甘蔗開花生物學特性及花粉活力研究

常海龍++胡后祥++張偉++陳俊呂++邱永生++周峰++張垂明++吳其衛++吳建濤++劉壯++許環映++王勤南

摘 要 在溫室內觀察甘蔗開花動態，用TTC法測定甘蔗花粉活力，聯苯胺-過氧化氫法測定柱頭可授性。結果表明：花穗上小蠡花開放順序，一般是自上而下，由外至內；ROC22和科五花粉活力于開花第1 天達到80%以上，第2 天有小幅度上升，之后迅速降低，第7 天僅采到少許花粉，但活力仍在32%左右。甘蔗雌蕊柱頭開花前1天具有可授性，自交授粉后的1～2 d內保持強可授性，之后柱頭迅速變黑枯萎；未授粉柱頭花開后的9 d內一直保持靚麗的艷紅色，具強可授性。柱頭可授性的最佳時期為開花后第1～9 天，甘蔗的最佳授粉期為母本開花2 d后再授以父本花粉，4 d內即可完成雜交過程。

關鍵詞 開花動態 ；花粉活力 ；柱頭可授性 ；雜交授粉

中圖分類號 S566.1 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.04.002

Flowering Phenology and Pollen Activity of Sugarcane

CHANG Hailong1，2） HU Houxiang1，2） ZHANG Wei1，2） CHEN Junlv1，2）

QIU Yongsheng1，2） ZHOU Feng1，2） ZHANG Chuiming1，2） WU Qiwei1，2）

WU Jiantao1，2） LIU Zhuang1，2） XU Huanying1，2） WANG Qinnan1，2）

（1 Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of

Sugarcane Improvement & Biorefinery， Guangzhou， Guangdong 510316；

2 Guangdong Scientific Observation Station of Sugarcane Germplasm Resources and

Their Utilization， Ministry of Agriculture， Sanya， Hainan 572025）

Abstract The sugarcane flowering dynamics was observed in a greenhouse. Sugarcane stigma receptivity was tested by using the benzidine-hydrogen peroxide method， and sugarcane pollen activity was measured by using 2，3，5 triphenyl tetrazolium chloride （TTC） test. The results showed that the tiny flowers on an inflorescence generally bloom from the top to the bottom and from the outside to the inside. The pollen activity of sugarcane varieties ROC22 and Kewu was observed to be over 80% at the first day of flowering， rose modestly at the second day and then fell rapidly. Only a little pollen was collected at the seventh day， but the pollen activity was still around 32%. The stigma of sugarcane pistil had receptivity prior to the first day of flowering， its receptivity was high within the first two days after self-pollination， and then the stigma pollinated rapidly turned black and withered. The non-pollinated stigma was bright red with strong receptivity within the first 9 days after flowering. The best time for the receptivity of stigma was from the first day to the 9th day after flowering. It was best to pollinate the sugarcane female parent with pollen of the male parent after 2 days of flowing of the female parent， and the hybridization process was completed in 4 days.

Keywords flowering dynamics ； pollen activity ； stigma receptivity ； hybrid pollination

目前，利用雜種優勢、有性雜交選育仍是甘蔗育種的主要方式[1]。海南甘蔗育種場作為全國甘蔗花穗雜交制種基地，每年承擔的花穗雜交任務在2 000個組合左右，能完成雜交授粉的僅有1 500個組合，而其中500個組合因花穗結實率太低或不結實達不到種子生產要求，嚴重浪費勞動力[2-3]。因此，研究甘蔗有性生殖的整個過程，提高甘蔗花穗結實率是甘蔗雜交育種的一個重點。

