魏子秋,彭 冶,李豐霞,狄昌毅,張往祥*
(1 南京林業(yè)大學 林學院,南京 210037;2 南京林業(yè)大學 生物與環(huán)境院,南京 210037)
觀賞海棠(Malusspp.)主要包括薔薇科(Rosaceae)蘋果屬(Malus)中果徑 ≤ 5 cm的一類植物[1]。觀賞海棠在中國有悠久的栽培歷史,被廣泛應用于園林綠化中,是集觀花、觀果、觀葉、觀形為一體的優(yōu)良觀賞植物。蘋果屬植物大多存在自交不親和現(xiàn)象,這是植物避免自交衰退,促使異交產(chǎn)生雜種,增強后代活力,促進物種的遺傳多樣性的重要遺傳機制[2]。觀賞海棠屬于配子體自交不親和類型,受具有復等位基因的S基因位點的控制[3],因此觀賞海棠的種質(zhì)創(chuàng)新主要依賴于開放授粉選育和少量的非定向雜交育種。中國具有豐富的海棠原種資源,與此不匹配的是,觀賞海棠的新品種選育工作起步較晚,早期主要依賴于歐美進口。近年來,國內(nèi)觀賞海棠育種工作受到重視,江蘇省揚州市的國家海棠種質(zhì)基因庫通過引進,自主選育,海棠原種和品種十分豐富。目前,全世界人工培育的觀賞海棠栽培品種已達1 000多個[4]。大部分觀賞海棠的品種是通過實生選擇培育獲得,親緣關系較復雜,尤其父本來源及其性狀特征不明確,增加了優(yōu)質(zhì)新品種的培育周期。
目前,關于海棠的生殖特性和育種方面的研究仍然集中于報道不同品種的花粉活力[5-6]、花粉貯藏特性[7]以及品種間授粉方式對坐果和果實品質(zhì)的影響[8-9]等方面,但有關海棠花粉育性的等級評價、柱頭可授性、最佳可授時期、授粉后花粉管的生長及受精時間的確定,花粉育性與柱頭可授性對雜交親和性的影響,以及品種間雜交后的坐果率動態(tài)分析等鮮見報道。明確觀賞海棠的生殖特性,探明其雜交親和性的強弱,有利于新品種的人工定向選育,提高育種效率。
本研究選擇15個具不同觀賞特性的海棠品種,主要研究了花粉育性、柱頭可授性、授粉后的花粉管行為及坐果規(guī)律,以期為觀賞海棠培育篩選出優(yōu)良親本,并確定最佳的授粉時間和雜交組合,為海棠園圃品種配置,后續(xù)新品種培育過程中優(yōu)質(zhì)親本的選擇和控制授粉等工作的開展提供依據(jù)。
試驗地位于江蘇省揚州市江都區(qū)仙女鎮(zhèn)(32°25′39″N,119°33′20″E)的國家海棠種質(zhì)基因庫,年平均氣溫約14.9 ℃,年均降雨量約1 000 mm,無霜期約320 d;試驗地地勢平坦,土壤肥沃,灌排條件良好。試驗材料為15個觀賞海棠品種,樹齡12~15年,生長狀況良好。供試海棠品種名稱及主要觀賞特性見表1。
1.2.1 花粉活力和花粉含量測定
2022年3月底開始,于各品種盛花期的晴天上午8:00采集處于氣球期的花蕾?;ǚ刍盍y定參照趙紀偉等[10]的方法并略作修改,培養(yǎng)基為:蔗糖100 g/L+硼酸200 mg/L+硝酸鈣400 mg/L,pH 5.8,培養(yǎng)時間改為4 h。單花藥花粉含量測定方法參照杜洋文等[11]的方法,每個品種觀察10滴懸浮液,設3次重復?;ㄋ幍幕ǚ哿?粒/花藥)=每滴懸浮液中平均花粉粒數(shù)×1000/10。
1.2.2 柱頭可授性測定
采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測定各品種花期內(nèi)(開花前1 d至開花第6天)的柱頭可授性。每個品種每天隨機采集開放程度一致的3朵花,將柱頭取下浸泡在聯(lián)苯胺-過氧化氫溶液中1 min后用Olympus BX-51顯微鏡拍照,設3次重復。
根據(jù)柱頭產(chǎn)生的氣泡直徑大小進行相應賦值(圖1),氣泡直徑0~50 μm賦值為1;50~100 μm為2;100~150 μm為3;150~200 μm為4;>200 μm為5。統(tǒng)計開花不同時期的每個柱頭產(chǎn)生各直徑氣泡的數(shù)量,計算出得分。
