(1.10.4)--甘薯细胞质传递的研究遗传学.pdf

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1、甘薯细胞质传递的研究：精细胞的质体和线粒体及其 DNA 存在的状况摘要甘薯（Ipomoea batatas Lam）成熟花粉为二细胞型 在授粉后萌发之前生殖细胞分裂形成精细胞。仍在花粉粒中的两个精细胞大小和形状基本相似 细胞质中含丰富的质体和线粒体。细胞质 DNA 特异荧光显示精细胞及产生它们的前细胞 生殖细胞中均含有丰富的类核。一对精细胞中类核的数量无明显的差异。精细胞中存在两种形态类核 大而荧光强的类核可能为质体类核 而小的荧光弱的类核为线粒体类核。双亲或父系质体遗传在被子植物中是少数 本研究结果为旋花科的除牵牛属和打碗花属外又提供了新的一属具这种遗传方式的细胞学证据。关键词甘薯 生殖细胞

2、 精细胞 细胞器类核 细胞质遗传CYTOPLASMIC INHERITANCE OF SWEET POTATO：WITH RESPECT TO THE STUDY OF PLASTIDSAND MITOCHONDRIA AND THE EXISTENCEOF THEIR DNA IN SPERM CELLSYUAN Zong-FeiHU Sh-i Yi MA Shu-Fang（College of Life SciencesPeking UniversityBeijing1 0 0 0 8 7 1）LIU Qing-Chang（Department of AgronomyChina Agric

3、ultural UniversityBeijing1 0 0 0 8 7 1）AbstractThe mature pollen of sweet potato（Ipomoea batatas Lam）was bicellular Afterpollination generative cell divided into a pair of sperm cells before its germinationThe pairof sperm cells remained in the hydrated pollen was similar in their shape and volume w

4、ith en-riched cytoplasmic plastids and mitochondriaThe specific fluorescence of cytoplasm DNAindicated that the sperm cells and the generative cell contained numerous organelle nucleoidsThe pair of sperm cells had no significant difference in their numbers of organelle nucleoidsTwo kinds of organell

5、e nucleoids existed in the pair of sperm cellsThe ones as big andstrong fluorescent dots appeared to be the plastid nucleoids and the others as the small andweak fluorescent dots could be the mitochondrial nucleoid Few of the angiosperms were ofbiparental or paternal plastid inheritanceThe result of

6、 this study has provided the cytologi-cal evidence for another genusIpomoea which is of biparental or paternal plastid inheritancebesides Pharbitis and Calystegia in ConvolvulaceaeKey wordsIpomoea batatasGenerative cell Sperm cellsOrganelle nucleoidsCytoplas-mic inheritance 通讯联系人。Author for correspo

7、ndence收稿日期：1 9 9 7-0 6-0 1 接受日期：1 9 9 7-0 7-2 5国家自然科学基金资助项目。The work was supported by the National Natural Science Foundation of China植物学报 1 9 9 8 4 0（3）：2 0 0 2 0 3Acta Botanica Sinica被子植物质体遗传有不同的方式：单亲母系遗传、双亲遗传和单亲父系遗传1 2。遗传学的研究证明单亲母系质体遗传是广泛的 在研究过的植物中占大多数 而双亲质体遗传是少数 分布在约1 0科中3。DNA 的 DAPI 荧光法 可灵敏地检测生

8、殖细胞或精细胞中可遗传的细胞器 质体和线粒体的 DNA 为质体的不同遗传方式提供细胞学证据4。Corriveau 和 Coleman5利用这种方法 研究了分布在8 0科的2 3 5种植物（包括已有和未有遗传证据的种）结果表明约有1 4 是质体双亲遗传 支持遗传学上双亲质体遗传是少数的结论。这种方法无疑是初步筛选具双亲质体遗传的植物的简便和快速的方法。旋花科的牵牛属6和打碗花属7通过细胞质 DNA 的检测曾证明具双亲质体遗传的潜能6 7。质体遗传方式在同一科或同一属植物中相同或可以不同尚无定论。本研究以旋花科的甘薯属为研究对象 探索其质体遗传的细胞学基础 以期为揭示不同遗传方式与亲缘关系的规律提

