全 文 ：水稻胞质雄性不育系珍汕 !#及其保持系珍汕 !$
绒毡层发育过程中的 %&’(分布变化!
夏快飞!，王亚琴，叶秀!#，梁承邺#，徐信兰#
（! 中山大学生命科学学院，广东 广州 $!%#&$；# 中国科学院华南植物园，广东 广州 $!%’$%；
华南理工大学生物科学与工程学院，广东 广州 $!%’(%）
摘要：利用焦锑酸钾沉淀法研究了野败不育系珍汕 )&*及其保持系珍汕 )&+绒毡层细胞的发
育过程及其细胞中 ,-#.的分布变化。研究发现保持系绒毡层细胞在单核花粉晚期才开始迅
速解体，而不育系绒毡层细胞在花粉母细胞时期就开始出现核膜、细胞膜解体，此过程持续
到二核花粉时期。珍汕 )&*绒毡层细胞从花粉母细胞时期开始，细胞质内有少量颗粒状的
,-#.沉淀；减数分裂时期，绒毡层细胞的内切向壁表面有大量大颗粒的 ,-#.沉淀；单核花粉
时期绒毡层细胞周围集聚一层 ,-#. 沉淀。而保持系绒毡层细胞遮花粉母细胞时期和减数分
裂时期细胞内没有 ,-#.沉淀；单核花粉时期绒毡层细胞内的 ,-#. 沉淀主要分布在解体的细
胞质内。推测绒毡层细胞结构发育的异常和 ,-#.的异常分布可能与花粉的败育有关。
关键词：水稻；绒毡层；,-#.；雄性不育；焦锑酸钾沉淀法
中图分类号：/ )(( 文献标识码：* 文章编号：%#$0#&%%（#%%$）%(0 %(!0 %’
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云 南 植 物 研 究 #%%$，’（(）：(! V (!W
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! 基金项目：国家自然科学基金（%!&%%’!）和广东省科技计划项目重大科技专项（#%%!*#%!%!%$）
收稿日期：#%%$0%!0#$，#%%$0%$0%)接受发表
作者简介：夏快飞（!)&$0）女，博士，主要从事生物化学与分子生物学研究。
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“杂交稻之父”袁隆平利用在海南发现的一株花粉败育的野生稻，掀起了水稻生产的“第二
次绿色革命”，水稻产量因此而提高了 *EF，解决了大部分人们的温饱问题。水稻胞质雄性不育系
珍汕 89G是我国最常利用的一种雄性不育系之一，已有 *E多年的利用历史（侯磊等，*EEE）。在杂
交水稻的研究和利用中，小孢子败育机理始终是人们关心的热点，从已有的研究发现花粉的败育
可以发生在小孢子发育的各个阶段（徐树华，H8IE），引起败育的原因也可能是不同的。
)*+是高等植物体内普遍存在的一种信使分子，参与了植物体内多种生理变化及抗逆
境的过程（51/%，H88J）。对于植物体内这么普遍存在的一种信使分子是否与水稻的雄性
不育有着一定的关系呢？以农垦 JIK 为材料，于青等（H88*）、吴文华和李合生（H88L）
发现不育材料的叶片中具有更高的 )*+ 浓度。组织化学的研究方法表明，光敏感核不育
水稻（A.2等，H88I）和红莲 M粤泰型水稻（利容千等，*EEH）不育花药中的 )*+分布与
可育花药中不同。据此推测，)*+的异常分布可能与水稻花粉败育有关。本研究以野败不
育系珍汕 89G和其保持系珍汕 895为材料，采用组织化学沉淀法，探讨了水稻花药绒毡层
发育过程中 )*+的分布变化及其与绒毡层结构发育和水稻雄性不育的关系，为水稻雄性
不育生物学的研究提供了更多的细胞学和组织化学的参考资料。
) 材料与方法
)*) 材料
水稻不育系珍汕（!#$% &%’()% N4）89G及其保持系珍汕 895，常规方法浸种，催芽，于 *EE* O *EEL
年种植于中科院华南植物园实验大田。按常规方法管理。
)*+ 方法
HP*PH 取材 根据穗颈节的长度初步判断不同时期的花药，穗颈节长度 Q M * -:时大部分幼穗处于花粉
母细胞时期，穗颈节长度处于 M * -: O + * -:时为减数分裂时期，穗颈节长度为 * O R -:时为单核花粉时
期，穗颈节 R O H* -:时为二核花粉时期，抽穗后开花前两天花粉基本成熟。然后根据颖壳的长度判断花
