短光敏核不育水稻D38S育性轉(zhuǎn)換的細(xì)胞學(xué)觀察

陳云風(fēng)，黎世齡，羅筱平，徐夢潔，張君權(quán)

(宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西宜春 336000)

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短光敏核不育水稻D38S育性轉(zhuǎn)換的細(xì)胞學(xué)觀察

陳云風(fēng)，黎世齡，羅筱平，徐夢潔，張君權(quán)

(宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西宜春 336000)

利用顯微技術(shù)對(duì)短光敏核不育水稻D38S不同時(shí)期的幼穗花粉形成及發(fā)育過程進(jìn)行系統(tǒng)觀察和研究。結(jié)果表明：在短光敏核不育水稻D38S敗育過程中減數(shù)分裂前期的單核花粉時(shí)期出現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象，即花粉細(xì)胞體積變小，細(xì)胞質(zhì)變稀薄，細(xì)胞核的形狀從規(guī)則變?yōu)椴灰?guī)則，出現(xiàn)明顯核皺縮。

短光敏核不育水稻；D38S；細(xì)胞學(xué)觀察；花粉敗育

自1981年石明松[1]報(bào)道從晚粳品種農(nóng)墾58中選育出光敏感不育系并提出一系兩用的水稻雜種優(yōu)勢利用新途徑以來，我國雜交水稻研究與利用進(jìn)入了三系、兩系并進(jìn)的新階段。由于兩系雜交水稻具有恢復(fù)源廣、配組自由、利于亞種間雜種優(yōu)勢利用等優(yōu)點(diǎn)，因而受到國家和地方有關(guān)方面及水稻育種家的廣泛重視[2-3]。20世紀(jì)90年代后，隨著培矮64S等實(shí)用兩用核不育系的選育成功，配組育成的一批兩系雜交水稻組合在試驗(yàn)示范中綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良，為兩系雜交水稻在生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[4]。短光敏核不育水稻D38S是宜春學(xué)院水稻育種組自主選育而成的一個(gè)光溫反應(yīng)特性比較特殊的兩用核不育系，它是與湖北省石明松選育的農(nóng)墾58S相反且與IVA不同的另一類光溫敏雄性核不育水稻，其具有短光不育、長光可育、光長主導(dǎo)育性轉(zhuǎn)換的育性反應(yīng)特性[5]。該品系具有農(nóng)業(yè)性狀優(yōu)良、結(jié)實(shí)率高、配合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]，其在雜交水稻理論研究中具有重大的價(jià)值。由于我國對(duì)短光低溫誘導(dǎo)雄性不育、長光高溫誘導(dǎo)雄性可育水稻新種質(zhì)的研究起步較晚，因此涉及這一類新種質(zhì)花粉敗育的細(xì)胞學(xué)研究較少，僅見吳世斌等[7]對(duì)具類似育性轉(zhuǎn)換特性的旱稻昆植S-1 進(jìn)行了較為詳細(xì)地觀察。鑒于此，筆者利用顯微技術(shù)對(duì)D38S不同時(shí)期的幼穗花粉形成及發(fā)育過程進(jìn)行觀察，研究其育性轉(zhuǎn)換的光溫特性和花粉敗育的機(jī)理，以期為水稻育種研究提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料供試材料為短光敏核不育水稻D38S不同發(fā)育時(shí)期幼穗。

1.2試驗(yàn)方法2012、2014、2015年在宜春學(xué)院水稻育種基地，根據(jù)短光敏核不育水稻生育期和育性轉(zhuǎn)換特性，利用分批播種的方法，根據(jù)天氣變化，取其幼穗花粉進(jìn)行鏡檢，觀察其育性變化情況。分別于8月下旬(28～35 ℃)、9月上旬(19～23 ℃)及10月上旬(15～29 ℃)在試驗(yàn)基地選取不同發(fā)育時(shí)期的水稻幼穗并分別進(jìn)行編號(hào)，將材料移至實(shí)驗(yàn)室后，用剪刀和鑷子對(duì)每個(gè)編好號(hào)的幼穗粒進(jìn)行稃端去除，將幼穗放入卡諾氏固定液(無水乙醇∶冰醋酸=3∶1)固定1 h左右，然后再用濃度為95%的酒精沖洗，使之不含冰乙酸。接著將沖洗好的一定數(shù)量各個(gè)發(fā)育時(shí)期的小穗取出其花藥搗碎研磨制成載玻片，每個(gè)載玻片做好記號(hào)并分別編號(hào)。將剩余暫時(shí)不用的稻穗置濃度為70%的乙醇中于2～5 ℃保存?；ǚ墼谳d玻片上研磨均勻后，在編好號(hào)的玻片上滴1～2滴醋酸洋紅溶液，用紙吸干后，在Motic數(shù)碼顯微鏡(型號(hào)：BA300；倍數(shù)：400)下觀察花粉粒形態(tài)結(jié)構(gòu)，將觀察結(jié)果保存并統(tǒng)一分析。

