全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(12): 2251−2260 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(30971756)，国家公益性行业(农业)科研专项(201003021)和广东省自然科学重点基金项目(10251064
201000001)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: 郭静玉, E-mail: jy.guo2010@hotmail.com; 陈志雄, E-mail: chenzx@scau.edu.cn ** 共同第一作者
Received(收稿日期): 2011-05-05; Accepted(接受日期): 2011-07-15; Published online(网络出版日期): 2011-09-06.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110906.1055.003.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.02251
水稻单胚多芽突变体多芽发生的胚胎学基础
郭静玉 1 陈志雄 1,** 杨秉耀 2 陈新芬 2 刘向东 1,* 卢永根 1,*
1 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室, 广东广州 510642; 2 华南农业大学电镜室, 广东广州 510642
摘 要: 植物胚胎发育过程中茎端分生组织的正常形成与发育是产生叶片、侧芽和茎的重要前提。水稻突变体 4001
的籽粒萌发时产生多个芽 , 为重要的茎端分生组织分化异常突变体。利用整体染色透明激光扫描共聚焦显微术
(WE-CLSM)、塑料半薄切片术和扫描电子显微镜观察表明, 突变体 4001的胚囊结构和双受精过程正常, 但胚胎发育
和分化迟于野生型水稻, 胚胎分化产生多个茎端分生组织, 且位置异常。多个茎端分生组织的分化是 4001 多芽的胚
胎学基础, 与其相关的基因在调控水稻茎端分生组织分化的时间、未分化细胞数目以及背腹轴性建立等方面起着重
要的作用。
关键词: 水稻(Oryza sativa L.); 茎端分生组织; 胚胎发育
Differentiation of Multiple Shoot Apical Meristems in Mutant Rice with One
Embryo Causing Multiple Plumuples
GUO Jing-Yu1, CHEN Zhi-Xiong1,**, YANG Bing-Yao2, CHEN Xin-Fen2, LIU Xiang-Dong1,*, and LU
Yong-Gen1,*
1 State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;
2 Electronic Microscope Laboratory, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
Abstract: The proper formation and development of shoot apical meristem during plant embryonic development is prerequisite to
generate leaves, buds and stems. Rice (Oryza sativa L.) mutant line 4001 produces multiple plumules in one seed and is consi
dered as an important mutant with abnormal differentiation of shoot apical meristem. While the embryonic basis of the mutant
with multiple plumules is yet unknown. To elucidate the cytological basis, mature embryo sac structure and process of double
fertilization were observed with whole-mount eosin B-staining confocal laser scanning microscopy (WE-CLSM), semi-thin plastic
sections and scanning electron microscopy (SEM). The observation by WE-CLSM showed that both embryo sac structure and
double fertilization process were normal in the mutant line, suggesting that the abnormal traits were related to the later embryonic
development. By semi-thin plastic sections and SEM, the retardation of embryonic development and the formation of multiple
shoot apical meristems (SAM) under abnormal orientation were observed in one embryo of the mutant line, compared with those
of wild-type rice. At three days after pollination, the process of embryonic development was slower in the mutant line than in the
