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第 26 卷 第 6 期 作　物　学　报 V o l. 26, N o. 6
2000 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2000
马协不育系花药超微结构观察X
关和新XX　朱英国
(武汉大学遗传研究所, 湖北武汉, 430072)
提　要　超微结构观察表明马协不育系药隔维管束无导管, 仅 2～ 3 个筛分子, 维管束薄壁细胞液泡膜
破裂, 线粒体有很大的电子透明区, 而同期可育花药药隔维管束有 2 个导管, 6～ 7 个筛分子, 维管束
薄壁细胞液泡少。单核期不育花药绒毡层提前解体, 液泡膜破裂, 二核期不育花粉外壁基粒棒少, 且
分布不均匀, 线粒体电子透明区不断扩大, 中央大液泡膜崩溃。推测不育花药维管束异常及绒毡层提
前解体影响了花粉营养供应, 液泡膜解体可能与活性氧类物质毒害有关。
关键词　水稻; 细胞质雄性不育; 超微结构
Ultra structura l Observa tion of M ax ie Ster ile An ther (O ryza sa tiva
L. )
GUAN H e2X in　ZHU Y ing2Guo
( Institu te of Genetics, W uhan U niversity , W uhan 430072)
Abstract　　 It w as show n tha t there w ere tw o tracheary elem en ts and six o r seven sieve
elem en ts in vascu lar bundle of M ax ie fert ile an ther. N um erou s m itochondria, together w ith
a few vacuo les w ere a lso ob served a t un inuclea te stage. By con trast in sterile an ther, no
tracheary elem en t w as ob served, and there w ere on ly tw o o r th ree sieve elem en ts. A bno rm al
m itochondria, num erou s vacuo le w ith b roken tonop last w ere ob served in parenchym atou s
cells, and abo rted tapetum w ith b roken tonop last w ere a lso ob served a t un inuclea te stage. A t
b inuclea te stage, the sterile po llen show ed abno rm al ex ine, m itochondria and destroyed
tonop last. W e suggested tha t abno rm al vascu lar bundle and abo rted tapetum cou ld no t
supp ly enough nu trien t to po llen, and tonop last b roken m ay be at t ribu ted to RO S ( react ive
oxygen species) tox ic.
Key words　　R ice (O ry z a sa tiva L. ) ; Cytop lasm ic m ale sterility; U lt rast ructu re
本世纪 70 年代, 美国在生产上大面积种植的 T 型细胞质的杂交玉米由于受到小斑病的
侵染严重减产, 提醒人类在杂种优势的研究和利用中一定要注意不育胞质的多样性。我国目
前生产上大面积种植的杂交水稻的细胞质多来源于野败, 由于野败胞质对某些稻瘟病菌抗性
降低, 使得杂交水稻生产风险加大, 因此多质源不育系的开发和理论研究已刻不容缓。
马协不育系系朱英国等用农家品种“马尾粘”不育株与“协青早选”测交和回交选育成功
的, 目前该不育胞质配制的杂种在生产上有较大的推广面积。丁毅等报道了不育花粉细胞学
研究结果[ 1 ] , 本文旨在研究不育花药超微结构的变化。
X
XX 现通讯地址: 广西大学农学院, 广西南宁, 530005
收稿日期: 1999207202, 接受日期: 1999212215
国家自然科学基金资助项目。本实验得到华中农业大学电镜室蓝盛银教授、徐珍秀老师的大力支持, 谨致谢枕!

