小麥品種小麥穗部和穎果維管束發育規律研究

小麥的水分和養分通過小麥的穗和穎果的維管束運輸。維管束發育的質量和數量影響著種子的吸收和運輸。穗部和英果維管束中的淀粉積累和呼吸強度最終影響種子的質量和產量。國內外關于小麥穗部和穎果中維管束的研究較多。李揚漢、徐是雄研究了小穗各組分中維管束的發育和走向變化。周竹青闡明了小麥穎果腹部維管束組分細胞超微結構與籽粒灌漿功能分析。李金才等分析了小穗軸維管束系統及與穗部生產力的關系。然而由于品種選擇、樣品數量、觀察手段層次的不同,至今仍有不少問題有待進一步探討。如李揚漢等所提出的小麥穗部各組分的發育和走向是否具有普遍性?小穗部與莖中維管束篩管、伴胞結構是否相同?對小麥穗部和穎果維管束的聯絡關系也少有詳細的研究報道。因此,本試驗研究了小麥穗部、穎果中維管束的形成、結構、數目、發育等規律,旨在為小麥良種選育及栽培管理提供理論依據。1材料和方法1.1品種與生育期供試小麥(TriticumaestivumL)品種為中筋小麥揚麥16,由江蘇省揚州農業科學研究所提供。分期(10月25日和11月5日)播種,以延長開花期。用記號筆標記的穎花均為穗中部小穗基部的兩朵花。1.2方法1.2.1粉與果維管的測定取開花后不同發育天數(每4d)的穎果,沿中部將其縱剖和橫剖,用I2-KI染色,被染成藍色的部分為含有淀粉處。1.2.2脫氫酶染色取開花后不同天數(每4d)的穎果,將其縱剖和橫剖,用TTC(1,3,5一三苯基氯化四氮唑)染色,染成紅色的部位為脫氫酶活性處,即是呼吸作用旺盛處。1.2.3試劑固定法將節片切塊(約1mm),用戊二醛、鋨酸等試劑固定,Spurr樹脂浸透與包埋。制作半薄切片,甲苯胺藍染色,用光學顯微鏡觀察其基本結構。1.2.4維管束長、短軸長度采用徒手切片法,用熒光顯微鏡鏡檢維管束數目并測量維管束長、短軸的長度(取節片左、右、上、下4個位置維管束的平均值),維管束橫截面積按近似橢圓形面積計算(S=πab/4),最后進行統計分析。1.2.5超微結構的測定取開花后不同發育天數(花后5、9、12、16、19、26、36d)的穎果,將其切成片段,先用2%GAL(戊二醛)、1%PAL(多聚甲醛)、0.05mol/LpH7.2CaCO(甲基砷酸鈉)緩沖液前固定3h,后用1%鋨酸后固定數小時,乙醇系列脫水,環氧丙烷置換,用低粘性的Spurr樹脂浸透與包埋,先切1μm半薄切片,用1%TBO(甲苯胺藍)染色,觀察所有穎果維管束亞細胞水平結構,在此基礎上再制作超薄切片,鉛和鈾雙重染色,在透射電鏡下觀察穎果維管束的超微結構。2結果與分析2.1抗碘不染色結果揚麥16小穗軸維管束、穎果各部分對TTC和I2-KI的染色反應結果如表1所示。小穗軸對TTC染色反應表現在中央維管束組織,這是因為中央維管束中有許多含大量線粒體且呼吸代謝旺盛的薄壁細胞,這些細胞中的脫氫酶活性高,而皮層厚壁細胞以及周邊維管束對TTC染色淺或不染色。在開花后8～28d,小穗軸中央維管束的TTC染色很紅,這說明此時細胞呼吸較強,物質運輸較快,其后隨穎果日增重的下降,對TTC的染色變淺。當灌漿趨向停止時,小穗軸黃化,維管束不再染色,未灌漿的空粒小穗軸開花不久就對TTC不染色。