水稻小穗柄中央維管束后韌皮部的發(fā)育

水稻小穗柄中央維管束后韌皮部的發(fā)育

水稻是重要的谷物。其結果表明，高羊茅的果皮豐度直接影響到水稻的產量。高羊茅的果皮豐度受許多因素的影響。作為一個特殊的糧食和肉類植物，其結構和功能是影響高羊茅收獲的因素之一。在一些糧食和經濟植物中，傳輸系統(tǒng)的結構和功能研究了一些糧食植物和經濟植物。近年來的研究表明，主要組成的輸入和輸出功能組成的導管和篩選管的發(fā)育具有細胞過程死亡的特征，即在發(fā)育過程中，退化或死亡是由基因控制的[9、10、11、12、13、14和15]。目前，主要是在光學顯微鏡下進行的。在這項工作中，我們使用了電子顯微鏡，重點觀察了水稻植株橫截面的中維管束后，以及沿果皮發(fā)育規(guī)律的超微結構，并對其功能進行了探討，為理論研究和提高水稻產量提供了寶貴的信息。1材料的固定和貯藏實驗材料分別于2003和2004年夏采自北京師范大學生命科學學院發(fā)育與分子生物學實驗室自種水稻稻田,選取生長良好的中花15號水稻不同時期的小穗柄.將材料置于φ=1%戊二醛溶液(pH=7.2,0.1mol·L-1磷酸緩沖液配制)中室溫固定3h后置于4℃冰箱過夜;w=1%的鋨酸室溫固定1~2h;系列酒精脫水,spurr樹脂包埋.LKB超薄切片機切片,切片經醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛雙染后,在日立H-100透射電子顯微鏡觀察照相.2中央維管束的韌皮部.水稻小穗柄中的維管束有1個大的中央維管束和3~5個小的邊維管束組成.中央維管束的韌皮部,包括原生韌皮部和后生韌皮部兩部分,原生韌皮部占韌皮部的比例很少,并很快出現細胞壁加厚而失去功能,由后生韌皮部行使功能.2.1大細胞生物學特性中央維管束后生韌皮部由篩管、伴胞和韌皮薄壁細胞組成.韌皮薄壁細胞1或2層,主要分布在韌皮部周圍;篩管和伴胞位于韌皮部中心.起初后生韌皮部區(qū)域的細胞形態(tài)相似,細胞壁呈波浪形,有大小不等的液泡1至幾個,液泡外的細胞質濃厚,細胞核體積大,位于細胞的中央,核質均勻,核仁大而電子密度高(圖1-1);細胞質中含有線粒體、質體和內質網,內質網多為單庫槽型,有的沿細胞壁排列,有的沿液泡膜排列(圖1-2).接著細胞進行數次分裂,從橫切面上看這些分裂幾乎均為不均等分裂,最后產生2種類型的細胞,一種是細胞質染色較深;另一種是細胞質染色較淺(圖1-3~5).前者細胞質非常均勻,內含1~3個大液泡,具有豐富的線粒體和粗糙內質網(圖1-3,5),有大小2種細胞,大細胞的胞質一般沒有小細胞的胞質濃厚,通常含有1個大液泡、大量的線粒體和粗糙內質網(圖1-3~5),大細胞進一步發(fā)育成篩管;而小細胞發(fā)育成伴胞,大小細胞之間的細胞壁呈波紋狀(圖1-4).這些后生韌皮部細胞可分為較清晰的3層(圖1-4),靠近木質部的為內層,這層細胞體積小,核大,液泡多,線粒體豐富(圖1-6).中間層和外層發(fā)育形成篩管和伴胞,一般中間層的細胞質最濃,線粒體豐富,含有光滑內質網和高爾基體.外層細胞體積最大,發(fā)育較中間層晚,胞質比較濃厚(圖1-4),往往形成大的篩管.2.2篩管分子的液泡膜的發(fā)育隨著發(fā)育的進行,中間層的篩管分子細胞體積進一步增大,細胞質濃厚,含有大量的核糖體.