同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的胚胎学机制研究成果

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：本文报道了在同源四倍体水稻为母本与非洲栽培稻的杂交中，利用石蜡切片技术寻找其胚胎学证据的实验结果。在同源四倍体水稻与非洲栽培稻进行杂交的2个杂交组合中所得到的观察结果则完全不同。这些观察结果说明，同源四倍体水稻与非洲栽培稻的生殖隔离不是很严格，后者的花粉粒在前者的柱头上可以萌发，花粉管可以在花柱内伸长，直至进入胚囊之内。

同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的胚胎学机制⁽¹⁾

黄群策　梁芳

摘要　以同源四倍体水稻(Oryza sativa，2n=4x=48)和二倍体水稻(Oryza sativa，2n=2x=24)为杂交母本，以非洲栽培稻(Oryza glarri，2n=2x=24)为杂交父本进行远缘杂交配组，对其杂交结实的胚胎学机制进行了研究。研究结果表明，非洲栽培稻的花粉粒能在二倍体水稻的柱头上萌发，但萌发频率仅为0.18%～0.56%，花粉管在花柱内的伸长速度比较慢，发生受精的频率比较低，因而二倍体水稻与非洲栽培稻杂交的结实率比较低。然而，非洲栽培稻的花粉粒在同源四倍体水稻的柱头上萌发频率高达12.81%～14.65%，花粉管在花柱内的伸长速度比较快，发生受精的频率比较高，因而同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的结实率比较高。在同源四倍体水稻与非洲栽培稻的杂交中发现，其受精作用比较特殊，其中包括精细胞与卵细胞的单受精作用，也包括精细胞与次生极核的单受精作用，还包括正常的双受精作用。总受精率和总成胚率分别为7.49%～9.28%和6.61%～8.64%。

关键词　亚洲栽培稻;非洲栽培稻;远缘杂交;胚胎学证据

我国水稻育种近年来尚未取得实质性的突破，水稻生产处于停滯不前的状态，其主要原因就是可供水稻育种家利用的优良种质资源不足，亲本材料在遗传上的亲缘混杂现象比较严重。在现有的水稻育种基础上试图获得更优良基因型和提高其产量潜力的有效途径就是通过采取有效的措施从远缘物种中引进优良的基因资源，对水稻材料进行有效地改造，从而创造出具有特别重要意义的水稻新种质。然而，在水稻育种上利用远缘杂交方式创造水稻新种质的难度比较大，首先需要解决的问题就是要打破远缘物种之间的生殖隔离，克服其不可交配性。前人在开展水稻远缘杂交工作时主要是利用二倍体水稻与远缘物种进行杂交，试图将后者的优良性状引入到前者中，进而创造出具有特殊意义的水稻新种质。然而，在二倍体水稻与远缘物种之间的杂交中生殖隔离相当严重，杂交很难成功。近年来，我们在对多倍体水稻的研究中已经发现，其生殖性状比较特殊，有性生殖能力比较弱^［1，2］。在利用同源四倍体水稻为母本与假稻的杂交中获得了充实度达到正常水平的杂种F₀种子^［3］;在同源四倍体水稻为母本与狼尾草的杂交中也获得了类似的结果^［4］。为了进一步研究同源四倍体水稻在远缘杂交和异源物种间遗传物质交流的普遍意义，我们以其为杂交母本与非洲栽培稻进行了杂交，其结实率比较高^［5］。对于这种在以二倍体水稻为杂交母本的属间杂交中难以见到的高异交率现象值得进一步从胚胎学方面进行深入研究。本文报道了在同源四倍体水稻为母本与非洲栽培稻的杂交中，利用石蜡切片技术寻找其胚胎学证据的实验结果。

1　材料与方法

1.1　试验材料和杂交配组

在试验中以2份同源四倍体水稻IR₃₆₍₄₎和IR₂₈₍₄₎以及2份相应的二倍体水稻IR₃₆₍₂₎和IR₂₈₍₂₎为杂交母本，以非洲栽培稻为杂交母本进行杂交配组。在授粉的前1天对杂交母本的稻穗进行修整按常规方法进行，保留第2天将开花的颖花并采用人工剪颖法对其进行去雄。每份材料去雄80个稻穗，在每个稻穗上保留25～35个去雄颖花，去雄后利用羊皮纸袋对其套袋隔离以防串粉。在去雄后的第2天上午向每份母本材料的80个去雄稻穗的颖花内投入新鲜的非洲栽培稻的花药进行人工授粉(其中有10个去雄后授粉的稻穗留作观察花粉粒的萌发状况)。