這些結果都表明籽粒的灌漿與小穗軸中央、子房維管束的活力密切相關。開花時,小穗軸中通常沒有淀粉粒,因而遇碘不染色。自花后4d起,小穗軸對I2-KI的染色呈色,小穗軸開始積累淀粉,呈色反應持續至花后24d左右,其后小穗軸遇碘不呈色,說明這以后淀粉積累終止。和小穗軸染色相比,子房腹部維管束對I2-KI染色更深、更持久,說明子房腹部維管束對淀粉的運輸潛力更大。2.2穎果期維管束的發育總體來看,供試材料小麥穎果腹部維管束韌皮部中的篩管較多,而處在中部的木質部中的導管較少。如花后5d的穎果腹部維管束中部是9～12條導管,其外側是呈半圓形分布的40條左右的篩分子,腹部維管束與胚囊中的胚乳細胞間有合點,合點上方為珠心突起(圖版Ⅰ-1),該部位細胞和細胞核較大,細胞間隙大,有利于養分質外體輸送。供試材料小麥穎果花后5d腹部維管束還沒有完全分化成型,只有大量的果皮薄壁細胞包圍在原維管束的周圍(圖版Ⅰ-1,見文后)。花后12d,較完善的輸導組織已發育形成,篩管分子分布于維管束外側,左右兩部分對稱,呈半圓形。在韌皮部薄壁細胞上方為木質部,有10多個導管(圖版Ⅰ-2)。花后16d,腹部維管束發育成熟(圖版Ⅰ-3),具有較強的輸送養分的能力。花后19d觀察穎果腹部維管束的超微結構(圖版Ⅰ-4),發現,在穎果維管束中篩管周圍有伴胞,形成典型的篩分子-伴胞復合結構,伴胞細胞基質濃厚,篩分子壁向內加厚,中間細胞的液泡化更加明顯,中央大液泡幾乎占據細胞大部分體積,原生質被擠到細胞的周緣。但穎果的伴胞或薄壁細胞的體積比篩管分子大,這與莖中相反,而且這些伴胞或薄壁細胞的細胞質濃,線粒體密度大,呼吸旺盛,代謝活躍,在功能上與莖中的伴胞不同。在其周圍的薄壁細胞原生質染色較伴胞淺,其中有球狀的線粒體,少量球形的質體。花后28d穎果腹部維管束薄壁細胞外形不規則,許多細胞壁向旁邊的細胞內突出或細胞壁內陷(圖版Ⅰ-5箭頭處),大部分韌皮薄壁細胞胞核解體,并逐漸消失,線粒體數目變少,說明薄壁細胞物質轉運能力開始下降。花后36d,輸導組織被四周的胚乳細胞擠壓,嚴重變形和破碎,輸導功能已基本喪失(圖版Ⅰ-6)。2.3維管束的形態穗軸節片維管系統的解剖結構與莖節間相似,各維管束大體排列為內、外兩環(圖版Ⅱ-1),外環的維管束較小,位于莖的邊緣,大部分埋藏于機械組織中;內環的維管束較大,周圍為基本組織所包圍,每束維管束的外周有厚壁機械組織組成的維管束鞘包圍。維管束排列呈一不連續的圓環狀,小維管束位于綠色組織中,大維管束位于薄壁組織中。在維管束的兩端,厚壁細胞較多,而且含有豐富的葉綠體,在熒光顯微鏡下可觀察到呈紅色(圖版Ⅱ-2)。維管束鞘里面為韌皮部和木質部。木質部位于維管束的近軸部分,整個橫切面的輪廓呈V形,V形的基部為原生木質部,包括2個環紋導管及少量木薄壁組織。在V形的兩臂上,各有一個后生的大型孔紋導管(圖版Ⅱ-3)。韌皮部位于木質部的外方,其中的原生韌皮部已被擠毀,后生韌皮部是由篩管和伴胞組成的,篩管較大,呈多邊型,篩管旁邊有三角形或長方形的伴胞,具有濃的細胞質和大量的線粒體。