小麥穎果發(fā)育和萌發(fā)過程中盾片的結(jié)構(gòu)特征

楊 陽(yáng)，陳昕鈺，盛潔悅，汪巧菊，張小惠，朱盼盼，楊 蓉，張二金，余徐潤(rùn)，熊 飛

(揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

小麥穎果發(fā)育和萌發(fā)過程中盾片的結(jié)構(gòu)特征

楊 陽(yáng)，陳昕鈺，盛潔悅，汪巧菊，張小惠，朱盼盼，楊 蓉，張二金，余徐潤(rùn)，熊 飛

(揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

為了進(jìn)一步明確小麥穎果發(fā)育和萌發(fā)過程中盾片的結(jié)構(gòu)特征，以揚(yáng)麥13為材料，采用超薄切片、顯微和超微觀察及Image-pro Plus軟件圖像分析等技術(shù)，研究了小麥盾片在穎果發(fā)育及萌發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，花后16 d，穎果靠近胚乳的胚周緣細(xì)胞由外到內(nèi)分別分化為盾片上皮細(xì)胞和盾片薄壁細(xì)胞。在穎果發(fā)育過程中，盾片上皮細(xì)胞形態(tài)由不規(guī)則形轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)形，數(shù)目逐漸增加，面積逐漸減小。盾片上皮細(xì)胞中淀粉粒不斷降解，頸部盾片上皮細(xì)胞呈細(xì)長(zhǎng)形，而底部細(xì)胞呈多邊形和橢圓形。盾片薄壁細(xì)胞淀粉粒不斷增多，體積變大?；ê?6～20 d細(xì)胞液泡化，積累脂質(zhì)體和植酸鈣鎂顆粒，細(xì)胞核中核染色質(zhì)明顯降解。在萌發(fā)過程中，盾片上皮細(xì)胞由不規(guī)則形和多邊形向圓形轉(zhuǎn)變，細(xì)胞的數(shù)目先減少后增加，面積先增加后呈減小趨勢(shì)。薄壁細(xì)胞內(nèi)淀粉體不斷變形、塌陷并逐漸降解，蛋白體發(fā)生解體，而脂質(zhì)體先降解而后又重新合成。由以上結(jié)果說明，小麥盾片具有吸收轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分、貯藏養(yǎng)分及保護(hù)胚等功能。

小麥；發(fā)育；萌發(fā)；盾片；結(jié)構(gòu)；功能

盾片是禾本科植物種子特有的胚部構(gòu)造，在胚中占有最大的體積。近年來，有關(guān)禾本科植物種子盾片的研究主要集中在玉米和大麥中。Eprintsev等[1]測(cè)定了玉米種子萌發(fā)過程中盾片 Aco1和 Aco4基因的表達(dá)以及順烏頭酸酶的活性。盾片中存在一類肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在種子萌發(fā)過程中它們能將胚乳蛋白降解后的小片段肽轉(zhuǎn)運(yùn)到盾片中[2-3]。最具特點(diǎn)的肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是在大麥穎果盾片中發(fā)現(xiàn)的HvPTR1，該蛋白能活化多肽，促使它們穿過盾片[4]。Tnani等[5]在玉米盾片中分離和鑒定了肽轉(zhuǎn)運(yùn)體/硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體1(PTR/NRTI)家族中的ZmPTR1蛋白，同時(shí)他們發(fā)現(xiàn) ZmPTR1基因主要在萌發(fā)的玉米種子的盾片上皮細(xì)胞中表達(dá)，而在胚根和胚軸中表達(dá)量較低。玉米盾片上皮細(xì)胞還可吸收胚乳水解后的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)運(yùn)至胚芽胚軸胚根[6]。Ma等[7]研究了大麥穎果萌發(fā)過程中乙醛酸循環(huán)和有機(jī)酸的代謝過程，結(jié)果表明，盾片中的乙醛酸循環(huán)不僅能將脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔?，同時(shí)也能酸化胚乳和氨基酸的合成。何勇剛等[8]用植物組織培養(yǎng)的方法，研究了不同生理狀態(tài)的幼穗和幼胚盾片與誘導(dǎo)分化能力關(guān)系，發(fā)現(xiàn)幼胚盾片比幼穗愈傷組織出現(xiàn)早，生長(zhǎng)快，植株再生綠苗率高，表明小麥幼胚盾片是較好的植物組織培養(yǎng)的材料。Dominguez等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在小麥種子萌發(fā)過程中盾片細(xì)胞中的DNA片段增加，同時(shí)TUNEL分析表明盾片上皮細(xì)胞和盾片薄壁細(xì)胞都出現(xiàn)了細(xì)胞程序性死亡(PCD)現(xiàn)象，這種PCD過程從盾片頂部到基部的梯度延伸。

