劉大同， 陳 明， 別同德， 張 勇， 高德榮，

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇揚(yáng)州 225007；2.揚(yáng)州大學(xué)/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(yáng)州 225009)

小麥(TriticumaestivumL.)穎果中的背部維管束是母體養(yǎng)分運(yùn)輸組織，是光合同化物和水進(jìn)入穎果的主要通道，與籽粒的灌漿充實(shí)速率和品質(zhì)等密切相關(guān)[1-2]?；ê笕~片制造的光合產(chǎn)物以及莖稈中積累的養(yǎng)分經(jīng)維管束進(jìn)入穎果，在穎果背部維管束的篩管發(fā)生同化物卸載，然后通過合點(diǎn)和珠心突起傳遞細(xì)胞進(jìn)入胚乳腔中，再經(jīng)質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑供應(yīng)胚和胚乳的發(fā)育[1，3-4]。

一般情況下，韌皮部運(yùn)輸光合產(chǎn)物等有機(jī)物質(zhì)，木質(zhì)部運(yùn)輸水分和無機(jī)鹽。由于人們普遍關(guān)注小麥維管束發(fā)育與籽粒灌漿中同化物的運(yùn)輸，因此對韌皮部的結(jié)構(gòu)發(fā)育研究較多[5-7]；而對穎果中的水分沒有足夠重視，因此對木質(zhì)部研究較少。但研究發(fā)現(xiàn)，小麥穎果與小花軸維管束連接處的木質(zhì)部被一組特殊的厚壁細(xì)胞“切斷”，使小花軸內(nèi)的維管束導(dǎo)管與穎果內(nèi)的維管束導(dǎo)管失去連貫性，但韌皮部連貫性不受影響[8-9]，因此在灌漿過程中，水分可能是以光合同化物溶劑的形式進(jìn)入穎果的。Crafts等認(rèn)為，當(dāng)運(yùn)入庫器官中的水分超過需求時，多余的水有可能通過木質(zhì)部流回母體[10]；王忠等在研究水稻和小麥維管束向胚乳運(yùn)送物質(zhì)時提出，木質(zhì)部的導(dǎo)管可能是作為排水管來排除灌漿液流中的多余水分[1，11-12]，但均未被研究證實(shí)。因此，小麥穎果發(fā)育過程中維管束的發(fā)育特征還有許多尚未闡明的重要問題，值得進(jìn)一步深入探究。

揚(yáng)麥16是目前長江中下游麥區(qū)種植面積最大的小麥品種，具有灌漿快、脫水快的特點(diǎn)[3，13-14]。研究表明，揚(yáng)麥16灌漿速率、灌漿完成期(籽粒干質(zhì)量達(dá)最大值的日期)籽粒含水率及此后的籽粒脫水速率均顯著高于對照品種揚(yáng)麥15、寧麥13等品種[3，13]。目前關(guān)于揚(yáng)麥16灌漿快的機(jī)理，從穎果顯微結(jié)構(gòu)和內(nèi)源生長素含量等方面進(jìn)行了解釋[3]，但關(guān)于脫水快的機(jī)理尚未見研究報道。本研究以揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥15為材料，利用樹脂切片方法，對花后不同時間的穎果背部維管束的發(fā)育進(jìn)行研究，分析了韌皮部和木質(zhì)部的形態(tài)變化規(guī)律，旨在為揭示揚(yáng)麥16及同類型品種灌漿快、脫水快的機(jī)理提供形態(tài)學(xué)研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2014—2017年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所灣頭試驗(yàn)基地(地理位置為119°42′E、32°39′N)進(jìn)行，該地為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.8～15.3 ℃，年平均降水量961～1 048 mm。以長江中下游麥區(qū)主栽品種揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥15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)育時間的穎果，在開花期采用記號筆點(diǎn)穎與植株掛牌相結(jié)合的方法正確標(biāo)記開花日期，標(biāo)記的穎花均為穗中部小穗基部的2朵花。從花后5 d開始取樣，直到種子成熟，選取花后5、10、15、20、25 d的穎果進(jìn)行研究。

1.2 方法

1.2.1 穎果的光學(xué)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值為7.2的磷酸緩沖液中稀釋)中固定(4 ℃)4 h。固定好的樣品經(jīng)pH值為7.2的磷酸緩沖液清洗(3次，每次10 min)、梯度(20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%)乙醇脫水(3次，每次 10 min)，環(huán)氧丙烷置換，Spurr低黏度樹脂浸透與包埋(70 ℃ 聚合10 h)。聚合好的樣品塊先用玻璃刀在超薄切片機(jī)(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(xué)顯微鏡(DMLS，Leica，Germany)下觀察并拍照。