9、供资料。1 材料和方法供试植物甘薯（Ipomoea batatas Lam）由中国农业大学甘薯育种组提供。1 1 生殖细胞中细胞器 DNA 的检测取成熟期的花药进行压片观察。压片是先在载玻片上滴1滴0 1mg L DAPI 再滴一滴2 4 的戊二醛固定液 然后轻轻抖动成熟花药 使花粉散落在上述液滴表面 混合后加盖片。静置3 5min 用力压片使生殖细胞从花粉粒中逸出。在 Olympus 落射式荧光显微镜和紫外光条件下观察和拍照。1 2 精细胞质中细胞器 DNA 的检测甘薯花粉为2-细胞型 为了观察精细胞 做了2组花粉萌发实验：A 离体萌发：花粉置于BK 1 0 蔗糖的培养基中 2 5下培养；B

10、 半离体萌发：取新鲜的未授粉雌蕊 置于1 0 的蔗糖溶液中 人工授粉。离体培养的花粉在1 2h 后 生殖细胞即在未萌发的花粉营养细胞中分裂形成2个精细胞；而半离体培养的花粉则在授粉后4 0min 生殖细胞即在未萌发的花粉中分裂形成精细胞。取已形成精细胞的花粉 按上述方法制作供观察的压片。1 3 透射电镜样品的制作为确定精细胞中质体及线粒体的存在状况 将半离体萌发的材料在3 鞣酸 2 5 的戊二醛混合液（二甲胂酸钠缓冲液配制 pH7 2）中固定 室温3h 相同缓冲液清洗。再用2 锇酸4固定1 2h 并用二甲胂酸钠缓冲液清洗。固定的材料经系列酒精脱水后 用环氧树脂 Epon8 1 2渗透和包埋。包

11、埋后的材料在 LKB-V 型切片机上用钻石刀切片 醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色 JEM-1 0 0 CX 电镜下观察和拍照。2 实验结果2 1 生殖细胞中的细胞质 DNA开花时花粉中的生殖细胞的形态为细长形。生殖细胞核位于细胞的中部。细胞从中间向两端逐渐变细 末端细尖（图版 1、2）。授粉或离体培养后 生殖细胞在有丝分裂前变为短而粗 呈纺锤形（图版 3、4）。3期袁宗飞等：甘薯细胞质传递的研究：精细胞的质体和线粒体及其 DNA 存在的状况2 0 1无论在早期或后期（有丝分裂前）的生殖细胞的细胞质中均有大量的、分布较均匀的类核（图版 1 4）。对4 0个生殖细胞中类核荧光点的计数 每生殖细胞中的

12、类核数目在1 2 0 1 6 0个之间。荧光点的大小及强度表现有差别 可大致区分为较大而荧光强的与较小而荧光弱的两类 其中大而荧光强的荧光点数显著地多 为小而荧光弱的2倍以上。2 2 精细胞中的细胞质 DNA甘薯花粉无论在离体培养或半离体培养下 生殖细胞均是在花粉萌发之前先分裂形成两个精细胞。这与一般的2-细胞花粉不同而与同一科的牵牛属相同。根据压片观察生殖细胞分裂形成的两个精细胞 其大小及形态基本相同 初形成的精细胞 核位于精细胞钝的一端（图版 5）细胞器类核几乎均等地分配到两个子细胞中。精细胞中的类核同样也有大而强及小而弱的两类（图版 6）及在数量上前者多于后者。2 3 精细胞的超微结构两

13、个精细胞在超微结构上是相似的。根据连续切片的观察。两个精细胞并列位于营养核的一侧 其中一个精细胞的尾部与营养核连接 即形成雄性生殖单位。精细胞具明显的电子透明包被 核形状不规则 及具深的瓣裂（图版 7）细胞质内含丰富的质体和线粒体（图版 7、8）质体的数量明显多于线粒体 结合上述荧光观察结果可以判断大而荧光强的类核应是质体的类核 小而荧光弱的类核是线粒体的类核。此外 细胞质内还含有内质网及一些电子透明的小泡和电子致密体。3 讨论在同一科内不同种植物可能具不同的质体遗传方式 如百合科8 洋葱为母系质体遗传 而吊兰（Chlorophytum elatum）则为双亲质体遗传3。在禾本科的许多种为母系

