陳傳武,牛 英,付慧敏,劉冰浩,范七君,蔣海蘭
(廣西柑桔育種與栽培工程技術(shù)研究中心/廣西特色作物研究院,廣西桂林,541004)
“沃柑”是“坦普爾”桔橙和“丹西”紅桔的雜交種,屬高糖晚熟品種。近些年在我國多地引種栽培,表現(xiàn)出適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、生長勢旺、早結(jié)豐產(chǎn)、果實(shí)外觀漂亮、品質(zhì)優(yōu)良、果實(shí)采收期長等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)中,“沃柑”單獨(dú)成片種植時單果種子數(shù)達(dá)10多粒,與花粉正常的其他柑桔品種混栽時單果種子數(shù)可達(dá)20粒?!盁o核沃柑”是通過輻射育種方法從“沃柑”育出的新品種,保留了“沃柑”的優(yōu)良特性,單果種子數(shù)量減少至1~3粒,甚至無籽[1]。近幾年,廣西多地引種了“無核沃柑”,栽培過程中發(fā)現(xiàn)其果實(shí)品質(zhì)優(yōu)、口感佳、鮮果采摘上市期長,值得試種,但存在?;ū9y的問題。種子生長發(fā)育過程中產(chǎn)生的激素對著果和果實(shí)發(fā)育有重要影響,與有核品種相比,無核品種由于沒有種子,果實(shí)發(fā)育期間抵御異常天氣等影響因素的能力往往不如有核品種,因而無核變異的產(chǎn)量一般低于有核品種[2]。造成柑桔無核的原因主要分為以下幾個方面:雄性不育、雌性不育、自交異交不親和、胚胎敗育等[2-3]。本研究以“沃柑”“無核沃柑”為材料,從花藥發(fā)育、異交親和性、胚胎發(fā)育等3個方面觀察比較兩者的生殖發(fā)育特點(diǎn)和差異,探討“無核沃柑”的無核成因,為生產(chǎn)上保花保果技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用提供理論支持,為進(jìn)一步探索柑桔無核成因的分子機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
花藥發(fā)育動態(tài)觀測:以5~6年生“沃柑”“無核沃柑”為材料,從花蕾露白至開花,每隔2 d采集一次花蕾,以橫徑相差0.5 mm進(jìn)行分組,每個等級取5個樣(花蕾)。橫徑小于5 mm的花蕾,進(jìn)行整蕾冷凍切片;橫徑大于5 mm的花蕾,剝?nèi)』ㄋ庍M(jìn)行冷凍切片。對切片進(jìn)行熒光顯微觀察[4]。
每藥花粉粒數(shù)量統(tǒng)計:取待開放花蕾20枚,每個花蕾取1枚花藥放入2 mL離心管中,共計20枚。加入200 μL蒸餾水,用玻棒碾碎花藥,再加入800 μL 0.5% 吐溫20溶液,充分振蕩,使花粉粒均勻分布于溶液中。用10 μL移液槍吸取2 μL花粉粒懸浮液滴于載玻片上,10×顯微鏡下觀察,統(tǒng)計2 μL懸浮液中的花粉粒數(shù),重復(fù)3次。按下列公式計算每枚花藥的花粉量:每枚花藥花粉量(粒/花藥)=(每2 μL花粉粒懸浮液中的花粉粒數(shù)×500)/20。
