水稻胚乳組織的結構觀察

鄭彥坤曾德二魏和平許遠顧蘊潔王忠

(1安慶師范大學生命科學學院,安徽安慶246133;2揚州大學生物科學與技術學院,江蘇揚州225009;?通訊聯系人,E-mail: zhengyanun1985＠163．com)

水稻胚乳組織的結構觀察

鄭彥坤1,?曾德二1魏和平1許遠1顧蘊潔2王忠2

(1安慶師范大學生命科學學院,安徽安慶246133;2揚州大學生物科學與技術學院,江蘇揚州225009;?通訊聯系人,E-mail: zhengyanun1985＠163．com)

【目的】闡明水稻糊粉層細胞、亞糊粉層細胞與中心胚乳貯藏細胞的結構特性。【方法】采用光鏡、透射電鏡與掃描電鏡對水稻胚乳組織進行觀察研究。【結果】糊粉層細胞分化過程中,大液泡變成小體積蛋白貯存液泡,蛋白貯存液泡又轉變成糊粉粒。穎果背部比腹部有更多層糊粉層,但背部糊粉層細胞內糊粉粒的形成與積累速度卻較慢。亞糊粉層細胞起初含有一些脂質體,后來脂質體消失,而其內部淀粉體與蛋白體逐漸增多。中心胚乳貯藏細胞含有淀粉體與蛋白體,蛋白體以液泡型蛋白體為主,它們可以相互融合而變大。中心胚乳貯藏細胞內的淀粉積累速度明顯快于亞糊粉層細胞內的。成熟穎果的中心胚乳貯藏細胞內淀粉體最為密集,背部和側部的亞糊粉層細胞內淀粉體排列較疏松,腹部的亞糊粉層細胞內淀粉體最為稀疏?！窘Y論】水稻穎果背部與腹部的糊粉層細胞和亞糊粉層細胞的結構差異可能與養分吸收與轉運有關;中心胚乳貯藏細胞內淀粉體發育速度快于亞糊粉層細胞。

水稻;胚乳;糊粉層細胞;亞糊粉層細胞;中心胚乳貯藏細胞

水稻是我國的主要糧食作物之一,其穎果被廣泛用于人類食物、禽畜飼料和工業原料。胚乳是水稻穎果內重要的養分運輸與貯藏系統,胚乳的發育和充實狀況決定著穎果的產量和品質。因此,有關水稻胚乳結構與功能的研究一直受到科研工作者們的重視。

水稻胚乳按位置可大致分為胚乳表層與內胚乳兩部分[1]。Royo等[2]指出,與玉米、小麥等谷物不同,水稻胚乳表層僅分化為糊粉層細胞。水稻內胚乳主要分化為亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞[3]。糊粉層細胞具有一定的養分貯存功能,能夠積累蛋白質、礦物質和脂質[4-5]。Ogawa等[6]通過X射線微分析器發現糊粉層細胞富集磷、鎂、鉀等礦質元素。另外,水稻糊粉層具有養分運輸功能。王忠等[1]曾對水稻胚乳與穎果養分運輸的關系進行過詳細研究,指出背部主維管束卸載的灌漿物質首先進入質外體,糊粉層從質外體中吸收養分并將其轉運進胚乳。中心胚乳貯藏細胞是胚乳內淀粉與蛋白質的積累主體;亞糊粉層細胞是介于糊粉層細胞與中心胚乳貯藏細胞之間的胚乳組織,可以積累淀粉、蛋白質和一定量的脂質[7]。糊粉層所吸收的養分只有經過亞糊粉層才能進入中心胚乳貯藏細胞。不同穎果位置的胚乳內養分積累情況存在較大差異,王忠等[8]在掃描電鏡下觀察到穎果背部胚乳內淀粉體充實程度比穎果腹部胚乳內的高。盡管水稻胚乳組織的結構與功能方面已有所研究,但仍存在一些問題尚未完全闡明。例如,與其他糊粉層細胞相比,靠近維管束的糊粉層有哪些更適應養分吸收與轉運的結構特點?糊粉層細胞、亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞的分化機制是什么?

