辣椒細胞質(zhì)雄性不育花藥敗育及淀粉粒分布的細胞學觀察

1、第4l卷第4期2008年8月分子細胞生物學報JoumalofMolecul盯CeUBiologyV0141No4August2008辣椒細胞質(zhì)雄性不育花藥敗育及淀粉粒分布的細胞學觀察宰邱義蘭劉珠麗1李紅1陳松1陳良碧1田惠橋2竹(1湖南師范大學生命科學學院，長沙41008l；2廈門大學生命科學學院，廈門36l005)摘要用PAS反應對辣椒細胞質(zhì)雄性不育系8214A和保持系8214B花藥中的淀粉粒分布進行研究。在減數(shù)分裂前。保持系花藥與不

2、育系花藥的結(jié)構(gòu)和淀粉粒分布相似。保持系花藥減數(shù)分裂后。藥壁絨氈層細胞開始液泡化并體積增大在藥隔薄壁細胞中積累了許多較小的淀粉粒；在小孢子晚期絨氈層細胞退化在藥隔薄壁細胞中淀粉粒體積增大：在二胞花粉時期。隨著花粉大液泡的消失花粉中出現(xiàn)淀粉粒：花粉成熟時其細胞質(zhì)中積累了豐富的淀粉粒。不育系花藥減數(shù)分裂后由于藥室腔的空間不能擴大四分體被擠壓在一起。最終四分體小孢子敗育。不育花藥的維管組織發(fā)育正常。但較多的淀粉粒積累在藥隔薄壁細胞中。該種辣椒雄

3、性不育系中?；ǚ鄣臄∮l(fā)生在四分體時期。絨氈層細胞結(jié)構(gòu)異?？赡苡绊懱穷愇镔|(zhì)向藥室的正常轉(zhuǎn)運。該種辣椒雄性不育系的絨氈層異常與花粉敗育有關(guān)。關(guān)鍵詞：辣椒細胞質(zhì)雄性不育花藥淀粉遺傳性雄性不育在植物界中是一種常見現(xiàn)象據(jù)統(tǒng)計已經(jīng)在43科，162屬，320個種和297個種間雜種中發(fā)現(xiàn)了雄性不育現(xiàn)象[1】。由于雄性不育是作物雜種優(yōu)勢利用的基礎(chǔ)多年來對雄性不育機理的探索一直是個非?；钴S的研究領(lǐng)域近年來對雄性不育的分子生物學研究進展很快不斷地發(fā)表了有關(guān)

4、雄性不育的綜述性文章酬。對雄性不育花藥結(jié)構(gòu)的研究是連接雄性不育的分子水平研究和個體調(diào)控育性變化的中間環(huán)節(jié)對花藥細胞結(jié)構(gòu)與功能的分析以及花藥細胞中重要的細胞生物學事態(tài)的分析是認識不育基因調(diào)控花粉敗育過程的基礎(chǔ)嘲。辣椒是一種重要的蔬菜作物，雜種優(yōu)勢利用的潛力很大。有關(guān)辣椒細胞質(zhì)雄性不育的研究還很薄弱主要是顯微觀察敗育花藥的時期和特征陽0】。然而?；ㄋ幍陌l(fā)育是一個十分復雜的過程，多糖和脂類營養(yǎng)物質(zhì)代謝過程也呈現(xiàn)出一定的特征和多樣性花藥中營養(yǎng)物

5、質(zhì)代謝異常也是導致花粉敗育的一個重要原因[M引。辣椒成熟花粉中的養(yǎng)分貯存物是淀粉其花藥發(fā)育中糖的代謝特征值得進行探索。本文觀察了辣椒保持系8214B花藥發(fā)育和細胞質(zhì)不育系8214A中的淀粉粒分布探討辣椒花藥中淀粉粒的分布特征和不育花藥中淀粉粒分布的變化。1材料與方法實驗材料為辣椒(C印s記um研numL)細胞質(zhì)雄性不育系8214A及其相應的保持系8214B種植于湖南師范大學生命科學學院植物生理研究室網(wǎng)室內(nèi)。通過壓片方法先對花藥的發(fā)育時期

