全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(10): 17771785 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30771328)资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 刘向东, E-mail: xdliu@ scau.edu.cn; 卢永根, E-mail: yglu@ scau.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: jinhuah520@163.com ** 共同第一作者
Received(收稿日期): 2010-03-03; Accepted(接受日期): 2010-05-26.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.01777
同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织和结构变化
何金华 程杏安** 陈志雄 郭海滨 刘向东* 卢永根*
华南农业大学 / 广东省植物分子育种重点实验室, 广东广州 510642
摘 要: 应用间接免疫荧光标记-激光扫描共聚焦显微术, 观察了同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂过程的微管骨
架和染色体行为变化。结果表明: 同源四倍体水稻花粉母细胞微管组织形态变化与二倍体水稻的基本一致, 但出现一
些不同, 如核周微管较长, 纺锤体微管数量较多; 并呈现许多异常现象。前期 I细线期, 微管数量少, 分布不均匀; 偶
线期, 呈现不规则网络状结构, 未见明显的极性分布; 粗线期, 核仁解体, 呈现混乱的网络状结构; 双线期, 微管提
早解聚, 不形成环绕状微管; 终变期, 微管数量稀少, 核周未见明显的微管聚集; 中期 I 纺锤体形态出现多种异常现
象; 末期 I 成膜体形状异常, 出现点状微管; 末期 II-四分体时期, 二分体细胞两端不分开; 出现三分体细胞, 其内微
管混乱。以上各时期的染色体行为也出现不同程度的异常。综合认为, 微管组织的异常可能与染色体的行为异常存
在一定的关联, 两者共同作用影响花粉发育, 导致育性偏低。
关键词: 水稻(Oryza sativa L.); 同源四倍体水稻; 减数分裂; 花粉; 微管骨架
Changes in the Pattern of Organization of Microtubules during Meiosis in Po-
llen Mother Cell of Autotetraploid Rice
HE Jin-Hua, CHENG Xing-An**, CHEN Zhi-Xiong, GUO Hai-Bin, LIU Xiang-Dong*, and LU Yong-Gen*
Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Molecular Breeding / South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
Abstract: Changes of microtubule distribution and chromosome behavior in autotetraploid rice during meiosis of pollen mother
cell (PMC) were detected in detail by using indirect-immunofluorescence laser scanning confocal microscopy. The result showed
that microtubule distribution pattern in PMC of autotetraploid rice was similar to that of diploid rice during meiosis. But in com-
parison to diploid rice, different microtubule behaviors, such as longer circumferential microtubules, more spindle microtubules,
were found in autotetraploid rice. At prophase I, microtubules were decreased a lot in number and distributed unevenly at lepto-
tene. At zygotene, microtubules with no obvious polar distribution formed a diffuse network. At pachytene, nucleolus disintegra-
tion and distorted microtubules structure were found. At diplotene, no circumferential microtubule was found and microtubules
depolymerization displayed in advance. At diakinesis, microtubules were decreased a lot in number. Perinuclear microtubules
abnormally knitted. At Metaphase I, many kinds of abnormalities appeared in spindle. At telophase I, phragmoplast was abnormal,
and speckle microtubules were found in the cell. At telophaseII-tetra stage, two daughter cells connected, and microtubules ran-
domly arranged in tri-fission. The results showed that microtubule abnormal reorganization pattern had a close relationship with
