雄性不育和雄性能育小麦(Triticum aestivum L.)花药和花粉发育的细胞形态学观察

本工作是小麦雄性不育杂种优势利用研究项目的一部分。从细胞形态学的角度,研究小麦细胞质雄性不育系及其保持系花药和花粉的发育,为探索雄性不育性的机理提供资料。应用石蜡切片法,对小麦“早熟1号”和“北京8号”细胞质雄性不育系及其保持系花药的发育过程进行了观察,得到如下的结果:(1)不育系花粉的败育,在发育的各个时期都发生,但败育的关键时期是在小孢子发育后期,具大液泡的小孢子不能进入配子体发育阶段。(2)不育系花药和花粉的发育,在小孢子发育早期以前,90%以上与保持系相似,是正常的;少数表现异常而导致败育。异常现象有:药室合并;小孢子母细胞解体,绒毡层发育正常;小孢子母细胞互相粘连,形成多核的原生质团;解体的小孢子母细胞与绒毡层融合形成多核的原生质团;药室中除正常发育的小孢子母细胞或小孢子外,还出现异常的巨型细胞;绒毡层提早在小孢子发育早期解体,形成多核的原生质困;绒毡层肥大生长。     

辣椒细胞质雄性不育花药败育及淀粉粒分布的细胞学观察

用PAS反应对辣椒细胞质雄性不育系8214A和保持系8214B花药中的淀粉粒分布进行研究.在减数分裂前,保持系花药与不育系花药的结构和淀粉粒分布相似.保持系花药减数分裂后,药壁绒毡层细胞开始液泡化并体积增大,在药隔薄壁细胞中积累了许多较小的淀粉粒;在小孢子晚期,绒毡层细胞退化,在药隔薄壁细胞中淀粉粒体积增大;在二胞花粉时期,随着花粉大液泡的消失花粉中出现淀粉粒;花粉成熟时,其细胞质中积累了丰富的淀粉粒.不育系花药减数分裂后,由于药室腔的空间不能扩大,四分体被挤压在一起,最终四分体小孢子败育.不育花药的维管组织发育正常,但较多的淀粉粒积累在药隔薄壁细胞中.该种辣椒雄性不育系中.花粉的败育发生在四分体时期.绒毡层细胞结构异常可能影响糖类物质向药室的正常转运.该种辣椒雄性不育系的绒毡层异常与花粉败育有关.     

红菜薹雄性不育系花药败育的细胞形态学观察

采用石蜡切片技术,在光学显微镜下系统研究了红菜薹(Brassica campestris L.ssp．chinensis L.var．utilis TsenetLee．)波里马胞质雄性不育系(Polima CMS)、红菜薹萝卜胞质雄性不育系(Ogura CMS)及相应保持系花药发育过程的细胞形态学特征。观察结果表明：红菜薹Polima CMS花药发育受阻于孢原细胞阶段,不形成花粉,属无花粉型,此不育系花药不形成绒毡层和中层;而红菜薹Ogura CMS花药败育发生于小孢子母细胞期或四分体时期,表现为绒毡层细胞异常,挤压四分体,导致四分体和绒毡层同时解体而败育。     

水稻非花粉型细胞质雄性不育系及其保持系花药发育过程中Ca2+的分布变化

钙在高等植物中被称为第二信使,与植物的有性生殖有关。为了研究水稻（Oryza sativa L.）花药中钙的定位与花粉败育的关系,利用焦锑酸钾沉淀法研究了非花粉型细胞质雄性不育系G37A及其保持系G37B花药的发育过程及其细胞中Ca^2＋ 的分布变化。研究发现,在2个材料间花药中钙的分布存在大量差异。G37B的可育花药在花粉母细胞时期及二分体时期,很少看到有Ca^2＋的沉积;而在单核花粉时期,Ca^2＋沉积急速地增加,主要定位在绒毡层细胞、花粉外壁外层及乌氏体的表面;随后花药壁上沉积的Ca^2＋减少而花粉的外壁外层仍然有很多Ca^2＋沉积物。相反,G37A的不育花药在花粉母细胞时期和二分体时期有大量的Ca^2＋沉积在小孢子母细胞和花药壁,中间层和绒毡层特别多。在二分体时期之后,不育花药的Ca^2＋沉积减少,特别是绒毡层内切向质膜附近的Ca^2＋几乎消失。但是同时期的可育花药中,有大量的Ca^2＋沉积在绒毡层。不育花药的Ca^2＋沉积在开花几天后消失。根据研究结果推测在不育花药发育早期中更多的钙离子与花粉败育有一定的关系。     