針對以上這些問題,本研究以水稻品種日本晴為實驗材料,通過光鏡、透射電鏡與掃描電鏡觀察的研究方式進一步探明水稻胚乳組織的結構與功能特性,并討論其分化機制。

1 材料與方法

研究材料為水稻品種日本晴,在實驗田按常規方式種植。我們采用記號筆點開花穎花與植株上掛牌相結合的方式對授粉時間進行標記,并取授粉后不同天數的穎果進行實驗。

1．1 樣品的光鏡與透射電鏡觀察

將穎果橫切,取所要觀察的部位,先用2．5%戊二醛前固定3 h,然后以0．1 mol/L(p H 7．2)的磷酸緩沖液清洗3次,再用0．5%鋨酸后固定3 h。用0．1 mol/L(p H 7．2)的磷酸緩沖液清洗后,乙醇梯度脫水,環氧丙烷置換,用低黏性的Spurr樹脂浸透與包埋。先切1μm半薄切片,用0．5%甲苯胺藍-O (TBO)染色,在光鏡(Leica DMLS)下觀察顯微結構。在光鏡觀察的基礎上,制作60 nm超薄切片。用醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛進行雙重染色,在透射電鏡(Philips Tecnai 12)下觀察切片的超微結構。

1．2 樣品的掃描電鏡觀察

將穎果用液氮處理后橫向斷裂,取所要觀察的部位,用2．5%戊二醛低溫固定3 h后,以0．1 mol/L (p H 7．2)的磷酸緩沖液清洗3次。乙醇梯度脫水,醋酸異戊酯置換,CO2臨界點干燥。最后經過離子濺射鍍金制樣后,在掃描電鏡(Philips XL-30 ESEM)下觀察。

2 結果與分析

從水稻穎果橫切面來看,有維管束的為穎果背部,而與之相對的是穎果腹部(圖1-A)。

花后2 d,胚乳已進入細胞化期,但僅有1～2層胚乳表層細胞形成,細胞質較濃,細胞核明顯,細胞內有許多體積大小不一的液泡(圖1-B～D)。穎果背部胚乳有2層細胞(圖1-B),而穎果腹部與側部胚乳僅有1層細胞(圖1-C,D)。因此,細胞化初期,穎果背部胚乳的細胞化速度快于穎果其他部位胚乳?；ê? d,胚乳內已初步分化出糊粉層細胞、亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞(圖1-E,F)。在穎果背部胚乳中,約有2層糊粉層細胞形成,細胞內細胞核明顯,仍有數個體積較大的液泡,液泡周圍有一些脂質體分布;中心胚乳貯藏細胞體積大,液泡化程度極高,液泡幾乎占據了除細胞核外的所有空間,有一些體積極小的的淀粉體附著于細胞核周圍;亞糊粉層細胞內,淀粉體數目比中心胚乳貯藏細胞少,脂質體數目比糊粉層細胞少(圖1-E)。穎果腹部胚乳中,約有1層糊粉層細胞形成(圖1-F)。

