全 文 :武汉植物学研究 2004,22(6):557~560
Journal of Wuhan Botanical Research
甜椒胞质雄性不育雄配子发育的解剖学和超微结构研究
王述彬 ,罗向东 ,戴亮芳 ,陈劲枫 ,刘金兵 ,潘宝贵
(1.南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室 ,南京 210095;2.江苏省农业科学院蔬菜研究所,南京 210014)
摘 要:运用石蜡切片和电子显微镜超薄切片方法观察了甜椒(Capsicum d Um L.)细胞质雄性不育系 8A和保
持系 8B雄配子发育过程。结果表明:不育系和保持系都能正常进行减数分裂,绒毡层细胞无明显差异,形成了正常
的四分孢子。在四分体单核居中期后,不育系的绒毡层细胞异常膨大并伸进药室 ,挤压花粉粒 ,同时绒毡层细胞提
前降解,不育系单核晚期花粉粒开始崩出内含物 ,致使不育系的雄配子在双核花粉粒形成之前就完全裂解,不能发
育成正常的花粉粒。此外,超薄切片还观察到不育系花粉粒在单核早期绒毡层细胞线粒体空泡化,这种变化表明雄
性不育的遗传缺陷包括在花药发育早期发生的线粒体结构变化。
关键词 :甜椒 ;细胞质雄性不育 ;解剖学;超微结构;雄配子发生
中图分类号:Q945.5;$641.3 文献标识码:A 文章编号:i000—470X(2004)06—0557—04
Anatomy and Ultrastructure of M ale Gametophyte Development in
Cytoplasmic M ale Sterile(CMS)Sweet Pepper(Capsicum annuum L.)
W ANG Shu—Bin ,LUO Xiang-Dong ,DAI Liang-Fang ,
CHEN Jin-Feng¨ .LIU Jin—Bing。.PAN Bao-Gui
(1.National Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;
2.Vegetable Research Institute,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 21001 4,China)
Abstract:The male gametophyte development in a cytoplasmic male sterile (CMS)line 8A of
sweet pepper(Capsicum annuum L.)and its maintainer line 8B were studied by optical and trans—
mission electron microscope.The results showed that microsporogenesis could process normally
and there was no difference in the tapetal eell between 8A and 8B lines before tetrad stage.Then.
uninucleate pollen of 8A underwent a progressive process of rupture,owing to squeezing by ab.
normally swelled tapetal cells and to the premature degradation of tapetal cells.M ale gameto—
phytes in 8A ruptured before the first mitosis and became sterile.The results from ultrastructure
observation revealed the presence of vacuolated mitochondrias in the tapetum of 8A.This sug—
gests that the genetic defects in male—sterility include gross morphological changes in mitochon—
dria and occur on the early stage of anther development.
Key words:Sweet pepper(Capsicum annuum L.);Cytoplasmic male sterile;Anatomy:Ultra—
structure;M ale gametophyte development
甜椒(Capsicum atltluum L.)是我国栽培的重
要蔬菜之一,杂种优势非常显著。目前,除常规杂交
以外,雄性不育系是一条重要的途径,利用细胞质雄
性不育系生产一代杂交种子可提高生产效率,并能
确保一代杂交种子的纯度 。因此,对甜椒雄性不育
系的研究已受到国内外甜椒育种家们的高度重视。
但目前国内外对甜椒细胞质雄性不育系的研究多侧
重于不育系、恢复系的选育以及三系配套应用研究,
收稿 Et期:2004—02—19,修回日期:2004—06—07。
