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。     

白菜细胞核雄性不育两用系的细胞学观察

对白菜细胞核雄性不育两用系进行了花粉母细胞减数分裂和小孢子发育的细胞学观察,实验结果初步表明不育系小孢子败育时期在减数分裂末期Ⅱ这一阶段,败育方式是不能形成四分体,随后小孢子内颗粒状的内含物不断外溢,直至成为一个空壳,药室萎缩,导致花粉败育。     

桔梗花粉母细胞减数分裂及雄性败育的细胞生理学研究

以桔梗不育系PA及其保持系PB为试验材料,采用石蜡切片和改良苯酚品红染色压片法对花粉母细胞减数分裂和雄配子体发育过程进行比较,探讨桔梗雄性不育系小孢子形成过程和败育发生的细胞生理学机理。结果表明:(1)桔梗保持系PB花粉母细胞减数分裂的细胞质分裂为同时型,同一花药减数分裂较同步;在中期Ⅰ和中期Ⅱ,少数细胞中可见赤道板外染色体;四分体以四面体为主,成熟花粉粒为二核花粉。(2)不育系PA花粉母细胞减数分裂后期Ⅰ开始出现异常,表现为细胞质形态改变,末期Ⅱ之后细胞质不能分裂,形成异常四分体,胼胝质壁不能溶解,四分体难以释放出游离小孢子而被降解,导致败育。(3)在发育过程中,桔梗不育系花蕾游离脯氨酸、可溶性蛋白含量低于保持系,而SOD活性、丙二醛含量均高于保持系。(4)桔梗不育系PA及其保持系PB花粉母细胞减数分裂和雄配子体发育过程存在明显差异,桔梗雄性败育过程大体可分为4个阶段,即后期Ⅰ细胞质异常、末期Ⅱ之后细胞质不能分裂、四分体难以释放游离小孢子、四分体被降解仅残留碎片。研究认为,桔梗不育花蕾(开花前)生长发育过程中,体内活性氧代谢紊乱、丙二醛积累及游离脯氨酸等"物质代谢损亏"可能是引起桔梗雄性败育的原因。     

云南紫稻细胞质雄性不育系花药发育过程中Ca2+的分布特点

运用焦锑酸钾沉淀法研究了云南紫稻细胞质雄性不育系和保持系花药在发育过程中Ca^2 的分布特点。结果表明,保持系的花粉母细胞和小孢子的胞质内部基本无Ca^2 的沉淀,后期花粉外壁出现Ca^2 的沉淀;保持系早期的绒毡层细胞形态正常,胞内有少量Ca^2 沉淀,后期绒毡层细胞开始凋亡,胞质凝集,胞内出现大量Ca^2 的颗粒。不育系花粉母细胞在减数分裂时期败育,胞质液泡化,内部出现大量Ca^2 的沉淀;不育系绒毡层细胞形态正常,胞内无Ca^2 的沉淀。绒毡层与花粉母细胞、小孢子之间出现大量Ca^2 颗粒。探讨了不育系花药花粉母细胞中以及与绒毡层细胞之间Ca^2 的异常积累与雄性不育的关系。     

棉花转基因恢复系杂种F1小孢子发生的细胞学观察

对转gst基因棉花恢复系浙大强恢"配制的杂种F1(三系杂交棉)的成熟花药和花粉育性进行了研究.结果表明,在花药的长、宽、鲜重和成熟花粉粒的育性方面,浙大强恢"所配的F1和保持系DES-HAB277"接近,无显著性差异,但比受体恢复系DES-HAF277"所配的F1分别提高47.7%、61.8%、28.5%和39.6%.以不育系DES-HAMS277"和保持系DES-HAB277"的花药为对照,对浙大强恢"和受体恢复系所配的F1的小孢子发生进行了细胞学观察发现,不育系小孢子败育主要发生在造孢细胞增殖期和小孢子母细胞形成期,且在减数分裂期彻底败育,不能形成四分体;受体恢复系所配的F1在小孢子发生和雄配子形成的各个发育时期都有部分败育,平均败育率约为20%,且主要发生在小孢子母细胞减数分裂期和小孢子单核期;而浙大强恢"所配的F1与保持系一样,花药的发育、小孢子的发生以及雄配子的形成均正常.研究结果从细胞形态学方面证明gst基因对三系杂交棉具有防止部分小孢子败育和提高花粉育性的功能.     