關(guān)于谷物類種子盾片在穎果發(fā)育和萌發(fā)過程中的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化前人有過相關(guān)的報(bào)道。高榮歧等[10]觀察了玉米穎果發(fā)育過程中盾片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)變化過程，結(jié)果表明，在發(fā)育早期，盾片上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)濃于薄壁細(xì)胞；在發(fā)育中期，盾片細(xì)胞中液泡消失，淀粉體和脂質(zhì)體大量積累；在發(fā)育后期，薄壁細(xì)胞中積累大量的蛋白體。徐是雄等[11]觀察了燕麥種子萌發(fā)時(shí)盾片細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)變化和燕麥球蛋白的免疫熒光定位，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)、植酸鈣鎂在種子萌發(fā)初期基本消失，而油脂的消失則稍緩慢；淀粉在成熟的盾片細(xì)胞內(nèi)很少，且數(shù)量呈先增加后減少趨勢(shì)。燕麥種子的主要貯藏蛋白-球蛋白,經(jīng)免疫熒光定位顯示，都積聚在蛋白體內(nèi)。隨種子萌發(fā)，球蛋白很快消失。Swift等[12]利用光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察了小麥種子萌發(fā)前5 d盾片上皮細(xì)胞和薄壁細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化：萌發(fā)早期淀粉體的數(shù)目和尺寸逐漸增加；萌發(fā)后期質(zhì)體中的淀粉粒消失，而薄壁細(xì)胞中的大淀粉體仍在存在；蛋白體逐漸水解，水解后的殘留物大量聚合。他們認(rèn)為盾片上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征并不能證實(shí)盾片具有分泌淀粉酶和吸收養(yǎng)分的功能。此外透射電子顯微鏡觀察表明，萌發(fā)的小麥種子盾片中細(xì)胞質(zhì)出現(xiàn)高空泡化狀態(tài)，同時(shí)還存在變異的線粒體和構(gòu)成細(xì)胞死亡癥狀的雙層膜結(jié)構(gòu)[9]。然而，以上結(jié)果并未系統(tǒng)而深入地觀察小麥盾片在穎果發(fā)育和萌發(fā)階段的形態(tài)變化特征。

本研究以揚(yáng)麥13為試驗(yàn)材料，采用光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡并結(jié)合相關(guān)軟件對(duì)小麥穎果發(fā)育和萌發(fā)過程中盾片的形態(tài)變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)而深入地觀察，同時(shí)綜合分析討論了盾片的功能，以期為進(jìn)一步深化小麥穎果的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為揚(yáng)麥13，由江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)科所提供。2014-2015年種植于揚(yáng)州大學(xué)作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)田，大田常規(guī)水肥管理。在小麥的開花季節(jié)，采用植株掛牌和記號(hào)筆點(diǎn)穎相結(jié)合的方式準(zhǔn)確標(biāo)記穗中部、小穗基部?jī)啥湫』ǖ拈_花日期，于開花后不同天數(shù)采集小麥穎果。

小麥?zhǔn)斋@后選取大小一致的穎果，先用1%的次氯酸鈉消毒30 min，然后用蒸餾水清洗三次，在25 ℃避光催芽12 h。當(dāng)根長(zhǎng)達(dá)到種子一半長(zhǎng)度時(shí)定義為萌發(fā)，同時(shí)將萌發(fā)的種子轉(zhuǎn)移到25 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)液為超純水，光暗比為16 h/8 h。

1.2 顯微結(jié)構(gòu)觀察

取花后14、16、18、20、26、30 d和萌發(fā)8、12 h及1、2、3、5、9、11 d的穎果中部2 mm橫斷，迅速置于25 mg·L-1的戊二醛中，4 ℃固定4 h，樣品經(jīng)pH 7.2的磷酸緩沖液清洗后，用0.5%鋨酸后固定3 h。隨后樣品經(jīng)pH 7.2磷酸緩沖液清洗、乙醇梯度脫水、環(huán)氧丙烷置換、Spurr樹脂浸透與包埋，在70 ℃恒溫干燥箱中聚合12 h，制成樹脂膠囊樣品塊。用超薄樹脂切片機(jī)(Ultracut R，Leica，Germany)切1 mm厚的薄片，然后用0.5%甲基紫染色10 min，最后在光學(xué)顯微鏡(DMLS，Leica，Germany)下觀察并拍照。每個(gè)樣品重復(fù)切三粒穎果。

1.3 超微結(jié)構(gòu)觀察

選取小麥發(fā)育16、20 d和萌發(fā)3、5 d的樣品，用超薄切片機(jī)(Ultracut R，Leica，Germany)切60 nm厚的切片，用銅網(wǎng)粘樣。干燥后經(jīng)醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛染色，在透射電子顯微鏡(Tecnai 12，Philips，the Netherlands)下觀察并拍攝。

1.4 細(xì)胞數(shù)目和面積的計(jì)算

參照余徐潤(rùn)等[13]的方法，用Photoshop CS4制作圖版，用Image-Pro Plus圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)與分析盾片上皮細(xì)胞面積與數(shù)目。每個(gè)時(shí)期隨機(jī)統(tǒng)計(jì)圖片10張，重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥穎果不同發(fā)育時(shí)期盾片細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)

