辣椒CMS系及其保持系葉綠體超微結(jié)構(gòu)觀察比較

張茹 陳靈芝 魏兵強(qiáng) 王蘭蘭

摘要：從辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A、保持系8B為材料，利用透射電鏡觀察兩者葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)，探討CMS與葉綠體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并比較其特性與差異，揭示CMS機(jī)理。結(jié)果表明，辣椒CMS系8A葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)為基粒片層之間界限模糊、消失，發(fā)育滯后，與基粒連接的類囊體不發(fā)達(dá)，整個(gè)片層排列紊亂，葉綠體數(shù)目減少;保持系8B葉綠體形狀為橢圓形，基粒片層、類囊體均發(fā)育正常。辣椒胞質(zhì)雄性不育系葉綠體數(shù)目較保持系減少，結(jié)構(gòu)、形狀與保持系有所不同。

關(guān)鍵詞：辣椒;胞質(zhì)雄性不育;不育系;保持系;葉綠體;超微結(jié)構(gòu)

中圖分類號：S641.3? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2018）12-0013-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2018.12.005

辣椒胞質(zhì)雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility，CMS）機(jī)理研究對于進(jìn)一步闡述核質(zhì)互作關(guān)系、小孢子發(fā)育及小孢子敗育機(jī)理起到推動作用。Peterson等[1 - 2 ]于1958年首次報(bào)道了辣椒的胞質(zhì)互作型雄性不育性，受到研究人員的廣泛重視并進(jìn)行了大量研究工作，使辣椒雄性不育研究工作不斷深入。目前，辣椒胞質(zhì)雄性不育研究與利用迅猛發(fā)展，許多研究單位已推出相應(yīng)品種。數(shù)十家單位開展了辣椒雄性不育育種工作，也同時(shí)進(jìn)行辣椒雄性不育機(jī)理的研究。

有研究證實(shí)，CMS與線粒體之間密切相關(guān)[3 ]。但也有學(xué)者認(rèn)為CMS與葉綠體也存在較大的相關(guān)性，而這種相關(guān)性主要集中在胞質(zhì)雄性不育（CMS）系與保持系之間葉綠體超微結(jié)構(gòu)上的差別[4 ]。眾多研究表明，葉綠體結(jié)構(gòu)的改變與CMS現(xiàn)象存在相關(guān)聯(lián)：大白菜、玉米、油菜等作物的CMS可能與葉綠體超微結(jié)構(gòu)相關(guān)[5 - 6 ];不同型的不育系小麥葉綠體表現(xiàn)不同，其中K、T型不育系胞質(zhì)葉綠體為圓形，葉綠體數(shù)量少于保持系;V型不育系胞質(zhì)為長橢圓形，葉綠體數(shù)量與保持系相當(dāng)[7 ]。Hernould[8 ]認(rèn)為葉片發(fā)育過程中葉綠體結(jié)構(gòu)的改變有可能是葉綠體DNA的部分基因所引起的，而這部分基因決定著葉綠體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致小孢子敗育。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，以玉米和油菜為研究材料發(fā)現(xiàn)，葉綠體結(jié)構(gòu)與不育性有一定的關(guān)系[4 ]，油菜不育系相對于保持系葉綠體類囊體片層數(shù)明顯減少，基粒間的基質(zhì)變細(xì)，以致斷裂，片層排列紊亂。還有研究發(fā)現(xiàn)，玉米、甜菜及高粱的葉綠體類囊體膜，不育系和其保持系在33kD附近，肽斑的大小、數(shù)量與分布均有明顯差異，推測葉綠體類囊體膜多肽組成與細(xì)胞質(zhì)雄性不育性之間存在聯(lián)? ? 系[9 ]。

辣椒胞質(zhì)雄性不育與葉綠體結(jié)構(gòu)之間是否相關(guān)聯(lián)還未見詳細(xì)報(bào)導(dǎo)。本研究通過對辣椒胞質(zhì)雄性不育系及保持系之間葉綠體超微結(jié)構(gòu)差異的觀察，以期探討辣椒胞質(zhì)雄性不育與葉綠體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為進(jìn)一步揭示胞質(zhì)雄性不育小孢子敗育機(jī)理提供參考。

1? ?材料方法

1.1? ?供試材料

供試材料為辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A及其保持系8B、育性正常的其它辣椒品種植株的6葉期幼嫩葉片。辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A及其保持系8B，是甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所辣椒課題組經(jīng)過多代姊妹系回交選育而成的1對近等基因系，除細(xì)胞質(zhì)育性有差別外，其余性狀幾乎完全一致且遺傳穩(wěn)定，不育系的不育率為100%[10 - 11 ]。