開花期對“沃柑”“無核沃柑”進(jìn)行自然授粉(因自身花粉粒極少,未進(jìn)行自交授粉;果園附近種植有金秋砂糖桔)及分別以“桂橙1號”“琯溪蜜柚”“北京檸檬”為父本人工異花授粉。授粉后7 d和14 d每個處理各取雌蕊10個,F(xiàn)AA固定液固定,苯胺藍(lán)染色法觀察花粉管生長情況。具體步聚:(1)將固定保存的雌蕊,用梯度酒精浸洗(70%、50%、30%、蒸餾水,每級15 min);(2)將雌蕊縱切或橫切成若干薄片,置于10%亞硫酸鈉溶液(采用無水亞硫酸鈉配制)中沸水浴10~20 min;(3)沸水浴后,吸除表面溶液,用蒸餾水浸洗一遍;(4)加入適量0.1%水溶性苯胺藍(lán)染色液浸染20 min以上;(5)用吸管和鑷子轉(zhuǎn)移材料至載玻片上,蓋上蓋玻片適當(dāng)壓展后進(jìn)行熒光顯微觀察。成熟期采收果實(shí),統(tǒng)計每果種子數(shù)。0.1%苯胺藍(lán)染液配制方法:稱取苯胺藍(lán)0.1 g溶于100 mL 0.1 mol/L K3PO4溶液中,裝入棕色試劑瓶避光冷藏。
開花期用“琯溪蜜柚”做父本,分別對“沃柑”“無核沃柑”進(jìn)行人工授粉。授粉后,每隔兩周,每個處理各取5個果實(shí)觀察種子發(fā)育動態(tài)。果實(shí)橫徑小于3 cm、種子較小時,切取帶種子的果實(shí)中柱進(jìn)行冷凍切片;果實(shí)橫徑大于3 cm、種子較大時,剝?nèi)》N子進(jìn)行冷凍切片。對切片進(jìn)行熒光顯微觀察[4]。
“沃柑”“無核沃柑”的花朵形態(tài)相似:花瓣5片,花瓣長0.7~1.1 cm,花瓣寬0.5~0.6 cm;花絲分離,雄蕊13~18枚,花絲長0.43~0.77 cm,花藥長0.2 cm左右;花藥淺黃白色,短小,上窄下圓,不飽滿較扁平,花藥低于柱頭,露柱花較多;開花后花藥呈淡黃白色,部分花藥黃褐色干癟狀,花藥大多不能開裂或部分開裂,肉眼難以看到花粉粒。解剖鏡下,“沃柑”花藥稍飽滿,可見少量花粉粒;“無核沃柑”花藥更為干癟,開裂少,可見花粉粒更少(見圖1 A1—A2和B1—B2)?!氨本幟省被ㄋ?,形態(tài)飽滿,顏色金黃,成熟時正常開裂并散出大量花粉(見圖1 C1—C2)。
“沃柑”“無核沃柑”的每枚花藥平均花粉粒數(shù)量相當(dāng),分別為1 062和1 000粒;每枚花藥有4個花粉囊,大多數(shù)外側(cè)的2個花粉囊較正常,但形態(tài)不飽滿、內(nèi)徑小、花粉粒少;內(nèi)側(cè)的2個花粉囊大多發(fā)育不良或不發(fā)育;由于花粉囊較小、不飽滿,藥室壁受擠壓程度輕,大蕾期中間層細(xì)胞仍留存,藥室壁較厚(見圖1 A3和B3)?!氨本幟省钡?個花粉囊內(nèi)徑大,為飽滿的圓形,且大小均勻,每枚花藥平均花粉粒數(shù)量達(dá)11 775粒;由于花粉囊較大飽滿,藥室壁受擠壓程度重,大蕾期中間層細(xì)胞已被擠壓破壞,僅留存表皮和內(nèi)壁,藥室壁較薄(見圖1 C3)。
“沃柑”“無核沃柑”的花藥發(fā)育動態(tài)較一致。當(dāng)花蕾橫徑為2.6~3.0 mm時,花藥的4個角隅隆起,花粉囊形態(tài)可見,外側(cè)兩個花粉囊發(fā)育較正常,內(nèi)側(cè)兩個花粉囊較小或不發(fā)育;藥室壁未發(fā)育完全,與花粉囊間組織形態(tài)界限不分明(見圖2 A1和B1)。當(dāng)花蕾橫徑為3.6~4.0 mm時,花粉囊內(nèi)徑進(jìn)一步增大,花粉母細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂時期,整體呈團(tuán)塊狀黏連;藥室表皮層細(xì)胞和內(nèi)壁細(xì)胞形態(tài)逐漸分明(見圖2 A2和B3)。