全 文 ：热带亚热带植物学报 1998，6(4)：283—288
Journal of Tropical and Subtropical Botany
早发生胚水稻小孢子发生及花粉的萌发生长
许 生 粱承邺 叶秀麟 黎垣庆
，
_ I 一
— _ - ， — — — 一
陈泽濂 王学海 孙彩云
(中国科学院华南植物研究所，广州 510650)
／ ／
爱 、
摘要 实验结果表明，早发生胚水稻(PDER)品系小孢子的发生发育与常规水稻品种相同。常规I-KI
镜植显示其成熟花粉育性达87 4％．开花后，少量花粉在柱头上能正常萌发。并以短管形式进人柱
头．大部分花粉在柱头上发生了异常行为：不萌发花粉管，但排放出大量内容物；花粉管细小或畸
形；在柱头内或柱头外花粉管前端破裂；花粉管在柱头上绕行不进入柱头；花粉管在柱头内逆行生
长；花粉管进人柱头后又穿出柱头；花粉管壁上粘有颗粒或被有一层膜等． 文中就 PDER的来源讨论
了这些现象，并提出 萌败 这一新概念．
关键词 呈叁 墅 查煎；垄筮莛叁； 墨莹-
中圉分类号 O944．58
心 RoSPoRoGENESIS AND PoLLEN GERMINATIoN IN
PRE—DEVELoPED EMBRYo RICE
Xu Oiusheng Liang Chengye Ye Xiulin Li Yuanqing
Chen Zelian W ang Xuehai Sun Caiyun
( f^ China Institute of Botany．Academia Sinlca,Guangzhou 51065~
Abstract M ictospore development and polen germination in vivo in pre-developed embryo
rice OaDER)were observed using light and scanning electron microscope．The results showed
that the procedure of microspore development in PDER was the same as that in
conventiona1 rice strains．in which mature pollen grains were filied with starch grains．W hen
flowering，onty part of ma tu~ pollen could gerrmnate well and get into stigmatic tissue by
short tube，and most of them behaved abnormany：(1)Polen did not germinate，but
expeled mass of polen content from the germinal aperture．(2)Polen tube was very smal1．
(3)Polen tube sweled or broken outside or inside the stigma．(4)Pollen tube entered the
stigilia and then got out of it．(5)Polen tube crawled(twisted)at the sdgma fic surface．(61
Pollen tube was coated with pollen content．(7)Polen tube growth direction was reverse
inslde the stigma．These abnorma l phenomena were discussed ．
Key words Pre-developed embryo； Rice； Pollen germination； Germination abortion
自八十年代中后期至今，国内水稻无融合生殖研究十分活跃，并且先后报道了C1001．SAP．,
国家 自拣科学基金(39570050)和中国科学院重大项目(KZ951~I—lo1)资助．
1997-08-12收稿；1998-05-13任回
9
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热带亚热带植物学报 第 6卷
HDAR，PDER，CYAR20和TAR等无融合生殖材料[I,21。 其中，早发生胚水稻(PDER)品系