6、做初步確定。將不育系和保持系各個時期的花藥用25％戊二醛和1％鋨酸進行雙重固定常規(guī)電鏡方法脫水、滲透并包埋在Spurr環(huán)氧樹脂中，用kica—UCTR超薄切片機切1汕m厚的半薄切片。將半薄切片按照胡適宜和徐麗云的高碘酸一席夫反應方法(PAS)鑒別淀粉】。每個時期染色5個花藥的切片，用Olympus顯微鏡觀察和拍照。2結(jié)果21保持系花藥的發(fā)育及淀粉粒的分布在花粉母細胞時期藥室內(nèi)的花粉母細胞呈馬蹄形雙列式排列，細胞核較大?；ㄋ幈谝研纬桑M

7、成花藥壁的細胞還沒有完全分化?；ㄋ幈谟赏庵羶?nèi)可區(qū)分為一層表皮、2—3層藥室內(nèi)壁、1—2層中層和一層與花粉母細胞緊鄰的絨氈層細胞。此時本文2008年2月2日收到。2008年5月25日接受?！瘒易匀豢茖W基金(30670126)和湖南省自然科學基金(07JJ5048)資助。。通訊作者，Tel：0592218“86；Em8il：hqti明@x咖educn4期辣椒細胞質(zhì)雄性不育花藥敗育及淀粉粒分布的細胞學觀察胞仍保留，細胞中沒有淀粉粒；與中層細

8、胞相鄰的藥室內(nèi)壁細胞依然發(fā)生明顯的纖維壁加厚：與可育花藥一樣表皮與藥室內(nèi)壁細胞中的淀粉粒完全消失(圖版Ⅲ。圖20)。這時藥隔組織中的淀粉粒分布與前一時期相似在維管束周圍的薄壁細胞中分布有較多體積較大的淀粉粒。3討論31辣椒雄性不育系花藥花粉敗育的時期被子植物雄性不育系花粉敗育的形成及時期存在多樣單子葉植物花粉敗育多數(shù)發(fā)生在小孢子時期至二胞花粉時期而雙子葉植物花粉敗育則多發(fā)生在四分小孢子時期或小孢子早期發(fā)育時期[u]。由于不同的不育系控制

9、花粉敗育的基因不同雄性不育系花粉的敗育時期會因為基因的表達時期以及基因作用機制不同而不同因此。即使是同一種作物其不同類型、不同來源的雄性不育花粉敗育時期也不盡相同。在已發(fā)表的關(guān)于辣椒雄性不育系花粉敗育時期的研究中就發(fā)現(xiàn)花粉敗育有三種類型：一種是不育系小孢子減數(shù)分裂正常。可以形成正常的四分體敗育發(fā)生在小孢子時期clo肛墻]。另一種是辣椒雄性不育系小孢子敗育發(fā)生在四分體形成之前小孢子母細胞的減數(shù)分裂異常[7，19】。第三種是辣椒雄性不育的發(fā)

10、生從造孢細胞時期以后的每個發(fā)育階段均有發(fā)生㈨。上述結(jié)果顯示出辣椒雄性不育在敗育時間上的多樣性。本實驗所用的辣椒細胞質(zhì)雄性不育系(8214A)的花粉母細胞能夠進行減數(shù)分裂，形成小孢子四分體但由于藥室腔的空間沒有增大擠壓小孢子四分體使之相互粘連在一起。之后四分體中的小孢子細胞質(zhì)降解?；ǚ蹟∮?。該種辣椒花粉的敗育發(fā)生在減數(shù)分裂之后，與上述的第一種類型相似。32辣椒雄性不育花藥絨氈層細胞的異常絨氈層是花藥壁的最內(nèi)層體細胞直接與花藥藥室中的花粉母

