水稻胚乳组织的结构观察

【目的】阐明水稻糊粉层细胞、亚糊粉层细胞与中心胚乳贮藏细胞的结构特性。【方法】采用光镜、透射电镜与扫描电镜对水稻胚乳组织进行观察研究。【结果】糊粉层细胞分化过程中,大液泡变成小体积蛋白贮存液泡,蛋白贮存液泡又转变成糊粉粒。颖果背部比腹部有更多层糊粉层,但背部糊粉层细胞内糊粉粒的形成与积累速度却较慢。亚糊粉层细胞起初含有一些脂质体,后来脂质体消失,而其内部淀粉体与蛋白体逐渐增多。中心胚乳贮藏细胞含有淀粉体与蛋白体,蛋白体以液泡型蛋白体为主,它们可以相互融合而变大。中心胚乳贮藏细胞内的淀粉积累速度明显快于亚糊粉层细胞内的。成熟颖果的中心胚乳贮藏细胞内淀粉体最为密集,背部和侧部的亚糊粉层细胞内淀粉体排列较疏松,腹部的亚糊粉层细胞内淀粉体最为稀疏。【结论】水稻颖果背部与腹部的糊粉层细胞和亚糊粉层细胞的结构差异可能与养分吸收与转运有关;中心胚乳贮藏细胞内淀粉体发育速度快于亚糊粉层细胞。     

谷物糊粉层发育的调控机制及其育种应用

植物最外层胚乳细胞在种子发育过程中分化为糊粉层细胞，其在形态和生理功能上均显著区别于内胚乳细胞。与淀粉胚乳不同，糊粉层富含蛋白质、脂类、维生素、膳食纤维、矿质元素和抗氧化物等多种营养物质。同时，在种子萌发过程中，糊粉层细胞能够分泌淀粉酶和蛋白酶分解种子内积累的储藏物质，为种子萌发提供能量。目前利用突变体材料，克隆了一些控制糊粉层细胞分化的关键基因，相关研究极大深化了我们对糊粉层细胞命运决定的认识。同时，由于糊粉层富含各种营养物质，增加糊粉层细胞层数可以作为改良谷物营养品质的一个重要手段。本文主要以水稻及其他谷类作物为例，系统介绍了糊粉层细胞分化和发育的过程，并对其遗传调控机制进行总结梳理，同时对利用糊粉层相关性状进行稻米品质改良可能存在的问题及其对策进行了探讨。     

同源四倍体水稻胚乳发育:糊粉层细胞壁纤维素物质发育、胚乳淀粉积累及胼胝质“套”的形成

 利用荧光显微术观察，发现同源四倍体水稻与其二倍体原种的糊粉层细胞壁纤维素物质都存在一个“充实”的过程。授粉后5～6 d，糊粉层开始分化形成，此时其细胞壁上未观察到纤维素物质；授粉后6～8 d，糊粉层细胞壁上开始积累纤维素物质；授粉后8～9 d，糊粉层细胞壁积累了大量的纤维素物质。胚乳淀粉的积累存在一个变化的过程：初生胚乳核周围可见一些淀粉体，随着胚乳游离核的增多，游离核周围淀粉体的数量逐渐减少，胚乳细胞化后，胚乳细胞内开始大量形成淀粉体。利用苯胺蓝染色连续切片荧光观察，发现同源四倍体水稻及其二倍体原种胚乳发育过程中，在珠心表皮和内珠被之间存在一层胼胝质物质，围绕着胚囊并包裹住珠心呈“套”状。这个结构的形成变化过程为：授粉后30 min在珠孔端珠心表皮细胞与内珠被之间开始积累少量的胼胝质，之后胼胝质逐渐增多并向合点端扩展延伸；授粉后1～2 d包裹着整个胚囊外的珠心而仅在维管束处断开；授粉后9～13 d，胼胝质“套”消失。该结构可能与胚和胚乳在发育期间的水分和养分的调节等有密切关系。同源四倍体水稻还存在糊粉层细胞壁发育不同步、糊粉层细胞壁结构异常以及胼胝质“套”不消失等异常现象。这些现象有可能会影响同源四倍体水稻的结实率。     

