王兵，陳昕鈺，徐德利*，李國權(quán)，許光輝，王禮焦，李筠，董召娣，余徐潤，熊飛*

(1.連云港市農(nóng)作物技術(shù)指導(dǎo)站，江蘇 連云港 222000； 2.揚(yáng)州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 3.連云港市農(nóng)業(yè)委員會，江蘇 連云港 222000)

小麥胚乳充實(shí)與穎果運(yùn)輸組織的解剖學(xué)研究

王兵1，陳昕鈺2，徐德利1*，李國權(quán)1，許光輝3，王禮焦1，李筠3，董召娣2，余徐潤2，熊飛2*

(1.連云港市農(nóng)作物技術(shù)指導(dǎo)站，江蘇 連云港 222000； 2.揚(yáng)州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 3.連云港市農(nóng)業(yè)委員會，江蘇 連云港 222000)

[目的]探明小麥胚乳物質(zhì)充實(shí)狀況與穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織在結(jié)構(gòu)發(fā)育方面的關(guān)系。[方法]以連云港地區(qū)的主推品種連麥8號、連麥7號和山農(nóng)20為材料，精確標(biāo)記穎花的開花時間，運(yùn)用樹脂切片和顯微技術(shù)研究了小麥胚乳物質(zhì)充實(shí)與維管束和傳遞細(xì)胞等養(yǎng)分運(yùn)輸組織發(fā)育的結(jié)構(gòu)特征。[結(jié)果]在穎果發(fā)育過程中，連麥8號的千粒重日增加量最多，充實(shí)最快，其次是連麥7號，山農(nóng)20最慢；3個品種相比，連麥8號胚乳淀粉體和蛋白體結(jié)合最緊密，淀粉體和蛋白體充實(shí)度最高，連麥7號次之，山農(nóng)20最低。連麥8號穎果維管束最發(fā)達(dá)，傳遞細(xì)胞分化最早，養(yǎng)分運(yùn)輸能力最強(qiáng)。[結(jié)論]連麥8號養(yǎng)分運(yùn)輸組織發(fā)育好，有利于灌漿物質(zhì)的輸入，導(dǎo)致胚乳細(xì)胞淀粉和蛋白積累增多，這可能是連麥8號胚乳物質(zhì)充實(shí)好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

小麥胚乳； 物質(zhì)充實(shí)； 養(yǎng)分運(yùn)輸組織； 顯微結(jié)構(gòu)

小麥作為世界上最重要的糧食作物之一，在全球范圍內(nèi)廣泛種植。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，小麥的種植面積位于全球糧食作物第一位，產(chǎn)量僅次于玉米和水稻，位居第三位。穎果是小麥營養(yǎng)物質(zhì)儲藏的重要器官，其發(fā)育狀況直接決定了小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。小麥穎果主要由母體組織果皮和子代組織胚及胚乳構(gòu)成，它們的發(fā)育彼此不同卻又密切關(guān)聯(lián)，兩者相互協(xié)調(diào)，共同影響穎果的發(fā)育[1]。前人對發(fā)育中穎果的基因表達(dá)進(jìn)行了系統(tǒng)的空間分析[2]，并發(fā)現(xiàn)了一些母性以及合子的基因和轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控穎果的發(fā)育[3]。胚乳是穎果的主要部位，其重量占穎果總重量的85%以上[4]。胚乳細(xì)胞經(jīng)核分裂形成合胞體，后經(jīng)細(xì)胞化實(shí)現(xiàn)胚乳細(xì)胞的增殖[5]，之后隨著穎果的發(fā)育，胚乳細(xì)胞體積增大，淀粉和蛋白質(zhì)逐漸充實(shí)。淀粉和蛋白質(zhì)作為胚乳的主要儲藏物質(zhì)，分別積累在淀粉體和蛋白體這2種細(xì)胞器中，而淀粉體和蛋白體的發(fā)育狀況直接影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。