當(dāng)花蕾橫徑為4.6~5.0 mm時,四分體壁被胼胝質(zhì)酶溶解,花粉粒清晰可見,但挨擠成團(tuán);藥室表皮層、內(nèi)壁層、2~3層中間層及絨氈層細(xì)胞形態(tài)分明(見圖2 A3和B3)。當(dāng)花蕾橫徑為5.6~6.0 mm時,花粉囊內(nèi)徑增至最大,花粉粒分散開來,藥室壁內(nèi)層和中間層細(xì)胞開始不均勻條狀加厚,進(jìn)入開花散粉時期(見圖2 A4和B4)。從花藥的發(fā)育動態(tài)看,“沃柑”“無核沃柑”的花藥都存在發(fā)育不良現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為花粉囊發(fā)育不良或不發(fā)育,從而導(dǎo)致花粉囊中花粉粒數(shù)量少或無花粉粒產(chǎn)生。從花藥的外觀形態(tài)看,“沃柑”“無核沃柑”的花藥均屬于敗育型花藥[5]。
注:Ep-表皮;En-藥室內(nèi)壁;Ml-中間層;Ta-絨氈層;Ms-小孢子。A1—A3為“沃柑”花藥大蕾期(A1)、開花期(A2)外觀形態(tài)和大蕾期(A3)顯微形態(tài);B1—B3為“無核沃柑”花藥大蕾期(B1)、開花期(B2)外觀形態(tài)和大蕾期(B3)顯微形態(tài);C1—C3為“北京檸檬”花藥大蕾期(C1)、開花期(C2)外觀形態(tài)和大蕾期(C3)顯微形態(tài)。圖1 “沃柑”“無核沃柑”“北京檸檬”花藥外觀形態(tài)和顯微形態(tài)
自然授粉時,“沃柑”“無核沃柑”柱頭上可見花粉粒極少。人工異花授粉時,“桂橙1號”“琯溪蜜柚”“北京檸檬”的花粉均能在“沃柑”“無核沃柑”柱頭上萌發(fā),并經(jīng)花柱道進(jìn)入子房室(見圖3 A1和B1),偶見花粉管伸入胚珠(見圖3 A2和B2)。
“沃柑”自然授粉及分別以“桂橙1號”“琯溪蜜柚”“北京檸檬”花粉進(jìn)行異花授粉后,每果種子數(shù)較多,分別為12.0、10.0、18.5和16.0粒(見圖3 A3)。“無核沃柑”自然授粉及分別以“桂橙1號”“琯溪蜜柚”“北京檸檬”花粉進(jìn)行異花授粉后,每果種子數(shù)較少,分別為0、1.0、1.5和0.5粒(見圖3 B3)。從異花授粉花粉管生長情況和果實(shí)結(jié)籽情況看,“無核沃柑”異花授粉后,花粉管可正常生長進(jìn)入子房室,其無核發(fā)生部位在胚珠,成因可能為雌性不育、受精受阻或胚胎敗育。
“沃柑”“無核沃柑”的子房形態(tài)相似,通常10室,每室2~6個胚珠,多為4個。異花(“琯溪蜜柚”花粉)授粉后2周,“沃柑”“無核沃柑”的胚珠大小無明顯差異,可見小的胚囊腔,部分胚珠的珠心細(xì)胞開始解體(見圖4 A1和B1)。授粉后4周,“沃柑”胚珠的大小分化明顯,較大胚珠的珠被、珠心進(jìn)一步發(fā)育(以下稱為正常胚珠),較小胚珠則與2周左右時無明顯差異(見圖4 A2);“無核沃柑”極少數(shù)胚珠進(jìn)一步發(fā)育長大,大部分胚珠的大小與授粉后2周無明顯差異,珠心細(xì)胞和內(nèi)珠被進(jìn)一步解體,在外珠被和胚囊間形成空腔(以下稱為異常胚珠)(見圖4 B2)。