三种皮燕麦的花部特征及繁育系统初探

闫秋洁，张先慧,张 会,何如帜,黄正琴,张雯露,吕紫琴,胡 健

( 1. 绵阳师范学院生命科学与技术学院，四川绵阳 621006；2. 甘肃普瑞拓生态农业科技有限公司，甘肃山丹 734100； 3. 西南民族大学青藏高原研究院，四川成都 610000)

0 引言

皮燕麦作为我国重要的营养谷物之一，其籽实和干草含有丰富的蛋白质和维生素，既可作粮食作物种植，又可以作为饲草种植.我国皮燕麦主要分布于青藏高原及周边地区，干旱缺水的环境造就了其抗旱能力强、适应性好的优点[1].但同时，皮燕麦产量低、品质差等问题影响着燕麦的实际生产.为提高和促进高原地区优质燕麦的生产，亟需开发和选育新品种.优良种质有利于天然草原植被恢复与建设、草地沙化治理等生态建设工程的实施和草食畜牧业发展.

繁育系统是指所有影响后代遗传特性组成的有性特征的总和，其研究内容主要有花部综合特征、传粉、受精、种子数、结实率、自交亲和度及交配系统等[2].花作为植物的生殖器官，其外部形态结构及内部器官发育与其传粉机制相适应[3].花粉的传递以大量的花粉、传粉媒介和具有可授性的柱头为基础[4-5].传粉作为植物有性繁殖的初步阶段，具有重要意义，而交配系统也是植物有性繁殖不可或缺的组成部分[6].花粉活力的大小与柱头可授性的强弱，深刻地影响着植物授粉的成功率[7].因此，在杂交育种过程中，对花粉活力和柱头可授性的测定非常必要.

目前关于植物繁育系统的研究大多集中在珍稀濒危植物的保护性繁育[8-11]，观赏性经济植物的培育研究等方面[12-15]，而关于燕麦的研究少见报道.本研究以川西北地区常见的燕麦品种“骏马”、 “加燕2号”和“青海444”为对象，研究其花部特征，分析其繁育系统，评价合理的杂交组合，为燕麦的育种工作提供理论基础和参考，也为进一步研究川西北地区燕麦属植物的有性繁殖特性积累资料.

1 材料与方法

1.1 材料

本次实验品种主要为“骏马”，另有用作杂交的两个品种，分别是“加燕2号”和“青海444”.田间实验于2019年5-9月在绵阳师范学院生命科学与技术学院人工气候室试验田进行，田间材料为试验田中长势一致、健壮无病虫害的3个品种的燕麦.

1.2 方法

1.2.1 花部特征及开花动态的观察 观察试验田燕麦的整体长势、单株燕麦生长情况，抽穗后连续观察其开花动态.主要观察三个时期[16]，始花期：试验田中有5%以下的燕麦开花的时期；盛花期：试验田中有50%以上的燕麦开花的时期；谢花期：花朵凋谢，少于5%的燕麦在开花的时期；在燕麦小花完全开放时，剪下燕麦的整穗，观察测量其花部特征、子房结构等.

1.2.2 花粉活力的测定 采用TTC法[17]：将花药中的花粉撒在载玻片上，加一滴0.5%TTC溶液，轻轻搅动使之混匀后盖上盖玻片，置于25 ℃恒温箱中，染色1.5 h后镜检.若花粉被染成红色或深红色则说明该花粉活力较强，呈淡红或无色则表示花粉活力很弱或无活力.花粉活力=(被染成红色的花粉数目/花粉粒总数)×100%[18].

1.2.3 柱头可授性 采用联苯胺-过氧化氢法测定柱头可授性[19].分别在同一天内8:30，11:30，14:30，17:30采集燕麦花朵柱头，将采集好的柱头置于凹槽载玻片上，滴加联苯胺-过氧化氢反应液，在显微镜下观察并拍照记录.若柱头具有可授性则反应液呈蓝色并有大量气泡产生，根据气泡的多少判断柱头可授性的强弱[19]: (1) “+++”表示柱头可授性强，柱头至少2/3部位呈现蓝色并有大量气泡出现；(2)“++”表示柱头可授性较强，柱头至少2/3部位呈现蓝色并有较多气泡出现，但比“+++”的少；(3)“+”表示柱头具有可授性，柱头可授性弱，气泡数低于“++”，蓝色不太明显；(4)“+/-”表示部分柱头具有可授性；(5)“-”表示柱头不具有可授性.

