三種皮燕麥的花部特征及繁育系統(tǒng)初探

閆秋潔，張先慧,張 會(huì),何如幟,黃正琴,張?chǎng)┞?呂紫琴,胡 健

( 1. 綿陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621006；2. 甘肅普瑞拓生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，甘肅山丹 734100； 3. 西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川成都 610000)

0 引言

皮燕麥作為我國(guó)重要的營(yíng)養(yǎng)谷物之一，其籽實(shí)和干草含有豐富的蛋白質(zhì)和維生素，既可作糧食作物種植，又可以作為飼草種植.我國(guó)皮燕麥主要分布于青藏高原及周邊地區(qū)，干旱缺水的環(huán)境造就了其抗旱能力強(qiáng)、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)[1].但同時(shí)，皮燕麥產(chǎn)量低、品質(zhì)差等問題影響著燕麥的實(shí)際生產(chǎn).為提高和促進(jìn)高原地區(qū)優(yōu)質(zhì)燕麥的生產(chǎn)，亟需開發(fā)和選育新品種.優(yōu)良種質(zhì)有利于天然草原植被恢復(fù)與建設(shè)、草地沙化治理等生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施和草食畜牧業(yè)發(fā)展.

繁育系統(tǒng)是指所有影響后代遺傳特性組成的有性特征的總和，其研究?jī)?nèi)容主要有花部綜合特征、傳粉、受精、種子數(shù)、結(jié)實(shí)率、自交親和度及交配系統(tǒng)等[2].花作為植物的生殖器官，其外部形態(tài)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部器官發(fā)育與其傳粉機(jī)制相適應(yīng)[3].花粉的傳遞以大量的花粉、傳粉媒介和具有可授性的柱頭為基礎(chǔ)[4-5].傳粉作為植物有性繁殖的初步階段，具有重要意義，而交配系統(tǒng)也是植物有性繁殖不可或缺的組成部分[6].花粉活力的大小與柱頭可授性的強(qiáng)弱，深刻地影響著植物授粉的成功率[7].因此，在雜交育種過程中，對(duì)花粉活力和柱頭可授性的測(cè)定非常必要.

目前關(guān)于植物繁育系統(tǒng)的研究大多集中在珍稀瀕危植物的保護(hù)性繁育[8-11]，觀賞性經(jīng)濟(jì)植物的培育研究等方面[12-15]，而關(guān)于燕麥的研究少見報(bào)道.本研究以川西北地區(qū)常見的燕麥品種“駿馬”、 “加燕2號(hào)”和“青海444”為對(duì)象，研究其花部特征，分析其繁育系統(tǒng)，評(píng)價(jià)合理的雜交組合，為燕麥的育種工作提供理論基礎(chǔ)和參考，也為進(jìn)一步研究川西北地區(qū)燕麥屬植物的有性繁殖特性積累資料.

1 材料與方法

1.1 材料

本次實(shí)驗(yàn)品種主要為“駿馬”，另有用作雜交的兩個(gè)品種，分別是“加燕2號(hào)”和“青海444”.田間實(shí)驗(yàn)于2019年5-9月在綿陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院人工氣候室試驗(yàn)田進(jìn)行，田間材料為試驗(yàn)田中長(zhǎng)勢(shì)一致、健壯無(wú)病蟲害的3個(gè)品種的燕麥.

1.2 方法

1.2.1 花部特征及開花動(dòng)態(tài)的觀察 觀察試驗(yàn)田燕麥的整體長(zhǎng)勢(shì)、單株燕麥生長(zhǎng)情況，抽穗后連續(xù)觀察其開花動(dòng)態(tài).主要觀察三個(gè)時(shí)期[16]，始花期：試驗(yàn)田中有5%以下的燕麥開花的時(shí)期；盛花期：試驗(yàn)田中有50%以上的燕麥開花的時(shí)期；謝花期：花朵凋謝，少于5%的燕麥在開花的時(shí)期；在燕麥小花完全開放時(shí)，剪下燕麥的整穗，觀察測(cè)量其花部特征、子房結(jié)構(gòu)等.

1.2.2 花粉活力的測(cè)定 采用TTC法[17]：將花藥中的花粉撒在載玻片上，加一滴0.5%TTC溶液，輕輕攪動(dòng)使之混勻后蓋上蓋玻片，置于25 ℃恒溫箱中，染色1.5 h后鏡檢.若花粉被染成紅色或深紅色則說明該花粉活力較強(qiáng)，呈淡紅或無(wú)色則表示花粉活力很弱或無(wú)活力.花粉活力=(被染成紅色的花粉數(shù)目/花粉粒總數(shù))×100%[18].

