中国农业科学 2004,37(9):1261-1264 Scientia Agricultura Sinica
收稿日期:2003-07-15 基金项目:国家自然科学基金倾斜资助项目(39670465),国家“948”资助项目(201010)，广东省重大专项科技计划资助项目(A2020402)和农业部丰收
计划(农科教发[2001]7号-8)共同资助项目
作者简介:李小琴(1967-),女，湖北当阳人，副教授，博士，主要从事玉米遗传育种研究。Tel:020-********, 136********；E-mail: xiaoqinli
2000@https://www.doczj.com/doc/4a385361.html,。郑用琏为通讯作者，E-mail:zhyl@https://www.doczj.com/doc/4a385361.html,
玉米新不育胞质WBMs 小孢子败育的细胞学观察
李小琴2，万邦惠2，刘纪麟1，郑用琏1，李建生1，徐尚忠1
（1华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室，武汉 430070；2华南农业大学农学院，广州 510642）
摘要：利用普通光学显微镜和透射电子显微镜研究了新发现的玉米细胞质雄性不育材料WBMs 的小孢子败育
过程。观察到Mo17cms-WBMs 的小孢子在单核花粉中期以前发育正常，部分小孢子从单核花粉晚期质核出现异常，多数小孢子可正常发育到二核花粉期，随后开始崩溃，形成空瘪皱缩的花粉粒。雄性不育材料WBMs 胞质的小孢子败育过程与S 组唐徐胞质不育材料类似，败育发生晚，绒毡层等体细胞活动正常，属典型的配子体不育类型。
关键词：玉米(Zea mays L.)；细胞质雄性不育；WBMs；小孢子败育；电镜
Cytological Observation on Microspore Genesis of WBMs
– a New Line of S-CMS Maize
LI Xiao-qin 2, WAN Bang-hui 1, LIU Ji-lin 1, ZHENG Yong-lian 1, LI Jian-sheng 1, XU Shang-zhong 1
（1National Key Lab. of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070；
2 College of Agronomy, South of China Agricultural University, Guangzhou 510642）
Abstract : WBMs is a cytoplasmic male sterile line developed by Huazhong Agricultural University. The microspore genesis of WBMs was observed by optical and electron microscope. The results indicated that the microspores of WBMs could normally develop before the middle stage of microspore, but some of microspores began degradation in the late stage, and others could normally develop until the bi-nuclear pollen stage, sequentially, the pollen grain collapse suddenly, as a result, shrunken pollens were formed. The process of microspore abortion of WBMs was similar to Tangxu CMS of S group which pollen abortion is happened in late developing stage and the normally somatic activity such as tapetal cell. The sterility of WBMs was typical gametophyte sterility. According to its cytological characters, cytoplasm of WBMs can be preliminarily classified into S group of maize CMS.