萝卜CMS不育系与保持系小孢子发生的细胞学研究

研究了萝卜胞质雄性不育系A2、A4及其相应保持系B2、B4的小孢子发生与花药壁发育的细胞学特征.结果表明,不育系A2的绒毡层细胞在四分体时期出现异常,小液泡增多,至单核期汇合形成大液泡,绒毡层细胞异常膨大;小孢子外壁染色浅,细胞壁受到破坏,最后与绒毡层一同降解.不育系A4在减数分裂期即表现出异常,绒毡层异常肥大;花药发育后期,小孢子外壁亦染色较浅;绒毡层细胞融合形成细胞团块侵入药室挤压小孢子,两者一同降解.     

洋葱花药发育中钙离子分布特征

采用焦锑酸钾沉淀钙离子技术,对洋葱（Alliumcepa）花药发育中Ca^2＋分布进行了研究。在小孢子母细胞时期,小孢子母细胞中的钙沉淀颗粒很少,但绒毡层细胞的内切向壁已出现明显的钙沉淀颗粒。在四分体时期,四分体小孢子的胼胝质壁中出现较多的钙沉淀颗粒;绒毡层细胞内切向壁的钙沉淀颗粒消失,而在外切向壁和径向壁部位的钙沉淀颗粒增加。在小孢子早期,小孢子中也出现了钙沉淀颗粒,而绒毡层细胞内切向壁表面出现了很多絮状物,其上附有细小钙沉淀颗粒。到小孢子晚期,小孢子中出现一些小液泡,细胞质中的钙沉淀颗粒有所下降。此时绒毡层细胞已明显退化,但在绒毡层膜上仍有一些乌氏体和钙沉淀颗粒。在二胞花粉早期,营养细胞中的液泡收缩、消失,细胞质中又出现了较多的钙沉淀颗粒,在质体和其内部的淀粉粒表面上附有较多的钙沉淀颗粒。到二胞花粉晚期,花粉中的钙沉淀颗粒已明显下降,仅在花粉外壁中还有一地钙沉淀颗粒．     

白菜核雄性不育两用系可育和不育花药ATPase的分布

对白菜核雄性不育两用系可育花药和不育花药的ATPase做了定位分析。可育花药的花粉母细胞核中积累了大量的ATPase反应颗粒,而细胞质中ATPase反应颗粒较少,但在线粒体中特异地聚集了一些大的ATPase反应颗粒。减数分裂后,小孢子细胞质中ATPase反应颗粒明显增加。随着小孢子发育,其细胞质中ATPase反应颗粒逐渐减少,但在线粒体中又特异性地聚集了较多的AT-Pase反应颗粒。当花药发育到二胞花粉时期,花粉和绒毡层细胞中的ATPase反应颗粒已很少了。不育花药的花粉母细胞中呈现较多的ATPase,然而在线粒体中很少。异常四分体小孢子细胞质中虽然有较多的ATPase反应颗粒,但还是通过细胞质收缩和质壁分离方式退化。对可育花药的花粉母细胞线粒体中特异出现的簇状ATPase分布现象进行了分析,讨论了不育花药中花粉母细胞线粒体ATPase的异常与花粉败育的可能关系。     

水稻胞质雄性不育系珍汕97A及其保持系珍汕97B绒毡层发育过程中的Ca2+分布变化

利用焦锑酸钾沉淀法研究了野败不育系珍汕97A及其保持系珍汕97B绒毡层细胞的发育过程及其细胞中Ca2 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97A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Ca2 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Ca2 沉淀;单核花粉时期绒毡层细胞周围集聚一层Ca2 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Ca2 沉淀;单核花粉时期绒毡层细胞内的Ca2 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Ca2 的异常分布可能与花粉的败育有关。     

灯盏花雄性不育种质鉴定与花药发育的细胞学研究

对云南泸西栽培灯盏花群体进行调查,发现了灯盏花雄性不育种质个体,其出现频率约为1.06×10-4.对所发现的灯盏花不育株形态特征及其花药发育过程进行了观察,并对花粉活力进行鉴定.结果显示:(1)灯盏花不育株根、茎、叶形态与正常可育植株基本相似,管状花小,花丝短,花药瘦小,无花粉粒散出或花粉无活力.(2)灯盏花在其花药发育的小孢子母细胞时期、四分体时期、小孢子时期和单核早期,由于绒毡层细胞液泡化、提前解体,不能为小孢子或花粉发育提供所需物质,导致小孢子母细胞和四分体解体,产生无花粉的花药;或小孢子和单核花粉胞内降解,形成不同形状和外壁纹饰的败育花粉.研究认为,灯盏花花药绒毡层异常是其花粉败育的主要原因.     