小麥穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織由母體養(yǎng)分運(yùn)輸組織和子代養(yǎng)分運(yùn)輸組織組成，其中母體養(yǎng)分運(yùn)輸組織主要包括果皮維管束、合點(diǎn)、珠心突起傳遞細(xì)胞，子代養(yǎng)分運(yùn)輸組織主要包括傳遞細(xì)胞、胚乳輸導(dǎo)細(xì)胞和糊粉層[7]。隨著穎果的發(fā)育和灌漿進(jìn)程，維管束附近的珠被和部分珠心組織形成合點(diǎn)，靠近合點(diǎn)的珠心組織形成珠心突起，而珠心突起又逐步分化為珠心突起傳遞細(xì)胞。同時，胚乳表層細(xì)胞分化為糊粉層和傳遞細(xì)胞，糊粉層位于胚乳的最外層，而傳遞細(xì)胞正對胚乳腔，由外向內(nèi)可分為糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞。前人對小麥穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織的形成進(jìn)行了大量的研究。熊飛等人系統(tǒng)地觀察了小麥穗部和果皮維管束的發(fā)育過程并探究了穎果中維管束的數(shù)目及其與穎果發(fā)育的關(guān)系[8]，Radchuk等人發(fā)現(xiàn)了在珠心突起細(xì)胞的形態(tài)建成中起決定作用的基因[9]，此外還有一些研究證實(shí)了糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞具有吸收和運(yùn)輸養(yǎng)分的功能[10, 11]。

小麥灌漿其實(shí)就是胚乳物質(zhì)充實(shí)的過程，被認(rèn)為是小麥產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵階段[12]。小麥籽粒灌漿的快慢受自身遺傳因素的限制，同時在灌漿過程中也會受到生理和環(huán)境條件的影響[13]。光合作用產(chǎn)生的光合產(chǎn)物先后通過小麥穗莖部和小穗基部的維管束運(yùn)送到穎果，進(jìn)而依次經(jīng)過合點(diǎn)、珠心突起傳遞細(xì)胞等母體養(yǎng)分運(yùn)輸組織運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)外體腔中，之后再經(jīng)過糊粉層傳遞細(xì)胞、胚乳傳遞細(xì)胞、胚乳輸導(dǎo)細(xì)胞等子代養(yǎng)分運(yùn)輸組織運(yùn)向胚乳[14]。因此，穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織的發(fā)育狀況會影響小麥胚乳的物質(zhì)充實(shí)。然而，有關(guān)小麥胚乳物質(zhì)充實(shí)與穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織發(fā)育之間聯(lián)系的解剖學(xué)研究鮮有報道。本研究以連云港地區(qū)生產(chǎn)中大面積應(yīng)用的主體品種連麥8號、連麥7號和山農(nóng)20這3個小麥品種為材料，在系統(tǒng)觀察穎果結(jié)構(gòu)發(fā)育的基礎(chǔ)上，分析了胚乳淀粉和蛋白的充實(shí)以及養(yǎng)分運(yùn)輸組織的結(jié)構(gòu)發(fā)育特征，探究了胚乳物質(zhì)充實(shí)與養(yǎng)分運(yùn)輸組織結(jié)構(gòu)發(fā)育的關(guān)系，以期從細(xì)胞學(xué)角度闡明不同小麥品種間胚乳充實(shí)差異的形態(tài)學(xué)機(jī)制，旨在為提高小麥灌漿速率，選育高產(chǎn)品種，篩選出適合稻麥周年生產(chǎn)的偏早熟小麥品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選用的小麥品種為連麥8號、連麥7號由連云港農(nóng)科所提供，山農(nóng)20由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，于2015-2016年種植于江蘇(連云港)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(稻麥)科技綜合示范基地實(shí)驗田內(nèi)。在小麥生長期進(jìn)行常規(guī)化管理，及時防控病蟲害；小麥開花季節(jié)采用記號筆點(diǎn)穎和植株掛牌相結(jié)合的方法準(zhǔn)確標(biāo)定穗上小花的開花日期，標(biāo)記的穎花均為穗中部小穗基部的兩朵小花。

1.2 小麥灌漿速度差異的鑒定

從花后5 d開始，每隔2 d采集3種小麥的新鮮穎果，測定其千粒重，根據(jù)千粒重的增加情況，比較不同小麥品種間灌漿的快慢。

1.3 穎果的顯微結(jié)構(gòu)觀察

取不同發(fā)育時期的穎果，用潔凈的剃須刀片橫向切取穎果中部2 mm厚的樣品片段并迅速置于2.5%戊二醛(25%戊二醛溶于pH 7.2 磷酸緩沖液稀釋)中前固定48 h(4 ℃)。固定后的樣品再次用磷酸緩沖液漂洗(共3次，每次10 min)，后經(jīng)梯度乙醇 (20%，40%，60%，70%，80%，90%，95%和100% 3次，每次10 min)脫水，環(huán)氧丙烷置換，Spurr低粘度樹脂浸透與包埋，于70 ℃下聚合12 h。聚合好的樣品先用玻璃刀在超薄切片機(jī)(Leica Ultracut R)上切1 μm的半薄切片，并用0.5%甲基紫染色，在光學(xué)顯微鏡(DMLS, Leica)下觀察并拍照。每個品種選取3個穎果作為重復(fù)，每個穎果來自不同麥穗。

