水稻不育系包頸特性及穗頸節(jié)間形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的研究

張桂蓮，張分云，楊燁，雷東陽(yáng)，陳立云

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻科學(xué)研究所，湖南 長(zhǎng)沙410128)

目前生產(chǎn)上利用的秈型雜交水稻不育系都存在著不同程度包頸(穗不能完全從劍葉葉鞘中抽出)的遺傳障礙，極大地制約了不育系異交結(jié)實(shí)率的提高，降低了制種產(chǎn)量[1-3].雖然生產(chǎn)上在不育系始穗期應(yīng)用赤霉素可部分解除不育系的包頸問(wèn)題，但適合使用赤霉素的時(shí)期較短，易受陰雨天氣的影響，而且赤霉素的大量使用不僅會(huì)增加制種的成本，加重田間穗上發(fā)芽及稻粒黑粉病的發(fā)生，影響種子的質(zhì)量，還會(huì)污染環(huán)境[4-6]，因此，必須從根本上解除不育系包頸的遺傳障礙.1981年，Rutger等[7]發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)隱性長(zhǎng)穗頸基因. 隨后中國(guó)的水稻研究者也相繼報(bào)道由一對(duì)隱性高稈基因控制的突變體[8-10].筆者以包頸程度較輕的水稻品系H7408和包頸程度較重的水稻不育系培矮64S為材料，研究不育系包頸特性及穗頸節(jié)的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)，旨在探明水稻不育系的包頸機(jī)理，為生產(chǎn)上選育不包頸的水稻不育系提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材 料

水稻品系 H7408，為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻科學(xué)研究所選育；培矮64S，由國(guó)家雜交水稻工程中心提供.

1.2 方 法

試驗(yàn)于 2008年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻試驗(yàn)田進(jìn)行.5月25日播種，6月18日移栽，常規(guī)肥水管理. 成熟期測(cè)量植株的稈高、倒一節(jié)間長(zhǎng)、劍葉鞘長(zhǎng)和穗頸節(jié)伸出度，取 30株的平均值作為各性狀指標(biāo).

開花盛期每個(gè)材料隨機(jī)取樣5株，每株取主穗當(dāng)天開放的3朵穎花混合搗碎，碘─碘化鉀溶液染色后置100倍光學(xué)顯微鏡下鏡檢3個(gè)視野，計(jì)算不育度，取其平均值作為該株不育度觀察值.

將定長(zhǎng)的H7408和培矮64S的穗頸節(jié)間切成若干段，節(jié)間兩端每段長(zhǎng)0.7 cm，節(jié)間中部每段長(zhǎng)1.5 cm，用 FAA液固定，經(jīng)酒精脫水，二甲苯透明及石蠟包埋后進(jìn)行連續(xù)縱向切片，切片經(jīng)1.0%的番紅和苯胺藍(lán)染色. 在顯微鏡下對(duì)各小段切片中靠髓腔一側(cè)的第一列薄壁細(xì)胞(內(nèi)層薄壁細(xì)胞)和緊靠厚壁纖維細(xì)胞層的最外一列薄壁細(xì)胞(外層薄壁細(xì)胞)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用顯微測(cè)微尺計(jì)量細(xì)胞的長(zhǎng)度，然后用OLYMPUSBH-2型顯微攝像機(jī)，選擇有代表性的部位進(jìn)行拍照. 根據(jù)整個(gè)穗頸節(jié)間細(xì)胞的長(zhǎng)度，將細(xì)胞長(zhǎng)于50 μm的區(qū)段稱為中部區(qū)段，由中部區(qū)段至倒一節(jié)的區(qū)段稱為基部區(qū)段，由中部區(qū)段至穗頸節(jié)的區(qū)段稱為頂部區(qū)段，并分別對(duì)不同區(qū)段的細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 培矮64S和H7408包頸特性的比較

培矮64S的包頸率為100%，包頸長(zhǎng)度為11.12 cm ，花粉可染率(育性)為1.68%，而H7408包頸率為 14.86%，包頸長(zhǎng)度為 0.86 cm ，花粉可染率為98.5%，兩者差異顯著.相關(guān)分析結(jié)果表明，包頸率、包頸長(zhǎng)度與花粉可染率分別呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=－0.468 1；R=－0.564 4).

