藥用植物致病性系的開穎過程中超微結(jié)構(gòu)的變化

藥用植物致病性系的開穎過程中超微結(jié)構(gòu)的變化

三種不同系統(tǒng)法的雜交水稻育種中使用的不良雜交后代，如鎮(zhèn)潮汕97a和仙改a，的開花與傳統(tǒng)品種相比有兩個特點。首先，開花期短且不均勻，且每天開花高峰不明顯。其次，開花后，側(cè)穎緩慢，有些直到開花結(jié)束。不育系開穎遲以及與父本花時不遇,影響了異交結(jié)實;穎花的不閉合所造成的雜交種籽粒的畸形,這些已成為雜交水稻生產(chǎn)上亟待解決的問題。關(guān)于不育系開穎遲閉穎慢及其F1代籽粒易畸形的原因,前文曾指出,野敗型不育系的漿片和花絲的維管束組織不如常規(guī)品種發(fā)達(dá),缺少導(dǎo)管。并推測漿片中的物質(zhì)可能是由導(dǎo)管經(jīng)小穗軸撤離的。但當(dāng)時尚缺乏直接的實驗依據(jù),本文在以往研究的基礎(chǔ)上,仔細(xì)地比較了可育與不育系的花絲和漿片結(jié)構(gòu)的差異,觀察了它們在開閉穎過程中的超微結(jié)構(gòu)的變化,對水稻開閉穎的機(jī)理作了進(jìn)一步的分析與探討。1材料和方法1.1田間種植或栽植珍汕97A(野敗秈型雄性不育系),珍汕97B(雄性不育保持系,作對照)。田間種植或盆栽。在開花期分別采集開花前1天、正在開花和開花后1天的穎花作觀察實驗。1.2乙醇溶液制備將切除內(nèi)外穎和部分小穗軸的穎花,先用2%戊二醛、1%多聚甲醛、0.05mol/LpH7.2Na(CH3)2AsO2-HCl緩沖液進(jìn)行3小時的前固定,用0.1mol/LNa(CH3)2AsO2-HClpH7.2緩沖液沖洗,換瓶后用1%OsO40.05mol/LNa(CH3)2AsO2-HCl緩沖液后固定數(shù)小時,待試料黑化后,進(jìn)行乙醇系列脫水,環(huán)氧丙烷置換,Spurr樹脂浸透、包埋和聚合(70℃±0.3℃15小時)。包埋塊置干燥器中備用。先制作1μm的半薄切片,用光學(xué)顯微鏡觀察花絲和漿片的基本構(gòu)造,確定維管束所在的部位后,進(jìn)而制作50nm的超薄切片,用6%醋酸鈾和佐藤氏鉛鹽混合液雙重染色,在透射電鏡下觀察漿片的超微結(jié)構(gòu)。2結(jié)果與討論2.1野敗型樹立中的木質(zhì)部和韌皮部組成通?；ńz是由3層薄壁細(xì)胞(PC)和位于中央的小維管束組成(圖版Ⅰ-1)。其薄壁細(xì)胞較大,橫斷面稍圓,內(nèi)含大的液泡,細(xì)胞間有間隙。表層薄壁細(xì)胞排列緊密,外側(cè)的細(xì)胞壁加厚,表層角質(zhì)化,以減少花絲內(nèi)水分的散失?；ńz維管束的結(jié)構(gòu)簡單,橫斷面由2—3個環(huán)紋導(dǎo)管(T),3—4個篩管(S)和20個左右的維管束薄壁細(xì)胞組成,其中木質(zhì)部位于內(nèi)側(cè)(朝向子房側(cè)),韌皮部位于外側(cè),與小穗軸中通花絲維管束的木質(zhì)部和韌皮部的分布相同。與可育系相比,野敗型不育系花絲中缺少導(dǎo)管,維管束橫斷面僅由2—3個篩管和數(shù)個維管束薄壁細(xì)胞組成(圖版Ⅰ-2)。