1.4 篩管和導(dǎo)管細(xì)胞直徑和面積的測量以及胚乳細(xì)胞淀粉體和蛋白體相對面積的統(tǒng)計

參照余徐潤等[15]的方法，對胚乳中的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量的統(tǒng)計分析。具體步驟如下：先使用Photoshop中的魔棒和畫筆工具對篩管和導(dǎo)管細(xì)胞以及胚乳中的淀粉體和蛋白體進(jìn)行顏色填充處理，然后用Image-Pro Plus軟件分析顯微圖像。利用軟件中的工具測定導(dǎo)管和篩管細(xì)胞的直徑以及填色區(qū)域的面積，并計算淀粉體和蛋白體所占的相對面積。每個樣品統(tǒng)計3個穎果作為重復(fù)，每個穎果統(tǒng)計3張顯微圖片。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用Microsoft Excel(Version 2016, Microsoft, USA)統(tǒng)計試驗結(jié)果，并用SPSS (Version 19.0, International Business Machines Corporation, USA)進(jìn)行顯著性檢驗，數(shù)據(jù)的顯著性檢驗在0.05水平上利用LSD法進(jìn)行。采用Photoshop圖像處理軟件(Version CS6, Adobe, USA)制作圖版，并用Origin函數(shù)繪圖軟件(Version 9.1, OriginLab, USA)繪制統(tǒng)計圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥穎果的千粒重和灌漿速度

3個小麥品種在穎果發(fā)育期間千粒重的增長情況見圖1。在整個發(fā)育過程中，連麥8號的千粒重要始終大于連麥7號和山農(nóng)20，其中山農(nóng)20的千粒重最小(圖1A)。從千粒重的日增長量來看，連麥8號千粒重的增加速度較快，特別是在花后5～7 d，增長量最高，在花后25 d之后，千粒重基本保持不變，這說明連麥8號在早期灌漿速度快，充實(shí)完成早。連麥7號和山農(nóng)20的穎果千粒重增長相對較慢，其中連麥7號的千粒重日增長量略高于山農(nóng)20，在花后21～29 d，2種小麥的千粒重仍表現(xiàn)出緩慢的增長趨勢，表明這2個小麥品種灌漿速度慢，充實(shí)完成時間略長(圖1B)。

圖1 小麥穎果灌漿期千粒重的變化Fig.1 Changes of 1 000-grain weight during wheat grain filling

2.2 小麥胚乳細(xì)胞中淀粉和蛋白的充實(shí)

淀粉和蛋白質(zhì)是小麥胚乳的主要儲藏物質(zhì)，隨著穎果的灌漿，淀粉體和蛋白體在胚乳細(xì)胞中開始形成、發(fā)育和充實(shí)。我們對3種小麥不同發(fā)育時期的胚乳細(xì)胞的充實(shí)進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)觀察(圖2)，同時采用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計了胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體的相對面積(圖3)?；ê?0 d，連麥8號的胚乳細(xì)胞中積累了一定數(shù)量的淀粉顆粒，包括圓球型的小淀粉粒和不規(guī)則形狀的大淀粉粒，連麥7號的胚乳細(xì)胞中也積累了許多淀粉體且其體積大，而山農(nóng)20的胚乳細(xì)胞中淀粉體充實(shí)程度低，只能觀察到一些紡錘形的淀粉體零星地分布在細(xì)胞壁周圍(圖2A, D, G)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明連麥8號胚乳細(xì)胞中淀粉體的相對面積顯著高于其它2個小麥品種(圖3A)。同時在連麥8號和連麥7號的胚乳細(xì)胞中還能觀察到一些蛋白體，但連麥8號胚乳中蛋白體的體積明顯比連麥7號的大，蛋白體的相對面積也顯著高于連麥7號(圖2A, D; 圖3B)。而山農(nóng)20胚乳細(xì)胞中只積累了少量小的蛋白體，并且蛋白體的相對面積在3個小麥品種也是最低(圖2G; 圖3B)。這些結(jié)果說明，在花后10 d，連麥8號胚乳中淀粉和蛋白的充實(shí)最好，連麥7號胚乳中淀粉體積累多而蛋白體積累少，山農(nóng)20胚乳淀粉體和蛋白體的充實(shí)程度較低?；ê?5 d，胚乳細(xì)胞進(jìn)一步充實(shí)，淀粉體和蛋白體體積增大。