abnormal chromosome behavior, which may act synergistically on pollen fertility and seed setting rate in autotetraploid rice.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); Autotetraploid rice; Meiosis; Pollen; Microtubule
植物多倍体在自然界中普遍存在。据不完全统
计, 约有 75%的禾本科植物是多倍体, 包括小麦在
内的许多重要农作物也是多倍体。多倍体被认为是
植物进化的一个方向。由于多倍体植物具有器官增
大和抗逆性增强等优点 [1], 在育种上具有重要的利
用价值, 所以引起植物育种家的高度关注。
同源四倍体水稻是二倍体水稻经过染色体加倍
获得的新种质。同源组都含有 4 条染色体, 基因剂
量增加一倍。与相应的二倍体比较, 同源四倍体水
稻表现较高生物产量、较高蛋白质含量和较强抗逆
1778 作 物 学 报 第 36卷

性等优点[2-3]; 但也表现育性偏低等缺点, 限制了它
在生产上的直接利用。克服其低育性成为利用同源
四倍体水稻的关键。已有的研究表明, 同源四倍体
水稻育性偏低主要是由于花粉和胚囊部分败育引
起[4-8]。花粉母细胞分裂期间染色体行为异常是花粉
部分败育的重要原因之一[9-10]。
微管骨架是一种重要的细胞器 , 对细胞器运
动、物质运输, 特别是细胞减数分裂中实现染色体
定位[11]、同源染色体分离, 以及其他各种运动均起
着重要的作用。有关二倍体水稻花粉母细胞分裂期
间微管骨架组织变化已有报道[12-14], 但水稻加倍成
为同源四倍体水稻后, 其减数分裂期间微管骨架组
织变化是否与二倍体原种存在差异, 以及同源四倍
体水稻减数分裂期间出现的各种异常染色体行为是
否与微管组织变化有关联等问题均未见报道。为了
弄清有关问题, 本文对同源四倍体水稻花粉母细胞
减数分裂染色体行为进行观察, 对其间的微管骨架
组织变化与其二倍体原种进行比较研究, 了解该过
程中微管骨架组织的变化及其与染色体行为可能的
关系, 为进一步开展同源四倍体水稻杂种育性偏低
研究提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
选用性状稳定的同源四倍体水稻广陆矮 4号-4x
(本实验室 1999 年加倍而成, 自交 12 代, 所有的性
状表现稳定), 以及二倍体原种广陆矮 4号(籼稻, 为
与其四倍体水稻区分, 文中用“广陆矮 4 号-2x”表
示)。2005年 3月种植于华南农业大学教学科研实验
农场, 种植规格 20 cm×17 cm。
1.2 方法
1.2.1 染色体观察
(1) 取材和固定: 于水稻的孕穗期, 早上 9:00~
10:00, 选取叶枕距为1~4 cm 的幼穗, 用卡诺氏固
定液(95%乙醇∶冰醋酸=3∶1)固定 24 h 后, 转入
70%乙醇, 4℃下保存备用。
(2) 染色压片和观察 : 取幼穗上的颖花 , 在载
玻片上用镊子和解剖针分离出花药, 滴加 2%的醋
酸洋红 , 用镊子将花药夹碎 , 去掉残渣 , 染色 3~5
min, 盖片 , 火烤数秒后压片 , 最后用 45%醋酸分
色。将制好的染色体压片放在 Leica DMRXA显微镜
下观察、统计并拍照。用 Photoshop 6.0处理图像。
(3) DAPI 染色压片: 取已固定好的幼穗上的颖
花, 用镊子和解剖针在载玻片上分离出花药, 滴适
量 1 mg L1 DAPI 溶液, 用镊子将花药夹碎, 去除
残渣后, 静止 1 min 使细胞充分染色, 盖上盖玻片,
在 Leica DMRXA显微镜下用紫外光观察和拍照。
1.2.2 微管骨架观察
参照 Liu等[14]的方法做适当改进。
(1) 取样: 在材料的孕穗期, 选取叶枕距为1~
4 cm的幼穗 200个。
(2) 材料的固定和冲洗 : 用镊子将幼穗剥开 ,
置于放有湿润滤纸的培养皿中, 选取小穗中上部一
次枝梗的小花, 分离出花药, 快速投入 4%多聚甲醛
(PEMS 缓冲液, 添加 10% DMSO、1% MSB、1%
TritonX-100、1.5% 蔗糖)中固定 1~2 h。然后用 PEMS
冲洗液(PEMS+10% DMSO+1% TritonX-100)洗 3次,
每次 5~10 min; 再用 PEM (含 10% DMSO、1%
MSB、1% TritonX-100)洗 3次, 每次 5~10 min; 最
后用双蒸水洗 3次。
(3) 梯度乙醇系列脱水: 乙醇的梯度为 10%、
20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、
95%、100%, 每浓度浸 30 min。无水乙醇换 3次, 第
2 次换完无水乙醇后, 连同材料一起放入 55℃的恒
温箱中, 保持 15 min, 然后用预热到 55℃的无水乙
醇替换, 在 55℃下继续保温 15 min。
(4) 渗透 : 将上一步中的无水乙醇吸干 , 加入
渗透剂 I [PEG 混合液 (PEG 4000 PEG 1500=∶
2 3)∶ ∶无水乙醇=1 2], ∶ 在 55℃下保温 40 min; 然
后转入渗透剂 II [PEG 混合液 (同上 )∶无水乙醇
=1 1], ∶ 在 55℃下保温 40 min; 转入纯 PEG混合液
(同上), 继续保温 1 h; 再换一次纯的 PEG 混合液,
保温 1 h。
(5) 包埋和切片: 在 55℃下, 将纯 PEG 混合液
加入包埋管, 加入要包埋的材料, 静置 1 h 后取出,
在室温下聚合。聚合后, 将包埋好的材料取出, 用
Leica CM1850冰冻切片机切 45~50 µm的切片, 收
集切片。
(6) 间接免疫荧光标记 : 将切片用蒸馏水洗
3~5次, PBS洗 3次后, 用 0.1 mol L1 NH4Cl处理 3
min, PBS 洗 3 次, 每次 5 min, 然后用 0.1 mol L1
Tween处理 20 min; 1% BSA处理 10 min。加入微管
抗体 1 (T-9026, Anti-α-tubulin, Sigma, 用 PBS稀释
100 倍), 37℃下温育 1 h 后, 用 PBS 洗 3 次, 每次
5~10 min; 然后 , 加入微管抗体 2 (T-0257, Anti-
mouse IgG FITC conjugated, Sigma, 用 PBS稀释 200
第 10期 何金华等: 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织和结构变化 1779


倍), 37℃下温育 1 h后, 用 PBS洗 3次, 每次 5~10
