不育紫薇花粉活力及柱头可授性研究

曾慧杰， 王晓明， 李永欣， 蔡 能， 乔中全， 许 欢

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林木无性系育种重点实验室， 湖南 长沙 410004)

不育紫薇花粉活力及柱头可授性研究

曾慧杰1,2， 王晓明1,2， 李永欣1,2， 蔡 能1,2， 乔中全1,2， 许 欢1

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林木无性系育种重点实验室， 湖南 长沙 410004)

以4年生“不育紫薇”和普通“可育紫薇”为研究对象，进行杂交育性分析，并利用液体培养法和荧光显微技术测定了两个紫薇品种的花粉活力和柱头可授性。结果表明：“不育紫薇”的花药表面较光滑湿润，难以释放花粉；花粉粒畸形，不能萌发，没有生活力；雌蕊的柱头对正常成熟的花粉有亲和力，具有可授性，但结实率仅4.0%。“不育紫薇”的不育性状由雄性不育和雌性不育共同作用所致。

紫薇； 不育； 花粉活力； 柱头可授性

紫薇(Lagerstroemiaindica)为千屈菜科紫薇属落叶灌木或小乔木，具有树姿优美、花期长、花色丰富等特点，是我国重要的夏季园林观花树种[1-4]。普通“可育紫薇”在花期会形成大量果实，消耗过多营养，影响后期花蕾的形成和生长，降低观赏价值。湖南省林业科学院培育出一种只开花、不结果的“不育紫薇”品种，其无果实生长过程，具有花期长、花色艳、花量大的特点。“不育紫薇”品种是极其珍稀的紫薇基因资源，开展其不育机理的研究具有重要意义。

本研究以4年生“不育紫薇”和普通“可育紫薇”为材料，通过杂交育种，对“不育紫薇”进行育性分析。利用液体培养法检测其花粉活力，运用荧光显微技术测定柱头的可授性，旨在探寻“不育紫薇”不结实的原因，为系统阐明其不育机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1 试验材料 湖南省林业科学院苗圃内4年生“不育紫薇”和“可育紫薇”。

1.1.2 试剂与仪器 OlympusBX51荧光显微镜、数码照相机、光学显微镜、电子天平、游标卡尺、冰箱、带凹槽培养皿、尖头镊子等。

H3BO3、CaCl2、苯胺蓝、蔗糖、蒸馏水；FAA固定液；脱色苯胺蓝染色液。

1.2试验方法

1.2.1 杂交育性研究

(1)杂交组合。将“不育紫薇”与“可育紫薇”分别自交和交叉杂交，形成“不育紫薇♂×不育紫薇♀”、“可育紫薇♂×可育紫薇♀”、“不育紫薇♂×可育紫薇♀”、“可育紫薇♂×不育紫薇♀”四个组合，分别统计杂交结实率。

(2) 杂交步骤。紫薇花蕾逐渐展开时间为早上05:30-07:00[5]。从05:30开始，选择将要开放的花蕾，去除花瓣和雄蕊，套袋；约07:30，柱头出现粘液，花药出现粉状颗粒，进行人工授粉，套袋保护。

1.2.2 花粉活力检测

(1) 培养液配制。设计不同蔗糖浓度(100、200、300 g/L)、不同硼酸浓度(30、80、150 mg/L)及不同氯化钙浓度(10、20、30 mg/L)的培养液[6]，开展L9(34)正交试验。

(2) 花药采集。上午07:00，采集两个品种紫薇的长花药[7]，室温下放置，备用。

(3)花粉培养。将培养液分别加入带凹槽的培养皿，将当天采集的花药分别加入到各培养皿中，搅拌释放花粉，去除花药，盖上盖玻片，室温下培养，每处理3次重复。

(4)花粉萌发。培养12 h后，用显微镜观察花粉粒形态以及萌发状况，计算萌发率，比较两个品种的花粉活力差异。

1.2.3 柱头可授性研究

(1) 授粉。早上05:30左右，将两个紫薇品种即将开放的花蕾去雄，套袋；约07:30，待花药开始散粉时，采集正常成熟的花粉，分别给“不育紫薇”和“可育紫薇”进行授粉，套袋保护。

