“育新号”花药营养物质代谢与花粉败育的关系

10.4.2　“育新1号”花药营养物质代谢与花粉败育的关系

“育新1号”不育系与“宁杞1号”可育系花药采用树脂厚切片法，经组织化学染色后，多糖PAS反应呈阳性，红色，淀粉粒为红色颗粒。脂类苏丹黑B染色呈阳性，黑色颗粒。蛋白质考马斯亮蓝染色呈阴性。表明，枸杞不育系与可育系一样，花药发育过程中积累储存的营养物质是淀粉粒和脂滴，没有储藏形式的蛋白质。

10.4.2.1　“育新1号”花药淀粉粒和脂滴的积累与分布特点

小孢子母细胞时期小孢子母细胞减数分裂前，“育新1号”花药发育及多糖和脂滴的积累、分布情况与可育系花药一样，淀粉粒很多且颗粒大，主要分布于药隔薄壁组织以及药壁的表皮和药室内壁中，脂滴颗粒较淀粉粒小，主要分布于小孢子母细胞、绒毡层和中层细胞中。减数分裂过程中，“育新1号”花药淀粉粒和脂滴分布情况没有发生变化。

四分体时期小孢子母细胞减数分裂结束后形成的四分体被厚厚的胼胝质壁包裹。此时，可育系花药淀粉粒分布同小孢子母细胞期，中层脂滴减少，绒毡层脂滴有所增加；四分孢子中也有少量脂滴分布。而“育新1号”中层和紧邻绒毡层的药隔薄壁组织细胞中聚积了很多脂滴，但是，绒毡层细胞几乎没有脂滴分布，并且表皮和药室内壁细胞中的淀粉粒积累减少。与此同时，药隔薄壁组织细胞中的淀粉粒急剧减少，几乎没有淀粉粒积累。这时，“育新1号”四分体与可育四分体一样，形态依旧正常，四分孢子胞质浓密，细胞核大，含有少量的脂滴。绒毡层细胞结构完整，细胞径向增大、胞质浓厚含有双核。表明，不育系花药减数分裂结束时形成的四分体和绒毡层细胞的结构和发育均正常，但是，花药中的淀粉粒和脂滴积累与分布出现了异常。从药隔薄壁组织淀粉粒和绒毡层脂滴的骤减现象看，推测，可能是药隔维管束多糖供应发生了障碍，绒毡层糖脂转化功能受阻，营养转化活动被中层及紧邻绒毡层的药隔薄壁组织所取代。

紧接着，“育新1号”绒毡层细胞迅速发生液泡化，细胞中出现了较多液泡，同时，细胞糖脂转化活动恢复，胞质中又出现了较多细小的脂质小滴。而中层脂滴量减少，表皮和药室内壁淀粉粒分布仍然较少。此时，四分体及四分孢子发育依旧正常。说明绒毡层首先开始发生退化。

随后，“育新1号”绒毡层细胞液泡增多、变大，细胞呈现出了明显的退化迹象，并且细胞中的脂滴较多，细胞壁较厚且多糖性质明显。与此同时，四分孢子胞质减薄，细胞中出现了少量的小液泡。表明，继绒毡层液泡化、退化之后，四分体也开始发生退化。

之后，四分孢子胞质中小液泡逐渐增多，并于胞质边缘汇聚，形成较大的液泡。而绒毡层细胞液泡化进一步加剧。随着四分孢子液泡化程度加深，其胞质边缘的液泡愈来愈多，并逐渐汇聚成较大的液泡，同时胞质迅速收缩、解体，而绒毡层细胞中的液泡化程度也达到了最大，细胞被众多液泡所充斥，同时胞质急剧减少、收缩、解体。接着绒毡层细胞中的液泡、脂滴、细胞质迅速解体、消失，细胞核收缩、减小，仅剩少量胞质包裹。中层仍然积聚有较多的脂滴。紧接着，绒毡层细胞核收缩、解体，仅在原位留有细胞壁的空架。同时，四分孢子的胞质、细胞核继续收缩、解体。且四分体因四分孢子解体而发生变形。最后，四分体残余的胼胝质壁被药壁完全吸收，绒毡层细胞残余的细胞壁塌陷、变形。与此同时，药壁表皮和纤维层中的淀粉粒仍旧较少，中层脂滴含量较多。最终残余绒毡层细胞壁也完全消失。此时，药隔薄壁组织依旧很少积累淀粉粒。