为华南植物研究所利用多苗水稻进行杂交并结台等离子注^技术处理选育到的具早发生胚性质的
水稻无融合生殖材料[31 我们已报道过此品系进行二倍体孢子生殖的胚囊形成过程，并提及其花
粉在桂头上萌发有异常现象 。 本文进一步报道对其小孢子发生及花粉萌发过程的显微及亚显
微水平的研究结果。
1材料和方法
实验材料为华南植物研究所实验田种植的早发生胚水稻PDER品系。(1)观察小孢子发生发
育的材料 自小孢子母细胞时期开始取样直到花粉成熟。 取新鲜花药用醋酸洋红染色压片或将花
药用 FAA固定后石蜡包埋切片观察。(2)花粉育性检查，用 I-K1染色方法，取 l2个视野观
察，统计典败、圆败和染败的百分数。(3)研究花粉萌发行为的材料， 自开花传粉后 3 rain开始
到 5 h为止共取样 8次。 方法是：开花时做记号，然后于不同时间摘下颖花放人 4％ 戊二醛中
进行前固定，4℃ 过夜，再用 1％ 锇酸做后固定，4℃ 过夜，后经系列酒精脱水，临界点干
燥，离子渡膜等程序处理。 用 日产 JsM．300扫描电镜观察并拍照。 每份样品 l0—20朵颖
花，早晚造各进行一次。 同时在相同时间取 5一l0朵颖花用 FAA固定，整体染色透明，染液
为铁矾苏木精或希夫试剂[61。 材料用中性树胶封片后在光学显微镜下观察。 此外，部分用戊二
醛和锇酸双固定的样品也被用来做为光学显微镜观察的材料。 用做对照的实验材料是常规水稻
品种测 64。
2 实验结果
2．1 花粉的发育
光学显微镜观察结果表明，PDER品系小孢子的发生发育与常规水稻品种测64相同，都由
小孢子母细胞开始经过第一次减数分裂形成二分体(图版 I：l一3)，二分体的每一个细胞再分裂
一 次而形成四分体(图版 I：4)。 从四分体分开后的每个小孢子经过单核、双桉到三核的发育过
程成为成熟花粉(图版 I：5)。 用 I-KI镜检显示：测 64的花粉育性达 95．6％；PDER品系的花粉
87．4％染色正常，为成熟饱满并充满淀粉粒的圆形花粉，只有少量花粉败育，包括 5．3％ 为典
败、1．9％ 为圆败和 5．4％ 为染败。
2．1 花粉在柱头上的萌发行为
PDER品系和测 64相同，花药散粉后，花粉粒几乎可以在雌蕊的任何位置：包括子房、花
柱及柱头表面上萌发．但并不是同时萌发出花粉管，而是有快有慢，最快者约开花后 5 rain花粉
管就从萌发孔伸出。 此后，不断有花粉管萌发，在开花后 50 rain有的花粉才萌发。 严重皱缩
和凹陷的花粉一般不能萌发花粉管。 然而对PDER来说，有些外表圆精饱满 的花粉粒在开花
5 h仍不萌发。 因而开花后一段时间内，柱头上的花粉形态各异，有的仍呈圆球形，有的凹陷
皱缩呈不规则形(图版 I：12，13)。 花粉管生长一段时间后就发生萎缩(图版II：18)． 一般萌发孔
盖不脱落，并且不管花粉管的生长情况如何， 它都连在萌发孔边缘，位于花粉管基部的一侧
(图版 I：l5；图版 II：1 8，23，26，29，30)。
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第 4期 许微生等：早发生胚水稻小孢子发生及花粉的萌发生长 285
花粉管从柱头进入的地方可 是柱头的基部、 中间和柱头分枝的顶端。 其进入位置是横向
排列或上下排列的两个柱头细胞间的细胞壁处(图版 I：14，15)，也观察到花粉管挤开柱头分枝顶端
的两个细胞而进入柱头。 在进入柱头处，花粉管与柱头细胞间的结台非常紧密(图版 Tl：16，19)。
与测64不同的是，PDER只有少量的花粉管能以短管形式直接进入柱头(图版I：l4，15；图版Ⅱ：l6，
31)。多数花粉管并不以短管形式进入柱头，它们或爬行于花粉粒上 (图版 I：13：图版 Ⅱ：
17)，或是旋绕于柱头羽状分枝上，然后进入柱头或迟迟不进入柱头(图版lift7，21，24)，这与我们
曾报道的相同 。 有的花粉管进入柱头后在柱头内逆行生长，即从近子房端进入柱头然后向柱头
分枝顶端方向生长，有的花粉管甚至从柱头分枝的一侧进入，从另一侧破柱头分枝而出，然后
又进入柱头或不进入柱头 (图版I：7，9； 图版 1：22)。还有的花粉管在未进入柱头之前其前端就发
生膨大．不能进入柱头(图版 1：8)，或在柱头内并不能正常生长，它们的前端常发生膨大或破
裂(图版 I：6)。 花粉管生长的另一异常现象是，花粉管细小，其前端也发生破裂 (图版 II：
23)。 这些异常的花粉管都不能进入子房到达胚囊。
