光敏核不育水稻花藥組織化學(xué),Ca2+與ATPase的定位研究.pdf

1、光敏核不育水稻(Oryza sativa L.japonica)是一種花藥育性受光照調(diào)控的特殊水稻種質(zhì),長日照條件下花粉不育,短日照條件下花粉可育,能一系兩用,簡化了三系雜交水稻的生產(chǎn)程序,具有重要的育種實(shí)用價(jià)值與光調(diào)節(jié)的雄性不育機(jī)制研究價(jià)值。本研究以光敏感核不育水稻農(nóng)墾58s(Oryza sativa L iaponica cv.NongKeng58s,PGMR)花藥為材料,采用細(xì)胞組織化學(xué)方法對多糖和脂類物質(zhì)的定位、鈣一焦銻酸鉀沉淀

2、技術(shù)、ATPase-磷酸鉛沉淀技術(shù),系統(tǒng)地研究光敏核不育水稻可育和不育花藥發(fā)育過程中多糖與脂類物質(zhì)、鈣離子和ATP酶的分布動(dòng)態(tài),以求探索該種水稻花藥育性轉(zhuǎn)換受光周期調(diào)節(jié)的機(jī)理。研究結(jié)果如下:
　　 1光敏核不育水稻花藥的細(xì)胞化學(xué)觀察
　　 用組織化學(xué)的方法比較研究了可育和不育花藥發(fā)育過程中的多糖和脂類的分布動(dòng)態(tài),發(fā)現(xiàn)在造孢時(shí)期和母細(xì)胞時(shí)期,可育花藥和不育花藥中的多糖和脂滴都很少,二者沒有明顯差異。在減數(shù)分裂時(shí)期,可育花藥

3、的藥室基質(zhì)的多糖增加,但脂滴仍很少。不育花藥中多糖和脂滴的分布與可育花藥相比差異不大,只是不育花藥的四分體通常是線形的,而不是四面體形。小孢子早期可育花藥中,小孢子開始形成小孢子外壁,細(xì)胞質(zhì)濃厚,細(xì)胞中含少量的多糖,細(xì)小的脂滴增多且分布于細(xì)胞質(zhì)中。絨氈層細(xì)胞中布滿細(xì)小的脂滴,整個(gè)細(xì)胞顯淺紅色,呈現(xiàn)糖類物質(zhì)增多的跡象,顯示出絨氈層細(xì)胞旺盛的物質(zhì)代謝活動(dòng)。在小孢子晚期時(shí),可育花藥的絨氈層細(xì)胞中分布著較多的脂滴。接著二胞花粉中開始積累豐富的糖

4、類物質(zhì),為以后形成淀粉顆粒做準(zhǔn)備。小孢子晚期絨氈層細(xì)胞內(nèi)所含的脂滴己消失,細(xì)胞內(nèi)也無多糖分布。二胞花粉時(shí)期的絨氈層細(xì)胞已完全解體。到了成熟花粉時(shí)期,花粉中積累了大量的淀粉粒。此時(shí)花藥壁只剩表皮和藥室內(nèi)壁兩層細(xì)胞。而在不育花藥的早期小孢子中,花粉壁被染成紅色且發(fā)育不完整,細(xì)胞質(zhì)稀疏,細(xì)胞中無脂滴分布。小孢子早期不育花藥絨氈層細(xì)胞中僅顯示有一些多糖,沒有脂滴的積累。暗示著不育花藥絨氈層細(xì)胞對脂類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化發(fā)生異常,沒有把吸收的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成

5、小孢子發(fā)育所必需的脂類,造成小孢子不能形成完整的花粉壁,影響小孢子的正常生長發(fā)育,最終導(dǎo)致花粉敗育。由于小孢子敗育,不能再吸收利用絨氈層所分泌的營養(yǎng)物質(zhì),因而直到開花時(shí),不育花藥的中層和絨氈層細(xì)胞仍保留。
　　 2光敏核不育水稻花藥發(fā)育過程中Ca2+的分布特征
　　 可育花藥發(fā)育過程中Ca2+的分布特征:(1)在減數(shù)分裂前、在小孢子從四分體釋放出來形成花粉外壁前和在小孢子晚期不等分裂前,藥壁中的鈣顆?？偸翘禺愋缘卦龆?而

6、在減數(shù)分裂后、在小孢子形成完整的花粉外壁后和小孢子分裂形成二胞花粉后,藥壁中的鈣顆粒明顯地減少了。藥壁組織中的鈣分布特征表明,花藥通過藥壁細(xì)胞向藥室中轉(zhuǎn)運(yùn)鈣,供小孢子發(fā)育所需;Ca2+作為一種代謝物質(zhì)參與花藥的發(fā)育調(diào)控,尤其是與小孢子轉(zhuǎn)變過程中的重要事態(tài)有密切關(guān)系。(2)從小孢子早期到二胞時(shí)期,在花粉外壁上一直分布了大量的鈣顆粒;二胞時(shí)期在靠近花粉外壁處形成花粉內(nèi)壁,其中分布著一些細(xì)小的鈣顆粒,表明Ca2+可能參與了花粉內(nèi)外壁的合成。而