2　結(jié)果與分析

通過分批連續(xù)取材，利用生物顯微技術(shù)，觀察獲取短光敏核不育水稻材料D38S可育期、育性轉(zhuǎn)換期、敗育期各時(shí)期的花粉細(xì)胞染色相關(guān)圖片，選取D38S不同育性時(shí)期的發(fā)育階段的細(xì)胞染色圖片，然后進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

2.1育性轉(zhuǎn)換前期D38S的花粉形成和發(fā)育過程通過在生物攝影顯微鏡下觀察不同發(fā)育時(shí)期的水稻D38S幼穗材料細(xì)胞，可以初步發(fā)現(xiàn)其連續(xù)的細(xì)胞分裂過程。通過觀察A1、B1、C1圖片可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí) D38S幼穗小孢子細(xì)胞體積較小、呈圓形，細(xì)胞核較大，胞質(zhì)厚度較厚、分布均勻；而后D38S幼穗發(fā)育至A2時(shí)，通過觀察A2、B2、C2圖片可以發(fā)現(xiàn)：此時(shí)D38S幼穗小孢子細(xì)胞體積逐漸增大，核位于中央；當(dāng)水稻D38S幼穗發(fā)育至A3時(shí)，通過觀察A3、B3、D3圖片可以發(fā)現(xiàn)：此時(shí)核偏離中央，核物質(zhì)形狀變得越來越不規(guī)則；當(dāng)幼穗發(fā)育至A4時(shí)，通過觀察A4圖片可以發(fā)現(xiàn)：小孢子細(xì)胞內(nèi)有液泡形成，細(xì)胞核物質(zhì)被液泡擠到一邊，染色質(zhì)被染成深色；而后細(xì)胞進(jìn)一步成長發(fā)育至幼穗A5時(shí)期，觀察可育A5、B5、C5、D5圖片可以發(fā)現(xiàn)：小孢子細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞核物質(zhì)局部散開，形態(tài)不規(guī)則；隨后發(fā)育至A6時(shí)，觀察可育A6、B6、C6、D6圖片可以發(fā)現(xiàn)：此時(shí)細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)明顯變少，隨后小孢子細(xì)胞呈透明化。觀察A6、B6、C6、D6圖片還可以發(fā)現(xiàn)：核仁較小且偏離細(xì)胞中央，細(xì)胞質(zhì)均勻分布于細(xì)胞內(nèi)。此后小孢子細(xì)胞經(jīng)過有絲分裂可發(fā)育成成熟花粉。

注：A1～A6、B1～B6均為(可育)育性轉(zhuǎn)換前期(28～35 ℃)花粉的發(fā)育過程；C1～C6為育性轉(zhuǎn)換時(shí)期(19～23 ℃)花粉的發(fā)育過程；D1～D6為(敗育)育性轉(zhuǎn)換后期(15～29 ℃)花粉的發(fā)育過程。Note: A1-A6 and B1-B6 were pollen development process of (fertile) fertility transformation prophase (28-35℃);C1-C6 were pollen development process of (abortion) fertility transformation phase (19-23 ℃);and D1-D6 were pollen development process of(abortion) fertility transformation anaphase.圖1　D38S育性轉(zhuǎn)換的花粉形成與發(fā)育過程Fig.1　Pollen formation and development process of D38S fertility transformation

2.2育性轉(zhuǎn)換時(shí)期D38S的花粉形成和發(fā)育過程通過在生物攝影顯微鏡下觀察C1～C6、D1～D6發(fā)育時(shí)期的水稻D38S幼穗材料細(xì)胞可以發(fā)現(xiàn)，與D38S花粉形成和發(fā)育過程(A1～A6、B1～B6)相比，不育D38S的異常變化出現(xiàn)在減數(shù)分裂前期和單核花粉時(shí)期，而且異常表現(xiàn)多樣。觀察D1～D6發(fā)育時(shí)期的D38S幼穗小孢子細(xì)胞時(shí)可發(fā)現(xiàn)：減數(shù)分裂時(shí)期，有一部分小孢子細(xì)胞中核物質(zhì)形態(tài)變得越來越無規(guī)則，細(xì)胞質(zhì)變得越來越稀薄且不規(guī)則地分散于細(xì)胞中；有核結(jié)構(gòu)被破壞，致使胞質(zhì)和核質(zhì)混合；細(xì)胞內(nèi)的花藥壁變得越來越薄；有的整個(gè)細(xì)胞液泡化，細(xì)胞呈透明狀態(tài)。單核花粉時(shí)期，大部分小孢子細(xì)胞出現(xiàn)異常。有的小孢子細(xì)胞體積稍大，細(xì)胞呈狹長的不規(guī)則形狀，核質(zhì)被染成一團(tuán)深色物質(zhì)；之后，這些小孢子一部分能發(fā)育成花粉壁，但不能正常有絲分裂，發(fā)育僅停留在單核期，內(nèi)容物不能充實(shí)，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)破碎解體，只剩殘?bào)w，變成一個(gè)無內(nèi)容物的空殼花粉。

