不同小麥品種穎果背部維管束發(fā)育研究

劉大同， 陳 明， 別同德， 張 勇， 高德榮，

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，江蘇揚州 225007；2.揚州大學/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009)

小麥(TriticumaestivumL.)穎果中的背部維管束是母體養(yǎng)分運輸組織，是光合同化物和水進入穎果的主要通道，與籽粒的灌漿充實速率和品質(zhì)等密切相關(guān)[1-2]。花后葉片制造的光合產(chǎn)物以及莖稈中積累的養(yǎng)分經(jīng)維管束進入穎果，在穎果背部維管束的篩管發(fā)生同化物卸載，然后通過合點和珠心突起傳遞細胞進入胚乳腔中，再經(jīng)質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑供應胚和胚乳的發(fā)育[1，3-4]。

一般情況下，韌皮部運輸光合產(chǎn)物等有機物質(zhì)，木質(zhì)部運輸水分和無機鹽。由于人們普遍關(guān)注小麥維管束發(fā)育與籽粒灌漿中同化物的運輸，因此對韌皮部的結(jié)構(gòu)發(fā)育研究較多[5-7]；而對穎果中的水分沒有足夠重視，因此對木質(zhì)部研究較少。但研究發(fā)現(xiàn)，小麥穎果與小花軸維管束連接處的木質(zhì)部被一組特殊的厚壁細胞“切斷”，使小花軸內(nèi)的維管束導管與穎果內(nèi)的維管束導管失去連貫性，但韌皮部連貫性不受影響[8-9]，因此在灌漿過程中，水分可能是以光合同化物溶劑的形式進入穎果的。Crafts等認為，當運入庫器官中的水分超過需求時，多余的水有可能通過木質(zhì)部流回母體[10]；王忠等在研究水稻和小麥維管束向胚乳運送物質(zhì)時提出，木質(zhì)部的導管可能是作為排水管來排除灌漿液流中的多余水分[1，11-12]，但均未被研究證實。因此，小麥穎果發(fā)育過程中維管束的發(fā)育特征還有許多尚未闡明的重要問題，值得進一步深入探究。

揚麥16是目前長江中下游麥區(qū)種植面積最大的小麥品種，具有灌漿快、脫水快的特點[3，13-14]。研究表明，揚麥16灌漿速率、灌漿完成期(籽粒干質(zhì)量達最大值的日期)籽粒含水率及此后的籽粒脫水速率均顯著高于對照品種揚麥15、寧麥13等品種[3，13]。目前關(guān)于揚麥16灌漿快的機理，從穎果顯微結(jié)構(gòu)和內(nèi)源生長素含量等方面進行了解釋[3]，但關(guān)于脫水快的機理尚未見研究報道。本研究以揚麥16和揚麥15為材料，利用樹脂切片方法，對花后不同時間的穎果背部維管束的發(fā)育進行研究，分析了韌皮部和木質(zhì)部的形態(tài)變化規(guī)律，旨在為揭示揚麥16及同類型品種灌漿快、脫水快的機理提供形態(tài)學研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2014—2017年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所灣頭試驗基地(地理位置為119°42′E、32°39′N)進行，該地為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.8～15.3 ℃，年平均降水量961～1 048 mm。以長江中下游麥區(qū)主栽品種揚麥16和揚麥15為材料，生長期常規(guī)化管理，及時防控病蟲害。為獲取不同發(fā)育時間的穎果，在開花期采用記號筆點穎與植株掛牌相結(jié)合的方法正確標記開花日期，標記的穎花均為穗中部小穗基部的2朵花。從花后5 d開始取樣，直到種子成熟，選取花后5、10、15、20、25 d的穎果進行研究。

