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第 27 卷 第 2 期 作　物　学　报 V o l. 27, N o. 2
2001 年 3 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA M ar. , 2001
水稻红莲-粤泰不育系花粉与药隔组织Ca2+ 的分布Ξ
利容千　朱英国　孟祥红　王建波
(武汉大学生命科学学院, 湖北武汉 430072)
提　要　用焦锑酸钾沉淀法研究了水稻红莲2粤泰不育系及其保持系花药发育过程中 Ca2+ 的分布变
化。结果表明: 二核期前后, 可育花粉和败育花粉表面均积累较多Ca2+ 的沉淀颗粒; 可育花粉内充满
浓密细胞质和淀粉粒, 无Ca2+ 沉淀颗粒分布; 败育花粉在其细胞质的液泡中积累大量Ca2+ 沉淀颗粒,
胞质中出现液泡化网状结构, 并逐步解体成空泡。保持系药隔维管束及薄壁细胞中几乎无Ca2+ 沉淀颗
粒分布; 而不育系药隔维管束鞘及其周边细胞、导管与筛管的内壁和液泡中均有较多Ca2+ 沉淀颗粒分
布, 薄壁细胞的核分布着较少Ca2+ 沉淀颗粒。并对不育系花粉内和药隔组织细胞中Ca2+ 大量积累的异
常现象作了深入的探讨。
关键词　水稻; 细胞质雄性不育; 花粉败育; Ca2+ ; 细胞化学
The D istr ibution of Ca lc ium in the Pollen and Connective T issue of
Hongl ian -Y ueta i Cytopla sm ic M a le Ster ile R ice
L I Rong2Q ian　ZHU Y ing2Guo　M EN G X iang2Hong　W AN G J ian2Bo
(Colleg e of L if e S ciences, W uhan U niversity , H ubei W uhan 430072, Ch ina)
Abstract　　Po tassium an t im onate w as u sed to loca te Ca2+ in fert ile and sterile an thers of
Honglian2Yueta i cytop lasm ic m ale2sterile rice (O ry z a sa tiva L. ). D u ring the developm en t of
fert ile and sterile an thers, abundan t ca lcium p recip ita tes accum u la ted on the ou ter su rface of
po llen w alls a t the b inuclea te stage w h ile sta rch gra in s accum u la ted in po llen. T here w ere no
C 2+a p recip ita tes in the cytop lasm of fert ile po llen gra in s. How ever, a grea t quan t ity of
ca lcium p recip ita tes accum u la ted in cen tra l vacuo le of abo rt ive po llen. T here w as no t
d ist ribu t ion of ca lcium p recip ita tes in connect ive t issue of fert ile an thers. A lterna t ively, in
connect ive t issue of sterile an thers, abundan t ca lcium p recip ita tes loca ted in vacuo le and
cytop lasm of vascu lar bundle shea th cells and its periphera l cells, vessels and sieve tubes,
bu t few calcium p recip ita tes in nuclei of parenchym atou s cells. T he changes of an t im onate2
induced ca lcium p recip ita tes in the po llen and connect ive t issue of cytop lasm ic m ale2sterile
rice ind ica te tha t the anom alies in the d ist ribu t ion of ca lcium accum u la t ion co rrela te w ith
po llen abo rt ion.
Key words 　 　O ry z a sa tiva L. ; Cytop lasm ic m ale2sterile; Po llen abo rt ion; Calcium ;
Cytochem istry
Ca2+ 参与植物生长发育诸多过程, 作为第二信使在信号转导中起着重要作用[ 1, 2 ]。高等Ξ 国家自然科学基金资助项目 (编号: 39770455) Suppo rted by the N atural Science Foundation of Ch ina.
