棉花晋A细胞质雄性不育系的细胞形态学观察

黄晋玲¹ 李炳林¹ 安泽伟¹ 渠云芳¹

樊冬丽¹ 袁 钧² 石跃进²

摘要 棉花晋A细胞质雄性不育系雄性败育的主要时期是在造孢细胞增殖棗小孢子母细胞形成时期。造孢细胞和小孢子母细胞退化导致雄性不育的主要细胞学特征是：造孢细胞不能进行正常的有丝分裂，胞内常含有n个微核，小孢子母细胞细胞质液泡化，并且认为绒毡层的退化与小孢子母细胞败育密切相关。 关键词 晋A细胞质雄性不育系；小孢子母细胞；造孢细胞；绒毡层

考察我国水稻杂种优势的研究与利用，其成功的主要原因之一就是发现和培育了能应用于生产的细胞质雄性不育材料^［1］。因此，在棉花杂种优势利用上，挖掘和培育新的细胞南类型的雄性不育系，并实现“三系”配套，是实现产量上突破的一条重要途径。棉花晋A细胞质雄性不育系^［2］是山西省棉花研究所从我校棉花育种组培育的｛［陆地棉(Gossypiumhirsutum)×瑟伯氏棉(G.thurberi Tod Dl)］×［亚洲棉(G.arboreum)×陆地棉］｝杂交种中选获的新的细胞质不育材料，其不育株率和不育度均为100%。与其它不育系相比较，晋A不育系遗传基础丰富，具有野生种质遗传背景；早熟性能好，比国内现有的不育系(哈克尼西棉、104-7A)早熟20余天。本文主要研究了晋A不育系花粉发育不同时期的细胞形态学表现，旨在为晋A细胞质雄性不育系在棉花杂种优势上的利用提供理论依据。

本研究的材料选用从［(陆地棉×瑟伯氏棉)×(亚洲棉×陆地棉)］杂种后代中选育出的晋A细胞质雄性不育材料。陆地棉中棉所16为其保持系。

取晋A不育系和陆地棉中棉所16各发育时期的花蕾，在FAA固定液中固定，24h后转入70%酒精中低温(4℃)保存^［3］。制片前用丙酸-水合三氯乙醛-铁矾-苏木精整染2～3d，然后采用常规石蜡切片法切片^［4］。在Olympus生物显微镜下观察不同发育时期花药的细胞形态特征。

陆地棉品种中棉所16是晋A不育系的保持系，作为晋A不育系花药检测的对照。棉花的花药有四个小孢子囊。现蕾后，雄蕊原基突出，其内部细胞的大小比较一致，排列较紧密。随后在四个角隅的表皮层下各分化出一个孢原细胞，孢原细胞大，细胞质也较浓厚，细胞核大，核中有一个明显的核仁。孢原细胞发生一次平周分裂，接着再发生一次径向分裂，向外分裂形成壁层，向内分裂形成造孢细胞，此时的花药壁特征是三层细胞，即表皮层、过渡层和绒毡层。造孢细胞经过不断有丝分裂形成小孢子母细胞(MMC)，小孢子母细胞细胞质浓厚，液泡小，细胞核大，核中的核仁明显。小孢子母细胞进入减数分裂时，花药壁由表皮层、药室内壁、中层和绒毡层四层组成。之后每一个小孢子母细胞(MMC)经减数分裂形成四分体，不久就各自分离，形成小孢子。

棉花绒毡层的发育，属于变形绒毡层类型。绒毡层在早期，其细胞形状和大小与花药壁的其它细胞相似，且每一细胞只有一个细胞核。到小孢子母细胞进行减数分裂时，绒毡层细胞体积逐渐增大成许多双核的细胞。等到小孢子形成以后，绒毡层细胞的细胞壁逐渐解体、消失，形成周缘质团^［5］。

晋A不育系的孢原细胞能正常地产生，并分化出初生造孢组织和药壁，在其后的发育过程中，出现了一系列败育特征。

①在有些切片中，观察到已退化的造孢细胞。这些造孢细胞不象正常陆地棉的造孢细胞一样经过有丝分裂、增殖和生长，形成小孢子母细胞，而是未经分裂就停止生长，导致败育。

②晋A不育系的造孢细胞组织细胞中出现n个微核的多核细胞，这种多核细胞可能与造孢细胞有丝分裂异常、导致细胞坏死有关。

③有些造孢细胞增大体积后形成的小孢子母细胞不是进行正常的减数分裂，而是以有丝分裂的方式形成比正常的小孢子母细胞明显小的细胞。

④晋A不育系大部分花药的造孢组织细胞经过不断的有丝分裂，产生大量的初期小孢子母细胞，它们在药室中紧密排列，但大多数药室中的小孢子母细胞，在胼胝质包围之前，细胞质发生液泡化后解体，表现败育。败育的小孢子母细胞的细胞质液泡化而降解^［6］。