(2) 固定。授粉4 h、8 h、12 h、24 h后，分别采集两个品种紫薇的雌蕊，每个时期采5朵花，用FAA固定液室温下固定24 h。

(3) 染色。将固定好的材料逐级复水，适当加热软化，然后放入脱色苯胺蓝染色液中，染色6 h。

(4) 观察。取出染色材料，流水冲洗，置载玻片上，用镊子撕去子房外壁和花柱外表皮，滴加45%中性甘油，盖片，压片，用OlympusBX51显微镜进行荧光(356 nm)观察[8-9]，比较成熟花粉在“可育紫薇”和“不育紫薇”柱头上的萌发情况。

2 结果与分析

2.1紫薇杂交育性分析

从杂交结果来看(见表1)，“可育紫薇”自交育性很强，结实率高达96.0%。“不育紫薇”自交不能结实，其花粉授在“可育紫薇”的柱头上，也不能正常萌发，由此推测“不育紫薇”可能存在花粉败育或授粉不亲和的问题。同时，将“可育紫薇”的花粉授给“不育紫薇”时，结实率也极低，仅4.0%，其原因或许是“不育紫薇”雌蕊的发育也出现了异常。以上问题，须通过检测花粉活力及显微切片分析，进一步探寻原因所在。

表1 紫薇杂交结实率Tab.1 SeedsettingrateofhybridizationinLagerstroemiaindica杂交组合授粉朵数结实数结实率(%)不育紫薇♂×不育紫薇♀5000.0可育紫薇♂×可育紫薇♀504896.0不育紫薇♂×可育紫薇♀5000.0可育紫薇♂×不育紫薇♀5024.0

2.2花粉活力检测

“可育紫薇”与“不育紫薇”花药的显微观察结果表明(见图1)，“可育紫薇”的花药较干燥，表面粗糙厚实，花粉呈黄色颗粒状，数量多；而“不育紫薇”的花药较湿润，表面光滑扁平，未开裂，无黄色颗粒状花粉。花药脱水开裂的过程是一个复杂的生理生化过程[10-13]，这可能是花药纤维层细胞结构异常，花药没有因失水而开裂，致使花粉粒难以释放。

花粉培养的正交试验结果表明(见表2)，在不同培养液下，“可育紫薇”花粉的萌发率有较大差异，从9.1%～56.8%。花粉培养液的三种主要成分蔗糖、硼酸和氯化钙对其萌发率影响的极差分别为24.7、21.9和1.0，表明蔗糖浓度和硼酸浓度对紫薇花粉的萌发有更大影响。而“不育紫薇”的花粉在不同培养液条件下都不萌发，与杂交育性分析的结果一致。

(a) 不育紫薇

(b) 可育紫薇

Fig.1AnthershapeofsterileandfertileLagerstroemiaindica

表2 花粉培养L9(34)正交试验结果Tab.2 TheresultoforthogonaltestofL9(34)试验处理ABC萌发率蔗糖浓度(g/L)硼酸浓度(mg/L)氯化钙浓度(mg/L)可育紫薇(%)不育紫薇(%)Y1100301022.20Y2100802029.20Y31001503045.70Y4200302034.00Y5200803036.40Y62001501056.80Y730030309.10Y8300801015.30Y93001502028.60k132.421.831.4k242.427.030.6k317.743.730.4极差24.721.91.0主优顺序A>B>C优组合A2B3C1 注:ki为同一水平萌发率平均值,i为正交试验因素的水平号

在液体培养下“可育紫薇”与“不育紫薇”的花粉呈现不同的形态(见图2)。“可育紫薇”花粉粒大多呈现圆球形，萌发有花粉管；而“不育紫薇”花粉粒呈不规则形状，为锥形、四面体形或为纺锤形。这也直观的证明“不育紫薇”花粉粒畸形，并且不能萌发，没有生活力。

