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CYTOCHEMISTRY OF ANTHER AND MICROSPORE DEVELOPMENT IN PHOTO-/THERMO-SENSITIVE GENIC MALE-STERILE RICE

光(温)敏核不育水稻花药和小孢子发生的细胞化学



全 文 :热带亚热带植物学报 , 一
光 温 敏核不育水稻花药和小抱子发生的细胞化学
梅建峰 许秋生 梁承邺 陈宝源 陈建通
中国科学院华南植物研究所 , 广州
摘要 利用细胞化学方法 , 对光 温 敏核不育水稻农垦 和 的花药和小抱子发生过程的观察
结果表明 , 在可育条件下 , 其花药组织和小抱子发生过程不论形态结构还是细胞化学变化都基本一致
。 小
抱子母细胞时期的药隔薄壁组织

药壁中层及药室内壁中分布了一些多糖颗粒 , 但到进人减数分裂时多
糖颗粒基本消失

绒毡层在解体前一直富含细胞质 , 从染色反应看 , 它表现为小抱子母细胞时期的蛋白
质向减数分裂开始后的多糖物质的转变过程

在不育条件下 , 农垦 在小抱子母细胞时期就出现异常 ,
其败育时间比 巧 要稍早一些

两者最后都表现为典败 , 但 的花药壁解体较为彻底 , 只剩
下干皱的表皮和药室内壁 , 而农垦 的花药壁还有多层细胞结构

关键词 雄性不育水稻 花药 小抱子 细胞化学
一 名

从刀‘ , 次 ,妙 ,
,
而 一 弓 ‘
,
,
,
,
一 一 收稿 一 一 修回
第 期 梅建峰等 光 温 敏核不育水稻花药和小抱子发生的细胞化学
而 ,
, 而
,
, ,
,
一 而
光 敏 核不育水稻的发现 , 吸引了许多科研工作者的兴趣 , 人们从不同角度探讨造成这种水稻
小抱子败育的机理 , 在遗传
、 生理生化及细胞形态结构等方面已积累了不少研究资料

其中细胞
形态结构方面有关小抱子发育的显微和亚显微水平的观察也 已有一些报道【, 一 司, 但结果不尽一致 ,
特别在小抱子发育的细胞组织化学方面还缺少系统的研究

本文初步报道这方面的实验结果

材料与方法
试验材料为农垦 和 , 取 自华南植物研究所实验田分期播种材料和人工气候箱控
光温培养的材料 , 旨在取得可靠的可育与不育两类试材
。 取样时用碱性品红进行压片检查 以确定
小袍子发育时期 , 然后将相应花药用 戊二醛和 饿酸进行双 固定 , 环 氧树脂
包埋 , 以 一 衫 厚度行半薄切片 切片用 反应进行单染以及 、 苏丹黑
、 考 马斯亮蓝
三重染色进行复染门 , 以此分步及同时显示细胞 内多糖

脂类和蛋 白质的分布与消长规律

观察结果
小抱子母细胞时期
农垦 和 的花药在这一时期不论在可育还是不育条件下 , 它们的细胞组织结构
和物质变化是一致的 发育早期阶段 , 可见花药壁 由四层细胞组成 , 由外往里分别是表皮层


室内壁

中层和绒毡层 图版 一

此时的药室 内壁
、 中层和与药隔相邻的薄壁细胞中有一些
多糖颗粒出现 , 但少见绒毡层 中有多糖物质的分布 , 而是充满 了蛋 白质类物质 图版 ,
。 同
样也少见小抱子母细胞 中有多糖化合物颗粒出现 , 而只是有少量脂质颗粒 图版
。 随着小抱
子母细胞的发育 , 药壁组织及小抱子母细胞内的物质发生了明显的变化 , 特别是绒毡层 , 到小抱
子母细胞进人减数分裂时 , 其细胞中原来含有的丰富的蛋 白质类物质已基本消失 , 而充满了多糖
物质 , 小抱子母细胞也有较明显的多糖物质出现

值得注意的是在农垦 的不育花药中 , 已经
出现畸形小抱子母细胞或小抱子母细胞呈管状紧贴于绒毡层的内切 向壁 图版 ,

减数分裂时期
从减数分裂开始到四分体形成 , 的可育花药和不育花药以及农垦 的可育花药还
未显示 出较大差异 , 它们的花药壁仍由四层细胞组成 , 组织内的物质类型和分布也与刚进人减数
分裂时的状况 比较一致

但花药组织除绒毡层富含多糖外 , 其它组成成分的多糖颗粒基本消失 , 药
热带亚热带植物学报 第 卷
室 内的二分体及 四分体与绒毡层相 同也被 反应而成深红色
。 一些脂滴分布在 二分体细胞 内
图版 , 。 虽然 , 小袍子都经过二分体到 四分休的 阶段 , 但农垦 的不育花药在二分体阶
段常常出现不均等的二分体 , 即二分体中的一个细胞内含物丰富 , 充满多糖物质 , 而另一个细胞
内则只有稀疏细胞质或甚至呈没有 内含物的空细胞状 图版

