药用植物致病性系的开颖过程中超微结构的变化

药用植物致病性系的开颖过程中超微结构的变化

三种不同系统法的杂交水稻育种中使用的不良杂交后代，如镇潮汕97a和仙改a，的开花与传统品种相比有两个特点。首先，开花期短且不均匀，且每天开花高峰不明显。其次，开花后，侧颖缓慢，有些直到开花结束。不育系开颖迟以及与父本花时不遇,影响了异交结实;颖花的不闭合所造成的杂交种籽粒的畸形,这些已成为杂交水稻生产上亟待解决的问题。关于不育系开颖迟闭颖慢及其F1代籽粒易畸形的原因,前文曾指出,野败型不育系的浆片和花丝的维管束组织不如常规品种发达,缺少导管。并推测浆片中的物质可能是由导管经小穗轴撤离的。但当时尚缺乏直接的实验依据,本文在以往研究的基础上,仔细地比较了可育与不育系的花丝和浆片结构的差异,观察了它们在开闭颖过程中的超微结构的变化,对水稻开闭颖的机理作了进一步的分析与探讨。1材料和方法1.1田间种植或栽植珍汕97A(野败籼型雄性不育系),珍汕97B(雄性不育保持系,作对照)。田间种植或盆栽。在开花期分别采集开花前1天、正在开花和开花后1天的颖花作观察实验。1.2乙醇溶液制备将切除内外颖和部分小穗轴的颖花,先用2%戊二醛、1%多聚甲醛、0.05mol/LpH7.2Na(CH3)2AsO2-HCl缓冲液进行3小时的前固定,用0.1mol/LNa(CH3)2AsO2-HClpH7.2缓冲液冲洗,换瓶后用1%OsO40.05mol/LNa(CH3)2AsO2-HCl缓冲液后固定数小时,待试料黑化后,进行乙醇系列脱水,环氧丙烷置换,Spurr树脂浸透、包埋和聚合(70℃±0.3℃15小时)。包埋块置干燥器中备用。先制作1μm的半薄切片,用光学显微镜观察花丝和浆片的基本构造,确定维管束所在的部位后,进而制作50nm的超薄切片,用6%醋酸铀和佐藤氏铅盐混合液双重染色,在透射电镜下观察浆片的超微结构。2结果与讨论2.1野败型树立中的木质部和韧皮部组成通常花丝是由3层薄壁细胞(PC)和位于中央的小维管束组成(图版Ⅰ-1)。其薄壁细胞较大,横断面稍圆,内含大的液泡,细胞间有间隙。表层薄壁细胞排列紧密,外侧的细胞壁加厚,表层角质化,以减少花丝内水分的散失。花丝维管束的结构简单,横断面由2—3个环纹导管(T),3—4个筛管(S)和20个左右的维管束薄壁细胞组成,其中木质部位于内侧(朝向子房侧),韧皮部位于外侧,与小穗轴中通花丝维管束的木质部和韧皮部的分布相同。与可育系相比,野败型不育系花丝中缺少导管,维管束横断面仅由2—3个筛管和数个维管束薄壁细胞组成(图版Ⅰ-2)。在开颖过程中,可育系的花丝因吸水迅速伸长,在花丝细胞被拉长的过程中,不但环纹导管的环纹壁的间距被拉大,而且使原来靠在一起的导管被分开,同时连在一起的筛管分子也被拉开,木质部和韧皮部中都出现了称之为导管腔和筛管腔的空腔。由于细胞的吸水伸长,细胞的内膜破损,液泡中的水解酶被释放,细胞开始自溶,被分解的原生质流出细胞,通过细胞间隙和维管束的空腔进入小穗轴。此时,在花丝的细胞间隙和空腔中,尤其是导管腔中可观察到正在被转运的分解物(图版Ⅰ-3中染色处)。不育系颖花在开颖过程中,花丝伸长较少,维管束中一般不出现空腔。伸长少或不伸长的花丝在闭颖时往往不萎蔫,细胞不自溶(图版Ⅰ-4),有的花丝在颖花开花后1周还没有萎蔫。这些现象的产生显然与其花丝的结构,特别与维管束中无导管,水分和运输物质难以进出花丝有关。2.2纤维规模和形态通常认为颖花内有2个浆片,实际上这2个浆片的中下部是连接在一起的(图版Ⅰ-5,6)。浆片由大型薄壁细胞(PC)和呈幅射状分布的小维管束组成。大型薄壁细胞的壁薄,仅有初生壁,细胞间无间隙。