min。
(7) 复染: PI (propidium iodide)染色 1 min 后,
用 PBS洗 3次, 每次 5~10 min。
(8) 封片观察: 用 ATF(anti-fading solution)封片,
在 Leica SP2激光扫描共聚焦显微镜下观察、扫描并
取得图像。
2 结果与分析
通过对同源四倍体水稻和二倍体原种花粉母细
胞减数分裂过程和特点的比较观察, 发现两者基本
一致, 同样经历了 8 个时期, 即前期 I [包括细线期
(图版 I-1)、偶线期(图版 I-2)、粗线期(图版 I-3)、双
线期(图版 I-4)、终变期(图版 I-5)]; 中期 I (图版 I-6);
后期 I (图版 I-7); 末期 I (图版 I-8); 前期 II (图版 I-9);
中期 II (图版 I-10); 后期 II (图版 I-11); 末期 II (图
版 I-12)和四分体(图版 I-13)。同源四倍体水稻减数
分裂染色体行为与二倍体水稻不同的特点主要表现
在染色体配对、构型和分离等方面; 终变期染色体
配对成多价体, 如四价体、三价体等; 在中期 I、后
期 I等时期, 出现了一定频率的异常行为, 如拖曳染
色体(图版 I-14, I-17)、落后染色体(图版 I-15, I-18)、
微核(图版 I-16, I-19, I-20)等。
同源四倍体水稻和二倍体原种的微管组织变化
的主要特征基本一致 (图版 II-1~20, 其中图版
II-1~11 为二倍体水稻的微管骨架, 图版 II-12~20为
四倍体的), 但同源四倍体水稻花粉母细胞明显比二
倍体的大 , 所以 , 同一时期的微管长度 , 特别是核
周微管, 比二倍体原种相对长而密, 另外, 中期 I的
纺锤体也比二倍体的大; 同源四倍体水稻还出现各
种异常现象。
2.1 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间
染色体行为和微管骨架组织变化特征
2.1.1 前期 I
(1) 细线期: 染色体呈细线状, 凝集成团, 偏在
核仁的一边(图版 I-1)。核周微管密集并呈辐射状,
可见“旋转”分布的微管。
(2) 偶线期 : 同源染色体开始配对 , 染色体开
始变粗、变短(图版 I-2)。微管呈明显的辐射状并具
有极性, 核仁周围的微管比其他部位密集。
(3) 粗线期: 细胞变长, 近似椭圆形, 同源染色
体完全配对并形成联会复合体 , 染色体明显变粗 ,
清晰可见(图版 I-3)。核周微管呈辐射状并组成一个
致密的网络状结构, 在核仁上方可见较长的辐射状
微管(图版 II-12)。
(4) 双线期 : 同源染色体开始局部分开 (图版
I-4)。核膜周围开始形成环绕状微管(图版 II-13)。
(5) 终变期 : 染色体收缩达到最大的限度 , 呈
颗粒状(图版 I-5)。核膜处的环绕状微管数量逐渐增
多, 而细胞质中的微管逐渐减少。在终变期的晚期,
核膜周围形成致密的“套状”微管。
2.1.2 中期 I 细胞内形成纺锤体, 染色体排列
在赤道板上(图版 I-6)。纺锤体微管束呈现明亮的荧
光(图版 II-14)。
2.1.3 后期 I 同源染色体开始分离(图版 I-7)。
纺锤体中部出现极丝微管(图版 II-15)。
2.1.4 末期 I—前期 II 核膜和核仁重新形成(图
版 I-8), 在核膜处的微管呈辐射状。此时, 成膜体微
管形成(图版 II-16)。随着成膜体微管不断地离心扩
展, 细胞板便开始形成。
进入前期 II的细胞开始伸长(图版 I-9)。在 2个
子细胞还未分开时, 还可以观察到残留的成膜体微
管在细胞板的两端形成“锥形”的结构(图版 II-17)。
随着减数分裂的进行, 核膜周围的辐射微管开始重
新出现。
2.1.5 中期 II 两个子细胞分开, 染色体集中在
赤道板上(图版 I-10)。每个子细胞中均形成纺锤体
(图版 II-18)。
2.1.6 后期 II 姐妹染色单体向两极移动(图版
I-11), 纺锤体微管缩短。当染色体位于两个子细胞
的两极后, 极丝开始出现, 并不断增加。
2.1.7 末期 II—四分体时期 在末期 II (图版
I-12), 成膜体在两个子细胞中形成。在两个成膜体
的赤道面位置 , 各出现一条无荧光的“狭缝”(图版
II-19)。随后, 成膜体微管离心式向外扩散并逐渐消失,
并在细胞板两端形成“锥形”结构。随着 4 个子细胞中
核膜的形成, 核膜周围的辐射微管又重新出现。
四分体中的 4 个子细胞呈扇形排列(图版 I-13),
细胞中的核周微管呈辐射状排列(图版 II-20)。随着
4 个子细胞的解离, 核周辐射状的微管的数量不断
增加。
2.2 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间
染色体异常行为和微管骨架组织的异常现象
2.2.1 前期 I
(1) 细线期: 核周辐射状的微管数量少、分布不
均匀, 未见有明显的“旋转”状态。
1780 作 物 学 报 第 36卷

(2) 偶线期 : 微管呈现不规则的网络状结构 ,
没有明显的极性分布, 而具有一些与正常情况下细
线期所具有的特殊“旋转状”微管(图版 III-1)。
(3) 粗线期 : 核膜周围的微管混乱 , 呈现不均
一的网络状(图版 III-2)。
(4) 双线期 : 核膜周围的微管数量少 , 呈断裂
状(图版 III-3)。有些细胞中的环绕状微管虽已形成,
但部分微管却已解聚并呈疏松的网状结构。
(5) 终变期 : 染色体异常主要见于多价体 , 包
括四价体和三价体等 , 其染色体构型为 (0.43±
0.84)I+(10.54±3.80)II+(0.13±0.37)III+(6.53±1.99)IV。微
管在核膜周围形成网状结构, 但微管的数量稀少(图
版 III-4, 5)。有的细胞中微管分布不均匀, 或形状异
常, 微管凌乱无序。
2.2.2 中期 I 出现各种染色体拖曳现象(图版
I-14), 纺锤体的形态和微管数量异常, 表现两极发
散或不形成典型结构的纺锤体(图版 III-6, 7)。
2.2.3 后期 I 和末期 I 后期 I所观察的染色体异
常现象主要见于: 染色体落后(图版 I-15)、染色体提
前分离到细胞两极和染色体桥。有些细胞形状异常,
染色体凝集成团。末期 I 的染色体异常现象主要见
于微核(图版 I-16), 微管异常主要表现胞质中出现
点状结构(图版 III-8)。
2.2.4 中期 II—四分体时期 中期 II出现染色体
拖曳现象(图版 I-17)。在后期 II出现落后染色体(图
版 I-18)。在末期 II和四分体时期均可见微核等异常
现象(图版 I-19, 20)。有些细胞在末期 II表现二分体