wild type rice. The abnormality included the diverse number of SAMs under irregular orientation and the changes of
dorsal-ventral axis. Two separate plumules, two plumules in one coleoptile and two connected plumules with one separate
plumule were also observed in the mutant line 4001. It was concluded that differentiation of multiple SAMs and the changes of
dorsal-ventral axis in one embryo contribute to the multiple plumuples in the mutant line. It was inferred that mutant trait-related
genes might play important roles in the regulations of the timing of shoot apical meristem differentiation, the number of
undifferentiated cells and the establishment of dorsal-ventral axis.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); Shoot apical meristem; Embryonic development
研究一籽多胚现象这一植物特殊生殖方式形成的
细胞学机理, 有助于阐明正常生殖模式的发生[1-2]。一
粒种子内含有多个胚的现象在植物界相当普遍, 如
水稻、小麦、大麦和黑麦等大部分农作物都曾发现[3]。
2252 作 物 学 报 第 37卷

1980—1990 期间, 我国科研工作者发现的多胚材料
有 100 多份[4-7], 并开展了大量的研究, 主要集中于
两个方面, 一是多(胚)芽萌发形态, 如多芽数目、多
芽频率、一籽多芽中多芽间的关系、多芽和多根数
目; 二是水稻多胚芽的来源, 可能存在双卵或多卵
受精、合子胚裂生[11]、助细胞受精发育成胚[12-13]和
某些珠心细胞或珠被细胞发育成胚[14] 4条途径。目
前一般认为水稻中最主要的是 1 个胚囊内含有多个
卵细胞, 多个卵一起受精发育成胚[8-10]。
水稻也存在单胚无芽突变体, 如 shootless1(shl1)、
shl2、shl3、shl4 等, 水稻单胚中存在根芽数目不一致
的现象[15-17]。Satoh 等[17]的研究发现, 水稻有根无芽
的突变体均是单胚, SHL 基因的突变导致茎尖生长
点的缺失, 但盾片和胚根的形成不受影响。Kinae等[18]
分析了水稻中的 2个突变体 apd1和 shl1-2 apd1, apd1
在胚的顶部有一个不完全发育的芽, 胚的基部增大,
有一个或者两个胚根原基; shl1-2 apd1表现为无芽,
但根的数目多于 2 条。此类突变体的细胞学与分子
机理探究促进对茎端分生组织分化的理解。然而 ,
水稻单胚多芽突变体仅见于OsCem的遗传与生理研
究[19]。水稻 4001是典型的单胚多芽突变体, 其表型
变异有别于 OsCem, 本文对其胚囊结构、双受精特
点和胚胎发育进行深入系统观察, 旨在阐明其单胚
多芽的胚胎学基础, 这对探讨水稻胚胎时期发育机
理具有重要的理论意义。
1 材料与方法
1.1 材料
水稻单胚多芽 4001为自然突变体, 选取野生型
单胚单芽水稻 IR36 作为对照。2005 年早季种植于
华南农业大学教学实验农场, 常规管理。成熟后收
种并于本实验室保存。
1.2 方法
1.2.1 成熟胚囊观察 水稻开花期, 以花药伸到
颖壳的顶部或颖花刚展开为标准, 选取当天即将开
花的颖花 50个, 用 FAA溶液固定, 4℃冰箱保存。采
用整体染色透明激光扫描共聚焦显微术(WE-CLSM),
参照 Zeng 等[20]的方法并稍作改进, 以梯度乙醇复水,
每级间隔 20 min, 2%钾矾媒染 20 min, 4%蔗糖曙红
染色 10~15 h, 2%钾矾分色 20 min, 水洗 2~3次, 再
以梯度乙醇脱水, 每级 20 min, 其中无水乙醇脱水
重复 2~3次。用水杨酸甲酯和无水乙醇混合液(体积
比为 1∶1)处理 1~2 h, 然后用 100%水杨酸甲酯整体
透明 1 h以上。将样品置凹面玻片中央, 滴加水杨酸
甲酯并盖片, 在 LeicaSP2激光扫描共聚焦显微镜下,
用 543 nm波长激光激发荧光进行扫描观察, 并获取
图像, 采用 Photoshop 8.0软件处理图像。
1.2.2 受精过程观察和胚胎发育观察 参照王兰等[21]
的方法, 并略加修改。在水稻开花期, 颖花开放后用油
性记号笔在外稃上作标记, 注明具体开花时间, 选取
不同的时间段(授粉后 1、3和 9 h)的颖花 50个, 用 FAA
固定 24 h, 以后的处理和观察采用WE-CLSM法。
对于胚胎发育具体过程的观察, 选取授粉后 1、
2、3、4、5、6 和 7 d的颖花, 用 FAA固定, 以梯度
乙醇脱水, 每级间隔 20 min。再转入 95%乙醇与 7022
LH (Leica 7022 histeresin embedding kit)混合液(体积
比为 1∶1)渗透, 在 4℃冰箱中过夜; 纯 7022LH 中室
温渗透 2 h, 然后置 4℃冰箱过夜, 用纯 7022LH 包
埋。普通切片机玻璃刀切片, 厚度 2~4 μm, 0.01%甲苯
胺蓝溶液 (1.0%四硼酸钠溶液配制 )染色 , Leica
DMRXA自动显微镜下观察并拍照。
1.2.3 扫描电子显微镜观察 参照Feng等[22]的方
法, 略加修改。选择即将开花的水稻颖花, 开花后马
上用油性记号笔在外稃上作标记。各取 IR36授粉后
