中国特有植物喜树雌性不育的细胞生物学研究

摘要

喜树（Camptotheca acuminata Decne.）是中国特有的抗癌药用植物之一，是喜树碱及其衍生物提取的唯一来源树种。喜树花均为两性;其种子中喜树碱含量较高，在开花期，喜树雌性器官出现败育，落花现象严重，影响了喜树果实的产量。本文通过对喜树花发育过程进行研究，阐明喜树雌性不育发生的关键时期，观察雌性器官败育过程的形态解剖学特征，对关键败育时期雌性器官进行细胞学及组织学研究，比较可育与败育雌性器官中的钙离子分布，探讨雌性器官败育的原因及发生机制，为克服喜树雌性不育提供资料。
　　 1.喜树雌性不育的形态学研究
　　 以具抗癌活性物质树种喜树为研究对象，对喜树雌性不育形态学特征进行了体视显微镜观察，结果表明，喜树花均为两性花，雄蕊发育正常，雌蕊柱头有三种不同形态，即上位、中位和下位;柱头上位的小花，花柱伸长正常，柱头三裂，外翻，子房膨大，胚珠饱满，雌蕊可育;柱头中位的小花，柱头和花柱伸长缓慢，柱头外翻异常，雌蕊选择性败育;柱头下位的小花，花柱退化，柱头不露，胚珠萎缩，子房外形瘦长，室内中空，雌蕊败育。
　　 2.喜树雌性不育的细胞学研究
　　 结合形态学观察，通过石蜡切片发现柱头上位的小花，胚囊发育正常;柱头中位的小花，雌蕊选择性败育，局部子房细胞液泡化，胚珠退化，胚囊发育异常;柱头下位的小花，珠被细胞发育异常，大孢子母细胞未能减数分裂，胚珠萎缩，子房室内中空。喜树雌性器官的发育与其柱头在子房上的表现形态有着严格的对应关系，雌性不育发生于大孢子母细胞减数分裂前后，而且雌性不育是喜树花序掉落的内部原因之一。
　　 对喜树雌性不育的超微结构研究显示，柱头上位小花雌性器官细胞发育正常，柱头表面具乳突细胞，花柱细胞及胚珠细胞内部含有丰富的细胞器，膜结构完整，细胞核清晰;柱头下位小花雌性器官发育异常，柱头表面细胞壁加厚，部分花柱细胞及胚珠细胞出现凋亡，凋亡特征为细胞核皱缩，染色质凝聚且边缘化，液泡化现象明显。喜树雌性器官内细胞死亡属于典型的细胞程序性死亡，而引起细胞凋亡的因素可能与营养及Ca2+有关。
　　 为探明喜树雌性不育与营养物质的缺乏之间的关系，采用石蜡切片及组织化学染色方法，对雌性器官败育过程中的淀粉及蛋白质动态分布进行了研究，结果表明:上位柱头细胞及胚珠细胞中淀粉粒始终有分布，在大孢子母细胞减数分裂时期，淀粉粒集中积累在柱头内部细胞、珠心细胞、合点区、胎座及子房内壁细胞中，珠孔区细胞无淀粉粒分布;在成熟胚囊形成期，柱头细胞内部淀粉粒增多，胚囊内部也积累了大量淀粉颗粒。而下位柱头发育过程中淀粉粒分布较少，柱头表面无乳突状突起，在大孢子母细胞时期，胚珠细胞内部几乎无淀粉粒，包括珠心细胞、合点区细胞及子房细胞中均未观察到明显淀粉颗粒，胚珠发育后期出现解体，其内部无淀粉粒分布。相比起上位柱头胚珠，下位柱头胚珠细胞中蛋白质染色均较浅。下位柱头胚珠淀粉粒及蛋白质营养物质的缺乏，是导致大孢子母细胞未能减数分裂的重要因素之一。
　　 3.喜树雌性不育的Ca2+定位研究
　　 采用超薄切片和焦锑酸钾沉淀钙法，结合透射电子显微镜技术，对喜树雌性器官败育过程中钙的动态分布进行研究，结果显示:可育雌蕊的柱头、花柱和胚珠中有大量钙颗粒，柱头细胞壁中有许多钙，而且从花柱上部至胚珠下部呈梯度分布现象，细胞内钙离子递增;败育雌蕊中柱头、花柱和胚珠仅有少量钙颗粒分布，花柱细胞中无明显的梯度分布现象，花柱靠珠孔端细胞出现凋亡，钙离子富集在细胞膜及细胞器膜上，细胞间隙中有大量钙颗粒。这表明钙离子的异常分布与喜树雌性败育密切相关，细胞中的钙重新分布启动或诱导了细胞发生程序性死亡，导致雌性器官结构被破坏。

目录

声明

致谢

摘要

1 文献综述

1．1 喜树的生物学研究概况

1．1．1 喜树的分类及地理分布

1．1．2 喜树的发育生物学研究

1．1．3 喜树的组织培养及栽培技术

1．2 高等植物性别分化的研究概况

1．2．1 高等植物性别的类型及特点

1．2．2 高等植物性别分化的一般模式

1．2．3 单性花的形成与植物雌雄不育

1．2．4 诱导单性花形成的因素

1．2．5 高等植物性别分化的研究展望

1．3 植物雌性不育的研究进展

1．3．1 雌性不育的几种表征

1．3．2 植物雌性不育发生的机制

1．3．3 引起植物雌性不育发生的原因

1．3．4 植物雌性不育的利用及克服

1．3．5 雌性不育的研究展望

1．4 Ca2+与植物有性生殖的关系

1．4．1 Ca2+与花芽分化

1．4．2 Ca2+与雄配子体发育

1．4．3 Ca2+与雌配子体发育

1．4．4 Ca2+与植物受精作用

1．5 本文研究的内容与意义

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究的创新性

1．5．3 研究内容

2 喜树雌性不育的形态学研究

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 方法

2．2 结果

2．2．1 喜树雌性器官败育率统计

2．2．2 喜树雌性器官败育的形态学观察

2．3 讨论

3 喜树雌性不育的细胞学研究

3．1 喜树雌性不育的显微结构研究

3．1．1 材料与方法

3．1．2 结果

3．1．3 讨论

3．2 喜树雌性不育的超微结构的研究

3．2．1 材料与方法

3．2．2 结果

3．2．3 讨论

3．3 喜树雌性不育的组织化学研究

3．3．1 材料与方法

3．3．2 结果

3．3．3 讨论

4 喜树雌性不育的Ca2+定位研究

4．1 材料与方法

4．1．1 材料

4．1．2 方法(焦锑酸钾沉淀钙法)

4．2 结果

4．2．1 可育柱头与败育柱头的钙离子分布

4．2．2 可育花柱与败育花柱的钙离子分布

4．2．3 可育胚殊与败育胚珠的钙离子分布

4．2．4 EGTA螯合试验

4．3 讨论

参考文献

研究生期间科研成果