细胞两端相连不分开(图版 III-9); 有些细胞不形成
典型的成膜体微管 , 而形成混乱的微管结构(图版
III-10)。有些细胞不形成四分体, 而是三分体, 子细
胞内的微管混乱(图版 III-11), 有些四分体形成游离
孢子 , 含两个核仁 , 核周围的微管随机排列 (图版
III-12)。
3 讨论
3.1 水稻花粉母细胞减数分裂过程中微管骨架
组织变化与功能的联系
结合间接免疫荧光标记技术和电镜技术等研究
方法, 许多研究者对植物花粉发育过程主要时期的
微管骨架构型进行了研究[15-20]。不同的微管构型在
细胞中的功能是不同的。目前认为微管在植物细胞
中主要有 4种重要的作用, 包括确定细胞的分裂面、
控制染色体在细胞中的位置、形成细胞板或成膜体和
控制细胞的形态[21], 以及前期呈网络状的核周胞质微
管参与细胞核的定位及向细胞表面运输物质[22]。
关于水稻小孢子发生过程中的微管骨架 1998
年曾见报道。最早是采用游离细胞的酶解粘片法对
水稻小孢子发育过程中部分时期的微管骨架进行研
究[12]。冯九焕等[23]也采用此方法观察水稻小孢子发
生过程中微管构型的变化, 认为水稻的微管构型与
玉米、脂麻掌及一些低等苔藓植物基本一致, 主要
有减数分裂前期的核周胞质微管, 中期的纺锤体微
管及后期的成膜体微管 3 种类型。Zee 等[24]采用特
殊的处理方法, 克服了荧光标记难以进入水稻花粉
细胞的问题, 对水稻花粉发育过程中的微管骨架变
化进行了研究。Xu等[25]结合粘片法和 PEG切片法,
重点观察了水稻花粉母细胞减数分裂前期 I 的微管
骨架构型变化, 发现处于减数分裂前期 I的细胞, 存
在一些新的和特殊的微管组织结构和分布。在细线
期, 核周辐射微管呈螺旋状, 这种微管可能与细胞
核在这个时期具有旋转功能有关[14]; 偶线期的微管
呈极性分布, 但是微管在这个时期出现极性分布的
原因不明。在植物有丝分裂中, 细胞分裂面所处的
位置与早前期带(pre-prophase band, PPB)的位置是
密切相关的, 这与 Nick[21]观点一致。对植物的减数
分裂过程观察发现, 减数分裂各个时期都不存在早
前期带这种结构[26], 推测这种在花粉母细胞减数分
裂终变期形成的带状结构可能与有丝分裂中的早前
期带有相似功能。
本文观察到的情况与前人所报道的基本一致。
即在前期 I 粗线期核周呈现辐射状的微管、双线期
为环绕状的微管、终变期则形成结构致密“套”状微
管(在核膜消失后可以保护染色体, 以避免染色体进
入细胞质中形成微核); 中期纺锤体微管; 后期的极
丝微管; 末期的成膜体微管。除此以外, 还观察到一
些处于减数分裂过渡时期的微管骨架变化。如在前
期 II, 残留的成膜体微管分别在细胞板的边缘形成
“锥形”结构。但并未在中期 II 的细胞中观察到这种
锥形结构。在末期 II, 即细胞还没有形成四分体的
时候, 可以观察到这种由成膜体微管形成的“锥形”
结构。朱徵等[26]在描述植物体细胞的微管周期中提
到过这种“锥形”结构, 认为当胞质分裂完成后, 成
膜体微管逐渐消失殆尽。这些逐渐消失的成膜体微
管往往在细胞板与旧壁相连接处保留较长时间的荧
光痕迹。我们曾发现水稻在胞质分裂中, 在末期 I,
当细胞完成第一次胞质分裂后, 在前期 II 及以后的
第 10期 何金华等: 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织和结构变化 1781


时期中, 存在细胞质不完全分裂的现象。在两个子
细胞的连接处, 可以观察到成膜体微管的存在。所
以, 可以认为在末期 II 细胞的第一次分裂面存在的
成膜体微管并非重新产生的, 而是从末期 I 就一直
被保留了下来。
3.2 倍性改变对水稻花粉母细胞减数分裂微管
骨架组织变化的影响
人们在二倍体植物花粉发育过程中的微管骨架
形态变化方面做了大量的研究, 然而未见同源四倍
体植物(包括水稻)的有关研究。本文表明同源四倍
体水稻花粉母细胞各个时期微管比二倍体中的长而
密, 特别是核周微管, 中期 I和中期 II的纺锤体也比
二倍体的大; 且其花粉母细胞减数分裂期间微管组
织出现多种异常现象, 如细线期未出现“旋转状”微
管。最有特点的是双线期细胞内微管未能正常地向
核膜靠拢并“编织”, 在中期 I 和中期 II 出现多种异
常的纺锤体, 以及出现纺锤体定向改变和三分体的
形成等。
3.3 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂染色
体异常行为与微管骨架组织变化异常的关系
同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间染色
体行为异常现象前人已报道 [9-10,27-28], 本文研究也
发现各种异常现象, 其中最早观察到的异常出现在
偶线期。由于该时期是同源染色体配对的最重要时
期, 微管骨架参与同源染色体的识别和进一步的配
对 [29-30], 所以, 我们认为同源四倍体水稻花粉母细
胞减数分裂偶线期微管出现的异常可能与染色体的
识别和进一步配对出现的异常有关。随着异常的进
一步加剧, 必定影响正常纺锤体的形成, 从而影响
染色体的排列和进一步的分离, 导致异常四分体形
成, 最后使花粉败育。至于早期出现的微管异常, 推
测可能是同源四倍体水稻中组成微管的各种成分因
为基因剂量的增加而表达数量不平衡, 导致异常组
织结构的发生。已有研究证明, 染色体组的多倍体
化对蛋白质的结构是没有影响的, 但却影响蛋白质
的表达量[31-32]。组成微管的主要成分是两种微管蛋白,
它们通过非共价的相互作用形成稳定的二聚体[33]。除
此以外, 在细胞体内还存在一类与微管息息相关的
辅助蛋白, 它们与微管特异结合并影响微管的结构
和功能。
4 结论
同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂过程各时
期的微管骨架组织主要特点与二倍体水稻基本一致,
但同时期的微管长度和密度比二倍体长和密, 同时
出现多种异常现象, 中期 I 以后的各时期还出现染
色体行为异常。初步认为, 微管组织的异常可能与
染色体异常行为有关, 两者协同作用最终导致同源
四倍体水稻花粉育性偏低。

致谢: 实验得到华南农业大学高级实验师杨秉耀、
实验员俞淑红, 以及实验室其他老师的协助, 在此
一并致谢。
References
[1] Bingham E T, Groose R W, Woodfield D R, Kidwell K K. Com-
plementary gene interactions in alfalfa is greater in auto-
