板栗雄性不育的形态学观察.pdf

文章编号 1001 4829 2014 01 0235 05 收稿日期 2013 03 25 基金项目 国家林业局公益行业专项 201104025 北京市农林 科学院科技创新能力建设专项 KJCX201101011 华北山区经 济树种种质资源收集和保存 2013FY111700 作者简介 刘国彬 1984 男 硕士 助理研究员 主要从事板 栗种质资源与遗传育种研究 电话E mail liuguo bin 1009 163 com 为通讯作者 兰彦平 副研究员 主要从 事山区资源保存 评价工作 板栗雄性不育的形态学观察 刘国彬 曹均 周连第 兰卫宗 兰彦平 北京市农林科学院 农业综合发展研究所 北京100097 摘要 为揭示不完全雄花败育资源板栗雄性不育 1 号 Cms 1 的形态学特征 本文从形态观察 花粉萌发率测定和解剖分析等方 面进行了研究 结果表明 Cms 1 雄花序上部败育 下部雄花发育正常且具有一定的萌发率 24 5 解剖发现 Cms 1 花粉 发育经历了雄花序原基形成期 雄花簇原基形成期 花朵原基形成期和雄蕊形成期 之后发育停止 花序轴维管束细胞破解 维管 束收缩 进而雄花败育 因此推断 Cms 1 败育与维管束发育异常有关 其败育主要发生在雄蕊分化期阶段 处于孢原细胞分化和造 孢细胞形成前期 雄花败育的自然特性使 Cms 1 在板栗杂交育种中具有独特的应用价值 关键词 板栗 种质 雄花序 败育 形态学 中图分类号 S664 2文献标识码 A Morphological Observation on Male Sterility in Castanea mollissima Blume LIU Guo bin CAO Jun ZHOU Lian di LAN Wei zong LAN Yan ping Institute of Agricultural Integrated Development Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing 100097 China Abstract In order to reveal the morphological characteristics of Cms 1 an incomplete male sterile germplasm was studied based on morphol ogy investigation test of pollen germination rate and anatomy study The result showed that i the upper part of male inflorescence on Cms 1 were sterile but the lower part had a certain pollen germination 24 5 ii Anatomy study showed that after formation of the primor dium of the male inflorescence the floral cluster the individual floret and the stamen the development of male inflorescence stopped ra chis vascular destroyed and shrinkage and then the male inflorescence aborted so the vascular development and the male sterility of Cms 1 were co related and the main sterile stage was differentiation of stamen and the mail period were differentiation of archesporial cell and previous of sporogenous cell formation The male inflorescence abortion of Cms 1 make it play an very important role in hybridization Key words Chestnut Germplasm Male inflorescence Sterility Morphology 雄性不育指植物雌性生殖器官正常 而雄性生 殖器官 雄蕊 发育不全 不能形成正常发育的花 粉 不能产生有生活力的雄配子的现象 包括花粉 或孢子的败育 雄蕊群的畸形 抑制 消失 花粉不开 裂等 1 据统计 已在 43 科 162 属 320 个种的 617 个品种或种间杂种中发现了雄性不育 2 国内 外研 究 人 员 已 经 在 杉 木 3 桃 4 梨 5 6 文 冠 果 7 杏 8 枣 9 柑橘 10 11 等树种中发现雄性不 育遗传资源 雄性不育种质也成为种质创制的重要 资源 板栗 Castanea mollissima Blume 是我国特有栗 属植物 面积大 分布广 资源丰富 据不完全统计目 前全国板栗 包括锥栗 丹东栗 品种资源量在 350 个以上 12 但大部分为实生选优所得 人工杂交培 育新品种较少 板栗杂交育种之所以进度缓慢 主 要原因在于板栗雌雄花比例悬殊 雌雄花序比例为 1 5 而雌雄花朵比例通常 1 2000 3000 13 且雌花 着生于雄花序基部 造成人工去雄困难 板栗为雌 雄同株 异花授粉树种 如果能够找到具有雄花序败 育特征的材料 