在開穎過程中,可育系的花絲因吸水迅速伸長,在花絲細(xì)胞被拉長的過程中,不但環(huán)紋導(dǎo)管的環(huán)紋壁的間距被拉大,而且使原來靠在一起的導(dǎo)管被分開,同時連在一起的篩管分子也被拉開,木質(zhì)部和韌皮部中都出現(xiàn)了稱之為導(dǎo)管腔和篩管腔的空腔。由于細(xì)胞的吸水伸長,細(xì)胞的內(nèi)膜破損,液泡中的水解酶被釋放,細(xì)胞開始自溶,被分解的原生質(zhì)流出細(xì)胞,通過細(xì)胞間隙和維管束的空腔進(jìn)入小穗軸。此時,在花絲的細(xì)胞間隙和空腔中,尤其是導(dǎo)管腔中可觀察到正在被轉(zhuǎn)運的分解物(圖版Ⅰ-3中染色處)。不育系穎花在開穎過程中,花絲伸長較少,維管束中一般不出現(xiàn)空腔。伸長少或不伸長的花絲在閉穎時往往不萎蔫,細(xì)胞不自溶(圖版Ⅰ-4),有的花絲在穎花開花后1周還沒有萎蔫。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生顯然與其花絲的結(jié)構(gòu),特別與維管束中無導(dǎo)管,水分和運輸物質(zhì)難以進(jìn)出花絲有關(guān)。2.2纖維規(guī)模和形態(tài)通常認(rèn)為穎花內(nèi)有2個漿片,實際上這2個漿片的中下部是連接在一起的(圖版Ⅰ-5,6)。漿片由大型薄壁細(xì)胞(PC)和呈幅射狀分布的小維管束組成。大型薄壁細(xì)胞的壁薄,僅有初生壁,細(xì)胞間無間隙。細(xì)胞的中央有大液泡(V),內(nèi)含溶質(zhì)和多種酶類。用電子顯微鏡能觀察到臨開穎前漿片的大型薄壁細(xì)胞的液泡中有許多沉淀物(圖版Ⅱ-7,8),推測這些細(xì)胞在臨開穎前具有很高的滲透壓。大型薄壁細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中有核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、質(zhì)體等細(xì)胞器,質(zhì)體的數(shù)量較多。開花前3天,在質(zhì)體中能見到許多淀粉粒。然而到開花前1天,這些淀粉粒就難見到了,這是因為漿片中存在淀粉酶,淀粉被淀粉酶分解了的緣故。在臨開穎前,在薄壁細(xì)胞中出現(xiàn)許多具有黑斑的質(zhì)體,它是淀粉粒被降解后的殘體。不育系漿片中的淀粉水解較慢,在開穎時,有些質(zhì)體中還殘存白色的淀粉粒(圖版Ⅱ-10)。漿片的表皮細(xì)胞排列緊密,與空氣接觸的細(xì)胞壁增厚和角質(zhì)化,使之成為一層不透水的屏障。漿片的小維管束結(jié)構(gòu)簡單,沒有維管束鞘,通常由1至數(shù)列導(dǎo)管,1至數(shù)列篩管和10個左右的小型薄壁細(xì)胞組成。這些小型薄壁細(xì)胞,尤其是伴胞(CC)與維管束外的大型薄壁細(xì)胞相比,具有液泡小,細(xì)胞質(zhì)濃,線粒體的密度大等特點,推斷這些細(xì)胞呼吸旺盛,代謝活躍,在提供能量促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運方面起著重要的作用。在漿片內(nèi),不論是小型薄壁細(xì)胞之間,還是大型薄壁細(xì)胞之間,以及大小型薄壁細(xì)胞之間都有胞間連絲相通。