2.4中部與中部維管束數目比較由表2可知,穗軸節片大維管束數目沿穗軸位從下而上逐步減少,但下降幅度因節片位而異。上部和下部節片維管束下降幅度較少,而中部的下降較多。穗節片第1～6、7～12和13～18節片中大維管束數目分別平均下降0.83個、1.3個和0.9個,這與李金才等的研究結果相一致。由此表明,在中部穗軸節片中大維管束數目下降幅度較大,中部小穗通向小花的維管束增多,這是中部小穗先開花且粒重較高的解剖學原因。但小維管束數目變化規律與此相反,上部和下部節片維管束下降幅度較大,而中部下降幅度較小。2.5小穗內小鼠維管束與穗軸的連通小穗軸維管束是由下位穗軸節片內大維管束直接進入的,由于維管束的分支與合并,小穗軸基部維管束呈月牙狀排列,有些形成維管束節板(圖Ⅱ-4)。由表3可知,小穗軸基部維管束數一般為12～13條,來自于下位穗軸節片,每小穗內的第1小花基部維管束為6～7條,第2小花為5～6條,這兩朵小花的維管束直接與小穗軸相連。第3、4小花為3～4條,其中1條往往來自下位花的分支,第5小花以上各花均為3條。小穗內第1、2朵小花維管束直接獨立地來自小穗基部維管束結節,并觀察到有一條維管束直接與穗軸維管束連通。第3朵小花的維管束部分直接來源于小穗基部維管束結節,第4朵以上小花主要來自其下位花的分支,因而營養物質對小穗基部第1、2朵小花、部分第3朵小花物質供應比較直接,因此小穗中、上部小花最終粒重較高。2.6維管束小自適應的無穗軸維管束的小枝條圖-5同一穗軸節片中的維管束一方面向上位節片分支延伸,另一方面向本位小穗軸分支延伸,小穗軸基部維管束呈月牙狀排列,進人小穗軸內的維管束,經過分支合并,形成一長圓形環,其長軸方向與穗軸維管束的長軸方向平行,由此分成兩部分,分別進入第1、2朵小花(圖Ⅱ-5),同時在短軸方向兩端點維管束分支,向小穗軸上部延伸,并進一步分支合并,進人第3、4朵小花及上位各朵小花。每一小穗內第1、2朵小花的維管束直接與小穗軸相通,而小穗軸上部軸內維管束則是第2朵小花的維管束的小分支。進人各小花的維管束,同樣經分支、合并,進入外稃、內稃、漿片、雌雄蕊。3小穗軸維管束的分布本研究表明,小麥穗軸節片大維管束數目由下向上呈遞減趨勢,上部和下部節片維管束下降幅度較少,而中部下降較多,這與前人研究的結果基本一致。造成各小花籽粒發育差異的原因,國內外學者存在一定的爭議。Hanif等認為第1、2、3朵小花的維管束是和小穗軸直接相連的,而第4、5朵小花只能由那些提供第1、2或3朵小花的一個或多個維管束的分支來供應,而且位于第4、5朵小花的維管束比位于第3朵小花以下小穗軸的維管束小得多。華振基等觀察了春小麥墨卡和永良4號,認為每1小穗第1、2朵小花維管束直接連于穗軸維管系統,并且和內、外穎維管束相通,唯第3、4朵小花間或第5朵小花,其外稃背部維管束由較下位花部分維管束分支而來。本研究觀察揚麥16穗部維管束的分布規律,其結果與華振基等研究的結果一致。由于第1和2朵小花直接與小穗軸相連,營養物質供應比較直接,易形成強勢粒,粒重較大,而第5朵以上的小花其維管束較少,營養物質運輸較遠和較少,易形成弱勢粒,粒重較小或敗育。穗軸中部節片(7～12小穗)平均每節片大維管束數