2.2 培矮64S和H7408莖稈各節(jié)間長(zhǎng)度的比較

從表1可看出，培矮64S的莖稈高度比H7408短23.42 cm，倒一節(jié)間(即穗頸節(jié)間)長(zhǎng)比H7408短11.88 cm，倒二節(jié)間、倒三節(jié)間、倒四節(jié)間也比H7408短.穗頸伸出度由倒一節(jié)間長(zhǎng)度和劍葉葉鞘長(zhǎng)度決定，培矮 64S劍葉葉鞘與 H7408相比增長(zhǎng)1.69 cm，而培矮64S劍葉葉鞘比穗頸節(jié)長(zhǎng)11.58 cm，H7408穗頸伸出度為1.99 cm，因此培矮64S有相當(dāng)一部分的穎花被包在葉鞘中.

表1 培矮64S和H7408莖稈各節(jié)間長(zhǎng)度及穗頸伸出性狀Table 1 Comparison of length ang character of panicle exserted between Peiai64S and H7408 cm

2.3 穗頸節(jié)間細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞平均長(zhǎng)度的比較

從表2可知，培矮64S穗頸節(jié)間外層薄壁細(xì)胞和內(nèi)層薄壁細(xì)胞比H7408分別少1 016個(gè)和470個(gè)，說(shuō)明穗頸節(jié)間薄壁細(xì)胞數(shù)量的多少與穗頸節(jié)間長(zhǎng)度有密切關(guān)系. 培矮64S穗頸節(jié)間薄壁細(xì)胞的平均長(zhǎng)度也比H7408短，其中以內(nèi)層薄壁細(xì)胞平均長(zhǎng)度差值較大，為17.8 μm，說(shuō)明穗頸節(jié)間細(xì)胞長(zhǎng)度增加是促進(jìn)節(jié)間伸長(zhǎng)的另一重要原因.

表2 穗頸節(jié)間細(xì)胞數(shù)目和平均長(zhǎng)度Table 2 Comparison of the number and length of uppermost internode cell

按增加的細(xì)胞數(shù)與平均細(xì)胞長(zhǎng)度的乘積來(lái)表示細(xì)胞數(shù)量增加對(duì)穗頸節(jié)間伸長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率，H7408外層薄壁細(xì)胞數(shù)量增加使穗頸節(jié)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度為5.923 cm(表 3)，占穗頸節(jié)總增加長(zhǎng)度的51.19%；由外層薄壁細(xì)胞伸長(zhǎng)使穗頸節(jié)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度為 5.957 cm，貢獻(xiàn)率為 50.14%，說(shuō)明外層薄壁細(xì)胞數(shù)量的增加與細(xì)胞長(zhǎng)度增加對(duì)穗頸節(jié)伸長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率基本相當(dāng). H7408內(nèi)層薄壁細(xì)胞數(shù)量增加較少，對(duì)穗頸節(jié)伸長(zhǎng)的貢獻(xiàn)為 3.267 cm，僅占總增加長(zhǎng)度的27.50%，內(nèi)層薄壁細(xì)胞伸長(zhǎng)的貢獻(xiàn)則占72.50%，說(shuō)明內(nèi)層薄壁細(xì)胞主要靠細(xì)胞伸長(zhǎng)促進(jìn)穗頸節(jié)伸長(zhǎng).