1.2.3 柱頭可授性 采用聯(lián)苯胺-過氧化氫法測(cè)定柱頭可授性[19].分別在同一天內(nèi)8:30，11:30，14:30，17:30采集燕麥花朵柱頭，將采集好的柱頭置于凹槽載玻片上，滴加聯(lián)苯胺-過氧化氫反應(yīng)液，在顯微鏡下觀察并拍照記錄.若柱頭具有可授性則反應(yīng)液呈藍(lán)色并有大量氣泡產(chǎn)生，根據(jù)氣泡的多少判斷柱頭可授性的強(qiáng)弱[19]: (1) “+++”表示柱頭可授性強(qiáng)，柱頭至少2/3部位呈現(xiàn)藍(lán)色并有大量氣泡出現(xiàn)；(2)“++”表示柱頭可授性較強(qiáng)，柱頭至少2/3部位呈現(xiàn)藍(lán)色并有較多氣泡出現(xiàn)，但比“+++”的少；(3)“+”表示柱頭具有可授性，柱頭可授性弱，氣泡數(shù)低于“++”，藍(lán)色不太明顯；(4)“+/-”表示部分柱頭具有可授性；(5)“-”表示柱頭不具有可授性.

1.2.4 雜交指數(shù)(OCI)的檢測(cè) 根據(jù)Dafni的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燕麥單花直徑等進(jìn)行測(cè)量[20]，觀察柱頭與花藥在空間上的相對(duì)位置以及它們是否接觸，從而計(jì)算出雜交指數(shù)并判斷繁育系統(tǒng)類型.

1.2.5 雜交實(shí)驗(yàn) 人工授粉實(shí)驗(yàn)于3個(gè)品種的盛花期進(jìn)行，挑選生長(zhǎng)健壯的主穗進(jìn)行實(shí)驗(yàn).授粉時(shí)的溫度為29 ℃.實(shí)驗(yàn)采用剪穎法進(jìn)行燕麥的雜交，包括選株、整序去雄、雄穗的準(zhǔn)備及套袋、授粉四個(gè)步驟[21].將“駿馬”分別作為父本和母本，與“青海444”、 “加燕2號(hào)”進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)結(jié)籽率.雜交組合分別是駿馬(父本)×加燕2號(hào)(母本)，加燕2號(hào)(父本)×駿馬(母本)，駿馬(父本)×青海444(母本)，青海444(父本)×駿馬(母本).

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用 One-way ANOVA 進(jìn)行單因素方差分析，Duncan 氏法進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05和0.01.所得結(jié)果均表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差.用Excel 2013 作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 花部特征及開花動(dòng)態(tài)

觀測(cè)結(jié)果表明，“駿馬”花期為6月中旬-7月上旬， 6月下旬進(jìn)入盛花期，整個(gè)花期為16 d；“加燕2號(hào)”花期為6月下旬-7月中旬，盛花期是7月上旬，花期長(zhǎng)20 d；“青海444”花期為6月中旬-7月初，盛花期是6月下旬，花期長(zhǎng)17 d.

如圖1所示，“駿馬”燕麥為圓錐花序，整穗上常有5～6個(gè)小穗，且均為有柄小穗，小穗基部著生1～2粒燕麥，其中有一粒飽滿.小穗軸著生一粒小穗，小穗柄長(zhǎng)在2～22 mm不等；具有穎片，且穎片具芒，穎片脈數(shù)多為8；具有稃片，內(nèi)稃2片，外稃2片.每個(gè)小穗有兩朵內(nèi)生小花，單花直徑約 3mm，雄蕊數(shù)為3～4個(gè)，花絲平均長(zhǎng)度約為7 mm左右，開花時(shí)花絲伸長(zhǎng)花藥裸露于穎外.子房有毛，子房一室，一胚珠，柱頭二分叉，呈羽毛狀，長(zhǎng)為2～3.5 mm.

“加燕2號(hào)”和“青海444”的花部特征與“駿馬”的花部特征極為相似，區(qū)別在于“加燕2號(hào)”整穗上常有8個(gè)小穗，小穗基部著生1～6粒燕麥不等，其中常有3粒飽滿，而“青海444”整穗上常有5～6個(gè)小穗，小穗基部著生1～6個(gè)籽粒，其中常有2粒飽滿.

圖1 “駿馬”的花部特征Fig.1 Floral Syndrome of the Oat Variety "Junma"A “駿馬”小穗特征；B “駿馬”子房縱剖

2.2 花粉活力

花粉活力在1 d內(nèi)不同時(shí)間段具有不同的變化(表1).由圖中可看出，駿馬的花粉活力表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，加燕2號(hào)的花粉活力趨勢(shì)與駿馬相反，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，而青海444則呈現(xiàn)中午時(shí)段偏高的單峰曲線趨勢(shì)，駿馬在下午17∶30左右其花粉活力最強(qiáng)，達(dá)62.94%，與其他三個(gè)時(shí)間段花粉活力差異極顯著(P<0.01).加燕2號(hào)在上午8：30時(shí)花粉活力最強(qiáng)，為60.81%，其余時(shí)間段花粉活力差異不顯著(P>0.05).青海444則是在中午11∶30左右花粉活力最強(qiáng)，可達(dá)91.36%.綜上可知，駿馬的授粉最佳時(shí)期為下午17∶30左右，加燕2號(hào)最佳授粉時(shí)期為上午8∶30，青海444最佳授粉時(shí)間是中午11∶30左右.

