花瓣油菜突变不育系ams由于突变
造成了四轮花器官重量的重新分布。由表2可
知, AMS971与AP197相比, 四轮花器官的重量均
有所变化: 单朵花重量增加约1.4 mg, 花柄也增
重约0.59 mg, 单个花蕾增重0.82 mg。花萼变薄,
重量减少7.6%; 雌蕊重量增加22.12%, 心皮化器
官比雄蕊增加了0.76%, 变化不明显。
分析四轮花器官重量在整个花中的分布(表
2 ) 表明, AMS971与AP197比, 萼片变化不大,
占整个花重的 17.56%～18.25%(占花蕾重量的
22.17%～22.40%)。AMS971的心皮化器官占整
朵花重的 43.15 %, 而AP197和amf雄蕊分别占
44.54%和46.92 %; 正常AP197、amf株雌蕊占
整朵花重的15.73%和16.30%, AMS971雌蕊占
整朵花重的 18.48 %, 比AP197和amf增加了
2.2%~2.7%。
2.1.4 花器解剖观察 解剖观察表明, 在无花
瓣油菜突变系AMS971中, ams不育植株全株
均表现为典型的雄蕊心皮化。其形态表现为:
表 1 甘蓝型无花瓣油菜品系 (AP197)和突变系AMS971花器大小(单位: mm)
Table 1 Comparison of floral organs between AP197 and AMS971 in Brassica napus (Unit: mm)
Item Flower stalk Bud Calyx Stamen Anther (stamens Pistil
converting to carpel)
Length Length Width Length Width Length Width Length Width Length Width
amf 14.47±2.19 9.24±0.78 3.51±0.23 9.27±0.98 2.25±0.20 8.34±1.21 1.11±0.07 4.30±0.25 1.11±0.07 8.85±0.96 1.34±0.17
7.46±1.07 1.105±0.06 4.08±0.21 1.105±0.06
ams 15.05±1.74 7.86±0.33 3.67±0.19 7.91±0.43 2.41±0.31 none none 6.40±0.35 1.84±0.30 7.11±0.25 1.48±0.11
6.09±0.38 2.08±0.26
AP197 15.05±1.97 8.60±0.65 3.57±0.51 8.65±0.65 2.33±0.22 7.65±0.90 1.115±0.07 3.89±0.42 1.115±0.07 8.15±0.65 1.37±0.13
6.89±1.04 1.114±0.05 3.69±0.41 1.114±0.05
ams- 0.00 -0.74 0.10 -0.74 0.08 none none 2.20 0.725 -1.05 0.11
AP197 2.71 0.965
amf- -0.58 0.64 -0.06 0.61 -0.08 0.69 -0.005 0.41 -0.005 0.70 -0.03
AP197 0.57 -0.009 0.39 -0.009 none none
Note: (1)Stamen width represented by anther width; Pistil width represented by germen width. (2) Stamens and
carpelloid stamens divided into two types: 4 strong (up) and 2 weak (down)
表 2 甘蓝型无花瓣油菜AP197和突变系AMS971花器鲜重(单位: mg)
Table 2 Comparison of fresh weight of the floral organs between AP197 and AMS971 in
Brassica napus (Unit: mg)
Item Flower Flower stalk Bud Calyx Stamen Anther(stamens Pistil
converting to carpel)
amf 35.56±1.03 6.59±0.40 28.97±0.82 6.49±0.53 16.68±0.54 none 5.79±0.25
ams 36.52±0.87 7.60±0.71 28.92±0.62 6.41±0.18 none 15.76±0.37 6.75±0.28
AP197 35.11±0.64 7.01±0.51 28.10±0.40 6.94±0.05 15.64±0.17 none 5.52±0.24
ams-AP197 1.40 0.59 0.82 -0.53 none none 1.22
amf- AP197 0.44 -0.42 0.87 -0.45 1.04 none 0.27
3292005 杨翠玲等: 一种新型无花瓣油菜突变不育系花器官的形态解剖研究
表 3 甘蓝型无花瓣油菜突变系AMS971雄蕊心皮化结构及雌蕊大小(单位: mm)
Table 3 Volume of pistisl and carpelloid stamens of AMS971 in Brassica napus (Unit: mm)
AMS971 Stamens transaforming to carpellate Chapiter organ of pistil
Green stalk Carpellate of stamens Inversed-U chapiter organ
Length 1.65±0.39 4.86±0.34 1.66±0.12 1.06±0.09
Width 0.56±0.02 1.84±0.30 0.265±0.02 0.84±0.09
2.08±0.26
6个雄蕊完全心皮化, 但心皮未完全闭合而呈现
半开裂的梭形(图1D); 在半开裂的梭形心皮的
