低溫凍害對玉米種子盾片超微結構的影響

鄭 琪，王 威

（1.甘肅省平涼市農業科學研究所，甘肅 平涼 744000，2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070）

低溫凍害對玉米種子盾片超微結構的影響

鄭 琪1，王 威2

（1.甘肅省平涼市農業科學研究所，甘肅 平涼 744000，2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070）

以玉米雜交種鄭單958成熟鮮果穗為材料，研究低溫凍害對玉米種子盾片超微結構的影響。結果表明：-10℃處理8 h，玉米種子盾片細胞壁、細胞膜、線粒體和蛋白質體都受到不同程度的破壞，一些細胞局部發生輕微的質壁分離，線粒體內部結構紊亂，脊模糊難辨；蛋白質體膨脹液泡化。-20℃處理8 h，玉米種子盾片細胞發生嚴重的質壁分離，原生質膜受到破壞，喪失滲透調節功能，部分細胞液從細胞質中外滲，充斥在細胞膜和細胞壁之間；脂類小滴消失殆盡；核膜破壞、解體，核仁高度凝聚；線粒體膜破壞，脊的數量減少，甚至整個線粒體破損解體；由于各種生物膜的破壞，使細胞內充滿許多囊狀小泡，嚴重時細胞壁斷裂，細胞器殘體充斥在細胞間隙中。

低溫凍害；玉米雜交種種子；盾片；超微結構

玉米是典型的喜溫植物，對凍害的抵抗能力較弱。近年來我國北方地區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］，嚴重制約了玉米制種業的發展。玉米種子盾片著生于胚軸的旁側，其遠離胚軸的一面緊靠胚乳，盾片上皮細胞與胚乳細胞毗鄰。在玉米種子萌發過程中，盾片除將自身貯藏的營養物質供給胚和其他生長部分外，更重要的作用是消化、吸收胚乳中的養分，轉運給正在生長的胚［3］。另外，根據玉米種子中盾片和胚的著生位置可推斷，盾片對胚直接起保護作用，因此，研究低溫凍害對盾片的影響對防止玉米種子凍害有重要意義。前人對在鹽脅迫、滲透脅迫、水淹和空間飛行等處理下，玉米種子胚乳傳遞細胞、淀粉粒、糊粉層、葉肉細胞和胚根細胞的超微結構做過詳細研究［4～10］。高榮岐等研究了玉米盾片發育過程中超微結構的變化［11］，馮波等觀察了玉米種苗轉化過程中盾片的超微結構［3］，王仲等對甜玉米糊粉層及盾片影響種子活力的超微結構做了相關研究［12］，但對低溫凍害下玉米種子盾片超微結構的變化研究尚未見報道。我們旨在探討低溫凍害對玉米種子盾片細胞超微結構的影響。

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脫水，進行環氧丙烷置換，Epon-812（環氧樹脂）滲透包埋，LKB型超薄切片機切片，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 低溫凍害對玉米種子盾片超微結構的影響

2 結果與分析

2.1常溫處理下的玉米種子盾片超微結構

常溫下，玉米種子盾片細胞結構完整（圖1-1），細胞質膜緊貼細胞壁，脂類小滴整齊有序地排列在細胞質膜上或者蛋白質體周圍（圖1-2、1-3），細胞核明顯可見，核膜清晰，內部染色質分布均勻（圖1-1）。線粒體呈比較規則的球形或橢球形，分布在細胞質基質中，雙層被膜結構完整，內膜形成的脊清晰可見，蛋白質體和胞間連絲結構清晰可辨（圖1-3、1-4）。

2.2 低溫處理對玉米種子盾片超微結構的影響

2.2.1 -10℃處理對玉米種子盾片超微結構的影響在-10℃低溫下處理8 h，對玉米種子盾片細胞細胞壁和細胞核的結構影響不明顯，但會造成細胞質膜局部降解。-10℃低溫處理8 h后，細胞局部發生輕微質壁分離，細胞膜滲透調節功能失衡，部分細胞液從細胞質中外滲充斥在細胞膜和細胞壁之間（圖1-5、1-6）。由于細胞質膜局部降解，排列在細胞質膜上的脂類小滴排列已經不是很規則，數量也有所減少；線粒體內部的脊結構模糊不清（圖1-7），部分蛋白質體中的蛋白質降解，體積膨脹，形狀類似液泡其中有少數絮狀蛋白質（圖1-13），可能是低溫凍害引起蛋白質降解所致。在-10℃低溫下，玉米種子盾片細胞中無淀粉粒。

2.2.2 -20℃處理對玉米種子盾片超微結構的影響-20℃低溫處理8 h后，玉米種子盾片細胞發生嚴重的質壁分離，細胞壁比較薄弱的部位會破裂，細胞質膜完全破壞，喪失滲透調節功能，大量細胞液從細胞質中外滲，充斥在細胞膜和細胞壁之間（圖1-8、1-9、1-12）。脂類小滴消失殆盡，各種細胞器被膜破壞，不可辨認，破損的細胞器和生物膜片段充斥在細胞質中（圖1-9、1-10、1-11）。部分蛋白質體解體消失，核膜破壞、解體，核中的染色質及核仁高度凝聚（圖1-8）。線粒體膨脹，雙層膜結構破壞，脊的數量減少，結構模糊不清（圖1-14），甚至整個線粒體破損解體。細胞核核膜消失，核仁高度凝聚，染色體混入破損的細胞器中難以辨認（圖1-10、1-11）。由于各種生物膜被破壞，使細胞內充滿許多囊狀小泡、多泡體或斑層小體（圖1-9），嚴重時發生細胞壁破裂，部分細胞器殘體和細胞液滲透到細胞間隙中（圖1-12）。-20℃低溫下玉米種子盾片細胞中有很多淀粉粒。

