低溫凍害對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響

鄭 琪，王 威

（1.甘肅省平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 平?jīng)?744000，2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

低溫凍害對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響

鄭 琪1，王 威2

（1.甘肅省平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 平?jīng)?744000，2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

以玉米雜交種鄭單958成熟鮮果穗為材料，研究低溫凍害對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：-10℃處理8 h，玉米種子盾片細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、線粒體和蛋白質(zhì)體都受到不同程度的破壞，一些細(xì)胞局部發(fā)生輕微的質(zhì)壁分離，線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂，脊模糊難辨；蛋白質(zhì)體膨脹液泡化。-20℃處理8 h，玉米種子盾片細(xì)胞發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)壁分離，原生質(zhì)膜受到破壞，喪失滲透調(diào)節(jié)功能，部分細(xì)胞液從細(xì)胞質(zhì)中外滲，充斥在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁之間；脂類(lèi)小滴消失殆盡；核膜破壞、解體，核仁高度凝聚；線粒體膜破壞，脊的數(shù)量減少，甚至整個(gè)線粒體破損解體；由于各種生物膜的破壞，使細(xì)胞內(nèi)充滿(mǎn)許多囊狀小泡，嚴(yán)重時(shí)細(xì)胞壁斷裂，細(xì)胞器殘?bào)w充斥在細(xì)胞間隙中。

低溫凍害；玉米雜交種種子；盾片；超微結(jié)構(gòu)

玉米是典型的喜溫植物，對(duì)凍害的抵抗能力較弱。近年來(lái)我國(guó)北方地區(qū)秋冬季頻繁遭受雨雪霜凍，低溫凍害使制種玉米損失巨大［1～2］，嚴(yán)重制約了玉米制種業(yè)的發(fā)展。玉米種子盾片著生于胚軸的旁側(cè)，其遠(yuǎn)離胚軸的一面緊靠胚乳，盾片上皮細(xì)胞與胚乳細(xì)胞毗鄰。在玉米種子萌發(fā)過(guò)程中，盾片除將自身貯藏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給胚和其他生長(zhǎng)部分外，更重要的作用是消化、吸收胚乳中的養(yǎng)分，轉(zhuǎn)運(yùn)給正在生長(zhǎng)的胚［3］。另外，根據(jù)玉米種子中盾片和胚的著生位置可推斷，盾片對(duì)胚直接起保護(hù)作用，因此，研究低溫凍害對(duì)盾片的影響對(duì)防止玉米種子凍害有重要意義。前人對(duì)在鹽脅迫、滲透脅迫、水淹和空間飛行等處理下，玉米種子胚乳傳遞細(xì)胞、淀粉粒、糊粉層、葉肉細(xì)胞和胚根細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)做過(guò)詳細(xì)研究［4～10］。高榮岐等研究了玉米盾片發(fā)育過(guò)程中超微結(jié)構(gòu)的變化［11］，馮波等觀察了玉米種苗轉(zhuǎn)化過(guò)程中盾片的超微結(jié)構(gòu)［3］，王仲等對(duì)甜玉米糊粉層及盾片影響種子活力的超微結(jié)構(gòu)做了相關(guān)研究［12］，但對(duì)低溫凍害下玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的變化研究尚未見(jiàn)報(bào)道。我們旨在探討低溫凍害對(duì)玉米種子盾片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用玉米雜交種鄭單958的成熟新鮮果穗（去苞葉）。

1.2 試驗(yàn)方法

將鄭單958新鮮果穗去苞葉后（含水量為25%～30%），用自封袋密封，分別在-10℃和-20℃下處理8 h（溫度用BCD-258WBCSTX型海爾冰箱控制），以常溫處理為對(duì)照。取不同溫度處理后的玉米果穗脫粒，用單面刀片將籽粒的胚從胚乳上切下，用2.5%戊二醛溶液前固定，用磷酸緩沖液沖洗，再以1%鋨酸溶液后固定，用不同梯度乙醇逐級(jí)脫水，進(jìn)行環(huán)氧丙烷置換，Epon-812（環(huán)氧樹(shù)脂）滲透包埋，LKB型超薄切片機(jī)切片，醋酸鈾—檸檬酸鉛雙重染色，在透射電子顯微鏡（JEM-1230EX型）下觀察照相。

圖1 低溫凍害對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響

2 結(jié)果與分析

2.1常溫處理下的玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)

