劉大同，余徐潤，朱冬梅，劉 健，張 曉，高德榮,

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，江蘇揚州 225007；2.揚州大學/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009)

揚麥16“灌漿快”與穎果顯微結(jié)構(gòu)和內(nèi)源生長素的關(guān)系

劉大同1，余徐潤2，朱冬梅1，劉 健1，張 曉1，高德榮1,2

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，江蘇揚州 225007；2.揚州大學/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009)

揚麥16是長江中下游麥區(qū)種植面積最大的品種，具有灌漿速度快、粒重高等特點。為探明揚麥16“灌漿快”與穎果結(jié)構(gòu)和內(nèi)源生長素的關(guān)系，以寧麥13為對照，顯微觀察了揚麥16穎果維管束、胚乳細胞和傳遞細胞發(fā)育的變化特征，測定了千粒重和生長素含量。結(jié)果表明，揚麥16胚乳中淀粉體和蛋白體發(fā)育好，胚乳充實飽滿，最終粒重高；灌漿過程中揚麥16穎果內(nèi)源生長素水平高，促進了同化物向籽粒的調(diào)運和胚乳細胞的分裂；揚麥16穎果維管束發(fā)達，篩管面積大，韌皮部卸載能力強；揚麥16穎果傳遞細胞分化早，細胞壁內(nèi)突結(jié)構(gòu)發(fā)達，養(yǎng)分轉(zhuǎn)運能力強。

小麥；灌漿；粒重；穎果顯微結(jié)構(gòu)；內(nèi)源生長素

小麥灌漿是光合產(chǎn)物向籽粒(穎果)運輸?shù)倪^程，是產(chǎn)量和品質(zhì)形成最為關(guān)鍵的階段[1]。產(chǎn)量和品質(zhì)的形成主要是通過胚乳細胞淀粉和蛋白質(zhì)的積累來實現(xiàn)的[2-4]。胚乳組織占小麥籽粒重量的85%以上，是積累淀粉的主要部位[5]。

小麥穎果的母體組織(種果皮、珠被和珠心組織)和子代組織(胚乳和胚)相互協(xié)調(diào)，共同影響穎果的發(fā)育[6-7]。母體組織的程序性細胞死亡減少了胚乳生長的物理限制，并激活了韌皮部卸載后的養(yǎng)分運輸功能[8]。隨著穎果發(fā)育和灌漿進程，緊鄰維管束的合點區(qū)細胞的壁逐漸加厚、液泡中單寧酸逐步釋放，共質(zhì)體運輸受到抑制并最終消失[9]。傳遞細胞(Transfer cells,TC)具有特殊的次生細胞壁內(nèi)突，表面被一層富含運輸載體蛋白的細胞膜包被，對養(yǎng)分高效運輸和分配起著關(guān)鍵作用[10-11]，禾谷類作物穎果中傳遞細胞的主要功能是糖類和氨基酸等物質(zhì)的吸收[12-13]。與珠心突起隔著胚乳腔相對的是胚乳傳遞細胞帶，最外面1～2層具有部分糊粉層細胞特征，有研究將其稱為糊粉層傳遞細胞，而將其內(nèi)側(cè)的具有淀粉儲存特征的稱為內(nèi)胚乳傳遞細胞[14]。

灌漿物質(zhì)通過莖稈→穗軸→小穗軸→小花軸，并經(jīng)背部大維管束進入穎果內(nèi)部。同化物在維管束的篩管發(fā)生卸載，然后依次通過合點、珠心突起傳遞細胞等母體運輸組織運輸?shù)脚呷榍恢校俳?jīng)糊粉層傳遞細胞和內(nèi)胚乳傳遞細胞、胚乳輸導(dǎo)細胞等子代運輸組織進入胚和胚乳，以滿足穎果發(fā)育的需要[15]。因此，穎果養(yǎng)分運輸組織是否通暢發(fā)達，是影響灌漿效率的最直接因素。長江中下游地區(qū)是我國最大的稻麥輪作區(qū)。近年來的氣候異常和耕作模式變化，導(dǎo)致小麥播種大幅推遲、生育期和灌漿期縮短，籽粒灌漿嚴重不足和產(chǎn)量降低。揚麥16灌漿速度快、強度大，能在較短時間內(nèi)完成灌漿，且年度間千粒重高而穩(wěn)定[16]，適應(yīng)了小麥遲播的生產(chǎn)形勢，有利于實現(xiàn)稻麥周年增產(chǎn)，成為本麥區(qū)第一大品種。但其灌漿快的生理和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尚不明確，在一定程度上制約了該性狀的選擇和在育種中的應(yīng)用。目前，對小麥灌漿的研究主要集中在產(chǎn)量和栽培生理研究等方面[17-21]，谷物穎果發(fā)育的研究雖有較多報道[4,8,22-24]，但與灌漿關(guān)聯(lián)的較少。