粉的发育时期并取材固定。判断依据如下：花粉母细胞时期颖壳长度约为 H O S ::，减数分裂时期 * O J
::，单核花粉时期 J O 9 ::，二核花粉时期 I O HE ::，成熟花粉时期所取材料为散粉前两天，颖壳长度长
于 HE ::。所有的花药均取自每个稻穗的中部，每个时期材料至少取来自于 J个不同稻株的 *J个花药。
HP*P* 材料的固定与处理 材料的固定与处理基本参照 A.2等（H88I）的方法进行略有修改。幼期的花
药切去颖花的顶端，单核花粉时期以后的花药切去颖花的两端并迅速置入用 EPH :0#TN的磷酸缓冲液（,U
9PR）配制的 *F的戊二醛和 HF的焦锑酸钾的固定液中，抽气使材料下沉，对照固定液中不加焦锑酸钾，
V,02 IH*树脂常规方法包埋。包埋好的材料先用 NW5 HHIEE切片机使用玻璃刀切成 *!:厚的切片（每次
切片均取自花药的中部），EPJF甲苯胺蓝溶液染色在光学显微镜下观察初步确定花药的发育时期，然后
用 N&.X Y#$’ K?*切片机钻石刀切片，IE O 8E 2:厚，*F（!T>）醋酸双氧铀染色 RE O 8E :.2，RF（!T>）
柠檬酸铅染色 HJ :.2，日本电子 AVB?HEHE电子显微镜 8E XZ观察并拍照。将有 )*+沉淀的切片漂浮在 EPH
:0#TN（,U IPE）V[AG溶液中，RE\螯合 H %，再观察，发现 )*+沉淀被螯合只留下白色的点。
SHS 云 南 植 物 研 究 *9卷
! 结果与分析
!# 小孢子形成期绒毡层细胞的发育及 !!$分布比较
花粉母细胞时期，珍汕 #$%绒毡层细胞具有一个很大的细胞核，位于细胞中央，细胞排
列整齐，具有完整的细胞膜，内部细胞器完整（图 &：&）。绒毡层细胞中没有 !’(沉淀。而
珍汕 #$)绒毡层细胞中出现很多小液泡，有些小液泡聚成较大的液泡，细胞膜和核膜均出现
解体，染色质出现凝集，细胞间隙不清楚，细胞内线粒体较少，细胞质内和小液泡膜上出现
图 & 小孢子形成时期绒毡层细胞的发育及 !’(分布。&，’：珍汕 #$%；*，+：珍汕 #$)
,：绒毡层；-：细胞核；图中黑色和白色箭头所指为 !’(沉淀
./01 & ,23 435367893:; 7< ;23 ;83;=9 :4 /;> !’( 4/>;?/@=;/7: 4=?/:0 ;23 <7?9;/7: 7< ;23 9/A?7>87?7AB;3
&，’：C23:>2: #$)；*，+：C23:>2: #$%
,：;83;=9；-：:=A63?；D: ;23 8/A;=?3>：%6AE :4 F2/;3 ??7F> /:4/A;34 ;23 !’( 8?3A/8/;;3>，;?/:063> /:4/A;34 G@/>2 %74B
H&++期 夏快飞等：水稻胞质雄性不育系珍汕 #$)及其保持系珍汕 #$%绒毡层发育 1 1 1
少量小颗粒状的 !#$沉淀（图 %：&）。减数分裂时期，珍汕 ’()花药绒毡层细胞的核膜开始
出现解体，细胞核内染色质凝集，核周围分布较多的线粒体，细胞内没有 !#$沉淀（图 %：
#）。珍汕 ’(*绒毡层细胞质内有少量 !#$沉淀，在绒毡层的内切向壁沉集大量较大颗粒的
!#$沉淀，可以看到由绒毡层细胞分泌出的前乌氏体向细胞的内切向膜靠拢（图 %：+）。
!! 小孢子发育时期绒毡层细胞的发育及其 !!#分布比较
单核花粉晚期，珍汕 ’()绒毡层细胞开始大量解体，细胞内残余的细胞器表面及内部
有大量的 !#$沉淀（图 #：,）。珍汕 ’(*绒毡层细胞的解体速度较慢，细胞内的细胞质仍
较多，细胞染色较深，在解体的细胞周围分布一层 !#$沉淀（图 #：-）。二核花粉时期，
珍汕 ’()花粉细胞质内开始积累淀粉，绒毡层细胞内的细胞质稀少，乌氏体与花粉外壁紧
密接触，表面均有较多的 !#$沉淀（图 #：.）。珍汕 ’(*绒毡层细胞内的细胞质此时才开
始大量解体，解体的细胞质内有大量大颗粒的 !#$ 沉淀，花粉外壁和乌氏体表面很少有
!#$沉淀（图 #：’）。花粉成熟后，珍汕 ’()绒毡层细胞和花粉分开，乌氏体和花粉外壁
仍有大量的 !#$沉淀（图 #：(）。珍汕 ’(*绒毡层细胞解体完全，留下一空泡，细胞的内
切向壁外面偶尔有颗粒状的 !#$沉淀（图 #：%/）。