基金项目:国家“863”计划项 目(2002AA207012,2002AA244021,2004AA241120)资助。
作者简介:王述彬(1963一),男,研究员,从事蔬菜育种和生物技术研究。
· 通讯作者(E—mail:jfchen@njau.edu.cn)。
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武 埙 植 物 学 研 究 2卷
而对其败育的理论研宛较少
白1951年 Martin和 Grawh}rd首次报道辣嫩
细胞质雄性不育现象。 来,H(1r rle r L3。、HiroselIJ、
吴鹤呜 一等对辣椒细咆质雄性不行系小孢子败育的
细胞学进行 』,研究,可能由于选材或试验方莹的不
同导致其研究结果井不完全 致 笔者 甜橄不育
系为研究对象.采用石蜡切片技术和电子显微镜超
薄切片技术相结台,探1羽 ”披细咆质雄性败育的确
切时期阳方式,勾进 ‘步揭 甜悄细胞质雄蝗不育
机理提供依据
l 材料与方法
1.1 试验材料
以江苏省; 业科学院蔬柴研究昕辣般爆题组选
育的甜讯细胞质雄 不育系 8A 相应的保持系
8B为试材,千 2 r)03年春季和秋季f1I值于本所试验
大棚和温室 取麻花期不刷大小的花甜进行实验
I.2 石蜡切片程序
将8A、8B太小不同的花 固定于FAA固定液
中备用.真空抽气 30 min,经过浸洗 脱水、透州、渗
腊、包埋、剀片(厚度 8 m)、干H(烤片)、脱蜡、镘
钒一苏小梢 固绿对染、脱水、透明、中I生W胶封 片、
Olympus(BX一驯】屁微镜观察照机
I.3 超薄切片实验程序
从 8A、8B瞳 上取大小1:1i=】的花莆立即翻
3 戊_二醛 pH7.0)固定:在救玻 ”上消 E儿滴净
s 戊_二醛.用解剖针和牙签小心地剥出花药,然后
用封:茬将丹离出的花曲轻轻地拄凡旆有新鲜的 3
戊■醛的 1.5 mI 离心管中固定3 h或过夜;再放凡
0.】mo]/I 的磷殴缓冲液rfI.1 h后用锇酸 定=h;
逐缎浓度梯度的乙醇脱水.每次脱水J,2移^环氧炳
烷rp 30 rain;样品包埋岳怍超薄圳片.然后电子 显
儆镜观察诈拍照
2 结果与分析
2.1 石蜡切片观察
2. 1 保持系 gB雄配子发育过程
造孢细胞时期:孢原细胞经平脚分裂形成初生
j}i1缘层和造孢篁Ii胞,视生闰缘晨蝈咆继续进行平心
分裂 I垂直分裂形成花粉囊壁的纤维层、巾层干仃城
毡联.箍后形成小孢子母细咆 城毡 细胞初期为盟
桉,染色很深( l:A)
溅数分裂时埘:由外到 行罢细胞更力【】明显,
绒毡层细咆体积大.核走.着色 , 含物丰亩:花粉
l 垌咆呈 式排列.泣 t:小他于嵌巾央( l:B J
分体时捌.中层细胞消失.绒毡层缅咆染色f=『5蝗很
深,许可观察到 卜1 较大【)勺fIf;花粉母细胞经过 2次
同时刑咆质丹裂形成 正凹面体的 分体.辞个小分
体郝育 1个染邑很深且体识车璺大曲漩(『科1:(’)
罐配子成熟期:由于肼毗质壁的溶解,单棱花柑
A lj造他 咆蚶 ;B 碱敏丹 H{ ;c.81 舀计啤Ht ;_1_811纯柑聿壹成熟 I F 8A佗柑牡单恬 驯
F 8A化畸牡单啦l怿
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图 】 甜搬瞻质不育系与保持系雄配子发育过程的解剖结构特征
Fig 1 1 l ⋯ l Iornic~l h nl Ic,1 rl⋯ 】f m. :c _¨J [mphy~e devel<)p~i.ie⋯ )f th【
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旃 6期 壬进帐 :琦椒胞f最雄性不育柱配于发育的解剖学和超微结倚研究 559
粒从四分体中游离出来.释放到花粉鹱中 刚游离出
来的单核花粉粒细胞壁薄,细咆质旅厚,核位于细胞
中央.并能看到 3个 l=【f发内 随着叶1I兜大液泡的出
现.细咆核被逐渐薪到一侧,即单核靠边期 接营.细
胞核进行 1次有丝分裂,形成 1个营养核和 】个生
殖核.这时的绒毡层细胞州显变薄并有一定程度的
空泡化(图 1:Dj:再经过一系列的变化.形成 有 3
个萌发沟且表面带有乳变的成熟花柑粒.此时绒毡
屡完全解体,只剩下表皮和纤维
2.】.2 不育系 8A雄配子发育过程
在心分体之}仃.不育系与 持系无时J] 差异,能
进行iE常械数分裂,四分{丰时j . :仃系绒毡层细胞
开始嘭夫.液沲化鬯 州 ,这 :lU镜蝇察时可得到
进一步证实,单棱屠巾期,不育系绒毡层细胞径同异
常嘭大.高度液泡化并侵入药室+此时城毡层细咆染
色能力很弱(图 L:E) 单梭靠边期开始,不肯系花曲
绒毡层细胞进一步径向膨大,导致抱药内膜啦缩,
室狭窄.使小孢子受挤呈不规则状.破爪缩成 团物
质,随后绒毡层细胞也解体,同时花粉牲开始裂解
( 1:F】
2.2 不育系 8A和保持系 8B雄配子发育过程的超
微结构特征比较
保持系 8B和不肯系8A在四分悔之前没有发
现叫 差异.绒毡层细胞和花柑母细胞能够正常发
仃,它们的细胞质均比较丽密.含育九艟的组l临器
cI善l::A) 与晖持系8H棚叱 了=仃 RA的叫舒体
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圈 2 甜搬胞质雄性不育系和像持系蛙配子发育过程的超微结构特征
.