圖2 小麥穎果胚乳的顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of wheat endosperm filling 注：(A-C) 連麥8號胚乳；(D-F) 連麥7號胚乳；(G-I) 山農(nóng)20胚乳。A、D、G，花后10天；B、E、H，花后15天；C、F、I，花后25天.。SG，淀粉體；PB，蛋白體。標(biāo)尺：40 μmNote：(A-C) endosperm of Lianmai 8; (D-F) endosperm of Lianmai 7; (G-I) endosperm of Shannong 20. A, D, G, 10 days after anthesis; B, E, H, 15 days after anthesis; C, F, I, 25 days after anthesis. SG, starch granules; PB, protein bodies. Scale bar: 40 μm

圖3 小麥胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體的充實(shí)情況Fig.3 Filling degree of starch granule and protein body in wheat endosperm 注：(A) 3種小麥單個胚乳細(xì)胞中淀粉體相比面積；(B) 3種小麥單個胚乳細(xì)胞中蛋白體相對面積。柱形圖上方不同小寫字母表示不同小麥品種間存在顯著差異(P< 0.05)。Note: (A) relative areas of starch granules in three wheat cultivars endosperm cell; (B) relative areas of protein bodies in three wheat cultivars endosperm cell. Different lowercase letters above histogram indicate significant difference between wheat cultivars at the P< 0.05 level.

連麥8號和連麥7號的胚乳細(xì)胞基本被淀粉體和蛋白體所充實(shí)，淀粉體相對面積高，但是連麥8號胚乳細(xì)胞中蛋白體的數(shù)量明顯比連麥7號多、體積大，蛋白體相對面積明顯高于連麥7號(圖2B, E; 圖3)。然而，山農(nóng)20胚乳細(xì)胞的淀粉和蛋白充實(shí)仍然不高，能觀察到一些小蛋白體積累在細(xì)胞中央，周圍積累有一定數(shù)量的淀粉體，同時山農(nóng)20胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體的相對面積顯著低于其它2個小麥品種(圖2H, 圖3B)。到了花后25 d，連麥8號和連麥7號的胚乳細(xì)胞完全被淀粉體充實(shí)，并且出現(xiàn)了大量的小淀粉體，同時，積累的大蛋白體填充在淀粉體空隙間，被擠壓變形(圖2C, F)。此時，山農(nóng)20的胚乳細(xì)胞才基本被淀粉體和蛋白體充實(shí)，但是蛋白體體積小(圖2I)。綜合以上結(jié)果表明，隨著穎果的灌漿，連麥8號胚乳中淀粉體和蛋白體積累多，充實(shí)快，而山農(nóng)20胚乳的淀粉和蛋白充實(shí)程度最低，充實(shí)慢。

2.3 小麥穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織的結(jié)構(gòu)發(fā)育

對3種小麥穎果的維管束進(jìn)行樹脂切片和顯微觀察，結(jié)果見圖4?；ê?5 d，穎果維管束發(fā)育成熟，具有養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)哪芰?。連麥8號維管束的篩管和導(dǎo)管發(fā)達(dá)，細(xì)胞大且數(shù)目多；篩管和導(dǎo)管周圍的維管薄壁細(xì)胞中已經(jīng)積累了少量的淀粉體，細(xì)胞核開始變淡解體(圖4 A, B)，這些都表明連麥8號維管束發(fā)育得早，已經(jīng)開始運(yùn)輸灌漿物質(zhì)。連麥7號和山農(nóng)20小麥穎果維管束中篩管和導(dǎo)管的細(xì)胞數(shù)量少，維管薄壁細(xì)胞中還未積累淀粉體(圖4C, D)。同時，山農(nóng)20篩管周圍的維管薄壁細(xì)胞被擠壓變形，導(dǎo)管周圍的維管薄壁細(xì)胞細(xì)胞核明顯，還沒解體。這表明連麥7號和山農(nóng)20的維管束發(fā)育較晚，阻礙了胚乳的物質(zhì)充實(shí)(圖4E, F)。此外，利用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計3種小麥穎果維管束中篩管和導(dǎo)管的細(xì)胞直徑和面積，結(jié)果如表1。從表中可以看出連麥8號篩管和導(dǎo)管細(xì)胞的直徑和面積都要顯著高于其它2個小麥品種，其次是連麥7號，最低的是山農(nóng)20，這就從結(jié)構(gòu)上保證了連麥8號在養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)耐ǖ郎嫌休^為明顯的優(yōu)勢。