11、細胞及以后發(fā)育中的花粉接觸是將孢子體組織的物質(zhì)輸往雄配子體的最后中轉(zhuǎn)站對花粉的正常發(fā)育具有十分重要的作用[21矧。絨氈層細胞與發(fā)育的小孢子之間存在著一種直接接觸的“生化對話”關(guān)系當這種關(guān)系出現(xiàn)紊亂時，就會導致雄性不育【鯽]。吳鶴鳴和佘建明在研究辣椒雄性不育時發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂期保持系花藥的絨氈層變薄。而不育系花藥的絨氈層則增厚、拉長，細胞質(zhì)高度液泡化，導致花藥藥室變得狹窄。擠壓藥室中的小孢子呈不規(guī)則狀或被擠壓成團繼而被擴大的絨氈層壓碎而導致

12、不育[8]。也有人認為辣椒雄性不育系小孢子敗育發(fā)生在四分體小孢子形成之前由于絨氈層細胞的畸形、高度液泡化或增厚導致小孢子母細胞的異常，最終使花藥敗育[，9例。在本實驗中辣椒不育系花藥的絨氈層細胞在花粉母細胞減數(shù)分裂后高度液泡化、細胞徑向拉長導致藥室狹窄、使小孢子四分體擠壓在一起。除了絨氈層細胞結(jié)構(gòu)的異常外它的功能也發(fā)生明顯異常：四分體小孢子的內(nèi)容物降解后外面的不完整胼胝質(zhì)壁仍然保留表明絨氈層細胞分泌胼胝質(zhì)酶的功能可能發(fā)生異常?？梢酝茢嘣?/p>

13、種辣椒細胞質(zhì)雄性不育的花藥絨氈層細胞的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生了異常。33花藥營養(yǎng)物質(zhì)代謝與花粉的發(fā)育在高等植物的花粉發(fā)育過程中營養(yǎng)物質(zhì)流入花藥藥室中必須經(jīng)過絨氈層細胞。營養(yǎng)物質(zhì)通過絨氈層細胞時需要被加工成花粉所需的物質(zhì)。因此，向花粉中正常轉(zhuǎn)運營養(yǎng)物質(zhì)的過程對花粉的發(fā)育非常重要。在擬南芥突變體aptl—3中由于絨氈層細胞活性下降使花粉中來源于絨氈層細胞的營養(yǎng)物下降從而導致花粉敗育嗍。在白菜核不育兩用系中，可育花藥在小孢子時期絨氈層細胞將體內(nèi)轉(zhuǎn)運到

14、花藥中的多糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為脂類物質(zhì)供花粉吸收。而不育花藥的絨氈層細胞在將多糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成脂類物質(zhì)時呈現(xiàn)異常[13]。在本實驗中。辣椒可育花藥從減數(shù)分裂以后的四分體時期至小孢子早期在藥隔薄壁細胞中出現(xiàn)了許多體積較小的淀粉粒此時絨氈層細胞體積增大、細胞形狀和結(jié)構(gòu)完整，但細胞中沒有積累淀粉粒表明絨氈層細胞能夠及時有效地將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)運到藥室，用于花粉的發(fā)育。到了小孢子晚期由于絨氈層細胞的退化，糖類營養(yǎng)物質(zhì)就以較大的淀粉粒積累在藥隔薄壁細胞中。在不

15、育花藥中藥隔和藥壁細胞中一直分布有較多的淀粉粒而且在四分體時期的藥隔薄壁細胞中淀粉粒增大(圖版III。圖17)，與可育花藥的淀粉粒分布出現(xiàn)差異呈現(xiàn)出不育花藥中淀粉粒分布的異常。參考文獻[1]KaulMLH，Malesterilit)rinh逅herpl觚t8Bedin，Spinge卜Verlag，1988，21l一256[2]Ar丑lyaA，ZabaletaE，Bl蚰cV，B69uD，HemouldM＆MourasA，RNAeditin