鸢尾属7个品种花粉活力及柱头可授性研究*

张全锋,尹新彦,贾红姗,储博彦,赵玉芬

(1.河北省林业科学研究院,河北 石家庄050061;2.河北省林木良种工程技术研究中心,河北 石家庄050061)

鸢尾属 (Iris L.)为鸢尾科 (Iridaceae)多年生草本植物,是科内最大的属,约有300种植物,中国有60余种,集中分布在西北部和北部,南部很少[1]。现在,全世界仅鸢尾的品种达到20 000余种[2],花色几乎囊括了除正红色以外所有的颜色和可以想象到的颜色组合,能形成良好的园林绿化景观。Dykes和Simonet将鸢尾属系统分为鳞茎类、块茎类、根茎类。根茎类鸢尾又分为饰冠鸢尾、有髯鸢尾和无髯鸢尾三大类[3],且不同类鸢尾花朵性状差异较大。近年来鸢尾的育种工作进展得很快,其中,杂交育种仍然是选育鸢尾新品种的主要手段之一[4]。

花粉活力的维持时间和柱头可授性的长短组合在一起,对异花传粉植物的传粉成功率起到很大影响[5-6]。目前,有关鸢尾属植物的花粉活力及柱头可授性的研究已有相关报道[7-10],但系统性不强,且不同品种的花粉活力和柱头可授性差异极大,其传粉机制更是千差万别。因此,本研究以7种鸢尾属植物为材料,通过测定开花后不同时间的花粉活力和检测其柱头可授性,探讨其传粉机制,以期提高其杂交效率,为中国鸢尾属植物的杂交育种工作提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以有髯鸢尾品种‘音箱'、‘紫褐'、‘平瓣粉'‘贵格少女',饰冠鸢尾原生种蓝蝴蝶,无髯鸢尾原生种黄菖蒲、马蔺共7个鸢尾品种为试验材料。自然生长条件下,7个鸢尾品种的单朵花期均为2d,于开花后32h花朵闭合并凋谢。选择第2d即将开放的花蕾,每品种标记30朵花,套袋,于次日7：00-17：00之间分别采集花后0h、2h、4h、6h、8h、24h、26h、28h、30h、32h的花粉与柱头进行试验。花粉用青霉素小瓶盛装,以脱脂棉或原带的橡胶盖封口,柱头用自封袋封装备用。

1.2 试验方法

1.2.1 花粉生活力观测

采用TTC染色法进行花粉活力观测。具体步骤为:取少量花粉于载玻片上,滴入1-2滴TTC染色液,用镊子搅拌均匀,盖上盖玻片,于35℃恒温箱静置30-35min。每份材料观察3个制片,每片取5个视野,在Motic BA300数码显微镜下观察,凡被染成红色或玫瑰红的记作有生活力的花粉,黄色或不着色者则为没有生活力的花粉,以花粉着色的百分率作为其活力指标。花粉活力 (%)=(红色花粉粒数/花粉粒总数)×100%。

1.2.2 柱头可授性检测

采用联苯胺-过氧化氢法进行柱头可授性检测。具体操作为,将柱头浸入联苯胺-过氧化氢反应液 (V1%联苯胺∶ V3%过氧化氢∶ V水=4∶11∶ 22)中,观察柱头周围是否变为蓝紫色并产生大量气泡。按照柱头变化,将其活性分为4个等级 (-为无反应,+为极少气泡或不明显变色,++为柱头变色明显或产生大量气泡,+++为柱头变为蓝紫色并产生大量气泡)。

1.3 数据处理

本试验数据用Excel进行表格记录与数据运算。用DPSv 7.05软件进行Duncans差异性比较,并运用欧氏距离和类平均法 (UPGMA)构建聚类树状图。

2 结果与分析

2.1 花粉生活力分析

从表1可知,7个品种间花粉活力变化差异显著。蓝蝴蝶花粉活力值最高,高于马蔺和黄菖蒲,但3者间差异不显著。‘紫褐'花粉活力值最低,低于‘平瓣粉'、‘贵格少女'和‘音箱',但差异不显著;显著地低于蓝蝴蝶、马蔺和黄菖蒲。

表1 各品种花粉活力统计表Tab.1 The pollen viability changes of 7 Iris cultivars

图1 各品种花粉活力变化Fig.1 The pollen viability changes of 7 Iris cultivars

从图1和图2可知,除‘贵格少女'外,6个鸢尾品种的花粉生活力均表现出先上升后下降的趋势,且下降速度均较快。蓝蝴蝶、黄菖蒲花粉活力在开花后2h达到最大值,最高花粉活力分别为88.12%、91.19%;马蔺则是在开花后4h达到最大值92.34%;‘音箱'、‘紫褐'和‘平瓣粉'在开花后6h达到最大值,分别为62.80%、34.97%、65.91%。蓝蝴蝶、黄菖蒲、‘音箱'的花粉活力可维持32h,分别降到22.98%、7.88%、11.32%;马蔺、‘平瓣粉'可维持30h,分别降到12.35%、0.63%;而‘紫褐'仅能维持26h,降到6.34%;‘贵格少女'开花后2h花粉即散尽。‘紫褐'花粉粒大小不一,花粉活力最大值仅为34.97%,这可能是导致‘紫褐'自花授粉、异花授粉均不结实的原因之一。因此,以花粉活力为34.97%为低线,若要采集鸢尾花粉用于杂交或贮藏,‘贵格少女'应在花后2h内采集,‘平瓣粉'和‘音箱'分别应在花后24h和26h内进行,而蓝蝴蝶、黄菖蒲、马蔺则应在花后28h内为宜。