所以，“育新1号”绒毡层和四分体在药隔多糖营养物质输送骤减之后，依次以液泡化开始进入退化、解体程序，并且，二者以相同的细胞器解体顺序结束了退化过程。

单核花粉至花粉成熟可育系四分体形成之后，由于四分体胼胝质壁被绒毡层细胞分泌的胼胝质酶迅速降解，所以，四分孢子游离出来，进入了小孢子发育阶段。以后，小孢子经过一系列的发育过程，最后分化形成了成熟的二胞花粉。

在可育系花粉发育期间，可育系的绒毡层一般在小孢子发育过程中开始退化，在二胞花粉发育中期完全退化、消失。所以，与可育系相比，“育新1号”不育系绒毡层开始退化，退化过程以及退化末期的细胞学特点均有差异。整个退化过程的细胞学特征与正常可育系绒毡层细胞的程序性死亡不完全相同（见图10-7和图10-8）。

10.4.2.2　“育新1号”花药营养物质代谢异常与花粉败育关系

花粉的发育是一个十分复杂的过程，这期间包括了许多因子之间的相互作用，除了受基因调控外，花药，特别是绒毡层细胞多糖、蛋白质、脂类等营养物质的合成与分泌对花粉的发育也极为重要。绒毡层细胞营养物质不仅合成和分泌十分活跃，而且具有阶段特异性。在花粉不同的发育阶段，绒毡层细胞合成和分泌不同的营养物质，供给花粉不同的营养需求，如果绒毡层营养代谢途径发生异常，最后可导致花粉败育。

通常从花药药隔维管束运输来的可溶性多糖，经过药隔薄壁组织、药壁后被花粉吸收利用，过剩的多糖则以淀粉粒和脂滴的形式在花药特定组织中暂时储存起来，并且这些淀粉粒和脂滴的积累、分布形式随花粉的发育而呈现出规律性的变化，特别是绒毡层中的淀粉粒和脂滴分布状况。在白菜细胞核雄性不育花药中，由于绒毡层细胞的糖脂转化功能受阻，导致了小孢子败育。因此，花药源源不断输送营养物质和绒毡层正常合成、转化和转运营养物质对花粉的发育至关重要。本研究结果显示，不育系小孢子母细胞减数分裂前，药隔与药壁营养物质积累、分布与可育系相同。但是，减数分裂结束后，药隔薄壁组织中的淀粉粒急剧下降，表皮和药室内壁中的淀粉粒也大幅减少。同时绒毡层细胞几乎没有脂滴。所以，减数分裂结束后，不育系药隔维管束多糖输送、供应出现了障碍。由于药隔多糖营养供应减少，使得绒毡层细胞多糖含量减少，从而引发了绒毡层细胞糖脂转化活动受阻。因此，绒毡层细胞脂滴积累出现障碍。可以认为，绒毡层多糖转化脂类等物质的前提是细胞积累有足够的多糖。

图10-7　不育系与可育系花药发育早期营养物质分布特点比较

图10-8　不育系与可育系花药发育后期营养物质分布特点比较

此外，对淀粉含量测定结果也显示，可育花药发育过程中淀粉含量呈上升趋势，不育花药或花中的淀粉含量呈下降趋势，例如，小麦、水稻和玉米。究其原因，有人认为是淀粉降解快所致，有人认为是多糖向花药运输受阻所致，也有人认为是淀粉合成受抑所致，还有人认为是淀粉代谢失常所致。而本研究从花药结构、发育与淀粉粒分布情况来看，枸杞不育系营养代谢异常是因其药隔维管束多糖向花药运输受阻所致。对其他材料的组织学研究也证实了不育系的花丝或药隔维管束发育不良，使得营养物质向花药运输减少，最终导致花粉败育。

正常情况下，可育系枸杞花药发育过程中，大量淀粉粒一直分布于药隔维管束周围的药隔薄壁细胞、表皮和药室内壁，脂滴主要积累在绒毡层细胞中，并且在母细胞减数分裂后，绒毡层细胞中的脂滴增加较为迅速，为花粉的构建积累着结构和营养物质。说明可育系药隔维管束多糖营养供应充足，绒毡层细胞多糖转化、合成等活动旺盛。不育系药隔多糖供应在减数分裂后急剧减少，使得绒毡层细胞多糖含量减少，导致了绒毡层细胞多糖转化、合成脂质等营养物质的机制发生紊乱，引发了绒毡层提前进入细胞程序性死亡过程。由于绒毡层的提前降解，其蛋白质合成受阻，因而失去了合成和分泌胼胝质酶的能力。四分体由于胼胝质壁的长时间隔离，阻断了四分孢子的养分供应。四分孢子因养分缺乏，诱发了四分体解体。