水稻染色体组多倍化研究：探究同源四倍体水稻的生殖特性

同源四倍体水稻的生殖特性研究⁽¹⁾

黄群策　孙敬三　白素兰

提要　与相应的二倍体水稻相比，同源四倍体的生殖特性发生了明显的变化，有性生殖能力明显变弱。在其花药内正常花粉粒数比较少(15.69%～29.98%)，而败育花粉粒数比较多，它们的自交结实率(17.71%～31.95%)明显下降。APIV₍₄₎正常胚囊(43.0%)数少，而退化胚囊(36.0%)和变异胚囊(21.0%)数多。APIV₍₄₎的花粉管在其花柱中的伸入速度明显变慢，双受精频率下降而单受精频率增加，在其自然群体中存在着胚自发现象。同源四倍体水稻有性生殖的异常可能为无融合生殖基因的表达创造了条件。

关键词　同源四倍体;水稻;生殖特性

通过无融合生殖途径固定水稻杂种优势，是水稻育种中具有很大诱惑力而难度又很大的探索性课题^［1］。自从1979年我国开始水稻无融合生殖研究以来，尽管有人曾宣布已经培育出无融合生殖水稻，但其可靠性还有待于进一步证实。从国内外水稻无融合生殖研究的现状来看，迄今还没有筛选到具有实用价值的无融合生殖种质。根据前人的研究结果^{［2，11－13］}，在植物多倍性与植物无融合生殖特性之间存在着一定的相关性，即表现无融合生殖特性的植物大多数是多倍体。从多倍体水稻中寻找和筛选无融合生殖种质资源是水稻无融合生殖研究中值得探索的一个重要方面^［5，16］。

1　材料与方法

1.1　雄配子体

在本试验进行之前以多胚苗水稻“双3” (定名为APIV)等二倍体为材料，人工诱导出性状稳定的同源四倍体^［7］。在本试验中，以同源四倍体水稻APIV₍₄₎〔材料名称的下标(4)或(2)分别代表同源四倍体或二倍体〕、IR36₍₄₎和紫血稻₍₄₎为研究材料，以二倍体水稻APIV₍₂₎为对照，于1996年3月25日在湖南湘潭播种，采用常规的田间管理措施。于7月30日和9月26日分别对各份试验材料的花粉粒育性进行观察鉴定。从每份材料中随机取10个已成熟颖花，挑出其中的60枚花药，在0.1% I₂－IK溶液中轻轻研磨，取悬浮液定容至200mL。随后，从中取2mL等份悬浮液在光学显微镜下统计各种花粉粒的数目。除此之外，于7月31日和9月28日分别从每份材料中随机选取20个始穗期稻穗套袋隔离，以检查其自交结实率。1997年进行重复试验。

1.2　雌配子体及胚胎

以APIV₍₄₎和APIV₍₂₎为研究材料，从1996年7月31日开始在田间取开花前1 d，开花后10min、30min、1.5h、3.0h、7.0h、9.0h、24h、4 d和7 d的颖花固定于FAA溶液中，在4℃条件下保存备用。在每个时间段取100个颖花作固定材料。除此之外，于8月6日对每份试验材料去雄300个颖花，于去雄后1 d、2 d、3 d、4 d和5 d分别将每份材料中的250个去雄颖花固定于FAA溶液中备用，另外50个颖花仍然套袋隔离以检查其颖花发育状况。在试验中，将固定颖花内的子房剥出后采用爱氏苏木精溶液整体染色^［3］，系列乙醇脱水，二甲苯透明和浸蜡，制成石蜡连续切片蜡带(厚度为8 μm)。随后，用二甲苯脱蜡，再用加拿大树脂封固，最后在光镜下镜检。1997年同期进行重复试验。

2　试验结果

2.1　雄配子体的育性

对同源四倍体水稻的花粉粒进行观察鉴定的结果表明，不论在夏季条件下还是在秋季条件下，同源四倍体水稻的正常花粉粒比较少(15.69%～29.98%)，而败育花粉粒比较多，败育花粉粒包括典败花粉粒、圆败花粉粒和染败花粉粒。对自交结实的考查结果表明，二倍体水稻APIV₍₂₎的自交结实率变幅为82.28%～82.95%，而同源四倍体水稻的自交结实率变幅为17.71%～31.95%。由此可见，同源四倍体水稻的雄配子体的育性已经明显降低，这是其有性生殖能力明显变弱的表现之一。

2.2　成熟胚囊的类型

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，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都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。观察结果表明，在二倍体水稻APIV(2)的200个未发生受精的成熟胚囊中存在着153个(76.5%)正常蓼型胚囊，32个(16.0%)退化型胚囊和15个(7.5%)变异型胚囊。在15个变异型胚囊中有13个双卵卵器胚囊(86.7%)和2个三卵卵器胚囊(13.3%)。在同源四倍体水稻APIV(4)的300个未发生受精的成熟胚囊中包括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63个变异型胚囊中观察到45个双卵卵器胚囊(71.4%)和7个无助细胞的特异性胚囊(11.1%)。由此可见，同源四倍体水稻APIV(4)的正常蓼型胚囊数比较少，而退化型胚囊数和变异型胚囊数比较多，这可能是其结实率低的主要原因之一。