本試驗以花后不同發(fā)育天數(shù)的小麥穎果為材料，以系統(tǒng)的發(fā)育穎果顯微結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研究了胚乳細胞中淀粉和蛋白質(zhì)充實過程，分析了穎果養(yǎng)分運輸組織的結(jié)構(gòu)發(fā)育特征，以期從組織和細胞的角度探明小麥品種籽粒灌漿差異的形態(tài)解剖學機制，為提高小麥灌漿速率，培育高產(chǎn)小麥品種提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2013-2016年度在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所灣頭試驗基地(32°39′N,119°42′E，亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.8～15.3 ℃，年平均降水量961～1 048 mm) 進行。以長江中下游麥區(qū)生產(chǎn)上占有主體面積的揚麥16和寧麥13為材料，生長期常規(guī)化管理，及時防控病蟲害。為獲取不同發(fā)育天數(shù)的穎果，在開花期采用記號筆點穎與植株掛牌相結(jié)合的方法正確標記開花日期，標記的穎花均為穗中部小穗基部的兩朵花。從花后5 d開始取樣，直到穎果成熟。

1.2 研究方法

1.2.1 穎果的光學顯微鏡觀察

利用樹脂半薄切片法觀察穎果的顯微結(jié)構(gòu)。將小麥穎果從中部橫切，取2 mm厚的切段，置于2.5%戊二醛(25%戊二醛溶于pH 7.2磷酸緩沖液稀釋)中固定4 h(4 ℃)。固定好的樣品經(jīng)pH 7.2磷酸緩沖液清洗(3次，每次10 min)、梯度乙醇(20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%和100%)脫水(3次，每次10 min)，環(huán)氧丙烷置換，Spurr低粘度樹脂浸透與包埋(70 ℃聚合10 h)。聚合好的樣品塊先用玻璃刀在超薄切片機(Ultracut R,Leica,Germany)上切1 μm厚半薄切片，經(jīng)1%番紅和甲基紫重復(fù)染色10 min后，在光學顯微鏡(DMLS,Leica,Germany)下觀察并拍照。

1.2.2 細胞數(shù)目和大小的觀測

用Image-Pro Plus圖像分析軟件(Version 6.0,Media Cybernetics,USA)打開相機拍攝的顯微圖像，經(jīng)標尺設(shè)定、標尺存貯、標尺選擇后利用軟件中的長度和距離測量快捷工具測量細胞或淀粉和蛋白質(zhì)顆粒的數(shù)目和大小。

1.2.3 穎果鮮、干重的測定

采集不同發(fā)育天數(shù)的穎果，測定完鮮重后將穎果在鼓風干燥箱中105 ℃殺青1 h，然后在42 ℃條件下烘至恒重(干重)。通過穎果干重的變化來計算平均日增重。采用2014、2015、2016連續(xù)3年的數(shù)據(jù)。

1.2.4 穎果中內(nèi)源生長素含量的測定

取花后不同天數(shù)的穎果剝?nèi)シf殼，液氮研磨成粉，參照Yang等[25]報道的方法進行測定。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2007數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Photoshop圖像處理軟件(Version CS6,Adobe,USA)和GraphPad Prism 6.0(USA,GraphPad Software)制作圖版。

2 結(jié)果與分析

2.1 千粒重和穎果內(nèi)源生長素含量

對2013-2016年度的發(fā)育穎果平均千粒重和內(nèi)源生長素含量進行分析表明，整個灌漿期揚麥16的千粒重均大于寧麥13(圖1A)；花后10～30 d，揚麥16千粒重增加量大于寧麥13(圖1B)，且花后30 d時揚麥16的千粒重為39.3 g，完成灌漿的91.2%，寧麥13的千粒重為32.3 g，完成灌漿的85.9%；而花后30 d到成熟期間，寧麥13的千粒重增加5.3 g，而揚麥16僅增加3.8 g，說明揚麥16的灌漿快，灌漿充實在花后前30 d左右已基本完成，而寧麥13灌漿完成略晚、灌漿慢。穎果發(fā)育過程中，揚麥16穎果內(nèi)源IAA濃度明顯高于寧麥13(圖1C)，促進籽粒的快速灌漿。

2.2 胚乳組織發(fā)育和胚乳細胞充實

在中央胚乳細胞中，花后5 d胚乳細胞中尚無明顯的淀粉顆粒(圖2A、圖2C)；花后10 d，揚麥16和寧麥13胚乳細胞內(nèi)出現(xiàn)了一定數(shù)目的淀粉體，淀粉體形狀有較明顯的差異，前者多呈紡錘形或不規(guī)則形狀，后者多呈球形(圖2B、圖2D)；花后15 d，淀粉體繼續(xù)充實，體積變大、數(shù)量增加，揚麥16胚乳細胞中淀粉體數(shù)明顯多于寧麥13，而且蛋白體數(shù)目明顯比寧麥13多、體積大(圖2E、圖2H)；花后20 d，兩品種細胞核被淀粉體和蛋白體擠壓變形，開始發(fā)生降解；花后25 d，兩個品種的中央胚乳細胞基本被淀粉體和蛋白體填充，且揚麥16充實更加緊密(圖2G、圖2J)。此外，從花后15、20和25 d的切片可以看出，揚麥16 胚乳細胞內(nèi)小淀粉體出現(xiàn)時間早，而寧麥13小淀粉體出現(xiàn)時間晚(圖2F、圖2G、圖2I、圖2J)。

近糊粉層胚乳細胞顯微觀察結(jié)果與中央胚乳細胞一致。對花后15和25 d的胚乳細胞淀粉體和蛋白體進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，揚麥16胚乳細胞中淀粉和蛋白質(zhì)的積累量顯著高于寧麥13，而且揚麥16單個淀粉粒的平均面積和長度均大于寧麥13(表1)。綜上所述，揚麥16胚乳細胞中淀粉體和蛋白體數(shù)量多、體積增長快，反映出淀粉和蛋白質(zhì)充實速率高，籽粒灌漿速度快。

M：成熟期 Maturity.