⑤小孢子母细胞变成半月形。可能是由于细胞区域化程度下降，核内外物质混合引起一系列生理生化代谢异常，使小孢子母细胞的细胞器的膜结构发生变化，透性增大，细胞内含物外渗，原生质体浓缩(染色加深)，细胞收缩成半月形。

从石蜡切片观察，晋A不育系的小孢子母细胞的败育与绒毡层的退化是一致的。初生造孢细胞形成后，花药壁可以看到三层细胞，此时不育系与其保持系的绒毡层细胞无明显差异，但细胞已开始液泡化。随着造孢细胞的增殖，到小孢子母细胞形成时，可育花药的绒毡层细胞变大，染色深，常含有双核。而此时不育系的绒毡层细胞体积小，与中层细胞大小相近，少有双核，且大多严重液泡化，有的已解体，与保持系形成明显对照。

绒毡层细胞是花粉囊中最内一层细胞。由于绒毡层所处位置，向外紧贴周围母体，向内与小孢子母细胞密切相连，花粉形成过程中的营养物质和水分等都必须通过绒毡层输送^［7］。不育系花药中绒毡层细胞发育异常，使小孢子母细胞分化为小孢子所需要的大量营养物质的供应过程遭到破坏，致使小孢子母细胞停止发育，退化、解体。小孢子母细胞退化解体后，绒毡层细胞径向分裂和膨大充塞整个花粉囊室，中间只留下坏死的小孢子母细胞痕迹，形成无花粉粒花药。因此，棉花晋A细胞质雄性不育花药内的造孢细胞和小孢子母细胞的败育与绒毡层的过早退化或异常密切相关。

Murthi A N与Weaer J B Jr^［8］对美国哈克尼西棉细胞质雄性不育系进行了研究，对其小孢子发生的细胞学研究认为，哈克尼西棉细胞质雄性不育系的败育时期是在造孢细胞增殖或小孢子母细胞形成时期。王学德对我国7个细胞质雄性不育系(104-7A、湘远4-A、棉花晋A细胞质雄性不育系的细胞形态学观察NM-1A、NM-2A、NM-3A、中棉所12A和显无A)进行了小孢子发生的细胞学特征研究和线粒体DNA的RAPD分析，研究结果表明，这7个不育系在败育时期上有与哈克尼西棉相似的以造孢细胞增殖时期为主的一类(中棉所12、NM-1A、显无A)；另一类则以小孢子母细胞减数分裂时期为主。王学德^［9］的研究认为：我国7个不育系与哈克尼西棉不育系一样均受2个独立遗传的显性基因Rf1和Rf2控制，Rf1为完全显性，Rf2为部分显性，Rf1的恢复效应大于Rf2。通过本研究我们发现，晋A细胞质雄性不育系在败育时期上与哈克尼西棉不育系、中棉所12和NM-1A一致。因此，我们推测晋A细胞质雄性不育系的育性恢复同样受两对独立遗传的基因Rf1和Rf2的控制。

1 颜龙安主编.杂交水稻繁制学.北京：中国农业出版社.19982 袁钧，等.晋A质核不育材料的发现与观察.中国棉花.1996，23(4)：6～７

3 刘金兰，聂以春.陆地棉花粉和胚囊发育进程的观察.棉花学报.1994，(6)：129～1304 李懋学，张学攵方，等.植物染色体研究技术.哈尔滨：东北林业大学出版社.1991

5 李正理著.棉花形态学.北京：科学出版社.1979

6 张天真.陆地棉1355A和104-7A不育系的细胞学研究.棉花学报.1995，7(2)：73～75

7 胡适宜.被子植物胚胎学.北京：高等教育出版社.1982

8 Murthi A N,Weaver J B Jr. Histological studies in five male sterile line upland cotton.Crop Sci. 1974，14：658～663

9 王学德，张天真，潘家驹.细胞质雄性不育棉花小孢子发生的细胞学观察和线粒体DNA-RAPD分析.中国农业科学.1988，31(2)：70～75

A cytological study on cytoplasmic male sterile line

“Jin A”of cotton

HUANG Jinling1 LI Binglin 1 AN Zewei1 QU Yunfang1FAN Dongli² YUAN Jun² SHI² Yuejin²

Abstract The auxocyte abortion of Jin A took place at the stage of sporogenous cells division.The abortion characteristics of sporogenous cells and microspore mother cells were abnormal karyomitosis of sporogenous,formation of 2～3 micronucleli in one cell,high vacuolization of cytoplasm and coalescence of MMC'S.It was suggested that the abnormality of tapetum development was associated with the abortion of MMC'S.

Key words Jin A cytoplasmic male sterile line； Microspore mother cell(MMC)；Sporogenous cell；Tapetum