圖4 小麥穎果維管束顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of vascular bundles in wheat caryopsis 注：(A, B) 連麥8號篩管和導(dǎo)管；(C, D) 連麥7號篩管和導(dǎo)管；(E, F) 山農(nóng)20篩管和導(dǎo)管。Nu, 細(xì)胞核；SG，淀粉體；ST, 篩管；Ve, 導(dǎo)管；VP, 維管薄壁細(xì)胞。標(biāo)尺：20 μmNote: (A, B) sieve tube and vessel of Lianmai 8; (C, D) sieve tube and vessel of Lianmai 7; (E, F) sieve tube and vessel of Shannong 20. Nu, nucleus; SG, starch granules; ST, sieve tube; Ve, vessel; VP, vascular parenchyma. Scale bar: 20 μm

3種小麥不同發(fā)育時期穎果的珠心突起傳遞細(xì)胞、糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)見圖5。珠心突起細(xì)胞位于合點(diǎn)和胚乳腔之間的區(qū)域，隨著穎果的發(fā)育，珠心突起細(xì)胞會分化成珠心突起傳遞細(xì)胞，將養(yǎng)分從合點(diǎn)細(xì)胞卸載到胚乳腔中。從微觀結(jié)構(gòu)上看，3種小麥的珠心突起傳遞細(xì)胞的發(fā)育存在差異?；ê?0 d，連麥8號珠心突起細(xì)胞的細(xì)胞壁明顯加厚，分化成珠心突起傳遞細(xì)胞，而且細(xì)胞形狀較規(guī)則，排列緊密。而連麥7號和山農(nóng)20珠心突起細(xì)胞的細(xì)胞壁加厚不明顯，未出現(xiàn)分化(圖5 A, E, I)。花后25 d，絕大多數(shù)珠心突起細(xì)胞分化為珠心突起傳遞細(xì)胞，細(xì)胞壁增厚明顯，并向內(nèi)突起生長形成細(xì)胞壁內(nèi)突(圖5C, G, K)。連麥8號珠心突起傳遞細(xì)胞的層數(shù)、細(xì)胞壁加厚程度以及細(xì)胞壁內(nèi)突的數(shù)量均要大于其余兩個小麥品種，這表明連麥8號珠心突起傳遞細(xì)胞發(fā)達(dá)，其發(fā)育狀況要好于其他兩種小麥，養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)哪芰Ω鼜?qiáng)。

經(jīng)由珠心突起傳遞細(xì)胞卸載到胚乳腔中的養(yǎng)分之后通過子代養(yǎng)分運(yùn)輸組織(糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞)運(yùn)輸?shù)脚呷橹小：蹖觽鬟f細(xì)胞由靠近胚乳腔的最外面的1～2層胚乳細(xì)胞分化而來，與之相鄰的1～2層細(xì)胞分化為胚乳傳遞細(xì)胞。傳遞細(xì)胞的發(fā)育，為胚乳中儲藏物質(zhì)的充實(shí)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。花后10 d，糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞壁加厚，形成細(xì)胞壁內(nèi)突，胚乳傳遞細(xì)胞中開始積累淀粉體(圖5B, F, J)。到了花后25 d，傳遞細(xì)胞壁進(jìn)一步加厚，細(xì)胞壁厚度大，細(xì)胞壁內(nèi)突明顯且數(shù)量多，胚乳傳遞細(xì)胞中積累的淀粉體數(shù)量變多，體積變大(圖5D, H, L)。從傳遞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)發(fā)育來看，連麥8號傳遞細(xì)胞壁的厚度以及細(xì)胞壁內(nèi)突的數(shù)量和突出程度都要高于其他兩個小麥品種，同時胚乳傳遞細(xì)胞中積累了更多的淀粉體。這些結(jié)果都表明，連麥8號的珠心突起傳遞細(xì)胞、糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞的發(fā)育都要好于連麥7號和山農(nóng)20，細(xì)胞發(fā)育的進(jìn)程，利于連麥8號胚乳的物質(zhì)充實(shí)。