1.2.4 杂交指数(OCI)的检测 根据Dafni的标准对燕麦单花直径等进行测量[20]，观察柱头与花药在空间上的相对位置以及它们是否接触，从而计算出杂交指数并判断繁育系统类型.

1.2.5 杂交实验 人工授粉实验于3个品种的盛花期进行，挑选生长健壮的主穗进行实验.授粉时的温度为29 ℃.实验采用剪颖法进行燕麦的杂交，包括选株、整序去雄、雄穗的准备及套袋、授粉四个步骤[21].将“骏马”分别作为父本和母本，与“青海444”、 “加燕2号”进行杂交实验并统计结籽率.杂交组合分别是骏马(父本)×加燕2号(母本)，加燕2号(父本)×骏马(母本)，骏马(父本)×青海444(母本)，青海444(父本)×骏马(母本).

1.3 数据分析

采用SPSS16.0统计软件进行统计分析，采用 One-way ANOVA 进行单因素方差分析，Duncan 氏法进行多重比较，显著性水平设为0.05和0.01.所得结果均表示为平均数±标准差.用Excel 2013 作图.

2 结果与分析

2.1 花部特征及开花动态

观测结果表明，“骏马”花期为6月中旬-7月上旬， 6月下旬进入盛花期，整个花期为16 d；“加燕2号”花期为6月下旬-7月中旬，盛花期是7月上旬，花期长20 d；“青海444”花期为6月中旬-7月初，盛花期是6月下旬，花期长17 d.

如图1所示，“骏马”燕麦为圆锥花序，整穗上常有5～6个小穗，且均为有柄小穗，小穗基部着生1～2粒燕麦，其中有一粒饱满.小穗轴着生一粒小穗，小穗柄长在2～22 mm不等；具有颖片，且颖片具芒，颖片脉数多为8；具有稃片，内稃2片，外稃2片.每个小穗有两朵内生小花，单花直径约 3mm，雄蕊数为3～4个，花丝平均长度约为7 mm左右，开花时花丝伸长花药裸露于颖外.子房有毛，子房一室，一胚珠，柱头二分叉，呈羽毛状，长为2～3.5 mm.

“加燕2号”和“青海444”的花部特征与“骏马”的花部特征极为相似，区别在于“加燕2号”整穗上常有8个小穗，小穗基部着生1～6粒燕麦不等，其中常有3粒饱满，而“青海444”整穗上常有5～6个小穗，小穗基部着生1～6个籽粒，其中常有2粒饱满.

图1 “骏马”的花部特征Fig.1 Floral Syndrome of the Oat Variety "Junma"A “骏马”小穗特征；B “骏马”子房纵剖

2.2 花粉活力

花粉活力在1 d内不同时间段具有不同的变化(表1).由图中可看出，骏马的花粉活力表现为逐渐上升的趋势，加燕2号的花粉活力趋势与骏马相反，呈现逐渐下降的趋势，而青海444则呈现中午时段偏高的单峰曲线趋势，骏马在下午17∶30左右其花粉活力最强，达62.94%，与其他三个时间段花粉活力差异极显著(P<0.01).加燕2号在上午8：30时花粉活力最强，为60.81%，其余时间段花粉活力差异不显著(P>0.05).青海444则是在中午11∶30左右花粉活力最强，可达91.36%.综上可知，骏马的授粉最佳时期为下午17∶30左右，加燕2号最佳授粉时期为上午8∶30，青海444最佳授粉时间是中午11∶30左右.

2.3 柱头可授性

在8∶30，11∶30，14∶30和17∶30时，三个燕麦品种的柱头可授性有明显变化(表2).加燕2号的柱头可授性在8∶30-11∶30的时间段最强，随着花开放时间的延长，柱头可授性逐渐减弱.骏马的柱头可授性在14∶30-17∶30的时间段较强(图2).青海444的柱头可授性在11∶30-14∶30的时间段最强.

图2 不同时间段燕麦品种骏马的柱头可授性Fig.2 Stigma Receptivity of Oat Variety "Junma" in Different Time Periods

2.4 杂交指数

从骏马、加燕2号和青海444的杂交指数中可以看出(表3)，骏马的单花花朵直径为 3 mm，记为2.花药开裂时间与柱头可授性时间不一致，雌蕊先熟，记为0.柱头和花药近等高，记为 0.总计骏马的杂交指数为 2.同理，加燕2号和青海444的杂交指数也为 2.按照 Dafni[20]的评价标准可知三种燕麦的繁育系统均为兼性自交型.

