高粱胚乳淀粉体发育研究

王玲玲　王忠　顾蕴洁

摘要[目的]研究高粱胚乳细胞中淀粉体的发育情况。[方法]采用光学显微镜和电子显微镜相结合的技术观察高粱胚乳细胞。[结果]发育前期，高粱胚乳中的淀粉体主要由前质体发育形成，此时主要为单粒淀粉，少部分为复粒淀粉。发育中后期胚乳细胞中1个或多个淀粉体发生中心出现，淀粉体发生中心处有许多质体，质体以先形成环状膜结构、后积累淀粉的方式形成淀粉体，此时胚乳细胞中的淀粉主要为单粒淀粉和半复粒淀粉，也有少部分为复粒淀粉。[结论]该研究为高粱胚乳淀粉体的发生和发育方式的多样性提供了理论依据。

关键词高粱；胚乳；淀粉体；淀粉体发生中心

中图分类号S514文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）30-0028-04

Abstract[Objective] The aim was to study development of amyloplasts in sorghum endosperm cells.[Method] The endosperm cells of sorghum was observed by the combination of light microscopes and electron microscopes.[Result] At the early stage of development，the amyloplasts in sorghum endosperm cells were mainly developed from proplastids，most of them were single starch granules，and also a small number of them were compound starch granules.During the middle and late stage of endosperm development，there were one or several occurrence centers of amyloplast in cells.Occurrence center of amyloplast produced many plasmids，and the plasmids always formed annular membrane structures first，then synthesize starch to make the plasmid become amyloplast.The starch granules in the endosperm cells mainly were single starch granules and semicompound starch granules，they also had a few number of compound starch granules.[Conclusion] The research can provide a theoretical basis for the diversity of the occurrence and development of the amyloids of sorghum endosperm.

Key wordsSorghum；Endosperm；Amyloplast；Occurrence center of amyloplast

高粱是人类重要的谷类作物之一，可食用、饲用、酿造用、工艺用，是综合利用价值高的作物，具有抗逆性强、适应性广、营养价值高、产量高等特点[1]。随着我国酒酿造工业的发展，高粱种植越来越受人们的重视[2]。高粱籽粒作为酿造原料的主要成分是胚乳中的淀粉。因此，研究高粱胚乳发育对提高高粱籽粒生产具有重要意义。

高粱籽粒主要包括果皮、种皮、胚乳、胚，其中胚乳为主要组成部分，在整个发育过程中起主要作用。高粱胚乳的贮藏物质主要由淀粉和少量蛋白质组成。在发育早期，胚乳主要进行淀粉体的发生和增殖。在发育中期，胚乳主要合成并积累淀粉和蛋白质。目前关于高粱的研究主要集中在胚乳传递细胞上[3-4]，对胚乳淀粉体的研究还比较少，为了探明高粱胚乳淀粉体的發生发育规律，在前人研究的基础上[5-7]，以高粱颖果为研究材料，采用半薄切片和超薄切片相结合的方法着重观察胚乳淀粉体的形态结构及发育过程，探讨胚乳淀粉体发生方式的多样性，以期完善高粱胚乳的发育过程，为高粱育种和品质改良提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料供试高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]品种为KS-304，按常规方法种植于扬州大学农学院网室。开花期采用挂牌和点颖相结合的方式标记开花时间，采集花后不同天数的颖果进行试验。

1.2样品的固定、包埋、切片、染色和观察

将样品置于2.5%戊二醛中，4 ℃下固定4 h后用0.1 mol/L PBS 清洗3次，0.5%锇酸4 ℃下固定3 h，0.1 mol/L PBS 清洗3次，乙醇系列脱水，环氧丙烷置换，Spurr树脂浸透包埋。或将样品置于巴比妥钠缓冲液配制的1.2%高锰酸钾固定液中，4 ℃下固定4 h后用巴比妥钠缓冲液洗涤5次，乙醇系列脱水，环氧丙烷置换，Spurr树脂浸透包埋。