A~G. 分別為開花第0~6天的柱頭。圖1 ‘金豐收’柱頭可授性A-G. The stigmas on the 0 to 6th day of flowering.Fig.1 Stigma receptivity of M. ‘Harvest Gold’
1.2.3 控制授粉及坐果率統(tǒng)計
選擇‘芭蕾舞’ב凱爾斯’、‘凱爾斯’ב芭蕾舞’、‘紅玉’ב龍游路易莎’、‘冬紅’ב印第安之夏’,‘草莓果凍’ב印第安之夏’5個雜交組合。在各母本盛花期,選出開花前1 d的花蕾,每個花序僅留中心花,做好掛牌標記,分別進行以下不同處理:(1)去雄、套袋:選取50朵花去雄、套袋,檢測無融合生殖能力;(2)人工雜交授粉:選取50朵花去雄、套袋,第2天進行人工授粉。授粉后15 d統(tǒng)計初始坐果率,至果實成熟期每隔15 d統(tǒng)計1次各處理的坐果數(shù)。
1.2.4 授粉后花粉管行為的熒光顯微觀察
在上述雜交組合授粉后4,8,12,24,48,72,96,120,144 h,每個時期至少采集3個母本的雌蕊,用 FAA固定液(70%酒精∶冰醋酸∶38%甲醛=90∶5∶5)于4 ℃冰箱內(nèi)保存。參照薛志霞等[12]的方法處理雌蕊,在Nikon Eclipse 50i熒光顯微鏡紫外光波段下觀察雜交后花粉管在柱頭和花柱中的行為并進行拍照,設3次重復。
利用IBM SPSS 26對花粉萌發(fā)率和花粉量,柱頭可授性數(shù)據(jù)進行方差分析,分別對父本花粉萌發(fā)率和母本柱頭可授性與結實指標間進行相關性分析;利用Origin 2021繪制柱頭可授性柱狀圖和坐果率點線圖。
試驗結果表明,多數(shù)品種的花粉萌發(fā)率和花藥花粉含量有顯著差異(表2)。15個海棠品種的花粉萌發(fā)率均值為54.34%,萌發(fā)率最高是‘時光秀’為88.98%;花粉量最高的品種是‘高原玫瑰’,達24 380粒/花藥,而‘草莓果凍’的成熟花藥中未觀察到花粉。依據(jù)花粉萌發(fā)率,可將供試品種劃為4類:
表2 15個海棠品種花粉萌發(fā)率和花藥含粉量
(1)雄性不育型,特征是花粉萌發(fā)率10%以下,花粉量極少或無,包括‘火鳥’、‘春之韻’和‘草莓果凍’3個品種,均不適宜作為父本。
(2)雄性育性較低型,特征是花粉萌發(fā)率10.1%~40%,花粉量低,僅有‘芭蕾舞’1個品種。
(3)雄性育性中等型,特征是花粉萌發(fā)率40.1%~70%,包括花粉量極高的‘白蘭地’和中等的‘紅玉’等5個品種。
(4)雄性育性優(yōu)質(zhì)型,特征是花粉萌發(fā)率70.1%以上,包括‘時光秀’、‘印第安之夏’、‘冬紅’等6個品種,但它們的花粉量差異顯著,花粉萌發(fā)率高,可為優(yōu)質(zhì)父本,占供試品種的40%。
從檢測結果(圖2)來看,所有品種在開花前1 d(第0天)的柱頭可授性最低,均在30以下,且與其他時期達到極顯著差異(P<0.01);開花第3天時的柱頭可授性最強,在35~61之間,與其他時期也達極顯著差異(P<0.01),而開花的第2~4天內(nèi)大都能維持在較高水平。
鄧肯法多重比較,不同大、小寫字母分別表示同一品種不同開花時期1%、5%水平下的差異顯著性。圖2 15個海棠品種的柱頭可授性P value of significance was estimated by Duncan’s, different capital and normal letters represent different flowering periods of the same cultivar’s significant difference at 1% and 5% levels, respectively.Fig.2 Stigma receptivity of 15 crabapple cultivars