花后5 d,穎果背部胚乳中,糊粉層細胞大約有3層,平周方向排列較為疏松,細胞內部有稀疏的小體積蛋白貯藏液泡與脂質體;亞糊粉層細胞內部有數目很少的小體積淀粉體以及蛋白貯藏液泡和脂質體(圖2-A)。穎果腹部胚乳中,糊粉層細胞有1～2層,排列緊密,細胞內部含有較為密集的蛋白貯藏液泡和脂質體;亞糊粉層細胞內有稀疏的小體積淀粉體(圖2-B)。在透射電鏡下,可以看到糊粉層細胞內,大小不一的脂質體圍繞著小體積蛋白貯藏液泡(圖3-D);亞糊粉層細胞的外側細胞壁附近有許多線粒體,這可能與活躍的物質交換有關(圖3-C)。中心胚乳貯藏細胞內的淀粉體數目與體積增長更為明顯(圖2-C)。在透射電鏡下,可以看到中心胚乳貯藏細胞內已出現內質網衍生型蛋白體與液泡型蛋白體,內質網衍生型蛋白體鉛鈾染色效果淺,含量少(圖3-A);液泡型蛋白體鉛鈾染色效果深,含量較多,液泡型蛋白體會相互融合而增大(圖3-B)。花后9d,穎果背部胚乳中,糊粉層細胞內的蛋白貯藏液泡和脂質體密度增大,亞糊粉層內的淀粉體仍然稀少且體積小(圖2-D)。穎果腹部胚乳中,糊粉層細胞進一步分化,糊粉粒初步形成,亞糊粉層內的淀粉體也稀少且體積小(圖2-E)。中心胚乳貯藏細胞內,淀粉體體積與密度都有所增加,而且蛋白體體積與數目也有所增長(圖2-F)。

圖1 花后2 d(A～D)與3 d(E,F)水稻胚乳組織Fig．1．Rice endosperm tissues at 2(A～D)and 3(E,F)days after pollination．

圖2 花后5 d(A～C)與9 d(D～F)水稻胚乳組織Fig．2．Rice endosperm tissues at 5(A～C)and 9(D～F)days after pollination．

花后12 d,穎果背部胚乳中,糊粉層細胞仍約有3層,細胞壁明顯增厚,蛋白貯藏液泡已轉變成糊粉粒;亞糊粉層細胞幾乎被淀粉體充滿,蛋白體留存于淀粉體之間的小縫隙里,脂質體已消失(圖4-A)。與穎果背部胚乳相比,穎果腹部胚乳中,糊粉層細胞有1～2層,細胞壁也明顯增厚,但糊粉粒的數目要多一些;亞糊粉層細胞內含有大量蛋白體和一些體積較小的淀粉體,脂質體已消失(圖4-B)。中心胚乳貯藏細胞內近乎充滿密集的淀粉體,受擠壓的蛋白體殘留于淀粉體間隙里(圖4-C)?；ê?8 d,中心胚乳貯藏細胞內淀粉進一步積累充實,密集的淀粉體相互擠壓,幾乎連成一體(圖4-D)。

圖3 花后5 d水稻胚乳組織超微結構Fig．3．Ultra-structures of rice endosperm tissues at 5 days after pollination．

成熟穎果糊粉層細胞內部已被糊粉粒所充實(圖5-A)。穎果的中心胚乳貯藏細胞內的淀粉體非常密集(圖5-C),穎果背部和側部的亞糊粉層細胞內的淀粉體較稀疏(圖5-A,B),而穎果腹部亞糊粉層細胞內的淀粉體最疏松,淀粉體間隙明顯(圖5-D)。

通過以上所述可知:1)糊粉層細胞發育過程中,大液泡逐漸轉化成小的蛋白貯存液泡,蛋白貯存液泡充實蛋白質和礦物質后轉化成糊粉粒,糊粉粒逐漸增多直至充滿糊粉層細胞;與穎果腹部糊粉層相比,穎果背部糊粉層層數多,但細胞內糊粉粒的形成與積累速度卻慢一些;2)亞糊粉層細胞起初積累一定量的脂質體,但后來脂質體消失,而淀粉體與蛋白體逐漸增多;亞糊粉層細胞內淀粉積累速度明顯慢于中心胚乳貯藏細胞;3)中心胚乳貯藏細胞內主要積累液泡型蛋白體,液泡型蛋白體可以相互融合而變大。

3 討論

3．1 水稻胚乳組織的形成與分化

因為位置效應和基因控制等因素,谷物胚乳分化成不同組織[3,5],使胚乳的養分運輸與積累等功能得以有效發揮。水稻胚乳主要分化產生糊粉層細胞、亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞這三類組織。