在光学显微镜下观察 PDER的受粉柱头，常见有些花粉的周围或与柱头羽状分枝相接触处有
一 些粘液状的物质，这些物质或成团出现．或分散存在，它们内部含有颗粒 (图版 I：1O，11)。
在 PAS反应染色整体封片标本上，颗粒呈暗紫红色，其大小和形态都与花粉粒内大量存在的颗
粒一致。 而用锇酸固定的材料，颗粒不被染成黑色。 对测 64的观察也发现相同现象．但较少
见。
在扫描电镜下对PDER的受粉柱头进行观察，我们发现这些带有颗粒的粘液状物质是从花
粉的萌发孔处排出来的内容物(图版11：28)。 内容物从形态上基本可分为二类，一类是无定形
的，可为片状、膜状或絮状的基质；一类是大小不一，但形状较为一致的颗粒。颗粒最大者长
达 4 m，宽达 1．6 m；小的长约2 m，宽约 1 m。 从形状、大小 和染色反 应可以断定，
这些颗粒实质上为花粉的淀粉粒。有时数个花粉排出的内容物融汇在一起，充填于花粉之间或
花粉与柱头之间的空隙(图版 I：13；图版 Tl：l8。23—25)，同时可见另一些花粉的花粉管在这些
排出物内部生长(图版II：24)。 有趣的是，外表圆滑饱满的花粉粒并不一定能萌发出正常的花
粉管，从萌发孔出来的可能是散开的或布袋状的花粉内容物(图版 I1：26，28)；而皱缩的花粉也
并不一定是柱头上流出的花粉内容物的来源，有些外壁皱缩的花粉粒其周围布满内容物，但其
自身的萌发孔盖仍完好地盖在孔口(图版 11：27)。 在测 64的样品上也观察到有的柱头上存在少
量花粉内容物。
刚从花粉萌发出来不久的多数花粉管比较饱满，其表面比较干净， 倍数较大时还能见网格
状的花纹(图版II：16，19)。不过PDER品系有少数的花粉管表面覆盖一层膜，膜上还分布一些
颗粒，萌发孔盖在此层膜之外(图版1／：29)。有少数花粉管的表面则没有膜覆盖，但布满密集的
颗粒，萌发孔盖也位于颗粒之外 (图版11：30，31)。 很明显，花粉管外所披包膜和颗粒是随花粉
管的生长从花粉粒内部带出来的花粉内容物。
3 讨论
目前仍没有水稻花粉萌发行为的专门研究报道，虽然徐是雄等[71曾对水稻花粉在柱头上的萌
发做过观察，在他们的图片中也显示一些颗粒状物质分布在柱头上，但他们没有加以说明。本
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热带亚热带植物学报 第 6卷
研究观察到的特殊现象：1．花粉管不萌发而排出内容物；2．花粉管逆向生长和进人柱头后又穿破
柱头而出；3．花粉管上披带颗粒等现象在水稻中都属首次报道．这些现象的发现对研究花粉与
柱头的相互作用增添了新的内容。
常规 I-KI染色检查结果表明，PDER品系的花粉育性达 87％ 以上，而落在柱头上的花粉
大部分发生了异常行为，包括花粉萌发、花粉管形态和行为的异常等。 而且有些外表皱缩的花
粉并不排出内容物，反而有些外表圆滑的花粉不萌发花粉管而排出内容物。 它说明花粉育性检
查与花粉的实际萌发能力存在较大差异。 由此看来，I．KI检验花粉育性的方法至少对 PDER 品
系是不合适的。 据记载，杂交小麦无生活力的花粉与正常的成熟花粉同样易于染色，而橡树花
粉染色很差，但却具高生活力目． 最近，李 白超等 对 I-KI溶液鉴别水稻花粉育性的可行
性做了专门研究，他们指出，在籼粳交后代中，用I-KI溶液来检验花粉的育性 的可靠性较
低，很可能反映不出花粉生活力的真实情况。 这些事实支持了用染色反应来检验花粉的生活力
一 般很不正确的观点"Ol。 且前，科研和生产上对水稻花粉育性的常规检验方法是 I-KI染色
法，并且根据小孢子发育的程度和染色反应的结果，把小孢子 的败育分成典败、 圆败和染
败【】”． 从本实验的结果看，育性检查结果为正常的花粉在柱头上萌发时可发生异常，我们建议
把这种现象称为 萌发败育 (简称 萌败 )，并做为检验花粉生活力的一个指标。
PDER品系是利用等离子注人技术处理双苗水稻与籼稻和粳稻杂交后代的种子，然后经数
代选育所得的水稻无融合生殖材料pl。 小孢子发生发育的石蜡制片观察和 常规 I-KI镜检表
明，它的小孢子能正常地发育为成熟的花粉，但相当比例的花粉却不能在柱头上正常地萌发或
花粉管行为异常，这就从形态学及胚胎学方面暗示：经等离子注人处理的种子可能发生了某种
或某些遗传因素的变异或破坏，导致花粉或柱头或两者的代谢功能紊乱． 因而花粉落在柱头上
之后不能正常地识别，并发生了一系列的异常表现一 自交不亲和 现象。 Brewbakerr嘲总结