圖1所示為小麥花后不同天數(shù)盾片細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)。根據(jù)盾片細(xì)胞形態(tài)的不同將其分為頸部(圖1A-D，I，N)和底部(圖1E-H，J，M)兩個(gè)區(qū)域。從圖1可以看出，花后14 d，盾片細(xì)胞尚未分化，上部胚分生細(xì)胞、下部胚分生細(xì)胞細(xì)胞核明顯，有許多的小液泡，同時(shí)積累了很多物質(zhì)貯藏顆粒(圖1A，E)。

花后16 d，胚體積增加，胚細(xì)胞數(shù)目增加，胚外層和內(nèi)層細(xì)胞開始分化成盾片上皮細(xì)胞和薄壁細(xì)胞，這些細(xì)胞的共同特征是有大的液泡、明顯的細(xì)胞核以及積累較多的物質(zhì)貯藏顆粒(圖1B，F(xiàn))。胚外層細(xì)胞形態(tài)呈不規(guī)則形，同時(shí)頸部上皮細(xì)胞和底部上皮細(xì)胞形態(tài)無明顯差異(圖1B，F(xiàn))。

花后18 d，盾片上皮細(xì)胞由之前的不規(guī)則形開始轉(zhuǎn)變成矩形，同時(shí)盾片上皮細(xì)胞和內(nèi)層的薄壁細(xì)胞中物質(zhì)貯藏顆粒數(shù)量均增加(圖1C，G)。頸部和底部細(xì)胞形態(tài)無明顯差異(圖1C，G)。

花后20 d，頸部盾片上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦危撞可掀ぜ?xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)形，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)貯藏顆粒進(jìn)一步減少，頸部比底部更明顯(圖1D，H)。盾片薄壁細(xì)胞中液泡變小，物質(zhì)貯藏顆粒體積增加(圖1D，H)。

花后26 d，頸部盾片上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)變成細(xì)長(zhǎng)形，細(xì)胞只有一層，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)貯藏顆粒幾乎消失，盾片薄壁細(xì)胞也呈細(xì)長(zhǎng)形，走向與盾片上皮細(xì)胞垂直，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)貯藏顆粒體積明顯增大，液泡減少(圖1I)。底部盾片上皮細(xì)胞也轉(zhuǎn)變成細(xì)長(zhǎng)形，細(xì)胞有2～3層，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)貯藏顆粒也大量消失，盾片薄壁細(xì)胞呈橢圓形，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)貯藏顆粒體積增加，且體積比頸部薄壁細(xì)胞中的大(圖1J)。

花后30 d，頸部和底部盾片薄壁細(xì)胞形態(tài)差異明顯，頸部盾片上皮細(xì)胞有1～2層，細(xì)胞呈細(xì)長(zhǎng)形，薄壁細(xì)胞中物質(zhì)貯藏顆粒比底部細(xì)胞中的小(圖1M，N)。底部上皮細(xì)胞分化成4～5層，細(xì)胞呈多邊形、三角形或橢圓形，薄壁細(xì)胞中物質(zhì)貯藏顆粒十分密集(圖1M)。

利用Image-Pro Plus軟件對(duì)盾片上皮細(xì)胞的數(shù)目及細(xì)胞面積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖2A和2B。從圖中可以看出，在開花后16～30 d，盾片上皮細(xì)胞數(shù)目逐漸增加(圖2A)，而細(xì)胞平均面積逐漸減小(圖2B)。

2.2 小麥穎果不同發(fā)育時(shí)期盾片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)

圖3所示為花后16和20 d盾片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，花后16 d，盾片上皮細(xì)胞和薄壁細(xì)胞中都有明顯的大液泡，細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)目很多，同時(shí)還有淀粉體和脂質(zhì)體積累，兩類細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器分布無明顯差異(圖3A-C)，盾片上皮細(xì)胞臨近胚乳的細(xì)胞壁較薄，細(xì)胞間隙大(圖3B)。

花后20 d，盾片上皮細(xì)胞和薄壁細(xì)胞中液泡體積減小，數(shù)量變多(圖3D)；盾片上皮細(xì)胞臨近胚乳的細(xì)胞壁加厚，細(xì)胞排列更為緊密(圖3E)。盾片薄壁細(xì)胞中淀粉體和脂質(zhì)體體積變大，同時(shí)還出現(xiàn)了很多的植酸鈣鎂顆粒(圖3F)。

A～D：花后14、16、18、20 d的小麥穎果頸部盾片；E～H：花后14、16、18、20 d的小麥穎果底部盾片；I：花后26 d的小麥盾片頸部；J：花后26 d的小麥盾片底部；K：花后26 d的小麥胚；L：花后30 d的小麥胚；M：花后30 d的小麥盾片底部；N：花后30 d的小麥盾片頸部；CCW：壓縮的細(xì)胞壁；CE：中央胚乳；Em：胚；Sc：盾片；SE：盾片上皮細(xì)胞；SG：淀粉粒；SP：盾片薄壁細(xì)胞；A～J和M～N的標(biāo)尺為50 μm；K和L的標(biāo)尺為400 μm。