1.2.2 穎果橫斷面的掃描電鏡觀察 采用固定后的樣品經(jīng)丙酮脫水，乙酸異戊酯過渡，CO2臨界點(diǎn)干燥，離子濺射鍍金制樣后在掃描電子顯微鏡(Philips XL-30)下觀察樣品表面和斷面結(jié)構(gòu)。

1.2.3 分析作圖 圖版的制作采用Photoshop圖像處理軟件(Version CS6，Adobe，USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 穎果發(fā)育過程中背部維管束區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)分析

小麥穎果的果皮中有3條維管束，其中穎果兩側(cè)通向花柱的2條小維管束在開花后退化，因而不參與灌漿；向穎果輸送養(yǎng)分的是背部折痕區(qū)的一條大維管束，即背部維管束[15]。在穎果發(fā)育的同時，背部維管束發(fā)育，由連接小花軸的穎果基部向上貫通到穎果頂端(圖1中箭頭指示方向)，并在側(cè)向上向周圍空間卸載有機(jī)物，成為灌漿物質(zhì)的運(yùn)輸通道。由小麥穎果橫切面掃描電鏡照片可見(圖1)，背部維管束位于折痕區(qū)果皮中央部位，與胚乳之間有質(zhì)外體空腔——胚乳腔相隔，與胚乳細(xì)胞間內(nèi)沒有共質(zhì)體聯(lián)系， 因此養(yǎng)分須經(jīng)過質(zhì)外體途徑才能到達(dá)胚乳細(xì)胞。

圖2是穎果背部折痕區(qū)果皮的光鏡照片，集中展示了果皮、維管束、合點(diǎn)、珠心突起的發(fā)育狀況。由圖2可見，背部維管束由木質(zhì)部和韌皮部組成。韌皮部位于外側(cè)，對木質(zhì)部呈半包圍狀，且分化早于木質(zhì)部?；ê?～25 d顯微圖片統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥15的導(dǎo)管數(shù)均為6～10個，韌皮部篩管和伴胞數(shù)為30～50個，差異不明顯。韌皮部距離折痕區(qū)果皮的外表皮有5層細(xì)胞的厚度。

花后5 d時，穎果背部維管束木質(zhì)部尚未分化完成，沒有觀察到明顯的導(dǎo)管；韌皮部篩管細(xì)胞與周圍薄壁細(xì)胞已能夠清楚區(qū)分，但此時篩分子數(shù)量較少，周圍有大量薄壁細(xì)胞，原生質(zhì)濃厚，細(xì)胞核大而明顯。此時，果皮細(xì)胞中有豐富的淀粉體，體積很小，沿細(xì)胞壁分布(圖2-A、圖2-B)。

花后10 d，篩管數(shù)量增加，且聚集在一起呈簇狀，在穎果橫切面中呈左右對稱結(jié)構(gòu)，容易辨認(rèn)。韌皮薄壁細(xì)胞上方為木質(zhì)部，可見多個細(xì)胞壁明顯增厚、染色深的導(dǎo)管和許多薄壁細(xì)胞。此時，2個小麥品種已經(jīng)發(fā)育出較為完善的輸導(dǎo)組織。珠心突起特化出傳遞細(xì)胞，細(xì)胞壁增厚，細(xì)胞間隙增大，適應(yīng)養(yǎng)分運(yùn)輸需求(圖2-C、圖2-D)。

花后15 d，揚(yáng)麥16果皮細(xì)胞中淀粉體的體積持續(xù)增大，揚(yáng)麥15中變化不明顯；揚(yáng)麥16韌皮部維管薄壁細(xì)胞變形扭曲，細(xì)胞壁發(fā)生內(nèi)陷或凸出，而揚(yáng)麥15的同類細(xì)胞未發(fā)生明顯改變。揚(yáng)麥16薄壁細(xì)胞中的淀粉體數(shù)量和體積均大于揚(yáng)麥15。合點(diǎn)連接內(nèi)外珠被，是養(yǎng)分進(jìn)入胚囊的必經(jīng)之路。揚(yáng)麥16合點(diǎn)區(qū)細(xì)胞內(nèi)有多個小液泡，由于積累丹寧酸等不透水物質(zhì)而邊緣呈黑色，對養(yǎng)分運(yùn)輸有阻礙作用；揚(yáng)麥15合點(diǎn)細(xì)胞中多為1個大液泡，且液泡邊緣顏色較淺。由于揚(yáng)麥16薄壁細(xì)胞的變形和壓縮，使得韌皮部到合點(diǎn)的距離減小，可能更有利于同化物快速通過合點(diǎn)到達(dá)胚乳腔(圖2-E、圖2-F)。

