同源四倍体双胚苗水稻雄配子体发育特征研究成果

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：从低能离子束生物工程的发展趋势来看，对于突变体材料所表现出的后效性值得关注，因而也对于同源四倍体双胚苗水稻的生殖发育特性值得进行深入研究。关于二倍体水稻的双胚苗的形态特征及其生殖发育特性，前人已经进行过一些研究［4－6］，而关于同源四倍体双胚苗水稻的雄配子体发育特性尚未见到公开的文献报道。具体见上篇“同源四倍体双胚苗水稻的生殖发育特征研究”。

同源四倍体双胚苗水稻雄配子体的发育特征⁽¹⁾

黄群策　胡秀明　梁秋霞

摘要　利用激光共聚焦显微扫描技术对同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01的雄配子体发育特征进行了观察鉴定。研究结果表明，在每一份试验材料中均存在着正常雄配子体和异常雄配子体，而同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01表现出更弱的有性生殖能力。在3份试验材料中，正常雄配子体的发育特征基本相似，没有表现出因试验材料的种类不同所呈现出的明显差异。同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01在小孢子母细胞进行减数分裂时，出现了5种不正常的分裂现象，即部分染色体不能正常配对、在分裂中期形成了三极纺锤体、形成异常的二分体、在第二次减数分裂中期出现了分裂不同步现象、形成异常的四分体。花粉发育过程中的败育现象可能是导致其结实率比较低的主要原因之一。

关键词　同源四倍体双胚苗水稻;激光共聚焦显微技术;雄配子体;发育特性

在水稻遗传改良的研究领域内育种者目前面临着两大难题需要探索，即如何在促进稻属植物在物种升级的过程中进一步提高其产量潜力和怎样才能有效地固定稻属植物的杂种优势效应。从禾本科植物的系统发育和演化历程来看，染色体组多倍化有助于改变原有物种的特征特性、增强新物种的适应性和提高其产量潜力。当二倍体水稻被诱导为同源四倍体水稻之后，后者的特征特性与前者的特征特性完全不同，这有可能为水稻遗传改良寻找到一条值得进一步探索的新途径^［1，2］。我们利用低能离子束生物技术对同源四倍体水稻进行注入处理后在其后代群体内筛选得到了一株具有双胚苗形态特征的同源四倍体突变株，经过多代的单株筛选和纯化之后已经证实，其双胚苗特性在群体内按照一定的频率表达，具有一定的遗传稳定性^［3］。从低能离子束生物工程的发展趋势来看，对于突变体材料所表现出的后效性值得关注，因而也对于同源四倍体双胚苗水稻的生殖发育特性值得进行深入研究。关于二倍体水稻的双胚苗的形态特征及其生殖发育特性，前人已经进行过一些研究^［4－6］，而关于同源四倍体双胚苗水稻的雄配子体发育特性尚未见到公开的文献报道。本研究利用激光共聚焦显微技术对该双胚苗水稻的雄配子体的发育过程和发育特征作了比较系统的观察，旨在认识同源四倍体双胚苗水稻新种质的雄配子体的发育特征，为进一步挖掘其潜在价值提供参考资料。

1　材料与方法

在试验中所采用的材料包括同源四倍体多胚苗水稻品系ASDOR05－01、同源四倍体水稻品系99－01₍₄₎和二倍体水稻品系99－01₍₂₎。以二倍体水稻品系99－01₍₂₎为基础，通过种芽诱导法获得了同源四倍体水稻品系99－01₍₄₎。随后，以同源四倍体水稻品系99－01₍₄₎为材料利用低能氮离子束注入后经过多代筛选，获得了同源四倍体多胚苗水稻品系ASDOR05－01。

