全 文 ：此文于 1996 年 3 月 24 日收到。
平流层辐射 SP3 谷子雄性细胞
发育的研究
初庆刚　曹玉芳　辛　华　张秀芬
(莱阳农学院　莱阳　265200)
对平流层辐射处理 SP3 谷子和对照 CK3 谷子雄性细胞发育的研究表明 ,雄性细
胞正常发育过程从孢原细胞开始 ,经初生造孢细胞、次生造孢细胞、小孢子母细胞、二
分体、四分体和单核小孢子中央期、单核小孢子液泡期 (单核靠边期) 、单核小孢子成
熟期直到二细胞花粉、三细胞成熟花粉结束。其中四分体形成属连续型。雄性细胞
异常发育有几种情况 :小孢子母细胞强烈液泡化 ,细胞质收缩解体 ,不能进入减数分
裂 ;小孢子母细胞液泡化 ,虽能进入减数分裂 ,但不能形成正常二分体而中途退化 ;二
分体、四分体细胞液泡化 ,不能进行正常发育 ;单核小孢子中央期 ,细胞质收缩包围
核 ,小孢子形状扭曲呈月牙形或不规则形 ,最终细胞质和核解体而呈月牙形的空壳小
孢子 ;单核液泡期的小孢子不能积聚营养物质 ,细胞质解体而成为大的空壳花粉粒。
平流层辐射 SP3 谷子雄性细胞异常发育的比率达 50 %左右 ,这可能与平流层辐射引
起的染色体畸变以及 SP1 、SP2 谷子染色体分离、重组有关。
关键词 :谷子 　平流层辐射 　小孢子发生 　雄配子体 　雄性细胞异常发育
前 言
有关谷子 ( Setaria italica (L . ) Beauv. ) 的研究已有不少报道 ,涉及栽培育种[1 ] ,形态解
剖[3 ] ,受精作用[5 ,8 ]以及胚和胚乳的发育[6 ]等 ,但关于谷子性细胞发育方面的研究尚未见报
道。尽管某些植物在空间植物学研究方面 ,以及谷子的诱变育种方面已有一些报道[2 ,7 ] ,但利
用平流层辐射诱发谷子突变育种 ,以及空间植物学方面的研究亦未见报道。我们利用大气平
流层对谷子种子进行辐照处理 ,研究平流层辐射对谷子雄性细胞发育的影响 ,以期为空间植物
学、空间辐射育种等方面的研究提供理论上的依据。
材 料 与 方 法
供试材料 　86222 谷子。将其一单穗上的种子分成两部分 ,一部分留地作对照 (CK0) ,另
一部分 (SP0)于 1991 年 8 月放置于无密封的高空气球中升空 ,在海拔 30～38km 处滞留 8h。
此时的大气结构气温 ( T)为 234～257 K ,空气密度为 11971 ×10 - 9～41503 ×10 - 10kg/ m3 ,压力
为 11322 ×10 - 9～61519 ×10 - 10 Pa ,3618km 处的辐射流强为 016m2·s。
试验方法 　将 CK0 和 SP0 谷子分别种植于温室中 ,在 SP1 有 2714 %的谷码子不结实 ,比
1　核 农 学 报　1998 ,12 (1) :1～6Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
对照 CK0 的 1117 %约高 1517 % ,有的整穗不育。将 SP1 和 CK1 种子分别单株种植于大田中 ,
SP2 的不育株率约为 816 % ,其中有的部分不育 ,有的整穗不育[7 ] 。
我们将 SP2 和 CK2 种子分别种植于大田 ,在抽穗至开花期分别对 CK3 和 SP3 花序分 4 期
取样 ,每期取穗 4 个 ,每穗取中部两段 ,用卡诺 Ⅱ固定液固定 ,经系列脱水、透蜡、石蜡包埋 ,连
续切片 (切片厚度 8～10μm) ,铁矾苏木精染色 ,OL YMPUS 显微镜观察照相 ,并对观察结果进
行分析。
结 果 与 分 析
(一)正常小孢子的发生
从谷子小花中的幼小花药横切面上看 ,整个花药约呈方形 ,细胞大小均一 ,细胞核明显 ,细
胞质较浓厚。该花药发育一段时间后 ,在花药的四角表皮层内方 ,有几个细胞的体积显著增
大 ,细胞核大而明显 ,此为孢原细胞。从横切面上看 ,有 3 个孢原细胞 ,从纵切面上看 ,则有一