2.3 穎果養(yǎng)分運輸組織的發(fā)育

2.3.1 母體養(yǎng)分運輸組織的發(fā)育

花后15 d，穎果背部維x管束發(fā)育成熟，具有較強的養(yǎng)分輸送能力。此時的灌漿速率和千粒重增加值也最大(圖1A、圖1B)。對花后15 d的穎果背部維管束切片，顯微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果表明，揚麥16木質(zhì)部維管薄壁細胞和中間細胞的原生質(zhì)較濃厚，中央大液泡不明顯，導(dǎo)管與周圍細胞間的空隙較大，說明質(zhì)外體運輸空間較豐富(圖3)；而韌皮部維管薄壁細胞被擠壓，形狀發(fā)生改變，原生質(zhì)不明顯，細胞核開始發(fā)生形變解體；最顯著的差異是木質(zhì)部導(dǎo)管和韌皮部篩管的周圍細胞內(nèi)有較多的淀粉粒(圖3A、圖3C)。寧麥13木質(zhì)部維管薄壁細胞的液泡明顯，原生質(zhì)向四周壓縮，細胞內(nèi)淀粉粒數(shù)量少；韌皮部細胞也開始發(fā)生形變，細胞核開始解體，淀粉粒的大小和數(shù)量都小于揚麥16(圖3B、圖3D)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，揚麥16導(dǎo)管和篩管無論是單個導(dǎo)/篩管細胞面積還是總橫截面積均明顯大于寧麥13(表2)，從結(jié)構(gòu)上保證了水和灌漿物質(zhì)的運輸通道更發(fā)達，有較為明顯的優(yōu)勢。

A～B及E～G分別為揚麥16花后5、10、15、20、25 d的中央胚乳細胞；C～D及H～J分別為寧麥13花后5、10、15、20、25 d的中央胚乳細胞；Nu:細胞核；PB:蛋白體；SG:淀粉粒；標尺為20 μm。

A-B and E-G represent the center endosperm cells of Yangmai 16 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；C-D and H-J represent the center endosperm cells of Ningmai 13 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；Nu:Cell nucleus；PB:Protein body；SG:Starch granule；Bar=20 μm.

圖2 小麥穎果中央胚乳細胞的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.2 Microstructure of center endosperm cells in wheat caryopsis

合點位于維管束和珠心突起之間，在養(yǎng)分向胚乳的運輸過程中起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，揚麥16和寧麥13的合點發(fā)育狀況有較明顯差異(圖4)?；ê? d，兩者合點細胞的細胞核和細胞質(zhì)還未消亡；花后10 d，兩者細胞核數(shù)量均減少；花后15 d，揚麥16細胞核明顯消亡，細胞質(zhì)變得不明顯，養(yǎng)分運輸?shù)淖枇档汀廂?3合點液泡單寧酸積累早、數(shù)量多，花后10 d即可觀察到因積累單寧酸而邊緣染成深色的液泡(圖4D)，這些物質(zhì)會阻礙灌漿物質(zhì)運輸；而揚麥16花后10 d未見單寧酸積累。花后20和25 d的切片顯示，寧麥13合點細胞中積累單寧酸的液泡數(shù)量和大小均遠高于揚麥16。

珠心突起細胞從緊鄰合點區(qū)域一直延伸至胚乳腔中，在灌漿期會分化出珠心突起傳遞細胞，以便于將養(yǎng)分從合點運輸卸載至胚乳腔中。本文中將靠近合點的部分稱為上部珠心突起，靠近胚乳腔的稱為下部珠心突起。研究表明，揚麥16和寧麥13珠心突起傳遞細胞差異非常明顯(圖5)?；ê? d，大約有一層下部珠心突起細胞的壁加厚，分化成珠心突起傳遞細胞，可觀察到揚麥16的珠心突起傳遞細胞形狀較規(guī)則，排列更為緊密(圖5A、圖5C)；花后10 d，珠心突起傳遞細胞壁進一步加厚，揚麥16的壁加厚更明顯(圖5B、圖5D)；花后15 d，下部珠心突起的多層細胞分化成傳遞細胞，細胞壁明顯增厚且向內(nèi)突起生長形成壁內(nèi)突。而且從下部到上部，珠心突起傳遞細胞的壁逐漸變薄；揚麥16的細胞質(zhì)和細胞核大量減少，寧麥13仍有較多的細胞核尚未消失(圖5E、圖5H)；花后20 d，絕大部分珠心突起細胞分化成傳遞細胞，細胞壁明顯增厚，細胞質(zhì)和細胞核大量減少，揚麥16的細胞壁厚度顯著大于寧麥13(圖5F、圖5I)；花后25 d，細胞壁變得非常厚，揚麥16大部分細胞核和細胞質(zhì)幾乎消失，珠心突起傳遞細胞的層數(shù)、壁厚和壁內(nèi)突的數(shù)量均顯著大于寧麥13(圖5G、圖5J)。上述現(xiàn)象說明揚麥16珠心突起傳遞細胞更為發(fā)達，運輸養(yǎng)分的能力更強。

