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水稻小孢子母细胞的减数分裂及花粉粒的提取.docx

花匠小妙招
2024-12-26 07:10

水稻小孢子母细胞的减数分裂及花粉粒的提取作为一种开花的单一叶植物，水稻雄性繁殖的显著特征是六片花瓣。在孢子体基因和配子体基因共同作用下, 小孢子母细胞在花粉囊中进行减数分裂产生小孢子, 小孢子进一步发育成花粉粒。当花粉囊裂开时, 成熟的花粉粒被释放出来 (Ma, 2005) 。任何参与雄蕊发育、孢原细胞分化、减数分裂、小孢子的有丝分裂、花粉分化或开花等过程基因的突变, 均能引起花药发育异常, 最终导致雄性不育 (Glover et al., 1988) 。近年来, 随着水稻基因组测序的完成、EST库和突变体库的构建及基因表达谱分析等工作的开展, 水稻花粉发育的分子机理研究取得了一定的进展, 发现了一些参与雄蕊决定、控制花粉囊细胞的分开和分化、控制雄性减数分裂和促进花粉开裂的关键基因。本文针对这些基因的功能以及和其它物种 (尤其是拟南芥) 中类似功能的基因的研究进行概述。 1 水稻花粉的发育水稻的雄性生殖发育是以孢子体世代 (伴随着雄性生殖器官雄蕊的产生和形成) 为起点, 有6个由花丝和花药组成的雄蕊, 花丝由表皮和维管束组成, 花药有4个药室, 分别由连接组织和维管束连接。目前发现的水稻雄性不育突变体大多是由于花药发育异常引起。花药是小孢子发育的场所, 造孢细胞增殖发育成花粉母细胞, 花粉母细胞经过减数分裂形成四分体, 随着包裹四分体胼胝质的降解, 小孢子被释放出来形成单核小孢子, 单核小孢子经过2次有丝分裂形成一个包含2个精子、1个营养细胞的成熟花粉, 随后花药开裂释放花粉进行受精作用 (Raghavan, 1997) , 完成了雄配子体发育过程。 Mc Cormick (2004) 根据Owen和Makaroff对拟南芥花粉超微结构的分析, 对花粉发育的过程进行了详细的描绘。Sanders将拟南芥花药发育过程分为15个时期, 其中第5-12共8个时期是花粉母细胞发育为成熟花粉粒的过程 (Sanders et al., 1999;Ma, 2005) 。冯九焕等 (2001) 以籼稻品种IR36为材料, 采用半薄切片技术、新鲜花药整体观察及游离的雄性细胞观察方法对水稻花粉发育全过程及其药壁组织进行了系统观察, 将水稻花粉发育过程划分为8个时期, 并描述了其超微结构特征 (卢永根等, 2002) 。2005年, Jun-Ichi Itoh等也将水稻花药的发育过程分成8个时期, 前4个时期是花药孢子体发育时期, 后4个时期是雄配子体发育时期 (Itoh et al., 2005) 。总之, 水稻花粉发育是一个连续的过程, 可以概括分为8个时期。 (1) 孢原细胞分化期:孢原细胞分化形成初生造孢细胞和初生壁细胞; (2) 小孢子母细胞时期:初生造孢细胞分化形成小孢子母细胞, 初生壁细胞分化形成3层壁细胞, 自此花药的4层壁形成; (3) 减数分裂时期:小孢子母细胞之间渐渐分离, 进入减数分裂, 整个减数分裂期小孢子母细胞、二分体及四分体均被胼胝质壁包围, 4层药壁细胞发生液泡化并开始降解; (4) 四分体时期:小孢子母细胞减数分裂完成后, 形成四分体, 胼胝质开始降解; (5) 小孢子早期:包围四分体的胼胝质壁解体, 四分孢子彼此分开, 呈现圆球形或椭圆球形, 并具有极薄的初生壁, 开始出现萌发孔的雏形; (6) 小孢子晚期:又称为单核靠边期或大液泡期, 此时中央大液泡形成, 小孢子核移至萌发孔对侧, 核的体积增大, 孢壁增厚, 绒毡层降解呈山丘状; (7) 二胞花粉期:小孢子核第1次有丝分裂, 形成较大的营养核和1个生殖核, 并有少量的物质合成, 绒毡层细胞的胞质降解加速, 仅有胞质残留; (8) 成熟花粉期:生殖核再经过1次有丝分裂, 形成2个精细胞, 花粉粒内充满了淀粉等贮藏物, 药壁各层细胞退化, 绒毡层消失。 2 控制水稻育种过程的重要基因 2.1 msp1基因对材料发育的作用和多数被子植物一样, 水稻花粉囊壁是由4层细胞组成, 即表皮层、内皮层、中层和绒毡层。最内层是绒毡层, 它直接包裹着小孢子母细胞及以后的小孢子。绒毡层细胞质中富含线粒体、内质网、高尔基体等细胞器, 代谢非常旺盛 (Bedinger, 1992) 。它可向花药室中分泌大量碳水化合物、脂类等物质, 为小孢子发育提供所需的营养或构成花粉外壁的重要成分 (Pacini and Franchi, 1991) 。绒毡层在花粉的发育过程中起着非常关键的作用, 任何影响绒毡层发育的突变, 都有可能导致花粉的败育 (Chaudhury, 1993;Wilson et al., 2001;Kapoor et al., 2002;Sorensen et al., 2002, 2003;Higginson et al., 2003) 。Chaubal等 (2000)