认为，被子植物开花时，花粉的发育程度可分成两类，二核花粉和三核花粉。二核花粉在不亲
和的柱头上萌发时，花粉管趋向于在柱头中受抑制，而三核花粉则偏于在柱头表面受抑制． 水
稻成熟花粉属三核型，PDER品系花粉管生长受抑制的现象兼有二核花粉的特征．
参考文献
1 谭蕞．郭学兴，孔繁伦．遗传背景对水稻无融台生殖材料 C1001无融台结籽频率影响的韧步研究 ．#建兴主编．作
物育种与育种新技术 ．北京：科学出版社．1995，1Ig一122
2 刘永胜．孙敬三．从水稻同源三倍体中鉴定出无融合生殖种质TAR．植物学报． 1996．38(11)：917—920
3 黎垣庆t叶秀媾， 阵泽穰等．水稻无融台生殖材料PDER选育的初步研究 ．杂交水稻，l995．(4)：6—8
4 叶秀辟，踪泽凛．黎垣庆．水稻 PD职 品系的特点和二倍体孢子生殖胚囊的形成和发育． 热带亚 热带 植物学报．
1995．3(3)：36-42
5 许秋生，叶秀辟，黎垣庆等．早发生胚水稻PDER品系的近期研究进展．中国学术期刊文摘《科技快报)，1997．3(7)：
887—888
6 孙敬三．钱迎情．植物细胞学研究方法．北京：科学出版社． 1987．134—137
7 徐是雄．榇雪宾等．稻的形态与解剖．北京：农业出版社．1984．138—143
g Stanley R G，Linkem H F．Polen：Biology,Biochemistry．Management．Sprlnger-Verlag
， 1974，67-86
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第 4期 许秋生等：早发生肛水稻小孢子发生及花粉的萌发生长 287
9 李自超
10 胡适宜
1I 棘错华
79—85
王象坤，库尔班．I-KI溶液鉴别水稻花粉育性可行性．北京丧业大学学报．1993，19f41：109—110
被子植物胚胎学 北京：高等教育出版社．1982，56—58
水稻 红莲·华矮 l5 不育系厦其保持系的花粉发育细胞学观察．武祝大学学报(自然科学版)， 1979，0)：
12 Bmwbakcr J L，Majumder S CuBxtral studies of the polen population efect and the self-compatibility inh~ition
Ax／le~J Bot，1961．48：457-464
图版说明
囤版I
图 1—5．石蜡切片．示PDER品蕞小孢子的发生发育过程． 1×500； 2-4 ×600； 5．x 300
1．小孢子母细胞时期；2第一次减数分裂中期；3第二收藏散分裂后期 (-分体)；4．四分体 5．成熟花粉粒．
图 6一I1，整体染色透明制片，示 PDER品系花粉萌发的异常行为．6—10 x 300； 11．x 550
6在柱头中花粉管前端破裂(楔形)； 7花粉管在柱头组织中逆行生长(楔形)；8花糟臂前端眵大 (楔形)．不瞎进人柱
头；9．花粉瞥从柱头分枝的右边进人，I}!l后从左边穿出(楔形)： 10花粉捧出大量内容物(楔形)； I1．花粉排出大量淀粉颗
粒分散于柱头上(楔形)，
图 12一l5， 扫描电子显嫩镜腻片．示 PDER品幕花粉在柱头上的分布及花糟管进人柱头的情形．
12．开花 5 h后的柱头，示花粉在柱头上的分布， 注意有的花糟仍没有发生皱缩(箭头)，×75； 13．开花 10 rain后柱头上
花粉的萌发状况． 有的花糟管已经进人柱头(箭头)． 注意花粉捧出的含淀粉粒的大量内容物 (攥形)，×500； 14．花粉管以
短瞥形式从左右并排的两个细胞阃进人柱头，川 750； 15花粉瞥以短管形式从上下捧列的两个细胞问进人柱头， 攥形示孔
盖，x1 000．
翻版 Ⅱ
扫描电镜厢片．示 PDER品系花粉在柱头上萌发的各种现象．
16花糟昔从柱头顶分技硬端挤开相邻的细胞进人柱头． 注意花粉管与柱头细胞结合紧密(楔形)，×1 000； 17花粉管不
是在尊萌发孔最近的地方进人柱头，而是绕行到花粉的另一侧才进人柱头(楔形)，x750； 18．花粉和花糟管已经萎缩，但萌
显孔董仍激脱落(楔形)．左下方为大量花糟内容物(箭头)，x2 500； 19花糟管从柱头分枝的顶靖进人柱头组织． 注意花粉
昔在进人柱头处发生了膨太(攥形)，xI 750； 20已进人柱头的花粉臂支掉起花粉牡，x730； 21
．
一 花糟 瞥在柱头 分枝 的 近
嘎端处扭转了 180 (攥形)，x 750； 22花粉瞥从柱头分枝穿出，其前靖仍完好(攥形)，xSO0； 23．花粉管细小，其前端已
