全 文 ：武汉植物学研究 2002, 20( 4) : 308～310
Journal of Wuhan Botanical Research
水稻雄性不育系花药微量热分析
魏 磊1 丁 毅1 刘 义2 余金洪1
( 1.武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉 430072; 2.武汉大学化学与环境科学学院化学系热化室, 武汉 430072)
摘 要: 采用 LKB2277 生物活性检测器, 对核-质互作雄性不育水稻不育系紫稻 A、野败型不育系珍汕 97A、红莲
型不育系红莲粤泰 A 和马协型不育系马协 A 等 4 个不育系以及 1 个保持系紫稻 B 的花药进行了 37℃条件下等温
呼吸曲线的测定。微量热分析结果表明,每一不育系都具有一特征曲线, 等温曲线的幅度高低和走势与花药中花粉
粒的败育程度呈正相关, 这与我们的细胞学观察结果相一致。以紫稻 A 败育最彻底 ,其呼吸曲线幅度最低, 能量代
谢最不活跃; 余者呼吸曲线幅度递增,依次为珍汕 97A、马协 A 和红莲粤泰 A, 最后为紫稻保持系 B。
关键词: 微量热分析; 水稻雄性不育; 花药; 花粉败育; 等温曲线
中图分类号: Q947. 5; S511 文献标识码: A 文章编号: 1000-470X ( 2002) 04-0308-03
Microcalorimetric Analysis of Anthers of
Male Sterile Rice Sterile Line
WEI Lei1, DING Yi1 , L IU Yi2 , YU Jin-Hong1
( 1. K ey Laboratory of MOE f or P lant Dev elopmental B iology , Wuhan Univ ersity , Wuh an 430072, China;
2. Col leg e of Chemistry and E nv ironment S cience , Wuhan Univ er si ty, Wuh an 430072, China)
Abstract: Using the LKB-2277 bioact ivity monitor , five iso-thermal curves o f anthers including
four rice CM S( cytoplasm male sterile) l ines Purple rice A, Zhenshan 97 A, Hong lian Yuetai A
and M ax ie A and one maintainer Purple r ice B were obtained at 37℃. T he results indicated that
ever y curve had its char acter w hich was direct ly correlat iv e to the deg ree of pol len abo rt ion and
consistent w ith the cytolo gic analysis, eg. , the numerical value of Purple rice A anthers curv e is
minimum and the anthers metabolize act iv ity is the w eakest cor responding ly, and so are the o th-
er s. This is a new method that can be used in qualitat ive and quant itat ive analy sis of rice male
sterility .
Key words : M icrocalorimetric analy sis; Rice; M ale sterile; Anther ; Pollen abo rtion; Isothermal
curve
杂交水稻在我国广泛推广栽培,为我国的粮食
生产做出了巨大的贡献。雄性不育是生产杂交种子
的基础[ 1] ,而雄性不育系花粉败育是否彻底直接决
定了杂交种子是否纯净,可能影响农作物的产量。目
前,对于雄性不育系的研究大多采用细胞学鉴别、
mRNA 的差别显示、线粒体 DNA 分析[ 2, 3]等方法。
在细胞学鉴别中, 由于受取材时期的限制, 工作量
大,费时费力,而分子生物学研究既费时又受实验室
条件的限制;但使用生物活性检测器进行的微量热
法分析以其高灵敏度以及可重复性在水稻雄性不育
研究中显示出独特的作用。生物活性检测器可以在
不损伤生物材料的条件下对生物系统进行静态(恒
作者简介: 魏磊( 1976- ) ,男,硕士研究生,从事植物分子细胞遗传学研究。
通讯作者。E-mail: yiding @w hu. edu . cn
收稿日期: 2001-12-28,修回日期: 2002-03-26。
基金项目: 湖北省自然科学基金(批准号: 2000J111)重点资助项目和教育部骨干教师资助项目。
温式的)连续测定,可从生态系统→组织和器官→细
胞→细胞器→生物大分子→生物小分子等不同结构
层次和水平进行研究。目前已有报道,利用微量热法
对细菌进行鉴别 [ 4, 5]、测定细菌的生长热谱[ 6]、研究
酶和蛋白质等生物大分子的热动力学[ 7 11]、分析药
物的作用过程[ 12] 和对水稻线粒体进行体外热分
析[ 13 , 14]等,但对水稻花药的研究少见报道,为此,我
们对水稻雄性不育系花药进行了微量热分析,旨在
为定量定性分析和鉴别水稻雄性不育系探索一个新
方法。
1 材料与方法
1. 1 取材
实验所用水稻材料为 4 种雄性不育系紫稻 A、
珍汕 97 A (野败型)、红莲粤泰 A(红莲型)和马协 A