图2 开花后6h各品种花粉染色显微结构 (10倍镜)Fig.2 Pollen morphology of 6h after flowering(10-fold)

2.2 柱头可授性分析

从表2和图3可以看出,7个鸢尾品种的柱头可授性均表现出先上升后下降的趋势。除马蔺外,花朵开放后柱头即具有可授性;除‘贵格少女'外,开花后32h内柱头均具有可授性。‘贵格少女'于开花后4-6h柱头可授性达到最大,‘紫褐'于开花后6h,‘音箱'、‘平瓣粉'于开花后6-8h,蓝蝴蝶、马蔺于开花后4-24h,黄菖蒲于开花后4-26h均保持较高可授性。可见,7个鸢尾品种于开花后4-24h均保持较高的柱头可授性,均可进行人工授粉。因此,为提高杂交成功率,可在开花后24h内进行重复授粉。

表2 各品种柱头可授性情况Tab.2 The stigma receptivity changes of 7 Iris cultivars

图3 开花后6h各品种柱头可授性检测Fig.3 Stigma receptivity of 6h after flowering

2.3 聚类分析

从图4的7个鸢尾品种的花粉与柱头聚类分析结果可知,在欧式距离D2=2.68处,7个鸢尾品种可分为两大类,第一类包括‘音箱'、‘平瓣粉'、‘贵格少女'和‘紫褐'4个品种,按相似度依次为‘音箱'、‘平瓣粉'、‘贵格少女'和‘紫褐'。第二类包括黄菖蒲、马蔺和蓝蝴蝶3个品种,在D2=1.34处,此3个品种又分为2类,蓝蝴蝶为一类,黄菖蒲、马蔺为一类,按相似度依次为黄菖蒲、马蔺、蓝蝴蝶。此聚类结果与这7个鸢尾品种的植物学分类特性基本吻合。‘音箱'、‘平瓣粉'、‘贵格少女'和‘紫褐'均属于有髯鸢尾类群,‘音箱'和‘平瓣粉'属于矮生有髯鸢尾,欧式距离为1.47;‘贵格少女'属于高生有髯鸢尾,与‘音箱'、‘平瓣粉'的欧式距离为2.24;‘紫褐'则属于中生有髯鸢尾,与‘音箱'、‘平瓣粉'和‘贵格少女'的欧式距离为2.59。黄菖蒲和马蔺属于无髯鸢尾类群,欧式距离为1.03。蓝蝴蝶属于饰冠鸢尾类群,与黄菖蒲、马蔺的欧式距离为1.91。

图4 7个鸢尾品种花粉和柱头的UPGMA聚类分析图Fig.4 UPGMA of pollen morphology and stigma of 7 Iris cultivars

3 结论与讨论

自然生长条件下,7个鸢尾品种的单朵花期均为2d,于开花后32h花朵闭合并凋谢。从花粉活力和柱头可授性可以看出,7个鸢尾品种花粉活力最高期比柱头可授性的最高期要提前,在时间上并不吻合。即,7个鸢尾品种雌蕊比雄蕊成熟的时间要晚很多,再加上花粉活力维持时间较短,使其自花传粉在时间上形成了生殖隔离,这与白花马蔺(I.lactea)等[11]、中亚鸢尾 (I.bloudowii)[12]和溪荪 (I.sanguinea)[8]等的研究结果相似。可以推测,雌雄蕊不同熟是导致部分鸢尾属植物自花不结实的重要原因之一,由于鸢尾属植物自花传粉存在障碍,作为一种生殖补偿机制,鸢尾大多花朵硕大,花色艳丽,气味芬芳,从而吸引大量的传粉昆虫,因此,鸢尾属植物都是高度发达的虫媒花[1]。

形态学特性研究是遗传多样性研究最常用的手段之一,通过比较不同材料之间的形态特征,可以直观反映出其遗传差异[13-14]。本研究中7个鸢尾品种的花粉与柱头聚类分析结果表明,在欧式距离D2=2.68处,7个鸢尾品种可分为两大类,第一类包括4个品种,第二类包括3个品种,此聚类结果与7个鸢尾品种的植物学分类特性基本吻合。‘音箱'、‘平瓣粉'、‘贵格少女'和‘紫褐'属于有髯鸢尾类群,‘音箱'和‘平瓣粉'属于矮生有髯鸢尾,‘贵格少女'为高生有髯鸢尾,‘紫褐'则是中生有髯鸢尾,‘音箱'、‘平瓣粉'和‘贵格少女'可少量自花结实,‘紫褐'则自花不实;黄菖蒲和马蔺属于无髯鸢尾类群,自花结实率较高;蓝蝴蝶属于饰冠鸢尾类群,自花结实率通常低于黄菖蒲、马蔺,但高于‘音箱'、‘平瓣粉'和‘贵格少女'。可见,鸢尾的花粉与柱头特性可在一定程度上反映其遗传差异的大小和亲缘关系的远近。因此,花粉与柱头的聚类分析可作为研究鸢尾属植物遗传特性的重要工具之一,为其品种杂交提供初步的数据分析。另外,关于鸢尾属植物形态学的聚类分析目前还未见报道,今后的相关工作可将此内容作为研究重点之一。