小麦胚乳传递细胞发育的结构观察

为从细胞学方面了解小麦产量和品质的形成机制,以扬麦5号为材料,利用光镜和透射电镜观察了小麦颖果发育过程中胚乳传递细胞的结构变化,并探讨了胚乳传递细胞的生理功能。结果表明：（1）胚乳传递细胞是胚乳发育过程中最早分化的细胞类型,它们发生在紧邻胚乳腔的胚乳表层,由位于外侧1~2层糊粉层传递细胞和位于内侧1~2层内胚乳传递细胞构成;（2）颖果发育成熟时,内胚乳传递细胞核衰亡,糊粉层传递细胞核依然完整;（3）胚乳传递细胞发育呈明显的极性,且具时空性;（4）糊粉层传递细胞胞质较浓,富含粗面内质网、线粒体、高尔基体和脂质体;质膜皱褶,在局部区域外翻,形成众多的原生质管;（5）内胚乳传递细胞胞质较稀,液泡化程度较高,富含淀粉体;（6）胚乳传递细胞未加厚以及未形成壁内突的壁区域分布有大量的胞间连丝;（7）胚乳传递细胞中线粒体呈极性分布,即质膜附近线粒体的密度较大。根据胚乳传递细胞的结构特点推测,经胚乳传递细胞的养分输送既可通过质外体途径又可通过共质体途径来完成。     

同源四倍体水稻胚乳发育:极核融合和胚乳细胞化

利用激光扫描共聚焦显微术和塑料包埋半薄切片技术观察同源四倍体水稻极核融合及游离核进一步发育的过程,发现同源四倍体水稻约有1/3子房极核融合过程和游离核进一步发育与其二倍体原种的基本一致;2/3子房出现各种异常现象,如极核未受精、受精异常和胚乳游离核发育滞后等。应用荧光增白剂染色对胚乳细胞化过程进行观察,直接观察到胚乳初生壁的出现和形成过程以及不同部位的胚乳细胞壁的形成机理。表明同源四倍体水稻与二倍体水稻胚乳的细胞化过程基本一致,胚乳细胞初始垂周壁来源于珠孔端胚囊壁内突向心游离生长,初始平周壁来源于游离核有丝分裂产生的成膜体,而中间胚乳细胞壁则有些来源于游离核有丝分裂产生的成膜体,有些是自由生长而来。同源四倍体水稻胚乳细胞化过程也出现相当比例的异常现象,如无细胞壁形成、细胞化不同步和产生分枝状的细胞壁等。同源四倍体水稻胚乳发育过程中出现的极核融合、游离核发育和细胞化过程等异常都可能导致同源四倍体水稻的结实率降低。     

不同锌效率基因型水稻籽粒中矿质元素的原位微区分布研究

 采用同步辐射（SRXRF）结合ICP MS研究了足Zn条件下不同锌效率水稻籽粒中Zn及其他矿质元素的微区分布特征。结果表明SRXRF技术可高效分析水稻籽粒锌等矿质元素的微区分布特征。水稻籽粒中K和Ca元素的分布特征与其余4种元素相关不显著,而Zn、Fe、Cu、Mn元素的含量分布相互间则显著相关;水稻籽粒中K含量最高,移动性也最强,精米中K含量可达颖壳的52.6%~90.6%,而Ca在颖壳中含量最高。其余矿质元素含量最高值均出现在糊粉层;Zn、Fe等元素主要集中在水稻籽粒的胚及糊粉层等外层功能组织,在胚乳中由外向里呈递减趋势。此外,锌高效基因型IR8192在水稻籽粒各部位的Zn含量均低于锌低效基因型二九丰。可见,与锌低效品种相比,锌高效品种仅在低Zn水平下表现出更高的锌吸能力及利用效率,在足Zn条件下并无籽粒富锌特征。     

水稻糊粉层PCD过程细胞形态观察

糊粉层细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)是水稻(Oryza Sativa L.)种子萌发过程中的关键事件。为探明水稻糊粉层细胞程序性死亡过程中细胞形态的变化,利用荧光显微技术结合染色方法对不同萌发时间的水稻种子糊粉层细胞形态进行了观察。结果显示:糊粉层细胞死亡过程中液泡呈现2种变化类型,液泡化的最终形态也有所差异;糊粉层细胞死亡的发生与液泡化程度紧密联系,并且与胚的生长及距离有明显的时间效应和位置效应。     

两个玉米品种胚乳发育的比较

以农乐988和扬糯1号两个品种的玉米颖果为材料,利用树脂半薄切片、组织化学染色及生理测定等方法研究胚乳组织和细胞的发育过程。结果表明,两个玉米品种粒重及淀粉含量的变化呈S形生长曲线;可溶性糖变化呈单峰曲线,授粉后12 d含量最高;总蛋白含量在授粉后6 d较高。颖果粒重和总蛋白含量农乐988>扬糯1号;可溶性糖及淀粉含量扬糯1号>农乐988。授粉后0~2 d胚乳处在游离核期,授粉后3~5 d胚乳处在细胞化期,授粉6 d以后胚乳细胞开始分化,内胚乳细胞出现淀粉体和蛋白体。胚乳中淀粉的积累由颖果顶端向基部、由胚乳外层向中央推进。扬糯1号胚乳发育较提前,失活较晚;农乐988胚乳发育相对滞后,失活较早。玉米胚乳发育和颖果发育关系紧密,胚乳游离核期和细胞化期相当于颖果形成期,胚乳分化期相当于颖果乳熟期,胚乳成熟期相当于颖果蜡熟期与完熟期。     

