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一、课题名称及来源 二、选题背景及意义 三、研究内容 四、拟采取的研究方案 五、研究基础 六、研究的特色与创新之处 七、已开展的研究工作 八、预期结果 九、参考文献

开 题 报 告. 一、课题名称及来源 二、选题背景及意义 三、研究内容 四、拟采取的研究方案 五、研究基础 六、研究的特色与创新之处 七、已开展的研究工作 八、预期结果 九、参考文献. 一、课题名称及来源： 关于谷物胚乳转移细胞的研究 （ 国家自然科学基金项目 ）. 二、选题背景及意义：. 小麦、大麦、玉米、高粱等谷物籽粒发育的一定阶段，胚乳表层某些部位细胞的细胞壁向胞质一侧产生许多指状突起。这些细胞壁显著内突的细胞即为 胚乳转移细胞 。. 薏苡胚乳 转移 细胞.

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一、课题名称及来源 二、选题背景及意义 三、研究内容 四、拟采取的研究方案 五、研究基础 六、研究的特色与创新之处 七、已开展的研究工作 八、预期结果 九、参考文献

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Presentation Transcript

  1. 开 题 报 告 一、课题名称及来源 二、选题背景及意义 三、研究内容 四、拟采取的研究方案 五、研究基础 六、研究的特色与创新之处 七、已开展的研究工作 八、预期结果 九、参考文献

  2. 一、课题名称及来源： 关于谷物胚乳转移细胞的研究 （国家自然科学基金项目）

  3. 二、选题背景及意义： 小麦、大麦、玉米、高粱等谷物籽粒发育的一定阶段，胚乳表层某些部位细胞的细胞壁向胞质一侧产生许多指状突起。这些细胞壁显著内突的细胞即为胚乳转移细胞。 薏苡胚乳转移细胞

  4. 关于谷物胚乳转移细胞的的研究，国内外已有很多的报道，但大多是对结构变化的描述，而关于胚乳转移细胞形成、分化和消亡机制的研究很少。关于谷物胚乳转移细胞的的研究，国内外已有很多的报道，但大多是对结构变化的描述，而关于胚乳转移细胞形成、分化和消亡机制的研究很少。 • 我们认为进一步探索这些问题的本质，将涉及植物细胞分化、信号转导、程序化细胞死亡、基因表达、谷物品质遗传等研究领域，这些问题的澄清必将推动形态解剖学、植物生理学，细胞生物学、遗传学等学科的发展，为谷物生产提供新的理论和方法。

  5. 三、研究内容 (1)胚乳转移细胞的发育 玉米和高粱的胚乳转移细胞十分发达。我们拟观察发育不同天数的玉米和高粱颖果中胚乳转移细胞超微结构，尤其是细胞壁和质膜的超微结构变化，探明胚乳转移细胞发生、分化和衰亡的过程及规律。

  6. (2)胚乳转移细胞的生理功能 从胚乳转移细胞所处的位置和结构特点推测，胚乳转移细胞在灌浆物质从质外体到共质体的运输过程中起了重要的作用。我们拟进一步从转移细胞的超微结构，如细胞壁、质膜、胞间连丝、内膜系统的结构特点分析胚乳转移细胞的吸收和转运灌浆物质的生理功能。 灌浆物质进入小麦胚乳的颖果横断面示意图

  7. 四、拟取的研究方案 (1)关于研究胚乳转移细胞发育和功能的研究方案 (2)关于论证胚乳转移细胞分化与灌浆量相关的研究方案 (3)关于颖果各部位淀粉积累情况以及细胞活性的研究

  8. 方法简列如下： 1.用扫描电镜观察转移细胞细胞壁的结构 玉米胚乳转移细胞壁

  9. 2.用荧光显微镜观察转移细胞壁的结构 高粱花后15d籽粒纵切

  10. 3.半薄切片后特异性染色观察显微结构

  11. 4.超薄切片后用透射电镜重点观察与物质转运有关的细胞器如质膜、胞间连丝等超微结构4.超薄切片后用透射电镜重点观察与物质转运有关的细胞器如质膜、胞间连丝等超微结构 大麦花后20d电镜下的胚乳转移细胞

