藥用植物致病性系的開(kāi)穎過(guò)程中超微結(jié)構(gòu)的變化

藥用植物致病性系的開(kāi)穎過(guò)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(kāi)花與傳統(tǒng)品種相比有兩個(gè)特點(diǎn)。首先，開(kāi)花期短且不均勻，且每天開(kāi)花高峰不明顯。其次，開(kāi)花后，側(cè)穎緩慢，有些直到開(kāi)花結(jié)束。不育系開(kāi)穎遲以及與父本花時(shí)不遇,影響了異交結(jié)實(shí);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(wèn)題。關(guān)于不育系開(kāi)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(cè)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(shí)尚缺乏直接的實(shí)驗(yàn)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?cè)陂_(kāi)閉穎過(guò)程中的超微結(jié)構(gòu)的變化,對(duì)水稻開(kāi)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(duì)照)。田間種植或盆栽。在開(kāi)花期分別采集開(kāi)花前1天、正在開(kāi)花和開(kāi)花后1天的穎花作觀察實(shí)驗(yàn)。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(shí)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(shí),待試料黑化后,進(jìn)行乙醇系列脫水,環(huán)氧丙烷置換,Spurr樹(shù)脂浸透、包埋和聚合(70℃±0.3℃15小時(shí))。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(shù)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(jiǎn)單,橫斷面由2—3個(gè)環(huán)紋導(dǎo)管(T),3—4個(gè)篩管(S)和20個(gè)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(gè)篩管和數(shù)個(gè)維管束薄壁細(xì)胞組成(圖版Ⅰ-2)。在開(kāi)穎過(guò)程中,可育系的花絲因吸水迅速伸長(zhǎng),在花絲細(xì)胞被拉長(zhǎng)的過(guò)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(lái)靠在一起的導(dǎo)管被分開(kāi),同時(shí)連在一起的篩管分子也被拉開(kāi),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(zhǎng),細(xì)胞的內(nèi)膜破損,液泡中的水解酶被釋放,細(xì)胞開(kāi)始自溶,被分解的原生質(zhì)流出細(xì)胞,通過(guò)細(xì)胞間隙和維管束的空腔進(jìn)入小穗軸。此時(shí),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(yùn)的分解物(圖版Ⅰ-3中染色處)。不育系穎花在開(kāi)穎過(guò)程中,花絲伸長(zhǎng)較少,維管束中一般不出現(xiàn)空腔。伸長(zhǎng)少或不伸長(zhǎng)的花絲在閉穎時(shí)往往不萎蔫,細(xì)胞不自溶(圖版Ⅰ-4),有的花絲在穎花開(kāi)花后1周還沒(méi)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(wú)導(dǎo)管,水分和運(yùn)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(gè)漿片,實(shí)際上這2個(gè)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(wú)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(kāi)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(cè)這些細(xì)胞在臨開(kāi)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(kāi)花前3天,在質(zhì)體中能見(jiàn)到許多淀粉粒。然而到開(kāi)花前1天,這些淀粉粒就難見(jiàn)到了,這是因?yàn)闈{片中存在淀粉酶,淀粉被淀粉酶分解了的緣故。在臨開(kāi)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?bào)w。不育系漿片中的淀粉水解較慢,在開(kāi)穎時(shí),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(jiǎn)單,沒(méi)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(gè)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(diǎn),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(yùn)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(kāi)穎后,可育系漿片的收縮較快,因而閉穎也快。根據(jù)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)胞間連絲運(yùn)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(guò)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(jiàn)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(kāi)閉穎過(guò)程中沒(méi)有什么變化,篩管內(nèi)除了原來(lái)就含有的P-質(zhì)體(PP)和蛋白質(zhì)結(jié)晶體(Pb)外,沒(méi)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(kāi)閉穎時(shí)間長(zhǎng)(4—5小時(shí)、可育系1—2小時(shí))。這是由于不育系漿片的細(xì)胞自溶慢的緣故,開(kāi)穎后不育系漿片的細(xì)胞中難以找到附有親鋨小黑點(diǎn)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(guò)上述的不育系和可育系漿片在開(kāi)閉穎過(guò)程的比較觀察,提出如圖1所示的水稻開(kāi)閉穎機(jī)理的假說(shuō)?；ńz伸長(zhǎng)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(guò)導(dǎo)管撤離;而花絲吸水后是細(xì)胞伸長(zhǎng),導(dǎo)管和篩管的通道被損壞,并出現(xiàn)空腔解體物可通過(guò)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(shí)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)