破开(箭头)，一些桔稠状物连在花糟上(攥形)，x1 750； 24．花糟管 行近 50,am仍不进人柱头，一些花糟内容暂盖在花
糟昔上，x1 000； 25．位于柱头分技顶端的花粉排出大量内容物． 注意花糟外壁并不强烈皱绾，xl 000； 26
． 饱礴圆滑的花粉
粒从萌发孔沆出内窖物，萌发孔盏仍在孔口处(攥形)，×i 750；27．皱绾的花粉．洼童萌发孔苴仍稳盖孔口(攥形)，花粉下
方有来 自其它花糟的内窖物，x1 000；28．饱满圆滑的花粉从葫发孔 (攥形)排出大量内容暂，x1000； 29
． 花糟管外有一层皱
绾的膜t膜上有一些囊牡 (箭头)，萌发孔盖位于膜的外懂I(攥形)，x2 500； 30花粉昔外有密布的颗粒 (箭头)，萌发孔盖位
于囊牡之外(攥形)，xi 750； 31．外壁市满籁牡的花糟管以短管形式从相邻的四个柱头细胞问(楔形)进人柱头，×1 750，
Explanation of plates
Plate I
Fig·1—5．Parafin section，showing the microspo m development of PDER 1 x 500； 2-4
．x f~00； 5．x 300
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288 热带亚热带植物学报 第 6卷
I M icrosporocytcs；2 Minrospo rocytes at metaphese of meiosis I．3．Diad at aliaphase of meiosis II；4 Tetrad；5
M ature polka gmins
Fig．6一I1 Wholy mounted PDER stigma．showing abnormal behavior of polen germination 6一lO．x300；Il_× 550
6 Tip of pogen tube broken inside the stigma(wedge)；7 The direction of the growing polen tube was l,eSeyv~
insidethe stigma branch(wedge)；8．Sweling atthe end ofpolen tube(wedge)；9．Polentube gotinto the stigma at one
side and then got out of it from the other side fwedge)；1D Exudate of polen grain(wedge)；I1 Lots of starch gmins
(wedge)from polen dispersed atthe stigmatic suffice
F 12— 15．Photographs of scanning deetron microscope ．showing pollen distribution and po len tube growth on the
stigma of PDER
12．State and distribution of po len gmins at the stigma atier 5 h offlowering Nots some po len grains were stil spherical
(arrows)，x75；13．Polen tube got into the stigma(arro ，and lots of s~rch grains at the stigma and on polen surface
were o b~rved (wedges)，x 500；14 Polen tube pen~mted the stigma between two paralel stigma tic cels，x 1 750；
15 Pollen tube penetrated the stigma betwe en two up and down arranged stigmatic cels Note germinal 1 (we dge)at
one side of the tube base．×1000
Hak II
Ph otographs of scanning electron micro sco pe ，showing po len germination in PDER