在甘蔗雜交授粉過程中，一般都對選定的父母本進行人工異花授粉，甘蔗花粉必須在具有活力時到達適宜的接受柱頭才能完成傳粉過程，能夠接受花粉的適宜柱頭即處于柱頭可授期[4-5]。花粉保持活力的時間長短和柱頭可授期的長短組合在一起，深刻影響著甘蔗授粉成功率、花穗結實率等。因此，甘蔗花粉和柱頭的形態結構、花粉的活力與壽命以及柱頭的可授性等便成為關注的重點。在國內外，關于植物的花粉活力和柱頭形態變化、可授性變化等已有很多研究[6-10]，但關于甘蔗生殖特性的研究則未見報道。本試驗主要針對甘蔗開花的生物學特性、花粉活力及其柱頭可授性等方面開展研究，探討其雜交成功的基礎，為揭示該物種的生殖特性及提高結實率提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

2015年11月至2016年1月，以海南甘蔗育種場親本圃內種植的ROC22、科五（有花粉）、粵糖92-1287（無花粉）作為試驗材料。

1.2 方法

甘蔗花為頂生的大型圓錐花序，一個花穗上有小穗8 000～15 000個，每個小穗內含有1個子房，2個柱頭，3～4個花藥，為雌雄同花。因小穗極小，難以人工去雄，本研究中花粉活力檢測及柱頭可授性試驗分別采用2個不同品種。試驗前1天，選取長勢一致、包莖長根且第2天可開花的ROC22、科五、粵92-1287 3個品種各3株，靠發根底部整齊砍斷，帶回溫室大棚將其養植于充氧的水槽中，每株單獨存放于專用雜交單元格中以防其雜交串粉。

1.2.1 開花生物學特性觀察

試驗于2015年12月1日開始，于每天上午8：00進行連續采樣和觀察，并在體式顯微鏡下拍照記錄。第1天采樣前將無花粉的粵糖92-1287、有花粉的ROC22兩品種花穗下部未開花和頂部發育不良的1/5處去掉，僅保留穗中部開花小穗。每次分別隨機抽取10個甘蔗小穗，在體式顯微鏡下用手術鑷子小心剝去外穎殼后觀察子房及柱頭形態、顏色，并用圖片形式記錄比較。

1.2.2 花粉活力測定

花粉活力采用TTC檢測法。從甘蔗花穗散粉的第1天開始，分別在每天上午的8：00采集ROC22、科五新鮮花粉，用鑷子撒置于載玻片中央，同時滴1～2滴0.5%TTC（2，3，5-uiphenyl tetrazolium chloride）溶液于花粉樣品中，充分混勻，蓋上蓋玻片，置于濕潤培養皿中，于37℃的水浴鍋中放置20 min；在40倍光學顯微鏡下觀察，每品種觀察3個載玻片，每片取6個不重疊視野，每個視野花粉總數不少于100個。若花粉變紅則表明有活力，若紅色很淺或無變化則表明為無活力。統計全部花粉中紅色花粉所占比例。

花粉活力=紅色花粉/觀察花粉總數×100%

1.2.3 柱頭可授性測定

用聯苯胺-過氧化氫法測定柱頭可授性。將開花后不同天數的ROC22、粵糖92-1287兩品種的柱頭完全浸泡在聯苯胺-過氧化氫反應液中（1%聯苯胺∶3%過氧化氫∶水=4∶11∶22，V∶V）放置黑暗環境下25 min[若柱頭具有可授性（呈現出過氧化氫酶活力），則柱頭周圍的反應液呈現藍色并有大量的氣泡出現]；放置在10倍體式顯微鏡下觀察柱頭染色部位。將至少2/3部位呈現藍色并伴有大量氣泡出現的柱頭算作具有可授性，否則認為沒有可授性；根據氣泡多少判斷柱頭可授性的相對強弱：（1）“+++”表示柱頭可授性強，柱頭至少2/3部位呈現藍色并伴有大量氣泡出現；（2）“++”表示柱頭可授性較強，柱頭至少2/3部位呈現藍色并伴有較多氣泡出現；（3）“+”表示柱頭具有可授性，柱頭可授性弱，柱頭呈淡藍色或不明顯，周圍僅有幾個小氣泡；（4）“+/-”表示部分柱頭具有可授性；（5）“-”表示柱頭不具有可授性。

