水稻小穗柄中央维管束后韧皮部的发育

水稻小穗柄中央维管束后韧皮部的发育

水稻是重要的谷物。其结果表明，高羊茅的果皮丰度直接影响到水稻的产量。高羊茅的果皮丰度受许多因素的影响。作为一个特殊的粮食和肉类植物，其结构和功能是影响高羊茅收获的因素之一。在一些粮食和经济植物中，传输系统的结构和功能研究了一些粮食植物和经济植物。近年来的研究表明，主要组成的输入和输出功能组成的导管和筛选管的发育具有细胞过程死亡的特征，即在发育过程中，退化或死亡是由基因控制的[9、10、11、12、13、14和15]。目前，主要是在光学显微镜下进行的。在这项工作中，我们使用了电子显微镜，重点观察了水稻植株横截面的中维管束后，以及沿果皮发育规律的超微结构，并对其功能进行了探讨，为理论研究和提高水稻产量提供了宝贵的信息。1材料的固定和贮藏实验材料分别于2003和2004年夏采自北京师范大学生命科学学院发育与分子生物学实验室自种水稻稻田,选取生长良好的中花15号水稻不同时期的小穗柄.将材料置于φ=1%戊二醛溶液(pH=7.2,0.1mol·L-1磷酸缓冲液配制)中室温固定3h后置于4℃冰箱过夜;w=1%的锇酸室温固定1~2h;系列酒精脱水,spurr树脂包埋.LKB超薄切片机切片,切片经醋酸双氧铀和柠檬酸铅双染后,在日立H-100透射电子显微镜观察照相.2中央维管束的韧皮部.水稻小穗柄中的维管束有1个大的中央维管束和3~5个小的边维管束组成.中央维管束的韧皮部,包括原生韧皮部和后生韧皮部两部分,原生韧皮部占韧皮部的比例很少,并很快出现细胞壁加厚而失去功能,由后生韧皮部行使功能.2.1大细胞生物学特性中央维管束后生韧皮部由筛管、伴胞和韧皮薄壁细胞组成.韧皮薄壁细胞1或2层,主要分布在韧皮部周围;筛管和伴胞位于韧皮部中心.起初后生韧皮部区域的细胞形态相似,细胞壁呈波浪形,有大小不等的液泡1至几个,液泡外的细胞质浓厚,细胞核体积大,位于细胞的中央,核质均匀,核仁大而电子密度高(图1-1);细胞质中含有线粒体、质体和内质网,内质网多为单库槽型,有的沿细胞壁排列,有的沿液泡膜排列(图1-2).接着细胞进行数次分裂,从横切面上看这些分裂几乎均为不均等分裂,最后产生2种类型的细胞,一种是细胞质染色较深;另一种是细胞质染色较浅(图1-3~5).前者细胞质非常均匀,内含1~3个大液泡,具有丰富的线粒体和粗糙内质网(图1-3,5),有大小2种细胞,大细胞的胞质一般没有小细胞的胞质浓厚,通常含有1个大液泡、大量的线粒体和粗糙内质网(图1-3~5),大细胞进一步发育成筛管;而小细胞发育成伴胞,大小细胞之间的细胞壁呈波纹状(图1-4).这些后生韧皮部细胞可分为较清晰的3层(图1-4),靠近木质部的为内层,这层细胞体积小,核大,液泡多,线粒体丰富(图1-6).中间层和外层发育形成筛管和伴胞,一般中间层的细胞质最浓,线粒体丰富,含有光滑内质网和高尔基体.外层细胞体积最大,发育较中间层晚,胞质比较浓厚(图1-4),往往形成大的筛管.2.2筛管分子的液泡膜的发育随着发育的进行,中间层的筛管分子细胞体积进一步增大,细胞质浓厚,含有大量的核糖体.这时细胞中光滑内质网末端常膨大形成潴泡,附近常有高尔基体.潴泡逐渐变大,和原先的液泡融合,最后细胞中的液泡联合在一起,形成大液泡(图2-1),在液泡中有一些纤丝状结构(图2-2,3);液泡边缘包绕其他细胞质,形成一个个小泡,这些细胞质在小泡中慢慢解体(图2-4).液泡膜变得不再完整(图2-5,6),有的筛管分子也会在液泡中形成多膜状结构,中间包裹着少量的胞质(图1-5).与此同时核内染色质开始凝集,核周腔膨大,染色质向核边缘聚集(图2-4~6).开花前13d,筛管分子的液泡膜彻底破裂,液泡膜与细胞基质之间界限消失,细胞质很少,有的筛管分子只剩下一些絮状物质存在于细胞中,细胞核贴壁,核体积变小,并产生了凋亡小体(图2-7).开花前1周左右,核解体消失,筛管分子中几乎没有什么细胞质存在,有的可见到不完整的膜结构包绕着质体(图2-8),有些细胞内质体沿细胞腔周围分布(图2-9).观察发现在韧皮部发育的早期质体就已经被液泡包绕(图1-2,4),到此时可能由于液泡膜破裂而被释放在细胞中.还有的细胞在细胞壁附近整齐堆叠着单层膜的结构,其上有很多核糖体,可能是退化的粗糙内质网,同时附近还有退化的线粒体(图2-10).在靠近木质部的筛管分子中,有的细胞内存在一些染色质凝集后留下的短棒状结构,而且核膜仍然近乎完全(图2-11).膜破裂后,这些短棒状结构被释放到细胞腔内(图2-12).在细胞壁附近有很多退化的膜结构堆叠在一起,其上附有一些颗粒状物质(图2-12).2.3筛间连丝网络形貌在筛管分子发育表现出细胞退化特征时,伴胞仍然保持良好的细胞结构,其退化时间比筛管分子晚.