表1 發(fā)育穎果胚乳細胞中淀粉體和蛋白體密度和大小Table 1 Density and size of starch granule and protein body in endosperm cells of development caryopsis

開花后15 d數(shù)據(jù)采集自光學顯微鏡下200倍放大圖像，開花后25 d數(shù)據(jù)采集自光學顯微鏡下1 000倍放大圖像，因此出現(xiàn)同一視野內(nèi)密度降低的現(xiàn)象。

The data of 15 days after anthesis was acquired by 200 times magnification under optical microscope,and the data of 25 days after anthesis was acquired by 1 000 times magnification,and thus the density reduced in this table which showed in the same vision.

A:揚麥16的木質(zhì)部和導(dǎo)管; B:寧麥13的木質(zhì)部和導(dǎo)管; C:揚麥16的韌皮部和篩管; D:寧麥13的韌皮部和篩管;標尺為20 μm; ST:篩管; VE:導(dǎo)管; VP:維管薄壁細胞。

A:The xylem and vessel of Yangmai 16; B:The xylem and vessel of Ningmai 13; C:The phloem and sieve tube of Yangmai 16; D:The phloem and sieve tube of Ningmai 13; Bar=20 μm; ST:Sieve tube; VE:Vessel; VP:Vascular parenchyma cell.

圖3 小麥穎果背部維管束的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.3 Microstructure of dorsal vascular bundle in wheat caryopsis

表2 花后15 d揚麥16與寧麥13導(dǎo)管和篩管的面積及內(nèi)徑Table 2 Area and internal diameter of the vessels and sieve tubes of Yangmai 16 and Ningmai 13 at 15 days after anthesis

A～B及E～G分別為揚麥16花后5、10、15、20和25 d的合點區(qū)細胞；C～D及H～J分別為寧麥13花后5、10、15、20和25 d的合點區(qū)細胞；標尺為20 μm；Ca:胼胝質(zhì)；Nu:細胞核；TV:含單寧酸的液泡；Va:液泡。

A-B and E-G represent the chalazal cell of Yangmai 16 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；C-D and H-J represent the chalazal cells of Ningmai 13 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；Bar=20 μm；Ca:Callose；Nu:Cell nucleus；TV:Tannin vacuole；Va:Vacuole.

圖4 小麥穎果合點區(qū)細胞的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.4 Microstructure of chalazal cells in wheat caryopsis

A～B及E～G分別為揚麥16花后5、10、15、20和25 d的珠心突起傳遞細胞；C～D及H～J分別為寧麥13花后5、10、15、20和25 d的珠心突起傳遞細胞；標尺為20 μm；EC:胚乳腔；NP:珠心突起；NPTC:珠心突起傳遞細胞；Nu:細胞核；TW:加厚的細胞壁。

A-B and E-G represent the nucellar projection transfer cells of Yangmai 16 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；C-D and H-J represent the nucellar projection transfer cells of Ningmai 13 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；Bar=20 μm；EC:Endosperm cavity；NP:Nucellar projection；NPTC:Nucellar projection transfer cells；Nu:Cell nucleus；TW:Thickened cell wall.

圖5 小麥穎果珠心突起傳遞細胞的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.5 Microstructure of nucellar projection transfer cells in wheat caryopsis

2.3.2 子代養(yǎng)分運輸組織的發(fā)育

養(yǎng)分由珠心突起傳遞細胞卸載到胚乳腔后，轉(zhuǎn)而通過屬于子代養(yǎng)分運輸組織的糊粉層傳遞細胞和內(nèi)胚乳傳遞細胞輸入內(nèi)胚乳組織進行貯藏或滿足發(fā)育需要?；ê? d，沿胚乳腔的胚乳表層細胞胞質(zhì)較濃稠，開始向糊粉層傳遞細胞分化(圖6A、圖6C)；花后10 d，某些相鄰的糊粉層傳遞細胞在緊鄰胚乳腔處開始分開，出現(xiàn)胞間隙(圖6B、圖6D)，并隨著穎果發(fā)育逐漸增大；花后15 d，揚麥16的細胞壁開始明顯加厚，細胞壁厚度大、壁內(nèi)突更明顯(圖6E至6J)。小麥內(nèi)胚乳傳遞細胞中會有小淀粉體形成。這些淀粉體明顯比胚乳中的淀粉體小，而且形狀較一致，多為圓球形或橢圓形(圖7)。從內(nèi)胚乳傳遞細胞的發(fā)育可以看出，揚麥16細胞壁厚度也明顯大于寧麥13(圖7E至7J)，細胞內(nèi)淀粉粒的積累量也多于寧麥13(圖7G、圖7J)，說明揚麥16灌漿快，細胞發(fā)育進程短。