tetraploids than in diploids. Crop Sci, 1994, 34: 823829
[2] Chen Z-Y(陈志勇), Wu D-Y(吴德瑜), Song W-C(宋文昌),
Zhang Y-H(张玉华), Qin R-Z(秦瑞珍), Bao W-K(鲍文奎). Re-
search advances in autotetraploid rice breeding. Sci Agric Sin (中
国农业科学), 1987, 20(1): 2024 (in Chinese with English ab-
stract)
[3] Song W-C(宋文昌), Zhang Y-H(张玉华). Rice tetraploid and its
affect on agronomic traits and nutritional constituents. Acta
Agron Sin (作物学报), 1992, 18(2): 137144 (in Chinese with
English abstract)
[4] Zhang H-H(张华华), Feng J-H(冯九焕), Lu Y-G(卢永根), Yang
B-Y(杨秉耀), Liu X-D(刘向东). Observation on the formation
and development of autotetraploid rice embryo sac using laser
scanning confocal microscopy. J Chin Electron Microscopy Soc
(电子显微学报), 2003, 2(5): 380384 (in Chinese with English
abstract)
[5] Guo H-B(郭海滨), Lu Y-G(卢永根), Liu X-D(刘向东), Feng
J-H(冯九焕), Yang B-Y(杨秉耀). Further observation on the
formation and development of autotetraploid rice embryo sac us-
ing laser scanning confocal microscopy. Acta Laser Biol Sin (激
光生物学报), 2006, 15(2): 111117 (in Chinese with English ab-
stract)
[6] Xiao B(肖波), Liu X-D(刘向东), Lu Y-G(卢永根), Li J-Q(李金
泉), Zhao X-J(赵杏娟). Structure of embryo sac and fertilization
in intersubspecific hybrids of autotetraploid rice. Acta Agron Sin
(作物学报), 2005, 31(9): 11501156 (in Chinese with English
abstract)
[7] Zhao M-H(赵明辉), Liu X-D(刘向东), Lu Y-G(卢永根), Li
J-Q(李金泉), Guo H-B(郭海滨). Chromosome pairing behavior
and reproduction in the hybrid developed by the interaction of
different pollen sterile genes in autotetrapioid rice. Acta Agron
Sin (作物学报), 2006, 32(10): 14721478 (in Chinese with Eng-
lish abstract)
[8] Hu C Y, Zeng Y X, Lu Y G, Li J Q, Liu X D. High embryo sac
1782 作 物 学 报 第 36卷

fertility and diversity of abnormal embryo sacs detected in auto-
tetraploid indica/japonica hybrids in rice by whole-mount eosin
B-staining confocal laser scanning microscopy. Plant Breed,
2009, 128: 187192
[9] Long W-B(龙文波), Luan L(栾丽), Wang X(王兴), Liu Y-H(刘
玉花), Tu S-B(涂升斌), Kong F-L(孔繁伦), He T(何涛). Cyto-
genetical comparison of restorers TP-4 and D Minghui 63 and
maintainer D46B of autotetraploid rice. Hereditas (遗传), 2007,
29(4): 462470 (in Chinese with English abstract)
[10] Luan L, Tu S B, Long W B, Wang X, Liu Y H, Kong F L, He T,
Yan W G, Yu M Q. Cytogenetic studies on two F1 hybrids of
autotetraploid rice varieties showing extremely high level of het-
erosis. Plant System Evol, 2007, 26: 205213
[11] Schmit A C, Endle M C, Lambert A M. The perinuclear micro-
tubule-organizing center and the synaptonemal complex of higher
plants share a common antigen: its putative transfer and role in
meiotic chromosome ordering. Chromosoma, 1996, 104:
405413
[12] Xu S X, Ye X L. Changes in the pattern of organization of
microtubules during microspore formation in rice (Oryza sativa
L.). Acta Bot Sin, 1998, 40: 585590
[13] Ye X-L(叶秀麟), Yeung E(杨子德), Xu S-X(徐是雄), Liang