则可从根本解决杂交育种过程中人 工去雄难的问题 笔者在长期的资源调查过程中 通过实地观察 研究 结合栗农提供的信息 获得了一个雄花序部分 532 2014 年 27 卷 1 期 Vol 27No 1 西南农业学报 Southwest China Journal of Agricultural Sciences 图 15 月 31 日雄花序发育图 左 Cms 1 右 燕北 Fig 1Male inflorescence development on May 31 Left Cms 1 ight Yanbei 图 26 月 22 日开花图 左 Cms 1 右 燕北 Fig 2Flowering on June 22 Left Cms 1 ight Yanbei 败育的实生变异板栗资源 本实验以其为研究材料 进行了初步的形态学观察 并在此基础上开展细胞 学研究 初步揭示其败育的细胞学特征 为板栗雄性 不育理论研究奠定基础 为雄花败育板栗遗传资源 的评价和利用提供参考 1材料与方法 1 1试材 研究材料为具有雄花败育特征的遗传资源板栗 雄性不育 1 号 Chestnut male sterility 编号 Cms 1 位于北京市昌平区山地栗园 该不育株为实生变异 嫁接后遗传性状稳定 12 年果龄 对照为同一栗园 雄花序发育正常的栽培农家品种 燕北 1 2方法 2011 2012 年 4 6 月 观察 Cms 1 和对照雄花 序发育情况 测量 对比雄花序长度 采用培养基培 养法 14 测定花粉萌发率 2011 年3 月至2012 年6 月 采集雄花败育材料 Cms 1 和对照 燕北 的雄花芽 雄花序 8 月至次年 2 月份每 10 15 d 取样1 次 3 7 月份每3 5 d 取 样 1 次 将不同发育时期的材料放入 FAA 固定液 即福尔马林 醋酸 酒精固定液 固定 采用石蜡 切片法 15 观察雄花败育情况 2结果与分析 2 1雄花序性状变化及花粉萌发率比较 Cms 1 为半不育类型 5 月上旬雄花序初现 纯 雄花序发育过程中 从花枝基部至顶部 雄花败育程 度由重到轻 位于枝条基部的雄花序 败育程度重 仅留花痕或 4 6 个雌花簇 中部以上雄花序 随着 不断生长发育 花序中上部逐渐停止发育而弯曲萎 缩 枯萎脱落 图 1 左 底部雌花簇持续发育直至 开花散粉 图 1 右 而对照 燕北 雄花序则不断生 长发育直至雄花盛开 图 2 从表 1 中可以看出 Cms 1 在雄花序长度 雄 表 1 Cms 1 与对照雄花性状比较 Table 1Comparison of characteristics of Cms 1 and Yanbei male flowers 品种 雄花序长度 cm 雄花簇数 个 花粉萌发率 Cms 13 08 A11 A24 5 a 燕北 18 59 B124 B31 4 b 差异显著性P 0 01P 0 01P 0 05 注 为 Cms 1 雄花序基部雄花花粉萌发率 大写字母不同代表 1 水平差异显著 小写字母不同表示 50 水平差异显著 Notes represents the pollen germination rate of the lower part of male inflorescence of Cms 1 Different capital letter means significant differences at 1 level and different lowercase letter means signifi cant differences at 5 632西南农业学报27 卷 1 雄花序原基 200 2 发育中的雄花序原基 40 3 雄花簇原基 100 4 花朵原基 100 5 雄蕊分化 200 6 花序顶部败育 40 7 花序中部败育 底部正常 100 8 中上部完全败育 40 9 败育雄花序轴 100 10 败育雄花 200 11 花序基部正常花序轴 400 12 燕北 雄蕊分化 200 13 燕北 花粉囊 200 14 燕北 花粉粒 200 15 燕北 散粉 200 1 Primordium of the male inflorescence 200 2 Primordium of the male inflorescence 40 3 Primordium of floral cluster 100 4 Primordi um of individual floret 100 5 Primordium of stamen 200 6 Sterility on the upper part of male inflorescence 40 7 The middle part of male inflorescence aborted and the lower normal 100 8 Complete abortion 40 9 achis of male inflorescence 100 10 Sterile flowers 200 11 The normal rachis of male inflorescence 400 12 Differentiation of stamen on Yanbei 200 13 The anther of Yanbei 200 14 Pollen of Yanbei 200 15 Disseminating pollen 200 图 3板栗 Cms 1 图 1 11 和 燕北 图 12 15 花序内部结构变化 Fig 3Internal structure of male inflorescence on Cms 1 and