短光敏核不育水稻D38S育性轉換的細胞學觀察

陳云風，黎世齡，羅筱平，徐夢潔，張君權

(宜春學院生命科學與資源環境學院，江西宜春 336000)

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短光敏核不育水稻D38S育性轉換的細胞學觀察

陳云風，黎世齡，羅筱平，徐夢潔，張君權

(宜春學院生命科學與資源環境學院，江西宜春 336000)

利用顯微技術對短光敏核不育水稻D38S不同時期的幼穗花粉形成及發育過程進行系統觀察和研究。結果表明：在短光敏核不育水稻D38S敗育過程中減數分裂前期的單核花粉時期出現明顯異常現象，即花粉細胞體積變小，細胞質變稀薄，細胞核的形狀從規則變為不規則，出現明顯核皺縮。

短光敏核不育水稻；D38S；細胞學觀察；花粉敗育

自1981年石明松[1]報道從晚粳品種農墾58中選育出光敏感不育系并提出一系兩用的水稻雜種優勢利用新途徑以來，我國雜交水稻研究與利用進入了三系、兩系并進的新階段。由于兩系雜交水稻具有恢復源廣、配組自由、利于亞種間雜種優勢利用等優點，因而受到國家和地方有關方面及水稻育種家的廣泛重視[2-3]。20世紀90年代后，隨著培矮64S等實用兩用核不育系的選育成功，配組育成的一批兩系雜交水稻組合在試驗示范中綜合性狀表現優良，為兩系雜交水稻在生產上的推廣應用奠定了基礎[4]。短光敏核不育水稻D38S是宜春學院水稻育種組自主選育而成的一個光溫反應特性比較特殊的兩用核不育系，它是與湖北省石明松選育的農墾58S相反且與IVA不同的另一類光溫敏雄性核不育水稻，其具有短光不育、長光可育、光長主導育性轉換的育性反應特性[5]。該品系具有農業性狀優良、結實率高、配合力強等優點[6]，其在雜交水稻理論研究中具有重大的價值。由于我國對短光低溫誘導雄性不育、長光高溫誘導雄性可育水稻新種質的研究起步較晚，因此涉及這一類新種質花粉敗育的細胞學研究較少，僅見吳世斌等[7]對具類似育性轉換特性的旱稻昆植S-1 進行了較為詳細地觀察。鑒于此，筆者利用顯微技術對D38S不同時期的幼穗花粉形成及發育過程進行觀察，研究其育性轉換的光溫特性和花粉敗育的機理，以期為水稻育種研究提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料供試材料為短光敏核不育水稻D38S不同發育時期幼穗。

1.2試驗方法2012、2014、2015年在宜春學院水稻育種基地，根據短光敏核不育水稻生育期和育性轉換特性，利用分批播種的方法，根據天氣變化，取其幼穗花粉進行鏡檢，觀察其育性變化情況。分別于8月下旬(28～35 ℃)、9月上旬(19～23 ℃)及10月上旬(15～29 ℃)在試驗基地選取不同發育時期的水稻幼穗并分別進行編號，將材料移至實驗室后，用剪刀和鑷子對每個編好號的幼穗粒進行稃端去除，將幼穗放入卡諾氏固定液(無水乙醇∶冰醋酸=3∶1)固定1 h左右，然后再用濃度為95%的酒精沖洗，使之不含冰乙酸。接著將沖洗好的一定數量各個發育時期的小穗取出其花藥搗碎研磨制成載玻片，每個載玻片做好記號并分別編號。將剩余暫時不用的稻穗置濃度為70%的乙醇中于2～5 ℃保存。花粉在載玻片上研磨均勻后，在編好號的玻片上滴1～2滴醋酸洋紅溶液，用紙吸干后，在Motic數碼顯微鏡(型號：BA300；倍數：400)下觀察花粉粒形態結構，將觀察結果保存并統一分析。