图 # 小孢子发育时期绒毡层细胞的发育及 !#$分布。,，.，(：珍汕 ’()；-，’，%/：珍汕 ’(*
0：绒毡层；1：细胞核；图中黑色和白色箭头所指为 !#$沉淀；三角形所指为乌氏体
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.%+ 云 南 植 物 研 究 #(卷
! 讨论
!# 保持系和不育系绒毡层细胞发育与花粉败育
研究结果表明珍汕 !#绒毡层细胞在花粉母细胞时期和减数分裂时期均保持较为完整
的细胞结构，在单核花粉晚期才开始迅速解体，而珍汕 !$绒毡层细胞在花粉母细胞时
期就开始出现核膜、细胞膜解体，细胞内出现小液泡，但是这个过程延续到单核花粉时期
仍然处于略微的解体状态，二核花粉时期才开始大量解体，然后迅速解体消失。
绒毡层细胞位于花粉囊的最内层，核和细胞质非常浓厚，%&$、’&$、蛋白质与脂质
化合物和酶等成分的合成与分解都相当强；也由于绒毡层所处的位置，向外紧贴周围母体
组织，向内与花粉母细胞密切相连，花粉的形成与发育过程的营养物质和水分等，都必须
通过绒毡层输送或经它同化或由其本身细胞解体来供应，在花粉的形成和发育中起着重要
的作用（#()*+),-，.!/0；1(-2)**) )*+ 34(,-，.!/5；6()78)*，.!/；9):-*-，.!!;）。水稻
花药绒毡层属于分泌型绒毡层，分泌绒毡层在发育过程中产生大量乌氏体，乌氏体可能参
与了绒毡层细胞壁的解体，花粉外壁的形成，识别蛋白的转运等（胡适宜，.!/<）。在雄
性不育花药的组织学和细胞学研究时，常常观察到绒毡层发育和行为的异常，大部分细胞
生物学的证据表明植物雄性不育与绒毡层细胞的功能失常有一定的关系。绒毡层无论是结
构异常还是生理异常，都可能引起雄性不育，在早期绒毡层发育和行为正常是花粉正常发
育所需的。本研究结果发现保持系绒毡层细胞在单核花粉晚期才开始迅速解体，而不育系
绒毡层细胞在花粉母细胞时期就开始出现解体的迹象，但是这个过程延续到单核花粉时期
仍然处于略微的解体状态，二核花粉时期才开始大量解体，然后迅速解体消失。绒毡层细
胞的早期降解可能导致无法合成花粉早期发育所需的营养物质，及由于绒毡层细胞的解体
过程太长，单核花粉晚期仍有较多的细胞质，从而不能及时解体提供花粉合成所需的
%&$、’&$、蛋白质和淀粉的原料等，是导致花粉败育的重要因素。
!$ 绒毡层细胞中 6)$%分布的异常与绒毡层结构及花粉的发育
研究发现珍汕 !$花药绒毡层细胞从花粉母细胞时期开始，细胞质内有少量颗粒状
的 6)<=沉淀。减数分裂时期，绒毡层细胞的内切向壁出现大量大颗粒的 6)<= 沉淀。而珍
汕 !#绒毡层细胞在花粉母细胞时期和减数分裂时期细胞内没有 6)<= 沉淀。单核花粉时
期，绒毡层细胞的 6)<=沉淀大量增加，珍汕 !#绒毡层细胞内的 6)<= 沉淀主要分布在解
体的细胞质内，而珍汕 !$绒毡层细胞仍为出现大量解体，围绕细胞周围沉淀分布 6)<=
沉淀。二核花粉时期，珍汕 !#绒毡层细胞基本解体，6)<=沉淀主要分布在乌氏体表面及
与花粉紧密相连的花粉外壁。珍汕 !$绒毡层细胞中乌氏体较少，表面很少有 6)<=沉淀，
在正大量降解的细胞质内有较多 6)<= 沉淀。花粉成熟后，珍汕 !#花药内花粉与绒毡层
细胞分离，乌氏体表面和花粉外壁仍有较多的 6)<= 沉淀。珍汕 !$花药绒毡层细胞迅速
解体消失，6)<=沉淀消失，在内切向壁表面偶尔有少量的 6)<=沉淀。
6)<=是高等植物体内普遍存在的一种信使分子，参与了植物体内多种生理变化及抗逆
境的过程（#>?(，.!!5）。@-)*等（.!!/）和利容千等（<;;.）分别以光敏核不育水稻和红
莲 A粤泰型水稻不育系为材料研究了小孢子发育过程中花药中的 6)<= 分布变化，发现分
别从单核花粉时期和二核花粉时期开始可育材料和相应不育材料花药中的 6)<= 出现异常
分布，从而推测 6)<=可能与花粉的败育有着一定的关系。从 ’&$、%&$的研究水平发现，
.00期 夏快飞等：水稻胞质雄性不育系珍汕 !$及其保持系珍汕 !#绒毡层发育 B B B
珍汕 !#花粉中的 $%#从二核期开始出现显著下降（江勇和王明全，&!!），用 ’%#荧光探
针显示珍汕 !# 可以启动但是不能完成第一次有丝分裂（孙天恩等，&!!），叶秀!等