1.2? ?試驗(yàn)方法

各供試材料于7月初育苗，育苗溫室正常管理。待各供試材料生長至6葉期，選擇幼嫩葉片作為測試材料。參照袁凱等[7? ]已報(bào)導(dǎo)的方法，將材料切成小塊（1 mm×1 mm），用3.5%戊二醛和2%多聚甲醛混合液固定2 d。經(jīng)緩沖液漂洗后用1%四氧化鋨固定6 h，乙醇梯度脫水，用Epon812環(huán)氧樹脂滲透包埋，用Rrichert-Jung ULTRACUTE型超薄切片機(jī)切片，然后進(jìn)行醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛染色，在透射電鏡下觀察拍照并比較分析。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ?辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A與辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B的葉綠體超微結(jié)構(gòu)比較

從圖1可以看出，辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B的葉綠體結(jié)構(gòu)完整，呈長橢圓形，緊貼細(xì)胞內(nèi)膜，葉綠體基質(zhì)濃厚，所有基粒片層結(jié)構(gòu)清晰，連接基粒之間的基粒類囊體發(fā)達(dá)，發(fā)育完好。椒胞質(zhì)雄性不育系8A的葉綠體形狀為梭形，長軸突出;基粒片層較模糊，基粒之間的類囊體排列較紊亂，與對照育性正常的其它植株差異顯著。從葉綠體數(shù)量上看，辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A的葉綠體數(shù)量較其保持系8B有所減少，辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B的基粒片層多，排列緊密整齊，積累的淀粉粒較多，而不育系材料基粒片層少，排列疏松無序，積累的淀粉粒很少。此外，在辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A的葉綠體中發(fā)現(xiàn)泡狀物質(zhì)，在這種物質(zhì)的周圍，葉綠體基粒、片層等均有消解的現(xiàn)象，而在對照辣椒植株與辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B葉綠體中并沒有觀測到這種物質(zhì)。推測這種泡狀物質(zhì)可能引起葉綠體物質(zhì)異常并導(dǎo)致小孢子敗育。

2.2? ?辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B保持系與對照育性正常植株葉綠體超微結(jié)構(gòu)比較

從圖1還可以看出，辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B與對照育性正常植株之間葉綠體并無明顯差異，均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)完整，呈橢圓形，緊貼細(xì)胞內(nèi)膜，葉綠體基質(zhì)濃厚，基粒片層結(jié)構(gòu)清晰，類囊體發(fā)達(dá)，發(fā)育完好。對照育性正常的其它辣椒植株與辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B的葉綠體數(shù)量較多，基粒片層多，排列緊密整齊，積累的淀粉粒較多。

3? ?小結(jié)與討論

以辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A及其保持系8B為研究目標(biāo)，經(jīng)過多年研究及轉(zhuǎn)育，對辣椒CMS遺傳機(jī)理有了較深入了解[12 - 14 ]。對其葉綠體超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鏡觀察，并以育性正常其它辣椒品種植株作為對照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)辣椒胞質(zhì)雄性不育保持系8B與對照育性正常其它辣椒品種植株的葉綠體無明顯差異，呈長橢圓形。而辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A的葉綠體形態(tài)發(fā)生變化，呈梭形，長軸兩邊呈尖角突出。

葉綠體是植物光合作用的場所，其形狀的改變可導(dǎo)致功能失調(diào)，對植株生長發(fā)育會產(chǎn)生很大影響。眾多關(guān)于葉綠體的研究主要集中在逆境生理、光合作用與葉綠體超微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。葉綠體形狀改變不利于光合作用的進(jìn)行，且光合效率低下;在逆境條件下，植物葉綠體會出現(xiàn)形狀變化、位置內(nèi)移的現(xiàn)象，這種變化是對逆境脅迫的一種反映。在本研究中，供試材料均屬正常管理，排除逆境脅迫，辣椒辣椒胞質(zhì)雄性不育系8A的葉綠體形態(tài)、數(shù)量較保持系及對照植株發(fā)生變化，推測這一現(xiàn)象與植物本身特性有關(guān)，即胞質(zhì)雄性不育特性。若要證實(shí)葉綠體功能如何發(fā)生變化，發(fā)生哪些變化，則需深入研究。

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（本文責(zé)編：鄭立龍）