1.2 方法

1.2.1 穎果的光學顯微鏡觀察 利用樹脂半薄切片法觀察穎果的顯微結(jié)構(gòu)。將小麥穎果從中部橫切，取2 mm厚的切段，置于2.5%戊二醛(25%戊二醛溶于pH值為7.2的磷酸緩沖液中稀釋)中固定(4 ℃)4 h。固定好的樣品經(jīng)pH值為7.2的磷酸緩沖液清洗(3次，每次10 min)、梯度(20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%)乙醇脫水(3次，每次 10 min)，環(huán)氧丙烷置換，Spurr低黏度樹脂浸透與包埋(70 ℃ 聚合10 h)。聚合好的樣品塊先用玻璃刀在超薄切片機(Ultracut R，Leica，Germany)上切1 μm厚半薄切片，經(jīng)1%番紅和甲基紫重復染色10 min后，在光學顯微鏡(DMLS，Leica，Germany)下觀察并拍照。

1.2.2 穎果橫斷面的掃描電鏡觀察 采用固定后的樣品經(jīng)丙酮脫水，乙酸異戊酯過渡，CO2臨界點干燥，離子濺射鍍金制樣后在掃描電子顯微鏡(Philips XL-30)下觀察樣品表面和斷面結(jié)構(gòu)。

1.2.3 分析作圖 圖版的制作采用Photoshop圖像處理軟件(Version CS6，Adobe，USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 穎果發(fā)育過程中背部維管束區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)分析

小麥穎果的果皮中有3條維管束，其中穎果兩側(cè)通向花柱的2條小維管束在開花后退化，因而不參與灌漿；向穎果輸送養(yǎng)分的是背部折痕區(qū)的一條大維管束，即背部維管束[15]。在穎果發(fā)育的同時，背部維管束發(fā)育，由連接小花軸的穎果基部向上貫通到穎果頂端(圖1中箭頭指示方向)，并在側(cè)向上向周圍空間卸載有機物，成為灌漿物質(zhì)的運輸通道。由小麥穎果橫切面掃描電鏡照片可見(圖1)，背部維管束位于折痕區(qū)果皮中央部位，與胚乳之間有質(zhì)外體空腔——胚乳腔相隔，與胚乳細胞間內(nèi)沒有共質(zhì)體聯(lián)系， 因此養(yǎng)分須經(jīng)過質(zhì)外體途徑才能到達胚乳細胞。

圖2是穎果背部折痕區(qū)果皮的光鏡照片，集中展示了果皮、維管束、合點、珠心突起的發(fā)育狀況。由圖2可見，背部維管束由木質(zhì)部和韌皮部組成。韌皮部位于外側(cè)，對木質(zhì)部呈半包圍狀，且分化早于木質(zhì)部。花后5～25 d顯微圖片統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，揚麥16和揚麥15的導管數(shù)均為6～10個，韌皮部篩管和伴胞數(shù)為30～50個，差異不明顯。韌皮部距離折痕區(qū)果皮的外表皮有5層細胞的厚度。

花后5 d時，穎果背部維管束木質(zhì)部尚未分化完成，沒有觀察到明顯的導管；韌皮部篩管細胞與周圍薄壁細胞已能夠清楚區(qū)分，但此時篩分子數(shù)量較少，周圍有大量薄壁細胞，原生質(zhì)濃厚，細胞核大而明顯。此時，果皮細胞中有豐富的淀粉體，體積很小，沿細胞壁分布(圖2-A、圖2-B)。

花后10 d，篩管數(shù)量增加，且聚集在一起呈簇狀，在穎果橫切面中呈左右對稱結(jié)構(gòu)，容易辨認。韌皮薄壁細胞上方為木質(zhì)部，可見多個細胞壁明顯增厚、染色深的導管和許多薄壁細胞。此時，2個小麥品種已經(jīng)發(fā)育出較為完善的輸導組織。珠心突起特化出傳遞細胞，細胞壁增厚，細胞間隙增大，適應養(yǎng)分運輸需求(圖2-C、圖2-D)。

花后15 d，揚麥16果皮細胞中淀粉體的體積持續(xù)增大，揚麥15中變化不明顯；揚麥16韌皮部維管薄壁細胞變形扭曲，細胞壁發(fā)生內(nèi)陷或凸出，而揚麥15的同類細胞未發(fā)生明顯改變。揚麥16薄壁細胞中的淀粉體數(shù)量和體積均大于揚麥15。合點連接內(nèi)外珠被，是養(yǎng)分進入胚囊的必經(jīng)之路。揚麥16合點區(qū)細胞內(nèi)有多個小液泡，由于積累丹寧酸等不透水物質(zhì)而邊緣呈黑色，對養(yǎng)分運輸有阻礙作用；揚麥15合點細胞中多為1個大液泡，且液泡邊緣顏色較淺。由于揚麥16薄壁細胞的變形和壓縮，使得韌皮部到合點的距離減小，可能更有利于同化物快速通過合點到達胚乳腔(圖2-E、圖2-F)。