收稿日期: 2000202201, 接受日期: 2000205205
Received on: 2000202201, A ccep ted on: 2000205205

植物花粉萌发和花粉管生长过程中Ca2+ 的分布及作用的研究已有不少的报道, 然而关于花粉
形成与发育过程Ca2+ 分布的研究较少[ 3, 4 ]T ian et a l. (1998) 在光敏核不育水稻研究中, 认为
Ca2+ 在花药中的异常分布与雄性不育有关[ 5 ]; 最近我们对光敏胞质不育小麦花药发育过程中
Ca2+ 的分布进行研究, 观察到类似的结果[ 6 ] , 但对于非光敏型的雄性不育品种其花粉的败育
是否与Ca2+ 存在类似的关系呢? 为此, 以我们用红芒野稻与栽培稻莲塘早杂交培育而成红莲
型的多种不育系中较稳定的红莲2粤泰不育系及保持系为材料, 运用焦锑酸钾沉淀法研究其
花药发育过程中Ca2+ 的分布特点, 结合花药败育组织、细胞结构研究结果[ 7～ 9 ]对其败育机理
作更深入的研究。并对Ca2+ 在花粉败育中的作用进行探讨。
1　材料与方法
实验材料为“红莲2粤泰”不育系及其保持系栽培于本系实验网室, 待花粉发育至二核期
取其花药横切为二, 以焦锑酸钾沉淀法制样[ 5 ] , Spu rr 树脂包埋, JEM 2100cxöÊ 型透射电镜
观察与拍照。为了证明本方法的专一性, 实验切片经Ca2+ 专一性螯合剂 EGTA 处理, 然后再
行观察, 发现原有沉淀颗粒消失, 由此证明沉淀颗粒为焦锑酸钙沉淀。
2　观察结果
2. 1　二核期花粉Ca2+ 的分布
2. 1. 1　保持系正常花粉Ca2+ 的分布　　水稻红莲2粤泰不育系, 经我们对其花粉压片和石蜡
切片检查是在二核期败育, 因此我们以其保持系二核期花粉作为对照, 观察其 Ca2+ 的分布特
点。当花粉发育到二核期, 在花粉表面分布着较均匀紧密 Ca2+ 的沉淀颗粒, 花粉细胞质浓
厚, 其内分布着淀粉和体积特大的黑色嗜锇颗粒, 但基本无Ca2+ 的沉淀颗粒分布。此外, 绒
毡层的外壁和乌氏体上也有少数Ca2+ 的颗粒分布 (图版É 21, 2)。
2. 1. 2　不育系败育花粉Ca2+ 的分布　　在不育系花粉中, 当花粉发育至二核期时, 沿着花
粉的外壁分布着一层致密的Ca2+ 的颗粒沉淀, 在萌发孔口区域也有 Ca2+ 沉淀颗粒 (图版É 2
1, 3)。败育花粉的胞质内虽然有一些淀粉积累, 但其数目较少、体积小; 胞质内出现液泡化,
液泡内有许多膜状结构和数目多而体积小的Ca2+ 沉淀颗粒; 而胞质中则分布较少Ca2+ 的颗
粒 (图版É 24, 5) ; 花粉进一步败育, 花粉外壁表面的颗粒有增多的趋势 (图版É 21, 6) ; 花粉
细胞质的液泡中积累大量的Ca2+ 沉淀颗粒。随后, 花粉内淀粉粒消失, 膜状结构解体, 液泡
增大成大液泡, 其内部分布有大量的Ca2+ 颗粒 (图版Ê 27, 8)。最后, 花粉完全败育, 呈凹陷
弯曲形的空壳花粉 (图版Ê 29) , 但外壁表面仍存在密集Ca2+ 的小颗粒, 内壁也有少量的沉淀
颗粒分布。此外, 在花粉败育过程中也观察到败育花粉与绒毡层内壁直接接触及乌氏体上分
布有Ca2+ 的现象 (图版É 26)。
2. 2　药隔组织中Ca2+ 的分布
2. 2. 1　保持系药隔组织Ca2+ 的分布　　保持系药隔维管束鞘由一层形状不规则的薄壁细胞
构成, 细胞中仅有少量的胞质, 细胞质中央为大液泡; 维管束内的薄壁细胞, 胞质很浓密, 有
核和细胞器结构, 部分细胞有明显的液泡; 中央几个大的细胞无细胞质, 仅有细胞壁的空腔
为导管和筛管, 所有这些细胞几乎都没有Ca2+ 沉淀颗粒, 在少数导管内壁有隐约可见微小的
Ca2+ 的沉淀颗粒分布, 个别的维管束鞘细胞有极少的沉淀颗粒, (图版Ê 210)。
2. 2. 2　不育系药隔组织Ca2+ 的分布　　二核期前后开始败育的花药, 在药隔维管束鞘细胞
1322 期　　　　　　　　利容千等: 水稻红莲2粤泰不育系花粉与药隔组织Ca2+ 的分布　　　　　　　　　

及其周围薄壁细胞的胞质和液泡中, 分布着许多体积大小不等的Ca2+ 沉淀颗粒, 在导管内壁
的周边分布着密集的Ca2+ 沉淀颗粒, 筛管也有Ca2+ 颗粒分布, 而维管束薄壁细胞内均匀分布
着颗粒体积小的Ca2+ 沉淀颗粒 (图版Ê 211, 12)。
3　讨论
3. 1　正常花粉与败育花粉Ca2+ 分布特点的比较
当红莲2粤泰正常花粉发育至二核期时, 在花粉外壁周围分布着许多 Ca2+ 的沉淀颗粒,
花粉内除积累大量淀粉外, 胞内无Ca2+ 沉淀颗粒。而不育系败育花粉在这个时期突出的特点