糊粉層傳遞細胞由1～2層細胞組成，與之緊鄰的1～2層細胞分化為內(nèi)胚乳傳遞細胞，這兩部分共同構(gòu)成了小麥的胚乳傳遞細胞帶，其在穎果發(fā)育早期就分化形成(圖6A、圖6C、圖7B、圖7D)，為后來的灌漿物質(zhì)大量運輸入胚乳做好了結(jié)構(gòu)保障，其發(fā)育的狀況和特點也從而影響著灌漿速度。與寧麥13相比，揚麥16還形成了數(shù)量更多的細胞壁褶皺和壁內(nèi)突；加厚的細胞壁與壁內(nèi)突之間還形成了較大的質(zhì)外體空間(圖6E至6G、圖7E至7F)，擴大了養(yǎng)分的質(zhì)外體運輸渠道。

A～B及E～G分別為揚麥16花后5、10、15、20和25 d的糊粉層傳遞細胞；C～D及H～J分別為寧麥13花后5、10、15、20和25 d的糊粉層傳遞細胞；標尺為20 μm；箭頭指示細胞壁內(nèi)突；ATC:糊粉層傳遞細胞；ETC:胚乳傳遞細胞；Nu:細胞核。

A-B and E-G represent the aleurone transfer cells of Yangmai 16 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；C-D and H-J represent the aleurone transfer cells of Ningmai 13 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively；Bar=20 μm；The wall ingrowths are indicated by arrow heads；ATC:Aleurone transfer cells；ETC:Endosperm transfer cells；Nu:Cell nucleus.

圖6 小麥穎果糊粉層傳遞細胞的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.6 Microstructure of aleurone transfer cells in wheat caryopsis

3 討 論

3.1 揚麥16快速灌漿特性與穎果發(fā)育特征

本研究表明，花后15～25 d是揚麥16粒重增加最快的時期，該時期胚乳細胞內(nèi)的淀粉體、蛋白體數(shù)量和體積的增加最快，胚乳細胞生長是穎果體積和粒重增大的主要原因。郭文善等[22,26]研究認為，胚乳細胞的增殖開始于花后8 d，花后15 d數(shù)目基本穩(wěn)定；荊彥平等[4,27]研究表明，胚乳細胞從建成后就不斷生長，在花后16～24 d生長速度最快。這與本文結(jié)論一致。

前人研究表明，IAA對有機物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運有一定的促進作用，IAA 含量與蔗糖轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶的活性呈極顯著正相關(guān)，IAA 含量較高的基因型籽粒的充實速率也高[28]；適量濃度的IAA能提高淀粉分枝酶活性，從而促進支鏈淀粉的合成[29]；李春燕等[30]研究也表明，IAA對淀粉積累速率有極顯著的促進作用。灌漿期揚麥16穎果的內(nèi)源生長素IAA的含量較高，促進光合產(chǎn)物向穎果中的運輸和積累，這是揚麥16灌漿快的原因之一。

A～B及E～G分別為揚麥16花后5、10、15、20和25 d的內(nèi)胚乳傳遞細胞；C～D及H～J分別為寧麥13花后5、10、15、20和25 d的內(nèi)胚乳傳遞細胞；標尺為20 μm；圖E中箭頭指示的為胞間連絲孔道；圖F中指示的為細胞壁內(nèi)突；ATC:糊粉層傳遞細胞；ETC:胚乳傳遞細胞；Nu:細胞核；SG:淀粉粒；Va:液泡。

A-B and E-G represent the starchy endosperm transfer cells of Yangmai 16 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively;C-D and H-J represent the starchy endosperm transfer cells of Ningmai 13 at 5,10,15,20,25 days after anthesis,respectively;The pore passage suspected to be plasmodesmata is indicated by the arrow head in E; The wall ingrowths is indicated by arrow head in F；Bar=20 μm;ATC:Aleurone transfer cells;ETC:Endosperm transfer cells;Nu:Cell nucleus;SG:Starch granule;Va:Vacuole.

圖7 小麥穎果內(nèi)胚乳傳遞細胞的顯微結(jié)構(gòu)

Fig.7 Microstructure of starchy endosperm transfer cells in wheat caryopsis

揚麥16的千粒重始終高于寧麥13，單個籽粒體積大、庫容大。顯微照片顯示，灌漿期揚麥16的篩管管徑大、傳遞細胞發(fā)達，養(yǎng)分運輸組織發(fā)育與灌漿物質(zhì)的“流”相適應(yīng)。徐云姬等[31]研究表明，在相同施氮量下，揚麥16的SPAD值和光合速率均高于寧麥13，說明揚麥16的光合作用能力更強，提供了充足的同化物來源，“源強”則有利于同化物向籽粒中轉(zhuǎn)運。綜上所述，揚麥16的具有源強、庫大、流暢的特點，我們推測其“源-庫-流”較協(xié)調(diào)[32]，因此灌漿快、粒重高。

3.2 揚麥16快速灌漿與穎果養(yǎng)分運輸組織結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系