由胞間連絲聯(lián)成的共質(zhì)體和眾多的小維管束構(gòu)成了漿片中水分與溶質(zhì)的輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。比較不育系和可育系漿片中的維管束數(shù)目(圖版Ⅰ-5、6)和超微結(jié)構(gòu)(圖版Ⅱ-7、8,圖版Ⅲ-11、12)可以看到二者有顯著的差別。不育系漿片中的小維管束不但數(shù)目少,而且缺少導(dǎo)管。另外篩管的細(xì)胞壁較厚,輸導(dǎo)系統(tǒng)不發(fā)達(dá)。開穎后,可育系漿片的收縮較快,因而閉穎也快。根據(jù)開穎前后漿片超微結(jié)構(gòu)的變化情況(圖版Ⅱ-7、9,圖版Ⅲ-11)分析,漿片的收縮是由于大型薄壁細(xì)胞的液泡膜的破裂和細(xì)胞器的解體而引起的。開穎后,漿片的大型薄壁細(xì)胞因充分吸水,液胞膜發(fā)生破裂(圖版Ⅱ-9、10),膜的破裂,一方面使細(xì)胞失去原有的滲透功能,吸水中止;另一方面液泡中的水解酶被釋放,細(xì)胞開始自溶,即細(xì)胞器和內(nèi)含物解體。圖版Ⅱ—9中細(xì)胞器的外膜上沾附著許多黑色的小顆粒,這些小顆?？赡苁撬饷负推渌猱a(chǎn)物的混合體。在壁壓的作用下,漿片大型薄壁細(xì)胞中的分解物、水解酶隨同水分通過胞間連絲運向維管束,也使維管束的小型薄壁細(xì)胞解體。細(xì)胞的分解物最后通過導(dǎo)管流入小穗軸。在閉穎后1天的漿片小型薄壁細(xì)胞中能見到許多大的親鋨顆粒(O)(圖版Ⅲ-11),這些黑色的顆粒顯然是細(xì)胞的降解物。另外在導(dǎo)管中,尤其是在漿片基部的導(dǎo)管中充滿了被電子染色劑染色的降解物,使原先在電子顯微鏡下呈透明的導(dǎo)管變成黑色(圖版Ⅲ-13、14)。然而,篩管在開閉穎過程中沒有什么變化,篩管內(nèi)除了原來就含有的P-質(zhì)體(PP)和蛋白質(zhì)結(jié)晶體(Pb)外,沒有增加能呈色的其他物質(zhì)(圖版Ⅱ、Ⅲ)。以上結(jié)果表明,閉穎后,漿片物質(zhì)的撤離通道是導(dǎo)管而不是篩管。與可育系相比,不育系漿片收縮較慢,開閉穎時間長(4—5小時、可育系1—2小時)。這是由于不育系漿片的細(xì)胞自溶慢的緣故,開穎后不育系漿片的細(xì)胞中難以找到附有親鋨小黑點的細(xì)胞器(圖版Ⅱ-10)。再則,由于不育系漿片中缺少導(dǎo)管,使細(xì)胞的水分和內(nèi)含物難以撤離也是其閉穎慢的重要原因。2.3絲網(wǎng)中細(xì)胞的解體通過上述的不育系和可育系漿片在開閉穎過程的比較觀察,提出如圖1所示的水稻開閉穎機(jī)理的假說?；ńz伸長和萎蔫的機(jī)理類同于漿片。只是漿片吸水后是橫向膨大,不損壞導(dǎo)管和篩管,解體物只通過導(dǎo)管撤離;而花絲吸水后是細(xì)胞伸長,導(dǎo)管和篩管的通道被損壞,并出現(xiàn)空腔解體物可通過這些空腔和細(xì)胞間隙轉(zhuǎn)移。漿片和花絲的解體物進(jìn)入小穗軸,有的即被正在分裂的胚和胚乳細(xì)胞所利用,有的則暫時貯存在小穗軸的厚壁細(xì)胞中,以后隨著籽粒的發(fā)育再度利用,漿片中的內(nèi)