全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(4): 709−712 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由山西省自然科学基金项目(2006011085)和中北大学自然科学基金项目(2008)资助。
第一作者联系方式: E-mail: xhliang99@126.com
Received(收稿日期): 2009-10-09; Accepted(接受日期): 2010-02-05.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.00709
高粱 A6型细胞质雄性不育系花粉母细胞减数分裂行为的观察和分析
梁小红 仪治本 邓小敏 谢晓丽
中北大学生命科学系, 山西太原 030051
摘 要: 高粱(Sorghum bicolor L. Moench)细胞质雄性不育(CMS)有 7种类型, 即 A1~A6和 9E。本研究以 A6型细胞质
雄性不育系 A6 Tx398和相应保持系 B6 Tx398为材料, 对 A6型雄性不育发生的花粉母细胞减数分裂过程染色体行为
进行了观察分析。与正常发育的保持系比较, A6 CMS花粉母细胞减数分裂染色体行为, 在粗线期之前, 光学生物显微
镜下未观察到差别。从双线期开始, 直到末期 II 观察到各种各样的异常现象。即 A6 CMS 花粉母细胞染色体数目比
B6 (2n=20)多一倍, 前期 I染色体数目为 2n=40, 在一个细胞中可看到 20对同源染色体; 后期 I同源染色体在移向两
极时出现染色体滞后和暂时不分离现象; 花粉母细胞末期 I 未发生胞质分裂形成二分体, 致使在前期 II 可看到有 40
条姊妹染色体, 并以环形、分散形和 X型分散于一个细胞中; 末期 II, 在一个细胞内形成 2个、3个或 4个数目不等
的染色体团, 个别的可以形成染色体数目不等的三分体, 而不形成四分体。A6型 CMS花粉母细胞减数分裂过程中染
色体行为的异常, 使其不能完成正常的减数分裂过程形成四分体, 导致小孢子败育。
关键词: 高粱; CMS; 减数分裂; 染色体行为
Observation and Analysis of Meiotic Behaviors of Pollen-Mother-Cell in Sor-
ghum A6 Cytoplasmic Male Sterile Line
LIANG Xiao-Hong, YI Zhi-Ben, DENG Xiao-Min, and XIE Xiao-Li
Department of Life Sciences, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract: Sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) is one of the most important food crops in the world, and it is also one of
the earliest crops, which the heterosis has been commercially used due to the discovery and utilization of cytoplasmic sterility
(CMS). There are seven types of CMS in sorghum, including A1, A2, A3, A4, A5, A6, and 9E. In this study, A6 cytplasmic male
sterile line A6 Tx398 and its isogonic maintainer line B6 Tx398 were used to observe and analyze the chromosomal behaviors
of A6 CMS during the microsporic meiosis. Compared with maintainer line B6 Tx398, the abnormal chromosomal behaviors
were not observed under biologic photomicroscope until the diplotene in prophase I. From then on to the tetrad formation,
various abnormal chromosomal behaviors were found within the pollen mother cells (PMCs): compared with its B6 line in
most of the PMCs in prophase I, the number of homologous chromosomes was twice (2n=40) that of its isogenic line (2n=20),
i.e. 20 pairs of homologs in a cell. In anaphase I, some homologs became lagged or even not divided and stayed near the
equatorial plane. Cytoplasm of most PMCs did not divide to form a dyad in telophase II, so that in prophase II 40 sister chro-
mosomes presented in a cell, which were arranged ring-like, dispersed or X-like. In telophase II, two, three or four chromo-
somal groups were found in a cell. Some PMCs divided into triad other than tetrad with unequal number of chromosomes in
each monad. The disorders of chromosomal behaviors during the pollen mother cell meiosis of A6 CMS made the incompletion
of the normal meiotic process, leading to the abortion of microsporogenesis and development.
Keywords: Sorghum; CMS; Meiosis; Chromosomal behaviors
高粱(Sorghum bicolor L. Moench)是世界第五大粮食
作物, 主要分布在干旱和半干旱的非洲、印度、中国、南
美及北美的部分地区, 是非洲及东亚许多国家和地区人
们的主要食物与能量来源, 也是最早在生产上利用雄性
不育系生产商品化杂交种的作物之一[1]。已报道发现的高
粱雄性不育细胞质有 22 种之多, 通过研究将其划归为 7
种类型, 即 A1、A2、A3、A4、A5、A6和 9E[2-5]。对高粱
细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)机理的
研究, 主要在细胞遗传学和分子遗传学两个方面[6-7]。细
胞学研究表明, 高粱 CMS 小孢子的败育是由于不育花药
中存在有毡绒层退化现象, 花粉母细胞从处于前期 I的粗
线期出现了形态变小和呈现黏着现象, 后期 I减数分裂染
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色体行为开始出现各种各样的异常, 最终导致小孢子的
败育[8-11]。A1和 A2型 CMS小孢子减数分裂时染色体行为
发生异常的时期和异常现象相似, 暗示雄配子败育过程
中染色体行为变化可能受相同的遗传机制控制 [8-11]。而
A3型 CMS染色体行为明显不同于前者, A3花粉母细胞能
完成正常的减数分裂过程, A3 CMS 小孢子败育发生在小
孢子形成晚期的花粉粒成熟期[12]。
A6 CMS小孢子败育比较彻底, 不育性稳定。A6细胞
质杂交种的利用 , 对生产上高粱细胞质的多元化 , 增加
杂交种的抗逆性有着重要意义。本研究对 A6 CMS的花粉
母细胞减数分裂中染色体行为进行观察研究, 以期了解
A6 CMS发生的细胞学机制, 推动生产上高粱A6胞质杂种
优势的利用。
1 材料与方法
供试材料为具有 A6型细胞质的不育系 A6 Tx398 及
相应的保持系 B6 Tx398。在高粱孕穗期, 高粱花序长度大
约在 10~25 cm时, 于早上 8:00~11:00, 田间采集旗叶叶结
与倒二叶叶结距离为 2~10 cm 之间的高粱花序, 剥去叶
及叶鞘, 用镊子夹取高粱花序上不同部位的小穗, 放入
Carnoy固定液(无水酒精∶冰乙酸=3∶1)进行固定, 7 d后
将样品转移到保存液(70%酒精)置冰箱中冷藏保存。
将 3 g 碱性品红溶入 70%酒精 100 mL 中配成甲液,
取甲液 10 mL加 5%苯酚 90 mL配成乙液, 取乙液 45 mL、
冰乙酸 6 mL、37%甲醛 6 mL配成染色母液, 最后用母液
10 mL、45%乙酸 90 mL、1 g山梨醇配成改良卡宝品红染
色液[13], 放置 2周后使用。
制片时取保存好的高粱小穗 , 用镊子剥去内外稃 ,
去除雌蕊 , 滴上一滴改良卡宝品红染色液 , 将花药整体
染色后, 采用压片法制成临时装片 [14], 立即置 Olympus
生物数码显微镜下观察并照相。
2 结果与分析
高粱染色体 2n=20, 正常发育的高粱保持系 B6 Tx398
花粉母细胞减数分裂过程如图 1所示。与保持系比较, A6
Tx398 CMS 花粉母细胞在减数分裂过程中 , 在粗线期 ,
光学显微镜下未观察到与保持系的区别。但从双线期开始,
直到末期 II观察到各种各样的异常现象(表 1和图 2)。