列孢原细胞 (图版 Ⅰ21 ,2) 。孢原细胞发育成熟后 ,即开始有丝分裂 ,从横切面上看 ,只有 1 个
孢原细胞分裂形成初生壁层细胞和初生造孢细胞 ,从纵切面上看 ,壁层细胞和造孢细胞各有一
列 (图版 Ⅰ21 ,3) 。有的孢原细胞可能同初生壁层细胞一起 ,参与分裂形成花药壁的中层和绒
毡层。初生造孢细胞体积增大到一定程度 ,便再进行有丝分裂 ,形成次生造孢细胞。初生壁层
细胞进一步分裂 ,形成 3 层细胞 ,分别为内层、中层和绒毡层细胞。次生造孢细胞体积较小 ,排
列紧密 ,呈方形或长方形等 ,细胞核明显 ,质浓厚。从横切面上看 ,每一药室内有 2～3 个次生
造孢细胞 ,从纵切面上看 ,则有 1～2 列次生造孢细胞 (图版 Ⅰ24) 。次生造孢细胞体积逐渐增
大 ,细胞质浓而均匀 ,核大而明显 ,成为小孢子母细胞。与此同时 ,绒毡层细胞已发育完善 ,体
积较大 ,核明显 (图版 Ⅰ25) 。小孢子母细胞进行第 1 次减数分裂 ,形成一含二核的细胞 ,并形
成细胞壁使其分隔为两个细胞 ,此为二分体。二分体的每一个细胞呈半圆形 ,细胞质浓 ,核明
显 (图版 Ⅰ26) 。随即二分体的每一个细胞再进行第 2 次分裂 ,各形成两个细胞 ,从而形成四分
体 ,这种减数分裂方式属连续型。二分体和四分体均包在胼胝质中。四分体多数呈左右对称
形 ,也有少部分四分体呈十字形、直列形和 T 字型 (图版 Ⅰ27) 。四分体每一个细胞的核明显 ,
细胞质浓而均匀。当四分体周围的胼胝质逐渐溶解 ,小孢子便释放出来 ,刚释放出来的小孢子
呈圆形 ,中央有一明显的核 ,细胞质浓而均匀 (图版 Ⅰ28) 。
(二)正常雄配子体的形成
单核小孢子是雄配子体的第 1 个细胞 ,它从药室中吸收绒毡层细胞分泌的营养物质 ,使其
体积逐渐增大。同时 ,细胞质开始发生液泡化。随着单核小孢子体积的增大 ,液泡化程度的加
剧 ,细胞质被大的液泡挤压成一薄层 ,紧贴花粉壁 ,核在细胞质中被挤压在一边 ,此为单核液泡
期 ,又称为单核靠边期 (图版 Ⅰ29) 。此期的单核小孢子进一步吸收营养物质 ,体积虽增大不明
显 ,但细胞质积聚营养物质 ,使其变得浓而均匀 ,大液泡也逐渐消失 ,核进一步增大 ,并随细胞
质的变浓而移到中央 ,此为单核成熟期 (图版 Ⅰ210) 。成熟的单核小孢子进行第 1 次有丝分
裂 ,形成 2 个核或 2 个细胞 ,1 个核居中央 ,有浓厚的细胞质包围 ,此为营养细胞 ,另一个核紧
靠花粉壁 ,有一薄层细胞质包围 ,整个细胞呈凸透镜状 ,此为生殖细胞 (图版 Ⅰ211) 。生殖细胞
逐渐脱离花粉壁 ,进入到营养细胞中 ,呈游离状态 ,并进行第 2 次有丝分裂形成两个细胞 ,即二
个精子。至此雄配子体便形成了 ,为一含有三细胞成熟花粉[1 ] 。随着小孢子的发生和雄配子
2 核　农　学　报 12 卷
体的形成 ,绒毡层细胞逐渐分泌释放出供小孢子、花粉发育的营养物质而逐渐解体 ,到三细胞
成熟花粉时 ,绒毡层细胞已完全解体。
(三)雄性细胞异常发育
在 CK3 和 SP3 谷子中 ,雄性细胞从孢原细胞到次生造孢细胞的发育均属正常 ,并无区别。
SP3 雄性细胞的异常发育是从小孢子母细胞时期开始的 ,其表现有如下几种类型 :11 小孢子母
细胞的细胞质收缩 ,并同核一起解体 ,不能进入减数分裂而退化 (图版 Ⅰ213) 。21 小孢子母细
胞体积增大很多 ,细胞内强烈液泡化 ,细胞核和核周围的细胞质明显收缩成一团 ,细胞的轮廓
很不明显 (图版 Ⅰ212 ,14) ,细胞壁和细胞质似有解体 ,但这种小孢子母细胞核还能进入减数分
裂期 ,形成染色体 (图版 Ⅱ215) ,并能进行减数分裂 (图版 Ⅱ216) ,但不能形成正常的二分体。
31 小孢子母细胞减数分裂正常 ,但形成的二分体发生异常 ,即在胼胝质中 ,二分体的两个细胞
发生强烈的液泡化 ,细胞质和核收缩成月牙形 (图版 Ⅱ217) 。41 二分体虽正常 ,但其形成的四