常溫下，玉米種子盾片細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整（圖1-1），細(xì)胞質(zhì)膜緊貼細(xì)胞壁，脂類(lèi)小滴整齊有序地排列在細(xì)胞質(zhì)膜上或者蛋白質(zhì)體周?chē)▓D1-2、1-3），細(xì)胞核明顯可見(jiàn)，核膜清晰，內(nèi)部染色質(zhì)分布均勻（圖1-1）。線粒體呈比較規(guī)則的球形或橢球形，分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，雙層被膜結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)膜形成的脊清晰可見(jiàn)，蛋白質(zhì)體和胞間連絲結(jié)構(gòu)清晰可辨（圖1-3、1-4）。

2.2 低溫處理對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 -10℃處理對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響在-10℃低溫下處理8 h，對(duì)玉米種子盾片細(xì)胞細(xì)胞壁和細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)影響不明顯，但會(huì)造成細(xì)胞質(zhì)膜局部降解。-10℃低溫處理8 h后，細(xì)胞局部發(fā)生輕微質(zhì)壁分離，細(xì)胞膜滲透調(diào)節(jié)功能失衡，部分細(xì)胞液從細(xì)胞質(zhì)中外滲充斥在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁之間（圖1-5、1-6）。由于細(xì)胞質(zhì)膜局部降解，排列在細(xì)胞質(zhì)膜上的脂類(lèi)小滴排列已經(jīng)不是很規(guī)則，數(shù)量也有所減少；線粒體內(nèi)部的脊結(jié)構(gòu)模糊不清（圖1-7），部分蛋白質(zhì)體中的蛋白質(zhì)降解，體積膨脹，形狀類(lèi)似液泡其中有少數(shù)絮狀蛋白質(zhì)（圖1-13），可能是低溫凍害引起蛋白質(zhì)降解所致。在-10℃低溫下，玉米種子盾片細(xì)胞中無(wú)淀粉粒。

2.2.2 -20℃處理對(duì)玉米種子盾片超微結(jié)構(gòu)的影響-20℃低溫處理8 h后，玉米種子盾片細(xì)胞發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)壁分離，細(xì)胞壁比較薄弱的部位會(huì)破裂，細(xì)胞質(zhì)膜完全破壞，喪失滲透調(diào)節(jié)功能，大量細(xì)胞液從細(xì)胞質(zhì)中外滲，充斥在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁之間（圖1-8、1-9、1-12）。脂類(lèi)小滴消失殆盡，各種細(xì)胞器被膜破壞，不可辨認(rèn)，破損的細(xì)胞器和生物膜片段充斥在細(xì)胞質(zhì)中（圖1-9、1-10、1-11）。部分蛋白質(zhì)體解體消失，核膜破壞、解體，核中的染色質(zhì)及核仁高度凝聚（圖1-8）。線粒體膨脹，雙層膜結(jié)構(gòu)破壞，脊的數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)模糊不清（圖1-14），甚至整個(gè)線粒體破損解體。細(xì)胞核核膜消失，核仁高度凝聚，染色體混入破損的細(xì)胞器中難以辨認(rèn)（圖1-10、1-11）。由于各種生物膜被破壞，使細(xì)胞內(nèi)充滿(mǎn)許多囊狀小泡、多泡體或斑層小體（圖1-9），嚴(yán)重時(shí)發(fā)生細(xì)胞壁破裂，部分細(xì)胞器殘?bào)w和細(xì)胞液滲透到細(xì)胞間隙中（圖1-12）。-20℃低溫下玉米種子盾片細(xì)胞中有很多淀粉粒。