從數(shù)據(jù)來看,‘草莓果凍’、‘白蘭地’的柱頭可授性各時期均優(yōu)于其他品種,是優(yōu)質(zhì)母本;而‘冬紅’的柱頭可授性峰值雖較高,但持續(xù)時間僅1 d,應注意把握授粉時機。
從大蕾到末花階段,各品種柱頭可授性均呈現(xiàn)“弱—強—弱”的規(guī)律性變化。開花前1 d柱頭可授性極低,可能與柱頭表面細胞的生理功能尚未成熟有關,到第3天其柱頭接受并促使花粉萌發(fā)的生理功能才完全成熟;而花粉活力測定試驗發(fā)現(xiàn),花粉在大蕾期已完全成熟,開花當天花藥即開裂,花粉完全散出,這暗示了同花的花粉在同柱頭萌發(fā)的可能性極低,推測海棠可能通過雌雄異熟避免自交,以進一步保證異交成功。
授粉4 h后,柱頭分泌層細胞排列緊密,乳突之間的間隙較小。各母本柱頭僅粘附極少量花粉,除‘紅玉’外,其他母本柱頭均有少量花粉萌發(fā)。其中,‘草莓果凍’柱頭上的花粉管穿過柱頭,其他母本柱頭的花粉管在柱頭表面尚未進入(圖3,A1-E1)。授粉后8 h,柱頭花粉粘附量和萌發(fā)量增多,‘紅玉’柱頭花粉開始萌發(fā),但在柱頭表面未進入;其他母本柱頭的花粉管穿過柱頭向下生長,長度在500 μm以內(nèi)(圖3,A2-E2)。
A.‘芭蕾舞’; B. ‘凱爾斯’; C. ‘紅玉’; D. ‘冬紅’; E. ‘草莓果凍’,箭頭為花粉管到達處,下同。1-4、6、8分別為授粉后4,8,12,24,48,72 h的柱頭,5、7、9、10分別為授粉后24,48,72,96 h的花柱,A11-D11、A12-D12分別為授粉后72,96 h的子房,E11、E12為授粉后48,72 h的子房。1-10.200×, 標尺為100 μm; 11-12.40×, 標尺為500 μm。圖3 授粉后雌蕊局部花粉管生長的熒光顯微觀察A. ‘Ballet’; B. ‘Kelsey’; C. ‘Red Jade’; D. ‘Winter Red’; E. ‘Strawberry Jelly’. The arrow is the place where the pollen tube arrives, the same below. 1-4, 6, 8 were stigmas at 4, 8, 12, 24, 48, 72 h after pollination; 5, 7, 9, 10 were styles at 24, 48, 72, 96 h after pollination, respectively, A11-D11 and A12-D12 were ovaries at 72, 96 h after pollination, E11 and E12 were ovaries at 48, 72 h after pollination, respectively. 1-10.200×, bar is 100 μm; 11-12. 40×, bar is 500 μm.Fig.3 Fluorescence microscopic observation on the growth of local pollen tubes in pistils after pollination
