全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2011, 46 (4): 407–412, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2011.00407
——————————————————
收稿日期: 2010-10-14; 接受日期: 2011-01-11
基金项目: 国家自然科学基金(No.30860120, No.30900781)、江西省自然科学基金(No.2008GQN0059)和江西省教育厅科技计划项目
(No.GJJ09464)
* 通讯作者。E-mail: xiejiankun@yahoo.com
东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种F1的雄配子发生与发育
罗向东1, 戴亮芳1, 万勇2, 胡标林1, 2, 李佛生1, 李霞2, 谢建坤1, 2*
1江西师范大学生命科学学院, 南昌 330022; 2江西省农业科学院水稻研究所, 南昌 300200
摘要 该文以东乡野生稻与栽培稻(美国光壳稻P1003)的正反交种间杂种F1(正交为光壳稻P1003×东乡野生稻; 反交为东
乡野生稻×光壳稻P1003)为试材, 研究其各个减数分裂时期的染色体行为特征、染色体交换重组及雄配子发育特点。结果
表明: 正反交杂种F1花粉母细胞细胞核减数分裂的同步性较高, 细胞质为连续型胞质分裂类型。在细胞核分裂的过程中, 核
仁在前期I到中期I逐渐消失。染色体在前期I到中期I逐渐收缩, 变得更加清晰可见。在终变期和中期I, 90.54%以上的花粉母
细胞能形成12个二价体(含少数棒状二价体和8字型二价体), 部分花粉母细胞(正交9.46%, 反交7.65%)出现少量的单价体、
三价体和四价体。后期I观察到1.27%–1.35%的花粉母细胞含有1至数条落后染色体。最终有92.6%–94.8%的小孢子能发育
成形态正常、染色能力强的成熟花粉粒。另外, 在正交杂种F1的粗线期中存在2个核仁, 而反交杂种F1及其双亲的粗线期只
有1个核仁。这些研究结果可为作物品种改良、种质资源创新以及种间亲缘关系研究提供细胞学证据。
关键词 东乡野生稻, 种间杂种, 减数分裂, 亲缘关系
罗向东, 戴亮芳, 万勇, 胡标林, 李佛生, 李霞, 谢建坤 (2011). 东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种F1的雄配子发生与发
育. 植物学报 46, 407–412.
东乡野生稻(Oryza rufipogon Griff.)是迄今全球分
布纬度最高的普通野生稻, 具有高产、优质、强耐冷、
抗旱和抗多种病虫害等优良特性, 是全球最为宝贵的
水稻资源之一, 被列为国家二级保护野生植物(谢建坤
等, 2010; 简水溶等, 2011)。因此, 研究利用东乡野生
稻创制水稻(O. sativa L.)新种质, 改良制约水稻生产的
重要农艺性状也就成为育种专家普遍关注的课题。
远缘杂交是利用野生有利基因, 创造种间变异、
选育新品种的一个重要途径, 同时也为研究种间亲缘
关系和系统进化提供了重要的实验体系(Kishhii et
al., 2004; 罗向东等, 2007)。而种间杂种F1是利用野
生资源进行品种改良的重要中间材料(Chen et al.,
2003), 研究其减数分裂过程中染色体配对和分离行
为以及雄配子的发生、发育过程, 将有助于理解种间
杂种F1的遗传特点和种间亲缘关系, 同时对有效地利
用外源优异基因具有重要的指导意义 (罗向东等 ,
2007; 杨克珍和叶德, 2007)。
此前, 包括本课题组在内的众多育种工作者获得
了东乡野生稻与不同基因型栽培稻间的种间杂种F1,
通过连续回交自交建立了一些高代重组自交系, 并对
一些重要农艺性状的遗传及生理学特性做了大量研
究, 如耐旱特性的鉴定(胡标林等, 2007)和高产(李德
军等, 2002)、耐冷(刘凤霞等, 2003)、抗旱(Zhang et
al., 2005)以及茎秆木质化(Xie et al., 2006)等性状相
关基因的QTL分析。然而, 此前对种间杂种F1减数分
裂的染色体分裂行为特征研究较少。为此, 本研究以
新近培育的东乡野生稻与栽培稻的正反交种间杂种
F1为试材, 重点观察其雄配子的发生、发育过程, 比
较正反交杂种F1花粉母细胞的减数分裂差异, 明确种
间杂种F1的细胞遗传学特点、种间亲缘关系以及染色
体组间交换重组的细胞学特征, 为探明东乡野生稻重
要性状的渐渗机制提供细胞学依据, 同时为进一步挖
掘东乡野生稻的有用基因奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
2008年秋, 选用东乡野生稻(Oryza rufipogon Griff.)