在试验中利用I₂－KI染色法观察试验材料成熟花粉粒的形态特征，由此确定其育性状况。具体见上篇“同源四倍体双胚苗水稻的生殖发育特征研究”。

2　结果与分析

2.1　成熟花粉粒的育性状态

前人的研究结果已经证实，染色体组多倍化之后将导致其多倍体后代表现出更弱的有性生殖能力，在遗传上可塑性增强而保守性减弱;在小孢子发育上正常雄配子或雄配子体的数量减少而败育雄配子或雄配子体的数量增加^［7］。通过对本试验的资料进行分析后发现，3份试验材料在成熟花粉粒的育性和结实率上存在着明显的差异，在其花药内均包含有正常花粉粒和败育花粉粒，败育花粉粒包括典败型、圆败型和染败型。在同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01的花药内正常花粉粒数量最少而败育花粉粒数量最多，其结实率最低。在同源四倍体水稻品系99－01₍₄₎的花药内情况居中。在二倍体水稻品系99－01₍₂₎的花药内正常花粉粒数量最多而败育花粉粒数量最少，其结实率最高(见上篇表1)。由此可见，在每一份试验材料中均存在着正常雄配子体和异常雄配子体，而同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01表现出更弱的有性生殖能力。除此之外，通过比较各份试验材料的花粉粒形态后发现，在成熟花粉粒的大小上同源四倍体水稻均比二倍体水稻要大一些，在两份同源四倍体水稻之间其成熟花粉粒的大小很接近，不存在着明显的差异(见上篇表2)，这些观察结果与前人所报道的结果相吻合。

2.2　正常雄配子体的发育特征

在3份试验材料中，正常雄配子体的发育过程和特征基本相似，没有表现出因试验材料的种类所呈现出的明显差异。具体见上篇2.1雄配子体的发育特征。

在小孢子发育时期及其以后的各个时期，3份试验材料均表现出一些共性。在四分体中的每一个小孢子进一步发育成外观形状为圆形的单核细胞，其细胞壁周围的胼胝质被溶解之后，每个细胞彼此分开，即进入小孢子早期。小孢子在早期表现为圆球形，细胞体积比较小，其细胞壁仍然很薄，在细胞质中无液泡，细胞核比较大，位于细胞的中央。在小孢子中期，其体积明显增大，细胞壁显著加厚并出现萌发孔，在细胞质中出现液泡但尚未形成中央大液泡。在小孢子晚期，中央大液泡形成，细胞核的体积增大，小孢子的壁增厚。在此期间，小孢子的细胞核均被大液泡挤至细胞的边缘，即单核靠边期。在二胞花粉期，小孢子经过第一次有丝分裂后形成两个细胞，即形态上比较大的营养细胞和比较小的生殖细胞。生殖细胞没有细胞壁结构，紧挨着营养细胞的细胞壁存在。在二胞花粉早期，在小孢子内还没有淀粉粒的积累而在二胞花粉晚期，在小孢子内开始出现淀粉粒。淀粉粒在细胞质中不断积累，液泡的体积逐渐缩小，并被推至萌发孔的对侧。生殖细胞与花粉壁脱离，逐渐移至营养核附近。在成熟花粉期，在花粉粒内充满了淀粉粒等贮藏物质，花粉粒形态为圆球形，生殖细胞完成第二次分裂，由此形成两个精细胞。由于在成熟花粉粒内充满了淀粉粒等物质，利用一般的染色方法很难观察到其内的3个细胞核。本项研究中，利用特异性的核荧光染料进行染色，在激光扫描共聚焦显微镜下可以清晰地观察到3个细胞核的存在，2个生殖细胞核的形态呈梭形，营养细胞核呈圆形。

2.3　异常雄配子体的败育特征

通过对3份试验材料进行比较后发现，同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01表现出更加明显的特异性。在小孢子母细胞进行减数分裂时，出现了5种不正常的分裂现象，即部分染色体不能正常配对、在分裂中期形成了三极纺锤体、形成异常的二分体、在第二次减数分裂中期出现了分裂不同步现象(即在二分体中1个子细胞处于分裂中期而另一个子细胞此时已进入分裂后期)、形成异常的四分体(即形成的四个子细胞不能正常分开，在细胞之间存在着不完全的细胞板将其连在一起)。(www.chuimin.cn)

在单核小孢子期同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01的部分小孢子便发生败育，由此形成典败花粉粒。观察结果表明，部分小孢子发生败育的方式有多种，有的败育花粉粒由于小孢子内的细胞质发生浓缩，花粉壁出现皱折变形所致;有的败育花粉粒因小孢子内的细胞质破碎为块状而导致其发生败育;有的败育花粉粒起因于小孢子的内含物完全消失后形成空泡状结构;还有的败育花粉粒来源于小孢子细胞发生变形，由此形成弯月型结构，其内的细胞核仍然清晰可见。