Key words : Maize (Zea mays L.)； Cytoplasmic male sterile ；WBMs ； Microspore abortion ； Electron microscope 细胞质雄性不育（cytoplasm male sterility,CMS ）的应用为大批量商品化生产玉米杂交种种子提供了一条有效途径[1]。研究CMS 材料小孢子败育过程和特点，是阐明CMS 发生机理、合理利用CMS 种质的重要基础。前人已在普通光学显微镜和透射电子显微镜水平上对玉米CMS 小孢子败育过程进行了较为全面的细胞学研究，发现玉米T 、C 、S 3组不育胞质的小孢子败育过程各有特点，这些特征可作为玉米CMS 分类的参考[2~9]。 发掘育性稳定、抗病的CMS 不育胞质资源，对
解决利用玉米CMS 杂交种带来的遗传基础狭窄问题
具有重要意义[1]。近年，华中农业大学玉米研究室从
我国玉米地方品种巫溪与美国群体BSSSC 9、热带种
质墨黄九创建的人工合成群体WBM 中发现了新的细
胞质雄性不育材料（胞质定名为WBMs ）。初步研究
表明, 该胞质在Mol7核背景下不育性稳定、抗病性及
育性反应明显不同于T 和C 组胞质材料，F 1组合的产
量及农艺性状无明显不良细胞质负效应[10,11] 。
本文拟从细胞学角度对这一新不育胞质的小孢子败育过程进
行研究，旨在了解其雄花败育机制和类型，为合理、
有效地利用这一胞质提供依据。
1262 中国农业科学37卷
1 材料与方法
1.1材料
Mol7cms-WBMs64和Mol7cms-WBMs62是华中农业大学玉米研究室通过回交转育，将WBMs胞质置于Mo17核背景下选育的BC5代的两个姐妹系。以一套Mo17同核异质系Mol7cms-T(T组CMS)、Mol7cms-E L (C组CMS)、Mol7cms-唐徐（S组CMS）、Mo17（正常胞质）作对照进行观察。以上所有材料由华中农业大学玉米研究室提供。
1.2方法
1.2.1Mo17同核异质系花粉粒形态的光学显微镜观察各试材在雄花散粉期各选5株取花药，用Olympus相差显微镜在2％蔗糖溶液下观察活体花药、花粉并照像。将花粉混合，I2-KI染色，在10倍普通光学显微镜下观察5个视野的花粉形状、颜色并记数。
1.2.2 Mo17同核异质系小孢子发育过程的电子显微镜观察在雄花开始发育—雄花完全抽出期间, 每隔2 d取Mol7cms-WBMs64、Mol7cms-EL、Mol7cms-唐徐、Mol7等4个同核异质系的雄花。在普通光学显微镜下检查, 选取中心胼胝质期、减数分裂期、四分体期、幼小孢子期、小孢子单核中期、小孢子单核晚期、二核花粉期、成熟花粉期等8个时期的花药各5~6枚，用2.5％的戊二醛在4℃下固定24 h→1%四氧化锇(OsO4)固3 h→丙酮系列脱水→Epon812(环氧树脂)：100%丙酮=1∶1浸透过夜→包埋。钻石刀切片，醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色，PHILIPS EM400型透射电子显微镜观察拍照，乐凯全色胶卷(100ASA)记录。
2 结果与分析
2.1 Mol7cms-WBMs与同核异质系的花粉形态比较
在Olympus相差显微镜下，可观察到Mol7活体花药中存在大量的圆形、大、染色深的可育花粉粒(图C)。Mol7cms-唐徐与Mol7cms-WBMs的情况类似，花药中含大量空瘪、皱缩、染色很浅、无活性的花粉粒(图A、B)，花药不开裂散粉，为有花粉型雄性不育。Mol7cms-T、Mol7cms-EL的花药空瘪，几乎不见花粉粒，小孢子败育彻底，为无花粉型败育（故无花粉粒照片）。WBMs胞质与S组唐徐胞质的雄花败育结果相似，明显不同于N、T、EL型胞质。
将Mol7cms-WBMs64、Mol7cms-WBMs62 、Mol7 cms-唐徐、Mol7等4个有花粉型材料的花粉粒用I2-KI 染色, 普通光学显微镜观察, 花粉粒形态有3种表现(表)：圆形、饱满、蓝黑色，正常可育；圆形、浅褐色、无或很少淀粉，败育；皱缩、浅褐色，典型的败育花粉。正常胞质Mol7的可育花粉率达90.8%；Mol7cms-唐徐、Mol7cms-WBMs64、Mol7cms-WBMs62的败育花粉率均在99%以上，几乎无正常可育花粉，这表明WBMs胞质与唐徐胞质一样属败育彻底的有花粉型败育。
A. Mo17cms-唐徐花粉粒 Pollens of Mo17cms-Tangxu
B. Mo17cms-WBMs花粉粒 Pollens of Mo17cms-WBMs
C. Mo17花粉粒 Pollens of Mo17
图Mol7cms-WBMs与其同核异质系的花粉形态(×25) Fig. Optical microscope photo of Mo17 iso-nuclear allo-plasm lines ×25
2.2 Mo17cms-WBMs与同核异质系小孢子发育过
程的比较
在PHILIPS EM400型透射电子显微镜下，对Mol7、Mo17cms-EL、Mo17cms-唐徐、Mol7cms-WBMs 等4个同核异质系小孢子发育过程进行了较系统的观察。
图版Ⅰ-1~4展示了Mo17cms-EL小孢子败育过程的电镜照片，图版Ⅰ-5~7为Mo17cms-唐徐小孢子败育过程的电镜照片，比较分析表明小孢子败育的过程与特征与Warmke、Colhoum、夏涛等对玉米C、S组CMS材料的观察结果类似[4,5,8]。