辣椒雄性不育材料H9A小孢子败育机理

运用光学、电子显微技术及生化指标测定法, 对辣椒(Capsicum annuum)雄性不育材料H9A及其保持系H9B小孢子不同发育时期进行细胞形态学观察及生化特性分析。结果表明, 雄性不育材料H9A的小孢子败育发生在单核前期, 由于绒毡层细胞极度膨胀, 四分体受挤压后破裂并降解, 无法形成正常的单核花粉粒, 属于孢子体败育。不育材料花蕾中的过氧化物酶活性从四分体时期开始明显高于保持系, 保持系游离脯氨酸含量从单核小孢子期开始明显高于不育材料; 不育材料小孢子发育各时期的可溶性蛋白含量都明显低于保持系, 但丙二醛含量均高于保持系。     

辣椒雄性不育材料H9A小孢子败育机理

运用光学、电子显微技术及生化指标测定法, 对辣椒（Capsicum annuum）雄性不育材料H9A及其保持系H9B小孢子不同发育时期进行细胞形态学观察及生化特性分析。结果表明, 雄性不育材料H9A的小孢子败育发生在单核前期, 由于绒毡层细胞极度膨胀, 四分体受挤压后破裂并降解, 无法形成正常的单核花粉粒, 属于孢子体败育。不育材料花蕾中的过氧化物酶活性从四分体时期开始明显高于保持系, 保持系游离脯氨酸含量从单核小孢子期开始明显高于不育材料; 不育材料小孢子发育各时期的可溶性蛋白含量都明显低于保持系, 但丙二醛含量均高于保持系。     

新型小麦胞质不育系花粉败育的细胞学观察

观察了１种新型小麦细胞质雄性不育素（ＣＭＳ）－（野生二粒小麦）中国春ＣＭＳ花药和花粉败育的细胞学过程,结果表明;（１）不育系在小孢子发育至单核晚期以前,除了雄蕊心皮化发生率（３７．２％）较高外,其花药和花粉发育绝大多数与同核保持系相似,是正常的,仅少量表现异常而导致败育,异常现象主要有：雄蕊心皮化。药室合并,药壁组织喙状突起,绒毡层异常,小孢子母细胞粘连,减数分裂异常,小孢子异常等。（２）不育系花     

小麦T型细胞质雄性不育系、保持系蛋白质双向电泳比较研究

以小麦T型细胞质雄性不育系为材料,利用双向电泳技术,对苗期、分蘖期、拔节期和孕穗期叶片和花粉母细胞减数分裂期、单核小孢子期、二—三核小孢子期蛋白质变化作了分析。在细胞质雄性不育系小麦拔节期、孕穗期叶片中,有一个33KD/PI6.3蛋白组分存在,保持系中没有发现这个蛋白组分。在花粉败育的关键时期二—三核小孢子期,小麦细胞质雄性不育系有53KD/PI5.5、50KD/PI5.7、48KD/PI5.6和20KD/PI7.5四种蛋白组分存在,而保持系中也没有存在。小麦细胞质雄性不育系叶片和小孢子发育过程中存在的这五种特异蛋白可能参与育性调控,与细胞质雄性不育特性的形成有关。     

大白菜新型细胞质雄性不育系6w-9605A的育性鉴定和花药败育的细胞学观察

采用石蜡切片技术,研究了大白菜(Brassica campestris L.ssp.pekinensis)细胞质雄性不育系6w-9605A及其保持系6w-9605B的花药发育过程的细胞形态学特征,确定不育系花药败育时期及方式,并对不育系6w-9605A进行花器官观察和育性鉴定.结果表明:保持系6w-9605B花药发育正常;不育系6w-9605A花药发育受阻于孢原分化时期,占总败育花药的66.7％,不形成花粉囊和花粉粒,属于无花粉囊型败育;另外33.3％的败育花药可形成花粉囊,小孢子均受阻于单核靠边期或者二胞期,败育特点为绒毡层细胞异常肥大,挤压小孢子,导致小孢子和绒毡层解体;6w-9605A的不育性稳定、彻底,不育株率和不育度均为100％.     