2.3　花粉管进入胚囊的时间

在开花后10min固定的APIV₍₂₎颖花中，可以看到在花柱中包含有1～3条花粉管;在开花后30min的材料中66%的花粉管已经到达珠孔，14%的花粉管已经进入胚囊内。由此可见，APIV₍₂₎的花粉管进入胚囊的运动速度相当快，这与吴素萱和蔡起贵^［9］所观察到的事实相符。与APIV₍₂₎相比，APIV₍₄₎的花粉粒在柱头上的萌发比较迟，花粉管在柱头内的伸长速度比较慢。在开花后10min的颖花中，在其花柱内没有观察到花粉管。在开花后1.5h的材料中大部分花柱内可以观察到花粉管，只在12%的子房内观察到花粉管已经到达珠孔。开花后3h，才有41%的花粉管进入胚囊内部。

2.4　受精的类型

在试验中观察到，APIV₍₂₎的双受精与前人的观察结果^［8，9］很相似。然而，APIV₍₄₎的受精类型比较特殊，其中包括正常的双受精、精子与卵细胞的单受精以及精子与中央细胞的单受精。在被观察到的200个子房中，3种受精类型的频率分别是38.0%、51.0%和11.0%。在观察中发现，二倍体水稻APIV₍₂₎受精卵(60%)发生第一次分裂的时间在开花后9h，而同源四倍体水稻APIV₍₄₎在开花后24h才有少部分合子(15%)进行第一次分裂。在APIV₍₄₎开花后4 d和7 d的胚囊内分别发现了大小双胚。特别值得指出的是，在APIV₍₄₎的成熟胚囊内发现了胚自发现象。在没有发生受精，卵细胞和极核都存在时，在珠孔端卵细胞旁边就存在着包含4～8个细胞的球形胚，这可能是由多卵卵器中一个卵细胞或助细胞之一通过自发分裂后形成的。在对APIV₍₄₎的300个成熟胚囊进行观察时发现，在15个胚囊内已经包含有球形胚(5.0%)。

2.5　去雄后颖花的发育状况

在对夏季条件下进行去雄的APIV₍₄₎颖花所进行的观察结果表明，在去雄后1～2 d的子房内可以观察到单胚或双胚，这表明在去雄条件下APIV₍₄₎具有一定的自发成胚的能力。除此之外，对50个去雄后的APIV₍₄₎颖花进行观察的结果表明，其中有12个颖花的子房(24.0%)发生膨大，但其内含有乳白色的淀粉液。去雄后20 d膨大子房呈干瘪状，在其内没有观察到幼胚。

3　讨论

根据前人的研究结果^{［11－17］}，在禾本科植物中已经鉴定出42个属166个物种具有无孢子生殖或二倍体孢子生殖特性。在这166个物种中，除了茅香属中的两个种，即澳大利亚茅香(Hierochloe australis)和茅香(Hier ochloe odor ata)是二倍体外，其余164个物种都是同源多倍体或异源多倍体。当植物由二倍被诱导为同源多倍体之后，在生殖特性上的最显著变化就是结实率下降^［6，7］，这是其有性生殖能力变弱的重要标志之一，且可能为某些潜在的无融合生殖基因的表达创造了有利的内部环境，因为当植物的有性生殖能力很强时，其无融合生殖基因的表达可能会受到严格的限制，而当其有性生殖能力变弱时则其无融合生殖基因的表达可能会更容易。对鸭茅状摩擦禾(T riosacum dactyloides)所进行的研究结果表明，其二倍体进行有性生殖，伴随着有规律的减数分裂，而其四倍体则进行二倍性孢子生殖和假配生殖，表现出兼性无融合生殖特性^{［13，18］}。在大黍(Panicummax imum)中不存在无融合生殖二倍体;在四倍体水平的大黍则表现为兼性无融合生殖;在比四倍性更高的倍性水平上只有无融合生殖体^［12］。由此可见，在多倍体水平上无融合生殖基因的表达比较容易。(www.chuimin.cn)

本实验的研究结果表明，与相应的二倍体水稻相比，同源四倍体水稻的生殖特性发生了明显的变化，有性生殖能力明显降弱。在同源四倍体水稻的花药内正常花粉粒比较少(15.69%～29.98%)，而败育花粉粒比较多，它们的自交结实率(17.71%～31.95%)明显下降。APIV₍₄₎的正常蓼型胚囊(43.0%)数少，而退化型胚囊(36.0%)和变异型胚囊(21.0%)数多。APIV₍₄₎的花粉管在其花柱中的伸入速度明显变慢，双受精频率下降而单受精频率增加，在其自然群体中存在着胚自发现象。

参考文献

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［2］路易斯．多倍体在植物和动物中的地位(中译本)［M］．贵阳:贵州人民出版社，1984．

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［18］Wer j，Harlan I.The or igin of Trip sacoidmaize［J］.Evolution，1978，32: 332．

【注释】

(1)该文曾在《中国农业科学》 ［1999，32(2):14～17］刊出