2、4、5、7和 10 d的颖花 50朵, 突变体 4001授粉
后 2、4、5、7和 10 d颖花 80~150朵, FAA固定 24 h,
转入 70%乙醇中, 4℃冰箱保存。解剖分离出胚, 以梯
度乙醇复水, 每级间隔 20 min, 0.1 mol L−1磷酸缓冲
液冲洗 3次, 每次 20 min。1%锇酸室温固定 1 h, 0.1
mol L−1磷酸缓冲液冲洗 3次, 每次 20 min。再以梯
度乙醇脱水, 每级 20 min。把脱水的材料迅速转入
醋酸正戊酯中, 重复 2次, 每次 20 min。利用液态二
氧化碳临界点干燥处理 , 粘台、喷金膜 , 用 XL-
30ESEM扫描电子显微镜观察并拍照。
2 结果与分析
2.1 成熟胚囊结构与受精过程观察
野生型水稻 IR36胚吸水萌发后形成 1个芽鞘和
1条种子根(图版 I-1)。突变体 4001胚萌发除了产生
正常的 1个芽鞘外, 还有 2芽共 1鞘、2芽并生及 3
芽的变异性状(图版 I-2~4)。为了证实多芽变异性状
是否因双受精过程突变引起, 利用 WE-CLSM 法,
对 IR36 和 4001 成熟胚囊结构与双受精过程进行观
察。结果发现, 4001和 IR36基本一致, 呈蓼型胚囊
结构, 珠孔端有 1个卵细胞和 2个助细胞, 卵器上方
有 2个极核, 合点端有多细胞组成的反足细胞团(图
第 12期 郭静玉等: 水稻单胚多芽突变体多芽发生的胚胎学基础 2253




图版 I 水稻野生型 IR36和突变体 4001的萌发、成熟胚囊与双受精过程比较
Plate I Comparison of the germination, mature embryo sac and progresses of double fertilization in wild-type rice IR36 and mutant line 4001
1: 水稻谷粒萌发后形成 1个芽鞘(箭)和 1条种子根(双羽箭)的正常表型; 2~4: 4001萌发形态, 分别表示单独的 2芽(箭)、2芽并生(箭)和 2芽共一
鞘(箭)及单独 1芽(箭头); 5, 9: 分别表示 IR36和 4001成熟胚囊; 6, 10: 授粉后 1 h, IR36精核分别进入极核(箭)和卵核(箭), 4001一个精核进入卵
核(箭); 7, 11: IR36和 4001授粉后 3 h, 精核和极核开始融合并离开卵器上方(箭); 8, 12: IR36和 4001授粉后 9 h, 精卵融合(箭), 游离胚乳核分裂
增多; 13: 4001授粉后 9 h, 精卵还没融合(箭)。E: 卵细胞; S: 助细胞; P: 极核。5~13标尺为 75 μm。
1: normal phenotype with a plumules (arrow) and a root (double head arrow) after rice grain germination; 2, 3, and 4 present two separate plumules
(arrow), two connected plumules (arrow) and two plumules in one coleoptile (arrow) with one separate plumule (arrowhead) in mutant line 4001,
respectively; 5 and 9: mature embryo sac structure in IR36 and 4001, respectively; 6 and 10: embryo sac at 1 h after pollination (HAP) of IR36 and
4001, respectively; 6: each sperm nuclear entered polar nuclei cell (arrow) or egg cell (arrow) in IR36; 10, a sperm nuclear entered egg cell (arrow) in
4001; 7 and 11: the fusion of sperm nucleus and polar nucleus at top of egg apparatus (arrow) at 3 HAP of IR36 and 4001, respectively; 8 and 12: the
fusion of sperm and egg (arrow) and the increased number of free endosperm nucleus in mitosis at 9 HAP of IR36 and 4001, respectively; 13: sperm
and egg not fused (arrow) at 9 HAP of 4001. E: egg; S: synergid; P: polar nucleus. Bars in 5–13 are 75 μm.
2254 作 物 学 报 第 37卷

版 I-5, 9)。IR36和 4001的受精过程也基本一致, 授
粉后 1 h, 一个精核进入极核, 另一个精核进入卵核
(图版 I-6, 10); 授粉后 3 h, 精核和极核离开卵器上
方并开始融合分裂(图版 I-7, 11)。授粉后 9 h, IR36
中游离胚乳核分开 , 继续分裂 , 精卵融合 , 形成受
精卵(图版 I-8)。4001在授粉后 9 h, 游离胚乳核的数
量较 IR36 的少, 有 20%的精卵融合, 形成了受精卵
(图版 I-12), 80%的胚囊中精卵未融合(图版 I-13)。在
4001的受精过程中没有发现多个精子进入卵细胞或
胚乳核受精等现象, 表明 4001的受精卵是正常的二
倍体, 4001 多芽突变性状的产生不是由于胚囊发育
和受精过程导致的, 而可能是受精后的胚胎非正常
发育引起的。
2.2 胚胎发育的半薄切片分析
野生型水稻 IR36授粉后 1 d, 合子胚分裂, 形成
多细胞的球形原胚, 胚囊腔周围分布一圈游离胚乳
核(图版 II-1)。授粉后 2 d, 球形原胚逐渐变成梨形结
构, 先端宽, 胚柄处尖, 游离胚乳核增多, 珠孔端多