A-D:Scutellum in the neck of wheat caryopsis,observed at 14,16,18 and 20 days after anthesis；E-H:Scutellum at the bottom of wheat caryopsis,observed at 14,16,18 and 20 days after anthesis；I:The neck of wheat scutellum,observed at 26 days after anthesis；J:The bottom of wheat scutellum,observed at 26 days after anthesis；K:Embryo of wheat,observed 26 days after anthesis;L:Embryo of wheat,observed 30 days after anthesis; M:The bottom of wheat scutellum,observed at 30 days after anthesis; N:The neck of wheat scutellum,observed at 30 days after anthesis;CCW:Compressed cell wall; CE:Centre endosperm; Em:Embryo; Sc:Scutellum; SE:Scutellum epithelial cells; SG:Starch granule:SP:Scutellar parenchyma cell;Bar:50 μm in A-J and M-N,and 400 μm in K and L.

圖1 小麥穎果不同發(fā)育時(shí)期盾片結(jié)構(gòu)的變化

Fig.1 Structural changes of scutellum at different stages of wheat caryopsis development

圖2 小麥穎果不同發(fā)育時(shí)期盾片上皮細(xì)胞數(shù)目和面積的變化

A～C：花后16 d的小麥穎果盾片細(xì)胞、盾片上皮細(xì)胞、盾片薄壁細(xì)胞；D～F：花后20 d的小麥穎果盾片細(xì)胞、盾片上皮細(xì)胞、盾片薄壁細(xì)胞；SE：盾片上皮細(xì)胞；SP：盾片薄壁細(xì)胞；SG：淀粉粒；DL：胚乳衰竭層；Li：脂質(zhì)體；Mi：線粒體；Nu：細(xì)胞核；Va：液泡；CW：細(xì)胞壁；NE：核膜；Ph：植酸鈣鎂。

A-C:Scutellum cell,scutellar epithelium cell and scutellar parenchyma cell of wheat caryopsis,observed at 16 days after anthesis;D-F:Scutellum cell,scutellar epithelium cell and scutellar parenchyma cell of wheat caryopsis,observed at 20 days after anthesis;SE:Scutellar epithelium cell; SP:Scutellar parenchyma cell;SG:Starch granule; DL:Depleted layer of endosperm; Li:Lipid body; Mi:Mitochondria; Nu:Nuclear; Va:Vacuole; CW:Cell wall; NE:Nuclear membranes; Ph:Phytate deposit in protein body.

圖3 小麥穎果花后16 d和20 d盾片的超微結(jié)構(gòu)

Fig.3 Ultrastructure of wheat caryopsis scutellum observed at 16 and 20 days after anthesis

2.3 小麥穎果不同萌發(fā)階段盾片細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)

圖4所示為小麥萌發(fā)不同天數(shù)盾片上皮細(xì)胞和薄壁細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，萌發(fā)8 h至2 d，盾片上皮細(xì)胞由3～4層轉(zhuǎn)變成2～3層，上皮細(xì)胞中積累的物質(zhì)貯藏顆粒逐漸消失(圖4A-C)。萌發(fā)3～11 d，盾片上皮細(xì)胞形態(tài)呈現(xiàn)多邊形-橢圓形-圓形的轉(zhuǎn)變，該轉(zhuǎn)變過程從盾片上皮細(xì)胞臨近胚乳的外層開始向遠(yuǎn)離胚乳層延伸(圖4D-F)，萌發(fā)11 d，幾乎所有的盾片細(xì)胞全部為圓形，細(xì)胞較前期小很多(圖4F)。萌發(fā)8 h至11 d，薄壁細(xì)胞中積累的物質(zhì)貯藏顆粒逐漸消失，到萌發(fā)11 d完全消失，此時(shí)薄壁細(xì)胞中出現(xiàn)了很多的大液泡(圖4G-L)。

采用Image-Pro Plus軟件對(duì)盾片上皮細(xì)胞的數(shù)目和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖5A和5B。從圖5可以看出，萌發(fā)8 h至1 d，盾片上皮細(xì)胞數(shù)目減少，細(xì)胞面積增加(圖5A，B)。萌發(fā)1～11 d，盾片上皮細(xì)胞數(shù)目逐漸增加，細(xì)胞面積逐漸減小(圖5A，B)。

2.4 小麥穎果不同萌發(fā)階段盾片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)

圖6所示為小麥穎果萌發(fā)3和5 d盾片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，萌發(fā)3 d，盾片薄壁細(xì)胞中淀粉體大量降解，淀粉粒變形、塌陷，液泡中出現(xiàn)有很多異染色質(zhì)的殘?bào)w(圖6A，B)。萌發(fā)5 d，蛋白質(zhì)貯藏液泡內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生解體，可以觀察到很多蛋白質(zhì)殘?bào)w(圖6C，D)。在蛋白質(zhì)貯藏液泡周圍可以觀察到很多的脂質(zhì)體(圖6C，D)，此外盾片薄壁細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)十分豐富(圖6D)。