2.3不育D38S花藥細(xì)胞質(zhì)的異常該研究發(fā)現(xiàn)，不育D38S 花藥敗育過程中的異常常伴隨著花藥細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的變化異?；顒?dòng)。在減數(shù)分裂時(shí)期，通過觀察圖1中的變化過程可以分析出，水稻D38S育性轉(zhuǎn)換過程中，細(xì)胞形態(tài)由大慢慢變小，在可育D38S的圖片中細(xì)胞質(zhì)分布均勻，細(xì)胞完整；而在不育D38S的圖片中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)幾乎消失不見，胞內(nèi)只見較大的液泡，細(xì)胞呈透明化。至單核花粉時(shí)期，可育花藥的細(xì)胞質(zhì)隨著小孢子的發(fā)育在形態(tài)上發(fā)生了一系列的變化。不育D38S的細(xì)胞質(zhì)早期占花藥細(xì)胞的大半部分，但隨著細(xì)胞發(fā)育，細(xì)胞質(zhì)含量越來越少。因?yàn)榧?xì)胞質(zhì)對(duì)花粉的發(fā)育具有多種重要作用，細(xì)胞質(zhì)的異常變化可以使小孢子發(fā)育為成熟花粉時(shí)所需要的大量營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，使小孢子不能正常發(fā)育，導(dǎo)致花粉敗育。有研究表明，花粉敗育過程中的異常表現(xiàn)常伴隨著花藥絨氈層細(xì)胞的異?；顒?dòng)，絨氈層細(xì)胞出現(xiàn)提前解體現(xiàn)象[8]。該研究也證明，花藥絨氈層細(xì)胞的異?；顒?dòng)是致使花粉敗育過程中出現(xiàn)異常表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

3　結(jié)論與討論

該研究結(jié)果表明：在減數(shù)分裂和單核花粉時(shí)期，短光敏核不育水稻D38S均表現(xiàn)出異常現(xiàn)象。對(duì)這些異常現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步觀察和研究可為水稻品系的抽穗開花期田間管理及雄性不育研究提供理論依據(jù)，也可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和實(shí)踐提供指導(dǎo)。

有研究表明，花粉敗育過程中的異常表現(xiàn)常伴隨著花藥絨氈層細(xì)胞的異?；顒?dòng)，絨氈層細(xì)胞出現(xiàn)提前解體現(xiàn)象[8]。chapman[9]曾將絨氈層的功能總結(jié)為4個(gè)方面，即造孢組織的營養(yǎng)、花粉壁的形成、花粉鞘和含油層的供應(yīng)、提供識(shí)別物質(zhì)。而該試驗(yàn)分析認(rèn)為，短光敏核不育水稻D38S的花藥發(fā)育過程中，在減數(shù)分裂前期和單核花粉時(shí)期出現(xiàn)異?，F(xiàn)象表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)的厚度變薄、細(xì)胞核的形狀從規(guī)則變?yōu)椴灰?guī)則。細(xì)胞質(zhì)是進(jìn)行新陳代謝的主要場所，絕大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)都是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，同時(shí)其對(duì)細(xì)胞核也有調(diào)控作用，因此細(xì)胞質(zhì)的異?；顒?dòng)可能是花粉敗育的關(guān)鍵因素。

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[9]CHAPMAN G P.The tapetum[J].Int Rev Cytol，1987，107：111-125.

Cytological Observation of Dual-use Nuclear Sterile Line Rice D38S

CHEN Yun-feng,LI Shi-ling,LUO Xiao-ping et al

(College of Life Science and Resource Environment,Yichun University,Yichun,Jiangxi 336000)

Microtechnique was used to observe and study the young ear pollen formation and development process of short day induced male sterile line rice D38S in different time periods.Results showed that in the abortive process of rice DS8S,mononuclear pollen period at meiosis prophase showed significant abnormal phenomena,such as small pollen cell volume,thin cytoplasm,irregular shape of cell nucleus,and significant nuclear shrinkage.

Short day induced male sterile line rice;D38S;Cytological observation;Pollen abortion

江西省科技廳重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(20114ABF03105)。

陳云風(fēng)(1982- )，女，江西九江人，講師，碩士，從事作物育種教學(xué)與科研工作。

2016-06-27

S 511

A

0517-6611(2016)25-018-03