甜菜无融合生殖单体附加系M14雌配子体发育的超微结构观察

【目的】阐明甜菜无融合生殖单体附加系M14雌配子体发育的超微结构特征。【方法】以甜菜无融合生殖单体附加系M14(Beta vulgaris L.VV+1C、2n=18+1)为实验材料,利用电子显微镜技术对其雌配子体的发育过程进行研究。【结果】甜菜无融合生殖单体附加系M14为兼性无融合生殖体,二倍体孢子生殖为蝶须型(Antennaria-type)和韭型(Allium odorum-type),有性生殖为蓼型(Polygonum-type)。蝶须型为主要发育方式,超微结构特征为:雌配子体发育速度较快,从功能大孢子直到细胞化雌配子体时期,细胞器的种类与数量呈现增长趋势:细胞核核仁较大,存在核仁泡,核孔明显;核糖体数量多;线粒体的数量一直较多,从二核雌配子体出现内嵴,膜的结构变得清晰,八核雌配子体的线粒体基质呈电子透明状,细胞化后期恢复到原来的状态;质体的数量变化不大,形状多样,有的含淀粉粒;内质网呈分枝的管状或交织成索状分布在细胞核、液泡或细胞壁附近;高尔基体的数量相对较少,但在未退化的助细胞中十分丰富,活跃地分泌小泡;脂滴一直都存在,常与液泡及线粒体相互靠近;细胞化后期,绝大多数雌配子体的助细胞先后退化,极少数雌配子体只有一个助细胞退化,另一个宿存。韭型与蓼型雌配子体发育速度较慢,与蝶须型相比,直到单核雌配子体时期未见细胞器种类与数量发生明显变化。蝶须型与韭型、蓼型雌配子体仅在功能大孢子与单核胚囊时期通过是否有胼胝质壁加厚以及珠孔端有无退化的细胞痕迹进行区分。【结论】蝶须型、韭型、蓼型雌配子体发育过程中的超微结构特征差异明显,蝶须型雌配子体从功能大孢子至细胞化时期,雌配子体体积增大,细胞器的种类与数量随之增加,呈现代谢旺盛状态。推测蝶须型雌配子体在其后的发育中占优势。单核雌配子体之前依据珠孔端是否有退化细胞痕迹以及有无胼胝质壁加厚可将蝶须型与韭型、蓼型从结构上予以区分。韭型、蓼型从功能大孢子至单核雌配子体时期,雌配子体的体积以及细胞质的成熟程度均呈缓慢增长趋势。推测在其后的发育过程中大量退化。

甜菜无融合生殖单体附加系M14大孢子发生期间细胞壁胼胝质的变化

应用脱色苯胺蓝诱导荧光法观察了甜菜单体附加系M14(Beta vulgarisL,.VV+1C、2n=18+1)正常有性生殖与二倍体孢子生殖时,大孢子发生期间细胞壁内胼胝质的变化。结果表明,韭型(Allium odorum-type)胚囊大孢子发生时,自大孢子母细胞的珠孔端细胞壁内出现胼胝质荧光,并逐渐扩展到整个细胞壁,中期Ⅰ至末期Ⅰ细胞壁呈现胼胝质荧光。二分体时,珠孔端大孢子细胞壁内胼胝质荧光消失,二分体之间的横壁以及合点端功能大孢子的侧壁上荧光明显。二倍体功能大孢子的合点端细胞壁内的胼胝质荧光消失。单核胚囊形成后,其细胞壁内无胼胝质荧光,而退化的大孢子细胞壁胼胝质荧光显著。蝶须型(Antennaria-type)胚囊大孢子发生时,大孢子母细胞、二倍体功能大孢子的细胞壁均无胼胝质荧光。蓼型(Polygonum-type)胚囊大孢子母细胞减数分裂时,其珠孔端细胞壁出现胼胝质荧光,并逐渐扩展到整个细胞壁。二分体、三分体、四分体时期,胼胝质荧光主要存在于大孢子之间的横壁上,侧壁内胼胝质荧光较弱。退化的大孢子细胞壁胼胝质荧光明显,功能大孢子细胞壁上缺少胼胝质荧光。此外,还讨论了大孢子母细胞减数分裂与细胞壁内沉积胼胝质之间的相关性。