C-Y(梁承邺 ). Microtubule structure and male sterility in a
gene-cytoplasmic male sterile line of rice, Zhenshan 97A. Acta
Bot Sin (植物学报), 2003, 45(2): 183192 (in English with Chi-
nese abstract)
[14] Liu X D, Lu Y G, Zhu H L, Feng J H, Xu S X. Abnormal behav-
ior of nuclei and microtubule(MT) organizational changes during
embryo sac development in the poly-egg mutant, APIV of rice.
Acta Bot Sin, 2004, 46: 829838
[15] Meerow A W, Dehgan B. Pollen morphology of the eucharidead
(Amaryllidaceae). Am J Bot, 1988, 75: 18571870
[16] Traas J A, Burgain S, Dumas R. The organization of cytoskeleton
during meiosis in eggplant (Solanum melongena L.): micro-
tubules and F-actin are both necessary for coordinated meiotic
division. J Cell Sci, 1989, 92: 541550
[17] Hause G, Hause B, Lammeren A A M. Microtubular and actin
filament configurations during microspore and pollen develop-
ment in Brassica napus cv. Topas. Can J Bot, 1992, 70:
13691376
[18] Brown R C, Lemmon B E. Pollen development in orchids 4. Cy-
toskeleton and ultrastructure of the unequal pollen mitosis in
Phalaenopsis. Protoplasma, 1992, 167: 183192
[19] Brown R C, Lemmon B E. Division polarity, development and
configuration of microtubule arrays in Bryophyte meiosis: II.
Anaphase to the tetrad. Protoplasma, 1987, 138: 110
[20] Uehare K, Murakami S. Arrangement of microtubules during
spore formation in Equisetum arvense (Equisetaceae). Am J Bot,
1995, 82: 7580
[21] Nick P. Plant Microtubules: Potential for Biotechnology. German:
Springer, 2000. pp 159162
[22] Dickson H G, Sheldon J M. A radial system of microtubules ex-
tending between the nuclear envelope and the plasma membrane
during early male haplophase in flowering plants. Planta, 1984,
161: 8690
[23] Feng J-H(冯九焕), Liu X-D(刘向东), Lu Y-G(卢永根). A pre-
liminary study on microtubular cytoskeleton during microsporo-
genesis of rice. J South China Agric Univ (华南农业大学学报),
1999, 20(3): 15 (in Chinese with English abstract)
[24] Zee S Y, Ye X L. Microtubule reorganization during pollen de-
velopment of rice (Oryza sativa L.). Protoplasma, 2000, 210:
188201
[25] Xu S X, Liu X D, Feng J H, Lu Y G. Comparative studies on the
changes of microtubule distribution and reorganization during the
meiotic stages of development in normal (IR36) and a tempera-
ture/photoperiod sensitive male sterile line (Pei’ai 64S) of rice
(Oryza sativa L.). Acta Bot Sin, 2001, 43: 221226
[26] Zhu Z(朱徵), Xu S-X(徐是雄). Plant Cell Cytoskeleton (植物细
胞骨架). Beijing: Science Press, 1996. pp 6061 (in Chinese)
[27] Liu Z-X(刘宗贤 ), Qin R-Z(秦瑞珍 ). Selection of primary
trisomics from anther culture of autotetraploid rice (Oryza sativa
L.). Acta Bot Sin (植物学报), 1995, 37(2): 125133 (in Chinese
with English abstract)
[28] Liu Z-X(刘宗贤), Qin R-Z(秦瑞珍). Cytological basis of select-
ing primary trisomics through anther culture of tetraploid rice
(Oryza sativa L.). Sci Agric Sin (中国农业科学), 1995, 28(6):
