全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(10): 1788−1796 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家自然科学基金项目(30300215)
作者简介: 韦存虚(1973–), 男, 安徽临泉人, 博士, 副教授, 从事植物细胞结构与功能研究。E-mail: yzuwcx@yahoo.com.cn
Received(收稿日期): 2008-01-10; Accepted(接受日期): 2008-05-06.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.01788
大麦胚乳小淀粉粒的发育
韦存虚1 张 军1 周卫东2 陈义芳2 许如根3
(1 扬州大学生物科学与技术学院; 2 扬州大学测试中心; 3 扬州大学农学院, 江苏扬州 225009)
摘 要: 大麦籽粒大、小淀粉粒具有不同的结构和化学组成, 对籽粒品质影响较大。本文利用电子显微镜技术, 系统
观察了大麦胚乳小淀粉粒的发育过程, 以期为培育不同小淀粉粒含量的大麦品种提供参考。大麦大淀粉粒在胚乳发
育早期发生与发育, 包含大淀粉粒的大淀粉体通过缢缩进行增殖, 每个大淀粉体只包含 1个大淀粉粒; 小淀粉粒在胚乳
发育中、后期发生与发育, 包含大淀粉粒的大淀粉体被膜向细胞基质突起, 出芽产生许多小淀粉体, 小淀粉粒在小淀
粉体内发生与发育; 包含小淀粉粒的小淀粉体被膜外突出芽产生许多新的小淀粉体, 用来形成小淀粉粒; 多个小淀
粉粒可以同时在一个小淀粉体内发生与发育; 当淀粉体被淀粉粒所充满时, 被膜降解消失, 释放淀粉粒到细胞基质
中。研究表明, 小淀粉体来源于淀粉体被膜的外突, 多个小淀粉粒可以在 1个小淀粉体内发生与发育, 属于复粒淀粉。
关键词: 大麦; 胚乳; 淀粉体; 小淀粉粒; 复粒淀粉; 单粒淀粉
Development of Small Starch Granule in Barley Endosperm
WEI Cun-Xu1, ZHANG Jun1, ZHOU Wei-Dong2, CHEN Yi-Fang2, and XU Ru-Gen3
(1 College of Bioscience and Biotechnology; 2 Analytical Centre; 3 Agricultural College, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China)
Abstract: Mature starchy endosperm of barley is mainly composed of starch. The structural characteristics and physicochemical
properties of barley starch differ with granule size, which is important in final product applications of barley flours. To produce
barley cultivars with predominantly large or small starch granules, it is necessary to understand the development of large and
small starch granules during barley endosperm development. However, only large starch granule in barley has been studied cur-
rently, while little information is available on small starch granule development. In this study, we used Yangsimai 3 as the material
to investigate small starch granule development in barley endosperm. Starch granules in barley mature endosperm showed a
three-size distribution after differential sedimentation. The average long axis of A-, B-, and C-type starch granules was 16.1, 7.9,
and 2.6 μm, and their percentage in total starch weight was 87.2%, 11.9%, and 0.9%, respectively. Large starch granule (A-type)
increased quickly in size with approximate maximum diameter at 12 days after ear stem emerging from flag leaf sheath (DAE).
The number of large starch granules in endosperm cell changed little after 16 DAE. Small starch granules (B- and C-types) initi-
ated at 12 DAE and increased quickly in number from 12 to 20 DAE. After 20 DAE, the magnitude of increase in number of small
starch granules reduced. Scanning electron micrographs indicated that large starch granules showed a disk shape and small starch
granules showed a spherical or irregularly polygonal shape. Endosperm cells had large amyloplast that exhibited protrusions from
envelope at 10 DAE. Spherical small amyloplast appeared at 12 DAE and increased quickly in number at 20 DAE. Some small
amyloplasts showed polygonal shape at 24 DAE. Many irregularly polygonal small starch granules were observed around large
starch granules after 28 DAE. Transmission electron micrographs with conventional glutaraldehyde-osmium tetroxide fixation
showed that early endosperm cells contained amyloplasts that contained single starch granule. Large amyloplasts with large starch
granules divided and increased in number through binary fission at 12 DAE. One large amyloplast had only one large starch gra-
nule. The envelopes of large and small amyloplasts were difficultly observed after 12 DAE. Transmission electron micrographs
with potassium permanganate fixation showed a distinct endomembrane organization, in particular, the structure associations of
the amyloplast envelope with amyloplast proliferation during endosperm development. Endosperm cells had large amyloplasts
that exhibited protrusion at 12 DAE, and some of the protrusions contained small starch granules. Small amyloplasts with small
starch granules formed new small amyloplasts to produce small starch granules by the way of protruding of their envelopes at 16
第 10期 韦存虚等: 大麦胚乳小淀粉粒的发育 1789

DAE. Many small starch granules formed and developed in one small amyloplast. With small starch granules development in one
small amyloplast, some small starch granules became irregularly polygonal shape when they enlarged close to one another. The
amyloplast envelope began to degrade and released starch granules into cell matrix when amyloplast was full of starch granules.