2　結果與分析

通過分批連續取材，利用生物顯微技術，觀察獲取短光敏核不育水稻材料D38S可育期、育性轉換期、敗育期各時期的花粉細胞染色相關圖片，選取D38S不同育性時期的發育階段的細胞染色圖片，然后進行對比，結果如圖1所示。

2.1育性轉換前期D38S的花粉形成和發育過程通過在生物攝影顯微鏡下觀察不同發育時期的水稻D38S幼穗材料細胞，可以初步發現其連續的細胞分裂過程。通過觀察A1、B1、C1圖片可以發現，此時 D38S幼穗小孢子細胞體積較小、呈圓形，細胞核較大，胞質厚度較厚、分布均勻；而后D38S幼穗發育至A2時，通過觀察A2、B2、C2圖片可以發現：此時D38S幼穗小孢子細胞體積逐漸增大，核位于中央；當水稻D38S幼穗發育至A3時，通過觀察A3、B3、D3圖片可以發現：此時核偏離中央，核物質形狀變得越來越不規則；當幼穗發育至A4時，通過觀察A4圖片可以發現：小孢子細胞內有液泡形成，細胞核物質被液泡擠到一邊，染色質被染成深色；而后細胞進一步成長發育至幼穗A5時期，觀察可育A5、B5、C5、D5圖片可以發現：小孢子細胞內細胞核物質局部散開，形態不規則；隨后發育至A6時，觀察可育A6、B6、C6、D6圖片可以發現：此時細胞質物質明顯變少，隨后小孢子細胞呈透明化。觀察A6、B6、C6、D6圖片還可以發現：核仁較小且偏離細胞中央，細胞質均勻分布于細胞內。此后小孢子細胞經過有絲分裂可發育成成熟花粉。

注：A1～A6、B1～B6均為(可育)育性轉換前期(28～35 ℃)花粉的發育過程；C1～C6為育性轉換時期(19～23 ℃)花粉的發育過程；D1～D6為(敗育)育性轉換后期(15～29 ℃)花粉的發育過程。Note: A1-A6 and B1-B6 were pollen development process of (fertile) fertility transformation prophase (28-35℃);C1-C6 were pollen development process of (abortion) fertility transformation phase (19-23 ℃);and D1-D6 were pollen development process of(abortion) fertility transformation anaphase.圖1　D38S育性轉換的花粉形成與發育過程Fig.1　Pollen formation and development process of D38S fertility transformation

2.2育性轉換時期D38S的花粉形成和發育過程通過在生物攝影顯微鏡下觀察C1～C6、D1～D6發育時期的水稻D38S幼穗材料細胞可以發現，與D38S花粉形成和發育過程(A1～A6、B1～B6)相比，不育D38S的異常變化出現在減數分裂前期和單核花粉時期，而且異常表現多樣。觀察D1～D6發育時期的D38S幼穗小孢子細胞時可發現：減數分裂時期，有一部分小孢子細胞中核物質形態變得越來越無規則，細胞質變得越來越稀薄且不規則地分散于細胞中；有核結構被破壞，致使胞質和核質混合；細胞內的花藥壁變得越來越薄；有的整個細胞液泡化，細胞呈透明狀態。單核花粉時期，大部分小孢子細胞出現異常。有的小孢子細胞體積稍大，細胞呈狹長的不規則形狀，核質被染成一團深色物質；之后，這些小孢子一部分能發育成花粉壁，但不能正常有絲分裂，發育僅停留在單核期，內容物不能充實，細胞核和細胞質破碎解體，只剩殘體，變成一個無內容物的空殼花粉。