2 結果與分析

2.1 甘蔗開花生物學特性

2.1.1 甘蔗開花動態

甘蔗抽穗后，通常經3～7 d即開花。一個花穗上小蠡花開花順序，一般是自上而下，由外至內；成對小穗花的開放，一般是有柄小穗花先開，無柄小穗花后開，7 d內整株花穗開放完畢。小花中鱗片吸水膨脹產生膨壓促使穎片張開，花絲在開花時迅速伸長，花藥吐出，羽狀柱頭露出。花藥開裂通常遲于小花開放，開花后鱗片水分散失，花絲萎縮，穎片閉合，但柱頭及花藥仍露于穎外。一個小穗由穎片開放到閉合平均約需2 h。

2.1.2 甘蔗雌蕊動態變化

通過對自身有花粉的ROC22及雄性不育的粵糖92-1287雌蕊整個開花期的動態變化跟蹤調查發現，2品種甘蔗雌蕊開花前2～3 d內羽狀柱頭未露出穎殼時為白色，慢慢變為局部粉色，子房相對于柱頭較小，呈橢圓形。開花前1天紅色逐漸加深，變為深紅色，富有光澤，柱頭緊實而不蓬松，子房亮麗。開花當天，柱頭形態伸展，羽狀鱗片蓬松，顏色艷紅。自身含有花粉的ROC22柱頭開花當天8：00即進行自花授粉，柱頭沾滿花粉（圖1）。柱頭授粉后，隨后的2～5 d內，柱頭的顏色逐漸加深，由原先的深紅色變為紅黑色，最后變成黑色，柱頭失去光澤，干枯。開花后第4 天，子房發育膨脹，外觀形態拉伸變長，呈現出快速發育趨勢；第7天，子房發育到原來體積的2倍，柱頭與子房連接的部位變細，顏色變褐即將脫落。粵糖92-1287雌蕊開花后1～4 d，因柱頭未授粉，顏色一直保持鮮紅色，富有光澤，柱頭變化不明顯，子房不膨脹，顏色漸深（圖2）；5～7 d，羽狀柱頭蓬松，光澤減少，整個柱頭顏色變淡，子房發黃暗淡；自第8天開始，柱頭頂端開始褪色； 9 d時子房出現萎縮，柱頭頂部紅色褪去明顯，白色區域逐步擴大；13 d時柱頭雖仍有部分較鮮艷，但子房基本消失，無雜交授粉結實可能。

2.2 甘蔗花粉活力檢測

通過TTC染色后觀察花粉活力，結果如圖3所示。甘蔗采回溫室后，第1天花粉活力可達到80%～90%；隨著開花時間延長，花粉活力有小幅度上升，第2天活力最高，2品種花粉活力增幅達6%以上，其中科五花粉活力達到92%以上；第3天起花粉活力急速降低，至第7天花粉存活率僅為32%左右，且2品種所采集到的花粉極少，已經不再適合做雜交親本。

2.3 甘蔗柱頭可授性

通過聯苯胺-過氧化氫法測定柱頭可授性可知，甘蔗在開花前3～2 d內，羽狀柱頭顏色沒有變紅之前沒有可授性，開花前1天柱頭已具備強可授性。ROC22在開花當天柱頭即沾滿花粉，在1 ～2 d內仍具有強可授性，至第3 天柱頭可授性急劇減弱，第5 天柱頭局部發黑，過氧化氫酶活力降低，已經不具有可授性（表1，圖4）。粵糖92-1287柱頭一直未有授粉，在開花前1天（-1 d）直至開花后第9天，均具有強可授性；開花后第10～12 天柱頭仍具有可授性，第13 天開始僅有部分柱頭具可授性（表1，圖5）