表 1 A6Tx398花粉母细胞减数分裂各时期观察结果统计
Table 1 Abnormal PCMs of A6 Tx398 during meiotic process
减数分裂期
Stage
正常数(2n=20)
Normal (2n=20)
异常数(2n=40)
Abnormal (2n=40)
总数
Total
异常率
Abnormal rate (%)
双线期 Diplotene 11 132 143 92.3
终变期 Diakinesis 8 159 167 95.2
中期 I Metaphase I 12 245 257 95.3
后期 I Anaphase I 12 291 303 96.0
末期 I Telophase I 10 275 285 96.5
前期 II ProphaseII 2 82 84 97.6
中期 II Metaphase II 3 99 102 97.1
后期 II AnaphaseII 3 112 115 97.4
末期 II Telophase II 2 122 124 98.4

图 1 B6 Tx398花粉母细胞减数分裂染色体行为(×500)
Fig. 1 Chromosomal behaviors during meiosis of pollen mother cell (PMC) in B6 Tx398 (×500)
1: 粗线期; 2: 双线期; 3: 终变期; 4: 中期 I; 5: 后期 I; 6: 末期 I; 7: 二分体; 8: 四分体。
1: pachytene; 2: diplotene; 3: diakinesis; 4: metaphase I; 5: anaphase I; 6: telophase I; 7: dyad; 8: tetrad.
第 4期 梁小红等: 高粱 A6型细胞质雄性不育系花粉母细胞减数分裂行为的观察和分析 711


