关于玉米胚乳细胞发育的研究-很好-

中国科技论文在线关于玉米胚乳细胞发育的研究#王忠，顾蕴洁，王慧慧，李栋梁，郑彦坤，张春良*基金项目：国家自然科学基金(31270228，31071341)；高等学校博士学科点专项科研基金(20093250110004)作者简介：王忠，(1949-)，男，教授，主要研究方向:作物发育生理和形态解剖。E-mail:[e-mail]（扬州大学生物科学与技术学院，江苏扬州225009）摘要：玉米胚乳细胞的发育状况决定着籽粒的重量和品质。本试验用光镜和电镜观察了玉米5胚乳细胞发育过程中的结构变化，得到如下结果：(1)玉米初生胚乳组织纵切面似瓢形。瓢柄与反足细胞组成的胚乳吸器插入珠心组织。(2)玉米珠心组织的寿命较长，要到授粉后10d时才全部消亡。珠心组织对初期胚乳的哺育起着重要的作用。(3)胚乳的质地与淀粉体的充实有关。处在颖果中上部周缘的胚乳淀粉体充实好，呈多面体形，使胚乳成为角质；处在胚乳中央部的淀粉体充实差，呈球形，使胚乳成为粉质。(4)内胚乳细胞在发育过程中出现核10形变和衰亡等现象。在核形变和衰亡过程中淀粉体仍能生长。(5)胚乳传递细胞发育有明显的时空性：靠基部维管束的胚乳表层细胞最先分化成传递细胞，然后依次向内分化；传递细胞壁加厚和壁内突发育的程度由表层向内依次降低；(6)玉米胚乳有1～2层糊粉层。糊粉层的细胞核在颖果的发育的过程中不衰亡。(7)胚旁细胞随着胚的生长依次消亡，最终胚旁细胞部位被胚占有。(8)糊粉层和有色层的形成与“灌浆废物”分别在胞乳表层细胞和珠心突起15细胞中的积聚有关。玉米胚乳转移细胞及其珠心细胞积聚“灌浆废物”较多，使颖果基部产生黑色层。关键词：植物学；玉米；内胚乳细胞；胚乳传递细胞；糊粉层细胞；胚旁细胞；淀粉体中图分类号：944.4620InvestigationoftheMaizeEndospermCellDevelopmentWangZhong,GuYunjie,WangHuihui,LiDongliang,ZhengYankun,ZhangChunliang(CollegeofBioscienceandBiotechnology,JiangSuYangZhou225009)Abstract:Developmentofmaizeendospermcelldeterminesseedweightandquality.Inthispaper,25structurechangesofmaizeendospermcellsduringthedevelopmentareobservedunderlightandelectronmicroscopes.Theexperimentalresultsareasfollows:(1)Thelongitudinalinitialendospermtissueshaveagourdshape.Endospermabsorbingapparatusconsistedofthestipeandantipodalcellsinsertsnucellartissues.(2)Maizenucellartissueshavealongerlife-span,anddegenerateentirelyat10daysafterpollination.Nucellartissuesplayanimportantpartinnurture30ofinitialendosperm.(3)Endospermqualityisrelatedtoamyloplastfilling.Endospermamyloplastsinmiddleanduppercaryopsissurroundingedgearefilledwell,haveapolyhedronshape,andmakeendospermhorniness;amyloplastsincenterendospermarefilledbadly,haveasphericshape,andmakeendospermpowder.(4)Duringthestarchyendospermcelldevelopment,therearenucleardistorting,degeneratingandetal.phenomena.Amyloplastsstillgrowwhen35nucleidistortanddegenerate.(5)Endospermtransfercelldevelopmenthasobvioustimeandspacecharacters:endospermepidermalcellsnearvascularbundlesfirstlydifferentiateintotransfercellsandthentheinnercellsdifferentiate;transfercellwallthickeningandwallingrowthdecreasefromthesurfaceareatothecenter;(6)Endospermofmaizehas1~2layersofaleuronecells.Nucleiofaleuronecellsdonotdegenerateduringthecaryopsisdevelopment.(7)Embryo40surroundingregioncellsdegenerategraduallywhenembryogrowsandfinallytheirpositionsareoccupiedbyembryo.