1　材料和方法
根据植株发育外部特征剥取马协不育系和保持系花药, 立即投入 0. 1 m o lö L 二甲胂酸钠
缓冲液 (pH 7. 2) 配制的 2. 5% 戊二醛固定液中固定 4 小时, 用相同的缓冲液洗涤 3 次, 1% 锇
酸 (0. 1 m o lö L 二甲胂酸钠缓冲液配制) 在 4℃冰箱中固定过夜。锇酸固定后用上述缓冲液洗
涤 3 次, 丙酮逐级脱水, 环氧丙烷过渡, Epon812 树脂包埋。在L KB 8800 切片机上超薄切片,
半薄切片鉴定花粉发育时期。超薄切片经醋酸双氧铀和柠檬酸铅染色, JEM 2100 cx ö ˚ 型电
子显微镜观察与摄影。
2　结果
单核期可育花药药隔维管束导管已分化成熟, 有很厚的次生壁, 6～ 7 个筛分子组成发达
的筛管群 (图版 É , 1)。维管束薄壁细胞有浓厚的胞质, 液胞小且少, 液泡膜完整, 一般无吞
噬物, 细胞质内有丰富的线粒体, 线粒体内电子密度较高, 有明显的嵴结构, 细胞内还存在
质体 (图版 É , 2)。
单核期不育花药药隔维管束细胞数量少, 一般只有十几个细胞, 统计显示不育花药药隔
维管束细胞数量比可育花药少约 2 倍。不育花药药隔维管束无导管, 仅 2～ 3 个筛分子 (图版
É , 3)。维管束薄壁细胞内液泡大而多, 液泡间膜破裂 (图版 É , 4; 如箭所示) , 胞质内也观
察到较多线粒体, 但线粒体有很大的电子透明区 (图版 É , 4)。
单核期可育花药绒毡层细胞胞质浓厚, 仅有少量彼此分隔的小液泡, 液泡膜完整 (图版
É , 5)。单核期不育花药绒毡层细胞内有很大的液泡, 分隔胞质与液泡的液泡膜崩溃 (图版
É , 6; 如实心箭所示) , 细胞质内缺乏细胞器, 结构紊乱、内含物少、电子透明度明显比可育
花药绒毡层高, 乌氏体数量少 (图版 É , 6)。
单核边位期可育花粉外壁基粒棒均匀密集, 花粉胞质内有很多线粒体, 线粒体电子密度
较高; 在细胞质内还可以观察到粗面内质网和多聚核糖体 (图版˚ , 7)。
单核边位期多数不育花粉表现相对正常, 细胞质内也存在多聚核糖体和内质网, 线粒体
电子密度较高, 液泡膜保持完整 (图版˚ , 8) ; 单核期有少数花粉表现异常, 花粉外壁基粒棒
分布不均匀, 且数量少, 细胞质内线粒体有很大的电子透明区, 花粉胞质内也存在内质网 (图
版˚ , 9)。
二核期可育花粉外壁基粒棒均匀密集, 花粉胞质线粒体较多, 并可观察到明显的嵴结
构, 细胞质中存在多聚核糖体、粗面内质网和质体, 细胞核可观察到明显的双层膜, 核内有
很大的核仁 (图版˚ , 10)。
二核期不育花粉外壁基粒棒少且分布不均匀, 胞质内多层内质网绕成环状, 线粒体有较
大的电子透明区, 中央大液泡膜局部不连续 (图版˚ , 11; 如实心箭所示) ; 随后中央大液泡
膜缺口变得很大 (图版˚ , 12; 如箭所示) , 胞质内线粒体变形, 内部电子透明区变得更大 (图
版˚ , 12) ; 在二核花粉液泡内, 还可以观察到多膜复合体 (图版˚ , 13)。
3　讨论
在植物雄性不育细胞学研究中, 关于花药维管束变化的报道较少, Joppa 等[ 2 ]曾观察到
雄性不育小麦花药维管束发育不良, 随后A lam 和 Sandal[ 3 ]在雄性不育高粱中也观察到药隔
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维管束异常, 王台等[ 4 ]观察到光敏核不育水稻农垦 58s 的可育花药与不育花药维管束有很大
差异, 并将花药维管束归纳为多种类型。众所周知, 维管植物物质的长距离运输是通过木质
部和韧皮部完成的, 其中韧皮部的主要功能是运输有机物质, 而木质部的主要功能是运输水
分、矿物质及无机离子, 此外, 有些植物激素如细胞分裂素和赤霉素也可以通过木质部来运
输[ 5 ]。因此, 输导组织在植物生长和发育过程中的重要地位不言而喻。水稻生殖生长阶段,
花粉作为最大的营养库之一需要大量的营养物质以维持其生长和发育, 而药隔维管束作为
“源——库”通道, 可以被誉为花粉获取营养的咽喉。马协不育花药药隔维管束缺乏导管, 仅
2～ 3 个筛分子, 显然制约了营养源物质输入药隔维管束。另外, 不育花药营养物质卸出维管
束也存在障碍: A T Pase 定位显示二核期以前马协可育花药营养物质卸出维管束主要取共质
体途径, 在维管束薄壁细胞与鞘细胞间存在大量的胞间连丝并同时观察到大量的物质经胞间
连丝转运到鞘细胞, 而不育花药维管束则缺乏胞间连丝; 同时, 实验还观察到可育花药药隔
薄壁细胞内积累有较多的淀粉粒, 而不育花药药隔薄壁细胞内则缺乏淀粉 (论文待发表)。淀
粉的缺乏暗示不育花药药隔薄壁细胞内碳水化合物贮备不足, 似可作为不育花药维管束物质
运输障碍的一个证据。基于以上研究结果, 推测不育花药维管束结构异常导致其营养运输功
能缺陷, 从而导致花粉因营养匮乏而败育。
绒毡层为小孢子发育提供营养并参与花粉壁形成[ 6 ]。许多报道都提到花药绒毡层的发育