表3 細(xì)胞數(shù)和長(zhǎng)度增加對(duì)節(jié)間長(zhǎng)度伸長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率Table 3 Comparison of uppermost internode elongation between cell number increasing and cell elongating

2.4 穗頸節(jié)間細(xì)胞長(zhǎng)度的變化

從表4可知，2個(gè)材料的穗頸節(jié)間細(xì)胞(內(nèi)、外層薄壁細(xì)胞)長(zhǎng)度的變化規(guī)律是節(jié)間兩端的細(xì)胞長(zhǎng)度較小，中部區(qū)段細(xì)胞最長(zhǎng).培矮64S穗頸節(jié)間基部區(qū)段、頂部區(qū)段的細(xì)胞長(zhǎng)度與H7408的相差不大(圖 1-1，2和圖 1-5，6)，但中部區(qū)段相差較大(圖1-3，4)，內(nèi)層薄壁細(xì)胞與外層薄壁細(xì)胞長(zhǎng)度在中部區(qū)段培矮64S比H7408分別短25.2、37.8 μm.說(shuō)明除節(jié)間兩端外，培矮64S中下部區(qū)段薄壁細(xì)胞長(zhǎng)度都比H7408短，始穗前后培矮64S穗頸節(jié)間伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度過(guò)小，致使部分穗被包在葉鞘中.

表4 穗頸節(jié)間不同區(qū)段的細(xì)胞數(shù)和長(zhǎng)度Table 4 Comparison of parenchyma cell number and length in different sections

圖1 培矮64S和H7408穗頸節(jié)間不同區(qū)段細(xì)胞的比較(×100)Fig.1 Comparison of different sections of uppermost internode between Peiai64S and H7408(×100)

3 小結(jié)與討論

有研究[11]表明，雜交水稻包頸現(xiàn)象不僅與不育細(xì)胞質(zhì)有關(guān)，而且與細(xì)胞核也有密切關(guān)系.如果保持系最上節(jié)間足夠長(zhǎng)，就有可能減輕或消除不育系的包頸.本研究結(jié)果表明，包頸率、包頸長(zhǎng)度與花粉可染率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.

植物細(xì)胞的生長(zhǎng)或擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力為膨壓，它向四周的強(qiáng)度是均等的，而細(xì)胞不對(duì)稱伸長(zhǎng)原因在于細(xì)胞壁的作用，細(xì)胞壁中纖維素的排列方式直接影響著細(xì)胞的伸長(zhǎng).當(dāng)纖維素微纖絲與細(xì)胞壁某一平面平行排列時(shí)，它就與伸展素、膨脹素等多種蛋白質(zhì)交織，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而限制了細(xì)胞這一方向的伸長(zhǎng)[12-16].鐘衛(wèi)華等[17]對(duì)隱性長(zhǎng)穗頸溫敏核不育水稻長(zhǎng)選 3S穗頸節(jié)間細(xì)胞學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，其eui基因?qū)Σ煌恢眉?xì)胞的作用不同，促進(jìn)穗頸節(jié)間內(nèi)層薄壁細(xì)胞伸長(zhǎng)的作用明顯大于促進(jìn)其分裂的作用，緊接髓腔的薄壁細(xì)胞起運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作用. 本研究結(jié)果表明，穗頸節(jié)間伸長(zhǎng)是由細(xì)胞數(shù)目增多和細(xì)胞長(zhǎng)度增加雙重作用所致，其中后者作用更為顯著.對(duì)穗頸節(jié)各區(qū)段的細(xì)胞長(zhǎng)度變化的比較研究表明，穗頸節(jié)間基部區(qū)段、頂部區(qū)段的細(xì)胞長(zhǎng)度，培矮64S與 H7408的相差不大. 但在中部區(qū)段細(xì)胞長(zhǎng)度差異顯著，這說(shuō)明穗頸節(jié)間中部區(qū)段細(xì)胞伸長(zhǎng)是促進(jìn)穗頸節(jié)間伸長(zhǎng)的主要部位.季蘭等[18]研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素(GA)、生長(zhǎng)素(IAA)、脫落酸(ABA)和乙烯影響水稻莖(或節(jié)間)的伸長(zhǎng)，其中赤霉素與水稻莖伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的關(guān)系最密切，因此關(guān)于穗頸節(jié)間伸長(zhǎng)的機(jī)制還有待于從激素水平、分子機(jī)理方面進(jìn)一步研究.

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