灌漿速率指單位時間內(nèi)籽粒的干物質(zhì)增加量，主要受遺傳控制[17]。灌漿持續(xù)期恒定的情況下灌漿速率越大越有利于獲得高產(chǎn)。作為灌漿物質(zhì)進入穎果的唯一通道，背部維管束對籽粒灌漿和發(fā)育具有重要作用[33]。揚麥16穎果背部維管束發(fā)達，韌皮部分布范圍廣，觀察到的篩管數(shù)量多、管徑大，這使得同化物向周圍組織卸載的路徑和方向更多、通過共質(zhì)體運輸?shù)慕佑|面更廣，避免了局部蔗糖為主的碳水化合物濃度過高而降低卸載速率。

合點是維管束和胚乳之間養(yǎng)分運輸?shù)臉蛄?，在穎果養(yǎng)分運輸過程中具有十分重要的意義[23]?；ê蠓f果發(fā)育過程中寧麥13的千粒重始終小于揚麥16，這一方面是其籽粒較小，另一方面可能是單寧酸等物質(zhì)阻礙了灌漿物質(zhì)的流入和運輸[23]。揚麥16穎果發(fā)育后期合點細胞液泡較完整，推測其釋放出的單寧酸少，對物質(zhì)運輸?shù)淖枇^小，可能是其“灌漿快”的主要原因之一；另外細胞內(nèi)含物的消失也能減少養(yǎng)分運輸?shù)淖枇8,24]。

由韌皮部篩管卸載的灌漿物質(zhì)以共質(zhì)體途徑或質(zhì)外體途徑經(jīng)過合點細胞后，便運到珠心突起。緊鄰胚乳腔的珠心突起表層細胞在灌漿物質(zhì)中糖信號刺激下，逐漸分化成珠心突起傳遞細胞。Wang等[34]證明珠心突起傳遞細胞質(zhì)膜表面積的增加與穎果干物質(zhì)積累正相關(guān)。我們觀察到越靠近胚乳腔，珠心突起傳遞細胞的壁內(nèi)突越發(fā)達，且細胞質(zhì)等內(nèi)含物逐漸消失。揚麥16珠心突起傳遞細胞的細胞壁增厚早于寧麥13，壁內(nèi)突更發(fā)達、數(shù)量更多，細胞排列緊密規(guī)則，細胞內(nèi)含物少。這種結(jié)構(gòu)特點促使由維管束卸載的絕大部分養(yǎng)分都被高效率的轉(zhuǎn)運到胚乳腔中[13,35]。與珠心突起傳遞細胞隔著胚乳腔正對的是胚乳組織，緊鄰胚乳腔的2～3層胚乳表層細胞依次分化為糊粉層傳遞細胞和內(nèi)胚乳傳遞細胞，是胚乳腔中的養(yǎng)分快速輸入胚乳貯藏細胞的關(guān)鍵通道[12,15,36]。研究表明，揚麥16的3種傳遞細胞都有壁內(nèi)突數(shù)量更多、密度更大的特點，使跨膜的共質(zhì)體運輸速度得到提升，而且糊粉層傳遞細胞間的空隙使質(zhì)外體空間深入到內(nèi)層胚乳傳遞細胞，又增大了養(yǎng)分從質(zhì)外體進入傳遞細胞內(nèi)部的接觸面和通道。因此，揚麥16穎果內(nèi)養(yǎng)分運輸組織的結(jié)構(gòu)特征與其養(yǎng)分貯藏組織的快速發(fā)育相適應(yīng)，是灌漿速度快、粒重高的結(jié)構(gòu)學基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

揚麥16花后千粒重增加快，胚乳細胞內(nèi)淀粉體和蛋白體較同時期寧麥13發(fā)育好，淀粉和蛋白質(zhì)等充實快；養(yǎng)分運輸組織發(fā)達適應(yīng)其“灌漿快”的特點：維管束發(fā)達、韌皮部卸載同化物能力強；合點細胞單寧酸等阻滯物質(zhì)生成時間晚、含量低，細胞內(nèi)含物消失早，有利于充分發(fā)揮運輸通道功能；珠心突起傳遞細胞、糊粉層傳遞細胞和內(nèi)胚乳傳遞細胞等分化早、發(fā)育狀況好，細胞壁內(nèi)突等養(yǎng)分運輸?shù)奶禺愋越Y(jié)構(gòu)發(fā)達，養(yǎng)分轉(zhuǎn)運能力強；灌漿過程中穎果內(nèi)源生長素水平高，促進了植株同化物向籽粒的調(diào)運。

[1] 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展[J].西北植物學報,2002,23(11):2031.LI S Q,SHAO M A,LI Z Y,etal.Review of characteristics of wheat grain fill and factors to influence it [J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2002,23(11):2031.

[2]SABELLI P A,LARKINS B A.The development of endosperm in grasses [J].PlantPhysiology,2009,149(1):14.

[3]BECRAFT P W.Cell fate specification in the cereal endosperm [J].SeminarsinCell&DevelopmentalBiology,2001,12(5):387.

[4] 荊彥平,劉大同,李棟梁,等.小麥內(nèi)胚乳細胞及其淀粉體的發(fā)育[J].麥類作物學報,2013,33(4):818.JING Y P,LIU D T,LI D L,etal.Development of starch endosperm cells and amyloplasts in wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2013,33(4):818.