于合点端, 并且开始细胞化(图版 II-2)。授粉后 3 d,
幼胚出现背腹轴分化, 在胚的腹面中央偏近前端分
化出芽鞘原基, 在其下方, 分化产生小丘状的茎端
分生组织, 在胚体腹面中央偏后端出现胚根鞘原基
(图版 II-3)。授粉后 4 d, 茎端分生组织分化出第一叶
原基(图版 II-4)。授粉后 5 d, 芽鞘成为空心的倒锥状,
覆盖茎端分生组织, 茎端分生组织分化出第二叶原
基(图版 II-5)。授粉后 6 d、7 d, 外胚叶原基形成并
向前延伸把胚芽鞘上的小孔慢慢遮盖起来 (图版
II-6), 茎端分生组织分化出第二、三叶原基(图版 II-6,
7), 胚的各部分器官分化基本完成。
突变体 4001的胚胎发育过程出现异常情况。授
粉后 1 d, 合子胚分裂, 形成多细胞的球形原胚, 胚
囊腔周围分布一圈游离胚乳核(图版 II-8), 与对照
IR36 相似(图版 II-1)。授粉后 2 d, 胚呈梨形状, 游
离胚乳核增多, 珠孔端多于合点端, 游离胚乳核未
细胞化(图版 II-9), 与授粉后 2 d的 IR36胚(图版 II-2)
相比, 胚胎较小, 游离胚乳核较少。授粉后 3 d, 胚
增大, 游离胚乳核增多, 并且细胞化(图版 II-10), 发
育进程与 IR36授粉 2 d后的相当(图版 II-2)。授粉后
4 d, 胚腹面细胞分裂旺盛, 向外突出, 背腹轴开始
分化(图版 II-11)。授粉后 5 d, 胚背部细胞开始增多,
腹面细胞分裂旺盛, 突起明显, 个别胚出现芽鞘原
基, 芽鞘原基下是茎端分生组织, 根端分生组织开
始分化(图版 II-12)。授粉后 6~7 d, 芽鞘原基和胚根
原基已分化完成, 芽鞘原基保护下的茎端分生组织
已成突起状。芽鞘形状、个数和芽鞘原基保护下的
茎端分生组织个数存在 3 种类型, 分别为一个芽鞘
下多个茎端分生组织(图版 II-13~17)、多个芽鞘多个
茎端分生组织(图版 II-18,19; 图版 II-20~22 和图版
II-23~28)和一芽鞘下一个茎端分生组织(图版 II-12)。
前两类的胚胎成熟后将形成多芽, 第 3 类将形成一
根一芽。半薄切片分析结果表明, 4001 胚胎发育异
常主要表现在早期发育较迟缓和形成多个茎端分生
组织。
2.3 胚胎发育的扫描电镜观察
扫描电镜观察结果表明, 野生型水稻 IR36授粉
后 2 d, 原胚呈球形(图版 III-1)。授粉后 3 d, 幼胚背
腹轴分化, 腹面中央偏近前端分化出芽鞘原基, 呈
半环状的突起(图版 III-2)。授粉后 4 d, 芽鞘原基中
央圆孔左右两侧的细胞分裂特别旺盛, 使圆孔变成
纺锤形(图版 III-3)。授粉后 5 d, 2片侧鳞原基出现(图
版 III-4)。授粉后 6、7 d, 外胚叶原基形成并向前延
伸把胚芽鞘上的小孔慢慢遮盖起来(图版 III-5)。授
粉后 10 d, 2片侧鳞、外胚叶和腹鳞基本合拢, 在胚
芽鞘的顶部形成一“X”形胚芽鞘抽出孔(图版 III-6)。
胚的各部分器官分化基本完成。
突变体 4001 的胚胎发育过程和 IR36 存在较大
的差异。授粉后 3 d, 胚胎形状个体之间差异明显,
主要有正常梨形(图版 III-7)和球棍形(图版 III-8)两
类, 观察的 108个胚中正常梨形的占 80.6%, 而球棍
形的为 19.4%。授粉后 4 d, 正常芽鞘原基出现时, 为
一个半环形突起 , 以后突起带两端延伸形成环形 ,
位置在胚腹面近前端(图版 III-9)。同时也有畸形芽
鞘原基分化, 首先在胚的腹面靠近胚柄处产生 2 个
弧形突起带, 进一步分化形成 3种类型, 分别为逐渐
合拢形成半环形(图版 III-10)、交错合拢形成不规则
的半环形(图版 III-11)和不合拢形成开裂芽鞘原基
(图版 III-12)。形成芽鞘原基数目也不等, 有单芽鞘
(图版 III-12)、无芽鞘(图版 III-13,14)和多芽鞘原基
(图版 III-15,16) 3类。
突变体 4001 授粉后 5 d, 正常芽鞘原基孔缘围
成的第一叶抽出孔从圆形变为纺锤形(图版 IV-1)。半
环形芽鞘在胚柄处合拢形成环形, 芽鞘外形似正常,
但芽鞘原基孔缘细胞的生长速度基本一致, 使第一叶
抽出孔呈一条裂缝(图版 IV-2)或呈圆孔状(图版 IV-3)。
交错合拢形成不规则半环形的芽鞘多数形成 2个芽鞘,
2 个芽鞘连生, 两鞘之间有隔分开(图版 IV-4), 也可
第 12期 郭静玉等: 水稻单胚多芽突变体多芽发生的胚胎学基础 2255


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图版 II 野生型水稻 IR36和突变体 4001胚胎发育过程的切片观察
Plate II Section observation of the process of embryonic development in wild-type rice IR36 and mutant line 4001

1~7: 野生型水稻 IR36胚胎发育过程。1: 授粉后 1 d, 球形原胚; 2: 授粉后 2 d的梨形胚, 示游离胚乳核细胞化; 3: 授粉后 3 d的胚, 示
芽鞘原基(上方黑箭)、茎端分生组织(下方黑箭)和胚根原基(白箭); 4: 授粉后 4 d的胚, 胚分化出第 1叶原基(箭); 5: 授粉后 5 d, 胚分
化出第 1叶原基(下方白箭)、第 2叶原基(上方白箭头); 6: 授粉后 6 d, 胚完整分化出第 1叶原基(下方白箭)、第 2叶原基(上方白箭); 7:
授粉后 7 d, 胚分化出第 1、第 2叶、第 3叶原基(黑色箭)。8~28: 突变体 4001胚胎发育过程。8: 授粉后 1 d, 球形原胚; 9: 授粉后 2 d,
梨形, 游离胚乳核未细胞化; 10: 授粉后 3 d, 游离胚乳核开始细胞化; 11: 授粉后 4 d, 胚的腹面细胞开始增多, 向外突出; 12: 授粉后
5 d的胚根原基(白箭)、芽鞘原基(上方黑箭)、茎端分生组织(下方黑箭); 13~17为授粉后 6 d一个胚的连续切片; 13: 第 1个茎端分生