·研究报告·
408 植物学报 46(4) 2011
与美国光壳稻(O. sativa L.)P1003进行正反杂交, 获
得正反交种间杂种F1。正交为美国光壳稻P1003×东
乡野生稻, 反交为东乡野生稻×美国光壳稻P1003。
2009年5月下旬对正反交杂种F1进行催芽播种, 7月
上旬定植于江西省农业科学院实验地, 按常规的田间
管理方法进行管理。8月上旬取不同大小的杂种F1的
幼穗用于减数分裂观察。
1.2 方法
2009年8月上旬(即剑叶全出期), 取大小适宜的幼穗,
经卡诺固定液(无水乙醇:冰醋酸=3:1, v/v)固定24小
时后, 用70%乙醇保存在4°C冰箱中备用。进行显微
观察时(Motic BA410), 将花药从中部横切, 用镊子
轻轻挤压出花粉母细胞, 用卡宝碱性品红染色, 采用
火焰微烤和45%醋酸分色制片, 用Motic 3000 CCD
成像系统拍照记录。同时统计雄配子育性, 以染色较
深的作为可育雄配子, 以染色较浅或不染色的作为不
育雄配子。每个视野不少于80个, 共统计3个视野。
2 结果与讨论
2.1 正反交杂种F1减数分裂的共同特点
通过观察发现, 两杂种F1的细胞核减数分裂除个别时
期存在一些差异外(后文详述), 其主要减数分裂特征
相同。东乡野生稻与栽培稻的正反交种间杂种F1的花
粉母细胞减数分裂同步性较高, 即在同一个花蕾和花
药中, 所有花粉母细胞基本处于同一细胞分裂时期。
在细线期, 其分裂现象与栽培稻的减数分裂相似, 染
色质丝凝结在核仁一侧, 呈花束状(图1A)。粗线期染
色体明显变粗, 已经完成配对过程(图1B)。在双线期
图1 东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种F1雄配子发生和发育的减数分裂过程
(A) 细线期; (B) 粗线期; (C) 终变期, 含12对环状二价体; (D) 中期I, 含12个二价体; (E) 后期I, 同源染色体向两极分离; (F) 末期I;
(G) 后期II; (H) 四分体。Bar=10 μm
Figure 1 The meiotic process of male gametophyte development in reciprocal interspecific hybrid F1 between Oryza sativa and
O. rufipogon
(A) Leptotene; (B) Pachytene; (C) Diakinesis chromosomes with 12 bivalents; (D) Metaphase I chromosomes with 12 bivalents;
(E) Anaphase I, homologous chromosomes separate to two poles; (F) Telophase I; (G) Anaphase II; (H) Tetrad stage. Bar=
10 μm
罗向东等: 东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种 F1的雄配子发生与发育 409
配对染色体的交叉结发生端化现象。终变期核仁依然
可见, 染色体进一步变粗变短, 主要以12个环状二价
体构型为主(图1C), 其中有2对二价体与核仁相连,
少数花粉母细胞也出现单价体、三价体和四价体等。
中期I的染色体排列成一排, 没有分散到赤道板平面
之外, 核仁完全消失(图1D)。
后期I, 在纺锤丝的牵引下, 绝大多数(98.73%)
的同源染色体能正常分开, 移向两极(图1E)。末期I,
染色体解螺旋, 变得模糊, 细胞核之间形成细胞板,
出现明显的二分体(图1F), 表明正反交杂种F1属于连
续型胞质分裂(successive cytokinesis)类型。中期II,
两组染色体分别排列在各自的赤道板上, 2个赤道板
的空间取向为相互平行; 后期II, 再经过1次减数分
裂, 姐妹染色单体分别到达四极(图1G); 接着染色体
再次解螺旋、消失, 在四极出现新的核仁, 最后每个
花粉母细胞分裂形成4个子细胞(图1H)。
2.2 正反交杂种F1减数分裂的差异及特殊的减数
分裂行为
在整个减数分裂过程中, 正反交杂种F1间最明显的差
异体现在核仁的数量上。在粗线期, 正交杂种F1(美国
光壳稻P1003×东乡野生稻)的花粉母细胞存在2个核
仁(图2A), 比反交杂种F1及其双亲多1个核仁。在终变
期和中期I, 双亲的染色体构型均为12个环型二价体,
而正反交种间杂种F1的染色体构型除环型二价体外,
均存在一定数量的单价体(图2B)、三价体(图2D)和四
价体(图2C)等, 只是它们各自的频率存在一定差异
