水稻胚囊发育畸变的细胞学和遗传学研究

1．水稻多卵卵器的起源：被子植物的卵器中通常只有一个卵细胞。我们在水稻多胚品系胚囊中观察到二卵卵器和三卵卵器，本研究对其大孢子发生和胚囊发育进行了细胞胚胎学观察，揭示了水稻多卵卵器的起源．观察结果表明，该品系能进行正常的大孢子发生。大孢子母细胞进行正常的减数分裂形成四个大孢子靠近合点端的大孢子发育，其它三个退化。功能大孢子第一次有丝分裂后两个子核被一中央大液泡分隔在胚囊珠孔端和合点端，与此同时胚囊出现不均衡生长，珠孔端迅速膨大，合点端几乎不增大，致使二核末期的胚囊呈倒梨形．紧接着发生第二次有丝分裂，合点端核分裂时纺锤丝与胚囊纵轴平行，而珠孔端核分裂时纺锤丝与胚囊纵轴成4 5度夹角．由此产生的四核胚囊中，合点端一核向胚囊中部或中上部（胚囊珠孔端）迁移，四核胚囊再经一次有丝分裂形成两种类型的核分布偏离蓼型的八核胚囊。一种类型是珠孔端四个核，中部与合点各二个核，在胚囊细胞化过程中，珠孔端四核 分化成四细胞卵器，其中卵细胞和助细胞各二个，中部的二核分化成二极核中央细胞，合点 端的二核形成反足细胞。另一种类型是珠孔端六个核，合点端二个核，在胚囊细胞化过程中， 两端各一核向中部迁移分化成二极核中央细胞，珠孔端剩余的五核分化成五细胞卵器，其 中卵细胞三个，助细胞二个，合点端的一核迅速分裂形成反足细胞． 2．水稻同源三倍体TAR的生殖特性：TAR的单穗结实率平均可达10%，核型分析表明此三倍体产生的后代个体仍为具有36条染色体的三倍体．细胞胚胎学初步观察显示TAR为一具兼性无融合生殖特性的水稻新种质，其胚珠几乎都能进行胚囊的分化，但其中仅有33%的胚囊有较正常的结构，9%的胚囊在散粉前进行胚胎发生，58%的胚囊发育显著异常，表现为极性紊乱、多极核或缺失雌性生殖单位等。 3．水稻亚种间杂种败育的细胞学基础：对普通栽培稻不同品种类型间杂种颖花败育的细胞学基础及雌性败育的过程进行的细胞学研究表明：1）引起杂种颖花败育的原因有胚囊败育，花粉败育、开花时花药不开裂和雌雄异熟．其中胚囊败育而丧失受精能力是引起低结实率的最重要的因素，开花时花药不开裂和雌雄异熟在一定程度上形成了雌雄性细胞时间和空间的隔离屏障。2）杂种植株的所有大孢子母细胞都能进行正常的减数分裂形成四个大孢子，败育主要发生在靠近合点端的功能大孢子分化形成胚囊的早期，有的胚囊母细胞在进行第一次有丝分裂前便萎缩解体，多数能完成一次或二次有丝分裂形成二核或四核败育胚囊．败育的共同特征是无液泡的分化，细胞质少或退化，在败育胚囊残迹部位，解体的珠心细胞和萎缩的胚囊残溃混杂垛叠．已受精的杂种子房没有观察到胚及胚乳发育的异常．籼粳杂种胚囊败育频率较高． 4．籼粳杂种生殖障碍的基因定位：应用具有1 37个标记位点的籼粳杂交窄叶青8号/京系17)F1花药培养获得的127个双单倍体OH）群体构建的R FLP图谱，对控制籼粳杂种颖花败育的基因座位进行了定位研究。结果在第1、3、4、5、6、7、8、1 2染色体上检测到1 0个基因座位，其中第3、12染色体上的2个不育基因位点str3和str12与同一杂交组合F2分离群体中发现的异常分离热点处于相同的染色体区段．stj-6的基因加性效应为负值，有增加籼粳亲和性的作用;其余的不育基因座位皆有增加籼梗杂种不育性的作用． 5．籼粳杂种胚囊败育的遗传分析和基因定位：利用DH系构建的分子图谱及DH系衍生的2个回交群体定位了引起籼梗杂种胚囊败育的2个互补的主效基因esa-l（E1或e1位点）和esa-2（E2或e2位点），它们分别位于第6和第1 2染色体．在不育基因位点，籼稻基因型为EIEle2e2，粳稻基因型为elelE 2E 2，杂交后代中基因型为EIE2，Ele2、elE 2的雌配子体正常发育，携带ele2基因型的雌配子体表现败育．胚囊育性受配子体基因型控制，孢予体遗传背景影响胚囊败育基因的表达.

