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稻麦淀粉胚乳细胞程序性死亡和淀粉质体的发生发育

李睿  
【摘要】:程序性细胞死亡(PCD)是生物体在基因调控下的主动的死亡过程,涉及植物发育的各个领域,目前是植物学界的一大研究热点。本研究论文以水稻(Oryza Sativa L.)品种胜泰1号和小麦(Triticum Aestivum L.)品种鄂恩1号为材料,对淀粉胚乳细胞在发育期间经历程序性细胞死亡的状况进行了研究。此外,由于胚乳细胞的充实和发育状况直接影响籽粒的产量和品质,本论文还对胚乳细胞中淀粉质体的发生发育以及外源激素对淀粉胚乳细胞发育的影响进行了研究,所得主要研究结果及创新点如下: 1.水稻和小麦淀粉胚乳细胞的程序性死亡 1.1 电镜超微结构观察发现水稻和小麦淀粉胚乳细胞在发育过程中均出现细胞核变形、解体形成核残体和染色质凝集的现象,在核解体过程中,线粒体、内质网出现一系列伴随变化,如线粒体嵴消失呈现中央空泡化,内质网形成吞噬体吞噬细胞基质和细胞器,这些现象证实水稻和小麦淀粉胚乳细胞的死亡是PCD过程。 1.2 通过超微结构观察、Evans Blue染色、籽粒增重和灌浆特性研究等进一步证实,水稻和小麦淀粉胚乳细胞的PCD是一种特殊的PCD现象,表现为: (1) 水稻和小麦淀粉胚乳细胞核是最先开始衰退的细胞器,核解体后细胞仍未死亡,仍在进行淀粉和贮藏蛋白等贮藏物质的合成与积累,直到细胞被淀粉充满,细胞才死亡,PCD程序到此结束,因而水稻和小麦淀粉胚乳细胞的PCD分为两步进行:第一步是核的解体;第二步是核消亡后的无核细胞发育阶段。而在大多数植物细胞PCD过程中细胞核是最后消失的细胞器,不存在无核发育阶段。 (2) 水稻和小麦淀粉胚乳细胞染色质凝集后不发生典型的趋边化。 (3) 水稻和小麦淀粉胚乳细胞核变形剧烈,可被核膜分割形成多个核残体,这种现象在其他植物细胞中很少见。 (4) 水稻和小麦淀粉胚乳细胞在PCD期间不产生凋亡小体,死亡的淀粉胚乳细胞成为单纯的营养物质贮藏库。 1.3 Evans Blue染色和DNA凝胶电泳分析证实水稻和小麦淀粉胚乳细胞的PCD亦有不同之处。水稻淀粉胚乳细胞核DNA降解后不形成典型的梯状电泳条带,而小麦淀粉胚乳细胞核DNA降解后可形成典型的梯状电泳带。此外,小麦淀粉胚乳 博士学位论文:稻麦淀粉胚乳细胞程序性死亡和淀粉质体的发生发育 中细胞死亡的发生和扩展方式都是随机的,而水稻淀粉胚乳中细胞死亡的起始发生 部位虽然也较为随机,但淀粉胚乳中部的细胞死亡顺序要早于周围的细胞。 2.水稻淀粉胚乳细胞淀粉质体的发生与发育 淀粉质体是有增殖能力的细胞器,而“淀粉体”不能再增殖,它是淀粉质体被 淀粉充满后不再具有生命活性的淀粉囊。水稻淀粉胚乳细胞在细胞分化早期(4DAF) 左右,可观察到线粒体转变为“淀粉体”的现象。线粒体标志酶—唬拍酸脱氢酶 超微细胞化学定位证实,线粒体转变为“淀粉体”的高峰期在4DAF左右,在细胞分 化中、后期,这种转变趋于结束。 3.小麦淀粉胚乳细胞中淀粉质体的发生发育 3.1高锰酸钾固定制样结果显示,小麦淀粉胚乳细胞中大淀粉质体主要以出芽 和绕缩的方式增殖,大淀粉质体产生小淀粉粒时表现为被膜频繁活动,形成许多小 突起,随后小淀粉粒可产生在大淀粉质体的膜突起内。 3.2外源激素可影响小麦淀粉胚乳细胞的发育。DNA凝胶电泳分析表明,乙烯 可使小麦淀粉胚乳细胞DNA片段化的时间提前5天左右,而ABA(脱落酸)虽不能 延缓小麦淀粉胚乳细胞DNA片段化的时间,但能减弱其DNA片段化的程度。在8一1 gDAF 期间施用ABA和乙烯后,外源激素处理后的小麦淀粉胚乳平均细胞面积均比对照淀 粉胚乳细胞有所增大。ABA处理后,小麦籽粒最大灌浆速度增大,但活跃灌浆期的 时间缩短,乙烯处理后所得结果相反。这些结果表明ABA和乙烯在小麦淀粉胚乳细 胞的发育和DNA片段化的调控中可能起到不同作用。但外源激素处理均不能影响小 麦淀粉胚乳细胞中小淀粉粒的发生时间,表明小淀粉粒的发生是受基因调控的,具 有严格的时序性。


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