圖4 花后12 d(A～C)與18 d(D)水稻胚乳組織Fig．4．Rice endosperm tissues at 12(A—C)and 18(D)days after pollination．

胚乳表層細胞是胚乳在細胞化期通過平周分裂最先形成的細胞[9]。穎果母體組織(果皮和種皮)與子代組織(胚與胚乳)之間沒有胞間連絲相連[8],因而穎果維管束卸載的物質進入質外體后只有通過胚乳表層才能進入胚乳。這些來自母體組織的物質中,有誘導糊粉層細胞分化的信號分子,胚乳表層細胞受體接受信號分子后向糊粉層細胞轉化[5]。本研究結果顯示,靠近維管束的穎果背部糊粉層的層數明顯多于遠離維管束的穎果腹部糊粉層的層數。這可能是因為越靠近維管束,胚乳表層所接收的糊粉層細胞誘導信號就越多造成的。玉米、小麥和高粱的糊粉層一般為一層[5],而水稻糊粉層出現數層,這可能也與糊粉層細胞誘導信號的傳遞存在差異有關。

亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞與糊粉層細胞同源,都是由受精極核分裂分化而來,但是亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞在細胞化期產生晚,經歷核內復制,分化期積累淀粉與蛋白質,且細胞核發生消亡。與核內復制、碳代謝以及淀粉酶合成相關的基因影響著亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞的形成、分化和養分積累[7]。亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞中存在抑制糊粉層細胞誘導信號傳遞的物質,使得誘導信號由外至內越來越弱[5]。于是,從胚乳表層向內層,糊粉層細胞特征越來越不明顯。糊粉層細胞吸收與轉運灌漿物質時,礦質元素、部分氨基酸以及脂肪酸等滯留在糊粉層細胞中參與糊粉粒和脂質體的形成,而可溶性糖和大部分氨基酸運入亞糊粉層細胞和中心胚乳貯藏細胞供合成淀粉與蛋白質用[1]。

圖5 成熟水稻穎果不同部位胚乳組織的掃描電鏡觀察Fig．5．Endosperm tissues in different parts of mature rice caryopsis under a scanning electron microscope．

3．2 水稻胚乳組織的功能

水稻糊粉層細胞的脂質體內積累脂質,糊粉粒內積累蛋白質和礦物質。除了養分貯存功能外,水稻糊粉層還具有養分運輸功能,糊粉層從質外體中吸收養分,經過亞糊粉層進入中心胚乳貯藏細胞。本研究發現,亞糊粉層細胞外側的細胞壁附近有許多線粒體,這可能與活躍的物質交換有關。與穎果腹部糊粉層相比,穎果背部糊粉層離維管束近且層數多,但細胞內糊粉粒的形成與積累速率卻慢一些。糊粉層層數多有利于提高養分吸收能力,糊粉粒形成與積累速度慢是為了減少養分運輸阻力。除了直接從質外體吸收養分,糊粉層細胞之間也可以傳輸養分。糊粉層細胞之間存在胞間連絲連接,穎果腹部糊粉層可以將吸收的養分通過胞間連絲向腹部糊粉層運輸。穎果腹部糊粉層內糊粉粒最先形成與積累,而背部糊粉層內糊粉粒較晚形成與積累,這樣可以保證糊粉層間養分輸送途徑的順暢。小麥中,靠近維管束的是具有壁內突的“變型糊粉層”,壁內突增加質膜表面積,有利于養分吸收與轉運[10];變型糊粉層與其他部分糊粉層相比,細胞壁成分差異很大,也有利于養分吸收和轉運[11]。水稻中,靠近維管束的糊粉層沒有形成壁內突結構,具體原因尚不清楚,但其細胞壁成分可能與其他部分糊粉層細胞的也不同,因為這樣才有利于將維管束卸載的養分轉運進胚乳。