表1 花后15天三種小麥篩管和導(dǎo)管的直徑及面積Table 1 Diameters and areas of sieve tubes and vessels in three wheat cultivars caryopses at 15 days after anthesis

注：同列不同小寫字母表示存在顯著差異(P<0.05)

Note: Different lowercase letters indicate significant difference at theP< 0.05 level in the same column.

圖5 小麥穎果珠心突起傳遞細(xì)胞、糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of wheat nucellar projection transfer cell, aleurone transfer cells and endosperm transfer cell of wheat caryopsis 注：(A-D) 連麥8號；(E-H) 連麥7號；(I-L) 山農(nóng)20。A、B、E、F、I、J，花后10天；C、D、G、H、K、L，花后25天。ATC, 糊粉層傳遞；EC, 胚乳腔；ETC, 胚乳傳遞細(xì)胞；NP, 珠心突起；NPTC, 珠心突起傳遞細(xì)胞；SG，淀粉體；TW, 加厚的細(xì)胞壁。黑色箭頭指示的為細(xì)胞壁內(nèi)突。標(biāo)尺：20 μmNote: (A-D) Lianmai 8; (E-H) Lianmai 7; (I-L) Shannong 20. A, B, E, F, I, J, 10 days after anthesis; C, D, G, H, K, L, 25 days after anthesis. ATC, aleurone transfer cells; EC, endosperm cavity; ETC, endosperm transfer cell; NP, nucellar projection; NPTC, nucellar projection transfer cell; SG, starch granules; TW, thickened wall. Black arrowheads in the figure indicate the wall ingrowths. Scale bar: 20 μm

綜合以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相比于其它2種小麥，連麥8號的養(yǎng)分運(yùn)輸組織更為發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)發(fā)育更完善，從而具有更強(qiáng)的養(yǎng)分運(yùn)輸能力，利于灌漿物質(zhì)向胚乳的輸入，這可能是連麥8號灌漿速度快、胚乳充實(shí)程度高的原因之一。

3 討論與結(jié)論

小麥胚乳作為穎果的主要成分，它的充實(shí)是穎果體積和粒重增大的主要原因，直接決定了穎果的發(fā)育和小麥最終的產(chǎn)量。淀粉和蛋白是胚乳中主要的充實(shí)物質(zhì)，其積累狀況取決于胚乳細(xì)胞的數(shù)目和大小，并受穎果灌漿速度和持續(xù)時間的影響[16]。本研究中，連麥8號千粒重日增加量高，灌漿快，其胚乳在灌漿過程中淀粉和蛋白的充實(shí)程度都明顯高于其它2個小麥品種，淀粉體和蛋白體積累得最多。在前人的研究中也有類似的報道，劉大同等人發(fā)現(xiàn)灌漿快的小麥品種揚(yáng)麥16，其胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體發(fā)育好，胚乳充實(shí)飽滿[17]。與之不同的是，我們統(tǒng)計了胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體的相對面積，從數(shù)量上更直觀地表明胚乳的物質(zhì)充實(shí)情況。此外，連麥8號具有產(chǎn)量高，籽粒飽滿，容重高的特點(diǎn)[18]。在灌漿過程中，連麥8號的千粒重始終高于連麥7號和山農(nóng)20，籽粒體積大，庫容大。顯微結(jié)構(gòu)也顯示，連麥8號的維管束發(fā)達(dá)，養(yǎng)分運(yùn)輸組織的發(fā)育與胚乳的物質(zhì)充實(shí)相適應(yīng)。因而，連麥8號“源—庫—流”的協(xié)調(diào)[19]，可能是其灌漿快、胚乳充實(shí)程度高的原因。