花后20 d，揚(yáng)麥16的維管薄壁細(xì)胞進(jìn)一步變形、壓縮，甚至發(fā)生破損解體，細(xì)胞間隙增加；韌皮部更加靠近合點(diǎn)區(qū)，且呈線形排布，與周圍細(xì)胞接觸面也更大，同化物進(jìn)出的通道更加豐富；合點(diǎn)細(xì)胞中液泡積累更多丹寧類物質(zhì)而黑色加深，小液泡融合形成大液泡；珠心突起傳遞細(xì)胞壁也進(jìn)一步加厚(圖2-G)。揚(yáng)麥15韌皮部外側(cè)的細(xì)胞發(fā)生形變，但從韌皮部通往合點(diǎn)之間的薄壁細(xì)胞形態(tài)沒有明顯改變，篩管距離合點(diǎn)較遠(yuǎn)(圖2-H)。

花后25 d，揚(yáng)麥16合點(diǎn)細(xì)胞中液泡積累更多丹寧類物質(zhì)而黑色加深、面積增大，形成了1道未完全封閉的屏障，共質(zhì)體運(yùn)輸途徑受到阻礙；揚(yáng)麥15合點(diǎn)區(qū)細(xì)胞的液泡僅邊緣為黑色，未形成明顯屏障。2個品種的維管束周圍薄壁細(xì)胞均發(fā)生了變形扭曲，珠心突起傳遞細(xì)胞壁均顯著增厚，更為突出的是，韌皮部細(xì)胞被部分填充，染色加深(圖2-I、圖2-J)。

2.2 背部維管束韌皮部和木質(zhì)部發(fā)育的比較

由圖3可見，花后5 d，韌皮部和木質(zhì)部的維管薄壁細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰完整，原生質(zhì)濃厚，細(xì)胞核較大且完整，液泡明顯。與韌皮部薄壁細(xì)胞相比，篩管-伴胞和中間細(xì)胞較小，內(nèi)含物少，細(xì)胞壁較厚。此時，揚(yáng)麥16的木質(zhì)部已可見類似導(dǎo)管形態(tài)的細(xì)胞，而揚(yáng)麥15木質(zhì)部分化不明顯(圖3-A、圖3-B、圖 3-G、圖3-H)。

花后15 d，揚(yáng)麥16韌皮部薄壁細(xì)胞扭曲變形，細(xì)胞壁內(nèi)陷或向旁邊的細(xì)胞外突，篩管形狀也有一定改變；木質(zhì)部中與導(dǎo)管不相鄰的薄壁細(xì)胞也發(fā)生了扭曲，但程度較輕。細(xì)胞外形的不規(guī)則可能使細(xì)胞膜表面積增大，有利于養(yǎng)分跨膜運(yùn)輸。與之相比，揚(yáng)麥15的薄壁細(xì)胞排列較規(guī)則，未見明顯的細(xì)胞形狀改變。2個品種靠近果皮的薄壁細(xì)胞中均有淀粉體存在，且為復(fù)粒淀粉，但揚(yáng)麥15淀粉體數(shù)量少，體積也較小(圖3-C、圖3-D、圖3-I、圖3-J)。

花后25 d，2個品種維管薄壁細(xì)胞均發(fā)生扭曲變形，且揚(yáng)麥16中程度更重；韌皮部薄壁細(xì)胞的細(xì)胞核開始發(fā)生核裂解，說明細(xì)胞結(jié)構(gòu)開始解體，功能衰退。此時，揚(yáng)麥16韌皮部的篩管及中間細(xì)胞大多被壓縮成扁條形，在篩管和附近細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)圓球形淀粉粒；而揚(yáng)麥15中細(xì)胞形狀與花后15 d相比未發(fā)生明顯變化，細(xì)胞內(nèi)徑較大，淀粉粒不僅在篩分子和附近pan>細(xì)胞中積累，在距離較遠(yuǎn)的薄壁細(xì)胞中也出現(xiàn)大量的圓球形淀粉粒。這些現(xiàn)象表明韌皮部輸導(dǎo)能力的減弱(圖3-E、圖3-F)。2個品種的木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中也積累了大量淀粉粒。揚(yáng)麥16導(dǎo)管結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)徑較大，且呈線形排列；揚(yáng)麥15導(dǎo)管內(nèi)徑較小，且有局部的重疊，這種排列會減小與周圍環(huán)境的接觸面積，并可能增大物質(zhì)交流的阻力(圖3-E)。