這時細胞中光滑內質網末端常膨大形成潴泡,附近常有高爾基體.潴泡逐漸變大,和原先的液泡融合,最后細胞中的液泡聯合在一起,形成大液泡(圖2-1),在液泡中有一些纖絲狀結構(圖2-2,3);液泡邊緣包繞其他細胞質,形成一個個小泡,這些細胞質在小泡中慢慢解體(圖2-4).液泡膜變得不再完整(圖2-5,6),有的篩管分子也會在液泡中形成多膜狀結構,中間包裹著少量的胞質(圖1-5).與此同時核內染色質開始凝集,核周腔膨大,染色質向核邊緣聚集(圖2-4~6).開花前13d,篩管分子的液泡膜徹底破裂,液泡膜與細胞基質之間界限消失,細胞質很少,有的篩管分子只剩下一些絮狀物質存在于細胞中,細胞核貼壁,核體積變小,并產生了凋亡小體(圖2-7).開花前1周左右,核解體消失,篩管分子中幾乎沒有什么細胞質存在,有的可見到不完整的膜結構包繞著質體(圖2-8),有些細胞內質體沿細胞腔周圍分布(圖2-9).觀察發(fā)現在韌皮部發(fā)育的早期質體就已經被液泡包繞(圖1-2,4),到此時可能由于液泡膜破裂而被釋放在細胞中.還有的細胞在細胞壁附近整齊堆疊著單層膜的結構,其上有很多核糖體,可能是退化的粗糙內質網,同時附近還有退化的線粒體(圖2-10).在靠近木質部的篩管分子中,有的細胞內存在一些染色質凝集后留下的短棒狀結構,而且核膜仍然近乎完全(圖2-11).膜破裂后,這些短棒狀結構被釋放到細胞腔內(圖2-12).在細胞壁附近有很多退化的膜結構堆疊在一起,其上附有一些顆粒狀物質(圖2-12).2.3篩間連絲網絡形貌在篩管分子發(fā)育表現出細胞退化特征時,伴胞仍然保持良好的細胞結構,其退化時間比篩管分子晚.開花前13d左右,篩管細胞已產生凋亡小體時,伴胞中的細胞核正常,核大、核仁明顯、核膜完整;細胞中有豐富的線粒體、內質網、少量的淀粉粒與高爾基體(圖3-1).粗糙內質網均勻分布在細胞外周,高爾基體則分布于篩管和伴胞之間的胞間連絲處.大量的光滑內質網一端連接質膜,另一端伸向細胞內部,與內質網連接的質膜核和細胞壁間有一個空隙.有的光滑內質網末端膨大產生小泡,與線粒體緊密聯系(圖3-2).開花前3d時,細胞核的周圍出現了明顯的液泡;線粒體依然豐富,脊清晰可見;核內的染色質凝集開始邊緣化,凝集的染色質呈短棒狀;與篩管之間有豐富的胞間連絲(細箭頭)(圖3-3).在開花前1d時,伴胞中的各種細胞器才呈現退化跡象,線粒體嵴變得不清晰,各細胞器都逐漸凝集,并向液泡附近聚集(圖3-4).開花后7d左右,線粒體解體,解體開始發(fā)生時線粒體內部嵴紊亂斷裂成小棒狀結構,外膜出現缺口,同時線粒體附近的大液泡膜破裂;然后小棒狀結構從有缺口的線粒體膜中釋放出來進入液泡,殘留的線粒體膜變得電子密度很高或者與液泡膜融合(圖3-5),這時核內染色質進一步凝集,形成凋亡小體,小體中和小體外均有短棒狀的結構;在核中還可見到一種高電子密度的物質,正在進入小體之中或緊貼核膜(圖3-6).3內質網對子和伴胞生長的影響水稻小穗柄中央維管束的篩管分子和伴胞的發(fā)育有著大致相同的過程.