Yanbei 花簇数方面与对照差别很大 Cms 1 上部雄花序在 花簇膨大前即停止发育 而雄花序基部花簇具有一 定的萌发能力 从而确定该雄性不育株为不完全雄 花败育类型 2 2板栗 Cms 1 雄花序解剖观察 Cms 1 和对照 燕北 雄花序及雄花解剖结构如 图 3 Cms 1 雄花序生长发育前期正常 从雄花序原 基出现到雄蕊分化 图 3 1 6 与对照 燕北 相 似 但在雄花序发育中后期发生异常变化 花枝基 部雄花序首先发生 形态上表现为雄花序生长缓慢 7321 期刘国彬等 板栗雄性不育的形态学观察 极短 顶部变黄 褐化 发育停止 逐渐干枯 完全脱 落或仅留花序基部 4 6 个花簇 然后花枝中部雄花 序和上部雄花序也相继出现类似情况 对花序纵切 观察 发现雄花序上部组织细胞已经破裂 解体 图 3 7 研究进一步发现 首先发生细胞破裂 解体的 部位位于雄花序轴的维管束 低倍镜下观察不到维 管束细胞 高倍镜下表现为维管束细胞空化 解体 维管束组织结构收缩 图 3 8 10 而正常发育的 雄花序轴则表现维管束细胞排练紧密 清晰可见 图 3 11 与 Cms 1 不同 对照 燕北 雄花发育正 常 形成大量花粉囊 内部充满饱满花粉粒 随着盛 花期的来到而开花散粉 图 3 12 15 根据观察 Cms 1 败育主要发生于雄蕊分化后期至花药分化 期 尚未形成花粉囊 且败育首先从花序轴维管束组 织细胞开始 3讨论 板栗为雌雄同株 异花授粉植物 雄花为柔荑花 序 一般具有雄花量大 雄花序长的特点 正常雄花 序发育过程分为雄花序原基形成期 花簇原基形成 期 花朵原基形成期 花被原基形成期 雄蕊原基形 成期和花药形成期 6 个阶段 15 本研究获得的 Cms 1 资源雄花序上部发育止于雄蕊分化期至花药 形成前期 尚未形成花粉囊 而基部发育正常 确定 为一种不完全雄花败育资源 植物花粉发育一般经历孢原细胞 造孢细胞 小 孢子母细胞 四分体 单核小孢子 成熟花粉等阶段 在这一过程中任何一个阶段发育异常均会产生花粉 败育 最终导致雄性不育 双子叶植物花粉败育主 要发生在四分体至小孢子形成期 16 但由于材料 不同 控制败育的内在因子不同 造成不同植物之间 发生败育时期不尽相同 如宁夏枸杞种质败育发生 于四分体时期 17 18 桃花粉败育发生于四分体至单 核花粉粒早期 黄金梨 发生在小孢子单核晚期 而文冠果花粉败育则可能发生在双核花粉粒时 期 4 6 19 本研究所获得 Cms 1 遗传材料 肉眼可见 雄花簇时即停止发育 内部结构处于雄蕊分化期或 花药形成前期 推测其败育时期为孢原细胞形成期 至造孢细胞形成期 引起植物雄花败育的原因有多种 减数分裂不 正常 花粉母细胞发育不良 减数分裂异常 绒毡层 异常 生理障碍 花粉发育过程中营养缺乏以及环境 因素影响等均可导致雄花败育 绒毡层对花粉发育 有重要作用 绒毡层发育或解体过程中出现异常 会 导致花粉败育 4 6 植物维管束的异常也会导致雄 性不育的发生 20 21 此外 内源激素含量异常 22 花药同工酶活性过低也与雄性不育相关 23 本研 究观察到 Cms 1 雄花序内部组织细胞首先发生异 常变化的部位是雄花序轴的维管束组织 花序轴维 管束细胞出现空化 破裂造成维管束收缩 进而阻断 了水分 无机盐及有机物质通过花序轴维管束进入 药隔维管束和花丝维管束为雄花发育提供营养的路 径 从而造成板栗雄花败育 关于维管束发育异常 的原因 以及绒毡层与 Cms 1 败育的关系 尚待进一 步研究分析 参考文献 1 汤泽生 刘正金 苏智先 植物雄性不育类型的分析 J 生物多 样性 1994 2 4 220 227 2 Kaul MLH Male sterility in higher plants M New York Springer Verlag 1988 2 5 3 吕洪飞 余象煜 李平 等 杉木雄性不育株与可育株叶绿素含 量和硝酸还原酶活力的比较 J 林业科学研究 1996 9 4 439 442 4 罗来水 肖德兴 霍光华 等 桃雄性不育的表现形式及其败育途 径 J 果树学报 2000 17 2 89 96 5 郭艳玲 刘招龙 张绍铃 新高及爱宕梨雄性不育特性及其败育 的细胞学研究 J 果树学报 2007 24 4 433 437 6 胡静静 赵静 沈向 黄金梨雄性不育的细胞学研究 J 中 国农学通报 2010 26 2 185 188 7 郑彩霞 李凤兰 文冠果两性花花粉败育原因的进一步研究 J 北京林业大学学报 1993 15 1 78 83 8 Lillecrapp AM Wallwork MA Sedgley M Female and male sterility cause low fruit set in a clone of the Trevatt variety of apricot Prunus aremeniaca J Sci Hort 1999 82 3 255 263 9 王玖瑞 梁海永 刘孟军 枣树雄性不育种质胚败育与内源激素 变化的关系 J 植物遗传资源学报 2008 9 3 367 371 10 Yamamoto M Matsumoto Yamada Y elationship between ste rility and seedlessness in Citrus J J Japan Soc Hort Sci 1995 64 1 23 29 11 蔡小东 柑橘雄性不育胞质杂种创造及相关基础研究 D 武 汉 华中农业大学 2006 12 张宇和 柳銮 梁维坚 等 中国果树志 板栗 榛子卷 M 北 京 中国林业出版社 2005 22 25 74 13 吕平会 李龙山 何佳林 等 中国板栗生产