水稻胞质雄性不育系珍汕97A及其保持系珍汕97B绒毡层发育过程中的Ca2 +分布变化

利用焦锑酸钾沉淀法研究了野败不育系珍汕97A及其保持系珍汕97B绒毡层细胞的发育过程及其细胞中Ca2 +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97A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Ca2 +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Ca2 +沉淀;单核花粉时期绒毡层细胞周围集聚一层Ca2 +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Ca2 +沉淀;单核花粉时期绒毡层细胞内的Ca2 +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Ca2 +的异常分布可能与花粉的败育有关。     

Calcium distribution in fertile and sterile anthers of a photoperiod-sensitive genic male-sterile rice

Potassium antimonate was used to locate Ca²⁺ in fertile and sterile anthers of a photoperiod-sensitive genic male-sterile rice (Oryza sativa L. japonica). During the development of fertile anthers, abundant calcium precipitates accumulated in the anther walls and on the surface of pollen grains and Ubish bodies at the late developmental stage of the microspore, but not in the cytoplasm of pollen grains. Following the accumulation of starch grains in pollen, calcium precipitates on pollen walls diminished and increased in parenchymatous cells of the connective tissue. In sterile anthers, calcium precipitates were abundant in the middle layer and endothecium, but not in the tapetum, as was found in fertile anthers. A special cell wall was observed between the tapetum and middle layer of sterile anthers that appeared to relate to distinctive calcium accumulation patterns and poor pollen wall formation in the loculi. The formation of different patterns of antimonate-induced calcium precipitates in the anthers of photoperiod-sensitive genic male-sterile rice indicates that anomalies in the distribution of calcium accumulation correlate with the failure of pollen development and pollen abortion. Received: 30 May 1997 / Accepted: 5 July 1997     

Effect of Photoperiod on Calcium Distribution in Photoperiod-sensitive Cytoplasmic Male-sterile Wheat During Anther Development

Potassium antimontate was used to locate Ca2+ in fertile and sterile anthers of photoperiod-sensitive cytoplasmic male-sterile wheat (Triticum aestivum L.).The quantity and distribution of calcium precipitates change in microspore and pollen during microsporogenesis and pollen development.The calcium precipitates gradually accumulated on the surface of tetraspore or pollen until pollen mature. They were abundant on the surface of the trinucleate pollen,but not in the cytoplasm.Calcium was transported in anther wall and intervening connective tissue via symplast and apoplast system,meeting the need of microspore and pollen development.Abortive pollens were observed in the anthers developed under long daylight exposure. Abundant calcium precipitates were distributed along the edge of the degradatived pollen plasma and in the locular matrix,but little in the anther wall and intervening connective tissue of the early abortive pollen.Calcium precipitates accumulated on the surface of pollen was less than fertile pollen,but abundant calcium appear in the epiderms,endotheciums,middle layers of anther wall and cells of connective tissue.The results indicate that abnormalities in the distribution of calcium correlate with the failure of pollen development in photoperiod-sensitive cytoplasmic male-sterile wheat.     

麻疯树花药发育过程中Ca2+的分布特征

采用超薄切片技术,在透射电镜下观察麻疯树(Jatropha curcasL.)花药发育过程中Ca2 的分布特征。在孢原细胞时期的花药中几乎看不到Ca2 沉淀,但花药维管束周围的细胞中有较多的Ca2 沉淀;到小孢子母细胞时期,细胞质中Ca2 沉淀依然较少,绒毡层壁上Ca2 沉淀明显增多;四分体形成时,小孢子细胞质和绒毡层细胞质中出现了较多的Ca2 沉淀;在小孢子发育早期,细胞质中Ca2 沉淀增加不明显,花粉壁部位累积有很多的Ca2 沉淀,绒毡层中Ca2 沉淀数量达到最多;到小孢子发育晚期,小孢子大液泡的液泡膜上有大量的Ca2 沉淀,绒毡层中Ca2 沉淀明显减少;随着二胞花粉中的大液泡消失,细胞质中积累淀粉粒以后,花粉中看到的Ca2 沉淀极少,同时,在花药维管束周围的薄壁细胞中,又出现了较多的Ca2 沉淀,表明花粉对Ca2 的需求可能降低。麻疯树花药发育过程中钙的动态分布特征暗示着钙参与了调控花粉发育过程,Ca2 的运输途径是由药隔薄壁组织运输到绒毡层,再进一步转移到小孢子表面和细胞质中,整个花药发育过程中,Ca2 沉淀表现为少—增加—减少的变化趋势。     