以及 1个保持系紫稻 B。以上材料均由武汉大学遗
传所提供。从大田随机选取已抽穗的水稻植株, 取稻
穗中部颖花, 以花药位于中部且未开裂的颖花为适
宜试材,用碘-碘化钾染色法观察花药确定其败育程
度。实验材料各取120个花药用于微量热测量, 相应
另取一部分用于形态观察和细胞学观察统计。
1. 2 微量热测量
37℃条件下, 将新鲜获得的花药样品装入呼吸
测量瓶中,放进 LKB2277生物活性检测器中进行微
量热分析,预热 1 h, 测定其 24 h 等温呼吸曲线。仪
器的结构和性能详见文献中有关介绍 [ 4, 15]。
1. 3 观察统计
随机取相应的 5份材料的颖花, 观察花药形态;
碘-碘化钾染色观察花粉粒败育形态并统计花粉粒
数。
2 结果与讨论
等温曲线表明(图 1) , 保持系紫稻 B 花药呼吸
代谢水平远远强于所有不育系花药,其起始热输出
功率为 450 W,而后迅速下降。而在所有不育系花
药中, 以红莲粤泰 A 花药呼吸代谢最强,其起始热
输出功率为 282 W, 其次为马协 A 花药,其起始热
输出功率为 91. 8 W,珍汕 97A 花药起始热输出功
率为 100 W,紫稻 A 花药呼吸代谢最弱,起始热输
出功率为73. 5 W。就等温呼吸曲线而言,除马协A
曲线外,各曲线数值随时间的推移而逐渐减小, 但又
各有其特点:紫稻 A、珍汕 97A 曲线相对平滑, 红莲
粤泰A 曲线中间有一相对平缓的区域, 紫稻 B 曲线
快速下降。马协 A 曲线,起始后有一明显下降区域,
6. 5 h 后急剧上升,第 7 h达到峰值, 而后趋于恒定。
同时, 在本实验中,每一次测量都以紫稻 A 花药为
对照。紫稻 A 曲线走势重复性好, 说明本实验操作
具可重复性。
图 1 几种水稻花药 37℃等温呼吸曲线
(紫稻 A、野败 A、马协 A 和红莲粤泰 A 为不育系, 紫稻 B
为保持系)
Fig. 1 Isothermal cur ves of anther s of four male ster ile
lines Purple r ice A , Zhenshan 97 A , Hong lian Yuetai A
and Max ie A and one maintainer Purple r ice B at 37℃
线粒体是细胞有氧呼吸的主要场所,是生物体
能量的主要来源,也是核外基因的载体之一, 在细胞
质雄性不育的研究中占有重要的地位。线粒体的活
动直接影响着生物体的各种生理功能。周涵韬等通
过对马协细胞质雄性不育系及其保持系线粒体微量
热分析,认为不育系线粒体在活性代谢时间、释放能
量、代谢速率上明显低于保持系,其原因可能是不育
系线粒体中参与能量代谢物质不丰富, 酶系统活力
较低[ 11 ]。同时, 同一植株不同的器官,呼吸速率有很
大差异。生殖器官的呼吸比营养器官强,花的呼吸速
率要比叶片快 3～4倍。在花中,花蕊的呼吸要比花
瓣及萼片强得多,雌蕊比雄蕊强,而雄蕊中以花粉的
呼吸最强烈。我们对上述 5种花药进行的细胞学观
察表明, 紫稻 A 花药尖细, 后端分叉较长且翘起, 仅
含少量败育花粉粒; 紫稻 B 为其保持系, 花药充实
饱满; 红莲粤泰 A 花药较充实, 败育较迟; 珍汕
97A、马协 A 花药相对空瘪, 花粉粒败育较早。保持
系紫稻 B 花药正常, 呼吸代谢旺盛, 热输出功率高;
不育系紫稻 A 花药呼吸代谢弱,热输出功率低。同
时,红莲粤泰 A 代谢活动强于紫稻 A、珍汕 97A、马
协A 还可能与花粉粒的败育时期和数量有关。紫稻
A、珍汕 97A 和马协 A 花粉粒败育发生在单核期,
红莲粤泰 A 花粉粒败育发生在二核期; 紫稻 A、珍
309 第 4 期 魏 磊等: 水稻雄性不育系花药微量热分析
汕 97A 由于所能形成的败育花粉粒多少有差别(表
1) , 反映了各自代谢活动的强弱; 马协 A 败育时期
略晚于珍汕 97A ,所形成的败育花粉粒多为近圆形,
远大于珍汕 97A 所形成的三角形或不规则多边形
的败育花粉粒, 所以, 马协 A 花药样品的代谢活动
强于珍汕 97A 样品; 红莲粤泰 A 败育时期比紫稻
A、珍汕 97A、马协 A晚,败育花粉粒已有淀粉充实,
代谢活动强于前 3种不育系。
表 1 水稻单花药花粉粒数统计
Table 1 St atistic o f pollens of sing le ant her o f four rice
CMS lines Purple rice A , Zhenshan 97 A , Max ie A and
Honglian Yuetai A and one maintainer Purple r ice B
编号
No.
紫稻 A
Purple
r ice A
珍汕 97A
Zhenshan
97 A
马协 A
Maxie
A
紫稻 B
Purple
rice B
红莲粤泰
Hong lian
Yuetai A
1 139 616 313 1 080 1 431
2 185 593 216 739 1 517
3 172 603 198 1 317 1 496
4 143 592 303 1 081 1 432
5 96 403 234 1 167 1 502
6 126 693 158 1 078 1 521
平均
M ean
144 584 237 1 077 1 483
总之,水稻细胞质雄性不育是多种因素综合作
用的结果。对花药的微量热法分析结果证明:花药的
能量代谢与细胞质雄性不育有密切的关系。因此,微
量热法分析花药对于研究花粉败育有一定的参考价
值,可以为雄性不育的定性定量研究提供新的依据,
同时也为水稻的研究提供了新的途径。可以预言,微
量热法分析在生物学研究中必然会得到越来越广泛
的应用,发挥更大的作用。
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