小麥胚乳中充實(shí)的儲藏物質(zhì)來源于經(jīng)穎果養(yǎng)分運(yùn)輸組織運(yùn)送的養(yǎng)分，維管束作為胚乳充實(shí)物質(zhì)輸入的重要通道，對穎果的灌漿和儲藏物質(zhì)的積累具有重要作用[20]。本研究中，我們通過樹脂切片觀察到連麥8號穎果的維管束發(fā)達(dá)，韌皮部分布廣，篩管細(xì)胞數(shù)量多、直徑大，這使得養(yǎng)分向周圍組織運(yùn)輸?shù)姆较蚋?，避免維管束周圍養(yǎng)分濃度過高而造成卸載速率下降。來自維管束的養(yǎng)分通過合點(diǎn)和珠心突起傳遞細(xì)胞之后，卸載到胚乳腔中。前人研究證明了珠心突起傳遞細(xì)胞質(zhì)膜表面積的增加與穎果干物質(zhì)的積累呈正相關(guān)的關(guān)系[21]。我們觀察到連麥8號珠心突起傳遞細(xì)胞壁的增厚要早于其它2個小麥品種，細(xì)胞層數(shù)多，壁內(nèi)突發(fā)達(dá)、數(shù)量多，細(xì)胞排列緊密，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠使維管束運(yùn)輸來的物質(zhì)被更多、更高效地卸載到胚乳腔中。與珠心突起傳遞細(xì)胞隔著胚乳腔相對的最外面2～3層胚乳細(xì)胞分化為糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞，它們是胚乳腔中的養(yǎng)分輸入胚乳的重要途徑[22]。本研究表明，連麥8號傳遞細(xì)胞的發(fā)育要好于連麥7號和山農(nóng)20，其細(xì)胞壁增厚程度明顯，細(xì)胞壁內(nèi)突數(shù)量多，這擴(kuò)大了灌漿物質(zhì)向胚乳運(yùn)輸?shù)慕佑|面和通道，提高了胚乳腔中的養(yǎng)分輸入胚乳的速度?？傊?，連麥8號穎果養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)發(fā)育特征與胚乳中物質(zhì)快速而大量的充實(shí)相適應(yīng)，這可能是造成其灌漿快、胚乳充實(shí)程度高的結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)。

[1]Garcia D,Fitz Gerald J N,Berger F.Maternal control of integument cell elongation and zygotic control of endosperm growth are coordinated to determine seed size in Arabidopsis[J].Plant Cell,2005,17(1):52-60.

[2]Drea S,Leader D J,Arnold B C,et al.Systematic spatial analysis of gene expression during wheat caryopsis development[J].Plant Cell,2005,17(8): 2172-2185.

[3]Li N,Li Y.Maternal control of seed size in plants[J].Journal of Experimental Botany,2015,66(4):1087.

[4]張傳輝，姜東，戴廷波，等.谷物籽粒淀粉合成與品質(zhì)改良研究進(jìn)展[J].中國糧油學(xué)報,2006,21(6):87-91.

[5]Brown R C,Lemmon B E,Olsen O A.Endosperm development in barley:microtubule involvement in the morphogenetic pathway[J].Plant Cell,1994,6(9):1241-1252.

[6]王忠，顧蘊(yùn)潔，李衛(wèi)芳，等.小麥胚乳發(fā)育及其養(yǎng)分輸入的途徑[J].作物學(xué)報,1998,24(5):536-543.

[7]余徐潤.小麥穎果發(fā)育及其對氮素和干旱脅迫響應(yīng)的研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2016.

[8]熊飛，孔妤，孟秀蓉，等.小麥穗部和穎果維管束系統(tǒng)的發(fā)育解剖學(xué)研究[J].麥類作物學(xué)報,2009,29(1):93-99.

[9]Radchuk V,Borisjuk L,Radchuk R,et al.Jekyllencodes a novel protein involved in the sexual reproduction of barley[J].Plant Cell,2006,18(7):1652-1666.

[10]王慧慧，王峰，劉大同，等.小麥胚乳傳遞細(xì)胞發(fā)育的結(jié)構(gòu)觀察[J].麥類作物學(xué)報,2011,31(5):944-952.

[11]Wang H L,Offler C E,Patrick J W.Nucellar projection transfer cells in the developing wheat grain[J].Protoplasma,1994,182(1-2):39-52.

[12]李世清，邵明安，李紫燕，等.小麥籽粒灌漿特征及影響因素的研究進(jìn)展[J].西北植物學(xué)報,2003,23(11):2031-2039.