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560 武 汉 植 物 学 研 究 第 22卷
都很正常,无明显差异;不育系从四分体开始呈现特
异组织的不正常,8A的绒毡层细胞(图 2:B)比8B
的绒毡层细胞空腔更明显,但结构还很完整。
单核小孢子时期 ,保持系8B和不育系8A之间
不论是绒毡层细胞还是单核花粉粒都存在明显的差
异。单核花粉粒早期,不育系 8A的线粒体发生形态
改变开始空泡化,内质 网和细胞核不正常(图 2:
D),而保持系 8B的线粒体、内质网以及其它细胞器
很正常(图 2:C)。单核花粉粒晚期,不育系8A绒毡
层细胞径向膨大(图 2:F);而保持系 8B的绒毡层
细胞还比较正常,结构较完整(图 2:E)。
不育系 8A在形成双核之前,绒毡层细胞基本
裂解 ,花粉粒外壁比较光滑,无孢粉素物质包围(图
2:H),有些花粉粒能被观察到从乳突处裂解的迹
象(图 2:J)。保持系 8B在花粉粒双核期,绒毡层细
胞明显变薄并出现空腔,但结构还较完整;此时的花
粉粒外壁粗糙,覆盖一层孢粉素等物质(图 2:G),
最终形成形态正常的成熟花粉粒(图 2:I)。
3 讨论
细胞学研究表明,不同作物的细胞质雄性不育
系的花粉败育时期和方式多种多样[6]。已有的辣椒
胞质雄性不育雄配子发育研究结果存在明显分歧。
吴鹤鸣[5]、耿三省Ⅲ等用石蜡切片技术研究辣椒细
胞质雄性不育系的结果表明败育发生在四分小孢子
形成以前,由于绒毡层细胞高度液泡化挤压小孢子
母细胞,致使小孢子母细胞不能正常进行减数分裂,
不能形成正常的四分小孢子。而HornerE 、Hirose[4]
的研究结果则认为辣椒细胞质雄性不育系小孢子母
细胞能正常进行减数分裂,可以形成四分小孢子,败
育发生在小孢子发育后期 ,但没有明确败育的具体
时期和特征。笔者观察到甜椒细胞质雄性不育系雄
配子败育发生在四分体之后,单核居中期不育系的
绒毡层细胞异常膨大并仲进药室,挤压花粉粒,同时
绒毡层细胞提前降解,致使不育系的雄配子在双核
花粉粒形成之前就完全裂解。
很多研究表明绒毡层在花粉发育过程中扮演重
要的角色,它为花粉成熟提供各种蛋白和营养。在小
孢子发育进程中,当绒毡层发育出现异常,如提前裂
解时,小孢子不能正常发育。正如 Ku等L8]观察水稻
温敏型雄性不育雄配子发育的超微结构时发现,由
于不育系花粉粒表面没有来 自绒毡层分泌的孢粉
素,致使不育系花粉粒外壁发育受阻,花粉粒因不能
抵抗内部的压力而崩裂,本文结果与此一致(花粉粒
在单核期就开始裂解)。另外,我们通过超薄切片电
镜观察发现甜椒胞质雄性不育系绒毡层细胞线粒体
在花粉粒形成双核之前就出现不规则的空泡化,而
同时期保持系绒毡层细胞线粒体结构正常,两者存
在明显差异,类 似线粒体结构 的改变,Hernould
等 研究烟草雄性不育工程突变株和 Ku等[8]研究
水稻雄性不育系雄配子发育过程也都观察到,这说
明细胞质雄性不育的遗传缺陷可能与线粒体形态的
改变有关。
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