The above results showed that small amyloplasts came from the protrusion of amyloplast envelopes. Many small starch granules,
which were compound starch granules, formed and developed in one small amyloplast.

Keywords: Barley; Endosperm; Amyloplast; Small starch granule; Compound starch granule; Single starch granule
大麦的全球种植面积仅次于小麦、水稻和玉米,
在禾谷类粮食作物中排第 4 位。和其他禾谷类作物
类似, 大麦胚乳主要由淀粉组成, 占大麦籽粒净重
的 2/3∼3/4, 淀粉以淀粉粒的形式存在, 淀粉粒的大
小差别较大。Kang等[1]将大麦淀粉粒分为大、小 2
种类型; Takeda等[2]将大麦淀粉粒分为大(A型)、中(B
型)、小(C型) 3种类型, 其中小淀粉粒数目占胚乳总
淀粉粒数目的 85%左右, 但重量仅占 10%左右, 小
淀粉粒的直链淀粉含量比大淀粉粒高; 不同类型的
淀粉粒具不同的理化特性、结构和功能[1-4]。研究表
明, 不同品种的大麦大、小淀粉粒具有不同的结构
和化学组成 , 对其籽粒品质影响较大 [2,5-9], 如富含
小淀粉粒的大麦籽粒不适于酿造加工, 而适于制作
纸张和化妆品, 而富含大淀粉粒的大麦适合酿造加
工[10-11], 因此对大麦大、小淀粉粒的研究具有重要
的理论和应用价值。但目前相关研究多集中在对不
同品质的成熟籽粒淀粉粒的理化性质方面, 对淀粉
粒的发生发育研究报道较少[1-9]。由于常规的透射电
镜样品制备采用戊二醛和四氧化锇双重固定, 胚乳
发育早期的淀粉体被膜可以观察到 , 但胚乳发育
中、后期淀粉体被膜无法观察到, 因此对淀粉粒的
发育研究只集中在大淀粉粒方面, 而对小淀粉粒的
发生发育研究未见报道[12-13]。本研究系统观察了大
麦小淀粉粒的发生发育, 以期为培育小淀粉粒含量
不同的大麦新品种提供重要的科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
2005—2006年在扬州大学试验农场按常规方法
种植扬饲麦 3号。该品种是闭颖开花, 在齐穗期同一
天挂牌标记穗茎露出剑叶鞘的时间, 然后每隔 2 d
取麦穗中部的小穗籽粒制样和观察, 每个时期分别
取 3个不同的麦穗。
1.2 以戊二醛-四氧化锇双重固定制备透射电镜
样品与观察
取不同发育时期的大麦颖果, 去掉两端, 留中
部, 按照我们以前的方法制备样品[14]。将样品包埋
块在Leica超薄切片机上用玻璃刀切取 1 μm厚的半
薄切片, 经席夫试剂和甲苯胺蓝双重染色后, 于光
学显微镜下观察, 用其附带的成像系统拍照。再将
切过半薄切片的包埋块进一步修块, 用钻石刀在超
薄切片机上切取厚度约 70 nm的超薄切片, 经醋酸
双氧铀和柠檬酸铅双重染色后, 于Philips Tecnai 12
透射电子显微镜(荷兰)下观察, 用附带的CCD成像
系统拍照。
1.3 以高锰酸钾固定制备透射电镜样品与观察
取不同发育时期的大麦颖果, 去除果皮, 切取籽
粒中部的部分胚乳, 按照我们以前的方法制样[15]。将
样品迅速放入 1.2%高锰酸钾固定液(巴比妥钠缓冲液
配制, 含 0.5% NaCl), 0∼4℃下固定 4 h, 用缓冲液洗
涤, 再用 35%乙醇脱水 20 min, 70%乙醇固定 12 h, 经
83%、95%和 100%乙醇依次脱水, 环氧丙烷代换 2
次, 用Spurr’s树脂渗透和包埋。在Leica超薄切片机
上用钻石刀切取样品包埋块厚度约 70 nm的超薄切
片 , 经醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色 , 在Philips
Tecnai12透射电镜下观察并拍照。
1.4 扫描电镜样品制备与观察
取不同发育时期的大麦颖果, 按常规扫描电镜
样品制备方法制样。新鲜颖果迅速投入 2.5%戊二醛
固定液 (0.1 mol L−1磷酸钠缓冲液配制 , pH 7.2),
0∼4℃固定 1 d以上, 用磷酸钠缓冲液清洗 3次, 再用
梯度乙醇系列脱水、醋酸异戊脂代换、二氧化碳临
界点干燥。将中部自然断裂的干燥籽粒用双面胶带