授粉后12 h,柱頭分泌細胞間隙逐漸增大,‘芭蕾舞’、‘凱爾斯’、‘草莓果凍’柱頭花粉大量萌發(fā),花粉管中有胼胝質(zhì)填充(圖3,A3-E3)。授粉24 h后,柱頭分泌層的細胞排列疏松,‘紅玉’、‘冬紅’柱頭的花粉也大量萌發(fā)(圖3,C4-D4),‘芭蕾舞’、‘凱爾斯’、‘紅玉’、‘冬紅’、‘草莓果凍’中的花粉管分別到達花柱的1/5、1/3、1/6、1/4、1/3處(圖4,A1-D1,圖3,A5-E5)。授粉48 h后,‘芭蕾舞’、‘凱爾斯’、‘紅玉’、‘冬紅’花柱中花粉管到達花柱1/2,3/5、1/2、1/3處,‘草莓果凍’中少量花粉管已穿過花柱基部(圖4,A2-E2;圖3,A7-E7),到達子房室上方,但尚未進入胚珠(圖3,E11)。授粉72 h后,‘草莓果凍’的胚珠已有數(shù)條花粉管穿過(圖3,E12),其余母本中均有少量花粉管到達花粉管基部,但除‘冬紅’子房室上方有少量花粉管外,均未見花粉管(圖3,A11-D11)。
1-4.分別為授粉后24, 48, 72, 96 h的花柱。圖4 授粉后花柱中花粉管生長的熒光顯微觀察1-4. The styles were 24, 48, 72, 96 h after pollination, respectively. 40×, bar is 500 μm.Fig.4 Fluorescence microscopic observation on the growth of pollen tubes in styles after pollination
授粉96 h后,各母本花柱基部的花粉管數(shù)量明顯增多(圖3,A10-E10),且均有花粉管進入胚珠(圖3,A12-D12)。結果表明‘草莓果凍’ב印第安之夏’完成受精的時間為48~72 h,其余4個組合完成受精的時間為72~96 h,各組合均不存在明顯的受精前障礙。
由5個月的坐果率統(tǒng)計結果來看,5個母本中只有‘草莓果凍’存在無融合生殖現(xiàn)象,無融合生殖率為80%(圖5,A),低于雜交的92%(圖5,B)。且熒光觀察發(fā)現(xiàn),‘草莓果凍’能完成有性生殖,為兼性無融合生殖類型。5個雜交組合中,‘冬紅’ב印第安之夏’,‘草莓果凍’ב印第安之夏’的初始坐果率均超過90%,前者更達98%,且‘冬紅’的坐果率較穩(wěn)定,最終仍達88%(圖5,B)。各雜交組合坐果后的1.5個月(授粉后2個月)內(nèi)是落果集中期,之后除‘紅玉’外,坐果率較穩(wěn)定,僅陸續(xù)有少量落果(圖5,B)。
圖5 控制授粉下的坐果數(shù)動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of fruit setting number under controlled pollination
根據(jù)花粉活力和柱頭可授性檢測的結果結合坐果率的動態(tài)變化看,‘冬紅’為優(yōu)質(zhì)雜交親本,其花粉育性及柱頭可授性均較高,是雌雄育性均優(yōu)質(zhì)的品種,其與‘印第安之夏’雜交后坐果率高,單果種子數(shù)也遠高于其他組合(表3),種子飽滿率達70.03%,親和性最高?!t玉’ב龍游路易莎’初始坐果率雖較高,但其存在2次落果高峰期,最終坐果率、單果種子數(shù)、種子飽滿率也不高(圖5,B和表3),親和性一般?!爬傥琛痢畡P爾斯’的正反交坐果率及單果種子數(shù)、種子飽滿率等結實指標均較低(圖5,B和表3),且‘凱爾斯’的果實2.5個月后已完全掉落。而熒光觀察表明兩組合能夠完成受精,表明雜交不親和是受精后障礙所致。
表3 各雜交組合的結實情況
相關性分析(表4)表明,父本的花粉萌發(fā)率與初始坐果率、種子飽滿率間存在極顯著正相關性(P<0.01),與最終坐果率間存在顯著正相關性(P<0.05);柱頭可授性與初始坐果率、最終坐果率、種子飽滿率間均存在顯著正相關性(P<0.05);坐果率與種子飽滿率之間存在極顯著正相關性(P<0.01)。柱頭可授性與結實指標間的相關性不及花粉萌發(fā)率,原因可能是結實主要受果實發(fā)育影響,而不僅取決于柱頭可授性,而花粉活力則影響精細胞能否進入胚珠與卵細胞進行受精。