3 小結與討論

1）試驗結果表明，與常溫下玉米種子盾片細胞相比較，-10℃低溫處理8 h對玉米種子盾片細胞細胞壁和細胞核的結構影響不明顯，但會造成玉米盾片細胞質膜局部降解。在-10℃處理后，細胞局部發生輕微質壁分離，細胞膜滲透調節功能失衡，部分細胞液從細胞質中外滲充斥在細胞膜和細胞壁之間，排列在細胞質膜上的脂類小滴排列不規則，數量也有所減少，線粒體內部的脊結構模糊不清，部分蛋白質體中的蛋白質降解，體積膨脹，形狀類似液泡，其中有少數絮狀蛋白質，無淀粉粒。-20℃低溫處理8 h后，玉米種子盾片細胞發生嚴重的質壁分離，細胞壁比較薄弱的部位會破裂，細胞質膜完全破壞，喪失滲透調節功能，大量細胞液從細胞質中外滲，充斥在細胞膜和細胞壁之間，脂類小滴消失殆盡，各種細胞器被膜破壞，破損的細胞器和生物膜片段充斥在細胞質中，部分蛋白質體解體消失。核膜破壞、解體，核中的染色質及核仁高度凝聚，線粒體膨脹，雙層膜結構破壞，脊的數量減少，結構模糊不清，甚至整個線粒體破損解體。細胞核核膜消失，核仁高度凝聚，染色體混入破損的細胞器中難以辨認。由于各種生物膜的破壞，使細胞內充滿許多囊狀小泡、多泡體或斑層小體，細胞中有很多淀粉粒。

2）低溫凍害是指零攝氏度以下的低溫對植物造成的傷害，主要是由植物體結冰所引起的［13］。Mindy DeVries等研究認為，植物低溫凍害是由低溫形成的冰晶對細胞造成傷害［14～15］。胞間結冰引起植物原生質嚴重脫水，使蛋白質變性或原生質發生不可逆的凝膠化；冰晶體的機械壓力還會對細胞造成機械損傷，破壞原生質；胞內結冰則對質膜、細胞器以及整個細胞產生破壞作用，給植物帶來致命損傷。細胞壁的主要成分是果膠和纖維，比較堅韌，-10℃低溫處理8 h后對其影響不明顯，-20℃低溫處理8 h后細胞壁比較薄弱的部位會破裂。細胞質膜由膜脂和蛋白質構成，其構象的變化是凍害的原初反應［16］。低溫凍害對細胞質膜的影響比較明顯，-10℃低溫處理8 h就會造成玉米盾片細胞質膜局部降解，喪失滲透調節功能。-20℃低溫處理8 h后細胞質膜完全破壞。低溫凍害容易造成盾片細胞質壁分離，溫度越低，質壁分離越明顯，可能是由于低溫凍害引起細胞內部脂質和蛋白質降解，細胞膜破壞，原生質體中的細胞液外滲，從而導致細胞質壁分離。低溫凍害引起的細胞質壁分離能否在適宜的條件下恢復有待進一步研究。正常的玉米種子盾片細胞核明顯可見，細胞核核膜清晰，內部的染色質均勻分布。-10℃低溫處理8 h對細胞核的結構影響不明顯，-20℃低溫處理8 h則細胞核核膜消失，核仁高度凝聚，染色體混入破損的細胞器中難以辨認。線粒體是細胞的“動力工廠”，為細胞的各種代謝活動提供能量。正常的線粒體有內外雙層膜，內膜向內突出形成許多脊。-10℃低溫處理8 h后線粒體脊結構模糊難辨，-20℃低溫處理8 h后線粒體體積膨脹，脊的數量減少，雙膜結構破壞，凍害嚴重的線粒體解體。該結果與鄭世英等人研究鹽脅迫對玉米葉肉細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化過程中盾片的超微結構時發現，在種子萌發過程中，隨著蛋白質的解體，蛋白質必定逐漸液泡化［3］。我們研究也發現-10℃低溫處理8 h后會出現液泡化的蛋白質體，且蛋白質體體積膨大，其中有少數絮狀蛋白質，其形狀類似液泡，這可能是由于低溫凍害引起蛋白質降解所致。正常的盾片細胞中，脂類小滴呈圓球形或橢球形整齊有序的排列在細胞質膜上或者蛋白質體周圍。-10℃低溫處理8 h后脂類小滴排列已經不是很規則，數量也有所減少。-20℃低溫處理8 h后脂類小滴消失殆盡。可見低溫處理會引起脂類小滴破壞或降解。馮波等在電鏡下未發現玉米干種子盾片細胞中有淀粉粒的存在，他們研究認為，在種子萌發至第8 d時，含有原片層的質體產生淀粉粒，在萌發12 d的盾片上皮細胞和內部細胞中都沒有發現質體中有淀粉粒，說明已被降解了［3］。這一結果與高榮岐等的研究結果不同，高榮岐等研究認為，成熟籽粒盾片中，上皮細胞有少數淀粉粒，盾片內部薄壁細胞淀粉粒較多［11］。我們研究發現，-20℃處理的樣品中有很多淀粉粒，且該視野中的細胞壁比較薄，低溫凍害下發生破裂，這一結果與高榮岐等人的研究結果相吻合，即取樣部位不同造成觀察結果不同。

［1］ 鄭 琪，王 威，任根深，等.低溫凍害對玉米種子果皮及其超微結構的影響［J］.甘肅農業科技，2012（9）：6-8.

［2］ 趙仰徽，鄭 琪.低溫凍害對不同含水量玉米種子生長發育的影響［J］.甘肅農業科技，2014（9）：16-21.

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（本文責編：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

甘肅省自然科學基金項目（1308RJYL069）部分內容

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