粘在样品台上 , 经离子溅射仪镀金膜 , 于Philips
XL-30 ESEM扫描电子显微镜(荷兰)下观察并拍照。
1.5 淀粉粒的分离、分类与电镜观察
对大麦籽粒淀粉粒的分类, 不同的研究者有不
同的方法[1-2], 参考Takeda等[2]的方法分离成熟籽粒
的淀粉粒 , 采用自然沉淀法 , 将淀粉粒分为大 (A
型)、中(B型)、小(C型)淀粉粒, 即分离的总淀粉粒
在水溶液中自然静置 0~2 h沉淀下来的为A型, 2~20
h沉淀下来的为B型, 20 h未沉淀下来的为C型。参考
1790 作 物 学 报 第 34卷

我们曾报道的方法 [9], 利用扫描电镜观察A、B和C
各型淀粉粒的形态。
尽管可将成熟籽粒按上述方法分为 3 种类型,
并且B和C型淀粉粒大小差别较大, 但在观察结构时,
很难将B、C型淀粉粒明显区分开, 加之从系统观察
结果看, B和C型淀粉粒发生发育相似, 因此本文对
大麦淀粉粒的分类仍采用Kang等[1]的方法, 将其分
为大、小两类, 即将上述的B和C型统称为小淀粉粒,
A型称为大淀粉粒。
1.6 淀粉粒大小和积累动态的分析
参照我们以前的方法统计分析成熟籽粒分离的
淀粉粒大小[9]。对于不同发育时期的胚乳细胞内大
淀粉粒, 在半薄切片的显微图片上, 随机选取 4 个
区域 , 每个区域随机选取 50 粒大淀粉粒 , 利用
JEDR801D形态学图像分析软件测量大淀粉粒剖面
的长轴和短轴长度, 计算出 200 个淀粉粒的长轴和
短轴的平均值和标准差。对于不同发育时期胚乳细
胞内大、小淀粉粒数量的积累动态, 在颖果侧面的
半薄切片的显微图片上, 从离糊粉层 4 层细胞远的
淀粉胚乳细胞中, 随机选取 4个区域(0.2 mm × 0.2
mm), 统计每个区域内大、小淀粉粒的数目, 计算出
单位面积内大、小淀粉粒的数目, 最后统计出 4 个
区域内大、小淀粉粒数目的平均值和标准差。
2 结果与分析
2.1 淀粉粒的分类、大小和积累动态
扫描电镜观察显示, A 型淀粉粒多呈椭球形或
盘状(图 1-A), B型淀粉粒多呈球状(图 1-B), C型淀
粉粒有球形、角形和不规则形状(图 1-C)。有些 B和
C 型淀粉粒在垂直于淀粉粒长轴的末端还表现为断
面形态(图 1-B, C), 为排除这些淀粉粒以及角形和不
规则形状的淀粉粒是淀粉粒分离时人为造成的可能,
进行了成熟籽粒的自然断裂面的观察, 发现也有许
多类似形状的中、小淀粉粒(图 1-M)。透射电镜观察
也证实这些形状淀粉粒的存在(图 4和图 5)。这充分
说明具有断裂面的淀粉粒和多角形以及不规则形状
的淀粉粒是正常发育的结果。在 3种类型中, A型淀
粉粒含量最多, C型淀粉粒含量极少(表 1)。
图 1-D和图 2表明, 大淀粉粒体积增加很快, 在
抽穗后 12 d就接近最大值, 以后体积增加较小。由
于小淀粉粒体积较小, 光学显微镜下无法对它们进
行统计分析。扫描电镜观察结果显示, 小淀粉粒在
发生后体积也迅速增加, 但最终体积较小(图 1)。由
图 3可以看出, 大淀粉粒在早期胚乳单位面积内含量
较高, 随着发育, 数量降低, 抽穗 16 d以后, 数量变
化不大。大淀粉粒在早期胚乳中含量降低可能是由
于随着发育, 胚乳细胞体积逐渐增大, 而单个胚乳
细胞内的大淀粉粒的数量可能变化不大, 抽穗 16 d
后, 胚乳细胞体积不再增大, 因此大淀粉粒数量也
就稳定下来。小淀粉粒在抽穗后 12 d出现, 随着发
育, 数量急剧增加。抽穗 20 d 以后, 数量增加较缓
慢。

表 1 成熟籽粒 A、B和 C型淀粉粒的大小和含量
Table 1 Particle size and proportion of A-, B-, and C-type
starch granules in mature grains
淀粉粒类型
Type of starch
granule
长轴
Long axis
(μm)
短轴
Short axis
(μm)
重量百分比
Percentage in total
starch weight
(%)
A型 A-type 16.1 ± 3.1 13.6 ± 3.0 87.2
B型 B-type 7.9 ± 1.5 6.2 ± 1.0 11.9
C型 C-type 2.6 ± 0.8 2.1 ± 0.7 0.9
淀粉粒大小数据为 200个以上淀粉粒的平均值±标准差。
Data of starch granule size shown as mean ± SD of more than
200 starch granules.

