水稻染色体组多倍化研究：同源四倍体雌雄配子体多态性

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：同源四倍体水稻雌雄配子体多态性的研究黄群策孙敬三白素兰提要同源四倍体水稻由于其细胞内染色体数的倍增而导致其生殖性状发生了明显的变化。由此认为，同源四倍体水稻的雌雄配子体表现出异常发育状态，其有性生殖能力已明显变弱。关键词同源四倍体;水稻;雌配子体;雄配子体;多态性目前，对水稻无融合生殖的研究已经成为水稻育种中极具诱惑力而难度颇大的探索性课题［1－2］。

同源四倍体水稻雌雄配子体多态性的研究⁽¹⁾

黄群策　孙敬三　白素兰

提要　同源四倍体水稻(2n=4x=48)由于其细胞内染色体数的倍增而导致其生殖性状发生了明显的变化。在其雄配子体中存在着比较少的正常花粉粒(13.35%～17．49%)和比较多的败育花粉粒(82.51%～86.65%)。在败育花粉粒中包括典败、园败和染败花粉粒。在同源四倍体水稻APIV₍₄₎的成熟胚囊内存在着正常蓼型胚囊(43.0%)、退化型胚囊(36.0%)和变异型胚囊(21.0%)。在变异型胚囊中包括双卵卵器胚囊(71．4%)、三卵卵器胚囊(17.5%)和无助细胞胚囊(11.1%)。在不同季节条件下APIV₍₄₎颖花内的多卵频率存在着明显差异，在同一季节条件下强势颖花的多卵频率要明显地高于弱势颖花的多卵频率。由此认为，同源四倍体水稻的雌雄配子体表现出异常发育状态，其有性生殖能力已明显变弱。

关键词　同源四倍体;水稻;雌配子体;雄配子体;多态性

目前，对水稻无融合生殖的研究已经成为水稻育种中极具诱惑力而难度颇大的探索性课题^［1－2］。尽管我国从1979年就已经开始了水稻无融合生殖研究，但迄今仍然没有筛选到具有实用价值的无融合生殖种质资源。根据前人的研究结果^［3－5］，被子植物无融合生殖特性的表现与其多倍性有一定的相关性，表现出无融合生殖特性的被子植物大部分是多倍体物种，因而，在多倍性水稻中筛选无融合生殖种质是值得探索的一个很重要的方面。

1　材料和方法

1.1　雄配子体的多态性研究

在本实验中以二倍体水稻APIV₍₂₎［在本实验中材料名称的下标(2)和(4)分别代表二倍体和同源四倍体］ IR36₍₂₎、紫血稻₍₂₎和同源四倍体水稻APIV₍₄₎、IR36₍₄₎、紫血稻₍₄₎为研究材料^［3］，于1996年3月25日在湖南湘潭播种，采用常规的田间管理方法。开花期从每份材料中取20个成熟颖花，挑出其中120个花药，在0.1%I₂－IK溶液中轻轻研磨后悬浮液定容至200mL，随后，取2mL等份悬浮液，抽滤制膜，在显微镜下根据花粉粒的形态和染色状况，统计败育花粉粒数目和正常花粉粒数目。每张膜观察4个视野。花粉粒育性=每枚花药中的正常花粉粒数/每枚花药中的总花粉粒数。

1.2　雌配子体的多态性研究

在实验中以同源四倍体水稻APIV₍₄₎为研究材料。在实验材料的固定时分别进行如下3种处理:①1996年7月31日～8月3日在田间分别取开花前1 d、开花后10min、30min、1.5h、3h、7h、9h和24h的颖花固定于FAA溶液中，在4℃条件下保存备用;在固定材料时，每个时间段取100个颖花固定。②在不同季节条件下主穗和分蘖穗开花当天颖花的多卵频率观察。通过分期播种将一部分APIV₍₄₎的花期安排在夏季，另一部分APIV₍₄₎的花期则安排在秋季。于8月1日和10月4日分别从主穗和分蘖穗中取开花当天的颖花各50个放入FAA溶液中固定，在4℃条件下保存备用。③在秋季条件下对APIV₍₄₎稻穗中强势颖花和弱势颖花的多卵频率进行研究。于10月3日选取开花当天的强势颖花和弱势颖花各50个固定于FAA溶液中。随后，剥出各份材料的子房后用爱氏苏木精溶液整体染色^［6］，序列乙醇脱水后用二甲苯透明和浸蜡，制成石蜡连续切片，再用二甲苯脱蜡，加拿大树脂封固后镜检。

2　实验结果

2.1　花粉粒类型的多态性

对3份二倍体水稻和3份同源四倍体水稻的花药形态和花粉粒发育状况的观察结果表明，二倍体水稻具有正常的花药(其长度为2.8～3.2mm)，每枚花药膨松饱满，呈鲜黄色，其中所包含的花粉粒84%以上为正常花粉粒，染败花粉粒仅为9.22%～15.79%，没有镜检到典败花粉粒和圆败花粉粒。在二倍体水稻中每枚花药内所包含的花粉粒为608～822粒，而同源四倍体水稻的花药类似于某些红莲型雄性不育系的花药，其外形干瘪瘦小，呈浅黄色，但后者的花药比较大(其长度为4.6～5.1mm)，其内包含典败花粉粒(16.49%～19.66%)、圆败花粉粒(25.49%～27.57%)、染败花粉粒(36.21%～41.51%)和正常花粉粒(13.35%～17.49%)，在每枚花药内包含的花粉粒为412～486粒。从花粉粒的外形看，正常的同源四倍体花粉粒要比正常的二倍体花粉粒大1/5～1/4。