分体却发生异常 ,即四分体的每一个细胞内发生液泡化 ,细胞质薄 ,细胞的形状发生扭曲 ,呈不
规则月牙状 (图版 Ⅱ218) 。51 四分体的形成虽正常 ,但单核小孢子从四分体中释放出来后 ,经
一系列异常发育过程而成为败育退化的单核小孢子 (图版 Ⅱ219～25) 。首先 ,刚从四分体释放
出来的单核小孢子发生强烈液泡化 ,细胞质稀薄 ,细胞轮廓不明显 (图版 Ⅱ219) ,细胞质进一步
收缩在核周围 ,呈星状 ,细胞轮廓更加不明显 (图版 Ⅱ220) 。细胞质收缩 ,包围着细胞核 ,整个
小孢子呈半圆形和月牙形 ,细胞质似乎解体 (图版 Ⅱ221～23) 。嗣后 ,月牙形小孢子细胞质完
全解体 ,只有核还存在 (图版 Ⅱ224) ,最后 ,月牙形小孢子核解体 ,只剩下各种变形扭曲的空壳
小孢子 (图版 Ⅱ225) 。61 单核小孢子液泡期以前的雄配子体发育均正常 ,但到了单核液泡期 ,
小孢子体积虽增大许多 ,却不能进一步吸收营养物质 ,小孢子内的细胞质稀薄 ,并逐渐解体 ,只
留下一个小小的核 ,成为体积较大的空壳花粉粒 (图版 Ⅱ226) 。在 CK3 谷子中 ,少数小花的雄
性细胞发育异常 ,与 SP3 谷子雄性细胞异常发育的第 3、4 和第 6 种情况相同。上述雄性的细
胞异常发育的 6 种情况 ,均导致雄性细胞发育中途停止、退化 ,导致异常花粉粒的产生 ,从而导
致败育。
讨 论
11 谷子正常的和异常的小孢子发生和雄配子体的形成在 CK3 和 SP3 中均存在。但从
CK3 和 SP3 谷子花序的大量制片观察和统计来看 ,在 CK3 谷子的绝大多数小穗中 ,可育小花
的雄性细胞发育正常 ,只有少数小花的雄性细胞发育异常 (不足 10 %) ,且异常发育的情况只
有 3 种 ;而在 SP3 谷子中 ,雄性细胞正常发育和异常发育各占 50 % ,且异常发育的情况有 6
种。由此可见 ,SP3 谷子雄性细胞异常发育的情况及其比率远远高于 CK3 谷子 ,且由此引起的
败育程度也远远超过 CK3 谷子。
21 每一药室的个别花粉 ,或者一朵花中的个别花药 ,乃至一个花序中的个别小花发生败
育 ,这在自然界任何开花植物中均属正常现象。这种败育与环境条件以及栽培管理措施有
关[4 ] ,但平流层辐射与60Coγ射线一样 ,可以引起染色体的畸变是公认的[2 ] 。平流层辐射引起
的染色体畸变 ,以及 SP1 和 SP2 谷子细胞分裂过程中染色体的分离、重组等 ,可能是导致雄性
细胞发育异常的原因。
　　致谢 :姜国勇同志提供实验材料 ,谨此致谢。
3　1 期 平流层辐射 SP3 谷子雄性细胞发育的研究
图版 Ⅰ　正常小孢子发生和雄配子体形成的过程
Plate Ⅰ　Normol process of microsporogenesis and formation of male gametophyte (1～14)
　　11 孢原细胞、初生壁层细胞和初生造孢细胞 (横切) 。　21 孢原细胞 (纵切 ,下同) 。　31 初生造孢细胞。　41 次生
造孢细胞。　51 小孢子母细胞。　61 二分体。71 四分体。81 单核小孢子中央期。　91 单核小孢子液泡期。　101 单
核小孢子成熟期。　111 二细胞花粉。　121 小孢子母细胞强烈液泡化。　131 小孢子母细胞解体。　141 小孢子母细
胞质收缩。
11Archesporial cell ,primary parietal cell and primary sporogenous cell ( tranverse section) . 　21Archesporial cell ( vertical
section ,the same as follows) . 　31Primary sporogenous cells. 　41Secondary sporogenous cell. 　51Microspore mother cell. 　