细胞的中央有大液泡(V),内含溶质和多种酶类。用电子显微镜能观察到临开颖前浆片的大型薄壁细胞的液泡中有许多沉淀物(图版Ⅱ-7,8),推测这些细胞在临开颖前具有很高的渗透压。大型薄壁细胞的细胞质中有核、线粒体、内质网、高尔基体、质体等细胞器,质体的数量较多。开花前3天,在质体中能见到许多淀粉粒。然而到开花前1天,这些淀粉粒就难见到了,这是因为浆片中存在淀粉酶,淀粉被淀粉酶分解了的缘故。在临开颖前,在薄壁细胞中出现许多具有黑斑的质体,它是淀粉粒被降解后的残体。不育系浆片中的淀粉水解较慢,在开颖时,有些质体中还残存白色的淀粉粒(图版Ⅱ-10)。浆片的表皮细胞排列紧密,与空气接触的细胞壁增厚和角质化,使之成为一层不透水的屏障。浆片的小维管束结构简单,没有维管束鞘,通常由1至数列导管,1至数列筛管和10个左右的小型薄壁细胞组成。这些小型薄壁细胞,尤其是伴胞(CC)与维管束外的大型薄壁细胞相比,具有液泡小,细胞质浓,线粒体的密度大等特点,推断这些细胞呼吸旺盛,代谢活跃,在提供能量促进物质转运方面起着重要的作用。在浆片内,不论是小型薄壁细胞之间,还是大型薄壁细胞之间,以及大小型薄壁细胞之间都有胞间连丝相通。由胞间连丝联成的共质体和众多的小维管束构成了浆片中水分与溶质的输导网络。比较不育系和可育系浆片中的维管束数目(图版Ⅰ-5、6)和超微结构(图版Ⅱ-7、8,图版Ⅲ-11、12)可以看到二者有显著的差别。不育系浆片中的小维管束不但数目少,而且缺少导管。另外筛管的细胞壁较厚,输导系统不发达。开颖后,可育系浆片的收缩较快,因而闭颖也快。根据开颖前后浆片超微结构的变化情况(图版Ⅱ-7、9,图版Ⅲ-11)分析,浆片的收缩是由于大型薄壁细胞的液泡膜的破裂和细胞器的解体而引起的。开颖后,浆片的大型薄壁细胞因充分吸水,液胞膜发生破裂(图版Ⅱ-9、10),膜的破裂,一方面使细胞失去原有的渗透功能,吸水中止;另一方面液泡中的水解酶被释放,细胞开始自溶,即细胞器和内含物解体。图版Ⅱ—9中细胞器的外膜上沾附着许多黑色的小颗粒,这些小颗粒可能是水解酶和其水解产物的混合体。在壁压的作用下,浆片大型薄壁细胞中的分解物、水解酶随同水分通过胞间连丝运向维管束,也使维管束的小型薄壁细胞解体。细胞的分解物最后通过导管流入小穗轴。在闭颖后1天的浆片小型薄壁细胞中能见到许多大的亲锇颗粒(O)(图版Ⅲ-11),这些黑色的颗粒显然是细胞的降解物。另外在导管中,尤其是在浆片基部的导管中充满了被电子染色剂染色的降解物,使原先在电子显微镜下呈透明的导管变成黑色(图版Ⅲ-13、14)。然而,筛管在开闭颖过程中没有什么变化,筛管内除了原来就含有的P-质体(PP)和蛋白质结晶体(Pb)外,没有增加能呈色的其他物质(图版Ⅱ、Ⅲ)。以上结果表明,闭颖后,浆片物质的撤离通道是导管而不是筛管。与可育系相比,不育系浆片收缩较慢,开闭颖时间长(4—5小时、可育系1—2小时)。这是由于不育系浆片的细胞自溶慢的缘故,开颖后不育系浆片的细胞中难以找到附有亲锇小黑点的细胞器(图版Ⅱ-10)。再则,由于不育系浆片中缺少导管,使细胞的水分和内含物难以撤离也是其闭颖慢的重要原因。2.3丝网中细胞的解体通过上述的不育系和可育系浆片在开闭颖过程的比较观察,提出如图1所示的水稻开闭颖机理的假说。花丝伸长和萎蔫的机理类同于浆片。只是浆片吸水后是横向膨大,不损坏导管和筛管,解体物只通过导管撤离;而花丝吸水后是细胞伸长,导管和筛管的通道被损坏,并出现空腔解体物可通过这些空腔和细胞间隙转移。浆片和花丝的解体物进入小穗轴,有的即被正在分裂的胚和胚乳细胞所利用,有的则暂时贮存在小穗轴的厚壁细胞中,以后随着籽粒的发育再度利用,浆片中的内