3 討 論

本研究對(duì)小麥穎果發(fā)育和萌發(fā)過程中盾片上皮細(xì)胞和盾片薄壁細(xì)胞進(jìn)行了詳細(xì)地結(jié)構(gòu)觀察。

A和B：萌發(fā)8、12 h的盾片上皮細(xì)胞；C～F：萌發(fā)1、3、9、11 d的盾片上皮細(xì)胞；G和H：萌發(fā)8、12 h的盾片薄壁細(xì)胞；I～L：萌發(fā)1、3、9、11 d的盾片薄壁細(xì)胞；標(biāo)尺為50 μm。

A and B:Epithelial cells of scutellum observed at 8 and 12 h after germination; C-F:Epithelial cells of scutellum observed at 1,3,9 and 11 d after germination; G and H:Parenchyma cells of scutellum observed at 8 and 12 h after germination;I-L:Parenchyma cells of scutellum observed at 1,3,9 and 11 d after germination; Bar:50 μm.

圖4 小麥穎果不同萌發(fā)階段上皮細(xì)胞和薄壁細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.4 Microstructure of wheat caryopsis scutellum epithelial cells and parenchyma cells at different stages of germination

圖5 小麥穎果不同萌發(fā)時(shí)期盾片上皮細(xì)胞數(shù)目和面積變化

結(jié)果可以看出，頸部和底部盾片薄壁細(xì)胞形態(tài)有明顯差異，頸部細(xì)胞以細(xì)長(zhǎng)形為主，而底部細(xì)胞以多邊形、橢圓形為主，這種明顯的形態(tài)差異是前人關(guān)于盾片研究的文獻(xiàn)里未曾報(bào)道過的[9,12]。推測(cè)這可能與它的功能有關(guān)，細(xì)長(zhǎng)形排列成柵欄狀的細(xì)胞更有利于物質(zhì)的運(yùn)輸，減小了運(yùn)輸阻力，而多層排列的、多邊形和橢圓形的盾片上皮細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸阻力相對(duì)較大，這種形狀排列方式與胚乳輸導(dǎo)細(xì)胞[14]的功能類似。同時(shí)頸部盾片位于小麥穎果胚乳中央?yún)^(qū)域，該區(qū)域胚乳傳遞細(xì)胞和糊粉層傳遞細(xì)胞相對(duì)發(fā)達(dá)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸量大，同時(shí)輸導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡降解的物質(zhì)也更多；而底部盾片位于穎果基部，該區(qū)域傳遞細(xì)胞發(fā)育程度相對(duì)落后，同時(shí)程序性死亡的胚乳輸導(dǎo)細(xì)胞少，所產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也少。以上細(xì)胞分布特征就可能解釋為什么盾片表皮細(xì)胞在頸部和底部產(chǎn)生了較為明顯的形態(tài)差異。

在小麥穎果發(fā)育的過程中，盾片上皮細(xì)胞的數(shù)目持續(xù)增加，細(xì)胞面積持續(xù)減小，上皮細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)也不斷轉(zhuǎn)變，由最初的多邊形和橢圓形向細(xì)長(zhǎng)形轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變也可能與胚的體積增長(zhǎng)有關(guān)，根據(jù)本研究與前人的研究結(jié)果[15]可以看出，花后15～26 d胚的體積相對(duì)于胚乳體積來說較大，擴(kuò)增速度也比較快，此時(shí)處于灌漿的高峰期，伴隨輸導(dǎo)細(xì)胞的降解更多來自胚乳的養(yǎng)分會(huì)被盾片上皮細(xì)胞吸收并供應(yīng)胚生長(zhǎng)的養(yǎng)分需要?；ê?0 d，盾片上皮細(xì)胞臨近胚乳的細(xì)胞壁顯著加厚。該加厚結(jié)構(gòu)可能會(huì)使盾片與胚乳處于相對(duì)隔離狀態(tài),使得盾片中較高濃度的可溶性物質(zhì)不至于通過被動(dòng)運(yùn)輸回流到胚乳中，同時(shí)胚乳中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)則可能由于上皮細(xì)胞獨(dú)特的代謝力和類似傳遞細(xì)胞特征吸收養(yǎng)分的功能特征不斷流入到盾片中,再由盾片輸送到胚本體中。該推論與高榮歧等[10]關(guān)于玉米盾片發(fā)育過程中盾片功能的推論一致。

A和B：萌發(fā)3 d的薄壁細(xì)胞結(jié)構(gòu)；C和D：萌發(fā)5 d的薄壁細(xì)胞；Pr：蛋白質(zhì)；Li：脂質(zhì)體；Mi：線粒體；Nu：細(xì)胞核；SG：淀粉粒；ER：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；NE：核膜；PSV：蛋白質(zhì)貯藏液泡。

A and B:Parenchyma cells observed at 3 d after germination; C and D:Parenchyma cells observed at 5 d after germination; Pr:Protein; Li:Lipid bodies; Mi:Mitochondria; Nu:Nuclear; SG:Starch granule; ER:Endoplasmic reticulum; NE:Nuclear membranes; PSV:Protein storage vacuole.