首先是液泡的數量增加,體積增大;然后是細胞內細胞器的解體,正在解體的細胞器幾乎都靠近液泡或被液泡所包繞;接著液泡體積進一步增大,占據細胞的絕大部分體積,細胞質和細胞核被擠到細胞的邊緣.在細胞液泡化的早期,細胞核內的染色質就已經開始凝集并邊緣化;然后核變形,出芽形成凋亡小體,體積變小;最后液泡膜解體,細胞質凝集,核在細胞壁附近解體.這些結構的變化,特別是核的解體過程,體現了細胞程序性死亡的典型特征.目前有關研究普遍認為維管組織的導管和篩管可以通過細胞程序性死亡形成運輸水分和養(yǎng)分的通道[10,11,12,13,14,15].在杜仲次生木質部導管分子的細胞程序性死亡過程中主要是液泡和內質網執(zhí)行了溶酶體的功能,液泡和內質網可以溶解陷入其中的細胞組分;然后液泡膜破損后釋放出各種水解酶,使細胞結構進一步解體和自溶.在水稻小穗柄篩管分子和伴胞的發(fā)育過程中,我們觀察到液泡數目的增加與內質網有很大關系,表現為內質網庫槽的膜結構分開,進一步連接形成液泡,許多液泡膜與內質網膜相連;當液泡在細胞內具有一定規(guī)模時,液泡膜產生一些裂口,使附近的細胞器解體,可以見到在液泡中有膜包繞的其他細胞器和細胞質,這些細胞器和細胞質在液泡中漸漸解體.有的線粒體解體時其膜上會產生缺口,與液泡膜連接,推測這有利于水解酶直接進入線粒體,提高降解的效率.我們認為,雖然木質部導管分子與篩管分子輸導的物質不同,執(zhí)行功能時處于細胞程序性死亡的不同發(fā)育階段,即導管分子在細胞死亡后執(zhí)行輸導水分和無機鹽的功能,而篩管分子則在核消失和細胞器退化后執(zhí)行輸導有機物的功能,但兩者在細胞程序性死亡過程中卻表現出了相似的超微結構特點.我們的研究支持液泡在植物細胞的程序性死亡過程中發(fā)揮重要作用的結論.在水稻小穗柄中央維管束發(fā)育時,伴胞也表現出了細胞程序性死亡的特征,至今我們尚未見到有關伴胞細胞程序性死亡的報道.我們認為伴胞表現出細胞程序性死亡的特征可能與韌皮部喪失功能或水稻成熟時全株死亡有關.水稻是一年生植物,成熟時植株死亡,植株死亡前,連接源端與庫端的小穗柄的伴胞進入程序性死亡階段,韌皮部功能逐漸喪失,最終失去功能的韌皮部中的所有物質也進一步運送到穎果中去,這樣可以最大限度地利用光合產物.在水稻植株其他部分的伴胞,是否也會像小穗柄中的伴胞一樣表現出程序性死亡的特征?在其他的一年生或二年生植物中,伴胞的發(fā)育是否也與水稻小穗柄中的一樣?這些尚需進一步的研究.維管組織的結構和功能在一定程度上影響到穎果的充實度,小穗柄是連接小穗和穗軸的部分,光合產物通過小穗柄的韌皮部進入小穗中.從我們的觀察看,在開花前1周左右,中央維管束篩管分子的核消失,而伴胞沒有任何退化跡象,說明兩者進入功能執(zhí)行階段,可以將光合產物運送到正在發(fā)育的小穗中.開花時,伴胞表現出退化的特征,開花1周后,伴胞的細胞核和細胞器解體,這必然影響到中央維管束的輸導功能,由此可以推論小穗柄的中央維管束只在水稻花發(fā)育和穎果發(fā)育的早期有輸導的功能,后期穎果的充實可能主要由周圍小的邊維管束進行,關于小維管束的結構與發(fā)育研究,是我們進一步研究的內容.有關的研究表明,水稻中上部一次枝梗的小穗果實充實度比下部二次枝梗的高,有關兩者的維管束比較表明上部一次枝梗的韌皮部總面積高于二次枝梗,篩