光敏核不育水稻花药的超微结构与Ca2+-ATPase的定位研究

论文摘要

湖北光敏雄性核不育水稻（Hubei Photoperiod-sensitive Genic Male-sterile Rice缩写HPGMR）农垦58S是我国首次发现的种质资源,其花粉的育性受日照长度控制,长日照条件下花粉不育,短日照条件下花粉可育,能一系两用,简化了三系杂交水稻的生产程序,在生产中具有很大的应用价值。本实验采用半薄切片技术、超薄切片技术及酶细胞化学技术（铅盐沉淀法）,对长日照条件下光敏核不育水稻农垦58S和可育株系农垦58N花药发育的各个时期进行了研究,从细胞学角度和酶细胞化学角度分析了光敏核不育水稻雄性败育的原因,确定了雄性败育的起始时间及败育的表现特征,为全面认识光敏核不育水稻雄性不育的机理提供细胞学依据。主要研究结果如下:1.可育与不育水稻花药壁组织中Ca2+-ATPase分布的差异Ca2+-ATPase在可育水稻花药壁中的分布量比不育水稻的多,分布的时间比不育水稻的早,且随着花粉的发育,可育水稻乌氏体上的Ca2+-ATPase分布逐渐增多,而不育水稻在花粉完全败育之前乌氏体上无Ca2+-ATPase分布。可育水稻在花药发育的各个时期,药壁细胞中Ca2+-ATPase颗粒的分布在位置和数量上呈现动态变化,分布的位置从花药壁的最外层逐渐向内层延伸,分布的数量也随着花粉的发育逐渐增加,在单核晚期到二细胞花粉期达到最多,Ca2+-ATPase在乌氏体上的分布随者花粉的发育也逐渐增加;不育水稻在花药发育过程中,药壁细胞Ca2+-ATPase的出现在时间上滞后且数量上少于可育水稻,在二细胞花粉期（花粉已败育）,表皮细胞的液泡膜上有少量的Ca2+-ATPase颗粒,绒毡层细胞质中、内切向壁上有大量的Ca2+-ATPase颗粒,乌氏体表面和内部也有较多细小的Ca2+-ATPase颗粒,在二细胞花粉期之前的各个时期,乌氏体上未见Ca2+-ATPase颗粒沉积。2.可育与不育水稻花粉中Ca2+-ATPase分布的差异可育与不育水稻花粉中Ca2+-ATPase分布有明显差异。可育水稻的花粉发育从单核早期到二细胞花粉时期,花粉壁、质膜及细胞核中都有不同程度的Ca2+-ATPase分布,且数量逐渐增多;不育水稻的花粉在二细胞期以前未见明显的Ca2+-ATPase颗粒,在二细胞花粉时期,花粉畸形空瘪败育,在花粉外壁的内外两侧及少量残留的细胞质中出现较多的Ca2+-ATPase颗粒,但少于可育花粉。3.可育与不育水稻药隔中Ca2+-ATPase分布的差异可育与不育水稻药隔中Ca2+-ATPase的分布从时间上和数量上都有很大差异,不育水稻药隔中Ca2+-ATPase的出现滞后于可育水稻,数量上也较可育水稻少。可育花药在花粉母细胞减数分裂期药隔韧皮部细胞核及质膜上、少数液泡膜上,木质部导管细胞壁内侧分布有较多的Ca2+-ATPase颗粒,而不育花药到单核花粉早期药隔维管束韧皮部细胞质膜上才出现少量的Ca2+-ATPase颗粒。4.半薄切片和超薄切片观察结果光镜和电镜水平的观察结果都表明:光敏核不育水稻农垦58S花粉败育从结构上而言主要是由小孢子母细胞和花粉外壁的异常发育及绒毡层的异常降解造成的。半薄切片观察得出:与可育水稻相比,不育水稻农垦58S雄性败育起始于花粉母细胞形成期。主要表现是绒毡层细胞空泡化细胞核模糊等异常形态,暗示其解体提前启动,但绒毡层解体过程缓慢,一直持续到花粉完全败育;有些花粉母细胞出现形态异常,有的细胞质收缩出现空泡化,但多数能通过减数分裂,花粉败育持续进行,终结于单核晚期,形成典败型花粉。电镜观察结果进一步证实了光镜观察的结论。超薄切片观察得出:不育水稻在花粉母细胞形成期,绒毡层细胞和花粉母细胞就出现异常。绒毡层细胞核周围内质网较少,有些内质网膨大,线粒体少且形状模糊,内部结构消失,细胞质中出现了大量的小泡;有些花粉母细胞形状不规则,细胞质中细胞器很少,且出现了大量的小液泡,有的花粉母细胞缺少胼胝质,内部空泡化已趋于解体。与可育水稻相比,不育水稻花粉外壁和内壁也表现出异常,花粉外壁在单核早期就出现异常,到单核中期花粉外壁异常肿胀,不能区分出明显的三层结构,花粉内壁始终不能形成。由此提出:不育花粉发育过程中细胞壁和质膜上Ca2+-ATPase的分布异常,且半薄和超薄结构显示不育水稻绒毡层结构异常,导致绒毡层细胞合成的Ca2+-ATPase无法转移到乌氏体表面,使其不能正常发挥Ca2+泵的作用,是导致花粉败育的原因之一。