组织(箭), 胚根原基(白箭头); 14: 第 1个茎端分生组织(箭)消失; 15: 第 2个茎端分生组织(箭); 16: 第 2个茎端分生组织(箭)消失; 17:
第 3个茎端分生组织(箭); 18~19: 授粉后 6 d另一个胚的连续切片, 18: 第 1个茎端分生组织(黑箭); 19: 在不同位置的另一个茎端分生
组织(箭)。20~22: 授粉后 7 d一个胚连续切片。20: 芽鞘包围下的第 1个茎端分生组织(箭); 21: 第 1个芽鞘变小并消失(箭); 22: 第 2
个芽鞘出现(箭), 胚根原基出现(箭头). 23~28: 授粉后 6 d一个胚的连续切片。23~24: 第 1个芽鞘下的茎端分生组织; 25: 第 1个芽鞘
变小(箭); 26: 第 1芽鞘变小(箭)，胚根原基出现(箭头); 27: 第 2个芽鞘原基出现，胚根原基(箭); 28: 第 2个芽鞘下的茎端分生组织(箭),
有一叶分化。图中 1~3和 8~12标尺为 65 μm, 4、13~19和 26~28标尺为 130 μm, 5~7和 20~25标尺为 260 μm。
1–7: the process of embryonic development in normal rice IR36. 1: spherical embryo at 1 day after pollination (DAP); 2: pear embryo at 2
DAP, free endosperm nuclei with cell walls; 3: embryo development at 3 DAP, showing coleoptile primordium (black arrow above), shoot
apical meristem (SAM) (arrow below) and radicle primordium (white arrow); 4: embryo at 4 DAP, the emergence of the first leaf primordium
(arrow); 5: the first leaf primoridim (arrow below), the second leaf primoridim (arrow above) initiated at 5 DAP; 6: the intact emergence of
the first (arrow below) and second leaf primordia (arrow above); 7: the first, second, and third primordia formed at 7 DAP. 8–28: the process
of embryonic development in the mutant line 4001. 8: spherical embryo at 1 DAP; 9: pear embryo at 2 DAP, without forming cell walls
around endosperm nuclei; 10: free endosperm nuclei with cell walls formed at 3 DAP; 11: the number of cells on the ventral side of embryo
increased and then protruded at 4 DAP; 12: radicle primordium (white arrowhead above), coleoptile primordium (black arrow below) and
SAM (black arrowhead above) at 5 DAP. 13–17: continuous section of one embryo at 6 DAP. 13: the shoot apical meristem (SAM) (arrow)
and radicle primordium (white arrowhead) initiated; 14: the first SAM (arrow) disappeared; 15: the second SAM (arrow) presented; 16: the
second SAM (arrow) disappeared; 17: the third SAM (arrow). 18–19: a SAM (arrow) and another embryo (arrow) shown in continuous sec-
tion at 6 DAP. 20–22: continuous section of another embryo at 7 DAP. 20: the first SAM (arrow) under coleoptile; 21: the first coleoptile became
smaller and disappeared (arrow); 22: the second coleoptile appeared (arrow); 23–28: continuous section of one embryo at 6 DAP; 23–24: the
SAM (arrow) under the first coleoptile; 25: the first coleoptile became smaller (arrow); 26: the first coleoptile became smaller (arrow) and radicle
primordium (arrowhead) presented; 27: the second coleoptile primordium presented, the radicle primordium (arrow); 28: the second SAM (arrow)
under coleoptile. Bars were 65 μm in both 1–3 and 8–12; Bars were 130 μm in 4, 13–19, and 26–28; Bars were 260 μm in both 5–7 and 20–25.