是: 花粉不仅在外壁分布着许多Ca2+ 沉淀颗粒, 而且在液泡中也有大量 Ca2+ 的沉淀颗粒分
布; 同时花粉细胞质不断液泡化, 花粉最终空瘪。T ian et a l. (1998)在光敏核不育水稻的研究
中发现败育花粉细胞质内分布有大量的Ca2+ 分布[ 5 ]; 最近, 我们在光敏胞质不育小麦花药发
育过程中Ca2+ 的分布的研究中亦发现败育花粉细胞质内积累大量 Ca2+ [ 6 ]。本文在普通水稻
不育系材料的研究中发现败育花粉内Ca2+ 大量积累, 并导致花粉液泡化, 这一结果与光敏型
不育系材料的研究结果相一致。以上结果表明: Ca2+ 在败育花粉细胞质内大量积累具有普遍
性, 也许这将为雄性不育机理的研究提供新的思路, 为进一步揭示不育机理将有重要的意
义。
Ca2+ 作为细胞内信使能触发细胞内许多重要生化反应如: 酶的分泌、激活, 激素调节,
蛋白质磷酸化, 光合系统, 育性改变等。Ca2+ 在细胞内作为结合分子与各种配体产生交联复
合物, 对维持细胞膜、细胞质与细胞壁结构的完整性和稳定性起着不可缺少的作用。胞内钙
离子浓度的改变又是钙信使系统作用机制的中心[ 10 ]。花粉胞质Ca2+ 的稳态调节可以通过位
于质膜上或液泡膜上的 Ca2+ 通道和 Ca2+ 2A T Pase 控制 Ca2+ 的内流和外流得以实现[ 11, 12 ]。
Gong et a l. (1995) 实验证明花粉胞质内Ca2+ 的稳态对胞质内正常生理功能的发挥起着重要
的作用[ 13 ]; J ian et a l. (1999) 在冬小麦的冷害研究中认为细胞质Ca2+ 的高浓度是导致植物受
害的一种因素[ 14 ]; 我们进一步的研究表明; 质膜和内壁Ca2+ 2A T Pase 分布较少, 影响了花粉
胞质Ca2+ 稳态, 从而导致Ca2+ 在胞内过量积累, 花粉受到毒害而死亡[ 15 ]。因此, 不育花粉细
胞质内Ca2+ 异常积累可能是导致花粉败育的一种因素。
3. 2　药隔组织与花粉败育过程Ca2+ 分布的关系
药隔维管束组织是输送水分和养料供给花粉发育的主要通道, 过去研究了水稻不同类型
雄性不育系的药隔组织的异常结构与育性有关[ 16, 17 ]。本研究结果表明: 败育花药药隔维管束
鞘、导管和筛管细胞的内壁、胞质和液泡中有较多体积大小不等的Ca2+ 沉淀颗粒分布, 薄壁
细胞体积较小的Ca2+ 沉淀颗粒均匀分布在细胞核中。然而, 保持系正常花药药隔组织几乎无
Ca2+ 沉淀颗粒分布。T ian et a l. (1998)在光敏核不育水稻不育花药药隔组织中亦观察到Ca2+
的这种异常分布现象[ 5 ]。不育系败育花药药隔组织Ca2+ 的异常分布现象可能影响了药隔细胞
正常功能的发挥, 从而影响药壁细胞功能和花粉的发育。因此, 药隔组织细胞内Ca2+ 的异常
分布与花粉败育密切相关。
参　考　文　献
1　H elper P K, R O W ayne. A nnu R ev P lan t P hy siol, 1985, 36: 397～ 439
2　王朝辉, 孙大业. 植物学通报, 1997, 14 (1) : 1～ 7
232　　　　　　　　　　　　　　　　　作　　物 　　学　　报　　　　　　　　 　　　　　　　　27 卷

3　T irlapur U K, M T M W illem se. S ex P lan t R ep ort, 1992, 5: 214～ 223
4　W illem se M T M , P lan t S y st E vol, 1993, 7: 107～ 116
5　T ian H Q , A Kuang, M E M usgrave, et a l. P lan ta, 1998, 204: 183～ 192
6　孟祥红, 王建波, 利容千. 植物学报, 2000, 42: 15～ 22
7　武汉大学遗传研究室. 植物学报, 1978, 20: 150～ 155
8　利容千. 遗传学报, 1979, 6: 12
9　利容千. 植物学通报, 1999, 16 (专辑) : 30～ 34
10　孙天恩, 周平, 叶梦伟. 植物生理学通讯, 1996, 32: 91～ 99
11　马力耕, 徐小冬, 崔素娟等. 科学通报, 1997, 42: 2648～ 2652
12　H eslop2H arrison J , Y H eslop2H arrison. A nn B ot, 1992, 69: 395～ 403
13　Gong M ing, Z H Yang, T H T sao. A cta S cien tiarum N atu ra lium U niversita tis P ek inensis, 1995, 31: 238～ 249