两个育性相关基因在BNS和YS小麦温敏雄性不育系中的表达差异分析

为研究雄性不育相关基因TA1和TA2在BNS和YS小麦温敏雄性不育系732A花粉发育时期的表达特点,探讨这2个育性相关基因与温敏雄性不育小麦育性转换的联系,本研究利用荧光实时定量PCR方法,在BNS和YS型不育系732A花药发育四分体期、单核期、二核期和三核期定量检测基因TA1和TA2的mRNA表达水平。结果表明:(1)在732A和BNS花粉发育四分体时期至二核期,基因TA1相对表达量上调,在三核期相对表达量下降;(2)基因TA2相对表达量在BNS花粉发育的四分体时期至二核期逐渐下降,三核期上升;在732A花粉发育4个时期中的相对表达量变化刚好相反;(3)在BNS和732A花粉发育二核期,基因TA1和TA2均表现极值,推测二核期可能为BNS和YS型小麦温敏雄性不育系花粉发育最敏感时期;(4)在不育系BNS和732A花粉发育过程中,基因TA1的相对表达量变化幅度比TA2的高。推测TA1对不育系BNS和732A花粉败育影响程度强于TA2;(5)基因TA1和TA2相对表达量在BNS的花粉发育时期表达趋势相反,推测其对BNS花粉败育影响表现为拮抗作用,且2个基因不连锁;在732A花粉发育时期表达趋势相同,推测其对不育系732A花粉败育影响表现为协同作用。     

Differences on the microsporogenesis and tapetal development of male fertile and cytoplasmic male sterile pepper (Capsicum annuum L.)

To clarify the time and cause of pollen abortion, differences on the microsporogenesis and tapetum development in the anthers of male fertile maintainer line and cytoplasmic male sterile (CMS) line pepper were studied using transmission electron microscopy. The results showed that CMS line anthers appeared to have much greater variability in developmental pattern than male fertile maintainer line ones. The earliest deviation from normal anther development occurred in CMS line anthers at prophase I was cytomixis in some microspore mother cells (MMCs), and vacuolisation in tapetal cells. Then, MMCs in CMS line anthers developed asynchronously and a small part of ones at the different stage degenerated in advance appearing to have typical morphological features of programmed cell death (PCD). Most MMCs could complete the meiosis, but formed non-tetrahedral tetrad microspores with irregular shape and different size and uncertain number of nuclei, and some degenerated ahead of time as well. Tapetal cells in CMS line anther degenerated during meiosis, and were crushed at the tetrad stage, which paralleled the collapse of pollens. Pollen abortion in CMS line anthers happened by PCD themselves, and the premature PCD of tapetal cells were closely associated with male sterility.     

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.     

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。     

A CMS-Related Gene, Ψatp6-2, Causes Increased ATP Hydrolysis Activity of the Mitochondrial F1Fo-ATP Synthase and Induces Male Sterility in Pepper (Capsicum annuum L.)