花粉发育时期
自小抱子从四分体分离开始 , 即进人花粉发育时期
。 此时农垦 和 的可育花药壁
组织及小袍子细胞内的多糖物质随着 四分体的分离

膨胀而逐渐减少直至 消失 到单核靠边期 ,
绒毡层 已变得厚薄不均 , 在有小抱子附着的区域 , 绒毡层细胞被消耗而变得很薄 没有小抱子 附
着的区域 , 绒毡层细胞仍有一定的形态结构 图版

此时在绒毡层 中能观察到 的是一 些小 的
脂肪颗粒 , 然而药室 内壁和中层仍没有退化迹象
。 随着小抱子的继续发育和绒毡层 的退化解体 ,
小抱子 内逐渐积累多糖物质一 淀粉粒

到花粉成熟时 , 花药壁 只 剩 下干缩 的表皮层和 已变得不
完整的药室 内壁 , 而 中层基本 消失 , 绒毡层则完全 消失 , 花粉粒充满淀粉粒 图版

此外 ,
在成熟花粉粒内 , 有少量被染成黑色的脂质小体 图版 周一兵曾观察到这一现象
不育花药到 四分体分离
、 增大时 , 花药组织及小抱子内的多糖物质减少并逐步消失 ,
此时中层及药室内壁开始发生退化 , 这与可育花药的中层及药室内壁 的退化时 间是 明显不 同的
绒毡层也发生明显退化 , 但切 面上仍呈一个完整的圆环 , 环内出现了一些小的脂滴物质 图版
随着小抱子的进一步发育 , 体积增加 , 到接近单核靠边期 , 药室 内壁 已不完整 , 中层基本
解体 , 绒毡层变得残缺不全 , 或只在部分区域剩下被消化后没有 内含物的细胞残迹 , 小抱子 内则
出现了少量脂质小体 图版

此时小抱子 已走向败育 , 最后在败育 的花药组织 中只存有皱
缩的表皮和药室 内壁及干瘪不规则的小抱子残壳 图版

农垦 不育花药到 四分体分离后 , 小抱子开始增大时 , 绒毡层和小抱子中已没有能被
反应着色的多糖物质

此时小抱子走向败育 , 但与 不 同的是 中层和药室 内壁 细胞结构
还相 当完整

随着败育的进行 , 绒毡层细胞壁完全解体 , 其细胞 内含 物 释放 到 药 室 内 图版

直到小抱子完全败育 , 绒毡层仍有一些细胞残留物 , 中层细胞解体不彻底 , 甚至 与药室 内
壁一样仍保持得相 当完整 图版 , 。
讨论
农垦 和 在各 自可育的条件下 , 小袍 子 的发生发育虽然是 一致的 , 但它们 的不
育株小抱子的败育过程则表现了明显差异
。 首先从败育时期看 , 比农垦 来得稍迟些 ,
主要发生在单核中位后期 , 即接近单核靠边期 , 而农垦 则主要发生在单核中位早期

这结果
与梁承邺等问 的观察结果基本上是一致的 农垦 的花药败育不只 比 稍早 , 而且败育
过程也较为复杂 , 比如在小抱子母细胞阶段就显示 了一些异常现象 虽然我们没有观察到农垦
在减数分裂时的偶线期和粗线期出现花粉母细胞粘连
、 细胞结构混乱和品字形及直线形的异常四
分体 , 也没有观察到花粉母细胞时期绒毡层的解体 ,
, 但我们的实验结果进一步说明了农垦
败育过程 的多样性和复杂性

其次 , 虽然农垦 和 败育的最终表现为典败 , 但两者药壁 的退化 与解体在 时 间
第 期 梅建峰等 光 温 敏核不育水稻花药和小抱子发生的细胞化学
和程度上都不 同 的 中层和药室 内壁在小抱子从四分体分离

膨大时已经出现退化现象 ,
而农垦 的中层和药室 内壁在绒毡层全面解体时仍保持完整 的细胞结构

最后在完全败育的
情形下 , 的药壁只剩

皱缩的表皮和部药室 内壁 , 而农垦 则还含有多层药壁组织 ,
连绒毡层也没有全部消失
。 由此可见 与农垦 在败育发生时期

花药组织 的败育 程
度等方面都存在差异

在光 敏 核不育水稻农垦 花药的研究中 , 有人观察到其绒毡层在长日照下抖咧整齐不解体
,
在短 日照下解休而消失 也有人观察到其绒毡层增生和不解休现象 习 张 自国等 ’和孙俊等
则观察到不育株花药壁 的中层细胞在花粉发育过程中没有及时被消化利用 , 绒毡层细胞消化较晚 ,
到花药成熟时仍可见细胞形状 , 处于半消化状态