形成一鞘(图版 IV-5)。不合拢芽鞘的左右两端紧靠并
列生长, 中间的缝隙为第一叶抽出孔, 此类胚的盾
片也受影响, 完全开裂(图版 IV-6)或部分开裂(图版
IV-7), 但频率很低。不合拢芽鞘的左右两边向前生
长, 在盾片处相接, 形成“Y”字形(图版 IV-8, 9)。此
外, 还观察到极端变异的畸形芽鞘(图版 IV-10~13)。
一胚多芽中的芽鞘位置和类型为分生(图版 IV-3)、
并生(图版 IV-14)或连生(图版 IV-4)。同一个胚上多
个芽鞘发育不一致(图版 IV-3)。分别统计了 170个胚
的芽鞘个数和芽鞘类型, 正常的单鞘频率为 21.2%,
多芽鞘频率为 37.7%, 畸形单鞘的频率为 36.5%, 无
胚芽鞘的变异类型占 4.6% (图未列出)。
授粉后 7 d, 正常芽鞘两片侧鳞和外胚叶原基出
现并向前延伸, 第一叶抽出孔变成线状(图版 IV-15)。
然而, 半环形芽鞘的胚胎中, 未观察到侧鳞, 仅有外
胚叶原基, 第一叶抽出孔异样(图版 IV-16); 交错合
拢的连生芽鞘两边的侧鳞发育较慢(图版 IV-17)或无
侧鳞 , 此类发育特点也发生在未合拢的芽鞘(图版
IV-18)和“Y”形的开裂芽鞘(图版 IV-19)、多芽鞘的胚
胎(图版 IV-20, 21)上。授粉后 10 d, 胚胎发育基本成
熟, 正常胚胎的外胚叶继续延伸, 与 2片侧鳞、腹鳞
合拢, 在胚芽鞘的顶部形成一“X”形胚芽鞘抽出孔
(图版 IV-22)。畸形芽鞘的胚胎外形多样化, 外胚叶
和侧鳞发育异常, 芽鞘多裸露(图版 IV-23~25)。一胚
多芽鞘中的芽鞘发育特征更为明显(图版 IV-26~28)。
3 讨论
关于单胚形成多苗的研究曾有报道, 多苗品系
C1001B单胚结构正常, 主苗是来自合子胚发育形成
的胚芽, 侧苗是由胚芽鞘腋部形成的[12]。双苗水稻
W3338 和 W255 的双苗可能来源于单胚中的多胚芽
生长点[23]。在水稻突变体 OsCem中, 因胚胎初期生
长素的非正常分布致使胚胎产生多个轴, 导致胚胎
畸形——S型、Y型或并生型胚, 植物形态表现为多
苗或多根[19]。但它们都缺乏系统的胚胎发育观察。
本文利用激光扫描共聚焦显微术 (WE-CLSM)观察
表明, 4001 的胚囊结构、受精过程基本上和野生型
水稻一致, 表明其多芽变异性状发生在胚胎发育过
程。半薄切片与扫描电镜观察结果进一步发现, 受
精后 4001的胚胎发育进程较野生型水稻迟缓, 发生
在授粉后 4 d, 而且分化产生多个茎端分生组织, 这
是多芽形成的细胞学基础, 预示与 4001多芽变异性
状相关的基因在调控茎端分生组织分化的时间和数
目起着重要作用。
现在, 控制茎端分生组织缺失的相关基因已被
克隆。拟南芥 STM是胚胎茎端分生组织细胞特化和
第 12期 郭静玉等: 水稻单胚多芽突变体多芽发生的胚胎学基础 2257




图版 III 水稻 IR36胚胎发育和突变体 4001胚胎早期发育的扫描电镜观察
Plate III Scanning electron microscopic observation on embryonic development in wild-type rice IR36 and early embryonic deve-
lopment in mutant line 4001

1~6: 水稻 IR36胚胎发育过程, 1: 授粉后 2 d的球形原胚; 2: 授粉后 3 d, 芽鞘原基隆起, 呈半环状(箭); 3: 授粉后 4 d, 环形芽鞘原基
(箭)及围拢而成的纺锤型孔(箭头); 4: 授粉后 5 d, 两片侧鳞原基出现(箭); 5: 授粉后 6 d, 外胚叶原基形成延伸(箭); 6: 授粉后 10 d,
“X”形胚芽鞘抽出孔形成(箭)。7~8: 突变体 4001授粉后 3 d的胚胎形态, 7: 梨形胚; 8: 球棍形胚。9~16: 突变体 4001授粉后 4 d的胚
胎形态, 9: 半环状的芽鞘原基隆起(箭); 10: 芽鞘原基合拢形成的半环形(箭); 11: 芽鞘原基交错合拢形成不规则的半环形(箭); 12: 芽
鞘不合拢而开裂(箭); 13~14: 无胚芽鞘; 15: 2个芽鞘(箭); 16: 3个芽鞘(箭)。 图中 1~2、7~8、11、16标尺为 50 μm, 5~6为 200 μm, 其
余为 100 μm.