  12. 1) 比较不同品种颖果中转移细胞的分布 我们现初步打算采用以下方法验证此观点： 已证实的观点：胚乳转移细胞大都分布在靠近果皮维管束的部位（转移细胞分化具有位置效应）。 玉米授粉后14d籽粒纵切 （体式解剖镜拍摄） 玉米授粉后15d籽粒纵切 （光学显微镜拍摄）

  13. 高粱花后29d 高粱花后10d

  14. 2）比较具有粒重差异的不同品种或同一品种相同部位的转移细胞层的发达程度2）比较具有粒重差异的不同品种或同一品种相同部位的转移细胞层的发达程度 待验证的观点：不管是同品种或不同品种，一般粒重大的转移细胞层较为发达且细胞层数多。 4.玉米花后20d光镜下 5.玉米花后20d电镜下 6.玉米花后20d电镜下 7.小麦花后20d光镜下 8.大麦花后20d光镜下 9.大麦花后20d电镜下

  15. 3) 观察库源强度改变对转移细胞层发育的影响 待验证的观点：如果进行减源增粒处理，在减少和增加粒重的同时，是否也影响到转移细胞层的分化。 减源处理：抽穗后剪叶处理，降低单位颖果同化物供应 增粒处理：剪除穗上部分颖花（果），保障单位颖果同化物的充足供应

  16. 1） 用I-KI染色法检测剖面上淀粉积累情况 2） 用TTC染色法检测颖果各部位细胞活性

  17. 五、研究基础 • 前期我们实验室已对玉米、高粱、大麦、小麦等谷物胚乳转移细胞的分布情况、发育过程以及分化机制进行了初步的研究。 • 本人查阅了国内外大量的相关参考文献 • 本实验室和所在学校亦已备具了此研究所需的各种仪器和试剂。 • 我们认为本课题研究内容恰当，总体研究方案合理，通过努力，研究目标是能预期实现的。 王忠、顾蕴洁等对高粱和玉米胚乳转移细胞的研究

  18. 六、研究的特色与创新之处 1、研究层次：从亚细胞水平研究胚乳转移细胞的发育和功能 2、研究方法：建立了一整套研究胚乳转移细胞发育和功能行之有效方法 3、研究内容：特色明显，研究结果将更新转移细胞层分化和功能的理念 4、研究材料：以高粱和玉米为主要研究材料

  19. 七、已开展的研究工作 • 对不同发育天数的高粱和玉米进行了固定和spurr树脂包埋 • 对不同发育天数的高粱和玉米进行了I－KI染色和TTC染色

  20. 八、预期结果 • 查阅国内外大量参考文献，就胚乳转移细胞的分布，发育，功能，分化和消亡机制等方面撰写一篇综述性文章。 • 探明高粱胚乳转移细胞的结构和功能，撰写一篇研究性文章。 • 阐明谷物胚乳转移细胞分化过程和调控分化的因素，撰写一篇研究性文章。

  21. 九、参考文献: [1] Gunning B E，Pate J S, Briarty L G. Specialized“transfer cells”in minor veins of leaves and their possible significance in phloem translocation.Cell Biol , 1968 , 37 :C7～12. [2]Taiz and Zeiger. Plant physiology. 3rd edition 2002. [3]朱徵,胡适宜.植物生殖系统中转移细胞的研究进展. 植物学通报,1999 ,16 (专辑) :35～41. [4] 胡适宜,朱徵,徐是雄. 豇豆胚胎发育早期的胚柄及胚乳中的转移细胞.植物学报,1983 ,25 :39～52. [5] 席湘媛. 菘兰胚和胚乳的发育及营养物质的组织化学.植物学报, 1993 ,35 :35～43. [6] Davis R W, Smith J D, Cobb B G. A light and electron microscope investigation of the transfer cell region of maize caryopses. Can J Bot , 1990 ,68 :471～479. [7]高荣岐等.玉米胚乳转移细胞发育的显微和超微结构研究. 山东农业大学学报，1996，27（3）324～332. [8]王忠,顾蕴洁,李卫芳,董明辉,卞爱华.玉米胚乳的发育及其养分输入的途径.江苏农学院学报.1997,18(3):1～ 7. [9]席湘媛,叶宝兴.薏苡胚乳发育及营养物质积累的研究. 植物学报.1995,37 (2):118～124. [10]席湘媛,冷梅. 薏苡胚乳转移细胞的超微结构. 植物学报, 1995,37(3): 171～176.