16．Polen tube entered stigma at the tip of stigrna branch Note po len tube was closely engaged to stigmatic ce ls
(wedge)．×1 oo0；I7．Polen tube entsred the stigma not at the nearest side，of the germinal aperture，it crawled to the
other side of the polen and wbere it got into the stigma(wedge)．×750；18．Pollen and polen tube had shriveled
after 3．5 h offlowering．Nots germinal lid fwedge)rema ined atthe edge of germinal aperture andmass ofpolen exudate
at the lower4eft side of the picture(alTO ，x 2 500；19 Polen tube expanded and entered the stigma (wedge)，×I 750；
20 Pollen grain wag pm ppe d up by its owTt po llen tube，x 750；21．Po len tube took a big tRrn at the surface of stigma
(wedge)．x750；22 Polen tube got out of the stigma(wedge)．x 500；23．Smal polen tube．Note that it had broken
(afrow)and some sticky material adhered to the polen surface(wedge)，×1 750；24．Polen tube twistsd at the stigmatic
surface Note soYl~polen exudatss covering the polen tube，x1 000；25 One polen grain and its exudate at the邱 of
stigma branch．Note most of the exudats were starch grains，x1 000；26 Polen co ntent streamed down from its germinal
aperture Nots the polen was stil spherical，and the germinal瑚 1聪s stil at the aperture(wedge)．x 1 750；27 Not
genninated pollen yam Note germ inal 1 (wedge1 stil covered the germinal aperture and polen exudate from other
polen was underneath it，x1000；28．Pollen content exudated from germinal apertt~ (arm w1 Nots polen shape was still
spherical x 1 000；29 Polen tube was covered with a layer of coat on which some grains appeared (arrow) Nots
germ inal lid(wedge)was outside the coat,x 2 500；30 Polen tube covered with lots of grains(afro ．Note the position of
the germinal lid was stil at the base ofpollen tube(wedge)．×1 750；31．Polen tube covered with lots ofgrains Nots the
position(wedge)where polen tube got into the stigma．×1 750．
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