Calcium distribution in fertile and sterile anthers of thermosensitive male-sterile wheat

Calcium distribution in fertile and sterile anthers of a thermosensitive male-sterile wheat genotype was investigated using an antimonate precipitation method. During fertile anther development, before meiosis of the microspore mother cells, calcium precipitates were apparent in tapetal cells of the anther wall. After meiosis, precipitates were detected in the early microspores and accumulated in the large vacuole of late microspores. After microspore division, following decomposition of the large vacuole, precipitates decreased in the bicellular pollen. The earliest abnormality in calcium precipitate distribution detected during sterile pollen development was the greater accumulation of precipitates in the cytoplasm and nucleus of late microspores. The sterile microspore can divide to form bicellular pollen, but the large vacuole of sterile bicellular pollen did not decompose and greater abundance of precipitates was retained in the large vacuole. Abnormal distribution of calcium precipitates in sterile pollen precedes structural changes, suggesting that abnormal calcium metabolism is associated with pollen abortion.     

白菜核雄性不育系可育和不育花药中Ca2+的分布

研究了白菜(Brassica campestris L. ssp.chinensis Makino)细胞核雄性不育系花药中Ca2 的分布特征.在可育花药发育过程中,减数分裂后花药壁细胞中钙颗粒明显增加.早期小孢子开始积累钙颗粒并特异性地附在小液泡膜上.小孢子分裂后,大液泡消失过程中又伴随着许多钙颗粒附在小液泡膜上,显示出Ca2 与花粉中液泡的形成和分解有关.在不育花药中,最早出现的钙颗粒异常分布是在小孢子母细胞的胼胝质壁中积累了较多的钙颗粒.然而,在小孢子细胞质中钙颗粒一直很少,也不形成大液泡,最后通过细胞质收缩的方式败育.这是首次发现Ca2 参与调控花药发育过程,其异常分布与花粉败育密切相关.     

温敏核不育小麦可育花药和败育花药发育观察

对温敏核不育小麦百农不育系（Bainong sterility,BNS）的可育和不育花药结构进行对比观察。在减数分裂期、小孢子早期和小孢子晚期,可育花药与不育花药的结构相同。小孢子分裂形成二胞花粉后,可育花粉中随着大液泡的分解,细胞质内含物增加,其中出现一些颗粒状物质。不育花药中,小孢子也可分裂形成二胞花粉,但营养细胞的大液泡不分解,细胞质也不增加,最终花粉中的细胞质消失,花粉败育。该种温敏核不育小麦的花粉败育时间发生在二胞花粉早期,可能和其大液泡没有适时分解有关。花粉败育时间的确定为进一步深入研究该种雄性不育小麦的败育机制打下了基础。     

白菜细胞核雄性不育花药的细胞化学观察

对一种由一对隐性基因控制的白菜细胞核雄性不育和可育株的花药进行了细胞学和组织化学研究。种子播种后,有1／4植株为不育株,其余的为可育株。通过对不育株和可育株花药发育的细胞学观察,确认不育花粉的败育发生在小孢子发育时期。用组织化学的方法研究了可育株和不育株花药发育过程中的多糖和脂类的分布动态,发现在减数分裂前,可育花药和不育花药的药隔细胞中都储藏了大量的淀粉粒。二者的差异仅是不育花药的绒毡层细胞液泡化明显。在减数分裂后的小孢子发育时期,可育花药的绒毡层细胞具有将药隔细胞中的淀粉粒多糖吸收并转化成脂类的功能,小孢子及以后的二胞花粉中也积累了大量的脂类储藏物质。在不育花药中,虽然减数分裂后药隔细胞中的淀粉粒也都消失,但绒毡层细胞中的脂类物质相比很少,同时绒毡层细胞显示了明显的多糖反应,表明不育花药的绒毡层细胞将糖类转化为脂类的功能受阻。在小孢子的表面有些脂类物质,但在细胞质中却没有脂类积累。这一结果暗示在该种白菜细胞核雄性不育株中,由于花药绒毡层细胞转换多糖为脂类的功能失常,导致了小孢子的败育。