  22. [11]高新起,席湘媛. 荞麦胚和胚乳的发育及贮藏营养物质的积累. 云南植物研究. 2000 ,22 (4) :451～455. [12]高新起,任秋萍,席湘媛. 荞麦糊粉层转移细胞的超微结构研究. 曲阜师范大学学报. 2002，28（4）:101～104. [13]顾蕴洁, 王忠, 陈义芳, 陈刚, 黄海. 高粱胚乳发育的观察与研究. 南京师大学报(自然科学版).2002，25(3)∶99～108 [14]Odd-Arne Olsen, Casper Linnestad and Scott E. Nichols. Developmental biology of the cereal endosperm trends in plant science. 1999,Vol.4,No.7：253～257. [15]Odd-Arne Olsen. Endosperm development: cellularization and cell fate specification. Annu.Rev.Plant Physiol. Plant Mol.Biol.2001.52:233～267. [16]Philip W. Becraft. Cell fate specification in the cereal endosperm. CELL & DEVELOPMENTAL BIOLOGY. Vol. 12, 2001: pp. 387～394. [17]D.B. Fisher and C.E. Cash-Clark. Gradients in water potential and turgor pressure along the translocation pathway during grain filling in normally-watered and water-stressed wheat plants. Plant Physiol.123 (2000), pp:139～147. [18]H.L. Wang, J.W. Patrick, C.E. Offler and X.-D. Wang. The cellular pathway of photosynthate transfer in the developing wheat grain. III. A structural analysis and physiological studies of the pathway from the endosperm cavity to the starchy endosperm. Plant Cell Environ.18 (1995a), pp:389～407. [19]D.A. Baker, K. Poustini, F. Didehvar. Effect of salinity on unloading of photoassimilates in the wheat caryopsis, in: J.L. Bonnemain, S. Delrot, W.J. Lucas, J. Dainty (Eds.), Recent Advances in Phloem Transport and Assimilate Compartmentation, Ouest Editions, Paris (1991) pp: 286～293.

  23. [20]W. Weschke, R. Panitz, N. Sauer, Q. Wang, B. Neubohn, H. Weber and U. Wobus. Sucrose transport into barley seeds: molecular characterization of two transporters and implications for seed development and starch accumulation. Plant J.21 (2000a), pp: 455～467. [21]W. Weschke, R. Panitz, Q. Wang, H. Rolletschec, U. Wobus. Expression of sugar transporters and invertase isoforms in maternal and filial tissues of the developing barley grain. Proceedings of the 5th Gatersleben Research Conference: Seed Development, Metabolism and Biotechnology (2000b), p:27. [22] Doan DNP, Linnestad C, Olsen O-A. Isolation ofmolecular markers from the barley endosperm coenocyteand the surrounding nucellus cell layers. Plant Mol Biol.1996,31:877～886. [23]T.J. Chiou and D.R. Bush. Sucrose is a signal molecule in assimilate partitioning. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998,95, pp: 4784～4788. [24]T. Roitsch. Source-sink regulation by sugar and stress. Curr. Opin. Plant Biol. 1999,2, pp:198～206. [25]G. Hueros, S. Varotto, F. Salamini and R.D. Thompson. Molecular characterization of BETL1, a gene expressed in the endosperm transfer cells of maize. Plant Cell 1995,7, pp: 747～757. [26]G. Hueros, J. Royo, M. Maitz, F. Salamini and R.D. Thompson. Evidence for factors regulating transfer cell-specific expression in maize endosperm. Plant Mol. Biol. 1999, 41, pp: 403～414. [27]W.F. Broekaert, B.P.A. Cammue, M.F.C. De Bolle, K. Thevissen, W. Genoveva, G.W. De Samblanx and R.W. Osborn. Antimicrobial peptides from plants. Crit. Rev. Plant Sci. 1997,16, pp: 297～323. [28]M.A. Abbas. Some studies on transfer cells in seedlings. MSc. thesis, Queen's University, Belfast, (1973). [29]J.S. Pate, B.E.S. Gunning and F.F. Milliken. Function of transfer cells in the nodal regions of stems, particularly in relation to the nutrition of young seedlings. Protoplasma 1970,71, pp: 313～334. [30]H. Weber, L. Borisjuk, U. Heim, N. Sauer and U. Wobus. A role for sugar transporters during seed development: molecular characterization of a hexose and a sucrose carrier in fava bean seeds. Plant Cell 1997,9, pp: 895～908.