Embryology of Swertia (Gentianaceae) relative to taxonomy

The embryological features of three species of Swertia (s.l.) - S. erythrosticta, S. franchetiana, and S. tetraptera were characterized, and the observations were used, together with previously gathered data on other species, to evaluate a recently proposed polyphyly, based on molecular data, of Swertia s.l. Comparisons of species within the genus showed that they have diversified embryologically, and there are significant between-species differences. Notable features that vary between species include the number of cell layers that form the anther locule wall, the construction of the wall of the mature anther, tapetum origin, the cell number in mature pollen grains, the structure of the fused margins of the two carpels, the ovule numbers in placental cross-sections, the shape of the mature embryo sac, the degree of ovule curvature, antipodal variation and the presence of a hypostase, and seed appendages. They share characters that are widely distributed in the tribe Gentianeae, such as a dicotyledonous type of anther wall formation, a glandular tapetum with uninucleate cells, simultaneous cytokinesis following the meiosis of the microsporocytes, tetrahedral microspore tetrads, superior, bicarpellary and unilocular ovaries, unitegmic and tenuinucellar ovules, Polygonum-type megagametophytes, progamous fertilization, nuclear endosperm, and Solanad-type embryogeny. The presence of variation in embryological characters amongst the species of Swertia s.l. strongly supports the view that Swertia s.l. is not a monophyletic group. Frasera is better separated from Swertia s.l. as an independent genus, and is only distantly related to Swertia s. s. judging from the numerous differences in embryology. Swertia tetraptera is very closely related to Halenia, as they show identical embryology. (C) 2007 The Linnean Society of London, Botanical Journal of the Linnean Society, 2007, 155, 383-400.

Rôle de la protéine ScFRK1 dans le développement du sac embryonnaire et son impact sur le guidage des tubes polliniques

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux.

Implication des peptides RALFs dans les communications cellulaires lors du développement du gamétophyte femelle chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana.