圖6 小麥穎果萌發(fā)3 d和5 d盾片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)

Fig.6 Ultrastructure diagram of wheat caryopsis at 3 and 5 days after anthesis

在透射電子顯微鏡(TEM)下觀察到盾片薄壁細(xì)胞中細(xì)胞器種類多樣，除了物質(zhì)貯藏性的淀粉體和脂質(zhì)體外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體也十分豐富，同時(shí)還有較多的植酸鈣鎂顆粒。淀粉體的體積在盾片發(fā)育過程中逐漸增加，到花后20 d時(shí)可以觀察到較多的淀粉體，同時(shí)從TEM照片上還可以看出，相對(duì)于盾片上皮細(xì)胞而言，盾片薄壁細(xì)胞中的淀粉體數(shù)量多、體積大。這可能與這兩類細(xì)胞的功能特征有關(guān)，盾片上皮細(xì)胞更多的是轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分的功能，細(xì)胞內(nèi)C源大部分轉(zhuǎn)移到了薄壁細(xì)胞中，而薄壁細(xì)胞是一種貯藏細(xì)胞，來自盾片表皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的C源過剩時(shí)便以小顆粒淀粉粒的形式積累在細(xì)胞中，這與植物果皮和葉片中積累的臨時(shí)淀粉[16-17]特征很類似。這些淀粉在穎果萌發(fā)過程中逐漸變形、塌陷，最終降解，為胚的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分供應(yīng)。在穎果萌發(fā)3 d時(shí)，細(xì)胞中的線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)體等細(xì)胞器不易觀察到，而到了萌發(fā)5 d 這些細(xì)胞器特別是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特別明顯，這種現(xiàn)象Swift等[12]就曾報(bào)道過，這可能是戊二醛和鋨酸雙固定所產(chǎn)生的假象。這些豐富的細(xì)胞器說明盾片細(xì)胞在種子萌發(fā)過程中具有較高的代謝能力，這與董建華等[6]關(guān)于薏苡種子盾片細(xì)胞結(jié)構(gòu)觀察的現(xiàn)象類似。在TEM下可以看到，植酸鈣鎂顆粒和蛋白質(zhì)貯藏液泡主要位于盾片薄壁細(xì)胞中，而盾片表皮細(xì)胞中幾乎觀察不到。這是因?yàn)橘A藏性蛋白主要位于薄壁細(xì)胞中，而盾片細(xì)胞中的蛋白主要是一些酶蛋白[18]，這些酶蛋白在種子萌發(fā)早期開始分泌，分解胚乳中的貯藏物質(zhì)，同時(shí)盾片薄壁細(xì)胞中的淀粉、蛋白質(zhì)貯藏液泡內(nèi)的蛋白也會(huì)被分解，這些物質(zhì)能為早期胚的生長(zhǎng)提供物質(zhì)供應(yīng)。在萌發(fā)過程中盾片薄壁細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)體在萌發(fā)3 d較少，在萌發(fā)5 d較多，這種現(xiàn)象與Feng等[18]報(bào)道的玉米盾片脂質(zhì)體降解-合成-降解的規(guī)律類似，由于未對(duì)萌發(fā)后期的樣品進(jìn)行TEM觀察，所以并未觀察到降解的過程，但是在半薄切片中可以看出到了萌發(fā)后期薄壁細(xì)胞內(nèi)貯藏的物質(zhì)幾乎完全降解，只剩下了液泡化的細(xì)胞。推測(cè)這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是這樣：萌發(fā)過程中胚乳內(nèi)的貯藏物質(zhì)大量解體，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較高并未完全被胚吸收和利用，一部分的脂肪酸與甘油又重新合成為脂質(zhì)體，這些脂質(zhì)體數(shù)量很多，圍繞著蛋白質(zhì)貯藏液泡排列成圓圈狀，這與Dominguez等[9]觀察的現(xiàn)象相一致。Swift等[19]認(rèn)為這種排列是由管狀膜系統(tǒng)連接而成的。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡時(shí)這些物質(zhì)再被分解，供應(yīng)胚的生長(zhǎng)。關(guān)于此種現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制目前尚不清楚。

本研究發(fā)現(xiàn)，小麥穎果萌發(fā)早期盾片上皮細(xì)胞的數(shù)目逐漸減少、面積增加，然后細(xì)胞數(shù)目增加、面積減小，這種往復(fù)現(xiàn)象的產(chǎn)生可能與上述關(guān)于脂質(zhì)體動(dòng)態(tài)變化的推論類似，在萌發(fā)早期，盾片分泌了大量的酶蛋白來水解胚乳中的貯藏物質(zhì)，此時(shí)盾片表皮細(xì)胞變大、數(shù)目變小可以提高物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男?、降低運(yùn)輸?shù)淖枇?；到了后期，種子根系的功能逐步得到體現(xiàn)[20]，此時(shí)盾片細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸養(yǎng)分的功能逐漸減弱，盾片細(xì)胞變小、數(shù)目增加，胚乳降解的產(chǎn)物直接被胚吸收利用。由此我們可以得出推論，在種子萌發(fā)過程中盾片細(xì)胞的功能是分泌酶蛋白和吸收養(yǎng)分，隨著盾片上皮細(xì)胞的降解，該功能也逐漸喪失掉。