（())*）研究发现从花粉母细胞时期开始珍汕 !#的细胞骨架就开始出现败育特征，如微管
染色很浅，细胞质中有明显的微管出现，减数分裂的四分体时期没有出现明显的微管。而我
们的研究结果发现从花粉母细胞时期开始，不育系绒毡层细胞内出现 +,(-沉淀，推测这些异
常分布的 +,(-与绒毡层细胞结构的异常可能有着一定关系。珍汕 !.花药在单核花粉和二核
花粉时期，乌氏体表面分布有较多的 +,(-沉淀，并与花粉紧密相接触，这可能与花粉的正
常发育密切相关，因为绒毡层细胞在四分体后期为发育的小孢子提供 +,(-（/012,341 ,56
7022898:8，&!!(）。珍汕 !#绒毡层细胞中的乌氏体数目明显少于保持系，且乌氏体表面
在整个过程中均只有很少的 +,(-分布，这使得花粉在发育的过程中得不到所需的 +,(-及
其所携带的信息，是导致花粉败育的一个原因之一。+,(-作为植物细胞内普遍存在的一种
信使分子，它的异常分布与细胞骨架及 ’%#、$%#的异常是不是有着一定的关系，它是
不是作为信使分子启动了细胞骨架及 ’%#、$%#和蛋白质的异常等有待进一步的研究。
〔参 考 文 献〕
吴文华，李合生，&!!* ; 不同光长、光质处理对农垦 <=>叶片及幼穗中 +,(-含量的影响［#］; 见肖翊华主编：光敏核
不育水稻的光周期及其生理学［?］; 武汉：武汉大学出版社，&*<—&@)
胡适宜，&!=( ; 被子植物胚胎学［?］; 北京：高等教育出版社，((—*)
.A,56,10 %%，&!=@; /A8 90B1C:3C1,5D049［#］; E5：FCA10 .?（86）G9H1IC2CDI CJ ,5D0C:3819:［?］; .81205：>3105D81，(—
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9,28 :K81020KI 2058，TA85:A,5 !#，,56 0K: 9,05K,0581 2058［F］; !1)( 0.) 2-（植物学报），!%（U）：F0,5D P（江勇），7,5D ?V（王明全），&!! ; >K4608: C5 BA,5D8: CJ $%# BC5K85K 05 3C2285 B822: J1C9 +?> 10B8WTA85:A,5 ! 64105D
KA8 31CB8:: CJ ,HC1K0C5［F］; 3 45*( 6-%（%,K41,2 >B085B8 G60K0C5）（武汉大学学报，自然科学版），!&（U）：U*—UU
O0 $V（利容千），TA4 PL（朱英国），?85D XN（孟祥红）， $) (’，())&; /A8 60:K10H4K0C5 CJ B,2B049 05 KA8 3C2285 ,56 BC558BW
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M,B050 G，&!!) ; /,38K49 ,56 90B1C:3C18 J45BK0C5［#］; E5：.2,BR9C18 >，Z5C[ $.（86:），?0B1C:3C18:：GYC24K0C5 ,56 \5KCD85I
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X4 >N（徐树华），&!=) ; +IKC2CD0B,2 :K4608: C5 ,5KA81 ,56 3C2285 68Y82C3985K CJ BIKC32,:90B 9,28W:K81028 KI38: 05 10B8［F］; !1)(
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P4 V（于青），X0,C PN（肖翊华），O04 OQ（刘文芳），&!!(; M109,1I 18:8,1BA CJ KA8 1C28 CJ +,(- W+,? 05 KA8 J81K020KI K1,5:JC19,W
K0C5 CJ NML?$［F］; 3 45*( 6-%（%,K41,2 >B085B8 G60K0C5）（武汉大学学报，自然科学版），（&）：&(*—&(U
=&@ 云 南 植 物 研 究 (卷