14、质体遗传 而黑麦为双亲质体遗传3。比较甘薯与牵牛属和打碗花属的生殖细胞和精细胞 它们不仅在形态上相似 而且也含丰富的细胞质类核 表明在旋花科的这3个属均具双亲质体遗传方式的细胞学基础。用核酸限制性片段长度多态性（RFLP）分析已证明牵牛属父系质体遗传及可能双亲的质体都传递9。父系质体遗传在被子植物中是极少数迄今只在苜蓿属和胡萝卜属1 1植物报道存在这种方式 牵牛属是第三例。我们已为旋花科打碗花属7及本研究的甘薯属提供了精细胞具丰富的含 DNA 质体的证据。根据本研究和前期研究6 7的细胞学资料 旋花科这三属质体的遗传方式是相同的 但是否与牵牛属一样也是父系质体遗传 还需进一步用 RFLP 方法

15、确定。线粒体遗传的方式研究尚少2。本研究电镜的观察证明 精细胞中质体和线粒体都存在。DNA 荧光的检测可分辨有大小和强弱两类不同的荧光点 表明这两种细胞器的DNA 也都存在。在单亲质体遗传的情况下 通常是生殖细胞或精细胞中虽然有线粒体分布 但缺少 DNA 例如菜豆在刚形成的生殖细胞中的线粒体 DNA 已消失1 2 在百合科中也有类似情况1 3。相反 在质体双亲遗传的种 例如天竺葵（Pelargonium hortorum）1 4、迎红杜鹃（Rhododendron mucronulatum）1 5、牵牛6、打碗花7以及本研究的甘薯 从生殖细胞发育至形成精细胞 线粒体 NDA 始终保存。在细胞质

16、遗传方式上 控制质体和线粒体遗传的机制可能不同 但结果在同一种植物中这两种细胞器的遗传方式可能是一致的 确切的答案还需进行线粒体遗传的遗传学分析来确定。2 0 2植物学报4 0卷参考文献1 Tilney-Bassett R A E The inheritance and genetic behavior of plastids In:Kirk J T O Tilney-Bassett R A E eds ThePlastidsAmsterdam:Elsevier North Holland 1 9 7 8 2 5 1 2 5 42 Hu Sh-i Yi（胡适宜）A cytological St

17、udy of plastid inheritance in angiospermsActa Bot Sin（植物学报）1 9 9 7 3 9:3 6 3 3 7 1（in Chinese）3 Smith S E Biparental inheritance of organelles and its implications in crop improvementPlant Breed Rev 1 9 8 8 6:3 6 1 3 9 34 Coleman A WWhat microspectro fluorometry can tell about plastid DNA Abstr Thir

18、d Int Cong Cell Biol Jap Suc CellBiolToktyo 1 9 8 4 5 Corriveau J S Coleman A WRapid screening method to detect potential biparental inheritance of plastid DNA and re-sults for over2 0 0angiosperm speciesAmer J Bot 1 9 8 8 7 5:1 4 4 3 1 4 5 86 Hu Zan-Min（胡赞民）Hu Sh-i Yi（胡适宜）Study on organelle DNA wit

19、hin the generative cell and sperm cells inPharbitis Acta Bot Sin（植物学报）1 9 9 5 3 7:3 4 6 3 5 0（in Chinese）7 Hu Zan-Min（胡赞民）Hu Sh-i Yi（胡适宜）Cytoplasmic nucleoids in the generative cell sperm cell and egg cell of Ca-lystegia hederaceaActa Bot Sin（植物学报）1 9 9 7 3 9:6 8 2 6 8 4（in Chinese）8 Kuroiwa T The r

20、eplication differentiation and inheritance of plastids with emphasis on the concept of organelle nucle-iInt Rev Cyt 1 9 9 1 1 2 8:1 6 29 Hu Zan-Min（胡赞民）Hu Sh-i Yi（胡适宜）Zhang Jin-Zhong（张金忠）Paternal inheritance of plastid DNA in genusPharbitisActa Bot Sin（植物学报）1 9 9 6 3 8:2 5 3 2 5 61 0 Schumann C MHaw