四个不同粒重水稻品种颖果发育的比较

 以粒重差异较大的4个水稻品种为供试材料,采用树脂切片、酶解胚乳细胞和显微观察等方法,比较研究了品种间在颖果生长、胚乳细胞增殖、果皮和胚乳结构等方面的差异,探讨了影响颖果生长的因素。 大粒品种颖果发育时间较小粒品种长,其胚乳细胞数、胚乳干质量及单个胚乳细胞平均干质量均高于小粒品种。在粒重相近的情况下,籼稻颖果发育和淀粉积累快于粳稻。与小粒品种相比,大粒品种子房壁细胞中淀粉粒多,子房壁细胞生长的持续时间长,果皮及背部维管束衰亡迟。 小粒品种胚乳外层细胞在花后7 d已转化成糊粉层细胞,大粒品种胚乳外层细胞要在花后10 d才转化成糊粉层细胞。 大粒品种的库容大和生理活性期长是其颖果能显著增大的生理原因。     

不同类型专用小麦品种胚乳发育的比较研究

为揭示不同类型专用小麦品种胚乳发育的差异,以强筋小麦皖麦38和弱筋小麦扬麦9号为材料,比较了两者胚乳细胞游离核分裂状况、细胞数目的增殖变化、细胞体积的变化、糊粉层发育、淀粉体和蛋白质体发育等内容,主要结果如下：（1）皖麦38游离核有丝分裂所占比例较大,扬麦9号无丝分裂所占比例较大,且受温度影响较大;（2）胚乳细胞增殖均呈"S"型曲线变化,皖麦38胚乳细胞增殖较快,胚乳体积较大,最终粒重较高;（3）皖麦38胚乳细胞中大淀粉体数目多于扬麦9号,而小淀粉体数目表现却相反;（4）皖麦38与扬麦9号相比较,糊粉层出现时间较晚,而且糊粉层细胞壁较厚,被甲苯胺蓝染色更浓;（5）成熟籽粒中淀粉粒形状有饼形、椭圆形和近圆球形三种。皖麦38胚乳中饼形和椭圆形淀粉粒较多,且相互结合较紧密;扬麦9号饼形和近球形淀粉粒较多,胚乳结构疏松。     

Structural and Histochemical Characterization of Developing Rice Caryopsis

The development of pericarp, seed coat, starchy endosperm and aleurone of the rice caryopsis was investigated, histochemically and structurally, from the time of flowering to maturity. The results showed that during its growth, the maximum length of the caryopsis was attained first, followed by width and then thickness. Histochemical examination of the caryopsis showed that starch was mainly accumulated in the endosperm, but the endosperm showed no metabolic activity, while embryo and pericarp contained a few starch grains, and embryo and aleurone were strongly active. Aleuronic cells contained many aleurone grains and spherosomes, and aleurone in the dorsal region developed earlier and contained more layers of cells. Amyloplasts in endosperm contained many starch granules and were spherical at early stages but polyhedric at late stages. The protein bodies appeared later than amyloplasts, and the number of protein bodies in subaleurone was greater than those in the starchy endosperm. The white-belly portion of endosperm might be relative to the status of amyloplast development.     

Endosperm Development in Autotetraploid Rice

By using the laser scanning confocal microscope and plastic （Leica 7022 historesin embedding kit） semi-thin sectioning technique, comparative studies on the development of endosperm were carried out between autotetraploid and diploid rices. About one third of the ovaries in the autotetraploid showed normal endosperm development as those in the diploid. In these ovaries, one of the polar nuclei would fuse with the sperm nucleus, and the primary endosperm nucleus formed and underwent the first division in 4 hours after pollination; the anticlinal wall began to grow centripetally between the free nuclei starting from the wall ingrowths of the embryo sac near the micropylar end, and some of the phragmoplasts formed transformed into periclinal walls. In addition, some of the cell wall situated in the middle of the endosperm appeared to originate from phragmoplasts, whereas others seemed to develop randomly without the obvious formation of phragmoplasts. Cellulose began to accumulate in the wall of aleurone cell layer at 6 days after pollination. The cellulose wall of the cells of the aleurone cell layer appeared to have completely formed within 7 to 8 days after pollination. On the other hand, about two thirds of the ovaries in the autotetraploid showed abnormality in endosperm development with various types, such as non-fertilization, abnormal fertilization, endosperm development-delay and non-synchronization in the development of cellulose wall of cells of the aleurone layer. These abnormalities usually resulted in decreased seed setting in autotetraploid rice.     