开花前13d左右,筛管细胞已产生凋亡小体时,伴胞中的细胞核正常,核大、核仁明显、核膜完整;细胞中有丰富的线粒体、内质网、少量的淀粉粒与高尔基体(图3-1).粗糙内质网均匀分布在细胞外周,高尔基体则分布于筛管和伴胞之间的胞间连丝处.大量的光滑内质网一端连接质膜,另一端伸向细胞内部,与内质网连接的质膜核和细胞壁间有一个空隙.有的光滑内质网末端膨大产生小泡,与线粒体紧密联系(图3-2).开花前3d时,细胞核的周围出现了明显的液泡;线粒体依然丰富,脊清晰可见;核内的染色质凝集开始边缘化,凝集的染色质呈短棒状;与筛管之间有丰富的胞间连丝(细箭头)(图3-3).在开花前1d时,伴胞中的各种细胞器才呈现退化迹象,线粒体嵴变得不清晰,各细胞器都逐渐凝集,并向液泡附近聚集(图3-4).开花后7d左右,线粒体解体,解体开始发生时线粒体内部嵴紊乱断裂成小棒状结构,外膜出现缺口,同时线粒体附近的大液泡膜破裂;然后小棒状结构从有缺口的线粒体膜中释放出来进入液泡,残留的线粒体膜变得电子密度很高或者与液泡膜融合(图3-5),这时核内染色质进一步凝集,形成凋亡小体,小体中和小体外均有短棒状的结构;在核中还可见到一种高电子密度的物质,正在进入小体之中或紧贴核膜(图3-6).3内质网对子和伴胞生长的影响水稻小穗柄中央维管束的筛管分子和伴胞的发育有着大致相同的过程.首先是液泡的数量增加,体积增大;然后是细胞内细胞器的解体,正在解体的细胞器几乎都靠近液泡或被液泡所包绕;接着液泡体积进一步增大,占据细胞的绝大部分体积,细胞质和细胞核被挤到细胞的边缘.在细胞液泡化的早期,细胞核内的染色质就已经开始凝集并边缘化;然后核变形,出芽形成凋亡小体,体积变小;最后液泡膜解体,细胞质凝集,核在细胞壁附近解体.这些结构的变化,特别是核的解体过程,体现了细胞程序性死亡的典型特征.目前有关研究普遍认为维管组织的导管和筛管可以通过细胞程序性死亡形成运输水分和养分的通道[10,11,12,13,14,15].在杜仲次生木质部导管分子的细胞程序性死亡过程中主要是液泡和内质网执行了溶酶体的功能,液泡和内质网可以溶解陷入其中的细胞组分;然后液泡膜破损后释放出各种水解酶,使细胞结构进一步解体和自溶.在水稻小穗柄筛管分子和伴胞的发育过程中,我们观察到液泡数目的增加与内质网有很大关系,表现为内质网库槽的膜结构分开,进一步连接形成液泡,许多液泡膜与内质网膜相连;当液泡在细胞内具有一定规模时,液泡膜产生一些裂口,使附近的细胞器解体,可以见到在液泡中有膜包绕的其他细胞器和细胞质,这些细胞器和细胞质在液泡中渐渐解体.有的线粒体解体时其膜上会产生缺口,与液泡膜连接,推测这有利于水解酶直接进入线粒体,提高降解的效率.我们认为,虽然木质部导管分子与筛管分子输导的物质不同,执行功能时处于细胞程序性死亡的不同发育阶段,即导管分子在细胞死亡后执行输导水分和无机盐的功能,而筛管分子则在核消失和细胞器退化后执行输导有机物的功能,但两者在细胞程序性死亡过程中却表现出了相似的超微结构特点.我们的研究支持液泡在植物细胞的程序性死亡过程中发挥重要作用的结论.在水稻小穗柄中央维管束发育时,伴胞也表现出了细胞程序性死亡的特征,至今我们尚未见到有关伴胞细胞程序性死亡的报道.我们认为伴胞表现出细胞程序性死亡的特征可能与韧皮部丧失功能或水稻成熟时全株死亡有关.水稻是一年生植物,成熟时植株死亡,植株死亡前,连接源端与库端的小穗柄的伴胞进入程序性死亡阶段,韧皮部功能逐渐丧失,最终失去功能的韧皮部中的所有物质也进一步运送到颖果中去,这样可以最大限度地利用光合产物.在水稻植株其他部分的伴胞,是否也会像小穗柄中的伴胞一样表现出程序性死亡的特征?在其他的一年生或二年生植物中,伴胞的发育是否也与水稻小穗柄中的一样?这些尚需进一步的研究.维管组织的结构和功能在一定程度上影响到颖果的充实度,小穗柄是连接小穗和穗轴的部分,光合产物通过小穗柄的韧皮部进入小穗中.从我们的观察看,在开花前1周左右,中央维管束筛管分子的核消失,而伴胞没有任何退化迹象,说明两者进入功能执行阶段,可以将光合产物运送到正在发育的小穗中.开花时,伴胞表现出退化的特征,开花1周后,伴胞的细胞核和细胞器解体,这必然影响到中央维管束的输导功能,由此可以推论小穗柄的中央维管束只在水稻花发育和颖果发育的早期有输导的功能,后期颖果的充实可能主要由周围小的边维管束进行,关于小维管束的结构与发育研究,是我们进一步研究的内容.有关的研究表明,水稻中上部一次枝梗的小穗果实充实度比下部二次枝梗的高,有关两者的维管束比较表明上部一次枝梗的韧皮部总面积高于二次枝梗,筛