上部, 柱头结构不是正常雌蕊的圆柱形, 而是倒
U形, 柱头区着生着鲜黄色的长乳头状的柱头细
胞; 花柱组织缩短变形, 处于U形的柱头组织内
部, 呈近三角形; 在半开裂的梭形心皮中部和下
半部分边缘着生4～14个不等的绿色幼小胚珠,
平均7.1个, 是AMS971正常雌蕊胚珠数目(平均
35.1个)的20.22%(图1E); 梭形心皮下部是与花
托连接的小柄, 可能由花丝发育而成。解剖观
察发现, AMS971有约0～4个花瓣遗迹存在(图
1G, H), 有的是6～7 mm头发丝状的淡绿色细丝
(图1D ), 有的淡绿色细丝上部有一约0.5 ~ 1.0
mm宽的白色舌状, 还有的呈长6.5 mm、宽2 mm
的绿色皱缩不规则梭形。我们可人为的把梭
形心皮分为倒U型花柱组织区和雄蕊心皮化组
织区, 两者之间是近三角形的花柱组织。显微
测量AMS971花药心皮化雌蕊大小如表3, 倒U
型花柱组织由于心皮的半开裂, 宽度是普通雌蕊
的二倍左右, 乳突细胞组织呈现长约1.66 mm、
平均宽 0.265 mm的倒U形结构。
AMS971的蜜腺发育也发生了一定的变
化。无花瓣油菜AP197一朵花的四长雄蕊外
侧有2枚长圆形的浓绿色蜜腺, 两短雄蕊的内侧
有2枚半圆形的浓绿色蜜腺(图1I); 与正常油菜
相比, 蜜腺略微变小。而AMS一朵花的蜜腺
数目 0～4个不等, 所存在的位置和大小不确定,
蜜腺的形态与正常的无花瓣油菜AP197相同。
解剖测量柱头乳突组织, ams乳突组织宽度
和长度为0.9 mm×1.05 mm, amf的乳突组织则
为0.7 mm×0.85 mm, 而AP197的乳突组织为
0.8 mm×0.9 mm。油菜AMS在自然状态下异
交结实较差, 一方面可能由于柱头的乳突细胞较
大, 乳突细胞之间空隙大, 不利于花粉的附着及
萌发; 另一方面可能是乳突细胞发育成熟时, 细
胞表面与花粉的不亲和增加而造成。
3 讨论
3.1 AMS —— 一种新的雄性不育类型
甘蓝型无花瓣油菜突变不育系 AMS971是
一种雄蕊心皮化引起的新的雄性不育类型, 不育
性非常彻底。其植株形态特征与无花瓣油菜
AP197相同, 有6个梭形的心皮化假性雌蕊, 心
皮化假性雌蕊的上部变成类似倒U形的柱头结
构区, 下部是完全突变的半开裂心皮, 其上着生
4～14个不等的裸露的幼小胚珠; 蜜腺比正常
油菜小, 其数目0～4个不定, 与AP197没有差
异。同时突变也造成了四轮花器官大小和重
量的重新分配。
3.2 融合是被子植物产生不同花形态的一
种重要机理
融合是被子植物产生不同花形态的一种重
要机理。高等植物子房形成过程中组织之间的
融合变异很大, 除了心皮之间的融合外, 雌蕊有
时也与别的花器官融合(许智宏和刘春明 ,
1998)。甘蓝型无花瓣油菜雄性突变不育系
AMS可能是雄蕊与心皮融合发生变异的结果。
3.3 AMS在油菜育种中的应用
一般油菜细胞质雄性不育系(CMS)和细胞
核雄性不育系(GMS)花器官形态的差异主要表
现在第 2和第 3轮花器官上。CMS的一般特
点是花瓣皱缩变小, 颜色不变, 雄蕊的花丝变短,
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花药呈白色三角状、戟形且无花粉。GMS的
花瓣大小形态基本不变或略微变小, 雄蕊花丝变
短, 花药退化仅剩痕迹, 褐色干瘪无粉(傅廷栋等,
1995)。这两类均属雄蕊退化引起的不育。而
AMS突变不育系是一种雄蕊雌化引起的不育,
不育性非常彻底、稳定, 它与现有的细胞质和
细胞核雄性不育系有明显的不同, 为一新类型不
育。它的恢复源十分广泛, 而且杂种优势较强
(Zhang et al., 2003)。该特异种质资源的创建
为油菜杂种优势利用开辟了新的途径。
3.4 AMS —— 花发育机理研究的特异种质
基于模式作物金鱼草和拟南芥的研究,
Coen和Meyerowitz(1991)提出花器官发育的
ABC模型。根据ABC模型(许智宏和刘春明,
1998), 花器官的发育由里向外分为4轮,依次是
花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊, 由 A、B和 C三
组同源异型基因控制其发育形成。其中, 任何
一组基因突变都会导致花形态的改变。B组基
因控制第二、三轮花器官发育, 其功能丧失会
使第二轮花瓣变成萼片, 第三轮雄蕊变成心皮。
据此推断, AMS不育系可能是B功能区基因发
生变异, 并引起C功能基因异位表达而导致雄蕊
雌化, 要证明这一点, 还需要借助分子标记进行
研究。
参 考 文 献
傅廷栋, 李殿荣 (1995) 杂交油菜的育种与利用. 湖北科
技出版社, 武汉, 1-2, 46-72
李殿荣 (1986) 甘蓝型油菜雄性不育系、保持系、恢复
系选育成功并已大面积推广. 中国农业科学, 19(5): 94
谭小力,张文学,田建华,李殿荣 (1998) 甘蓝型油菜无花
瓣品系的选育研究. 西北农业大学学报, 20(3): 27-31
许智宏,刘春明 (1998) 植物发育的分子机理. 科学出版
社, 北京, 12, 96
Coen E, Meyerowitz E (1991) The war of whorls: genetic
interactions controlling flower devlopment．Nature,
353: 31-37
Kaul MLH (1988) Male Sterility in Higher Plants,
Springer-verlag, Berlin, Heidelberg, New York
Zhang WX, Li DR, Tian JH, Yang CL (2003) The discov-
ery and study of apetalous mutant sterile line in Bras-
sica napus L. 11th International Rapeseed Congress,
Copenhagen, pp. 6-10, 14