(表1)。正交杂种F1减数分裂中期I, 平均每个花粉母细
图2 东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种F1的特殊减数分裂行为及雄配子发育
(A) 正交杂种(美国光壳稻P1003×东乡野生稻) F1粗线期, 含有2个核仁; (B) 终变期, 箭头所指为2个单价体; (C) 终变期, 箭头所指
为1个四价体; (D) 终变期, 箭头所指为1个三价体和1个单价体; (E) 终变期, 箭头所指为2个“X”型二价体; (F) 后期I, 箭头所指为
落后染色体; (G) 单核靠边期花粉粒; (H) 成熟花粉粒时期。Bar=10 μm
Figure 2 Special meiotic behavior and male gametophyte development in reciprocal interspecific hybrid F1 from Oryza sativa
mating with O. rufipogon
(A) Pachytene of P1003 × Dongxiang wild rice with two nucleoli; (B) Diakinesis chromosomes, arrows showing two univalents;
(C) Diakinesis chromosomes, arrow showing one tetravalent; (D) Diakinesis chromosomes, arrows showing one trivalent and
one univalent; (E) Diakinesis chromosomes, arrow showing two ‘X’ bivalents; (F) Anaphase I, arrow showing the lagging
chromosome; (G) Later uninucleate pollen; (H) Stage of mature pollen grain. Bar=10 μm
410 植物学报 46(4) 2011
表1 东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种F1花粉母细胞减数分裂的染色体行为特征
Table 1 The behavior of meiotic chromosomes in reciprocal interspecific hybrid F1 from Dongxiang wild rice mating with Oryza
sativa
Material Number of pollen
mother cells
Normal cell
(%)
Abnormal
cell (%)
Univalent
(%)
Trivalent
(%)
Tetravalent
(%)
Lagging chro-
mosome (%)
P1003 × O. rufipogon 148 90.54 9.46 4.73 2.70 5.40 1.35
O. rufipogon × P1003 157 92.35 7.65 3.82 1.91 4.45 1.27
胞含有10.86II+0.33I+0.22III+0.32IV; 反交杂种F1减
数分裂中期 I, 平均每个花粉母细胞含有11.08II+
0.31I+0.15III+0.27IV。显示东乡野生稻与栽培稻具有
较近的亲缘关系, 多价体的存在表明非同源染色体之
间具有一定的同源性。
另外, 在两杂种的终变期中均观察到少数“8”
字型、“X”型二价体以及极少数的链状多价体(图2E),
表明东乡野生稻和栽培稻的染色体组之间发生了广
泛的交换和重组, 这意味着杂种F1在转移野生稻的有
用性状中可以发挥重要作用。在后期I, 两杂种约有
1.27%–1.35%的细胞存在1至数条落后染色体 (图
2F)。后期I以后, 两杂种F1的减数分裂未发现明显的
异常分裂行为。
2.3 种间杂种F1的雄配子发育特点
四分体在其周围的胼胝质溶解后, 小孢子彼此散开。
刚游离出来的、体积较大的单核花粉粒, 细胞壁薄,
细胞质浓厚, 核位于细胞中央。在单核晚期, 细胞核
被逐渐挤到一侧, 即单核靠边期(图2G)。随后这些花
粉粒再经历2次有丝分裂和双层花粉壁形成等过程,
最终形成含有3个细胞和1个萌发孔的正常的近似于
球形的花粉粒(图2H)。经观察统计发现, 协青早B的
花粉粒可染率达(97.5±1.2)%, 东乡野生稻的花粉粒
可染率达(95.3±1.2)%; 正交和反交杂种F1中成熟花
粉粒的可染率分别达到(92.6±1.0)%和(94.8±1.6)%。
方差分析显示, 两杂种育性在0.05水平无显著性差