21、cock J F Paternal inheritance of plastids in Medicago sativa Theor Appl Genet 1 9 8 97 8:8 6 2 8 6 61 1 Boblenz KNothnagel TMetzlaff MPaternal inheritance of plastids in the genus DaucusMol Gen Genet 1 9 9 0 2 2 0:4 8 9 4 9 11 2 Liu Xing-Liang（刘兴梁）Hu Sh-i Yi（胡适宜）Cytological basis of plastid inherita

22、nce in Phaseolus vulgarisInvesti-gations of plastids mitochondria and their DNA nucleoids during pollen developmentActa Bot Sin（植物学报）1 9 9 7 3 9:1 0 6 1 1 6 0（in Chinese）1 3Liu Xing-Liang（刘兴梁）Hu Sh-i Yi（胡适宜）Cytological Studies on the Cytoplasmic inheritance in Lilium regale andL davidllActa Bot Sin（

23、植物学报）1 9 9 8 4 0:1 0 9 1 1 4（in Chinese）1 4 Hu Sh-i Yi（胡适宜）Guo Feng-Li（国凤利）Luo Yu-Ying（罗玉英）The cytological mechanism of biparental cytoplas-mic inheritance in Pelargonium hortorumUltrastructural and DNA fluorescence studies of male and female gametesActa Bot Sin（植物学报）1 9 9 4 3 6:2 4 5 2 5 0（in Chine

24、se）1 5 Guo Feng-Li（国凤利）Hu Sh-i Yi（胡适宜）Ultrastructural and DNA epifluorescence observations of the sperm cells ofRhododendron with emphasis on biparental plastid inheritanceActa Bot Sin（植物学报）1 9 9 6 3 8:5 4 8 5 5 2（in Chi-nese）图版说明L脂体M线粒体N核P质体图版 1 6压片 DAPI 染色。1、2 成熟花粉的生殖细胞 示细胞呈长梭形 细尖的两端常弯曲。细胞质中遍布许多的荧

25、光点。6 5 0 3、4 半离体培养3 0min 后水合花粉中的生殖细胞。注意形状变为短而粗 呈纺锤形 细胞质的荧光点仍保存。图4的生殖细胞在有丝分裂前期。6 7 0；7 0 0 5、6 半离体培养的水合花粉中的精细胞。5 相互贴近的一对精细胞 与在花粉中的状态相似。细胞质中大而强及小而弱的两类荧光点明显。9 3 0 6 另一花粉中的一个精细胞放大 详示大的（箭头）和小的（箭）荧光点。1 2 0 0 7、8 半离体培养4 0min 的花粉的电镜照片。7 花粉的一部分 示一个精细胞。可见细胞质中具丰富的质体和线粒体。98 0 08 图7的局部放大 详示质体及线粒体的结构。1 9 6 0 0。Ex

26、planation of PlateLLipid body MMitochondrionNNucleusPPlastidPlate Figs 1 6 Fluorescence microphotographprepared by squash method and stained with DAPI Figs 1 2 Gen-erative cells of the mature pollenshowing that they are long spindle in shape and their two thin ends are often curvedAnumber of fluores

27、cent spots distribute throughout their cytoplasm 6 5 0 Figs 3 4 Generative cells in the hydrated pollenafter being cultured for3 0min in semi-vivoNote that they become short and wide and are spindle in shapeThe fluores-cent spots still remain in the cytoplasmThe generative cell in Fig 4 is in the pr

28、ophase of mitosis 6 7 0；7 0 0 Figs 5 6 The sperm cells in the hydrated pollen after being cultured for4 0min in semi-vivo Fig 5A pair of sperm cells contact-ing tightly with each otherThey are in the same state as in the pollenTwo kinds of conspicuous fluorescent spots the bigand strongand the small

29、 and weak distribute in the cytoplasm 9 3 0 Fig 6 Enlargement of a part of a sperm cell in an-other pollenshowing the details of the big and small fluorescent spots 1 2 0 0 Figs 7 8 Electron microphotographs of apollen being cultured for4 0min in semi-vivo Fig 7 A part of a pollen showing a sperm cell with numerous plastids and mi-tochondria in its cytoplasm 9 8 0 0 Fig 8 Enlargement of a part of the Fig 7showing the detail structure of plastids andmitochondria 1 9 6 0 03期袁宗飞等：甘薯细胞质传递的研究：精细胞的质体和线粒体及其 DNA 存在的状况2 0 3