2.2 小淀粉粒发育的扫描电镜观察
对不同发育时期的颖果侧面离糊粉层 4 层细胞
远的淀粉胚乳细胞进行扫描电镜观察(图 1), 结果只
能观察淀粉体的形貌, 无法观察到淀粉体的被膜。
为了叙述的方便, 本文将产生大淀粉粒的淀粉体称
为大淀粉体, 而将产生小淀粉粒的淀粉体称为小淀
粉体。抽穗 8 d的胚乳细胞只有大淀粉体, 多呈盘状,
淀粉体排列疏松, 其间有空隙, 没有观察到小淀粉
体的存在(图 1-E)。抽穗 10 d的胚乳细胞, 大淀粉体
表面有片层或突起出现(图 1-F)。抽穗 12 d的胚乳细
胞, 在大淀粉体之间开始有小淀粉体出现(图 1-G)。
抽穗 16 d的胚乳细胞, 小淀粉体通过一些膜结构相
连 , 推测这些膜结构可能是淀粉体被膜的外突(图
1-H)。抽穗 20 d 的胚乳细胞, 大淀粉体周围分布有
大量小淀粉体 , 这些小淀粉体相互之间连接紧密 ,
多呈球形(图 1-I)。抽穗 24 d的胚乳细胞, 大淀粉体
周围的小淀粉体数量更多, 有些淀粉体开始表现为
多角形, 相互之间连接不太紧密(图 1-J)。抽穗 28 d
的胚乳细胞, 体积较小、呈多角形的小淀粉粒开始
出现, 小淀粉粒排列疏松(图 1-K)。抽穗 32 d的胚乳
细胞, 有些多角形的小淀粉粒排列紧密, 附着在大
淀粉粒周围(图 1-L)。成熟籽粒胚乳细胞有丰富的小
淀粉粒将大淀粉粒包围, 导致大淀粉粒的形态不易
第 10期 韦存虚等: 大麦胚乳小淀粉粒的发育 1791




图 1 用光镜和扫描电镜观察不同发育时期胚乳细胞内淀粉粒的结构
Fig. 1 Structures of starch granules in endosperm cells during grain development observed by SEM and LM
A~C：自然静置法分离成熟籽粒的 A型淀粉粒(A图, ×620)、B型淀粉粒(B图, ×1 880)和 C型淀粉粒(C图, ×1 880); D：抽穗 22 d的胚
乳细胞光学显微照片(×530); E~M：抽穗 8、10、12、16、20、24、28、32 d和成熟籽粒的颖果两侧胚乳细胞的形态结构(×1 400)。
箭头示形状不规则的小淀粉粒。
A–C: isolated A-type starch granule (Fig. A, ×620), B-type starch granule (Fig. B, ×1 880), and C-type starch granule (Fig. C, ×1 880) from
mature grains after differential sedimentation; D: endosperm cell at 22 days after ear stem emerging from flag leaf sheath (DAE) observed by
light microscopy (×530); E–M: endosperm cells at 8, 10, 12, 16, 20, 24, 28, and 32 DAE and maturity, respectively observed by scanning
electron microscopy (×1 400). The white arrows show irregular small starch granules.

