小麦品种小麦穗部和颖果维管束发育规律研究

小麦品种小麦穗部和颖果维管束发育规律研究

小麦的水分和养分通过小麦的穗和颖果的维管束运输。维管束发育的质量和数量影响着种子的吸收和运输。穗部和英果维管束中的淀粉积累和呼吸强度最终影响种子的质量和产量。国内外关于小麦穗部和颖果中维管束的研究较多。李扬汉、徐是雄研究了小穗各组分中维管束的发育和走向变化。周竹青阐明了小麦颖果腹部维管束组分细胞超微结构与籽粒灌浆功能分析。李金才等分析了小穗轴维管束系统及与穗部生产力的关系。然而由于品种选择、样品数量、观察手段层次的不同,至今仍有不少问题有待进一步探讨。如李扬汉等所提出的小麦穗部各组分的发育和走向是否具有普遍性?小穗部与茎中维管束筛管、伴胞结构是否相同?对小麦穗部和颖果维管束的联络关系也少有详细的研究报道。因此,本试验研究了小麦穗部、颖果中维管束的形成、结构、数目、发育等规律,旨在为小麦良种选育及栽培管理提供理论依据。1材料和方法1.1品种与生育期供试小麦(TriticumaestivumL)品种为中筋小麦扬麦16,由江苏省扬州农业科学研究所提供。分期(10月25日和11月5日)播种,以延长开花期。用记号笔标记的颖花均为穗中部小穗基部的两朵花。1.2方法1.2.1粉与果维管的测定取开花后不同发育天数(每4d)的颖果,沿中部将其纵剖和横剖,用I2-KI染色,被染成蓝色的部分为含有淀粉处。1.2.2脱氢酶染色取开花后不同天数(每4d)的颖果,将其纵剖和横剖,用TTC(1,3,5一三苯基氯化四氮唑)染色,染成红色的部位为脱氢酶活性处,即是呼吸作用旺盛处。1.2.3试剂固定法将节片切块(约1mm),用戊二醛、锇酸等试剂固定,Spurr树脂浸透与包埋。制作半薄切片,甲苯胺蓝染色,用光学显微镜观察其基本结构。1.2.4维管束长、短轴长度采用徒手切片法,用荧光显微镜镜检维管束数目并测量维管束长、短轴的长度(取节片左、右、上、下4个位置维管束的平均值),维管束横截面积按近似椭圆形面积计算(S=πab/4),最后进行统计分析。1.2.5超微结构的测定取开花后不同发育天数(花后5、9、12、16、19、26、36d)的颖果,将其切成片段,先用2%GAL(戊二醛)、1%PAL(多聚甲醛)、0.05mol/LpH7.2CaCO(甲基砷酸钠)缓冲液前固定3h,后用1%锇酸后固定数小时,乙醇系列脱水,环氧丙烷置换,用低粘性的Spurr树脂浸透与包埋,先切1μm半薄切片,用1%TBO(甲苯胺蓝)染色,观察所有颖果维管束亚细胞水平结构,在此基础上再制作超薄切片,铅和铀双重染色,在透射电镜下观察颖果维管束的超微结构。2结果与分析2.1抗碘不染色结果扬麦16小穗轴维管束、颖果各部分对TTC和I2-KI的染色反应结果如表1所示。小穗轴对TTC染色反应表现在中央维管束组织,这是因为中央维管束中有许多含大量线粒体且呼吸代谢旺盛的薄壁细胞,这些细胞中的脱氢酶活性高,而皮层厚壁细胞以及周边维管束对TTC染色浅或不染色。在开花后8～28d,小穗轴中央维管束的TTC染色很红,这说明此时细胞呼吸较强,物质运输较快,其后随颖果日增重的下降,对TTC的染色变浅。当灌浆趋向停止时,小穗轴黄化,维管束不再染色,未灌浆的空粒小穗轴开花不久就对TTC不染色。这些结果都表明籽粒的灌浆与小穗轴中央、子房维管束的活力密切相关。开花时,小穗轴中通常没有淀粉粒,因而遇碘不染色。自花后4d起,小穗轴对I2-KI的染色呈色,小穗轴开始积累淀粉,呈色反应持续至花后24d左右,其后小穗轴遇碘不呈色,说明这以后淀粉积累终止。和小穗轴染色相比,子房腹部维管束对I2-KI染色更深、更持久,说明子房腹部维管束对淀粉的运输潜力更大。2.2颖果期维管束的发育总体来看,供试材料小麦颖果腹部维管束韧皮部中的筛管较多,而处在中部的木质部中的导管较少。如花后5d的颖果腹部维管束中部是9～12条导管,其外侧是呈半圆形分布的40条左右的筛分子,腹部维管束与胚囊中的胚乳细胞间有合点,合点上方为珠心突起(图版Ⅰ-1),该部位细胞和细胞核较大,细胞间隙大,有利于养分质外体输送。供试材料小麦颖果花后5d腹部维管束还没有完全分化成型,只有大量的果皮薄壁细胞包围在原维管束的周围(图版Ⅰ-1,见文后)。花后12d,较完善的输导组织已发育形成,筛管分子分布于维管束外侧,左右两部分对称,呈半圆形。在韧皮部薄壁细胞上方为木质部,有10多个导管(图版Ⅰ-2)。花后16d,腹部维管束发育成熟(图版Ⅰ-3),具有较强的输送养分的能力。花后19d观察颖果腹部维管束的超微结构(图版Ⅰ-4),发现,在颖果维管束中筛管周围有伴胞,形成典型的筛分子-伴胞复合结构,伴胞细胞基质浓厚,筛分子壁向内加厚,中间细胞的液泡化更加明显,中央大液泡几乎占据细胞大部分体积,原生质被挤到细胞的周缘。