14　J ian L C, J H L i, W P Chen et a l. P lan t Cell P hy siol, 1999, 40: 1061～ 1071
15　孟祥红, 王建波, 利容千. 植物学报, 2000, 42 (5) : 446～ 454
16　潘坤清. 遗传学报, 1979, 6: 211～ 215
17　徐树华. 中国农业科学, 1984, 2: 14～ 18
Explana tion of pla tes
TC. T apetum al cell; UB. U bisch body; EX. Exine; Ca. Calcium p recip itates; SG. Starch grains; GA. Germ inal
apertu re; N. N ucleus; V a. V acuo lation; CV. Central vacuo le; V S. V ascu lar bunde sheath; V e. vessel; ST. Sieve
tubes; PC. Parechym atous cell.
P late É 　F ig. 1～ 2. Fert ile po llen of b inucleate stage; F ig. 1. calcium p recip itates distribu tion in tapetum , U bisch
body and on surface of po llen. ×3500; F ig. 2. Calcium p recip itates distribu tion in surface of po llen and starch grains
accum ulated. × 3700; F ig. 3～ 9. Calcium p recip itates distribu tion of po llen abo rtive p rocess; F ig. 3. Calcium
p recip itates distribu tion of po llen germ inal apertare ×3700; F ig. 4～ 5. Calcium p recip itates distribu tion on surface of
po llen, p lasm a, vacuo le at po llen vacuo lation stage ×3900, ×4500; F ig. 6. Calcium p recip itates increase in tapetum ,
U bisch body and on surface of po llen ×3200.
P late Ê 　F ig. 7～ 8. A great quantity calcium p recip itates distribu tion of cen tral vacuo le in po llen ×3700; F ig. 9.
Calcium p recip itates distribu tion of ho llow abo rtive po llen ×2600; F ig. 10～ 12 Calcium p recip itates distribu tion of
connective tissur in fert ile and sterile lines; F ig. 10. Calcium p recip itates distribu tion on individual cell of connective
tissue in fert ile ×2600; F ig. 11. A great quantity calcium p recip itates distribu tion of vascu lar bunde sheath and its
peripheral cells, and vessels in sterile connective tissue × 3200; F ig. 12. A great quantity calcium p recip itates
distribu tion of vessels, sieve tubes, parenchym atous cells in sterile connective tissure ×3900.
3322 期　　　　　　　　利容千等: 水稻红莲2粤泰不育系花粉与药隔组织Ca2+ 的分布