7、花粉成熟時(shí),花粉外壁表面和萌發(fā)孔處積累了大量的鈣顆粒,則可能是花粉為以后花粉管萌發(fā)和生長做準(zhǔn)備。(3)二胞花粉早期的生殖細(xì)胞中鈣顆粒比營養(yǎng)細(xì)胞要少,推測Ca2+在營養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞之間的分化及其后的發(fā)育途徑上可能起重要的調(diào)控作用。(4)母細(xì)胞時(shí)期藥隔維管束開始分化出導(dǎo)管細(xì)胞:從小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂開始到二胞花粉的整個(gè)發(fā)育過程,花藥維管組織中一直都聚集了大量的鈣顆粒;到二胞花粉時(shí),花藥維管束中的鈣顆粒進(jìn)一步增加;到成熟花粉時(shí),花藥維管束中

8、仍聚集了較多的鈣顆粒,但是數(shù)量比二胞時(shí)期少。結(jié)合藥壁細(xì)胞中鈣顆粒的動(dòng)態(tài)消長、烏氏體表面上的鈣顆粒分布與絨氈層退化解體,本文認(rèn)為花粉所需的Ca2+可能通過維管束組織和導(dǎo)管細(xì)胞運(yùn)送至藥壁組織,到達(dá)絨氈層后,通過烏氏體轉(zhuǎn)移到藥室中,聚集在花粉表面或進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中參與調(diào)控花粉發(fā)育。
　　 不育花藥發(fā)育過程中Ca2+的分布特征:減數(shù)分裂前,不育花藥中的鈣顆粒分布與可育相比差異不大。減數(shù)分裂后,形成異常的線形四分體。小孢子從四分體游離出來后,

9、逐漸顯示出差異:先是小孢子質(zhì)膜外的花粉外壁是由顆粒狀的孢粉素垛堞成不連續(xù)的單層結(jié)構(gòu)。其次小孢子細(xì)胞核膜不完整,細(xì)胞質(zhì)中沒有小液泡,細(xì)胞質(zhì)中有較多的鈣顆粒分布。接著小孢子細(xì)胞核破裂,細(xì)胞質(zhì)的電子密度增大,細(xì)胞中的各種細(xì)胞器結(jié)構(gòu)模糊,有一些較大的鈣顆粒在細(xì)胞質(zhì)中不均勻地分布。開花前,敗育花粉中各細(xì)胞器降解消逝,只剩下一圈不完整的花粉外壁,仍有一些鈣顆粒分布。
　　 3光敏核不育水稻花藥發(fā)育過程中ATPase的分布特征
　　

10、用磷酸鉛沉淀法研究了可育和不育花藥發(fā)育中Mg2+ATPase的動(dòng)態(tài)變化?？捎ㄋ幇l(fā)育中ATPase的分布特征為:(1)在減數(shù)分裂前、在小孢子形成花粉外壁前和在小孢子晚期不等分裂前這些形態(tài)學(xué)上的驟變現(xiàn)象前期,藥壁中的ATPase反應(yīng)顆粒總是特異性地增多。而在減數(shù)分裂后、在小孢子形成完整的花粉外壁后和小孢子分裂形成二胞花粉后并形成花粉內(nèi)壁,藥壁中的ATPase反應(yīng)顆粒明顯地減少了。(2)從小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂開始到花粉成熟的整個(gè)發(fā)育過程,花

11、藥維管組織中一直都聚集了大量的ATPase反應(yīng)顆粒,反映了植物體向花藥中的旺盛物質(zhì)運(yùn)輸。(3)二胞花粉的營養(yǎng)細(xì)胞比生殖細(xì)胞含有更多的ATPase反應(yīng)顆粒,說明營養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞的物質(zhì)供應(yīng)和能量代謝是有差異的,ATPase活性的差異對營養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞之間的分化及其后的發(fā)育途徑上可能起著重要的調(diào)控作用。因此,ATPase在光敏核不育水稻可育花藥發(fā)育中的分布呈現(xiàn)出特殊的時(shí)空分布變化,與花藥在特定發(fā)育時(shí)期的發(fā)育特征相適應(yīng)的。
　　 不

12、育花藥發(fā)育過程中ATPase的分布特征:在減數(shù)分裂前,不育花藥小孢子和花藥壁中ATPase反應(yīng)顆粒的分布與可育花藥相比差異不大。在小孢子早期,不育花藥顯示出了敗育的跡象:首先小孢子質(zhì)膜外的花粉外壁不是正常的三層結(jié)構(gòu),而是由顆粒狀的孢粉素排列成不連續(xù)的單層結(jié)構(gòu);其次小孢子細(xì)胞核膜不完整,細(xì)胞質(zhì)中沒有小液泡,細(xì)胞質(zhì)中有許多ATPase反應(yīng)顆粒分布。接著小孢子細(xì)胞核的核膜逐漸消融,小孢子細(xì)胞質(zhì)中含有大量的ATPase反應(yīng)顆粒。最后小孢子細(xì)胞核

13、完全消失。由于小孢子細(xì)胞核的破裂,原分布于細(xì)胞核中的ATPase溢出,引起細(xì)胞質(zhì)中ATPase反應(yīng)顆粒異常增多。造成細(xì)胞中小液泡的消融和各種細(xì)胞器的解體,這可能是導(dǎo)致光敏核水稻小孢子敗育的一個(gè)重要原因。不育花藥藥隔維管束分化的較晚,在減數(shù)分裂時(shí)期才開始分化出導(dǎo)管(而可育花藥在小孢子母細(xì)胞時(shí)期就已分化導(dǎo)管細(xì)胞);且不育花藥藥隔維管束的ATPase反應(yīng)顆粒也一直比可育的少。不育花藥的藥隔維管束異常發(fā)育造成花藥中小孢子的物質(zhì)供應(yīng)不足以及能量缺