2.2　成熟胚囊的多态性

在实验中对APIV₍₄₎成熟胚囊的结构形态所进行的观察结果表明，其多态性也很明显。在APIV₍₄₎未发生受精的300个成熟胚囊中包括129个正常蓼型胚囊(43.0%)，108个退化型胚囊(36.0%)和63个变异型胚囊(21.0%);在APIV₍₄₎的变异型胚囊中发现了45个双卵卵器胚囊(71.4%)，11个三卵卵器胚囊(17.5%)和7个无助细胞胚囊(11.1%)。在观察中发现，正常蓼型胚囊在形态上表现为细胞轮廓清楚，内部结构完整或比较完整，各部位的染色程度有明显差异，反足细胞、中央细胞、助细胞和卵细胞各自位于蓼型胚囊的固定位置上。退化型胚囊在形态上的特点表现为细胞轮廓不清楚，内部结构没有明显差异，各部位的染色均比较深。

2.3　在不同颖花内多卵频率的多态性

夏季当天开花的主穗和分蘖穗颖花的多卵频率均为4.0%，而秋季当天开花的颖花中主穗和分蘖穗的多卵频率分别为18.0%和20.0%。由此可见，在同一季节的主穗和分蘖穗之间，APIV₍₄₎的多卵频率并不存在明显差异，但在不同季节的主穗之间的差异很明显，各分蘖穗之间的差异也很明显;在秋季条件下开花的颖花，其多卵发生频率要明显高于夏季条件下开花当天颖花的多卵发生频率。在秋季条件下对APIV₍₄₎同一稻穗中不同颖花的多卵数目进行观察的结果表明，在50个强势颖花中双卵子房为8个，三卵子房为1个，多卵频率为18.0%;在50个弱势颖花中只在1个子房中观察到双卵，多卵频率为2.0%。(www.chuimin.cn)

3　讨论

已知将二倍体水稻诱导为同源四倍体，将会导致其农艺性状发生相应的改变，以至于将同源四倍体水稻视为新物种^［7］。关于二倍体多胚苗水稻APIV₍₂₎胚囊结构的多样性，前人已进行过研究^［8－9］，然而，对同源四倍体水稻雌雄配子体的多态性尚未见到系统的研究报道。尽管我国水稻无融合生殖研究已有20年之久，但迄今仍然没有筛选到已被证实具有实用价值的无融合生殖种质。水稻无融合生殖研究的首要任务还是要通过适当方式筛选出具有育种意义的无融合生殖种质。在本实验中观察到，与二倍体水稻相比，同源四倍体水稻的花粉粒类型的多态性更加明显，在其花粉粒内除了存在正常花粉粒和染败花粉粒之外，还存在着圆败花粉粒和典败花粉粒。在同源四倍体水稻APIV₍₄₎的成熟胚囊内，存在着比较少的正常蓼型胚囊，而退化型胚囊和变异型胚囊的比例比较大。在不同季节条件下APIV₍₄₎颖花内的多卵频率存在着明显差异，在同一季节条件下强势颖花的多卵频率要明显地高于弱势颖花的多卵频率。由此可见，同源四倍体水稻的有性生殖能力已明显变弱，其雌雄配子体的发育已表现出异常状态。因此，结合已有的研究结果^{［4－5，10－11］}，我们认为，在二倍体水稻中筛选无融合生殖种质难度比较大，其成功的可能性比较小，而在有性生殖能力明显变弱的同源四倍体水稻中筛选无融合生殖种质则可能比较容易成功。

参考文献

［1］袁隆平．利用无融合生殖改良作物的潜力［J］．杂交水稻，1988(4):1－3．

［2］黄群策，孙敬三．植物多倍性在作物育种中的展望［J］．科技导报，1997(7):53－55．

［3］黄群策，孙敬三，朱生伟．种芽诱导获得同源四倍体水稻技术的研究［J］．中国农学通报，1997(6):21－23．

［4］黄群策，孙敬三．被子植物多胚苗的研究进展［J］．植物学通报，1998(2):1－6．

［5］Gerard S econ d.Screening for apomicticmutant s in rice in a tetraploidhybrid－A proposal［J］.Apomixis News letter，1992(6):22－24．

［6］孙敬三，钱迎倩．植物细胞学研究方法［M］．北京:科学出版社，1987．

［7］宋文昌，张玉华．水稻四倍化及其对农艺性状和营养成分的影响［J］．作物学报，1992，18(2):137－144．

［8］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态性研究［J］．植物学报，1996，38(8):594－598．

［9］刘向东，卢永根，徐雪宾，等．多胚水稻品系APIV反足细胞多样性的观察［J］．华南农业大学学报，1997，18(2):7－12．

［10］As ker S，J erlin g L.Apomixis in Plant［M］.CRC press，1992．

［11］ Peacock W J.Genetic engineering andmutagenes is for apomixis in rice［J］.A pomixis News letter，1992(4):3－7．