18 (in Chinese with English abstract)
[29] Yang M, Ma H. Male meiotic spindle lengths in normal and mu-
tant Arabidopsis cell. Plant Physiol, 2001, 126: 622630
[30] Higuchi T, Uhlmann F. Stabilization of microtubule dynamics at
anaphase onset promotes chromosome segregation. Nature, 2005,
433: 171176
[31] Zhang X-J(张晓菁), Chen J-S(陈劲松), Lei C(雷春), Chen
Z-L(陈龙正), Qian C-T(钱春桃), Diao W-P(刁卫平). AFLP
analysis of genetic differences among cucumber materials with
different ploidies. Acta Bot Boreal-Occident Sin (西北植物学报),
2006, 26(11): 22652269 (in Chinese with English abstract)
[32] Xie H-B(谢慧波), Huang Q-C(黄群策), Li G-P(李国平), Wang
X-L(汪杏莉), Ye C-Y(叶丛云), Qin G-Y(秦广雍). Differential
expression of the proteins in endosperms of rice with different
chromosome sets. Hereditas (遗传), 2007, 29(3): 360364 (in
Chinese with English abstract)
[33] Jiang J-Z(姜金仲), Li-Y(李云), Cheng J-X(程金新). Variation of
both DNA genetic structure and reproduction traits of plant auto-
tetraploid. Hereditas (遗传), 2006, 28(9): 11851190 (in Chinese
with English abstract)
第 10期 何金华等: 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织和结构变化 1783



图版 I 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间染色体变化(×3000)
1: 细线期, 染色体呈细线状, 凝集成团; 2: 偶线期, 同源染色体开始配对; 3: 粗线期, 染色体明显变粗, 清晰可见; 4: 双线期, 同源
染色体开始局部分开; 5: 终变期, 染色体收缩达到最大的限度, 呈颗粒状; 6: 中期 I, 染色体排列在赤道板上; 7: 后期 I, 同源染色体
开始分离; 8: 末期 I, 核仁、核膜重新形成; 9: 前期 II; 10: 中期 II, 染色体排列在赤道板上, 两个子细胞两端还未完全分开(箭); 11: 后
期 II, 姐妹染色体向两极移动; 12: 末期 II; 13: 四分体时期。14~20为 DAPI染色: 14: 异常中期 I, 染色体拖曳(箭); 15: 异常后期 I, 落
后染色体(箭); 16: 异常末期 I, 微核(箭); 17: 异常中期 II, 染色体拖曳(箭); 18: 异常后期 II, 落后染色体(箭); 19: 异常末期 II, 微核
(箭); 20: 异常四分体, 微核(箭)
Plate I Chromosome behaviors during PMC meiosis in autotetraploid rice (×3000)
1: Leptotene, chromosomes condensed into long strands and stayed at one side of the nucleus; 2: Zygotene, homologous chromosomes pairing; 3:
Pachytene, chromosome condensed significantly; 4: Diplotene, homologous chromosomes separated partly; 5: Diakinesis, chromosomes condensed in
maximum and looked like particles; 6: Metaphase I, chromosomes aligned at the equator; 7: Anaphase I, homologous chromosomes began to separate;
8: Telophase I, nuclear membrane and nucleus reformed; 9: Prophase II; 10: Metaphase II, chromosomes aligned at the equator of two daughter cells
that did not separate completely (arrow); 11: Anaphase II, chromosomes separated and moved towards opposite poles of the cell; 12: Telophase II; 13:
Tetrad stage, the cells were stained using DAPI from Fig. 14 to 20. 14: Abnormal metaphase I, straggling chromosome (arrow); 15: Abnormal ana-
phase I, lagging chromosome (arrow); 16: Abnormal telophaseI, micronucleus (arrow); 17: Abnormal metaphase II, straggling chromosome (arrow);
18: Abnormal anaphase II, lagging chromosome (arrow); 19: Abnormal telophaseII, micronucleus (arrow); 20: Abnormal tetrad, micronucleus (ar-
row).