亞糊粉層細胞是中心胚乳貯藏細胞和糊粉層細胞之間的中間類型細胞。水稻亞糊粉層細胞內起初積累少量的的脂質體和很少的小淀粉體,隨后脂質體逐漸消失,但淀粉體逐漸增多增大,蛋白體也逐漸增多。Olsen認為,至胚乳發育后期,亞糊粉層細胞與中心胚乳貯藏細胞之間的養分積累差距會逐漸縮小[3]。本研究發現,亞糊粉層細胞內淀粉積累速度明顯慢于中心胚乳貯藏細胞,這是為了減少糊粉層吸收的養分向中心胚乳貯藏細胞轉運的阻力。正因為亞糊粉層在整個胚乳發育過程中都承擔著一定的養分運輸作用,所以成熟穎果亞糊粉層細胞內的淀粉體充實情況比中心胚乳貯藏細胞內的淀粉體充實情況要差。而腹部亞糊粉層細胞內的淀粉體充實情況最差,還因為距離維管束最遠,養分運輸阻力大。中心胚乳貯藏細胞是胚乳養分積累主體,胚乳發育后期,中心胚乳貯藏細胞內部淀粉體密度非常大,受擠壓的蛋白體殘留于淀粉體間隙里。Lousser

等認為胚乳蛋白體在胚乳發育后期不再以蛋白體的形式存在,而是融合成蛋白質基質,留存在淀粉體間隙內[12]。在水稻胚乳中,內質網衍生型蛋白體積累醇溶蛋白[13];液泡型蛋白體積累谷蛋白,谷蛋白占據胚乳總蛋白的80%[14]。本研究也發現,水稻中心胚乳貯藏細胞主要積累液泡型蛋白體,且液泡型蛋白體會相互融合,但不像小麥胚乳內液泡型蛋白體那樣融合成體積很大的蛋白體[7]。

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Structure Observation of Rice Endosperm Tissues

ZHENG Yankun1,?,ZENG De’er1,WEI Heping1,XU Yuan1,GU Yunjie2,WANG Zhong2
(1 School of Life Sciences,Anqing Normal University,Anqing 246133,China;2College of Bioscience and Biotechnology,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China;?Corresponding author,E-mail:zhengyanun1985＠163．com)

【Objective】The objective of this research was to clarify structural characteristics of aleurone cells, sub-aleurone cells and central starchy endosperm cells．【Method】We observed and investigated rice endosperm using a light microscopy,a transmission electron microscopy and a scanning electron microscopy．【Result】During the differentiation process of aleurone cells,the large vacuoles were transformed into protein storage vacuoles of small volume and protein storage vacuoles were transformed into aleurone granules．There were more layers of aleurone cells in the dorsal part than in the ventral part of caryopses．However,the formation and accumulation rate of aleurone granules was slower in aleurone cells of the dorsal part of caryopses．Sub-aleurone cells initially included some lipid bodies,and later lipid bodies disappeared and amyloplasts and protein bodies in them increased gradually．Central starchy endosperm cells included amyloplasts and protein bodies．Vacuolar protein bodies occupied the major part of total protein bodies and they could fused with one another to be larger．Starch accumulation rate of central starchy endosperm cells was evidently quicker than that of sub-aleurone cells．In mature caryopses,amyloplasts were very dense in central starchy endosperm cells,amyloplasts were sparser in sub-aleurone cells of dorsal and lateral parts of caryopses and amyloplasts were sparsest in sub-aleurone cells of the ventral part of caryopses．【Conclusion】Structural differences of aleurone cells and sub-aleurone cells in dorsal and ventral parts of rice caryopses might be related to nutrient absorption and translocation．Developmental rate of amyloplasts in central starchy endosperm cells was quicker than that in sub-aleurone cells．

rice;endosperm;aleurone cells;sub-aleurone cells;central starchy endosperm cells

Q944.46;S511.01

A

1001-7216(2017)01-0091-08

2016-04-12;修改稿收到日期:2016-10-08。

安徽省教育廳重點項目(KJ2015A168);安徽省高等學校省級優秀青年人才基金重點項目(2013SQRL060ZD;國家自然科學基金資助項目(31270228)。