表3 三个燕麦品种的杂交指数(OCI)Tab.3 Overcrossing Index (OCI) of Three Oat Varieties

2.5 杂交实验

根据花粉活力与柱头可授性分析，以骏马为母本的最佳授粉时间是下午17∶30左右，这个时间点青海444的花粉活力最强，以其作为父本进行杂交的组合成功的可能性更高；同理，以加燕2号为母本的最佳授粉时间是上午8∶30左右，这个时间点骏马作为父本的花粉活力最强；以青海444为母本的最佳授粉时间是中午11:30左右，这个时间点加燕2号作为父本的花粉活力最强.故后续重点观测杂交组(♀×♂)骏马×青海444、加燕2号×骏马、青海444×加燕2号的实验结果.由表可知，杂交组合加燕2号×骏马的坐果率为1.39%，其他杂交组的坐果率均为0.

3 讨论

植物的繁育器官对植物的交配系统有重要影响.花的形态特征、花期长短、柱头形状等因素在植物的繁殖过程中占有重要地位.皮燕麦的花期一般在11～22 d[22]，本实验观察骏马的花期为16 d，青海444的花期为17 d，加燕2号的花期最长，为20 d，三种燕麦的花期均比野燕麦的花期24 d为短[18]，但却较“哈尔满”、“永久122”花期13 d为长[23].花期长有利于燕麦进行生殖繁育.加燕2号生育期较骏马和青海444长，说明做母本较好，加燕2号与骏马的杂交率相对较好说明了这一点.

骏马的柱头二分叉，呈羽毛状，这也是多数禾本科植物柱头的特点[24].这样的柱头有利于黏着空气中的花粉，能借助柱头伸长过程中散布的花粉进行同花序自花授粉.花粉活力代表了雄配子体在花粉管中的生长能力，花粉活力越强，授粉成功的可能性越高.柱头可授性能在很大程度上影响自花传粉率和开花不同阶段的传粉成功率.只有植物花粉活力和柱头可授性同步时才有成功受精的机会[25].有研究表明，一天内不同时间段，花粉活力和柱头可授性强弱可能不同，适合授粉的时间也就不同[25-26].本次实验发现骏马在下午的花粉活力强，柱头可授性强；加燕2号上午时段花粉活力和柱头可授性强，青海444则是中午时段的花粉活力和柱头可授性较强.说明不同燕麦品种适合杂交的时间不同，这可能与不同时间段的温度有关.

在自然界中，并不是所有的花都能授粉成功并结实，植物能否授粉成功影响其坐果率的高低，导致植物坐果率低有很多因素，如花粉限制、资源限制等等[27].重楼属多叶重楼等7种植物的柱头可授性和花粉活力呈正相关关系，在自然界中存活率高，而其中卷瓣重楼柱头可授性和花粉较强期不重叠，是导致其濒危的重要原因之一[28].本实验中，三个组合坐果率低甚至没有坐果率，可能是由于加燕2号与骏马和青海444的盛花期相差了7～8 d，花期不遇导致在人工授粉实验时，加燕2号花粉活力和柱头可授性均较低，使得难以成功授粉，从而影响了坐果率.而当骏马柱头可授性高时，青海444的花粉活力却相对较低，从而导致以骏马为母本，青海444为父本的这一组合授粉不易成功，坐果率低.

综上所述，本实验的三种皮燕麦，杂交指数(OCI)均为2，繁育系统类型为兼性自交型.三个品种的花期不同，但在不同的时间条件下，花粉活力强时，柱头可授性也都较强.实验的杂交组合中，以加燕2号为母本，骏马为父本的杂交组合最优.说明为保证较好的杂交育种效果，应选择花粉活力强，柱头可授性强，且活性表现时间一致的燕麦品种作为亲本材料.此外，不同燕麦花粉活力和柱头可授性表现较强时的时间段不同，但温度可能相似(如8∶30和17∶30的自然温度较为接近).因此，尚需确定不同温度对花粉活力和柱头可授性的影响，以望为大田生产中，按照温度的影响来进行育种选种及栽培配置，以及新品种的推广提供参考.