花后20 d，揚麥16的維管薄壁細胞進一步變形、壓縮，甚至發(fā)生破損解體，細胞間隙增加；韌皮部更加靠近合點區(qū)，且呈線形排布，與周圍細胞接觸面也更大，同化物進出的通道更加豐富；合點細胞中液泡積累更多丹寧類物質(zhì)而黑色加深，小液泡融合形成大液泡；珠心突起傳遞細胞壁也進一步加厚(圖2-G)。揚麥15韌皮部外側(cè)的細胞發(fā)生形變，但從韌皮部通往合點之間的薄壁細胞形態(tài)沒有明顯改變，篩管距離合點較遠(圖2-H)。

花后25 d，揚麥16合點細胞中液泡積累更多丹寧類物質(zhì)而黑色加深、面積增大，形成了1道未完全封閉的屏障，共質(zhì)體運輸途徑受到阻礙；揚麥15合點區(qū)細胞的液泡僅邊緣為黑色，未形成明顯屏障。2個品種的維管束周圍薄壁細胞均發(fā)生了變形扭曲，珠心突起傳遞細胞壁均顯著增厚，更為突出的是，韌皮部細胞被部分填充，染色加深(圖2-I、圖2-J)。

2.2 背部維管束韌皮部和木質(zhì)部發(fā)育的比較

由圖3可見，花后5 d，韌皮部和木質(zhì)部的維管薄壁細胞結(jié)構(gòu)清晰完整，原生質(zhì)濃厚，細胞核較大且完整，液泡明顯。與韌皮部薄壁細胞相比，篩管-伴胞和中間細胞較小，內(nèi)含物少，細胞壁較厚。此時，揚麥16的木質(zhì)部已可見類似導管形態(tài)的細胞，而揚麥15木質(zhì)部分化不明顯(圖3-A、圖3-B、圖 3-G、圖3-H)。

花后15 d，揚麥16韌皮部薄壁細胞扭曲變形，細胞壁內(nèi)陷或向旁邊的細胞外突，篩管形狀也有一定改變；木質(zhì)部中與導管不相鄰的薄壁細胞也發(fā)生了扭曲，但程度較輕。細胞外形的不規(guī)則可能使細胞膜表面積增大，有利于養(yǎng)分跨膜運輸。與之相比，揚麥15的薄壁細胞排列較規(guī)則，未見明顯的細胞形狀改變。2個品種靠近果皮的薄壁細胞中均有淀粉體存在，且為復粒淀粉，但揚麥15淀粉體數(shù)量少，體積也較小(圖3-C、圖3-D、圖3-I、圖3-J)。

花后25 d，2個品種維管薄壁細胞均發(fā)生扭曲變形，且揚麥16中程度更重；韌皮部薄壁細胞的細胞核開始發(fā)生核裂解，說明細胞結(jié)構(gòu)開始解體，功能衰退。此時，揚麥16韌皮部的篩管及中間細胞大多被壓縮成扁條形，在篩管和附近細胞內(nèi)出現(xiàn)圓球形淀粉粒；而揚麥15中細胞形狀與花后15 d相比未發(fā)生明顯變化，細胞內(nèi)徑較大，淀粉粒不僅在篩分子和附近pan>細胞中積累，在距離較遠的薄壁細胞中也出現(xiàn)大量的圓球形淀粉粒。這些現(xiàn)象表明韌皮部輸導能力的減弱(圖3-E、圖3-F)。2個品種的木質(zhì)部薄壁細胞中也積累了大量淀粉粒。揚麥16導管結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)徑較大，且呈線形排列；揚麥15導管內(nèi)徑較小，且有局部的重疊，這種排列會減小與周圍環(huán)境的接觸面積，并可能增大物質(zhì)交流的阻力(圖3-E)。