1–6: Process of of embryonic development in the normal rice IR36; 1: spherical embryo at 1 day after pollination (DAP); 2: Coleoptile primordium
protruded in a semi-circular shape (arrow) at 3 DAP; 3: annular coleoptile primordium (arrow) with a spindle-shaped hole (arrowhead) at 4 DAP; 4:
scale primordium (arrow) emerged on both sides of coleoptile primordium at 5 DAP; 5: epiblast primordium extended (arrow) at 6 DAP; 6:
“X”-shaped hole of coleoptile (arrow) formed at 10 DAP. 7–16: early embryonic development in the mutant line 4001; 7 and 8: pear-shaped and
stick-shaped embryos at 3 DAP; 9–16: embryo shape of 4001 at 4 DAP; 9: semi-circular-shaped coleoptile primordium (arrow); 10: further develop-
ment of semi-circular-shaped coleoptile primordium (arrow); 11: irregular semi-circular-shaped coleoptile primordium formedby enclosed and inter-
laced development (arrow); 12: split coleoptile primordium (arrow); 13–14: no coleoptile primordium formed; 15: two coleoptile primordia (arrow);
16: three coleoptile primordia (arrow). Bars in 1–2, 7–8, 11, and 16 are 50 μm, those in 5–6 are 200 μm and the other are 100 μm.

维系茎端分生组织中央未分化细胞所必需的[24]。矮
牵牛 NAM 决定茎端分生组织和叶片原基的位置 ,
而非直接调控茎端分生组织的分化[25]。水稻单胚无
芽突变体 shl1、shl2 和 shl4 幼根和盾片分别在根部
和顶端背部区域分化, 它们的茎根和背腹轴性并未
改变, SHL基因调控茎端分生组织的形成, 但不参与
胚胎轴性的建立, 似乎对茎端分生组织相关区域的
建立发挥功能[17]。Satoh等[26]的研究结果指出, 茎端
分生组织分化的个数和分化正常与否, 与将要分化
形成茎端分生组织的未分化细胞的数量相关, 超过
一定的阈值, 可以形成多个茎端分生组织, 低于一
定的阈值, 则不能形成正常的茎端分生组织。4001
有两芽共一鞘、三芽共一鞘、两芽并生等变异性状,
胚胎发生发育过程中形成了多个茎端分生组织, 而
且它们的位置分布无规律。由此推测, 4001 多芽变
异性状相关的基因可能促进茎端分生组织的未分化
细胞数目的增加, 并且与 SAM 形成区域建立相关,
其作用的调控时间可在胚芽鞘原基形成之前或之后,
但它与 SHL的关系值得探究。
植物胚胎发育中, 胚轴和极性的建立对胚胎能在
正确的位置分化出数量和结构正常的器官非常重要。
单子叶植物在授粉后 2 d, 原胚开始建立背-腹和茎-
2258 作 物 学 报 第 37卷



图版 IV 突变体 4001授粉后 5 d、7 d和 10 d的胚胎发育扫描电镜观察
Plate IV Scanning electron microscope of late embryonic development in mutant line 4001

1~14: 授粉后 5 d的胚胎形态, 1: 第 1叶抽出孔为纺锤型(箭); 2: 裂缝型的第一叶抽出孔(箭); 3: 2个分生芽鞘, 圆孔状的第一叶抽出孔
(箭); 4: 连生 2个芽鞘(白箭)及其中间的隔(黑箭); 5: 交错合拢的芽鞘原基形成的单芽鞘(箭); 6: 开裂的盾片(箭); 7: 半开裂的盾片(箭);
8~9: “Y”字形的芽鞘; 10: 变异的 2个芽鞘(箭); 11: 盾片裂开和变异芽鞘(黑箭); 12: 位置形状异常的芽鞘(箭); 13: 变异单芽鞘胚(箭);
14: 2个并生芽鞘(箭)。15~21: 授粉后 7 d的胚胎形态, 15: 线状的第一叶抽出孔(箭); 16: 异样的第一叶抽出孔(箭)和外胚叶原基(白箭);
17: 发育迟缓的侧鳞(箭); 18: 未合拢芽鞘(上方箭)和发育迟缓的侧鳞(下方箭); 19: “Y”字形开裂芽鞘(箭), 无侧鳞; 20: 多芽鞘胚(箭)侧
鳞迟缓; 21: 多芽鞘胚(箭), 无侧鳞。22~28: 授粉后 10 d的胚胎形态, 22: “X”形胚芽鞘抽出孔(箭); 23: 芽鞘裸露(箭); 24: 芽鞘裸露(箭),
外胚叶(白箭)和侧鳞(黑箭头)短小; 25: 芽鞘位置异常且裸露(箭); 26: 2个芽鞘胚, 芽鞘裸露(箭); 27~28: 多芽鞘胚, 芽鞘裸露(箭)。图
中除 1~14、21标尺均 100 μm, 其余均为 200 μm。
1–14: embryo at 5 DAP; 1: Coleoptile primordium with a spindle-shaped hole for the first leaf emergence (arrow); 2: coleoptile primordium with a
split-shaped hole for the first leaf emergence (arrow); 3: two separate coleoptile primordia, having a circle-shaped hole for the first leaf emergence