3 討論與結(jié)論

庫端的韌皮部卸載是同化物運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，同化物卸載速率是庫強(qiáng)的綜合反映，在整個植物光合同化物分配中占有重要地位[16]。揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥15同化物卸載速率的差異可較好地反映在灌漿速率上[3，14]。穎果背部維管束是同化物進(jìn)入籽粒的最后一步，從結(jié)構(gòu)決定功能的觀點(diǎn)出發(fā)，揚(yáng)麥16的韌皮部結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與其灌漿快的特點(diǎn)相適應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)麥16韌皮部篩管和周圍薄壁細(xì)胞較早發(fā)生形態(tài)改變，細(xì)胞壁向內(nèi)或向外突出導(dǎo)致細(xì)胞膜表面積的增大，從而更利于細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸；韌皮部與合點(diǎn)之間的薄壁細(xì)胞較早壓縮變形，縮短了同化物卸出后到合點(diǎn)和珠心突起的運(yùn)輸距離，細(xì)胞間隙較大、合點(diǎn)區(qū)液泡中丹寧類物質(zhì)部分阻塞共質(zhì)體運(yùn)輸途徑后，運(yùn)輸速度更快的質(zhì)外體途徑所占比例相對增大。

于曉剛等認(rèn)為，穎果背部維管束內(nèi)的導(dǎo)管數(shù)和篩管數(shù)決定了維管束的運(yùn)輸能力，維管束越發(fā)達(dá)，導(dǎo)管和篩管越多，越有利于粒內(nèi)同化物的運(yùn)輸[2]。但筆者發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)麥15的韌皮部篩管較多，管徑也較大，細(xì)胞形狀至花后25 d仍能保持得比較好，直觀上比揚(yáng)麥16略有優(yōu)勢，但灌漿速率、千粒質(zhì)量[13]等表現(xiàn)卻相反。前期研究還表明，揚(yáng)麥16的維管束、合點(diǎn)、珠心突起傳遞細(xì)胞等母體養(yǎng)分運(yùn)輸組織以及糊粉層傳遞細(xì)胞、胚乳傳遞細(xì)胞等十分發(fā)達(dá)，共同促進(jìn)了同化物高效運(yùn)輸[3]。關(guān)于維管束對灌漿的影響，人們觀點(diǎn)并不一致。李紹長等認(rèn)為，高等植物光合同化物的運(yùn)輸受韌皮部維管束發(fā)育狀況影響較大，有時會限制產(chǎn)量[17]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，維管束的輸送功能較強(qiáng)，對同化物的運(yùn)輸分配一般沒有限制[18]；在同化物供應(yīng)充足的條件下，維管束的阻力不影響同化物分配[19]。筆者認(rèn)為，一般情況下維管束可以運(yùn)輸足夠的灌漿物質(zhì)，韌皮部卸載的可溶性糖轉(zhuǎn)化成淀粉的能力對灌漿速率影響更大。因此，正常情況下維管束是否會成為灌漿的限制因素，還須要以更廣泛的材料進(jìn)行深入研究。

木質(zhì)部位于韌皮部與胚乳腔之間，由韌皮部卸載流出的糖和水分必須先通過木質(zhì)部才能進(jìn)入胚乳，因此木質(zhì)部尤其是導(dǎo)管的作用值得重視和深入研究。截至目前，谷物籽粒脫水在玉米中報道較多，但局限在田間表型性狀的觀察記載以及分子標(biāo)記等研究，對籽粒脫水路徑的形態(tài)解剖以及生理研究在國內(nèi)外均未見詳細(xì)報道[20-23]。通過對比揚(yáng)麥16與揚(yáng)麥15這2個脫水速率差異顯著品種的木質(zhì)部特征，有一些有意思的發(fā)現(xiàn)，即揚(yáng)麥16在穎果發(fā)育早期和中期的導(dǎo)管數(shù)量和大小等指標(biāo)并不優(yōu)于揚(yáng)麥15，而在花后25 d，揚(yáng)麥16的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)比揚(yáng)麥15完整，導(dǎo)管內(nèi)徑和細(xì)胞間隙更大，且由于周圍薄壁細(xì)胞的變形擠壓而呈線形排列，按照前人觀點(diǎn)[11-12]，這種特征使周圍環(huán)境中多余的水分更容易進(jìn)入導(dǎo)管而排出。為了進(jìn)一步明確穎果背部木質(zhì)部的功能和意義，筆者圍繞小麥穎果中的水分運(yùn)輸動態(tài)和脫水路徑開展相關(guān)研究，研究結(jié)果將有助于闡明禾谷類作物穎果以及無氣孔果實(shí)中水分進(jìn)出的機(jī)理問題。