  24. [31]C.E. Offler, E. Liet and E.G. Sutton. Transfer cell induction in cotyledons of Vicia faba L. Protoplasma 1997,200, pp: 51～64. [32]E. Liet and C.E. Offler. The role of sugars in regulation of transfer cell development. Exp. J. Bot.1996,47, pp:1298 (abstr.). [33]Elisa Gómez, Joaquín Royo, Yan Guo, Richard Thompson and Gregorio Hueros. Establishment of Cereal Endosperm Expression Domains （Identification and Properties of a Maize Transfer Cell–Specific Transcription Factor, ZmMRP-1 . The Plant Cell, 2002,Vol.14, pp:599～610. [34]Ljudmilla Borisjuk, Trevor L. Wang, Hardy Rolletschek, Ulrich Wobus and Hans Weber. A pea seed mutant affected in the differentiation of the embryonic epidermis is impaired in embryo growth and seed maturation. Development . 2002,129. [35]Ache P., Becker D., Deeken R., Dreyer I., Weber H., Fromm J. and Hedrich R.. VFK1, a Vicia faba K+ channel involved in phloem unloading. Plant J. 2001,27, pp: 571～580. [36]Talbot MJ, Franceschi VR, McCurdy DW, Offler CE. Wall ingrowth architecture in epidermal transfer cells of Vicia faba cotyledons. Protoplasma 2001,215:191～203. [37]Mark J. Talbot, Christina E. Offler, and David W. McCurdy. Transfer cell wall architecture: a contribution towards understanding localized wall deposition. Protoplasma 2002,219: 197～209. [38] Nynne M. Christensen , Inge Dörr , M. Hansen , T. A. W. van der Kooij , A. Schulz. Development of Cuscuta species on a partially incompatible host: induction of xylem transfer cells. Protoplasma. 2003,220: 131～142. [39] N. Boughanmi, P. Michonneau, M.-C. Verdus, F. Piton, E. Ferjani, E. Bizid, and P. Fleurat-Lessard. Structural changes induced by NaCl in companion and transfer cells of Medicago sativa blades. Protoplasma. 2003, 220: 1791～187. [40] Giampiero Cai , Claudia Faleri , Cecilia Del Casino, Gregorio Hueros , Richard D, Thompson Mauro Cresti. Subcellular localisation of BETL-1, -2 and -4 in Zea maysL. Endosperm. Sex Plant Reprod . 2002, 15:85～98. [41]Richard D. Thompson, Gregorio Hueros, Heinz-Albert Becker and Monika Maitz. Development and functions of seed transfer cells ， Plant Science,2001,160(5): 775～783.

  25. 关于高粱胚乳传递细胞发育的研究 王慧慧 导师：王忠教授 扬州大学 生物科学与技术学院 2007.10. Development and Functions of Endosperm Transfer Cells in Andropogon sorghum 本课题由国家自然科学基金资助，项目编号：30670125。

  26. 选题背景及意义： • 高粱用途广泛，其籽粒可用来酿酒和生产酒精，也可供食用、饲用等。 • 高荣岐、席湘媛、高新起等人已分别对玉米、薏苡、荞麦胚乳传递细胞的超微结构进行了研究，但是有关高粱胚乳传递细胞发育过程的研究，国内外尚未见报道。

  27. 实验材料： • 供试的高粱(Andropogon sorghum)品种为KS一304。按常规方法种植，在开花期采用记号笔标点颖谷并与在穗枝梗上挂牌相结合的方法进行标花。采集不同发育天数的颖果进行实验。

  28. (1)光镜和透射电镜(TEM)观察半薄切片后特异性染色观察显微结构；超薄切片后用透射电镜重点观察与物质转运有关的细胞器等超微结构。 (2)扫描电镜(SEM)观察传递细胞细胞壁结构 实验方法：

  29. 实验结果如下： 在靠近颖果背部维管束的部位，胚乳表层细胞特化，细胞壁向内增生，质膜跟随皱褶，形成胚乳传递细胞带。随着颖果的发育，在颖果背部大维管束和传递细胞最外层组织间将会出现充满液体的空腔，称为“池” 或胚乳腔。 (1)高粱胚乳传递细胞的分化具有位置效应 传递细胞带 高粱花后10d