(arrow); 4: two connected coleoptile primordia (white arrow) and the gap between them (black arrow); 5: one coleoptile primordium (arrow) formed
by enclosed and interlaced development; 6: split scutellum primordium (arrow); 7: semi-split scutellum (arrow); 8–9: “Y”-shaped coleoptile primor-
dium (arrow); 10: two extreme mutant coleoptile primordia (arrow) in one embryo; 11: split scutellum primordium and mutant coleoptile primordium
(black arrow); 12: abnormal position of coleoptile primordium (arrow); 13: one mutant coleoptile primordium (black arrow); 14: two connected col-
eoptile primordia (arrow). 15–21: embryo at 7 DAP; 15: coleoptile primordium produced a string-shaped hole for the first leaf emergence (arrow); 16:
coleoptile primordium with a abnormal hole for the first leaf emergence (arrow) and epiblast primordium (white arrow); 17: scales (arrow) being
retarded; 18: non-enclosed coleoptile primordium (arrow) and retarded scale primordium (underneath arrow); 19: “Y”-shaped split coleoptile primor-
dium (arrow) without scales (arrowhead) aside; 20: Three abnormally-oriented coleoptile primordia (arrow) with retarded scales; 21: three connected
coleoptile primordia (arrow) without scales aside. 22–28: embryo at 10 DAP; 22: coleoptile primordium with “X”-shaped hole (arrow) for leaf emer-
gence; 23: coleoptile primordium (arrow) unco vered; 24: the uncovered coleoptile primordium (arrow), epiblast primordium (white arrow) and short
scales (black arrow); 25: coleoptile primordium abnormally oriented and uncovered (arrow); 26: uncovered two separated coleoptile primordia (ar-
row); 27–28: uncovered three coleoptile primordia together or alone (arrow). Bars in 1–14 and 21 are 100 μm, the other are 200 μm.
第 12期 郭静玉等: 水稻单胚多芽突变体多芽发生的胚胎学基础 2259


根轴极性, 然后就在正确的位置分化形成一个胚芽
和一个胚根。改变植物的轴向最终会导致植物体表
型的改变[27-29]。水稻中的两个单胚突变体 apd1 和
shl1-2 apd1就是由于基因的突变, 改变了茎-根轴的
定位, 导致单胚多根产生[18]。生长素在植物的生长
和发育分化过程中也扮演着极为重要的作用[30]。茎
端分生组织和根端分生组织的形成[31-32]、叶序的分
化[33]都和生长素在一定位置上的分布梯度有关。在
胚胎发育过程中, 生长素是通过浓度梯度来定位胚
胎背-腹和茎-根轴的建立 [34-35], 进而影响着茎端分
生组织或者根尖分生组织的定位。在对大麦胚胎体
外培养中, 破坏生长素在大麦胚胎中正常的极向运
输和梯度分布可以导致多根尖分生组织或者多茎端
分生组织的产生[36]。水稻突变体 OsCem胚胎初期的
生长素分布水平改变, 导致胚胎产生多个轴, 植物
形态表现多苗或多根[19]。至于 4001中多个茎端分生
组织的位置差异, 主要表现为背腹轴性变化, 是否
由于正常生长素的分布水平变化所致, 尚待进一步
探讨。本文较为系统地证实了 4001单胚多芽变异性
状源于多个茎端分生组织的形成, 其相关基因在调
控水稻茎端分生组织分化时间、未分化细胞数目以
及背腹轴性建立方面可能起着重要的作用。
4 结论
水稻单胚多芽突变体 4001胚囊结构、双受精过
程正常, 但胚胎发育和分化迟于野生型水稻, 胚胎
分化产生多个茎端分生组织 , 且位置异常 , 这是
4001 多芽的细胞学基础, 其相关基因对调控水稻茎
端分生组织分化模式起着重要的作用。

致谢：本文实验得到华南农业大学徐雪宾教授的指
导, 也得到李亚娟、赵杏娟和俞淑红等老师和同学
的协助, 福建农林大学李维明研究员提供了突变体
材料 4001, 在此一并致谢。
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