[5]BECRAFT P W,YI G.Regulation of aleurone development in cereal grains [J].JournalofExperimentalBotany,2011,62(5):1669.

[6]GARCIA D,GERALD J N F,BERGER F.Maternal control of integument cell elongation and zygotic control of endosperm growth are coordinated to determine seed size inArabidopsis[J].ThePlantCell,2005,17(1):52.

[7]ZHENG Y,WANG Z,GU Y.Development and function of caryopsis transport tissues in maize,sorghum and wheat [J].PlantCellReports,2014,33(7):1023.

[8]RADCHUK V,WEIER D,RADCHUK R,etal.Development of maternal seed tissue in barley is mediated by regulated cell expansion and cell disintegration and coordinated with endosperm growth [J].JournalofExperimentalBotany,2011,62(3):1217.

[9]COCHRANE M P,PATERSON L,GOULD E.Changes in chalazal cell walls and in the peroxidase enzymes of the crease region during grain development in barley [J].JournalofExperimentalBotany,2000,51(344):507.

[10]GUNNING B E S,PATE J S.Transfer cells:Plant cells with wall ingrowths,specialized in relation to short distance transport of solutes-their occurrence,structure,and development [J].Protoplasma,1969,68(1-2):107.

[11]OFFLER C E,MCCURDY D W,PATRICK J W,etal.Transfer cells:Cells specialized for a special purpose [J].AnnualReviewofPlantBiology,2003,54(1):431.

[12]THOMPSON R D,HUEROS G,BECKER H A,etal.Development and function of seed transfer cells [J].PlantScience,2001,160(5):775.

[13]ZHENG Y,WANG Z.Contrast observation and investigation of wheat endosperm transfer cells and nucellar projection transfer cells [J].PlantCellReports,2011,30(7):1281.

[14] 王慧慧,王 峰,劉大同,等.小麥胚乳傳遞細胞發(fā)育的結(jié)構(gòu)觀察[J].麥類作物學報,2011,31(5):944.WANG H H,WANG F,LIU D T,etal.Structure and development of endosperm transfer cells in wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2011,31:944.

[15] 鄭彥坤.關(guān)于玉米、高粱和小麥的穎果養(yǎng)分運輸組織發(fā)育的結(jié)構(gòu)觀察[D].揚州:揚州大學,2012:90-91.ZHENG Y K.Structure observation of caryopsis nutrient transport tissues in maize,sorghum and wheat [D].Yangzhou:Yangzhou University,2012:90-91.

[16] 王 慧,朱冬梅,王君嬋,等.揚麥16耐遲播早熟特性研究[J].麥類作物學報,2016,36(12):1657.WANG H,ZHU D M,WANG J C,etal.Study on the early maturing characteristics of Yangmai 16 under late planting [J].JournalofTriticeaeCrops,2016,36(12):1657.

[17] 任明全,徐向陽.不同小麥品種籽粒灌漿特性的研究[J].華北農(nóng)學報,1993,8(3):28.REN M Q,XU X Y.Studies on the grain filling characters of wheat cultivars [J].ActaAgriculturaeBorealiSinica,1993,8(3):28.

[18] 蔡慶生,吳兆蘇.小麥籽粒生長各階段干物質(zhì)積累量與粒重的關(guān)系[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報,1993,16(1):27.CAI Q S,WU Z S.The relations of dry matter accumulation of grain growth stages to grain weight in wheat [J].JournalofNanjingAgriculturalUniversity,1993,16(1):27.

[19] 周竹青,朱旭彤.不同粒重小麥品種(系)籽粒灌漿特性分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學學報,1999,18(2):107.ZHOU Z Q,ZHU X T.Analysis on the grain filling characteristics of wheat varieties with different kernel weight [J].JournalofHuazhongAgriculturalUniversity,1999,18(2):107.

[20] 吳少輝,高海濤,張學品,等.播期對不同習性小麥品種籽粒灌漿特性的影響[J].麥類作物學報,2004,24(4):105.WU S H,GAO H T,ZHANG X P,etal.Effect of sowing date on grain filling characters in different wheat varieties [J].JournalofTriticeaeCrops,2004,24(4):105.

[21] 馮素偉,胡鐵柱,李 淦,等.不同小麥品種籽粒灌漿特性分析[J].麥類作物學報,2009,29(4):643.FENG S W,HU T Z,LI G,etal.Analysis on grain filling characteristics of different wheat varieties [J].JournalofTriticeaeCrops,2009,29(4):643.

[22] 郭文善,方明奎,王蔚華,等.小麥籽粒胚乳細胞發(fā)育的生理特性[J].揚州大學學報(自然科學版),1998,1(2):41.GUO W S,FANG M K,WANG W H,etal.Physiological characteristics of grain endosperm cells in wheat [J].JournalofYangzhouUniversity(NaturalScienceEdition),1998,1(2):41.

[23]COCHRANE M P.Morphology of the crease region in relation to assimilate uptake and water loss during caryopsis development in barley and wheat [J].AustralianJournalofPlantPhysiology,1983,10(6):473.

[24]KLADNIK A,CHAMUSCO K,DERMASTIA M,etal.Evidence of programmed cell death in post-phloem transport cells of the maternal pedicel tissue in developing caryopsis fomazie [J].PlantPhysiology,2004,136(3):3572.