异常与花粉败育有关[ 7～ 10 ]; 嵌合核酸酶基因转化烟草和油菜后, 能引起转基因植株绒毡层破
坏, 并导致花粉败育[ 11 ]。随着分子生物学的发展, 许多绒毡层特异表达的 cDNA 被分离出
来, 这些 cDNA 大多具有 5′端信号肽序列, 进一步证实了绒毡层对花粉的哺育作用。从本实
验结果来看, 马协不育花药绒毡层提前解体, 直接导致了花粉外壁发育不良 (不育花粉外壁
基粒棒少且分布不均匀) , 同时也反映出不育花药绒毡层提前解体与花粉败育的紧密联系。
已有的研究表明雄性不育水稻不育花药活性氧类物质明显高于可育花药, 而消除这些有
害物质的酶类活性降低[ 12～ 14 ]。活性氧类物质的增加能引起DNA (特别是线粒体DNA ) 损伤、
膜脂过氧化以及生物膜结构和功能的破坏[ 12～ 17 ]。本文观察到不育花药维管束薄壁细胞液泡
膜破裂、线粒体有很大的电子透明区, 绒毡层液泡膜破坏, 二核期不育花粉中央大液泡膜崩
溃、线粒体逐渐空泡化, 这些异常现象可能与不育花药活性氧类物质增加有关。此外, 液泡
膜破坏后, 水解酶类逸出液泡, 引起胞质消化, 细胞解体, 以致其正常功能丧失, 并最终导致
花粉败育。
参　考　文　献
1　丁　毅, 余金洪, 朱英国. 武汉大学学报 (自然科学版) , 1998, 44 (6) : 729～ 732
2　Jappo H A , F H M cN eal, J R W alsh, C rop S ci. , 1966, 6: 296～ 297
3　A lam S Q , P C Sandal, C rop S ci. , 1967, 7: 587～ 589
4　王　台, 童　哲. 作物学报, 1992, 18 (2) : 132～ 136
5　Raven P H , R F Evert, S E E ichho rn. B iology of P lan ts. 1987, N ew Yo rk
6　Chapm an G P, In t R ev Cy tol, 1987, 107: 111～ 125
7　L ouk ides C A , A H B roadw ater, P A Bedinger. A m er J B ot. , 1995, 82 (8) : 1017～ 1023
8　Zhang X P, H T Sko rup ska, B B Rhodes, T he J ou rna l of H ered ity , 1994, 85: 279～ 285
9　陈朱希昭, 陈耀堂, 高信曾, 植物学报, 1984, 26 (3) : 235～ 240
10　KaulM C H. M ale S terility in H ig h P lan ts. 1988, Sp ringer2V erlag, Berlin
5196 期　　　　　　　　　　　　关和新等: 马协不育系花药超微结构观察　　　　　　　　　　　　　　　

11　M arian i, C. , M. D. Beuckeleer, et al. , N atu re, 1990, 347 (15) : 737～ 741
12　陈贤丰, 梁承邺. 植物生理学报, 1991, 17 (1) : 44～ 48
13　林植芳, 梁承邺等. 植物学报, 1993, 35 (3) : 215～ 221
14　梁承邺, 陈贤丰, 植物生理学报, 1993, 19 (1) : 82～ 88
15　M 16　曾昭惠, 张宗玉. 生物化学与生物物理进展, 1995, 22 (5) : 429～ 432
17　王爱国, 邵从本等. 植物生理学报, 1990, 16 (1) : 13～ 18
图版及说明
BS2维管束鞘细胞, er2内质网, ex2花粉外壁, m 2线粒体, m c2多膜复合体, n2细胞核, nu2核仁, p2质体, S2筛管,
T 2导管, v2液泡
图版É
1. 单核期可育花药维管束, 示导管和筛管。×2964　　2. 单核期可育花药维管束薄壁细胞, 示液泡、线粒体和
质体。×18000　　3. 单核期不育花药维管束, 示筛管。×2250　　4. 单核期不育花药维管束薄壁细胞, 示液胞膜
破裂 (→) , 注意线粒体内有很大的电子透明区。×22400　　5. 单核期可育花药绒毡层, 示核、液泡及乌氏体 (→)。
×18000　　6. 单核期不育花药绒毡层, 示液泡膜解体 (→)及乌氏体 (^ )。×22400
图版˚
7. 单核期可育花粉, 注意花粉外壁基粒棒 (^ ) 均匀密集。×18000　　8. 单核期不育花粉。×22400　　9. 单
核期不育花粉, 示内质网 (→) , 注意线粒体有很大的电子透明区, 花粉外壁基粒棒 (^ ) 分布不均匀。×16000　　
10. 二核期可育花粉, 示质体 (^ )、线粒体和内质网, 注意花粉外壁基粒棒均匀密集 (→)。×18000　　11. 二核期
不育花粉, 注意外壁基粒棒很少 (^ ) , 液泡膜消失 (→)。×11500　　12. 二核期不育花粉, 示液泡膜崩溃 (→) 及线