在前期 I 的双线期和终变期, 在花粉母细胞中可以
清楚地观察到染色体数目比正常 B6花粉母细胞(2n=20)明
显增多, 是正常染色体数目的 2 倍, 即 2n=40 (图 2-1~3),
在中期 I, 20对同源染色体排列在赤道板上(图 2-4)。同源
染色体的复制是在开始减数分裂前就已完成, 这就意味
着在减数分裂前间期染色体的复制机制出现异常, 同源
染色体过度复制, 致使在一个花粉母细胞中染色体数目
比正常复制的染色体数目增加一倍。在后期 I, 花粉母细
胞内有纺锤体的形成, 一些同源染色体在纺锤丝的作用
下分开走向两极或一极 , 其余同源染色体尚未分开 (图
2-5~7); 有些花粉母细胞中的同源染色体虽然完全分离 ,
但两极的染色体数目却不相等 , 而且还有落后现象 (图
2-8), 在末期 I 并不发生胞质分离形成二分体, 所有的染
色体仍在一个细胞中。许多(275/285)花粉母细胞无完整的
纺锤丝形成, 同源染色体在后期 I 不能分开向两极移动,
也不发生胞质分裂形成子细胞 , 因而 , 全部的同源染色
体仍停留在原花粉母细胞中。
到前期 II, 花粉母细胞内有 40 条染色单体, 有散在
的(图 2-9), 有环形排列的(图 2-10), 有 X 型排列的(图
2-11), 有聚集型的(图 2-12)。此时期花粉母细胞内的染色
体数目是正常减数分裂 I的 2倍。
在中期 II, 减数分裂 I未分裂的同源染色体又在赤道
板集中, 可观察到比正常染色体数目多一倍的 40 条染色
体排列在赤道板上(图 2-13)。
在后期 II, 出现染色体不能正常分开移向两极和染
色体滞后的现象(图 2-14~18)。分到两极的染色体数目明
显多于 10条(图 2-16~20), 且不均等(图 2-19~20)。
在末期 II, 花粉母细胞仅进行染色体的分裂行为 ,
并不形成新的细胞壁及进行细胞质分裂, 从而形成 2 个
(42/122)、或 3 个(24/122)、或 4 个(46/122)数目不等的染

图 2 A6 Tx398花粉母细胞减数分裂染色体的各种异常行为(×500)
Fig. 2 Abnormal chromosomal behaviors of PMC meiosis in A6 Tx398 (×500)
1: 双线期 I; 染色体数为正常的 2倍(2n=40); 2: 终变期 I; 3~4: 中期 I; 5~8: 后期 I, 同源染色体分离不同步, 且数量不均衡; 9~12: 前期 II, 染
色体数目为 40, 以各种形式分散于细胞中; 13: 中期 II, 40条染色单体; 14~18: 后期 II, 染色体分离不均匀; 19~21: 末期 II, 染色体非对等分离
为两部分; 22: 末期 II, 染色体分裂为数量不等的 3团; 23: 形成 3个子细胞; 24: 形成 2个子细胞, 1个子细胞中有 2团染色体; 25: 末期 II, 染
色体分裂为数量不等的 4团。
1: diplotene I, chromosomes are twice the number (2n=40) of normal one; 2: diakinesis I; 3–4: metaphase I; 5–8: anphase I, homologous chromosomes
divide asynchronously and asymmetrically; 9–12: prophase II, 40 chromatids scattered within a pollen mother cell, chromatids arranged dispersed (9,
12), ring-like (10), X-like (11); 13: metaphase II, 40 chromatids in a cell; 14–18: anaphase II, chromatids divide asymmetrically; 19–21: telophase II,
chromosomes divide into two unequal parts; 22: telophase II, chromosomes divide into three unequal parts; 23: a triad; 24: a dyad with one having two
groups of chromatin; 25: telophse II, four groups of chromosomes with differed number of chromosomes in a cell.

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色体团不规则地分布在细胞中(图 2-21, 22, 25)。有的花粉
母细胞会形成新的细胞壁将细胞质分开, 形成 3个子细胞
(6/122), 每个子细胞中有 1 团染色体(图 2-23), 或形成 2
个子细胞(4/122), 其中一个子细胞中有 2团染色体, 另一
个子细胞中有 1团染色体(图 2-24)。
3 讨论
A6细胞质雄性不育发生减数分裂的染色体行为不同
于 A1、A2和 A3型。A1 CMS的花粉母细胞减数分裂染色
体行为与 A2类型相似, 在前期 I和中期 I与保持系相同。
每个花粉母细胞中染色体数目为 2n=20。从后期 I 开始,
染色体行为出现了各种异常形式[8-11]。A6型 CMS花粉母
细胞减数分裂行为异常出现的时期早于 A1和 A2型。在前
期 I (双线期), 在光学生物显微镜下便能观察到染色体数
目的异常, 为正常花粉母细胞的 2 倍, 这与 A1、A2型明
显不同。这就暗示在减数分裂前间期, A6型染色体的复制
机制发生了变异, 而 A1、A2型染色体复制是正常的。从
中期 I开始, A6与 A1、A2型染色体行为比较相似, 都出现
染色体落后、不同步、姐妹染色体不分离、于后期 II 在
细胞内形成 2团、3团或 4团染色体而不形成细胞板等各
种各样的异常现象和异常类型, 所不同的是 A6 型染色体
数目明显增多, 异常分裂都是在染色体数目加倍的基础
上进行的。所以, 花粉母细胞染色体数目的异常增多是
A6型 CMS发生的一个显著特点。A1和 A2 CMS中虽然也
存在染色体数量加倍现象 , 但发生概率很低 , 染色体的
异常行为主要是在染色体数目正常的情况下发生的[8-11]。
这是 A6与 A1、A2类型的最大区别。A3型的 CMS花粉母
细胞减数分裂染色体行为是正常的, 不育发生的时期在
花粉粒成熟期[12], 因而 A6型 CMS也明显不同于 A3型。
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