Chez les angiospermes, la reproduction passe par la double fécondation. Le tube pollinique délivre deux cellules spermatiques au sein du gamétophyte femelle. Une cellule féconde la cellule œuf pour produire un zygote; l’autre féconde la cellule centrale pour produire l’endosperme. Pour assurer un succès reproductif, le développement du gamétophyte femelle au sein de l’ovule doit établir un patron cellulaire qui favorise les interactions avec le tube pollinique et les cellules spermatiques. Pour ce faire, un dialogue doit s’établir entre les différentes cellules de l’ovule lors de son développement, de même que lors de la fécondation. D’ailleurs, plusieurs types de communications intercellulaires sont supposées suite à la caractérisation de plusieurs mutants développementaux. De même, ces communications semblent persister au sein du zygote et de l’endosperme pour permettre la formation d’un embryon viable au sein de la graine. Malgré les développements récents qui ont permis de trouver des molécules de signalisation supportant les modèles d’interactions cellulaires avancés par la communauté scientifique, les voies de signalisation sont de loin très incomplètes. Dans le but de caractériser des gènes encodant des protéines de signalisation potentiellement impliqués dans la reproduction chez Solanum chacoense, l’analyse d’expression des gènes de type RALF présents dans une banque d’ESTs (Expressed Sequence Tags) spécifiques à l’ovule après fécondation a été entreprise. RALF, Rapid Alcalinization Factor, est un peptide de 5 kDa qui fait partie de la superfamille des «protéines riches en cystéines (CRPs)», dont les rôles physiologiques au sein de la plante sont multiples. Cette analyse d’expression a conduit à une analyse approfondie de ScRALF3, dont l’expression au sein de la plante se limite essentiellement à l’ovule. L’analyse de plantes transgéniques d’interférence pour le gène ScRALF3 a révélé un rôle particulier lors de la mégagamétogénèse. Les plantes transgéniques présentent des divisions mitotiques anormales qui empêchent le développement complet du sac embryonnaire. Le positionnement des noyaux, de même que la synchronisation des divisions au sein du syncytium, semblent responsables de cette perte de progression lors de la mégagamétogénèse. L’isolement du promoteur de même que l’analyse plus précise d’expression au sein de l’ovule révèle une localisation sporophytique du transcrit. La voie de signalisation de l’auxine régule également la transcription de ScRALF3. De surcroît, ScRALF3 est un peptide empruntant la voie de sécrétion médiée par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. En somme, ScRALF3 est un important facteur facilitant la communication entre le sporophyte et le gamétophyte pour amener à maturité le sac embryonnaire. L’identification d’un orthologue potentiel chez Arabidopsis thaliana a conduit à la caractérisation de AtRALF34. L’absence de phénotype lors du développement du sac embryonnaire suggère, cependant, de la redondance génétique au sein de la grande famille des gènes de type RALF. Néanmoins, les peptides RALFs apparaissent comme d’importants régulateurs lors de la reproduction chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana.

Developmental anatomy and morphology of the ovule and seed of Heliconia (Heliconiaceae, Zingiberales)

The developmental anatomy and morphology of the ovule and seed in several species of Heliconia were investigated as part of an embryological study of the Heliconiaceae and to provide a better understanding of their relationships with the other families of the Zingiberales. Heliconia species have an ovule primordium with an outer integument of both dermal and subdermal origin. The archesporial cell is divided into a megasporocyte and a single parietal cell, which in turn are divided only anticlinally to form a single parietal layer, disintegrating later during gametogenesis. The embryo sac was fully developed prior to anthesis. In the developing seed, the endosperm was nuclear, with wall formation in the globular stage; a nucellar pad was observed during embryo development, but later became compressed. The ripe fruit contained seeds enveloped by a lignified endocarp that formed the pyrenes, with each pyrene having an operculum at the basal end; the embryo was considered to be differentiated. Most of these characteristics are shared with other Zingiberales, although the derivation of the operculum from the funicle and the formation of the main mechanical layer by the endocarp are unique to the Heliconiaceae.

Comparative study of ovule and fruit development in species of Hypolytrum and Rhynchospora (Cyperaceae, Poales)

The development of the ovule and of the fruit of Hypolytrum bullatum and H. schraderianum (Mapanioideae) and of Rhynchospora consanguinea and R. rugosa (Cyperoideae) are described. All species share anatropous, bitegmic and crassinucellate ovules, funicular obturator, megagametophyte of the Polygonum type, presence of starch grains in the mature megagametophyte, free-nuclear endosperm, Onagrad-type embryogeny, testal-tegmic seed, and a simple fruit of the achene type. Rhynchospora species have characters typical of the family: micropyle formed by the inner integument alone; 3-4-layered parietal tissue; and hard achene. Hypolytrum species differ in those characters by presenting a slightly zigzag micropyle formed by both integuments connected with the funicular obturator, 5-8-layered parietal tissue, and fibrous-spongy achene. The peculiar formation of the micropyle in Hypolytrum is a feature reported here for the first time in the family. The ontogeny provides evidence for a better understanding of the dispersal unit in Hypolytrum supporting the classification as a true achene, like that of Rhynchospora, which is characteristic of the family.

Ovule, fruit and seed development in Abolboda (Xyridaceae, Poales): implications for taxonomy and phylogeny

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Anther wall development, microsporogenesis, and microgametogenesis in abolboda and orectanthe: contributions to the embryology of xyridaceae (poales)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)