粒体异常。×22400　　13. 二核期不育花粉, 示中央大液泡内的多膜复合体。×30400
Explana tion of pla tes
BS-bundle sheath, er-endoplasm ic reticulum , ex-ex ine, m -m itochondr ia, mc-multi-membraned complex, n-
nucleus, nu-nucleole, p-plastid, s- sieve elemen ts, T- tracheary elemen ts, v-vacuole
Plate É
1. V ascu lar bundle of fert ile an ther at un inucleate stage, show ing tracheary elem ents and sieve elem ents. ×2964
　　2. Parenchym atous cells of vascu lar bundle in fert ile an ther at un inucleate stage, show ing vacuo le, m itochondria
and p lastid. ×18000　　3. V asuclar bundle of sterile an ther at un inucleate stage, show ing sieve elem ents. ×2250　
　
4. Parenchym atous cells of vascu lar bundle in sterile an ther at un inucleate stage, show ing large electrical transparen t
area in m itochondria and broken tonop last (arrow ). ×22400　　5. T apetum of fert ile an ther at un inucleate stage,
show ing vacuo le, nucleus and U bisch body (arrow ). ×18000　　6. T apetum of sterile an ther at un inucleate stage,
show ing destroyed tonop last (arrow ) and U bisch body (ho llow arrow ). ×22400
Plate ˚
7. Fert ile po llen at un inucleate stage, at ten tion that dense co lum ellae of ex ine w ere evenly distribu ted (ho llow
arrow ). ×18000　　8. Sterile po llen at un inucleate stage, ×22400　　9. Sterile po llen at un inucleate stage,
show ing p lastid (arrow ) , and that m itochondria has large electrical transparen t area, and co lum ellae (ho llow arrow ) of
ex ine distribu ted unevenly. ×16000　　10. Fert ile po llen at b inucleate stage, show ing p lastid (ho llow arrow ) and
m itochondria. A tten tion that dense co lum ellae (arrow )of ex ine w ere evenly distribu ted. ×18000　　11. Sterile po llen
at b inucleate stage, at ten tion that on ly a few co lum ellae (ho llow arrow ) existed in ex ine, and tonop last disappeared
(arrow ). × 11500 　　 12. Sterile po llen at b inucleate stage, show ing broken tonop last ( arrow ) and abno rm al
m itochondria. ×22400　　13. Sterile po llen at b inucleate stage, show ing m ulti2m em braned comp lex of vacuo le. ×
30400
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