3 討論與結論

甘蔗開花習性易受環境因素影響，不但品種間差異大，而且同一品種年際間的變化也可能很大[11-13]。同時，由于不同材料的花期長短、開花抽穗特點也不同，因此在制定雜交計劃時應對相關材料的開花生物學特性有所了解，以提高雜交計劃的完成率。甘蔗親本材料花穗的開花特點分為：邊抽邊開型、先抽后開型和前期先抽后開、后期邊抽邊開型[14]。本研究選用的3種材料都為先抽后開型，開花集中，柱頭艷麗，羽狀柱頭極易沾染花粉。若本身花粉發育正常，開花1 h內柱頭即可完成自交授粉；3 d后子房迅速發育膨脹，柱頭由艷麗的深紅色迅速變為黑色，并逐漸脫落；授粉7 d后子房即發育到原體積2倍大。若小穗開放后柱頭一直未授粉，在9 d內柱頭一直保持艷麗的深紅色，羽狀鱗片舒展蓬松，不但增加了授粉概率且對傳媒小動物極具吸引性，這一生物學特性在一定意義上提高了甘蔗花穗授粉率。雜交授粉一般可在一周內完成，這類品系無論作母本或作父本，花穗的用量都是比較經濟的。

植物花粉的活力與壽命受遺傳因素和環境條件的影響較大，果樹類花粉壽命可維持數月至一年以上[15-17]，低溫干燥條件下可極大延長雙核花粉的生活力，而三核花粉則以高濕度為好[18]。栽培芍藥花粉壽命為7 d，野生芍藥植物的花粉活力比栽培品種壽命長，一般為15 d[19]；花粉活力及其下降快慢隨生境不同而有所差異，錦帶花的花粉活力在70%以上能維持3 d，之后明顯下降，但至花朵枯萎時，仍有少量花粉具有活力[20]。本研究是在溫室內進行，為保持甘蔗花穗正常生長狀態，每隔6 h都會對其進行噴淋增濕，2品種花穗每天都會有部分小穗開放，早晨7：30左右花藥逐漸開裂，開始散粉。經TTC檢測表明，2品種開花后第1 天收集的花粉活力都達到80%以上；第2 天花粉活力略有提高，之后迅速降低，至第7 天花粉活力降低至30%左右。科五花粉活力一直高于ROC22花粉，這應該為基因因素影響。開花初期前1～2 d內散粉最多，之后逐漸減少，第7天采集到的花粉極少，已經不再適合作花穗雜交使用。從本研究結果可推測，甘蔗花穗雜交適宜時間為開花后的前4 d內，且以第1～2天內效果最好。

柱頭可授期是花朵成熟過程中的一個重要時期，其可授期長短直接影響花穗授粉結實[21]。不同植物的柱頭可授期因物種和品種的差異而有所不同，榴蓮花的柱頭僅在開花前幾個小時內具有可授性[22]，水稻、棉花的可授期可保持1～2 d，油菜為開花后1～3 d，第4 天生活力下降，約6 d失去作用[23]，歐榛如柱頭未授粉，可授性可保持3個月長[24]。本研究中，甘蔗柱頭可授期長達13 d，開花前1 天（-1 d）至第9 天（9 d）內柱頭都具有強的可授性；柱頭授粉后，2 d內都具有強可授性，之后活力迅速降低，羽狀柱頭顏色變暗，逐漸呈黑色，柱頭萎蔫脫落。柱頭的顏色變化和可授性有一定的相關性，隨著開花授粉過程的進行，柱頭顏色由白色到鮮紅色再到暗黑色；若柱頭從開花當天一直未有授粉，且柱頭顏色由未開時的白色至艷紅色再逐漸褪至白色，則柱頭可授性相應的從弱到強再到喪失。

根據上述試驗可知，甘蔗柱頭最佳授粉期在開花后9 d內，花粉活力較高時期是開花后的4 d內。利用其這一特點，可以待母本花穗開放2 d后，整穗小花開放至1/3處時，再集中放置父本花穗中進行雜交，4 d內即可完成雜交過程，中間不用重復替換父本，不但節省父本花穗用量，且極大地提高花穗雜交效率。

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