2.3不育D38S花藥細胞質的異常該研究發現，不育D38S 花藥敗育過程中的異常常伴隨著花藥細胞內細胞質的變化異常活動。在減數分裂時期，通過觀察圖1中的變化過程可以分析出，水稻D38S育性轉換過程中，細胞形態由大慢慢變小，在可育D38S的圖片中細胞質分布均勻，細胞完整；而在不育D38S的圖片中發現細胞質幾乎消失不見，胞內只見較大的液泡，細胞呈透明化。至單核花粉時期，可育花藥的細胞質隨著小孢子的發育在形態上發生了一系列的變化。不育D38S的細胞質早期占花藥細胞的大半部分，但隨著細胞發育，細胞質含量越來越少。因為細胞質對花粉的發育具有多種重要作用，細胞質的異常變化可以使小孢子發育為成熟花粉時所需要的大量營養物質缺乏，使小孢子不能正常發育，導致花粉敗育。有研究表明，花粉敗育過程中的異常表現常伴隨著花藥絨氈層細胞的異常活動，絨氈層細胞出現提前解體現象[8]。該研究也證明，花藥絨氈層細胞的異常活動是致使花粉敗育過程中出現異常表現的關鍵因素。

3　結論與討論

該研究結果表明：在減數分裂和單核花粉時期，短光敏核不育水稻D38S均表現出異常現象。對這些異常現象進行進一步觀察和研究可為水稻品系的抽穗開花期田間管理及雄性不育研究提供理論依據，也可為農業生產和實踐提供指導。

有研究表明，花粉敗育過程中的異常表現常伴隨著花藥絨氈層細胞的異常活動，絨氈層細胞出現提前解體現象[8]。chapman[9]曾將絨氈層的功能總結為4個方面，即造孢組織的營養、花粉壁的形成、花粉鞘和含油層的供應、提供識別物質。而該試驗分析認為，短光敏核不育水稻D38S的花藥發育過程中，在減數分裂前期和單核花粉時期出現異常現象表現為細胞質的厚度變薄、細胞核的形狀從規則變為不規則。細胞質是進行新陳代謝的主要場所，絕大多數的化學反應都是在細胞質中進行，同時其對細胞核也有調控作用，因此細胞質的異常活動可能是花粉敗育的關鍵因素。

[1]石明松.晚粳自然兩用系選育及應用初報[J].湖北農業科學，1981(7)：1-3.

[2]袁隆平.雜交水稻的育種戰略設想[J].雜交水稻，1987(1)：1-3.

[3]孫宗修，程式華.雜交水稻育種：從三系、兩系到一系[M].北京：中國農業科學技術出版社，1994.

[4]楊仕華，程本義，沈偉峰，等.中國兩系雜交水稻選育與應用進展[J].雜交水稻 ，2009，24(1)：5-9.

[5]高一枝.水稻短光敏不育雄性材料的發現及研究初報[J].宜春農專學報，1991(1)：1-5.

[6]黎世齡，高一枝.水稻新型短光敏兩系不育系D38S的選育[J].安徽農業科學，2005，33(2)：2233-2234.

[7]吳世斌，孫又明，周開元，等.新型旱稻昆植S-1兩用核不育系花粉敗育的細胞學觀察[J].遺傳學報，1994，21(3)：201-204.

[8]朱英國.水稻不育雄性生物學[M].武漢：武漢大學出版社，2000.

[9]CHAPMAN G P.The tapetum[J].Int Rev Cytol，1987，107：111-125.

Cytological Observation of Dual-use Nuclear Sterile Line Rice D38S

CHEN Yun-feng,LI Shi-ling,LUO Xiao-ping et al

(College of Life Science and Resource Environment,Yichun University,Yichun,Jiangxi 336000)

Microtechnique was used to observe and study the young ear pollen formation and development process of short day induced male sterile line rice D38S in different time periods.Results showed that in the abortive process of rice DS8S,mononuclear pollen period at meiosis prophase showed significant abnormal phenomena,such as small pollen cell volume,thin cytoplasm,irregular shape of cell nucleus,and significant nuclear shrinkage.

Short day induced male sterile line rice;D38S;Cytological observation;Pollen abortion

江西省科技廳重大科技專項計劃項目(20114ABF03105)。

陳云風(1982- )，女，江西九江人，講師，碩士，從事作物育種教學與科研工作。

2016-06-27

S 511

A

0517-6611(2016)25-018-03