此外，從形態(tài)結(jié)構(gòu)上可以看出，盾片位于胚中靠近胚乳的部位，在穎果發(fā)育過程中胚乳細(xì)胞體積不斷擴(kuò)張，由此帶來的局部壓力也比較大，這種壓力會(huì)直接造成與盾片上皮細(xì)胞相連的胚乳輸導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生變形、皺縮乃至死亡[14]，而此時(shí)胚可以正常生長(zhǎng)，因此我們推測(cè)盾片的功能之一是保護(hù)胚，給胚提供了一個(gè)外在的“盾甲”。在小麥萌發(fā)過程中胚乳中存在大量的水解酶，胚乳貯藏物質(zhì)不斷降解[21]，此時(shí)盾片細(xì)胞可能作為一層防護(hù)層防止胚乳中的水解酶對(duì)胚組織產(chǎn)生不利影響。

綜上所述，小麥盾片的形態(tài)特征變化與它的功能變化規(guī)律相一致，雖然前人曾認(rèn)為僅僅根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)變化無法體現(xiàn)其功能[12]，這可能與觀察的時(shí)期少有關(guān)。根據(jù)本研究結(jié)果以及前人的研究結(jié)論[9-10,12]，我們認(rèn)為小麥盾片具有轉(zhuǎn)運(yùn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、貯藏養(yǎng)分、分泌酶蛋白和保護(hù)胚四大功能。尤其值得注意的是，這種吸收養(yǎng)分的功能不僅僅體現(xiàn)在小麥穎果萌發(fā)時(shí)期，同時(shí)也體現(xiàn)在小麥穎果發(fā)育過程中。此外，盾片上皮細(xì)胞中還可能存在一些能夠感知和傳輸激素信號(hào)的特殊成分，這些成分也許在盾片和胚乳細(xì)胞之間的信息交流中扮演著重要角色，關(guān)于其機(jī)制今后可繼續(xù)展開進(jìn)一步研究。

[1]EPRINTSEV A T,FEDORIN D N,NIKITINA M V,etal.Expression and properties of the mitochondrial and cytosolic forms of aconitase in maize scutellum [J].JournalofPlantPhysiology,2015,181:14.

[2]HIGGINS C F,PAYNE J W.The peptide pools of germinating barley grains:relation to hydrolysis and transport of storage proteins [J].PlantPhysiology,1981,67(4):785.

[3]SALMENKALLIO M,SOPANEN T.Amino acid and peptide uptake in the scutella of germinating grains of barley,wheat,rice,and maize [J].PlantPhysiology,1989,89(4):1285.

[4]WEST C E,WATERWORTH W M,STEPHENS S M,etal.Cloning and functional characterisation of a peptide transporter expressed in the scutellum of barley grain during the early stages of germination [J].ThePlantJournal,1998,15(2):221.

[5]TNANI H,LOPEZ-RIBERA I,GARCOA-MUNIZ N,etal. ZmPTR1,a maize peptide transporter expressed in the epithelial cells of the scutellum during germination [J].PlantScience,2013,207:140.

[6] 董建華,崔建才,邵宗澤,等.薏苡種子盾片上皮細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1992(S1):69.DONG J H,CUI J C,SHAO Z Z,etal.Ulterasteructure of the epithelial cells of the scutellum ofCoixlacryma-jobi[J].JournalofSouthChinaAgriculturalUniversity,1992(S1):69.

[7]MA Z,MARSOLAIS F,BERNARDS M A,etal.Glyoxylatecycleand metabolism of organic acids in the scutellum of barley seeds during germination [J].PlantScience,2016,248:37.

[8] 何勇剛,林 剛,劉曼西,等.小麥不同生理狀態(tài)的幼穗和幼胚盾片與誘導(dǎo)分化能力關(guān)系的研究[J].植物科學(xué)學(xué)報(bào),2001,19(5):363.HE Y G,LIN G,LIU M X,etal.The study of relation between differentiation ability and different physiological states of infloresence and scutellum from bread wheat(TriticumaestivumL.) [J].JournalofWuhanBotanicalResearch,2001,19(5):363.

[9]DOMINGUEZ F,MORENO J,CEJUDO F J,etal.The scutellum of germinated wheat grains undergoes programmed cell death:Identification of an acidic nuclease involved in nucleus dismantling [J].JournalofExperimentalBotany,2012,63(15):5475.