61Dyad. 71Tetrad. 　81Stage of central nucleus microspore. 　91Stage of vacuolated microspore. 　101Stage of mature mi2
crospore. 　111Two2cell pollen. 　121Intense vacuolation of microspore mother cell. 　131Disintegration of microspore mother
cell. 　141Shrink of cytoplasm of microspore mother cell
4 核　农　学　报 12 卷
图版 Ⅱ　雄性细胞异常发育
Plate Ⅱ　Abnormal development of male cells(15～26)
151 收缩的小孢子母细胞中核进入减数分裂终变期。　161 收缩的小孢子母细胞质中核进入减数分裂末期。　171 二分
体液泡化。　181 四分体液泡化。　191 单核中央期小孢子细胞质液泡化。　201 单核中央期小孢子细胞质收缩。　
211 单核中央期小孢子细胞质开始解体。　221 单核中央期小孢子开始变形。　231 单核中央期小孢子呈月牙形和不规
则形状。　241 月牙形和不规则形小孢子细胞质完全解体。　251 月牙形和不规则形的败育小孢子。　261 单核液泡期
的小孢子细胞质完全解体。
151The nucleus in shrinking cytoplasm of microspore mother cell enters into diakinesis stage. 　161The nucleus in shrinking cy2
toplasm of microspore mother cell enters into telophase. 　171Vacuolated dyad. 　181Vacuolated tetrad. 　191Vacuolation of
cytoplasm at stage of central nucleus microspore. 　201Shrink of cytoplasm at stage of central nucleus microspore. 　
211Disintegration of cytoplasm at stage of central nucleus microspore. 　221Deformation of microspore at stage of central nucle2
us. 　231Crescent or irregular shape of microspore at stage of central nucleus. 　241Complete disintegration of cytoplasm of cres2
cent or irregular shape of microspore. 　251Abort microspore in crescent or irregular shape. 　261Complete disintegration of cy2
toplasm at stage of vacuolated microspore.
5　1 期 平流层辐射 SP3 谷子雄性细胞发育的研究
参 考 文 献
1 　山西农业科学院 1 中国谷子栽培学 1 北京 :农业出版社 ,1987 ,29～61 ,63～174
2 　刘存德 1 空间植物学研究现状及趋势 1 植物学通报 ,1991 ,6 (4) :1～5
3 　李杨汉 1 禾本科作物的形态与解剖 1 上海 :上海科学技术出版社 ,1979 ,379～394
4 　胡适宜 1 被子植物胚胎学 1 北京 :高等教育出版社 ,1985 ,53～54
5 　张松林等 1 谷子双受精过程的形态学和细胞学观察 1 西北植物学报 ,1992 ,12 (4) :259～265
6 　张松林等 1 谷子胚和胚乳的发育 1 西北植物学报 ,1994 ,14 (4) :249～254
7 　姜国勇等 1 大气平流层对谷子生长动态及性状变异的影响 1 中国农学通报 ,1995 ,11 (2) :17～20
8 　管延安等 1 谷子有性生殖过程的研究 1 Ⅰ夏谷受精作用的细胞学观察 1 作物学报 ,1992 ,18 (2) :157～160
STUDIES ON THE DEVELOPMENT OF MAL E CELLS OF THIRD GENERATION
OF THE STRATOSPHERE RADIATIVE MILL ET
Chu Qinggang 　Cao Yufang 　Xin Hua 　Zhang Xiufen
( L aiyang A gricult ural College , L aiyang 　265200)
ABSTRACT
The developmental process of male cells of millet( Seta ria italica) , the third generation of
the stratosphere radiative treatment SP3 and CK3 , was studied. The results show that the normal
process begins with archesporial cell and undergoes stages of primary and secondary sporogenous
cell ,microspore mother cell ,dyad ,tetrad ,central nucleus microspore ,vacuolated microspore ,ma2
ture microspore ,t wo2cell pollen and three2cell mature pollen. Among them , the formation of te2
trad belongs to successive type. The situation of abnormal development of male cells is as fol2
lows :microspore mother cell can’t enter into meiosis because of intense vacuolation , shrink and
disintegration of its cytoplasm;although vacuolated microspore mother cell can enter into meio2
sis , it can’t form normal dyad and degenerate in the middle process;dyad and tetrad become vac2
uolated and can’t develop normally;cytoplasm of microspore shrinks around the nucleus at the
stage of central nucleus microspore ,the shape of microspore is t wisted into crescent or irregular
shape ,at last its cytoplasm and nucleus are disintegrated and crescent vacant microspore pre2
sents;nutritive substances can’t be accumulated at the stage of vacuolated microspore ,cytoplasm
is disintegrated ,and microspore turns into a big vacant pollen. The ratio of abnormal develop2
ment of male cells of SP3 is as high as 50 %. This maybe relates to the treatment of space radia2
tion , which results in chromosomal aberration ,and also to the segregation and recombinatiom of
chromosome of SP1 and SP2 .
Key words :Millet ( Setaria italica (L . ) Beauv. ) , st ratosphere radiation , microsporogenesis ,
formation of male gametophyte ,abnormal development of male cell
6 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1998 ,12 (1) :1～6