(8)Formationofaleuronelayersandpigmentstrandisrelatedtotheaccumulationof“fillingwaste”inendospermepidermalcellsandnucellarprojectioncells.Maizeendospermtransfercellsandnucellarcellshavearelativlyhighconcentrationof“fillingwaste”;thusablacklayerisformedatthebaseofcaryopsis.45Keywords:botany;maize;starchyendospermcells;endospermtransfercells;aleuronelayercells;embryosurroundingregioncell;amyloplast引言玉米是世界上分布最广泛的粮食作物之一，种植面积仅次于小麦和水稻而居第三位。长50期以来玉米一直是人类食粮、牲畜饲料和工业原料的主要资源，有着广泛的用途。玉米胚乳占籽粒重量的80%～85%，胚乳细胞的发育状况决定着籽粒的重量和品质，深入研究玉米胚乳细胞的发育特性和控制因素对提高玉米的产量和品质具有重要的意义[1]。玉米胚乳由内胚乳细胞（starchyendospermcells，SEC）、糊粉层细胞(aleuronelayercells，ALC)、胚乳传递细胞(endospermtransfercells，ETC)和胚旁细胞(embryosurroundingregion55cells，ESRC)等细胞组成[2]。上述4种类型的细胞均起源于初生胚乳核，这是由于初生胚乳组织中细胞的位置差异和基因特异表达造成的[3]。关于玉米的胚乳发育已有不少研究，如赵世绪用整体解剖法观察过玉米胚胎的发育[4]；KYLE、BECRAFT等人研究过玉米胚乳糊粉层和亚糊粉层细胞的发育[5～6]。DAVAIS、高荣歧、TAALBOT等人[7～10]观测过玉米胚乳细胞和传递细胞结构特点和发育过程。范仲60学综述了玉米胚乳细胞分裂增殖、充实过程及其影响因素，分析了胚乳细胞发育与粒重的关系[11]。然而，对于玉米胚乳细胞分化和发育的详细过程；胚乳细胞的增殖动态；糊粉层的分化与功能；胚乳细胞中淀粉体与蛋白体的发育；胚乳细胞发育与颖果发育的关系；以及养分输入胚乳的途径等问题尚无探明。我们曾对玉米胚乳发育及其养成分输入的途径作过观察，但研究不够系统与深入[12]。为了探明玉米胚乳细胞发育的规律，近年中我们应用光镜65和电镜相结合的观察技术和组织化学方法，较为系统地观察了玉米颖果的生长和胚乳细胞的分化，尤其是详细地观察了4种胚乳细胞发育特点，并对养分进入胚乳的途径作了进一步的探讨。1材料与方法1.1供试材料70供试的玉米(ZeamaysL.)品种有掖单13、郑单958、登海11号、金甜688、黄糯7号和爆裂玉米等。按常规方法种植。在开花期对雌穗套袋授粉进行标花。采集授粉不同天数，即发育天数的颖果进行实验。1.2颖果鲜重、干重及含水量的测定每隔5d，采收30粒位于雌穗中部的颖果，称其鲜重。105℃杀青，80℃烘干至恒重后75称颖果干重，并计算颖果的含水率。用体视显微摄影装置拍摄颖果的形态。1.3颖果剖面的荧光观察和组织化学鉴定将颖果纵剖或横剖，直接置荧光显微镜下观察细胞形态。细胞壁纤维素在蓝紫光激会发出的浅蓝色的荧光。用特色试剂染色剖面可鉴定组织成分和某些酶的活性。例如：用I2-KI溶液染色可鉴定淀粉；用TTC溶液可鉴定脱氢酶活性；用EvansBlue染液可鉴定细胞膜完80整鉴定和细胞活性。1.4样品的显微结构和超微结构观察采用树脂切片法[13]。将颖果的观察部位切成3mm薄片，用2.5%GAL(戊二醛)、1%PAL(多聚甲醛)、0.05mol/LNa-CaCO（二甲基砷酸钠）pH7.2缓冲液，4℃下前固定3h，后用1%锇酸后固定3h，乙醇系列脱水，环氧丙烷置换，用低粘性的Spurr树脂浸透与包埋，先85半薄切片，用甲苯胺蓝-O(TBO)或蕃红/甲基紫染色，供光镜观察，进而作60nm的超薄切片，铅和铀双重染色，在PhilipsTecnai12透射电镜下观察超微结构。Spurr树脂是低粘性的环氧树脂，易于渗入植物组织，它具有的三维交联结构能较好地保存细胞的微细结构。用Spurr树脂浸透与包埋颖果，经半薄切片后在光镜下就能清楚观察细胞核、壁内突、淀粉体和蛋白体等细胞器的形态，十分有利于研究胚乳细胞发育过程中显微结构的变化。901.5样品的扫描电镜观察将颖果先用2.5%GAL、1%PAL、0.05mol/LNa-CaCOpH7.2缓冲液4℃下前固定，3h后在液氮中断裂，然后再用1%锇酸后固定，乙醇系列脱水，丙酮和乙酸异戊酯过渡，CO2临界点干燥，离子溅射镀金制样后用HitachiS-4800高分辨场发射扫描电子显微镜观察它们的断面结构。952试验结果2.1颖果的生长玉米在开花授粉后颖果的形态、色泽、鲜干重变化，以及颖果中各组织对I2-KI、TTC和EvansBlue的染色反应情况如图1所示。100图1玉米颖果的发育和纵剖面的化学染色Fig.1Maizecaryopsisdevelopmentandlongitudinalsectionchemistrystaining品种：掖单13。A．颖果的鲜干重和含水率在发育过程中变化曲线。B．不同发育天数颖果的形态。C．颖果纵剖面TTC染色。红色部分为脱氢酶活性高的部位。D．颖果纵剖面I2-KI染色。深蓝色部位为含淀粉的部位。E．EvansBlue染色蓝色的部位细胞已死亡105中国科技论文在线玉米颖果的鲜重和干重的增长曲线均为“S”形(图1，A)，呈现“慢—快—慢”的变化。颖果鲜重在授粉后5～20d中增长较快，到授粉后20d时生长放慢，授粉后30d后鲜重下降。干重在授粉后10～30d中增加较快，授粉后30d后增加变缓。含水率在授粉后15d前较高，90%～80%。其后随着灌浆时间的推进和颖果干重的增