光敏核不育水稻(Oryza sativa L.japonica)是一种花药育性受光照调控的特殊水稻种质,长日照条件下花粉不育,短日照条件下花粉可育,能一系两用,简化了三系杂交水稻的生产程序,具有重要的育种实用价值与光调节的雄性不育机制研究价值。本研究以光敏感核不育水稻农垦58s(Oryza sativa L iaponica cv.NongKeng58s,PGMR)花药为材料,采用细胞组织化学方法对多糖和脂类物质的定位、钙一焦锑酸钾沉淀技术、ATPase-磷酸铅沉淀技术,系统地研究光敏核不育水稻可育和不育花药发育过程中多糖与脂类物质、钙离子和ATP酶的分布动态,以求探索该种水稻花药育性转换受光周期调节的机理。研究结果如下:　　 1光敏核不育水稻花药的细胞化学观察　　 用组织化学的方法比较研究了可育和不育花药发育过程中的多糖和脂类的分布动态,发现在造孢时期和母细胞时期,可育花药和不育花药中的多糖和脂滴都很少,二者没有明显差异。在减数分裂时期,可育花药的药室基质的多糖增加,但脂滴仍很少。不育花药中多糖和脂滴的分布与可育花药相比差异不大,只是不育花药的四分体通常是线形的,而不是四面体形。小孢子早期可育花药中,小孢子开始形成小孢子外壁,细胞质浓厚,细胞中含少量的多糖,细小的脂滴增多且分布于细胞质中。绒毡层细胞中布满细小的脂滴,整个细胞显浅红色,呈现糖类物质增多的迹象,显示出绒毡层细胞旺盛的物质代谢活动。在小孢子晚期时,可育花药的绒毡层细胞中分布着较多的脂滴。接着二胞花粉中开始积累丰富的糖类物质,为以后形成淀粉颗粒做准备。小孢子晚期绒毡层细胞内所含的脂滴己消失,细胞内也无多糖分布。二胞花粉时期的绒毡层细胞已完全解体。到了成熟花粉时期,花粉中积累了大量的淀粉粒。此时花药壁只剩表皮和药室内壁两层细胞。而在不育花药的早期小孢子中,花粉壁被染成红色且发育不完整,细胞质稀疏,细胞中无脂滴分布。小孢子早期不育花药绒毡层细胞中仅显示有一些多糖,没有脂滴的积累。暗示着不育花药绒毡层细胞对脂类物质的转化发生异常,没有把吸收的营养物质转化成小孢子发育所必需的脂类,造成小孢子不能形成完整的花粉壁,影响小孢子的正常生长发育,最终导致花粉败育。由于小孢子败育,不能再吸收利用绒毡层所分泌的营养物质,因而直到开花时,不育花药的中层和绒毡层细胞仍保留。　　 2光敏核不育水稻花药发育过程中Ca2+的分布特征　　 可育花药发育过程中Ca2+的分布特征:(1)在减数分裂前、在小孢子从四分体释放出来形成花粉外壁前和在小孢子晚期不等分裂前,药壁中的钙颗粒总是特异性地增多;而在减数分裂后、在小孢子形成完整的花粉外壁后和小孢子分裂形成二胞花粉后,药壁中的钙颗粒明显地减少了。药壁组织中的钙分布特征表明,花药通过药壁细胞向药室中转运钙,供小孢子发育所需;Ca2+作为一种代谢物质参与花药的发育调控,尤其是与小孢子转变过程中的重要事态有密切关系。(2)从小孢子早期到二胞时期,在花粉外壁上一直分布了大量的钙颗粒;二胞时期在靠近花粉外壁处形成花粉内壁,其中分布着一些细小的钙颗粒,表明Ca2+可能参与了花粉内外壁的合成。而花粉成熟时,花粉外壁表面和萌发孔处积累了大量的钙颗粒,则可能是花粉为以后花粉管萌发和生长做准备。(3)二胞花粉早期的生殖细胞中钙颗粒比营养细胞要少,推测Ca2+在营养细胞和生殖细胞之间的分化及其后的发育途径上可能起重要的调控作用。