[25]YANG J,ZHANG J,WANG Z,etal.Hormonal changes in the grains of rice subjected to water stress during grain filling [J].PlantPhysiology,2001,127(1):315.

[26] 王蔚華,郭文善,方明奎,等.小麥籽粒胚乳細胞增殖及物質(zhì)充實動態(tài)[J].作物學報,2003,29(5):779.WANG W H,GUO W S,FANG M K,etal.Endosperm cell proliferating and grain filling dynamics in wheat [J].ActaAgronomicaSinica,2003,29(5):779.

[27]JING Y P,LIU D T,YU X R,etal.Development of endosperm cells and starch granules in common wheat [J].CerealResearchCommunications,2014,42(3):514.

[28] 劉仲齊,吳兆蘇,俞世蓉.吲哚乙酸和脫落酸對小麥籽粒淀粉積累的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報,1992,15(1):7.LIU Z Q,WU Z S,YU S R.Effects of IAA and ABA on starch accumulation in wheat grain [J].JournalofNanjingAgriculturalUniversity,1992,15(1):7.

[29] 潘曉華,李木英,熊 偉,等.蔗糖和谷氨酰胺及植物激素對水稻離體培養(yǎng)穗淀粉積累的影響[J].江西農(nóng)業(yè)大學學報,2000,22(1):1.PAN X H,LI M Y,XIONG W,etal.Effects of sucrose,glutamine and plant hormones in the culture medium on starch accumulation of detached rice panicles [J].ActaAgriculturaeUniversitatisJiangxiensis,2000,22(1):1.

[30] 李春燕,封超年,張 容,等.寧麥9號花后內(nèi)源激素和蔗糖含量變化及其與籽粒淀粉合成的關(guān)系[J].麥類作物學報,2007,27(1):138.LI C Y,FENG C N,ZHANG R,etal.Relationship of grain starch synthesis with changes of endogenous hormone and sucrose content after anthesis in wheat variety Ningmai 9 [J].JournalofTriticeaeCrops,2007,27(1):138.

[31] 徐云姬,張偉楊,錢希旸,等.施氮量對小麥籽粒灌漿的影響及其生理機制[J].麥類作物學報,2015,35(8):1119.XU Y J,ZHANG W Y,QIAN X Y,etal.Effect of nitrogen on grain filling of wheat and its physiological mechanism [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(8):1119.

[32] 王 忠.植物生理學(第2版) [M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2009:238-272.WANG Z.Plant Physiology(2nd Edition) [M].Beijing:China Agriculture Press,2009:238-272.

[33] 王 忠,顧蘊潔,李衛(wèi)芳,等.小麥胚乳發(fā)育及其養(yǎng)分輸人的途徑[J].作物學報,1998,24(5):536.WANG Z,GU Y J,LI W F,etal.Development of wheat endosperm and the pathway of nutrients entering the endosperm [J].ActaAgronomicaSinica,1998,24(5):536.

[34]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&Environment,1995,18(4):373.

[35]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.

[36]ZHENG Y,WANG Z,YANG J,etal.Observation and comparison of structure changes in wheat caryopsis maternal tissues and endosperm [J].BrazilianJournalofBotany,2015,38(2):417.

Relationship between Caryopsis Microstructure and Endogenous Auxin Level and the Fast Grain Filling of Yangmai 16

LIU Datong1,YU Xurun2,ZHU Dongmei1,LIU Jian1,ZHANG Xiao1,GAO Derong1,2

(1.Lixiahe Regional Institute of Agricultural Sciences of Jiangsu/Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic Breeding in the Middle and Lower Yangtze River,Ministry of Agriculture,Yangzhou,Jiangsu 225007,China; 2.Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225009,China)

Yangmai 16,with the largest planting area in the middle and lower Yangtze river,has features such as high speed of grain filling and high grain weight. In order to elucidate the relationship between rapid grain filling and the microstructure of caryopsis and the endogenous auxin,with Ningmai 13 as control,the systematic development and microstructural changes of the vascular cells,endosperm cells and transfer cells of Yangmai 16 caryopsis were observed. The thousand kernel weight and endogenous auxin(IAA) contents were studied. The main results indicated that,the starch granule and protein body were better developed in Yangmai 16,thus the endosperm enriched well and the final grain weight was higher. The endogenous auxin level in caryopsis of Yangmai 16 was higher during grain filling,which promoted the allocation and transportation of assimilates to caryopsis and the division of the endosperm cells. In Yangmai 16,the vascular bundles,especially the sieve tube,were significantly developed,and thus the phloem unloading ability of assimilate was stronger. The differentiation of transfer cells in Yangmai 16 was earlier,and the abundant cell wall ingrowth were conducive to give full play to transport function.

Wheat; Grain filling; Grain weight; Microstructure of caryopsis; Endogenous auxin

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.04

時間：2017-06-07

2017-01-24

2017-04-18

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-3-2-11)；江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所科研基金項目；江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014351)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX14-2002)

E-mail：15062799250@163.com

高德榮(E-mail:gdr@wheat.org.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)06-0739-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170607.1004.008.html