观察到 , 小淀粉粒排列疏松 , 多呈球形 , 也有的是
角形和不规则形状(图 1-M)。
2.3 戊二醛-四氧化锇双重固定制备的透射电镜
样品淀粉粒发育观察
在抽穗 8 d的胚乳细胞中, 细胞器丰富, 有大量
的内质网, 大淀粉体多分布在细胞核周围或沿细胞
膜分布。大淀粉体基质丰富, 内含大淀粉粒(图 4-A)。
在抽穗 12 d的胚乳细胞中, 大淀粉体内的淀粉粒体
积增大, 有些大淀粉体含两个大淀粉粒, 大淀粉体
被膜在淀粉粒之间缢缩 , 形成新的大淀粉体 (图
4-B)。抽穗 12 d 以后, 很难观察到淀粉体被膜(图
4-C∼H)。抽穗 16 d, 大量小淀粉体开始出现在大淀
1792 作 物 学 报 第 34卷




图 2 种子成熟过程中大淀粉粒的生长动态
Fig. 2 Dynamic changes of large starch granules during
grain filling


图 3 种子成熟过程中大、小淀粉粒的积累动态
Fig. 3 Dynamic changes of large and small starch granules in
accumulation during grain filling



图 4 戊二醛-四氧化锇双重固定制样下不同发育时期胚乳细胞内淀粉粒结构的透射电镜观察
Fig. 4 Structures of starch granules with glutaraldehyde-osmium tetroxide fixation in endosperm cells during grain
development observed by TEM
A：抽穗 8 d的胚乳细胞(×4 000); B：抽穗 12 d的胚乳细胞, 示大淀粉体缢缩增殖(×8 300); C：抽穗 16 d的胚乳细胞, 示小淀粉体在大淀粉体
周围分布(×2 900); D~E：抽穗 20 d的胚乳细胞, 示小淀粉粒的聚合体(D图 ×4 500, E图 ×18 600); F：抽穗 24 d的胚乳细胞, 示大淀粉体周围
分布有大量小淀粉体(×1 300); G：图 F方框部分放大, 示排成一列的小淀粉粒聚合体(×6 100); H：抽穗 24 d的胚乳细胞, 示排成一列的小淀粉
粒聚合体(×4 400)。
A: endosperm cell at 8 days after ear stem emerging from flag leaf sheath (DAE) (×4 000); B: endosperm cell at 12 DAE, showing the amplification of large
amyloplast by constricting (×8 300); C: endosperm cell at 16 DAE, showing many small amyloplasts around large amyloplast (×2 900); D–E: endosperm cell at
24 DAE, showing aggregation of many small starch granules (×4 500 for Fig. D and ×18 600 for Fig. E); F: endosperm cell at 24 DAE, showing many small
amyloplasts around large amyloplast (×1 300); G: magnification of the small rectangular region in Fig. F, showing the aggregation of many small starch gran-
ules in a line (×6 100); H: endosperm cell at 24 DAE, showing the aggregation of many small starch granules in a line (×4 400).

粉体周围(图 4-C)。在抽穗 20 d的胚乳细胞中, 许多
多角形或不规则的小淀粉粒聚集在一起, 很难观察
到淀粉体被膜的存在(图 4-D, E)。在抽穗 24 d的胚
乳细胞中, 大淀粉体的周围有许多体积更小的小淀
粉粒, 其中有的呈线状排列在一起(图 4-F∼H)。
2.4 高锰酸钾固定制备的透射电镜样品淀粉粒
发育观察
由于常规的戊二醛-四氧化锇双重固定制样无
法观察到发育中、后期胚乳细胞内的淀粉体被膜 ,
导致小淀粉粒的发生与发育研究受到限制(图 4)。而
高锰酸钾固定制样可以清晰显示淀粉体的被膜变化,
图 5 表明, 在大麦胚乳细胞化期, 胚乳细胞内有许
多前质体积累淀粉发育为大淀粉体(图 5-A)。大淀粉
体可积累两个淀粉粒, 然后被膜在淀粉粒之间缢缩
来增殖产生大淀粉体(图 5-B, C)。总的说来, 大淀粉
体在胚乳发育早期发生 , 数量较少, 体积较大 , 淀
第 10期 韦存虚等: 大麦胚乳小淀粉粒的发育 1793




图 5 高锰酸钾固定制样下不同发育时期胚乳细胞内淀粉粒结构的透射电镜观察
Fig. 5 Structures of starch granules with potassium permanganate fixation in endosperm cells during grain development observed by TEM