[13]劉源霞，王文文，張保望，等.小素籽粒灌漿特性與千粒重的相關(guān)性分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，45(4)：12-17.

[14]Yu X R,Chen X Y,Zhou L,et al.Structural development of wheat nutrient transfer tissues and their relationships with filial tissues development[J].Protoplasma,2015,252(2):605-617.

[15]余徐潤，周亮，荊彥平，等.Image-Pro Plus軟件在小麥淀粉粒顯微圖像分析中的應(yīng)用[J].電子顯微學(xué)報,2013,32(4):344-351.

[16]Egli D B.Seed biology and the yield of grain crops[M].New York:CAB International,1998:178-179.

[17]劉大同，余徐潤，朱冬梅，等.揚(yáng)麥16“灌漿快”與穎果顯微結(jié)構(gòu)和內(nèi)源生長素的關(guān)系[J].麥類作物學(xué)報,2017,37(6):739-749.

[18]胡曙鋆，鄭燕，陳云明，等.小麥新品種連麥8號的選育及應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(1):95-96.

[19]王忠.植物生理學(xué)(第2版)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2009：238-272.

[20]王忠，顧蘊(yùn)潔，李衛(wèi)芳，等.小麥胚乳發(fā)育及其養(yǎng)分輸入的途徑[J].作物學(xué)報,1998,24(5):536-543.

[21]Wang H L,Offler C E,Patrick J W.The cellular pathway of photosynthate transfer in the developing wheat grain.II.A structural analysis and histochemical studies of the pathway from the crease phloem to the endosperm cavity[J].Plant Cell and Environment,1995,18(4):373-388.

[22]Thompson R D,Hueros G,Becker H,et al.Development and functions of seed transfer cells[J].Plant Science an International Journal of Experimental Plant Biology,2001,160(5):775.

Anatomicalstudyonfillingofwheatendospermanddevelopmentoftransfertissuesincaryopsis

WangBing1,ChenXinyu2,XuDeli1*,LiGuoquan1,XuGuanghui3,WangLijiao1,LiYun3,DongZhaodi2,YuXurun2,XiongFei2*

(1.LianyungangCorpTechnicalGuidanceStation,Lianyungang222000,China; 2.CollegeofBioscienceandBiotechnology,YangzhouUniversity,Yangzhou225000,China; 3.LianyungangAgricultureCommittee,Lianyungang222000,China)

[Objective]To clarify the structural relationship between wheat endosperm filling and caryopsis nutrient transfer tissues development.[Methods]Three main wheat cultivars in Lianyungang (Lianmai 8, Lianmai 7 and Shannong 20) were selected as materials and anthesis dates were labeled during the growth of wheat. Endosperm substance filling and structural characteristics of caryopsis nutrients transfer tissues were investigated by using resin slicing and microscopic observation technology.[Results]During the development of caryopsis, the increased weight of Lianmai 8 caryopses per day was the highest and its filling rate was the fastest followed by Lianmai 7 and Shannong 20. Among three wheat cultivars, starch granules and protein bodies were closely integrated in Lianmai 8 endosperm whose filling degree was the highest followed by Lianmai 7 and Shannong 20. Moreover, the nutrient transfer tissues development of Lianmai 8 was better than that of the other two wheat cultivars. Its vascular bundles were the strongest and transfer cells differentiated earliest,Resulting in strongest nutrient transport ability.[Conclusion]Nutrient transfer tissues of Lianmai 8 was well developed, which was beneficial to the input of grouting substance, leading to enhancement of starch and protein accumulation in endosperm. This may be the structural basis for better endosperm substance filling of Lianmai 8.

Wheat endosperm, Substance filling, Nutrient transfer tissues, Microstructure

S512.1

A

1671-8151(2017)12-0841-08

2017-09-09

2017-10-09

王兵(1965-)，男(漢)，江蘇啟東人，高級農(nóng)藝師，研究方向：作物栽培學(xué)

*通信作者：徐德利，研究員，Tel: 0518-86090528；E-mail: lyg5527156@163.com；熊飛，教授，博士生導(dǎo)師，Tel: 0514-87979354；E-mail：feixiong@yzu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目(31571573，31701351)；江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項目(SXGC[2016]128)；江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項目(SXGC[2017]089)

(編輯：韓志強(qiáng))