3 小結(jié)與討論

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，與常溫下玉米種子盾片細(xì)胞相比較，-10℃低溫處理8 h對(duì)玉米種子盾片細(xì)胞細(xì)胞壁和細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)影響不明顯，但會(huì)造成玉米盾片細(xì)胞質(zhì)膜局部降解。在-10℃處理后，細(xì)胞局部發(fā)生輕微質(zhì)壁分離，細(xì)胞膜滲透調(diào)節(jié)功能失衡，部分細(xì)胞液從細(xì)胞質(zhì)中外滲充斥在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁之間，排列在細(xì)胞質(zhì)膜上的脂類(lèi)小滴排列不規(guī)則，數(shù)量也有所減少，線粒體內(nèi)部的脊結(jié)構(gòu)模糊不清，部分蛋白質(zhì)體中的蛋白質(zhì)降解，體積膨脹，形狀類(lèi)似液泡，其中有少數(shù)絮狀蛋白質(zhì)，無(wú)淀粉粒。-20℃低溫處理8 h后，玉米種子盾片細(xì)胞發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)壁分離，細(xì)胞壁比較薄弱的部位會(huì)破裂，細(xì)胞質(zhì)膜完全破壞，喪失滲透調(diào)節(jié)功能，大量細(xì)胞液從細(xì)胞質(zhì)中外滲，充斥在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁之間，脂類(lèi)小滴消失殆盡，各種細(xì)胞器被膜破壞，破損的細(xì)胞器和生物膜片段充斥在細(xì)胞質(zhì)中，部分蛋白質(zhì)體解體消失。核膜破壞、解體，核中的染色質(zhì)及核仁高度凝聚，線粒體膨脹，雙層膜結(jié)構(gòu)破壞，脊的數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)模糊不清，甚至整個(gè)線粒體破損解體。細(xì)胞核核膜消失，核仁高度凝聚，染色體混入破損的細(xì)胞器中難以辨認(rèn)。由于各種生物膜的破壞，使細(xì)胞內(nèi)充滿(mǎn)許多囊狀小泡、多泡體或斑層小體，細(xì)胞中有很多淀粉粒。

2）低溫凍害是指零攝氏度以下的低溫對(duì)植物造成的傷害，主要是由植物體結(jié)冰所引起的［13］。Mindy DeVries等研究認(rèn)為，植物低溫凍害是由低溫形成的冰晶對(duì)細(xì)胞造成傷害［14～15］。胞間結(jié)冰引起植物原生質(zhì)嚴(yán)重脫水，使蛋白質(zhì)變性或原生質(zhì)發(fā)生不可逆的凝膠化；冰晶體的機(jī)械壓力還會(huì)對(duì)細(xì)胞造成機(jī)械損傷，破壞原生質(zhì)；胞內(nèi)結(jié)冰則對(duì)質(zhì)膜、細(xì)胞器以及整個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生破壞作用，給植物帶來(lái)致命損傷。細(xì)胞壁的主要成分是果膠和纖維，比較堅(jiān)韌，-10℃低溫處理8 h后對(duì)其影響不明顯，-20℃低溫處理8 h后細(xì)胞壁比較薄弱的部位會(huì)破裂。細(xì)胞質(zhì)膜由膜脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其構(gòu)象的變化是凍害的原初反應(yīng)［16］。低溫凍害對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的影響比較明顯，-10℃低溫處理8 h就會(huì)造成玉米盾片細(xì)胞質(zhì)膜局部降解，喪失滲透調(diào)節(jié)功能。-20℃低溫處理8 h后細(xì)胞質(zhì)膜完全破壞。低溫凍害容易造成盾片細(xì)胞質(zhì)壁分離，溫度越低，質(zhì)壁分離越明顯，可能是由于低溫凍害引起細(xì)胞內(nèi)部脂質(zhì)和蛋白質(zhì)降解，細(xì)胞膜破壞，原生質(zhì)體中的細(xì)胞液外滲，從而導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)壁分離。低溫凍害引起的細(xì)胞質(zhì)壁分離能否在適宜的條件下恢復(fù)有待進(jìn)一步研究。正常的玉米種子盾片細(xì)胞核明顯可見(jiàn)，細(xì)胞核核膜清晰，內(nèi)部的染色質(zhì)均勻分布。-10℃低溫處理8 h對(duì)細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)影響不明顯，-20℃低溫處理8 h則細(xì)胞核核膜消失，核仁高度凝聚，染色體混入破損的細(xì)胞器中難以辨認(rèn)。線粒體是細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，為細(xì)胞的各種代謝活動(dòng)提供能量。正常的線粒體有內(nèi)外雙層膜，內(nèi)膜向內(nèi)突出形成許多脊。-10℃低溫處理8 h后線粒體脊結(jié)構(gòu)模糊難辨，-20℃低溫處理8 h后線粒體體積膨脹，脊的數(shù)量減少，雙膜結(jié)構(gòu)破壞，凍害嚴(yán)重的線粒體解體。該結(jié)果與鄭世英等人研究鹽脅迫對(duì)玉米葉肉細(xì)胞中線粒體造成的傷害特征一致［6］。馮波等觀察玉米種苗轉(zhuǎn)化過(guò)程中盾片的超微結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在種子萌發(fā)過(guò)程中，隨著蛋白質(zhì)的解體，蛋白質(zhì)必定逐漸液泡化［3］。我們研究也發(fā)現(xiàn)-10℃低溫處理8 h后會(huì)出現(xiàn)液泡化的蛋白質(zhì)體，且蛋白質(zhì)體體積膨大，其中有少數(shù)絮狀蛋白質(zhì)，其形狀類(lèi)似液泡，這可能是由于低溫凍害引起蛋白質(zhì)降解所致。正常的盾片細(xì)胞中，脂類(lèi)小滴呈圓球形或橢球形整齊有序的排列在細(xì)胞質(zhì)膜上或者蛋白質(zhì)體周?chē)?10℃低溫處理8 h后脂類(lèi)小滴排列已經(jīng)不是很規(guī)則，數(shù)量也有所減少。-20℃低溫處理8 h后脂類(lèi)小滴消失殆盡。可見(jiàn)低溫處理會(huì)引起脂類(lèi)小滴破壞或降解。馮波等在電鏡下未發(fā)現(xiàn)玉米干種子盾片細(xì)胞中有淀粉粒的存在，他們研究認(rèn)為，在種子萌發(fā)至第8 d時(shí)，含有原片層的質(zhì)體產(chǎn)生淀粉粒，在萌發(fā)12 d的盾片上皮細(xì)胞和內(nèi)部細(xì)胞中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)質(zhì)體中有淀粉粒，說(shuō)明已被降解了［3］。這一結(jié)果與高榮岐等的研究結(jié)果不同，高榮岐等研究認(rèn)為，成熟籽粒盾片中，上皮細(xì)胞有少數(shù)淀粉粒，盾片內(nèi)部薄壁細(xì)胞淀粉粒較多［11］。我們研究發(fā)現(xiàn)，-20℃處理的樣品中有很多淀粉粒，且該視野中的細(xì)胞壁比較薄，低溫凍害下發(fā)生破裂，這一結(jié)果與高榮岐等人的研究結(jié)果相吻合，即取樣部位不同造成觀察結(jié)果不同。