A：抽穗 8 d的胚乳细胞, 示大淀粉体(×2 100); B：抽穗 8 d的胚乳细胞, 示一个大淀粉体内有 2个大淀粉粒(×7 300); C：抽穗 8 d的胚乳细胞,
示大淀粉体缢缩增殖(×10 200); D：抽穗 12 d的胚乳细胞, 示 1个大淀粉体(×3 100); E：抽穗 16 d的胚乳细胞, 箭头示大淀粉体被膜外突(×3 100);
F：抽穗 16 d的胚乳细胞, 箭头示小淀粉体被膜外突(×5 200); G：抽穗 16 d的胚乳细胞, 箭头示大淀粉体被膜外突, 内含 1个小淀粉粒(×7 300);
H：抽穗 16 d的胚乳细胞, 箭头示小淀粉体被膜外突(×3 900); I：抽穗 16 d的胚乳细胞, 箭头示小淀粉体被膜外突(×3 800); J：图 I方框部分放
大, 示大、小淀粉体被膜均为双层膜(×18 200); K：抽穗 16 d的胚乳细胞, 示大淀粉体外突的被膜内含小淀粉粒, 脱离大淀粉体, 形成小淀粉
体(×9 100); L：抽穗 20 d的胚乳细胞, 示大淀粉体周围有许多小淀粉体(×900); M：图 L实方框部分放大, 示 1个小淀粉体内有多个小淀粉粒
(×9 900); N：图 L虚方框部分放大, 示 1个小淀粉体内有多个小淀粉粒(×6 700); O：抽穗 20 d的胚乳细胞, 箭头示多个小淀粉粒呈线状排列于
小淀粉体内(×8 700); P：图 O方框部分放大, 示完整的淀粉体被膜(×20 000); Q：抽穗 24 d的胚乳细胞, 示小淀粉粒在大淀粉体内发生(×11 400);
R：抽穗 24 d的胚乳细胞, 示 1个小淀粉体被多角形的小淀粉粒所充实(×4 200); S：抽穗 28 d的胚乳细胞, 示小淀粉粒的形态(×7 300); T：抽
穗 28 d的胚乳细胞, 箭头示淀粉粒周围有大量双层膜结构(×18 100); U：抽穗 28 d的胚乳细胞, 箭头示淀粉体被膜的降解(×17 300)。
A: endosperm at 8 days after ear stem emerging from flag leaf sheath (DAE), showing large amyloplast (×2 100); B: 8 DAE endosperm, showing 2 large starch
granules in 1 large amylopast (×7 300); C: 8 DAE endosperm, showing the proliferation of large amyloplast by constricting (×10 200); D: 12 DAE endosperm,
showing a large amyloplast (×3 100); E: 16 DAE endosperm, the arrow shows protrusion of large amyloplast envelope (×3 100); F: 16 DAE endosperm, the
arrows show protrusion of small amyloplast envelope (×5 200); G: 16 DAE endosperm, the arrow shows protrusion of large amyloplast envelope containing a
small starch granule (×7 300); H: 16 DAE endosperm, the arrow shows protrusion of small amyloplast envelope (×3 900); I: 16 DAE endosperm, the arrow
shows protrusion of small amyloplast envelope (×3 800); J: amplification of the region enclosed by square in Fig. I, showing two-layers membrane of amy-
loplast envelope (×18 200); K: 16 DAE endosperm, showing formation of small amyloplast from the protrusion of large amyloplast envelope with small starch
granule (×9 100); L: 20 DAE endosperm, showing many small amyloplast around large amyloplast (×900); M: amplification of the region enclosed by square in
Fig. L, showing many small starch granules in one small amyloplast (×9 900); N: amplification of the region enclosed by dotted-line square in Fig. L, showing
many small starch granules in one small amyloplast (×6 700); O: 20 DAE endosperm, the arrows show small starch granules in line in small amyloplast