(4)母细胞时期药隔维管束开始分化出导管细胞:从小孢子母细胞减数分裂开始到二胞花粉的整个发育过程,花药维管组织中一直都聚集了大量的钙颗粒;到二胞花粉时,花药维管束中的钙颗粒进一步增加;到成熟花粉时,花药维管束中仍聚集了较多的钙颗粒,但是数量比二胞时期少。结合药壁细胞中钙颗粒的动态消长、乌氏体表面上的钙颗粒分布与绒毡层退化解体,本文认为花粉所需的Ca2+可能通过维管束组织和导管细胞运送至药壁组织,到达绒毡层后,通过乌氏体转移到药室中,聚集在花粉表面或进入细胞质中参与调控花粉发育。　　 不育花药发育过程中Ca2+的分布特征:减数分裂前,不育花药中的钙颗粒分布与可育相比差异不大。减数分裂后,形成异常的线形四分体。小孢子从四分体游离出来后,逐渐显示出差异:先是小孢子质膜外的花粉外壁是由颗粒状的孢粉素垛堞成不连续的单层结构。其次小孢子细胞核膜不完整,细胞质中没有小液泡,细胞质中有较多的钙颗粒分布。接着小孢子细胞核破裂,细胞质的电子密度增大,细胞中的各种细胞器结构模糊,有一些较大的钙颗粒在细胞质中不均匀地分布。开花前,败育花粉中各细胞器降解消逝,只剩下一圈不完整的花粉外壁,仍有一些钙颗粒分布。　　 3光敏核不育水稻花药发育过程中ATPase的分布特征　　 用磷酸铅沉淀法研究了可育和不育花药发育中Mg2+ATPase的动态变化。可育花药发育中ATPase的分布特征为:(1)在减数分裂前、在小孢子形成花粉外壁前和在小孢子晚期不等分裂前这些形态学上的骤变现象前期,药壁中的ATPase反应颗粒总是特异性地增多。而在减数分裂后、在小孢子形成完整的花粉外壁后和小孢子分裂形成二胞花粉后并形成花粉内壁,药壁中的ATPase反应颗粒明显地减少了。(2)从小孢子母细胞减数分裂开始到花粉成熟的整个发育过程,花药维管组织中一直都聚集了大量的ATPase反应颗粒,反映了植物体向花药中的旺盛物质运输。(3)二胞花粉的营养细胞比生殖细胞含有更多的ATPase反应颗粒,说明营养细胞和生殖细胞的物质供应和能量代谢是有差异的,ATPase活性的差异对营养细胞和生殖细胞之间的分化及其后的发育途径上可能起着重要的调控作用。因此,ATPase在光敏核不育水稻可育花药发育中的分布呈现出特殊的时空分布变化,与花药在特定发育时期的发育特征相适应的。　　 不育花药发育过程中ATPase的分布特征:在减数分裂前,不育花药小孢子和花药壁中ATPase反应颗粒的分布与可育花药相比差异不大。在小孢子早期,不育花药显示出了败育的迹象:首先小孢子质膜外的花粉外壁不是正常的三层结构,而是由颗粒状的孢粉素排列成不连续的单层结构;其次小孢子细胞核膜不完整,细胞质中没有小液泡,细胞质中有许多ATPase反应颗粒分布。接着小孢子细胞核的核膜逐渐消融,小孢子细胞质中含有大量的ATPase反应颗粒。最后小孢子细胞核完全消失。由于小孢子细胞核的破裂,原分布于细胞核中的ATPase溢出,引起细胞质中ATPase反应颗粒异常增多。造成细胞中小液泡的消融和各种细胞器的解体,这可能是导致光敏核水稻小孢子败育的一个重要原因。不育花药药隔维管束分化的较晚,在减数分裂时期才开始分化出导管(而可育花药在小孢子母细胞时期就已分化导管细胞);且不育花药药隔维管束的ATPase反应颗粒也一直比可育的少。不育花药的药隔维管束异常发育造成花药中小孢子的物质供应不足以及能量缺乏,这可能也是导致光敏核水稻小孢子败育的一个重要原因。