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（本文責(zé)編：鄭立龍）

The Effect of Freezing Injury on Ultrastructure of Scutellum in Corn Seed

ZHENG Qi1，WANG Wei2
（1.Pingliang Institution of Agricultural Science，Pingliang Gansu 744000，China；2.College of Agriculture，Gansu Agriculture University，Lanzhou Gansu 730070，China）

The effect of freezing injury on ultrastructure of scutellum in corn（Zea mays L.）seed is researched.The result shows that the normal structure of scutellum in corn seed is destroyed after the treatment of freezing injury.In the treatment of-10℃with 8 hours，the cell wall，plasma membrane，mitochondrion and protein bodies are injured in different degrees，some cells arose plasmolysis partially，the inside structure of mitochondrion become disordered and the crests are bushtailed and difficult to distinguish；Protein bodies are expanded and figured as a vacuole.In the treatment of-20℃ with 8 hours，ultrastructure of the plasma membrane，mitochondrion，protein bodies and all kinds of cellular organs are damaged badly.A lot of cells arose plasmolysis obviously，plasma membrane is destroyed and its function of diosmosis adjusting is lost，a part of cellular liquid osmosesed from cytoplasm and cellular cellular liquid osmosesed from cytoplasm and filled in the space between cell wall and plasma membrane；Lipoids almost vanished；The nuclear membranes are destroyed and disintegrated，nucleolus are highly condensed；The membrane of mitochondrion is destroyed，the quantity of crests in mitochondrion decreased，even wholly mitochondrion is disjointed；Because a series of bio-membrane system is destroyed，the cells are full of vesicles，even cell wall ruptured and the organ remains osmosesed to intercellular space.

Freezing injure；Corn seed；Scutellum；Ultrastructure

S513

A

1001-1463（2015）02-0012-04

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.02.005

2014-11-07

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1308RJYL069）部分內(nèi)容

鄭 琪（1983—），男，甘肅鎮(zhèn)原人，農(nóng)藝師，碩士，主要從事小麥和玉米育種研究工作。聯(lián)系電話(huà)：（0）18293361852。E-mail：plnkszq@163.com