(×8 700); P: amplification of the region enclosed by square in Fig. O, showing intact membrane of amyloplast envelope (×20 000); Q: 24 DAE endosperm,
showing the formation of small starch granule in large amyloplast (×11 400); R: 24 DAE endosperm, showing small amyloplast full of some polyhedron small
starch granules (×4 200); S: 28 DAE endosperm showing morphology of small starch granules (×7 300); T: 28 DAE endosperm, the arrow shows two-layer
membrane structure around starch granules (×18 100); U: 28 DAE endosperm, the arrows show degradation of amyloplast envelope (×17 300).
1794 作 物 学 报 第 34卷

粉粒在其内的发育较快, 体积增加也很快, 发育为
大淀粉粒(图 5-D)。由于一个大淀粉体内只有一个大
淀粉粒, 因此大淀粉粒应该是单粒淀粉。
抽穗 12 d以后的胚乳细胞, 包含大淀粉粒的大
淀粉体被膜开始向细胞基质突出, 有些突起内含小
淀粉粒, 这些突起与淀粉体被膜分离, 形成小淀粉
体 , 小淀粉粒在这些小淀粉体内发生与发育 (图
5-E∼G, K)。小淀粉体被膜可以继续外突出芽, 产生
大量新的小淀粉体(图 5-F, H∼J), 这些小淀粉体被膜都
表现为清晰的双层膜结构(图 5-J)。小淀粉体在胚乳发
育中期大量发生, 主要存在于大淀粉体周围, 数量
较多, 体积较小, 小淀粉体可同时有多个淀粉粒在
其内发生与发育(图 5-L∼P)。小淀粉粒在小淀粉体内,
开始多呈球形 , 随着体积增加 , 逐渐相互靠近 , 呈
多角形(图 5-R)。常规透射电镜下观察到的多角形的
淀粉粒聚集体(图 4-D, E)其实是多个小淀粉粒在 1个
小淀粉体内发育(图 5-M, N), 只不过常规透射电镜下
无法观察到小淀粉体被膜的存在。扫描电镜也观察
到内含多个小淀粉粒的小淀粉体(图 1-I), 但由于无法
观察到淀粉体被膜, 这种小淀粉体易被误认为是几
个小淀粉粒的聚集体。也观察到有些小淀粉体为长
条形, 其内多个小淀粉粒排成一列, 当小淀粉粒逐
渐长大, 互相靠近时, 在接触面上会发生一定的变
形, 如图 5-O所示小淀粉体内积累 2个或 3个小淀粉
粒, 其接触面垂直于淀粉粒长轴。我们认为常规透
射电镜下观察到的线状排列的小淀粉粒聚集体(图
4-F∼H)是图 5-O 小淀粉体发育的结果。扫描电镜观
察到的具有断面形态的小淀粉粒(图 1-B, C, M)也可
能是在这类小淀粉体内发育。也发现有些小淀粉粒
在大淀粉体内发生, 主要在大淀粉粒与大淀粉体被
膜的空隙内发生(图 5-Q)。
当淀粉体被淀粉粒所充实, 淀粉体的功能就已
完成, 淀粉体被膜开始降解消失, 将内含的淀粉粒
释放到细胞质基质中(图 5-S∼U)。淀粉体被膜的降解,
并不是所有的淀粉体同时发生, 而是分别进行的; 对
于一个淀粉体 , 被膜的消失也不同时进行, 而是有
些区域被降解(图 5-U), 有些区域还比较完整(图 5-U)。
抽穗 28 d 后, 胚乳细胞内的淀粉体被膜开始降解,
即胚乳细胞内不存在淀粉体而只有淀粉粒, 在淀粉
粒的周围经常观察到大量双层膜片层结构(图 5-T), 其
形态和大小均与淀粉体被膜相似, 说明这些膜片层
结构可能是降解的淀粉体被膜片段形成的。淀粉体
被膜降解后, 如果胚乳细胞不充实, 释放的小淀粉
粒会发生移位, 疏松排列, 扫描电镜下以单粒存在,
常被误认为是单粒淀粉, 这也是粉质大麦胚乳的特
征; 如果胚乳细胞充实, 释放的小淀粉粒将保持在
原位, 扫描电镜下呈排列紧密状, 这是角质大麦胚
乳的特征。小淀粉粒形状多样, 呈现球形、多角形、
不规则形等(图 1-M; 图 4-D, E, G, H; 图 5-S), 这是
因为多个淀粉粒在 1 个淀粉体内发生与发育, 当淀粉
粒体积增大时, 有限的空间导致它们形成多角形和
不规则形, 类似于水稻复粒淀粉的形成。体积较小、
多角形的小淀粉粒可以方便填充淀粉体的每一个空
间, 使淀粉体更充实, 因此推测小淀粉粒含量越高,
胚乳越充实, 籽粒粒重越大。
3 讨论
3.1 大麦淀粉粒的发生与发育
大麦胚乳发育的超微结构研究虽有报道, 但只
集中在发育的早期[12-13], 主要原因是发育中、后期
的胚乳细胞富含淀粉粒, 结构致密, 包埋剂很难渗
透, 导致超薄切片很难获得; 再加上常规固定法很
难观察到淀粉体被膜, 给淀粉粒的发育研究带来困
难。多数研究认为, 胚乳发育早期, 前质体发育为淀
粉体, 再通过缢缩或出芽增殖产生淀粉体, 大淀粉
粒在这些淀粉体内发生与发育[12-13], 这与本文的结