  30. (2)高粱胚乳传递细胞在整个颖果发育中经历了发生、发展和衰亡的过程(2)高粱胚乳传递细胞在整个颖果发育中经历了发生、发展和衰亡的过程 花后3d，维管束附近的胚乳表层细胞细胞壁加厚，细胞质较浓稠，有些细胞尚在分裂（图中箭头所示）。

  31. 花后5d就已观察到胚乳表层细胞明显的细胞壁内突花后5d就已观察到胚乳表层细胞明显的细胞壁内突

  32. 花后6d观察到 明显的核变形，呈不规则状 （图中箭头所示） 高粱胚乳传递细胞壁内突刚开始形成， 细胞即启动程序化死亡进程。

  33. 花后6d观察到细胞壁内突产生分支（图中圆圈标明）花后6d观察到细胞壁内突产生分支（图中圆圈标明） • A. Reticulate wall ingrowths in xylem parenchyma transfer cells of longitudinally fractured nodes of P. sativum • B. Numerous papillae (arrowheads) in transfer cell 1 in A are deposited at discrete loci on the cytoplasmic face of the underlying wall and are often branched (arrows) Transfer cell wall architecture: a contribution towards understanding localized wall deposition Protoplasma (2002) 219: 197–209

  34. 花后9d，细胞壁 内突明显加大

  35. 花后11d 花后15d 花后23d 花后19d • 花后11d至23d细胞壁内突进一步加大。 • 胚乳最外层传递细胞具有长而多的壁内突，越往内，传递细胞的壁内突越短而少。

  36. 花后27d，由于胚的生长，内胚乳传递细胞已全部调亡不见，只留下一层糊粉层传递细胞。花后27d，由于胚的生长，内胚乳传递细胞已全部调亡不见，只留下一层糊粉层传递细胞。

  37. 花后33d示传递细胞带 花后39d示传递细胞带 • 高粱花后33d向后，由于胚的继续生长和籽粒的失水，池已消失，传递细胞的形态不再有大的变化。 • 在整个籽粒的发育过程中，内胚乳细胞和紧邻维管束的传递细胞发生PCD，而其它部位的糊粉层细胞核不消失也没有变形，仍然具有活性。 花后33d示糊粉层细胞

  38. (3)高粱胚乳传递细胞细胞壁细胞壁附近观察到大量的小囊泡(3)高粱胚乳传递细胞细胞壁细胞壁附近观察到大量的小囊泡 通过TEM观察发现传递细胞细胞壁附近存在大量小囊泡，这表明传递细胞质膜的膜动运输非常频繁。 高粱花后10d

  39. （4）高粱胚乳传递细胞细胞壁的SEM观察 高粱花后19d籽粒纵切 凸缘内突（flangelike ingrowths） 网状内突（reticulate ingrowths）

  40. （5）高粱胚乳最外层传递细胞细胞壁的TEM观察（5）高粱胚乳最外层传递细胞细胞壁的TEM观察 花后9d×9700 花后23d×9700 花后9d，胚乳最外层传递细胞细胞壁成网状分支； 花后23d，胚乳最外层传递细胞内充满了壁内突。

  41. （6）高粱颖果组织化学染色观察 1）用TTC染色法检测颖果各部位细胞活性 2）用I-KI染色法检测剖面上淀粉积累情况 传递细胞带 高粱花后20d

  42. 讨论：(1)高粱胚乳传递细胞的生理功能 • 根据高粱胚乳传递细胞分布的位置、发育过程和超微结构特点推测其主要生理功能是把母体运来的灌浆物质传递给胚乳组织和胚。 • 高粱胚乳传递细胞的发育程度和功能期的长短，对胚的发育和胚乳中营养物质积累，增加粒重至关重要。

  43. (2)胚乳传递细胞的分化机制 蚕豆 玉米 小麦 • E.Liet和C.E.Offler体外实验研究结果表明，蚕豆子叶中转移细胞的形成直接受糖类的影响。 • 高粱、玉米、大麦、小麦颖果中，只有靠近颖果大维管束旁的胚乳表层细胞才分化成传递细胞，推测胚乳传递细胞的分化可能被转运物质所诱导。 维管束

  44. 敬请批评指正！

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