在二胞花粉早期同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01的部分小孢子发生败育后，形成圆败花粉粒。观察结果表明，二胞花粉的败育始于生殖核发生解体。在这种情况下，在小孢子中出现比较多的染色质团块，生殖核发生解体之后促使营养核也开始解体，由此也伴随着染色质团块的出现。由生殖核和营养核所产生的染色质团块聚集在一起之后，在二胞花粉中形成巨大的染色质团块。经过核物质染料H33342染色后在二胞花粉内可以见到染色比较深的染色质团块。随后，在二胞花粉内的这些染色质团块随着发育进度的推进而逐渐消失，最后在花粉粒内很难寻找到内含物，仅剩下空壳花粉粒。

在二胞花粉晚期或三胞花粉早期同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01的部分小孢子发生败育后，形成染败花粉粒。观察结果表明，染败发生在二胞花粉晚期或三胞花粉早期。在此期间，在花粉粒内存在着淀粉粒积累现象但淀粉粒尚未完全充满，生殖细胞还没有发生分裂，反而逐渐解体和消失。在二胞花粉晚期，可以明显地观察到2个细胞核的存在，并且在花粉粒中已经有淀粉粒的积累。有的染败花粉粒处于三胞期，在显微镜下3个细胞核明显可辨，只是其中的内含物比较少。

3　讨论

现代生物体遗传改良的核心主题就是如何有效地创造遗传性变异和筛选出优良的基因型，即围绕生物体遗传变异现象，利用现代生物技术有效地使具有相对保守的基因型发生遗传性变异，通过基因分离和重组后产生出各种各样的基因型，在分离群体内准确地筛选出符合育种目标的更加优良的基因型。从水稻遗传改良的现状来看，水稻育种上的重大突破在很大程度上依赖于是否能利用现代生物技术创造出具有特殊意义的新种质。近年来，同源四倍体水稻的潜在价值已经一起了一些研究者的关注，但对同源四倍体水稻的研究还有待于进一步加深。从离子束生物工程的研究现状来看，低能离子束生物工程作为一门新兴的交叉学科已经显现出其应有的技术特色，其技术的实用性和遗传改良的普遍性已经被大量的试验结果所证实，近期迫切需要对离子注入后生物体所表现的后效性，特别是有关生物体生殖发育方面所表现的特异性进行研究。以同源四倍体水稻为材料，通过低能氮离子束注入处理后在其后代群体内筛选到一株具有双胚苗形态特征的同源四倍体突变株，经过多代的单株筛选和纯化之后已经证实，其多胚苗特性在群体内按照一定的频率表达，其性状在遗传上表现出一定的稳定性。在此基础上，对其雄配子体的发育特性值得进行深入研究。本项研究的结果表明，在每一份试验材料中均存在着正常雄配子体和异常雄配子体，而同源四倍体双胚苗水稻品系ASDOR05－01表现出更弱的有性生殖能力。

参考文献

［1］黄群策，孙敬三，白素兰．同源四倍体水稻的生殖特性研究［J］．中国农业科学，1999，32(2):14－17．

［2］黄群策，代西梅．水稻同源多倍体的研究策略［J］．杂交水稻，2006，21(2):1－4．

［3］黄群策，梁秋霞，李玉峰，等．低能离子注入同源四倍体水稻的生物学效应［J］．激光生物学报，2003，12(5):355－359．

［4］郭学兴．中国水稻无融合生殖研究进展［M］．成都:四川科学技术出版社，1991．

［5］黄群策．被子植物的无融合生殖［M］．福州:福建科学技术出版社，2000．

［6］刘向东，卢永根，徐雪宾，等．多胚水稻品系APIV胚囊的结构及其遗传多样性研究［J］．植物学报，1996，38(8):594－598．

［7］黄群策，孙梅元，邓启云．多倍体水稻及其潜在价值［J］．杂交水稻，2001，16(1):1－3．

【注释】

(1)该文曾在《中国稻米》［2007，13(4):11～14］刊出