高温诱导树木花粉染色体加倍的伤害机理研究

高温诱导花粉染色体加倍是树木多倍体育种的重要途径，而高温处理引起的花药坏死、散粉量减少、花粉空瘪败育等问题限制了后续工作的进行。本项目以新疆杨、杜仲等木本植物为材料，对其花粉母细胞减数分裂过程施加高温处理，采取醋酸洋红压片、石蜡切片、间接免疫荧光、电镜组化等技术对高温处理对树木花粉母细胞减数分裂染色体行为、微管骨架分布、花药组织及花粉母细胞亚细胞结构以及Ca2+水平及分布的影响进行研究，系统揭示高温诱导树木花粉染色体加倍过程的伤害机理，以便为进一步采取相应对策减轻高温伤害提供理论依据。

高温诱导花粉染色体加倍是树木多倍体育种的重要途径，而高温处理往往引起的花药坏死、散粉量减少、花粉空瘪败育等问题。本项目以新疆杨、杜仲等树种为材料，对高温胁迫下花药及花粉发育的影响进行了研究，并比较了不同倍性杜仲花粉的萌发特征，取得了一定的进展：（1）掌握了温室水培条件下新疆杨以及自然条件下杜仲的花粉母细胞减数分裂进程及染色体行为。（2）明确了高温处理诱导新疆杨和杜仲2n花粉的有效处理时期及处理条件。其中，新疆杨在花粉母细胞减数分裂终变期–中期I施加38℃持续处理4h，2n花粉比率可达60%以上；杜仲在终变期–中期I期施加46℃持续处理4 h最高可获得57.1%的2n花粉；此外，高温胁迫还导致连体花粉及空瘪的败育花粉产生。（3）通过对减数分裂染色体行为和细胞骨架分布的观察，明确了高温处理诱导2n花粉形成的细胞学机制。高温导致花粉母细胞减数分裂过程产生染色体粘黏、后期形成落后染色体、末期I和II形成微核、中期II纺锤体定向错误以及末期II胞质分裂紊乱等异常现象，与秋水仙碱处理对减数分裂染色体行为的影响相比存在差异，这些异常现象的产生直接导致了2n花粉、连体花粉和败育花粉的形成；高温胁迫后，花粉母细胞内微管骨架发生一定程度的崩解，导致染色体不能正常完成分离等行为，从而形成复原的核。（4）采用常规石蜡切片以及超薄切片结合透射电镜技术方法对新疆杨和杜仲花药及花粉母细胞结构、细胞器形态以及Ca2+水平及分布进行了观察，初步揭示高温处理对其发育的影响。高温胁迫导致花药壁的中层和绒毡层细胞提前解体，不能为花粉母细胞的正常发育提供足够的能量，同时花粉母细胞形态发生扭曲、发育异常；高温条件导致细胞失水，从而破坏了胞质内细胞器结构，液泡化增强、内质网上核糖体脱落、核膜膨胀解体等；同时，热胁迫处理后，可观察到细胞表面、细胞质中的Ca2+明显增多，而且随着液泡化的增强，液泡膜内侧及液泡内也聚集大量Ca2+沉淀颗粒，细胞核中Ca2+颗粒也逐渐沉淀。（5）对杜仲2n花粉萌发特征进行了研究，明确了不同倍性花粉萌发的差异性，与正常花粉相比，杜仲2n花粉存在萌发慢、细胞核运动迟缓等现象，导致其在参与受精的过程中处于劣势，探明了利用2n花粉授粉难以获得杜仲三倍体的原因。