[10] 高榮歧,董樹亭,胡昌浩,等.玉米盾片發(fā)育過程中超微結(jié)構(gòu)的變化.[J]作物學(xué)報(bào),1997,23(2):232.GAO R Q,DONG S T,HU C H,etal.UItrastructure changes during scutellar development in maize(ZeamayL.) [J].ActaAgronomicasinica,1997,23(2):232.

[11] 徐是雄,陳慶讓,馬正勇.燕麥種子萌發(fā)時(shí)盾片細(xì)胞的變化的光學(xué)顯微鏡觀察和燕麥球蛋白的免疫熒光定位[J].植物學(xué)報(bào),1983,25(6):505.XU S X,CHEN Q R,MA Z Y.Histochemical studies of scutellum during germination of oat seed by light microscopy and immunofluorescent localozation of oat globulin [J].ActaBotanicaSinica,1983,25(6):505.

[12]SWIFT J,O'BRIEN T.The fine structure of the wheat scutellum during germination [J].AustralianJournalofBiologicalSciences,1972,25(3):469.

[13] 余徐潤(rùn),周 亮,荊彥平,等.Image-Pro Plus軟件在小麥淀粉粒顯微圖像分析中的應(yīng)用[J].電子顯微學(xué)報(bào),2013,32(4):344.YU X R,ZHOU L,JIN Y P,etal.Application of Image-Pro Plus in analysis of wheat starch granule microscopic image [J].JournalofChineseElectronMicroscopySociety,2013,32(4):344.

[14]YU H,SHAO S S,ZHANG J,etal.Structural development of conducting cell and its functions in wheat caryopsis [J].BrazilianJournalofBotany,2015,38(2):401.

[15]YU X R,CHEN X Y,ZHOU L,etal.Structural development of wheat nutrient transfer tissues and their relationships with filial tissues development [J].Protoplasma,2015,252(2):605.

[16]EARP C F,MCDONOUGH C M,ROONEY L W.Microscopy of pericarp development in the caryopsis ofSorghumbicolor(L.)Moench [J].JournalofCerealScience,2004,39(1):21.

[17]ORZECHOWSKI S.Starch metabolism in leaves [J].ActaBiochimicaPolonica,2008,55(3):435.

[18]FENG B,DONGS,GAO R,etal.Ultrastructure of maize scutellum during seed-seedling transformation [J].ActaAgronomicaSinica,2004,31(2):234.

[19]SWIFT J G,BUTTROSE M S.Freeze-etch studies of protein bodies in wheat scutellum [J].JournalofUltrastructureResearch,1972,40(3):378.

[20]WANG L L,CHEN X Y,YANG Y,etal.Effects of exogenous gibberellic acid and abscisic acid on germination,amylases,and endosperm structure of germinating wheat seeds [J].SeedScienceandTechnology,2016,44(1):64.

[21]XIONG F,YU X,ZHOU L,etal.Effect of nitrogen application at the booting stage on wheat progeny seed germination and seedling growth [J].JournalofPlantStudies,2013,2(2):158.

Structure Characteristics of Scutellum during Wheat Caryopsis Development and Germination

YANG Yang,CHEN Xinyu,SHENG Jieyue,WANG Qiaojue,ZHANG Xiaohui,ZHU Panpan,YANG Rong,ZHANG Erjin,YU Xurun,XIONG Fei

(College of Bioscience and Biotechnology,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225009,China)

In this paper,Yangmai 13 was used to investigate the changes of wheat scutellum structure during caryopsis development and germination,with resin slice,microstructural and ultrastructural observation and Image-pro Plus soft. Based on the structural observation,scutellum functions for seed development and germination were further analyzed. The main results were as follows:The periphery cells near the endosperm differentiated into scutellar epithelium and parenchyma respectively from outside to inside at 16 days after anthesis(DAA); During caryopsis development,the epithelial cells of scutellum changed from irregular into slender shape,with increased cell number but decreased cell area.Starch granule in cells also degraded gradually. The epithelial cells in neck scutellum are long and thin while the cells at bottom scutellum are polygon and ellipse.Meanwhile,the number of starch granules in the parenchyma cells increases and the volume becomes large. From 16 to 20 DAA,parenchyma cells were vacuolated and lipid bodies and phytinparticles were accumulated,and the nuclear chromatin in nuclear degraded distinctly.In the process of caryopsis germination,the scutellum epithelial cells changed from irregular and polygonal into round shape,with cell decreased first and then increased,but the cell area increased first and then decreased. Starch granules of the parenchyma cells were deformed,collapsed and degraded gradually. The protein body was disassembled but the lipid bodies were degraded first and then synthesized again.The results indicated that wheat scutellum has many functions,e.g. transporting nutrients,storaging nutrients and protecting embryo.

Wheat; Development; Germination; Scutellum; Structure; Function

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.05

時(shí)間：2017-06-07

2017-01-19

2017-04-23

江蘇省生物技術(shù)品牌專業(yè)項(xiàng)目(PPZY2015C212)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31571573)

E-mail：1922559465@qq.com

熊 飛(E-mail:feixiong@yzu.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)06-0750-09

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