将2种固定方法获得的包埋块修样后置于Leica超薄切片机上切取厚度为1 μm的半薄切片，甲苯胺蓝-O （TBO） 染色后置于光学显微镜下观察。将切过半薄切片的包埋块进一步修块后用钻石刀切取厚度为70 nm的超薄切片，经醋酸双氧铀和柠檬酸铅染色后在透射电子显微镜（Philips Tecnai 12）下观察拍照。

2结果与分析

高粱胚乳细胞发育可分为游离核时期、胚乳细胞化时期、胚乳细胞生长分化期、胚乳成熟期[8-9]，其中胚乳细胞化期是营养物质淀粉和贮藏蛋白大量积累的时期，因此，研究主要集中在胚乳细胞化期。高粱胚乳半薄切片经TBO染色后，细胞中的淀粉体被膜被染成浅蓝色，贮藏蛋白被染成蓝色，细胞核、细胞壁等也有不同程度的染色，细胞的整体结构较为清晰。

花后5 d，高粱胚乳细胞中主要被液泡所填充，此时细胞中尚未有淀粉体出现（图1a）。花后6 d，高粱胚乳细胞中有少量淀粉体积累，这些淀粉体主要在细胞核附近最先出现，淀粉体体积较小，细胞中充斥着许多液泡（图1b）。花后7 d，淀粉体体积增大，数量增多，主要呈卵圓型，沿细胞核和细胞壁附近分布（图1c）。花后11 d，淀粉体数量持续增多，体积增大，细胞中开始积累蛋白体（图1d）。花后13 d至花后18 d，细胞中淀粉体数量大幅增加，淀粉体体积仍在不断增加；蛋白体数量增多，体积增大，主要分布在淀粉体之间和细胞壁附近（图1e、f）。在花后18 d的高粱胚乳细胞中观察到有些胚乳细胞中的淀粉体呈发射状分布，淀粉体体积从发射中心向四周逐渐增大，将其命名为“淀粉体发生中心”，处于发生中心内部的淀粉体体积较小，处于发生中心外部的淀粉体体积较大（图1f）。花后21 d，淀粉体逐渐增加至充满整个胚乳细胞，此时淀粉体发生中心处的淀粉体分布较为松散，胚乳中的蛋白体明显增多，蛋白体聚集在一起，体积较大（图1g）。在高粱胚乳细胞中可以观察到一个细胞中含有多个淀粉体发生中心（图1h），围绕在淀粉体发生中心周围的淀粉体按各自的中心由内向外逐渐增大。发育后期，由于胚乳细胞中充实了较多的淀粉体，处于发生中心处的淀粉体相互挤压呈不规则形（图1i），细胞中的蛋白体相互融合形成蛋白质基质，主要分布在淀粉体之间以及淀粉体和细胞壁的间隙中。

采用透射电子显微镜进一步观察发现，花后7 d，高粱胚乳细胞中开始有淀粉体出现，淀粉体主要通过原质体发育形成，呈球形，其周围有大量内质网、蛋白体和高尔基体（图2a、b）。观察发现有的淀粉体中只含1个淀粉粒（图2c），为单粒淀粉，有的含2个甚至多个淀粉粒，为复粒淀粉，淀粉粒周围还有膜结构存在（图2d、e、f），这些膜结构和淀粉粒的形成有关。

花后9 d，胚乳细胞中有淀粉体发生中心出现，发生中心处有大量丰富的质体，质体的大小和形状各不相同。质体中有丰富的环状膜结构，有的大环状膜结构中还有小的环状膜结构，淀粉粒在环状膜的附近形成（图3a、b、c）。花后11 d，淀粉体发生中心处有大量的质体管处于发生中心处的质体内部有丰富的环状膜结构，有的质体管内只含有1个环状膜结构，有的含有多个独立的环状膜结构，且环状膜的大小各不相同（图3d、e、f）。花后15 d，处于同一淀粉体发生中心处的质体有的已经有淀粉粒形成，有的才刚开始形成环状膜结构（图3g、h），并且同一淀粉体内的淀粉粒的发育程度也各不相同，有的已经形成大的淀粉粒，有的淀粉粒才刚刚开始形成（图3i）。