授粉后10周,“沃柑”正常胚珠進(jìn)一步發(fā)育,胚囊腔明顯長大,內(nèi)外珠被、珠心組織和胚囊組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)明晰(見圖4 A3);“無核沃柑”異常胚珠的珠被、珠心和胚囊明顯解體、萎蔫(見圖4 B3)。授粉后12周,“沃柑”正常胚珠的胚囊腔直徑已達(dá)胚珠橫徑的1/3,且充滿游離胚乳核(見圖4 A4),種子質(zhì)軟、種皮光滑(見圖4 C1-a),未發(fā)現(xiàn)球形或心形胚(見圖4 C1-b);“無核沃柑”異常胚珠完全萎蔫、皺縮,形成大小0.5 mm左右的微小癟子(見圖4 B4)。授粉后14周,“沃柑”正常發(fā)育種子的種皮表面出現(xiàn)明顯的棱紋,質(zhì)地變硬(見圖4 C2-a);胚囊占據(jù)整個珠心,珠心細(xì)胞被壓擠成薄層,合子胚大多發(fā)育成球形、心形或較小的子葉胚(見圖4 A5和C2-b)。授粉后16周,“沃柑”的合子胚迅速發(fā)育成大小不等、質(zhì)地較軟、晶瑩剔透的子葉胚(見圖4 A6、C3-a和C3-b)。授粉后20周,“沃柑”較大的子葉胚已長滿整個胚囊,質(zhì)地變硬(見圖4 C4-a和 C4-b)。授粉后20周,“沃柑”的敗育種子大小不一,大的癟子長寬與正常種子相當(dāng),小的癟子與授粉后兩周時的胚珠大小相當(dāng)(見圖4 C5-a);“無核沃柑”的敗育種子普遍較小,大部分肉眼幾乎不可見(見圖4 C5-b)。
注:A1—A4“沃柑”花蕾直徑分別為2.6~3.0、3.6~4.0、4.6~5.0、5.6~6.0 mm時花藥顯微形態(tài);B1—B4“無核沃柑”花蕾直徑分別為2.6~3.0、3.6~4.0、4.6~5.0、5.6~6.0 mm時花藥顯微形態(tài)。圖2 “沃柑”“無核沃柑”花藥發(fā)育動態(tài)
注:A1.“北京檸檬”花粉管進(jìn)入沃柑子房室;A2.“北京檸檬”花粉管進(jìn)入沃柑胚珠;B1.“北京檸檬”花粉管生長進(jìn)入“無核沃柑”柱頭和花柱;B2.“北京檸檬”花粉管生長進(jìn)入“無核沃柑”子房室和胚珠;A3.“沃柑”結(jié)籽狀(a.自然授粉;b.“桂橙1號”授粉;c.“琯溪蜜柚”授粉;d.“北京檸檬”授粉);B3.“無核沃柑”結(jié)籽狀(a.自然授粉;b.“桂橙1號”授粉;c.“琯溪蜜柚”授粉;d.“北京檸檬”授粉)。圖3 “沃柑”“無核沃柑”異交親和性觀察
“無核沃柑”種子敗育的主要表現(xiàn)為早期珠心細(xì)胞解體,胚囊、胚珠停止發(fā)育,繼而引發(fā)整個胚珠的萎蔫、皺縮。本研究未能對胚囊的發(fā)育進(jìn)行系統(tǒng)的顯微觀察,不能判定“無核沃柑”的胚囊是否發(fā)育正常,也不能判定雌雄配子是否結(jié)合產(chǎn)生合子,因此,不能確定由胚囊敗育、受精受阻和早期胚敗育中的哪個因素導(dǎo)致了“無核沃柑”的種子敗育。
注:OI-外珠被;II-內(nèi)珠被;NC-珠心細(xì)胞;ES-胚囊;E-胚;A1—A6為授粉后2、4、10、12、14和16周“沃柑”種子的發(fā)育動態(tài);B1—B4為授粉后2、4、10和12周“無核沃柑”種子的發(fā)育動態(tài);C1-a和C1-b為授粉后12周“沃柑”的種子和胚囊;C2-a、C2-b,授粉后14周“沃柑”的種子和幼胚;C3-a和C3-b為授粉后16周“沃柑”的種子和胚;C4-a和C4-b為授粉后20周“沃柑”的種子和胚;C5-a為授粉后20周“沃柑”的敗育種子;C5-b為授粉后20周“無核沃柑”的敗育種子。圖4 “沃柑”“無核沃柑”種子發(fā)育動態(tài)