表4 雜交親本與結實指標間的相關性分析
花粉是被子植物的雄配子體,生殖細胞分裂在花粉?;蚧ǚ酃苤羞M行[13]?;ǚ壅0l(fā)育是為被子植物能夠完成有性生殖的重要前提,花粉活力是衡量植物雄性育性的重要指標。花粉小粒、癟粒和畸形是導致萌發(fā)率較低的主要原因[14]。孫寰等[15]依據(jù)I2-KI染色率將大豆花粉育性分為不育(敗育率95.1%以上)、可育(敗育率0~10%)、半不育(敗育率10.1%~95%)和典型半不育(敗育率40.1%~60%)4類;Raj等[16]和賀和初[17]也分別將水稻花粉育性劃分為4類,只是劃分標準略有不同。然而,在蘋果屬植物中的雄性育性評價的研究卻鮮見報道。實際上,選擇雄性育性優(yōu)質(zhì)的品種作為授粉樹對海棠觀果品種的觀賞價值、新品種的培育及提高蘋果的經(jīng)濟價值,均具有重要意義。本研究根據(jù)花粉活力對供試海棠品種的雄性育性進行等級評價,將15個海棠品種分為雄性不育型、雄性育性較低型、雄性育性中等型、雄性育性優(yōu)質(zhì)型4類。趙紅霞等[18]在進行現(xiàn)代月季雜交研究中發(fā)現(xiàn)花粉生活力對雜交親和性有顯著影響,與雜交結實率呈正相關。本研究依據(jù)雜交結果進行的相關性分析也顯示花粉育性與雜交坐果率、種子飽滿率間均具有極顯著的正相關性,即雄性育性優(yōu)質(zhì)的品種作為父本,坐果率和種子飽滿率均較高。而花粉活力高、花粉量大的品種也有利于減少工作量,提高育種效率,適宜作為授粉樹推廣。本研究的熒光觀察表明,花粉活力高的‘印第安之夏’作為父本時,花粉管到達胚珠的時間短,數(shù)量多,有利于完成受精。因此,本研究篩選出的‘印第安之夏’、‘時光秀’、‘冬紅’等6個雄性優(yōu)質(zhì)品種可作為優(yōu)質(zhì)父本。
柱頭發(fā)育成熟是植物可以進行有性生殖繁育的前提,成熟柱頭能夠承接、黏附、識別花粉。因此,柱頭可授性的強弱及其持續(xù)時間對雜交成功與否有重要影響。濕柱頭釋放的分泌物中含有糖類、硼、Ca2+、氨基酸、各種酶類等[19],有利于花粉黏附、水合,并為花粉萌發(fā)提供必需的營養(yǎng)。當柱頭表面分泌物較多時,有利于花粉完成水合、萌發(fā)、向下生長,因此柱頭可授性較強。前人利用聯(lián)苯胺-過氧化氫法進行柱頭可授性研究時,多僅通過觀察柱頭產(chǎn)生氣泡多少、顏色深淺進行定性評價[20-21]。本研究利用開花不同時期柱頭在相同時間內(nèi)產(chǎn)生氣泡的大小和數(shù)量進行定量分析,相關性分析結果顯示,柱頭可授性與初始坐果率、最終坐果率、種子飽滿率間均存在顯著正相關性,表明此方法能更精準直觀地反映出柱頭可授性的強弱變化規(guī)律。研究結果發(fā)現(xiàn)海棠的柱頭可授性呈現(xiàn)“弱—強—弱”的變化趨勢,原因是開花前1 d柱頭的生理功能尚未完全成熟,柱頭分泌物較少,不利于花粉萌發(fā);隨著花朵開放,第3天時柱頭完全發(fā)育成熟,分泌物增多,有利于花粉水合、萌發(fā),因此為最佳可授期;此后柱頭逐漸衰老,可授性又逐漸降低。而從花粉活力測定及田間觀察可知,花粉在大蕾期已成熟,開花當天即完全散出,并且能夠培養(yǎng)萌發(fā),這種雌雄異熟的現(xiàn)象在樟科、胡桃科植物較為常見[22-23],但海棠有關方面的研究鮮見報道,這可能是海棠避免同花自交,保障異交以維持后代遺傳多樣性的一個重要機制。王麗敏等[24]發(fā)現(xiàn)荔枝的柱頭可授性也存在著“弱—強—弱”的規(guī)律;唐英等[25]的研究也發(fā)現(xiàn)大花黃牡丹柱頭花前1 d柱頭可授性較低,開花后3~4 d達到最高,可授性可維持12 d。因此以往在大蕾期去雄,次日即進行授粉的方法并不適用于所有植物。在海棠的雜交工作中,應在開花前1 d去雄套袋,3 d后再進行授粉有利于提高育種效率。