对淀粉体发生中心进一步观察发现，淀粉粒通常在环状膜附近形成，随后逐渐增大，充满整个质体，形成单粒淀粉（图4a、b、c）。含2个或多个环状膜结构的质体可以积累2个或多个淀粉粒，并且同一淀粉体中的不同淀粉粒的发育程度和大小也各不相同（图4d、e、f）。随着细胞的不断发育，有的淀粉体中的不同淀粉粒最终相互融合形成一个大的淀粉粒，为半复粒淀粉（图4g、h、i、j）。在高粱胚乳中仍有少部分淀粉体最终含2个或多个淀粉粒，为复粒淀粉（图4k、l）。

3结论与讨论

GA-OsO4双重固定制样对蛋白质、脂类和多糖保存效果较好，细胞结构清晰，但细胞中内膜性结构不够清晰，而高锰酸钾固定制样则能较好地显示出细胞中的膜性结构，但是对多糖和蛋白质的呈色效果较差[10-13]。因此，采用GA-OsO4和高锰酸钾固定相结合的方法，以求最大限度地观察到样品的真实状况。

淀粉体中的淀粉粒从发生发育角度可分为3种类型：单粒淀粉（或单粒淀粉粒），即1个淀粉体中只积累1个淀粉粒，该淀粉粒只有1个发生中心（脐点）；复粒淀粉（或复粒淀粉粒），即1个淀粉体内积累多个淀粉粒，每个淀粉粒只有1个发生中心（脐点）；半复粒淀粉（或半复粒淀粉粒），即1个淀粉体内积累1个淀粉粒，但该淀粉粒有2个或2个以上的发生中心（脐点）[14-17]。国内学者一般认为高粱胚乳淀粉为单粒淀粉[5-6]，而笔者观察发现，高粱胚乳淀粉主要为单粒淀粉和半复粒淀粉，也有少部分为复粒淀粉，这与其所处的发育阶段相关。在发育初期，高粱胚乳淀粉体呈圆球状，主要通过原质体发育而来，分布在细胞核和细胞壁附近，主要为单粒淀粉，也有部分为复粒淀粉。在胚乳发育中后期，细胞中有淀粉体发生中心出现，发生中心处有许多质体，这些质体以先形成环状膜结构、后积累淀粉的方式形成淀粉体。此时，胚乳细胞中的淀粉主要为单粒淀粉和半复粒淀粉，也有少部分为复粒淀粉。在淀粉体积累淀粉的过程中，其膜结构起着至关重要的作用[18]。处在同一淀粉体发生中心处的质体的大小形状以及发育程度各不相同，同一质体内的环状膜结构的大小和发育程度也各不相同，同一淀粉体内淀粉粒的大小形状、发育程度也各不相同，这就为高粱胚乳淀粉体的发生和发育提供了多样性。

参考文献

[1]

王海莲，管延安，张华文，等.高梁基因组学研究进展[J].基因组学与应用生物学，2009，28（3）：549- 556.

[2] 王红育，李颖.高粱营养价值及资源的开发利用[J].食品研究与开发，2006，27（2）：91-93.

[3] ZHENG Y K，WANG Z.Structural character of sorghum endosperm transfer cells and their relationship with embryo and endosperm[J].International journal of plant biology，2010，1：74-77.

[4] WANG H H，WANG Z，WANG F，et al.Development of basal endosperm transfer cells in Sorghum bicolor（L.） Moench and its relationship with caryops is growth[J].Protoplasma，2012，249（2）：309-321.

[5] 王忠，顾蕴洁，王慧慧，等.关于高粱胚乳细胞发育的研究[J/OL].中国科技论文在线，2013，6（5）：476-497[2007-08-11].http：//www.doc88.com/p-4983079986450.html.