雄性不育是柑桔無核的主要原因,溫州蜜柑和臍橙是雄性不育導(dǎo)致無核的代表,“伏令夏橙”“馬敘葡萄柚”“無籽甌柑”“少核紅江橙”等的無核和少核也與花粉部分?jǐn)∮嚓P(guān)[2,5-10]。有研究表明,花藥外觀形態(tài)與花粉育性密切相關(guān)[5,8-9]。陳力耕把雄性不育的溫州蜜柑做母本與雄性正??捎谋∑ぜ?xì)葉甜橙做父本雜交所獲得的F1代單株的花粉育性分為正常型、低育型、敗育型和退化型;正常型單株的花藥形態(tài)飽滿、顏色金黃,成熟時正常開裂并能散出大量花粉;低育型單株的花藥呈短圓形,但形態(tài)較為飽滿,黃色或淡黃色,可開裂散粉,但花粉量明顯少于正??捎?;敗育型單株的花藥較短小,部分或大部分呈干癟狀態(tài),色澤灰白或略顯淡黃,花藥大多不能開裂,開裂的也極少散出花粉;退化型單株的花藥呈箭頭狀,花藥與花絲基本等粗,似為花絲的直接延長,顏色灰白,毫無花粉粒[5]。胡志勇等發(fā)現(xiàn),花藥的顏色與飽滿狀況基本上能反映該品種花粉的育性:花藥敗育品種“格倫臍橙”的花藥空癟、呈乳白色,完全沒有花粉;細(xì)胞質(zhì)雄性不育(細(xì)胞質(zhì)內(nèi)遺傳物質(zhì)控制花粉粒敗育等雄性個體不育的現(xiàn)象,不育性狀可以通過母性遺傳傳遞給后代)品種“國慶一號”溫州蜜柑的花藥細(xì)尖而癟,呈淺黃色;低育少核品種“華農(nóng)本地早”桔的花藥較飽滿,呈淡黃色;育性最強(qiáng)的多核品種“HB柚”的花藥飽滿、呈金黃色[8]。張遲等研究表明,“有籽甌柑”花藥飽滿,色澤金黃,在室內(nèi)放置2~3 d后花藥自然開裂散粉;“無籽甌柑”花藥空癟,色澤淡黃,在室內(nèi)放置2~3 d后花藥上幾乎沒有自然散發(fā)的花粉[9]。本研究中,“沃柑”“無核沃柑”的花藥短小、扁平,開花后呈干癟狀且大多不能開裂,散粉極少,應(yīng)歸屬為敗育型花藥[5]。
從花藥的組織細(xì)胞形態(tài)看,柑桔正常發(fā)育的花藥,4個藥室發(fā)育基本同步且大小相對一致,形態(tài)圓或橢圓,在花藥成熟后,每側(cè)的2個藥室之間藥隔消失而連成一體,成為具有2個藥室的成熟花藥。細(xì)胞質(zhì)雄性不育品種“國慶一號”溫州蜜柑花藥中的4個花粉囊發(fā)育不同步,外側(cè)的2個花粉囊發(fā)育較快,內(nèi)側(cè)的發(fā)育落后且較小[8]。“蕉柑”花藥從發(fā)育早期開始就陸續(xù)出現(xiàn)一些不正?,F(xiàn)象,表現(xiàn)為藥室發(fā)育受阻,藥室發(fā)育大小不一、畸形,同側(cè)的2個藥囊室之間的藥隔不解體等[11]。“格倫”臍橙花藥在早期有造孢細(xì)胞形成,但在隨后的發(fā)育過程中造孢細(xì)胞降解、退化,沒有花粉母細(xì)胞形成,最后在花藥室中央形成一個空腔,花藥壁細(xì)胞的分化正常[8]。相關(guān)研究表明,花藥發(fā)育異?,F(xiàn)象出現(xiàn)越早,花粉的敗育愈加嚴(yán)重[2,11]。本研究發(fā)現(xiàn),與溫州蜜柑[8]和“蕉柑”[11]花藥的發(fā)育類似,“沃柑”“無核沃柑”花藥發(fā)育前期存在4個花粉囊發(fā)育不同步、大小不一的異常現(xiàn)象,后期存在花粉囊小、花粉囊內(nèi)花粉粒少的異?,F(xiàn)象,前期花粉囊不正常發(fā)育是導(dǎo)致花藥畸形、花粉粒少的主要原因。