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ABSTRACT

1 前言

1.1 课题的提出

1.2 植物雄性不育现象及其研究意义

1.3 植物雄性不育的类型

1.4 绒毡层在小孢子发育过程中的作用

1.5 光敏核不育水稻的细胞学研究进展

1.6 植物雄性不育的细胞化学定位研究

2+在植物细胞中的存在形式、分布及生理功能'>1.6.1 Ca²⁺在植物细胞中的存在形式、分布及生理功能

2+-ATPase在植物细胞中的存在形式、分布及生理功能'>1.6.2 Ca²⁺-ATPase在植物细胞中的存在形式、分布及生理功能

92+)、ATPase、Ca²⁺-ATPase与植物雄性不育的关系'>1.6.3 Ca⁹2+)、ATPase、Ca²⁺-ATPase与植物雄性不育的关系

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 半薄切片法

2.2.2 超薄切片法

2.2.3 酶细胞化学定位法

2.2.4 醋酸洋红染色压片法观察花粉发育时期

3 结果与分析

3.1 半薄切片观察结果

3.2 超薄切片观察结果

3.2.1 育与不育水稻发育的各个时期花粉的超微结构比较

3.2.2 可育与不育水稻发育的各个时期药壁及绒毡层的超微结构比较

2+-ATPase在可育水稻农垦58N和不育水稻农垦58S花药发育过程中的分布比较'>3.3 Ca²⁺-ATPase在可育水稻农垦58N和不育水稻农垦58S花药发育过程中的分布比较

2+-ATPase的分布比较'>3.3.1 育与不育水稻药壁中Ca²⁺-ATPase的分布比较

2+-ATPase的分布比较'>3.3.2 可育与不育水稻花粉发育中Ca²⁺-ATPase的分布比较

2+-ATPase分布的比较'>3.3.3 可育与不育水稻药隔中Ca²⁺-ATPase分布的比较

3.3.4 对照实验观察结果

4.讨论

2+-ATPase的分布差异及其与育性的关系'>4.1 可育和不育花粉中Ca²⁺-ATPase的分布差异及其与育性的关系

2+-ATPase的来源'>4.2 花粉中Ca²⁺-ATPase的来源

2+-ATPase的分布与Ca²⁺的关系'>4.3 不育水稻花药中Ca²⁺-ATPase的分布与Ca²⁺的关系

4.4 光敏核不育水稻雄性败育的起止时间

4.5 小孢子发育过程中孢子体与配子体细胞的关系

参考文献

图版说明及图版

致谢

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