在这方面 , 本实验与他们的结果基本上是一致
的 。 在农垦 药壁退化解休的时间性问题上 , 王台等川 观察到农垦 的可育花药与败育花药
绒毡层的内切向壁在减数分裂期就发生了解体 , 细胞开始彼此分离
。 田 惠桥等卜’则报道 了可育
花药的绒毡层 内切 向壁在花粉单核中位期 已 消失 , 而到单核靠边期 , 这 消失 的细胞壁又 重新合
成 但不育花药绒毡层的内切 向壁到单核靠边期仍未恢复成完整的细 胞 壁 本 实验 没 有观 察到
类似现象
。 王台等川 还观察到农垦 的可育花药中层细胞在减数分裂时就开始解体 , 到单核晚
期儿乎全部解体 这 与我们的结果存在 较大差异
。 有趣 的是对农垦 花药维管组织 的研究 ,
田惠桥等 ’】的结果与张 自国等 ’和王台等川 的结果也存在较大差异 因此 , 我们认为这正如光周
期条件的变化可以诱导农垦 产生典败
、 圆败和染败各种不育类型的花粉 一样 , 实验条件
可能包括光照长短

光质及温度高低等 的变化同样可以诱导可育或败育的花药壁在解体时间和
方式等方面出现多种类型
关 于 植 物雄性 不 育的 细 胞化 学 研 究 , 等 对 小 麦 花 药 的 实 验 结 果 认 为 由于 维
管束组织的发育不 良 , 减少 了运人花药中的溶质 , 导致绒毡层 中淀粉粒 的形成减少
。 在水稻 三
系的研究中 , 已有不少关于不育系花丝或药隔维管束组织发育差而影 响了物质运输的报道【,
, ’代
对农垦 不育花药的研究也发现其药隔维管束发育比可育花药的差 , ” 不过从本实验的结果
看来 , 败育花药与可育花药中的物质分布和转化在小袍子从四分体分离以前是一致的 , 即能同样
进行多糖物质的积累 , 而且与可育株相 比 , 不育株花药绒毡层中多糖的含量并不少 因此 , 在 四
分体分离前 , 药隔中输导组织发育差异对育性的影响似乎未能表现出来 事实上 , 小抱子发育到
单核晚期 , 细胞体积比刚从四分体分离出来时要增大数倍 , 而且由单核到二核到三核的分裂活动
和大量营养物质的积累过程 中 , 都需要源源不断的物质供应 中山大学生物系遗传组等 利用
同位素对水稻三系雄性不育的几个类型的研究结果表明 , 物质代谢障碍主要发生在中花与老花阶
段 , 即发生于小抱子从四分体分离之后 因此 , 我们认为药隔维管组织发育不 良对小抱子败育的
影响应该主要发生于小抱子从四分休分离之后

参考文献
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刘利华 周天理 水稻雄性不育系及其保持系雄蕊维管组织超微结构观察 华南农业大学学报 , , 增刊 一
图版说明
图版
图 一 表示可育条件下花药及小抱子的发育
农垦 小抱子母细胞时期 , 反应 , 示多糖颗粒 楔形 的分布及不被 反应着色的绒毡层
小抱子母细胞时期 , 反应 , 以负片更清楚地显示多糖 明亮部分 及花药壁的 层结构 注意 小 抱 子 母 细
胞中的亮点为蛋白质
农垦 小抱子母细胞进行减数分裂前时期 三重染色 , 示较易被染成蓝色的绒毡层和小抱子母细胞中的少量脂质颗粒
箭头 及药壁中的多搪顺粒 楔形
二分体时期 , 反应 , 示被染得较深的绒毡层和二分体 二分体中可见少量脂滴 箭头
农垦 四分体时期 , 反应 , 以负片清楚地显示多糖 明亮部分 的分布
单核靠边期 , 产名 反应 绒毡层处于解体状态
农垦 的成熟花粉 , 反应
的成熟花粉 三重染色 , 注意花粉中有脂质小体 箭头
图版
图 一 表示败育条件下花药及小抱子的发育
农垦 小抱子母细胞时期 反应 , 示小抱子母细胞的形状及多糖颗粒 楔形
农垦 小抱子母细胞时期 , 反应 , 小抱子母细胞附于绒毡层内壁
。 注意药壁中存在多糖颗粒 楔形 而小抱子
母细胞出现蛋白颗粒 箭头
第 期 梅建峰等 光 温 敏核不育水稻花药和小抱子发生的细胞化学
农垦 二分休时期 , 反应 , 示二分休中的一个细胞胞质稀疏
单核中位期 , 反应 示解体中的环状绒毡层及其中出现的许多小脂滴 箭头
单核靠边期 , 三重染色 , 示绒毡层近于完全消失 , 中层也将完全解体 , 败育的小抱子出现一些脂质小休 箭失
农垦 小抱子 已败育 , 反应 , 注意解体中的绒毡层及完好的中层和药室 内壁
农垦 的败育花药 , 染色 , 示少量绒毡层残存物 箭头

部分未被消化的中层和尚较完整的药室内壁
农垦 的败育花药 , 三重染色 , 示典败花粉及仍有完整细胞结构的中层和药室内壁
的败育花药 , 反 应 示典败花粉及解休较为彻底的花药壁
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