由于部分柑桔品種具有良好的單性結(jié)實(shí)能力,自交不親和便成為在毋需雜交的情況下獲得無核果實(shí)的一個有益性狀[2-3]。自交不親和在柚類品種中較為典型,“琯溪蜜柚”“晚白柚”“HB柚”“水晶柚”具有單性結(jié)實(shí)能力,在不授粉或自花授粉的情況下能獲得無核果實(shí),異花授粉則獲得多籽果實(shí);“沙田柚”“酸柚”“無酸柚”不具有單性結(jié)實(shí)能力,在不授粉或自花授粉的情況下不能獲得果實(shí),異花授粉則獲得多籽果實(shí)[12]?!吧程镨帧弊越换虍惤皇诜酆?,花粉管均能通過柱頭乳突細(xì)胞間隙進(jìn)入柱頭;自交花粉管在花柱1/2左右處停止生長,異交花粉管正常進(jìn)入胚囊[13]?!艾g溪蜜柚”“度尾蜜柚”自交和互交(異花)花粉在柱頭上都可正常萌發(fā);自交花粉管進(jìn)入柱頭組織后,大部分在伸長過程出現(xiàn)破裂,伴隨有內(nèi)容物滲出,在花柱道內(nèi)緣有胼胝質(zhì)出現(xiàn),但仍有部分花粉管能正常生長進(jìn)入子房,并從胚柄處進(jìn)入胚珠,在珠心組織里觀察到胼胝質(zhì)的積累,其中大多數(shù)“琯溪蜜柚”和少數(shù)“度尾蜜柚”胚珠的胚囊位置出現(xiàn)強(qiáng)烈的熒光亮點(diǎn),而互交的胚珠中沒有觀察到這些現(xiàn)象[14]。本研究發(fā)現(xiàn),與“蕉柑”[15]相似,“沃柑”“無核沃柑”異交花粉管均能通過花柱進(jìn)入子房室,“沃柑”異交均有籽,“無核沃柑”異交均無籽。
被子植物雌蕊通常由柱頭、花柱和子房構(gòu)成。雌性不育表現(xiàn)為柱頭、花柱和子房不發(fā)育或發(fā)育畸形,胚珠和胚囊發(fā)育異常等[16]。胚囊不育是形成無核柑桔的重要原因之一。華盛頓臍橙、伏令夏橙、哈姆林甜橙、馬敘無核葡萄柚和溫州蜜柑等,在胚囊的大孢子期、二核期、四核期和八核期皆有退化現(xiàn)象[3,6]?!敖陡獭钡牟糠峙咧榘l(fā)育緩慢,珠被不完全包裹珠心,珠心中沒有大孢子母細(xì)胞存在;大部分胚珠的大孢子發(fā)育滯后,花后10 d胚珠和胚囊出現(xiàn)敗育跡象,花后20 d敗育胚囊明顯萎縮[17]。胚敗育是指植物授粉受精后,雌雄配子結(jié)合形成胚,但由于某些因素,胚中途停止發(fā)育的現(xiàn)象[18]?!艾g溪蜜柚”Ⅰ型敗育種子,授粉后5 d珠心細(xì)胞開始出現(xiàn)萎縮,授粉后50 d珠心組織細(xì)胞完全萎縮,外珠被發(fā)育停止,形成0.5 cm左右的癟籽;Ⅱ型敗育種子,授粉后50 d珠心組織細(xì)胞沒有萎縮,胚囊繼續(xù)發(fā)育,胚乳開始萎縮,授粉后65 d未見合子胚的生長,珠心組織細(xì)胞和胚乳逐漸萎縮,最終成為0.7~1 cm左右的癟籽[19]?!澳县S蜜桔”自交、雜交組合授粉后4周多數(shù)胚停滯于合子胚階段,胚囊瓦解,珠心組織也彼此分離形成空腔,最終胚珠退化消失或僅留存胚珠退化的痕跡;授粉后8周大部分飽滿種子的胚發(fā)育到心形胚階段時,胚乳開始瓦解,至成熟期形成大小不一的癟子[20]。本研究發(fā)現(xiàn),與“琯溪蜜柚”Ⅰ型敗育種子一樣,“無核沃柑”胚珠形態(tài)敗育的起始部位也為珠心細(xì)胞,不同的是“無核沃柑”的珠被停止發(fā)育時期較早,最終形成微小癟子。