柱頭與花粉識別后,不親和的花粉管頂端被胼胝質(zhì)堆積膨大停止生長,親和的花粉管中胼胝質(zhì)規(guī)則分布[26]。柱頭分泌物中的過氧化物酶能通過疏松柱頭分泌細胞的細胞壁,增大細胞間隙,促使花粉管穿過柱頭進入花柱的輸導組織[27]?;ǚ酃苓M入花柱后通過輸導組織向下生長,精細胞在花粉管頂端隨花粉管到達子房,進入胚囊完成雙受精?;ǚ墼谥^上的萌發(fā)率和及花粉管到達子房的時間及數(shù)量反映了雜交親和性的高低。本研究熒光觀察發(fā)現(xiàn)授粉4 h的海棠柱頭花粉粘附量和萌發(fā)量極低,而8 h后明顯增多,表明海棠花粉與柱頭充分完成水合需8 h。但此時柱頭分泌細胞排列緊密,不利于花粉管向下生長。授粉24 h后,柱頭分泌細胞間隙增大,排列疏松,有利于花粉管生長速度加快?!葺麅觥汀t’的柱頭花粉均大量萌發(fā),進入子房的花粉管也較多,‘草莓果凍’完成受精的時間最早,表明‘印第安之夏’為父本,‘草莓果凍’和‘冬紅’為母本親和性較高。Sharafi等[28]的研究表明不同蘋果品種間的雜交,花粉管在授粉72 h能夠進入子房,授粉120 h后到達子房的花粉管數(shù)量又增加了近1倍。薛志霞等[12]的研究指出紅富士異花授粉8 h花粉開始萌發(fā),24~48 h花粉管穿過花柱1/2,48~120 h花粉管繼續(xù)生長到達子房室,與本研究基本相符。
坐果率高低是植物雜交親和性高低的最直觀的表征指標。蘋果屬多倍體種類多具有較強的兼性無融合生殖能力,而二倍體一般不具有[29]。本研究中‘草莓果凍’無融合生殖率低于雜交坐果率,且雜交后花粉管能進入胚珠,表明其為兼性無融合生殖,而其倍性有待鑒定。相關性分析表明,花粉活力和柱頭可授性與坐果率、種子飽滿率間均存在顯著的正相關性,因此優(yōu)先選擇育性優(yōu)質(zhì)的親本是雜交工作取得成功的關鍵。各雜交組合授粉后2個月內(nèi)是落果集中期,可能是存在不同程度的胚胎發(fā)育障礙造成的,屬于受精后障礙。彭琴等[30]的研究指出‘凱爾斯’海棠在授粉后1~54 d是海棠胚胎敗育發(fā)生的主要時期,授粉后1~13 d后的大量落果可能與果實中的GA3的含量急劇下降,CTK含量升高有關,其落果時期與本研究的‘凱爾斯’基本一致。陳瑞丹等[31]的研究也表明赤霉素處理柱頭和幼果對梅花品種間的雜交中后期落果有較好的抑制作用。授粉后2個月為海棠果實的胚發(fā)育障礙的主要發(fā)生期,后續(xù)可利用石蠟切片、內(nèi)源激素水平測定對落果較多的品種的胚發(fā)育過程進行觀察測定,確定胚發(fā)育異常的具體時期及原因,通過激素處理提高坐果率、胚挽救等措施適時進行胚培養(yǎng),獲得雜交后代。
通過對海棠品種的雄性育性的評定、柱頭可授性規(guī)律的探究、授粉后花粉熒光觀察及坐果率變化規(guī)律及影響因素的分析等方面研究,對觀賞海棠品種間雜交親和性的綜合評價,授粉時期的確定,海棠的種質(zhì)創(chuàng)新與園圃的品種配置等方面具有重要意義。本研究篩選出了‘印第安之夏’、‘冬紅’等6個海棠品種為優(yōu)質(zhì)父本,確定了開花第3天為海棠最佳授粉期,可授性能維持3 d;發(fā)現(xiàn)了海棠花粉與柱頭的功能發(fā)育存在不同步,推測其雌雄異熟;授粉后2個月內(nèi)為海棠果實的胚發(fā)育關鍵期,本研究中的海棠雜交不親和的主要原因是受精后障礙?!t’的雌雄育性均為優(yōu)質(zhì),‘冬紅’ב印第安之夏’、‘草莓果凍’ב印第安之夏’為高坐果率雜交組合,后續(xù)可對其雜交后代的主要觀賞性狀進行觀測,以期篩選出具有優(yōu)良性狀的新品種,為海棠新品種的定向培育提供參考依據(jù)。