Pollen formation is a complex process that is strictly controlled by genetic factors. Although many novel mitochondrial genes have been implicated in the dysfunction of mitochondrial enzymes and the cytoplasmic male sterility (CMS), there is little empirical evidence to show that CMS-related genes actually result in the dysfunction of enzyme and little is known about the regulatory mechanisms of the aberrant mitochondrial enzymes in male sterility in CMS lines. Here, we report the characterization of a novel mitochondrial gene, Ψatp6-2, which is hypothesized to play a role in male sterility in pepper. Using virus-induced gene silencing (VIGS), we observed that silencing the atp6-2 gene in the maintainer line resulted in an increase in ATP hydrolysis activity of the mitochondrial F₁F_o-ATP synthase along with pollen abortion, while silencing the truncated Ψatp6-2 gene in the CMS line resulted in an inhibition of ATP hydrolysis activity and restoration of fertility. Altered ATP hydrolysis also affected the tolerance of the gene-silenced plants to abiotic stresses. Localization experiments showed that premature ATP hydrolysis occurred at the tetrad stage of pollen development in the CMS line, but no ATPase activity was observed in the microspores at the later stage. These results suggest that the Ψatp6-2 gene causes the alteration in ATP hydrolysis activity of the mitochondrial F₁F_o-ATP synthase during pollen development, which eventually leads to male sterility in pepper.     

Expression characterization of genes for CMS-C in maize

Cytoplasmic male sterility (CMS)-C is one of the most attractive sources of male sterility in the production of hybrid maize. However, the abortion mechanism of CMS-C is currently unknown. The major aim of this work was to characterize the expression of genes and proteins during pollen abortion. The materials assayed included CMS-C line C48-2, its maintainer line N48-2, and fertile F₁ (C48-2?×?18 white). A total of 20 unique genes and 25 proteins were identified by suppression subtractive hybridization and 2-D electrophoresis, respectively. Most of the genes and proteins identified are closely related to energy metabolism, stress responses, molecular chaperones, and cell death, which are generally considered to be essential to pollen development. Based on the function of these identified genes and proteins, reactive oxygen species in isolated mitochondria and DNA fragments were analyzed. The results from this study indicate that the oxidative stress which was associated with the specific expression patterns of some genes may be the physiological cause for the abortion of premature microspores in the maize CMS-C line.     

不结球白菜同源四倍体Pol CMS及其保持系花药发育的解剖学研究

以秋水仙素人工诱变获得的不结球白菜同源四倍体Pol CMS及其保持系为材料,采用石蜡切片法研究其花药发育过程.结果显示:四倍体Pol CMS与保持系花药发育差异明显,不育系花药发育受阻于孢原细胞分化期,不形成药室,属无花粉囊型.极少数温敏型花药能产生1~2个花粉囊,但四分体时期绒毡层提早退化,导致成熟小孢子数目减少.四倍体保持系花药发育过程与二倍体基本一致,同一时期的可育小孢子四倍体比二倍体大,二倍体花粉粒都为3个萌发孔,而四倍体多为4个萌发孔.四倍体保持系同一花粉囊中花粉粒发育有不同步现象,花粉粒败育频率比二倍体高.研究表明,不结球白菜同源四倍体Pol CMS比其二倍体Pol CMS不育更彻底,更具应用性.     

水稻细胞质雄性不育系及其保持系幼穗发育过程中内源激素的变化

利用酶联免疫测定技术研究了水稻细胞质雄性不育系珍汕97A及其保持系珍汕97B在幼穗发育过程中叶片、幼穗和花药中内源IAA、GA1＋4、ABA和iPAs含量的动态变化。结果表明,1）从幼穗发育的雌雄蕊形成期到三核花粉期,保持系叶片中IAA水平高于不育系,并在二核花粉期最高;在幼穗和花药中也以保持系为高。2）保持系与不育系叶片中GA1＋4含量变化趋势相似,均为先升后降,但从单核到三核花粉期以保持系为高;在幼穗和花药中也都以保持系为高。3）不育系叶片中ABA水平在幼穗发育早期明显高于保持系,中期与保持系相近,后期又高于保持系;在幼穗和花药中也都以不育系为高。4）保持系叶片、幼穗和花药中iPAs含量始终显著高于不育系。5）保持系叶片中IAA＋GA1＋4＋iPAs与ABA之比值也始终高于不育系。提示不育系叶片、幼穗和花药中IAA、GA1＋4、iPAs和ABA含量出现了异常,且IAA、GA1＋4和iPAs亏缺以及ABA盈积可能与水稻细胞质雄性不育发生有关。