3 討論與結(jié)論

庫端的韌皮部卸載是同化物運輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，同化物卸載速率是庫強的綜合反映，在整個植物光合同化物分配中占有重要地位[16]。揚麥16和揚麥15同化物卸載速率的差異可較好地反映在灌漿速率上[3，14]。穎果背部維管束是同化物進入籽粒的最后一步，從結(jié)構(gòu)決定功能的觀點出發(fā)，揚麥16的韌皮部結(jié)構(gòu)應當與其灌漿快的特點相適應。本研究發(fā)現(xiàn)，揚麥16韌皮部篩管和周圍薄壁細胞較早發(fā)生形態(tài)改變，細胞壁向內(nèi)或向外突出導致細胞膜表面積的增大，從而更利于細胞間的物質(zhì)運輸；韌皮部與合點之間的薄壁細胞較早壓縮變形，縮短了同化物卸出后到合點和珠心突起的運輸距離，細胞間隙較大、合點區(qū)液泡中丹寧類物質(zhì)部分阻塞共質(zhì)體運輸途徑后，運輸速度更快的質(zhì)外體途徑所占比例相對增大。

于曉剛等認為，穎果背部維管束內(nèi)的導管數(shù)和篩管數(shù)決定了維管束的運輸能力，維管束越發(fā)達，導管和篩管越多，越有利于粒內(nèi)同化物的運輸[2]。但筆者發(fā)現(xiàn)，揚麥15的韌皮部篩管較多，管徑也較大，細胞形狀至花后25 d仍能保持得比較好，直觀上比揚麥16略有優(yōu)勢，但灌漿速率、千粒質(zhì)量[13]等表現(xiàn)卻相反。前期研究還表明，揚麥16的維管束、合點、珠心突起傳遞細胞等母體養(yǎng)分運輸組織以及糊粉層傳遞細胞、胚乳傳遞細胞等十分發(fā)達，共同促進了同化物高效運輸[3]。關(guān)于維管束對灌漿的影響，人們觀點并不一致。李紹長等認為，高等植物光合同化物的運輸受韌皮部維管束發(fā)育狀況影響較大，有時會限制產(chǎn)量[17]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，維管束的輸送功能較強，對同化物的運輸分配一般沒有限制[18]；在同化物供應充足的條件下，維管束的阻力不影響同化物分配[19]。筆者認為，一般情況下維管束可以運輸足夠的灌漿物質(zhì)，韌皮部卸載的可溶性糖轉(zhuǎn)化成淀粉的能力對灌漿速率影響更大。因此，正常情況下維管束是否會成為灌漿的限制因素，還須要以更廣泛的材料進行深入研究。

木質(zhì)部位于韌皮部與胚乳腔之間，由韌皮部卸載流出的糖和水分必須先通過木質(zhì)部才能進入胚乳，因此木質(zhì)部尤其是導管的作用值得重視和深入研究。截至目前，谷物籽粒脫水在玉米中報道較多，但局限在田間表型性狀的觀察記載以及分子標記等研究，對籽粒脫水路徑的形態(tài)解剖以及生理研究在國內(nèi)外均未見詳細報道[20-23]。通過對比揚麥16與揚麥15這2個脫水速率差異顯著品種的木質(zhì)部特征，有一些有意思的發(fā)現(xiàn)，即揚麥16在穎果發(fā)育早期和中期的導管數(shù)量和大小等指標并不優(yōu)于揚麥15，而在花后25 d，揚麥16的導管結(jié)構(gòu)比揚麥15完整，導管內(nèi)徑和細胞間隙更大，且由于周圍薄壁細胞的變形擠壓而呈線形排列，按照前人觀點[11-12]，這種特征使周圍環(huán)境中多余的水分更容易進入導管而排出。為了進一步明確穎果背部木質(zhì)部的功能和意義，筆者圍繞小麥穎果中的水分運輸動態(tài)和脫水路徑開展相關(guān)研究，研究結(jié)果將有助于闡明禾谷類作物穎果以及無氣孔果實中水分進出的機理問題。