1784 作 物 学 报 第 36卷



图版 II 二倍体水稻和同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织变化(其中图 1~11 为二倍体水稻的微管, 12~20 为同源
四倍体水稻的微管)(bar=5 μm)
1: 粗线期, 微管形成非常致密的网状结构; 2: 双线期, 两个核仁(箭), 环绕状微管明显。3: 终变期, 环绕状微管集中在核膜处, 形成
一带状结构(箭); 4: 中期 I, 纺锤体形成; 5: 后期 I, 纺锤体微管拉动染色体向细胞的两极移动, 在染色体之间有少量的极丝(箭); 6: 末
期 I, “毛刷”结构(箭头), 无荧光狭缝(箭); 7: 末期 I, 成膜体周围的成膜体微管互相平行(箭); 8: 中期 II, 纺锤体形成; 9: 后期 II, 纺锤
体微管缩短, 出现极丝(箭)。10: 末期 II, 成膜体微管在赤道面形成无荧光的狭缝(箭); 11: 末期 II, 成膜体微管形成锥形的结构(箭)。
12: 粗线期, 核仁位于核区顶部, 核周微管形成疏松网状结构; 13: 双线期, 核周出现环绕状微管(箭); 14: 中期 I, 染色体排列在赤道
板上; 15: 后期 I, 染色体分离到细胞两极, 上方的纺锤体微管缩短(箭头), 纺锤体中间出现极丝微管(箭); 16: 末期 I, 成膜体形成(箭);
17: 前期 II, 残留的纺锤体微管在细胞板两端形成锥形结构(箭); 18: 中期 II, 两个子细胞分别形成纺锤体; 19: 末期 II, 子细胞成膜体
形成, 在赤道面形成无荧光的狭缝; 20: 四分体时期, 子细胞核周微管呈辐射状。
Plate II Changes in the pattern of organization of microtubules during meiosis in diploid and autotetraploid rice (Fig. 1–12 show the
microtubules in diploid rice; Fig. 13–20 show the microtubules in autotetraploid rice) (bar=5 μm)
1: Pachytene, microtubules formed a dense mess; 2: Diplotene, two nucleolus (arrow), circumferential microtubules became more obviously; 3:
Diakinesis, circumferential microtubules around the nuclear envelope formed a perinuclear broad band (arrow); 4: Metaphase I, spindle formed; 5:
Anaphase I, chromosomes moved toward two poles of the cell. Inter-zonal microtubules appeared (arrow); 6: Telophase I, microtubules formed a
“brush” structure (arrow head). A narrow slot without fluorescence appeared (arrow); 7: Telophase I, phragmoplast microtubules paralleled with each
other (arrow); 8: Metaphase II, spindles were formed in each daughter cell; 9: Anaphase II, spindles microtubules became shorter. Inter-zone micro-
tubules appeared (arrow); 10: Telophase II, a narrow slot without fluorescence formed in the equator in each daughter cell (arrow); 11: Telophase II,
phragmoplast microtubules formed a taper structure at each side of future cell plate (arrow); 12: Pachytene, perinuclear microtubules formed a loose
network; 13: Diplotene, circumferential microtubules appeared (arrow); 14: Metaphase I, chromosomes arranged on the equator area; 15: anaphase I,
chromosomes moved towards two poles of the cell, spindle microtubules became shorter (arrow head). Inter-zone microtubules appeared in middle of
spindle (arrow); 16: Telophase I, phragmoplast formed (arrow); 17: Prophase II, Phragmoplast microtubules formed a taper structure at each edge of
the cell plate (arrow); 18: Metaphase II, the spindle was formed in two daughter cells; 19: Telophase II, daughter cells formed phragmoplast. A narrow
slot without fluorescence formed in the equator in each daughter cell; 20: Tetrad stage, Perinuclear microtubules. Radiated from the nuclear envelope
to the cytoplasm.
第 10期 何金华等: 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织和结构变化 1785





图版 III 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间微管骨架组织的异常现象(bar=5 μm)
1: 偶线期, 核周微管排列无序(箭); 2: 粗线期, 核膜周围的微管混乱, 未见明显网络状(箭); 3: 双线期, 核仁上方的微管数量少, 呈断
裂状(箭); 4: 终变期, 核周的微管呈环绕状, 箭示核仁和染色体; 5: 终变期, 核周的微管呈环绕状(箭), 但数量极少, 箭头示染色体; 6:
中期 I, 染色体拖曳, 细胞拉长, 纺锤体两极发散(箭); 7: 异常中期 I (箭); 8: 异常末期 I, 染色体上方无纺锤体微管(箭), 姐妹染色体团
之间的成膜体微管异常, 细胞质中布满了点状微管(箭头); 9: 异常末期 II, 2个子细胞两端相连不分开; 10: 末期 II, 成膜体微管异常;
11: 三分体, 细胞中的微管排列无序; 12: 游离小孢子, 2个核仁(箭), 微管随机排列。
Plate III Abnormal changes in the pattern of organization of microtubules during meiosis in autotetraploid rice (bar=5 μm)
1: Zygotene, perinuclear microtubules randomly arranged (arrow); 2: Pachytene, perinuclear microtubules formed a diffuse network (arrow); 3: Dip-
lotene, the microtubules on the nucleolus were thin and presented to be cut into separated bundles (arrow); 4: Diakinesis, perinuclear microtubules
were thin. Arrow indicated nucleolus and chromosome; 5: Diakinesis, chromosomes presented conglobations (arrow head). The circumferential
microtubules decreased a lot in number (arrow); 6: Metaphase I, chromosomes straggling, the two poles of the spindle were broad (arrow); 7: Abnor-
mal metaphase I (arrow); 8: Abnormal telophaseI, there were no microtubules on two chromosomes sets (arrow). Phragmoplast microtubules appeared
abnormal. In the cytoplasm, there were many speckle microtubules (arrow head); 9: Abnormal telophase II, showing two daughter cells contacting to
each other at the edges of the cell; 10: Telophase II, no phragmoplast microtubules formed; 11: Tri-fission, microtubules randomly arranged in the top
cell; 12: Separated microspore stage, two nuclei (arrow). Microtubules randomly arranged.