在Mo17cms-EL的部分花药内可见，早在四分体期就开始出现小孢子发育夭折的现象（图版Ⅰ-1），另一部分四分体发育正常，但从小孢子早期开始出现乌氏体少、小孢子壁形成缓慢（图版Ⅰ-2）等异常现象，到小孢子中期绒毡层细胞彻底解体、小孢子内含物完全降解，只剩下空的小孢子壁（图版Ⅰ-3），随后小孢子壁降解，形成含细胞残渣的花药腔（图版Ⅰ
9期 李小琴等：玉米新不育胞质WBMs 小孢子败育的细胞学观察 1263 -4）。
Mo17cms-唐徐的小孢子正常发育到小孢子晚期
（图版Ⅰ-5），可正常形成营养核发育到二核花粉期，
可见深染的营养核（图版I-6），在二核花粉期小孢子
质核突然降解（图版I-6），最后形成空瘪的败育花粉
粒（图版I-7）。
Mol7cms-WBMs 的小孢子败育过程见图版Ⅱ。它
的小孢子能从花粉母细胞正常发育到小孢子中期，绒毡层降解过程正常，小孢子正常发育，表现与Mol7
基本类似（图Ⅱ1-4）。部分小孢子从小孢子晚期开始出现质核降解变稀薄的异常现象（图Ⅱ-5）；部分小孢子可分裂出营养核（深染），正常发育到二核花粉期，线粒体正常（图Ⅱ-6）。二核花粉期花粉粒的质、核突然降解变皱缩，有的出现大量膜状结构（图Ⅱ-7），最后形成空瘪的败育花粉粒（图Ⅱ-8）。WBMs 的小孢子败育过程与上述S 组唐徐胞质及前人报道的S 组类似[3,8]，是典型的配子体不育。
表 Mol7cms-WBMs 与同核异质系花粉在I 2-K I 下的观察结果
Table Observational of mature pollens of Mo17 isonuclear alloplasm lines stained with I 2-KI
皱、浅褐色 Shrunken light brown 圆形、浅褐色 Round light-brown 败育花粉总数 Total number of abortion pollens 圆形、蓝黑色 Round blue-black brown 观察花粉总粒数 Total number of pollenslines
粒数 粒数 粒数
粒数 同核异质系 Isonuclear alloplasm Grain number Grain number Grain number Grain number
Mol7cms-唐徐
1 655 97.4 38 2.
2 1 69
3 99.7 6 0.
4 699 Mol7cms-Tangxu) Mol7cms-WBMs 64 1 624 94.4 80 4.7 1 704 99.0 17 1.0 1 721 Mol7cms-WBMs 62 1 594 97.4 42 2.6 1 636 99.9 1 0.1 1 637
3 讨论
前人研究表明，玉米T 、C 、S 等3种CMS 材料
小孢子败育过程不同。T 型CMS 小孢子从四分体期开
始出现绒毡层（如线粒体异常）、小孢子异常，到小
孢子单核晚期败育，形成无花粉的空花药囊[4,5,8]。C
型CMS 小孢子有在单核中期败育、绒毡层提前解体
和在四分体期败育、绒毡层一直保留到开花两种败育
途径，绒毡层液泡化、异常膨大、延迟解体、不产生
或只产生极少的乌氏体，形成空瘪的花药囊[2,5,6]。C
组与T 组CMS 的小孢子败育早、彻底，是无花粉型
孢子体不育类型。S 组CMS 的小孢子除Colhoum 等[5]报道在小孢子单核晚期花粉内壁形成之前有败育外，一般认为它可正常发育到二核花粉期，能正常分裂出营养核与生殖核，花粉内壁形成，在中央大液泡消失之前，二核花粉粒突然崩溃，药室中仅剩下深染的细胞质团块和败育的花粉粒[3，5，8]。S 组CMS 小孢子败育过程中绒毡层活动正常，至今除夏涛[9]观察到二核花粉期花粉粒中有大量膜状结构出现外，尚未观察到其它异常现象，它败育晚，属有花粉型配子体不育类型。 本研究对玉米EL 、唐徐胞质CMS 的小孢子败育观察结果与前人对C 、S 组的观察结果类似（图版Ⅰ）。WBMs 型小孢子败育发生在减数分裂完成、小孢子形成之后，部分始见于小孢子晚期、另一部分始见于二核花粉期，最后在二核花粉期、成熟花粉期彻底败育，产生有不育花粉的花药（图版Ⅱ）。WBMs 型小孢子
败育晚，是典型的有花粉型配子体不育类型，与S 组唐徐胞质类似，明显不同于C 组EL 胞质，也不同于前人报道的T 型胞质。这从细胞学角度辅助证明，WBMs 型小孢子败育属S 组配子体不育类型，与用育性恢复专效性、mtDNA RFLP 等手段分类结果一致[10,11]。 References [ 1 ] 李竞雄,周洪生,孙荣锦主编.玉米雄性不育生物学.北京:中国农业出版社,1998:55-66. Li J X, Zhou H S, Sun R J. Biology of Male Sterility in Maize.Beijing: China Agriculture Press,1998:55-66.(in Chinese)
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（责任编辑孙雷心）
中国农业科学37卷