果一致。对于小淀粉粒的发生, 在大麦上还没有报
道。在小麦上有不少报道 , 但争论较多 , Baden-
huizen[16]认为小淀粉粒起源于线粒体; Buttrose[17]认
为小淀粉粒是在淀粉体的突起脱落而形成的小泡中
发生; Czaja[18]用光学显微镜未观察到小淀粉粒在小
泡中形成; Parker[19]用电子显微镜观察到淀粉体的
突起, 以及小淀粉粒与淀粉体之间存在着突起联系;
Langeveld等 [20]利用透射电子显微镜和激光共聚焦
显微镜, 观察到小麦胚乳中包含大淀粉粒的淀粉体
出芽产生小淀粉粒, 但观察都是在花后 13 d之前,
由于切片和制样技术原因, 无法对以后的胚乳淀粉
粒进行观察。由于常规的戊二醛-四氧化锇双重固定
制样, 用透射电镜观察不到小淀粉体的被膜, 无法
判断小淀粉粒的发生与发育, 于是王萌等[12]和王忠
等[13]在研究大麦胚乳发育时都没有说明大麦小淀粉
体的来源。我们对胚乳材料的超微结构制样进行了
改进, 利用高锰酸钾进行固定制样, 虽然高锰酸钾
对蛋白质和多糖的固定较差, 但对细胞膜结构的脂
类具有很好的固定作用。此外, 它对膜的渗透力很
强, 能在很短时间内快速固定膜性结构, 并且能够
第 10期 韦存虚等: 大麦胚乳小淀粉粒的发育 1795


增强膜结构的反差, 因此, 与常规的双重固定相比,
它对膜结构的保存有独到之处, 是一种观察膜系统
结构及其变化的较好方法[15]。我们以前利用高锰酸
钾固定法对发育早期的水稻胚乳进行了观察, 发现
淀粉体被膜异常活跃, 以多种方式增殖淀粉体[15]。
本研究进一步表明, 高锰酸钾固定制样可以清晰显
示淀粉体被膜的变化。多年的胚乳结构研究工作使
我们积累了丰富的经验, 利用钻石刀, 能够对发育
中、后期的胚乳进行切片观察。本研究表明, 小淀
粉体来源于大淀粉体被膜的外突出芽, 同时小淀粉
体还可通过自身被膜出芽进行增殖; 胚乳发育中、
后期, 胚乳细胞中有大量小淀粉体产生, 多个小淀
粉粒可同时在小淀粉体内发生与发育。
3.2 大麦小淀粉粒是复粒淀粉
国内的植物学或植物生物学教材都认为淀粉粒
有 3 种类型, 即单粒淀粉(1 个淀粉体内只有 1 个脐
点, 无数轮纹围绕这个脐点)、复粒淀粉(1 个淀粉体
内具有 2 个以上的脐点, 各脐点分别有各自的轮纹
环绕)和半复粒淀粉(1个淀粉体内具有 2个以上的脐
点, 各脐点除有本身的轮纹环绕外, 外面还包围着
共同的轮纹 ), 麦类作物的籽粒淀粉粒为单粒淀
粉[21-22]。国外学者习惯将大麦的淀粉粒按大小分为
大、小淀粉粒或大、中、小淀粉粒, 没有从发育上
对其进行研究[1-2]。国内只在小麦上对小淀粉粒开展
了研究, 认为大、小淀粉粒都是单粒淀粉, 但这些结
果均来自扫描电镜的观察[23-25]。由于受扫描电镜成
像原理的限制 , 只能观察样品表面的亚显微形态 ,
研究者根据这些形态来推断它是什么细胞器或内含
物, 再加上有时样品制备会产生假象, 所得结果并
不完全可靠, 甚至产生错误的结论。如盛婧等[24]利
用扫描电镜对不同专用类型小麦籽粒淀粉粒形成过
程进行观察, 认为籽粒胚乳中淀粉粒均为单粒淀粉
体 , 大淀粉粒在其表面产生突起 , 突起长大 , 从大
淀粉粒上剥离, 形成小淀粉粒。本文的扫描电镜图
片也与上述结果相似, 但我们得到的结论却与之相
反 , 主要原因是扫描电镜不能观察到淀粉体的被
膜。另外, 淀粉体和淀粉粒是两个相关但完全不同
的概念, 前者是植物细胞中质体的一种, 又称为淀
粉质体 , 和常见的叶绿体一样 , 具有双层被膜 , 是
植物贮藏组织中的一种重要细胞器; 后者是淀粉存
在的形式, 是植物细胞中的一种后含物, 在淀粉体
中发生与发育 , 当发育成熟时 , 淀粉体被膜降解 ,
淀粉粒被释放到细胞质中, 即成熟籽粒中不存在淀
粉体, 大淀粉粒表面也不可能产生突起形成小淀粉
粒。我们认为盛婧等所说的大淀粉粒应该是大淀粉
体, 形成的小淀粉粒应该是小淀粉体。熊飞等[25]和
周竹青等[23]利用扫描电镜观察小麦成熟籽粒, 认为
胚乳细胞淀粉体可分为 3 种类型, 都为单粒淀粉。
我们认为他们所说的淀粉体应该是淀粉粒, 因为胚
乳发育后期, 淀粉体被膜降解消失, 成熟籽粒中不
存在淀粉体。虽然王萌等[12]和王忠等[13]没有观察到
大麦小淀粉粒的来源, 但他们都认为大麦淀粉都是
单粒淀粉。单从本文的常规透射电镜制样结果来看,
也无法判断小淀粉体的来源, 甚至也会得出小淀粉
粒是单粒淀粉的结论, 主要原因是观察不到淀粉体
被膜。本研究中高锰酸钾固定制样清晰显示了胚乳
发育中、后期小淀粉体的被膜, 表明 1 个小淀粉体
可同时有多个小淀粉粒发生与发育。因此, 我们认
为大麦小淀粉粒为复粒淀粉, 当淀粉体被淀粉粒充
实后, 淀粉体被膜降解, 将淀粉粒释放到细胞基质
中, 在常规透射电镜或扫描电镜下, 呈单个淀粉粒
单独分布, 易被误认为是单粒淀粉。
4 结论
大麦籽粒大淀粉粒于胚乳发育早期在大淀粉体
内发生与发育, 为单粒淀粉。胚乳发育中、后期, 大
淀粉体被膜外突出芽产生小淀粉体, 后者被膜外突
将产生更多的小淀粉体。多个小淀粉粒可同时在一
个小淀粉体内发生与发育, 小淀粉粒为复粒淀粉。
当淀粉体被淀粉粒所充满时, 被膜降解消失, 释放
淀粉粒到细胞基质中。
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