异, 与其双亲育性在0.05水平存在显著性差异。由此
表明无论是正交还是反交, 杂种F1都能形成较高育性
的花粉粒, 育性仅略低于其双亲。
2.4 讨论
种间杂种F1含有来自不同物种的染色体组, 其双亲亲
缘关系的远近对杂种F1减数分裂中的染色体行为及
有性配子的育性具有重要的影响(Chen et al., 2003;
杨克珍和叶德, 2007; 王莉等, 2010)。本研究通过观
察东乡野生稻与栽培稻正反交杂种F1雄配子的发生、
发育过程, 发现正反交杂种F1除少数细胞存在单价
体、三价体和四价体外, 绝大多数花粉母细胞染色体
配对正常, 呈12个二价体的染色体构型, 最后形成的
可育花粉粒比例达90%以上。实验结果表明正反交杂
种F1对转移东乡野生稻的有利性状能发挥重要的作
用, 同时也显示东乡野生稻与栽培稻的亲缘关系比较
近, 这与前人利用DNA分子标记所得的研究结果(周
毅等, 1996)相似。
本研究中正反交种间杂种F1出现一定频率的四
价体和三价体, 表明栽培稻和东乡野生稻的非同源染
色体之间具有部分同源性, 其原因可能是水稻基因组
在物种演化过程中曾发生过基因扩增或基因组的复
制事件(whole-genome duplication), 即古多倍体化
过程, 致使水稻基因组中存在大量的重复片段。这与
水稻比较基因组学和基因组学的研究结果(高清松等,
2009)一致。因此, 研究水稻种间杂种F1减数分裂的
染色体分裂行为能为水稻古多倍体化过程研究提供
细胞学证据。
正反交差异在种间杂种研究中比较普遍, 例如在
甜瓜属(Cucumis)(罗向东等, 2006)、棉花属(Gossy-
pium)(韦贞国, 1978)和番茄(Solanum lycopersicum)
(吴定华和梁树南, 1992)等作物的种间杂交中, 杂种
F1的育性通常是以染色体基数大的物种作母本时更
高。除此之外, 在形态、染色体构型以及分子水平上
正反交杂种F1也均存在一定差异(Chen et al., 2003;
罗向东等, 2006)。从本文的结果可知, 东乡野生稻与
栽培稻的正反交种间杂种减数分裂过程在染色体构
型(即单价体、三价体和四价体的频率)上有一定差异,
这与对甜瓜属作物的研究结果(罗向东等, 2004)相
似。另外, 本研究中正反交杂种F1在前期I的核仁数量
罗向东等: 东乡野生稻与栽培稻正反交种间杂种 F1的雄配子发生与发育 411
也不同, 正交F1有2个核仁, 比反交F1多1个。表明反
交杂种F1中存在核仁竞争, 导致在反交杂种F1的减数
分裂前期I只观察到1个核仁。而在正交F1中, 来自2
个物种的rDNA均能表达形成rRNA及相关蛋白, 最后
形成2个核仁(Ansari et al., 2008)。至于是何种机制影
响了rDNA的表达还不清楚, 有待于进一步深入研究
其小孢子发育过程的超微结构及分子机理(陆俊萍等,
2009)。但可以肯定的是, 本研究提供的正反交种间
杂种F1可为研究这一表观遗传现象提供细胞学证据
和一个很好的实验体系。
参考文献
高清松, 杨泽峰, 徐辰武 (2009). 水稻基因组进化的研究进
展. 扬州大学学报(农业与生命科学版) 30(2), 34–44.
胡标林, 余守武, 万勇, 张铮, 邱兵余, 谢建坤 (2007). 东乡
普通野生稻全生育期抗旱性鉴定. 作物学报 33, 425–432.
简水溶, 万勇, 罗向东, 方军, 储成才, 谢建坤 (2011). 东乡
野生稻苗期耐冷性的遗传分析. 植物学报 46, 21–27.
李德军, 孙传清, 付永彩, 李晨, 朱作峰, 陈亮, 才宏伟, 王象
坤 (2002). 利用AB-QTL法定位江西东乡野生稻中的高产
基因. 科学通报 47, 854–858.
刘凤霞, 孙传清, 谭禄宾, 李德军, 付永彩, 王象坤 (2003).
江西东乡野生稻孕穗开花期耐冷基因定位. 科学通报 48,
1864–1867.
陆俊萍, 申家恒, 郭德栋, 王艳杰 (2009). 栽培甜菜花粉发育
过程的超微结构. 植物学报 44, 323–330.
罗向东, 陈劲枫, 郭军洋, 娄群峰, 钱春桃 (2004). Cucumis
sativus × C. hystrix 种间杂种的形态学和细胞学观察. 西
北植物学报 24, 2303–2306.
罗向东, 戴亮芳 , 陈龙正, 钱春桃, 陈劲枫 (2006). 野黄瓜
(Cucumis hystrix Chakr.)与3种不同基因型栽培黄瓜(C. sa-
tivus L.)种间杂交及杂种鉴定 . 武汉植物学研究 24,
207–211.
罗向东, 戴亮芳, 钱春桃, 陈劲枫 (2007). 野黄瓜与栽培黄瓜
种间杂种F1雌雄配子发生和发育的细胞学研究. 中国农业
科学 40, 338–344.