甜菜无融合生殖单体附加系M14大孢子发生的超微结构

应用透射电镜技术探求甜菜单体附加系M14(Beta vulgaris L.,VV+1C,2n=18+1)有性生殖大孢子与二倍体孢子生殖大孢子发生时的超微结构特征,了解有性生殖和无融合生殖起始细胞的超微结构差别。甜菜单体附加系M14为兼性无融合生殖体,大孢子发生有韭型、蝶须型和蓼型3种类型。韭型和蓼型大孢子发生时均起源于大孢子母细胞,二分体之前从形态结构上难以区分;减数分裂前期I,细胞核中出现核液泡,形成联会复合体,细胞质改组,细胞壁上沉积胼胝质。韭型大孢子发生时,只进行减数第一次分裂,不发生减数第二次分裂,形成二分体,珠孔端二分体细胞退化,合点端二分体细胞发育为二倍体功能大孢子。蓼型二分体的珠孔端细胞在减数第二次分裂前或分裂过程中退化,合点端细胞经减数第二次分裂形成两个细胞,构成三分体,最终合点端大孢子发育为单倍体功能大孢子。蝶须型大孢子发生是M14中唯一的二倍体孢子无融合生殖方式,其大孢子发生时大孢子母细胞不发生减数分裂,不出现核液泡,未形成联会复合体,无细胞质改组,细胞壁上缺乏胼胝质的沉积和缺乏胞间连丝,这些可作为二倍体孢子无融合生殖的鉴定指标。

甜菜无融合生殖单体附加系M14花粉发生与发育的超微结构研究

运用透射电子显微镜技术,对甜菜无融合生殖单体附加系M14的小孢子发生、雄配子体发育以及相应的花药壁发育过程进行超微结构的观察研究,以阐明甜菜无融合生殖单体附加系M14花粉发生与发育超微结构特点以及花粉败育的时期和败育的细胞学特征.结果显示:(1)小孢子母细胞减数分裂正常,分裂期间细胞质具有明显的细胞质改组"现象,主要表现在核糖体减少,质体、线粒体的结构发生规律性的变化,有利于孢子体向配子体的转变.M14减数分裂的胞质分裂为同时型,前期Ⅱ和中期Ⅱ形成细胞器带";正常发育的花粉,小孢子分裂形成营养细胞和生殖细胞;生殖细胞脱离花粉壁,生殖细胞游离于营养细胞的细胞质中,最初具细胞壁,而后消失,且生殖细胞壁成分与花粉内壁成分相似.(2)三细胞型的成熟花粉含有一个营养细胞和两个具有尾突的精子;每个精子通过两层质膜与营养细胞隔开,含有一个大的精核,长尾突内含少量的细胞质以及纤丝状结构.(3)生殖细胞和精子中缺乏质体.(4)花粉的败育起始于小孢子,大部分受阻于单核-二细胞花粉期,其败育特征为花粉内液泡吞噬作用导致细胞器解体,绒毡层细胞过早解体或肥大生长致使营养供应受阻,可能是导致单核-二细胞花粉败育的主要细胞学原因.研究表明,白花甜菜第九号染色体的附加可能是导致M14大量花粉败育的遗传学因素.

甜菜单体附加系M14种子形成方式

以具有显性标记性状的红叶柄栽培甜菜为父本与绿叶柄M14甜菜杂交,观察F1植株叶柄颜色;利用SSR标记分析甜菜M14世代间的遗传相关性。结果显示,甜菜单体附加系M14传递率维持在较高水平;在人工去雄授粉条件下,F1代植株叶柄颜色均为红色,甜菜M14通过接受外来遗传物质及精卵结合的有性生殖方式繁殖种子;M14株系中不存在与其母本株SSR标记基因型精确相同的植株。表明甜菜M14通过精卵融合的有性生殖而非无融合生殖形成种子。Southern杂交结果显示,从甜菜M14反转得到的栽培甜菜染色体中普遍含有白花甜菜DNA,暗示甜菜M14形成雌配子体及卵子过程中存在减数分裂过程和较高频率的染色体畸变。推测甜菜单体附加系M14高频传递现象可能是由于附加的白花甜菜第9染色体具有杀配子功能。

甜菜单体附加系M14与栽培甜菜蛋白质的SDS-PAGE比较分析

利用SDS-PAGE电泳比较分析了甜菜单体附加系M14与栽培甜菜在花蕾期蛋白水平上的差异.对甜菜单体附加系M14与栽培甜菜花蕾期蛋白的SDS-电泳图分析后,样品分别获得41与40条蛋白质条带,以栽培甜菜为对照甜菜单体附加系M14在花蕾期特异表达了3条蛋白质带,表达缺失了2个条带,初步推测其中可能有与M14进行无融合生殖相关蛋白质.

不同激素水平对甜菜单体附加系M14产生愈伤组织的影响

在植物细胞全能性学说的基础上,采用单因子实验,分析比较了细胞分裂素6-BA（6-苄基氨基嘌呤）,生长素2,4-D（2,4-二氯苯氧乙酸）,生长素NAA（萘乙酸）等3种植物激素对甜菜M14单体附加系产生愈伤组织生长的影响。实验结果表明,诱导愈伤的最佳培养基为MS＋6-BA（0.05mg/L）＋2,4-D（1.0mg/L）＋NAA（0.1mg/L）,6-BA的质量浓度为1.0mg/L时有利于芽的形成,NAA质量浓度为0.05mg/L时有利于形成愈伤组织。