但颖果的伴胞或薄壁细胞的体积比筛管分子大,这与茎中相反,而且这些伴胞或薄壁细胞的细胞质浓,线粒体密度大,呼吸旺盛,代谢活跃,在功能上与茎中的伴胞不同。在其周围的薄壁细胞原生质染色较伴胞浅,其中有球状的线粒体,少量球形的质体。花后28d颖果腹部维管束薄壁细胞外形不规则,许多细胞壁向旁边的细胞内突出或细胞壁内陷(图版Ⅰ-5箭头处),大部分韧皮薄壁细胞胞核解体,并逐渐消失,线粒体数目变少,说明薄壁细胞物质转运能力开始下降。花后36d,输导组织被四周的胚乳细胞挤压,严重变形和破碎,输导功能已基本丧失(图版Ⅰ-6)。2.3维管束的形态穗轴节片维管系统的解剖结构与茎节间相似,各维管束大体排列为内、外两环(图版Ⅱ-1),外环的维管束较小,位于茎的边缘,大部分埋藏于机械组织中;内环的维管束较大,周围为基本组织所包围,每束维管束的外周有厚壁机械组织组成的维管束鞘包围。维管束排列呈一不连续的圆环状,小维管束位于绿色组织中,大维管束位于薄壁组织中。在维管束的两端,厚壁细胞较多,而且含有丰富的叶绿体,在荧光显微镜下可观察到呈红色(图版Ⅱ-2)。维管束鞘里面为韧皮部和木质部。木质部位于维管束的近轴部分,整个横切面的轮廓呈V形,V形的基部为原生木质部,包括2个环纹导管及少量木薄壁组织。在V形的两臂上,各有一个后生的大型孔纹导管(图版Ⅱ-3)。韧皮部位于木质部的外方,其中的原生韧皮部已被挤毁,后生韧皮部是由筛管和伴胞组成的,筛管较大,呈多边型,筛管旁边有三角形或长方形的伴胞,具有浓的细胞质和大量的线粒体。2.4中部与中部维管束数目比较由表2可知,穗轴节片大维管束数目沿穗轴位从下而上逐步减少,但下降幅度因节片位而异。上部和下部节片维管束下降幅度较少,而中部的下降较多。穗节片第1～6、7～12和13～18节片中大维管束数目分别平均下降0.83个、1.3个和0.9个,这与李金才等的研究结果相一致。由此表明,在中部穗轴节片中大维管束数目下降幅度较大,中部小穗通向小花的维管束增多,这是中部小穗先开花且粒重较高的解剖学原因。但小维管束数目变化规律与此相反,上部和下部节片维管束下降幅度较大,而中部下降幅度较小。2.5小穗内小鼠维管束与穗轴的连通小穗轴维管束是由下位穗轴节片内大维管束直接进入的,由于维管束的分支与合并,小穗轴基部维管束呈月牙状排列,有些形成维管束节板(图Ⅱ-4)。由表3可知,小穗轴基部维管束数一般为12～13条,来自于下位穗轴节片,每小穗内的第1小花基部维管束为6～7条,第2小花为5～6条,这两朵小花的维管束直接与小穗轴相连。第3、4小花为3～4条,其中1条往往来自下位花的分支,第5小花以上各花均为3条。小穗内第1、2朵小花维管束直接独立地来自小穗基部维管束结节,并观察到有一条维管束直接与穗轴维管束连通。第3朵小花的维管束部分直接来源于小穗基部维管束结节,第4朵以上小花主要来自其下位花的分支,因而营养物质对小穗基部第1、2朵小花、部分第3朵小花物质供应比较直接,因此小穗中、上部小花最终粒重较高。2.6维管束小自适应的无穗轴维管束的小枝条图-5同一穗轴节片中的维管束一方面向上位节片分支延伸,另一方面向本位小穗轴分支延伸,小穗轴基部维管束呈月牙状排列,进人小穗轴内的维管束,经过分支合并,形成一长圆形环,其长轴方向与穗轴维管束的长轴方向平行,由此分成两部分,分别进入第1、2朵小花(图Ⅱ-5),同时在短轴方向两端点维管束分支,向小穗轴上部延伸,并进一步分支合并,进人第3、4朵小花及上位各朵小花。每一小穗内第1、2朵小花的维管束直接与小穗轴相通,而小穗轴上部轴内维管束则是第2朵小花的维管束的小分支。进人各小花的维管束,同样经分支、合并,进入外稃、内稃、浆片、雌雄蕊。3小穗轴维管束的分布本研究表明,小麦穗轴节片大维管束数目由下向上呈递减趋势,上部和下部节片维管束下降幅度较少,而中部下降较多,这与前人研究的结果基本一致。造成各小花籽粒发育差异的原因,国内外学者存在一定的争议。Hanif等认为第1、2、3朵小花的维管束是和小穗轴直接相连的,而第4、5朵小花只能由那些提供第1、2或3朵小花的一个或多个维管束的分支来供应,而且位于第4、5朵小花的维管束比位于第3朵小花以下小穗轴的维管束小得多。华振基等观察了春小麦墨卡和永良4号,认为每1小穗第1、2朵小花维管束直接连于穗轴维管系统,并且和内、外颖维管束相通,唯第3、4朵小花间或第5朵小花,其外稃背部维管束由较下位花部分维管束分支而来。本研究观察扬麦16穗部维管束的分布规律,其结果与华振基等研究的结果一致。由于第1和2朵小花直接与小穗轴相连,营养物质供应比较直接,易形成强势粒,粒重较大,而第5朵以上的小花其维管束较少,营养物质运输较远和较少,易形成弱势粒,粒重较小或败育。穗轴中部节片(7～12小穗)平均每节片大维管束数