王莉, 陆彦, 金飚, 林明明, 陈鹏 (2010). 银杏雌雄配子体发
育及胚胎形成的研究进展. 植物学报 45, 119–127.
韦贞国 (1978). 棉属种间杂交不亲合性的克服及杂种后代育
性的研究. 中国农业科学 (4), 15–19.
吴定华, 梁树南 (1992). 番茄远缘杂交的研究. 园艺学报 19,
41–46.
谢建坤, 胡标林, 万勇, 张弢, 李霞, 刘如龙, 黄运红, 戴亮
芳, 罗向东 (2010). 东乡普通野生稻与栽培稻苗期抗旱性
的比较. 生态学报 30, 1665–1674.
杨克珍, 叶德 (2007). 植物雄配子体发生和发育的遗传调控.
植物学通报 24, 293–301.
周毅, 邹喻平, 洪德元, 周骏马, 陈受宜 (1996). 中国野生稻
及栽培稻核糖体DNA第一转录间隔区序列分析及其系统学
意义. 植物学报 38, 785–791.
Ansari HA, Ellison NW, Williams WM (2008). Molecular
and cytogenetic evidence for an allotetraploid origin of
Trifolium dubium (Leguminosae). Chromosoma 117,
159–167.
Chen JF, Staub JE, Qian CT, Jiang J, Luo XD, Zhuang FY
(2003). Reproduction and cytogenetic characterization of
interspecific hybrids derived from Cucumis hystrix Chakr.
× Cucumis sativus L. Theor Appl Genet 106, 688–695.
Kishhii M, Yamada T, Sasakuma T, Tsujimoto H (2004).
Production of wheat―Leymus racemosus chromosome
addition lines. Theor Appl Genet 109, 255–260.
Xie JK, Wu XL, Jin L, Bao JS, Wan Y, Huang YJ (2006).
Identification of simple sequence repeat (SSR) markers
for acid detergent fiber in rice straw by bulked segregant
analysis. J Agric Food Chem 54, 7616–7620.
Zhang ZH, Su L, Li W, Chen W, Zhu YG (2005). A major
QTL conferring cold tolerance at the early seedling stage
using recombinant inbred lines of rice (Oryza sativa L.).
Plant Sci 168, 527–534.
412 植物学报 46(4) 2011
Cytological Studies of Male Gametogenesis and Development in
the Reciprocal Interspecific Hybrid F1 of Dongxiang Wild Rice
(Oryza rufipogon) and Oryza sativa
Xiangdong Luo1, Liangfang Dai1, Yong Wan2, Biaolin Hu1, 2, Fosheng Li1, Xia Li2, Jiankun Xie1, 2*
1College of Life Science, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China
2Rice Research Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Science, Nanchang 300200, China
Abstract The reciprocal interspecific hybrid F1 from Oryza sativa L. (smooth indica rice P1003 of USA) crossed with
Dongxiang wild rice (Oryza rufipogon Griff.) was used to investigate the meiosis behavior, chromosome recombination,
and characteristics of male gametophytes. The pollen mother cells (PMCs) of the reciprocal interspecific hybrid F1 showed
successive cytokinesis and a relatively higher synchronization in nuclear division. The nucleolus disappeared gradually
from prophase I to metaphase I. With condensation of chromatins, chromosomes became more identifiable from pro-
phase I to metaphase I. At diakinesis and metaphase I, 90.5% of PMCs could form 12 bivalent chromosome configura-
tions, including a few bar-bivalents and “8”-shaped bivalents. Low frequency univalents, trivalents and tetravalents were
observed in other PMCs (9.46% PMCs in the original cross; 7.65% PMCs in the reciprocal cross). At anaphase I, one or
more lagging chromosomes were observed in 1.27%–1.35% of PMCs. Finally, 92.6%–94.8% of microspores could de-
velop into normal and stainable pollen grains. In addition, 2 nucleoli were observed in P1003 × Dongxiang wild rice at
prophase I. However, Dongxiang wild rice × P1003 and their parents had only one nucleolus. These results provide cy-
tological evidence for crop enhancement and phylogenic relationships of rice.
Key words Dongxiang wild rice (Oryza rufipogon Griff.), interspecific hybrids, meiosis, phylogenic relationship
Luo XD, Dai LF, Wan Y, Hu BL, Li FS, Li X, Xie JK (2011). Cytological studies of male gametogenesis and development
in the reciprocal interspecific hybrid F1 of Dongxiang wild rice (Oryza rufipogon) and Oryza sativa. Chin Bull Bot 46, 407–
412.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: xiejiankun@yahoo.com
(责任编辑: 刘慧君)