芍药杂交亲和性的细胞学研究

杂交组合的亲和性及其细胞学机理研究是定向培育芍药新品种、改良芍药种质资源的重要基础研究内容,为此,本研究选取芍药(属)内性状优良的4个品种开展相关研究。杂交亲本主要包括:芍药(Peaonia lactiflora Pall.)品种‘粉玉奴’(‘Fen Yu Nu’)、‘紫凤羽’(‘Zi Feng Yu’)、‘红盘托金’(‘Hong Pan Tuo Jin’);牡丹品种‘凤丹’(P. ostii)。具体杂交组合则为:‘紫凤羽’(C)ב红盘托金’(E)、‘粉玉奴’(C)ב红盘托金’(E)、‘紫凤羽’(C)ב粉玉奴’(E)3个种内杂交组合、‘粉玉奴’(C)ב凤丹’(E)、‘紫凤羽’(C)ב凤丹’(E)2个种间杂交组合。授粉前通过对父本花粉进行活力、萌发率的测定和雄蕊发育进程的观察来探讨父本育性;授粉后分别对杂交受精过程和杂交胚胎发育过程进行荧光显微观察和细胞学观察,并结合杂交结实率,阐明杂交亲和或不亲和的细胞学机理,为提高杂交亲和性提供最直接的理论依据,进而为芍药杂交育种提供理论指导。 一、从花粉活力和雄蕊发育过程探讨父本育性 1.授粉前,半固体琼脂培养基法对‘粉玉奴’、‘红盘托金’和‘凤丹’3种父本花粉进行了形态学的显微观察、活力和萌发率的测定。结果表明: (1)3个品种的花粉粒形态一致,分为正常花粉和异常花粉。前者呈圆球形,体积较大,具萌发孔,能进行正常萌发,属于有活力花粉;后者体积明显较小,不能进行正常萌发。 (2)‘红盘托金’和‘凤丹’的活力花粉所占比例高达92.4%和91.2%,花粉平均萌发率最高时可达85.1%和88.0%,故杂交时能提供足够的成熟父本花粉,花粉不会成为受精障碍的原因。 (3)‘粉玉奴’活力花粉仅占40-50%,花粉萌发率仅有30%-50%;异常花粉数比例则高达50%-60%,因此‘粉玉奴’作为父本可能存在杂交障碍,为此进一步研究中舍弃了‘紫凤羽’ב粉玉奴’的杂交组合,转而对‘粉玉奴’雄蕊发育进程进行了细胞学观察,从而找出其异常花粉产生的原因。 2.从小孢子和雄配子体的发育进程探讨‘粉玉奴’花粉异常的原因。 根据活力和萌发率的差异,以‘红盘托金’和‘粉玉奴’为研究对象,对其花粉的小孢子和雄配子体发育过程进行了细胞学观察和比较。结果表明:芍药花药具4个小孢子囊,药壁结构属双子叶型,腺质绒毡层。(1)活力花粉小孢子母细胞减数分裂后胞质分裂为同时型,四分体多为四面体形,少左右对称形,成熟花粉为2-细胞。(2)异常花粉小孢子母细胞不能进行正常的减数分裂,存在五分体和染色体桥等异常现象。 二、通过荧光显微观察解析杂交受精过程荧光显微法观察了4个杂交组合在人工授粉后72 h之内的受精过程,杂交后分套袋和开放两种状态。结果如下: 1.‘紫凤羽’ב红盘托金’的杂交组合在杂交套袋状态下,授粉后72 h可观察到少数花粉管进入胚珠;开放状态下,进入胚珠花粉管数量增加。 2.‘紫凤羽’ב凤丹’和以‘粉玉奴’为母本的2个杂交组合,无论其授粉后套袋还是保持开放,在授粉后72 h内,其父本的花粉管不能到达子房,而是在柱头表面或花柱中扭曲缠绕或花粉管先端分枝而停止生长。花粉管在萌发过程中,柱头乳突细胞内、花柱细胞内及花粉管内均产生强烈的胼胝质反应。‘粉玉奴’ב红盘托金’杂交组合中有极少量花粉管到达胚珠。 三、采用石蜡切片法对母本自然状态下及杂交后的胚胎和胚乳发育过程进行了细胞学观察。结果表明: 1.‘紫凤羽’自然状态和‘紫凤羽’ב红盘托金’杂交状态下,其胚胎均发育正常,但因实验材料限制未能找到胚胎发育从棒形胚到子叶型胚的全过程。胚乳发育形式为核型胚乳,经历游离核阶段和细胞化阶段,并在合点端发现胚乳吸器。 2.‘紫凤羽’ב凤丹’、‘粉玉奴’自然状态下、以‘粉玉奴’为母本的2个杂交组合杂交后,其胚胎均存在胚胎异解现象。败育胚胎中,胚乳絮状异解导致了胚败育。但因实验未能观察到双受精过程,胚胎发育的异常是否是双受精过程异常引起的还有待进一步研究。 四、比较了不同杂交组合不同处理的结实率分别对母本‘粉玉奴’、‘紫凤羽’自然状态下和上述杂交组合授粉套袋状态结实率进行统计,结果显示: (1)‘紫凤羽’自然状态下结实率为50%-70%;采用本实验杂交组合人工辅助授粉后结实率为上升为70%-80%。 (2)‘粉玉奴’自然状态下结实率仅为13%-15%,虽人工杂交后(本实验中,为‘粉玉奴’ב红盘托金’)结实率有所提高,但也仅为20%-25%。 (3)芍药和‘凤丹’的种间杂交组合均未得到杂交种子,结实率为0。 这些差异与细胞学观察结果一致。不同杂交组合亲和性差异的细胞学机理不同: (1)‘紫凤羽’ב红盘托金’表现出较强的杂交亲和性,而细胞学观察结果也支持了该亲和性结果,即:A.‘红盘托金’花粉具有较高的活力和萌发率;B.柱头上萌发的花粉管能顺利到达胚珠;C.受精胚正常发育;(2)‘紫凤羽’ב粉玉奴杂交不亲和主要是因为父本花粉败育,而父本花粉的败育主要在于其花粉小孢子母细胞不能进行正常的减数分裂,存在五分体和染色体桥等异常现象;(3)‘粉玉奴’ב红盘托金’的不亲和主要表现为母本的柱头识别作用和杂交胚的败育,即存在受精前后的双重障碍;(4)以‘紫凤羽’、‘粉玉奴’为母本、以‘凤丹’为父本的杂交组合表现出种间杂交完全不亲和,则主要是因为遗传距离较远,存在远缘杂交障碍。 本研究结果为高效开展芍药的定向杂交奠定了基础。‘紫凤羽’为母本杂交结实率高,是很好的杂交亲本;而‘粉玉奴’虽观赏性状优良,但是由于花粉败育且作为母本时杂交亲和性低,因此在不采取合理措施前提下不适宜作为杂交亲本。