(a) 不育紫薇

(b) 可育紫薇

Fig.2PollenshapeofsterileandfertileLagerstroemiaindica

2.3柱头可授性研究

将可育紫薇的花粉授予到两种紫薇的柱头上，显微切片后荧光观察显示：授粉4 h后，花粉粒在两种紫薇的柱头上均能萌发；8 h后，花粉管已穿过柱头，延伸入花柱内部；12 h后，花粉管都能够达到子房中上部(见图3)；24 h后，花粉管到达子房下部。这表明“不育紫薇”的柱头与“可育紫薇”的柱头一样，都对正常成熟的花粉具有亲和力，花粉粒能正常萌发，花粉管可生长至子房内。但杂交育性的试验结果又表明，“可育紫薇♂×不育紫薇♀”组合的杂交结实率仅4.0%。之所以出现这种现象，综上分析认为：“不育紫薇”的柱头在授粉后的发育过程中，柱头的可授性虽然正常，花粉管能深入子房，但可能存在两种紫薇雌雄配子异交不亲和，或者受精合子的发育过程存在障碍，致使果实不能正常形成，结实率极低。

图3 花粉在两个品种紫薇柱头的萌发

3 结论与讨论

本研究通过杂交分析了“不育紫薇”的育性，利用液体培养法检测了其花粉生活力，运用荧光显微技术测定了其柱头可授性。综合分析可知，“不育紫薇”的不育性状由“雄性不育”和“雌性不育”共同作用所致：

(1) “不育紫薇”的雄性不育。表现为花药不开裂和花粉败育： ① 花药不开裂可能是由于花药壁组织脱水异常引起，花药宽而扁平，表面光滑湿润，花药没有因失水而开裂，致使花粉粒难以散出； ②花粉败育表现为花粉粒呈现畸形，为不规则形状，如锥形、四面体形或纺锤形，不能萌发，无生活力。

(2) “不育紫薇”的雌性不育。其原因暂无法确定，从外部形态看来，不育紫薇的柱头和子房的形态正常，柱头具有可授性，授以正常成熟的花粉可以萌发花粉管进入子房内部，但不能正常结实。原因可能包括：“可育紫薇”的精细胞与“不育紫薇”的卵细胞存在异交不亲和[14]；或“不育紫薇”受精后自身基因调控异常、生理生化过程异常所致；或者“不育紫薇”子房形成后，胚囊发育异常所致[15-16]。

下一步要围绕花粉败育、合子的发育等问题，深入开展形态解剖学、生理生化学以及分子生物学研究，以期能系统阐明“不育紫薇”的不育机理，为紫薇乃至木本花木遗传育种提供有益借鉴。

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PollenviabilityandstigmareceptivityofthesterileLagerstroemiaindica

ZENG Huijie1,2, WANG Xiaoming1,2, LI Yongxin1,2, CAI Neng1,2, QIAO Zhongquan1,2， XU Huan1

(1.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2.Hunan Key Lab of Trees Clones Breeding Technology, Changsha 410004, China)

Using 4-year-old sterile and fertileLagerstroemiaindicaas the research materials, their seed setting rates were analyzed through hybridization method, and pollen viability were detected by liquid cultivation, stigma receptivity were measured by fluorescent microscopic technology. The results showed that, sterileLagerstroemiaindica’s anthers couldn’t release pollens and these pollens were aborted. Stigma receptivity was normal, but the seed setting rate was only 4.0%.Sterile character caused by the combination of male sterility and female infertility.

Lagerstroemiaindica; sterile; pollen viability; stigma receptivity

2016-07-31

湖南省科技计划重点项目(2014FJ2016)。

曾慧杰(1977-)，男，湖南省长沙市人，副研究员，主要从事林木遗传育种研究。

S 685.99

A

1003-5710(2016)05-0057-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2016. 05. 011

(文字编校：张 珉)