干旱胁迫下小麦颖果内源激素的变化及其与胚乳发育的关系

为探明干旱胁迫下小麦颖果内源激素与胚乳发育的关系,以小麦品种扬麦16为材料,在幼苗返青至颖果成熟阶段进行干旱处理,采用树脂切片及显微摄影等技术观察小麦颖果和胚乳细胞发育的形态结构特征,并通过酶联免疫吸附法测定颖果生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA_3、GA_4)、玉米素核苷(ZR)、二氢玉米素核苷(DHZR)的含量。结果显示,干旱胁迫缩短了小麦颖果发育进程,促进颖果早衰,导致颖果发育不良;显著降低了籽粒千粒重、可溶性糖含量和总淀粉含量,提高了蛋白质含量;促进颖果发育早期胚乳细胞分裂和淀粉积累,抑制了发育后期胚乳细胞的分裂、体积扩大和淀粉体充实,并提高了颖果整个发育过程中胚乳蛋白体的积累;提高了颖果发育前期IAA、GA_3、GA_4、ZR和DHZR的含量,ABA含量在整个发育时期均较高。说明干旱胁迫能通过影响颖果内源激素的积累来调控胚乳发育。     

小麦内胚乳细胞及其淀粉体的发育

为了探明小麦内胚乳细胞发育和淀粉体生长的规律,以不同发育天数的小麦颖果为材料,利用树脂半薄切片和胚乳细胞分离等方法研究了内胚乳细胞及其淀粉体的形态、数目和生长过程.结果如下:(1)小麦内胚乳细胞呈不规则的多面体形态,内含大、小两种淀粉体,大淀粉体呈鹅卵石形,小淀粉体呈圆球形;(2)内胚乳细胞的生长呈“S”型曲线,花后16～24 d是细胞生长最快的时期;(3)大淀粉体的增殖和生长主要在花后4～16 d进行,小淀粉体在花后16 d大量出现并快速增殖,至胚乳发育后期小淀粉体数量占内胚乳细胞淀粉体总量的90％以上;(4)内胚乳细胞核在颖果发育中、后期发生衰亡,淀粉体在核衰亡过程中仍然能增殖和生长.     

小麦乙烯响应转录因子基因 wfzp突变体颖果发育的研究

小麦WFZP基因编码的乙烯响应因子是植物中特有的转录因子，参与果实成熟、花叶器官衰老、脱落和种子发育等过程。为探明 wfzp基因突变对小麦颖果发育的影响，以甲基磺酸乙酯诱变的两个 wfzp基因突变体（ wfzp1和 wfzp2）和野生型小麦品种济麦22为材料，运用树脂超薄切片和显微观察技术观察小麦WFZP基因突变体颖果的形态结构发育特征。结果显示， wfzp突变体颖果发育有如下特征：（1）在颖果发育早期，两个突变体的外果皮发育进程较快，中果皮降解时间提前； wfzp1内果皮管细胞消失较快，与 wfzp1突变体相比， wfzp2突变体的管细胞发育缓慢；（2）两个突变体胚乳细胞的分化和发育明显较快，细胞中淀粉和蛋白体的积累量明显增多，细胞的充实度高，尤其在 wfzp2突变体中表现较为明显；（3）两个突变体胚乳传递细胞与糊粉层传递细胞的生长分化进程加快。研究结果为进一步探究乙烯响应转录因子调控小麦颖果发育提供了形态学参考。     

Effects of Nitrogen Application Time on Caryopsis Development and Grain Quality of Rice Variety Yangdao 6

A pot experiment was conducted to study the effects of different nitrogen application time(during the tillering or the booting stages)with the same nitrogen rates on the caryopsis development and grain quality of rice variety Yangdao 6.The increased nitrogen fertilizer(urea),especially applied during the booting stage,could evidently increase the milled rice rate,head rice rate and protein content in rice grains compared with the control(no nitrogen application),and decrease chalky grain rate and amylose content.Moreover,the increased nitrogen fertilizer significantly affected the caryopsis development and enhanced the grain weight when nitrogen applied during the tillering and the booting stages,especially during the booting stage.During caryopsis development the increased nitrogen fertilizer applied during the tillering and booting stages could obviously decrease the total starch and amylose contents,but not obviously for the amylopectin content in rice grain.Increased topdressing of nitrogen fertilizer,especially applied during the booting stage,had significant effect on the development and structures of amyloplasts and proteinoplasts.That is,it could change the distribution,number and shape of amyloplasts and proteinoplasts in the endosperm cells especially in grain abdomen.Compared with the control the arrangements of amyloplasts and proteinoplasts were closer,with more numbers,higher density and less interspaces each ohter.Furthermore,most amyloplasts showed polyhedron under the increased nitrogen fertilizer level.