1.2　材料固定和胚胎学研究

试验中，在去雄后第2天上午利用新鲜非洲栽培稻的花药给杂交母本的去雄颖花授粉。随后，按照7个时间段进行材料固定，即在授粉后30min、1．0h、6．0h、24．0h、48．0h、72.0h和94.0h分别从每份母本材料中取10个授粉稻穗(每份材料共计70个授粉稻穗)，将其标记后固定在FAA溶液中，在4℃条件下保存备用。

在试验过程中首先将固定在FAA溶液中的颖花取出，剥出其中的子房。在室温条件(25℃)下分别利用浓度为70%、85%和95%的乙醇对子房进行梯度脱水，在每1梯度乙醇中的浸泡时间为20min。随后，将子房放入无水乙醇中浸泡两次，每次的浸泡时间为10min紧接着利用二甲苯进行透明处理和石蜡包埋，再利用石蜡切片机对材料进行连续切片，最后在光学显微镜下对试验材料进行观察鉴定，以确定在授粉后其子房内部的形态特征和受精作用。

2　观察结果及其分析

在以二倍体水稻为杂交母本与非洲栽培稻杂交的2个杂交组合中发现，授粉后非洲栽培稻的新鲜花粉粒能在二倍体水稻的柱头上萌发，但萌发频率比较低，仅为0.18%～0.56%。花粉管在花柱内的伸长速度比较慢，授粉后30min在花柱内还不能观察到正在生长的花粉管，直到授粉后6.0h才能在花柱内观察到正在生长的花粉管。通过对试验材料在授粉后其子房内部的形态特征和受精作用进行观察鉴定后已经确定，在这2个杂交组合中发生受精作用的频率比较低，仅为1.26%～1.84%。由此可见，尽管亚洲栽培稻中的二倍体水稻与非洲栽培稻之间的生殖隔离并不是很严格，但其亲和性并不是很好，杂交的效果比较差，这与我们在杂交配组中所获得的结果相吻合^［5］。

在同源四倍体水稻与非洲栽培稻进行杂交的2个杂交组合中所得到的观察结果则完全不同。授粉后非洲栽培稻的新鲜花粉粒能在同源四倍体水稻的柱头上萌发，萌发频率比较高，达到12.81%～14.65%。在授粉后30min固定的颖花内发现，每个颖花的柱头上都沾满着狼尾草的花粉粒，其中，在部分颖花的柱头上观察到正在萌发的花粉粒，其花粉管正伸入柱头内，在花柱内可以观察到正在生长的花粉管。在授粉后1.0h固定的材料中，在一些颖花的胚囊内的珠孔端发现了花粉管进入胚囊时所留下的痕迹。这些观察结果说明，同源四倍体水稻与非洲栽培稻的生殖隔离不是很严格，后者的花粉粒在前者的柱头上可以萌发，花粉管可以在花柱内伸长，直至进入胚囊之内。

在试验中观察到，非洲栽培稻的花粉管进入同源四倍体水稻的胚囊后，2个精子被释放到卵细胞外的合点端。在授粉后1 d固定的一些子房中，可以看到卵细胞中出现了雄性核仁，这说明同源四倍体水稻的卵细胞与非洲栽培稻的精细胞发生了两性融合。对授粉后2 d、3 d和4 d的子房分别进行观察鉴定的结果表明，在同源四倍体水稻与非洲栽培稻的杂交中存在着精细胞与卵细胞的单受精现象、精细胞与次生极核的单受精现象和正常的双受精现象。统计结果表明，总受精率高达7．49%～9．28%，总成胚率也高达6．61%～8.64%，这一观察结果与我们在杂交试验中所得到的结果也相吻合。(www.chuimin.cn)

在本试验中，无论是以二倍体水稻为杂交母本还是以同源四倍体水稻为杂交母本，在与非洲栽培稻的杂交中均出现了一些奇怪的生殖现象，其中包括非洲栽培稻的大部分新鲜花粉粒不能在母本的柱头上萌发，多种受精现象在同一杂交组合中同时发生，受精后亲本一方的染色体被消除(在胚囊内出现被消除的核质)，幼胚和胚乳发育迟缓，幼胚或胚乳在发育中途停止进一步发育，胚乳发育不正常导致子粒充实度差等等，这一系列不正常的生殖发育现象在植物远缘杂交中都有可能见到，其机制值得进一步研究。

3　讨论

植物经过长期进化之后，每个物种所具有的基因库相当有限，而在整个植物界却存在着无穷无尽的基因资源有待于我们通过有效的方式来挖掘和利用。关于创造水稻新种质的探索性研究，很早前人的重视。自从20世纪60年代以来，许多研究者试图将异源植物中的有益性状引入到水稻中，进而创造出水稻新种质，但成效并不明显，工作效率很低。值得特别指出的是，过去的研究者在进行水稻的远缘杂交时忽视了一个重要的问题，即二倍体水稻具有比较强的有性生殖能力，在二倍体水稻与其他远缘物种的杂交中会表现出严格的生殖隔离现象，由此会导致远缘杂交的效率相当低或杂交难以获得成功。然而，我们近年来在研究同源四倍体水稻的生殖发育特性时发现，同源四倍体水稻具有比较特殊的生殖发育性状，其有性生殖能力比较弱，遗传可塑性比较大，在雌雄配子和雌雄配子体的发育过程中存在着明显的多态性^［1，2］。亚洲栽培稻和非洲栽培稻是不同的物种，它们各自都具有一些优良的特征特性，我们在利用亚洲栽培稻不同倍性的品系材料与非洲栽培稻进行远缘杂交时都获得了杂交结实种子，但远缘杂交的效果却因材料的倍性水平的差异而明显不同，同源四倍体水稻与非洲栽培稻的亲和性更好^［5］。对于亚洲栽培稻和非洲栽培稻在进行远缘杂交时所表现出的特殊生殖现象值得我们从胚胎学方面寻找生殖发育方面的证据。

本试验的观察结果表明，在以同源四倍体水稻和二倍体水稻为杂交母本与非洲栽培稻的杂交试验中，远缘物种间具有一定的可交配性。非洲栽培稻的新鲜花粉粒在二倍体水稻的柱头上萌发的频率比较低，花粉管在花柱内的伸长速度比较慢，发生受精作用的频率比较低。这些不正常的生殖发育现象是导致远缘杂交效果差的主要原因。然而，在同源四倍体水稻与非洲栽培稻进行杂交的材料中已经观察到，授粉后非洲栽培稻的新鲜花粉粒能在同源四倍体水稻的柱头上萌发，萌发频率比较高;花粉管在花柱内的伸长速度比较快;花粉管可以在花柱内伸长，直至进入胚囊之内;发生受精作用的频率比较高。在同源四倍体水稻与非洲栽培稻的杂交中存在着精细胞与卵细胞的单受精现象、精细胞与次生极核的单受精现象和正常的双受精现象。统计结果表明，总受精率高达7.49%～9.28%，总成胚率高达6.61%～8.64%。

由此说明同源四倍体水稻在水稻远缘杂交和遗传改良中是比较好的桥梁，其潜力有待于与进一步挖掘。

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，孙敬三．同源四倍体水稻雌雄配子的多态性研究［J］．杂交水稻，1999，14: 32－35．

［3］黄群策．同源四倍体水稻与假稻杂交获得实粒种子［J］．作物学报，2001，27(1):133－135．

［4］黄群策．同源四倍体水稻与狼尾草杂交的效果［J］．中国水稻科学，2000，14(1):48－50．

［5］黄群策，梁芳．同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的效果［J］．杂交水稻，2003，18:

［6］黄群策，向茂成，汤国雄．同源四倍体水稻与假稻杂交结籽的胚胎学机制研究［J］．作物学报，2002，28(2):135－137．

【注释】

(1)该文曾在《杂交水稻》［2003，18(5):53～55］刊出