2.3 柱頭可授性

在8∶30，11∶30，14∶30和17∶30時(shí)，三個(gè)燕麥品種的柱頭可授性有明顯變化(表2).加燕2號(hào)的柱頭可授性在8∶30-11∶30的時(shí)間段最強(qiáng)，隨著花開放時(shí)間的延長(zhǎng)，柱頭可授性逐漸減弱.駿馬的柱頭可授性在14∶30-17∶30的時(shí)間段較強(qiáng)(圖2).青海444的柱頭可授性在11∶30-14∶30的時(shí)間段最強(qiáng).

圖2 不同時(shí)間段燕麥品種駿馬的柱頭可授性Fig.2 Stigma Receptivity of Oat Variety "Junma" in Different Time Periods

2.4 雜交指數(shù)

從駿馬、加燕2號(hào)和青海444的雜交指數(shù)中可以看出(表3)，駿馬的單花花朵直徑為 3 mm，記為2.花藥開裂時(shí)間與柱頭可授性時(shí)間不一致，雌蕊先熟，記為0.柱頭和花藥近等高，記為 0.總計(jì)駿馬的雜交指數(shù)為 2.同理，加燕2號(hào)和青海444的雜交指數(shù)也為 2.按照 Dafni[20]的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知三種燕麥的繁育系統(tǒng)均為兼性自交型.

表3 三個(gè)燕麥品種的雜交指數(shù)(OCI)Tab.3 Overcrossing Index (OCI) of Three Oat Varieties

2.5 雜交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)花粉活力與柱頭可授性分析，以駿馬為母本的最佳授粉時(shí)間是下午17∶30左右，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)青海444的花粉活力最強(qiáng)，以其作為父本進(jìn)行雜交的組合成功的可能性更高；同理，以加燕2號(hào)為母本的最佳授粉時(shí)間是上午8∶30左右，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)駿馬作為父本的花粉活力最強(qiáng)；以青海444為母本的最佳授粉時(shí)間是中午11:30左右，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)加燕2號(hào)作為父本的花粉活力最強(qiáng).故后續(xù)重點(diǎn)觀測(cè)雜交組(♀×♂)駿馬×青海444、加燕2號(hào)×駿馬、青海444×加燕2號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由表可知，雜交組合加燕2號(hào)×駿馬的坐果率為1.39%，其他雜交組的坐果率均為0.

3 討論

植物的繁育器官對(duì)植物的交配系統(tǒng)有重要影響.花的形態(tài)特征、花期長(zhǎng)短、柱頭形狀等因素在植物的繁殖過程中占有重要地位.皮燕麥的花期一般在11～22 d[22]，本實(shí)驗(yàn)觀察駿馬的花期為16 d，青海444的花期為17 d，加燕2號(hào)的花期最長(zhǎng)，為20 d，三種燕麥的花期均比野燕麥的花期24 d為短[18]，但卻較“哈爾滿”、“永久122”花期13 d為長(zhǎng)[23].花期長(zhǎng)有利于燕麥進(jìn)行生殖繁育.加燕2號(hào)生育期較駿馬和青海444長(zhǎng)，說明做母本較好，加燕2號(hào)與駿馬的雜交率相對(duì)較好說明了這一點(diǎn).

駿馬的柱頭二分叉，呈羽毛狀，這也是多數(shù)禾本科植物柱頭的特點(diǎn)[24].這樣的柱頭有利于黏著空氣中的花粉，能借助柱頭伸長(zhǎng)過程中散布的花粉進(jìn)行同花序自花授粉.花粉活力代表了雄配子體在花粉管中的生長(zhǎng)能力，花粉活力越強(qiáng)，授粉成功的可能性越高.柱頭可授性能在很大程度上影響自花傳粉率和開花不同階段的傳粉成功率.只有植物花粉活力和柱頭可授性同步時(shí)才有成功受精的機(jī)會(huì)[25].有研究表明，一天內(nèi)不同時(shí)間段，花粉活力和柱頭可授性強(qiáng)弱可能不同，適合授粉的時(shí)間也就不同[25-26].本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)駿馬在下午的花粉活力強(qiáng)，柱頭可授性強(qiáng)；加燕2號(hào)上午時(shí)段花粉活力和柱頭可授性強(qiáng)，青海444則是中午時(shí)段的花粉活力和柱頭可授性較強(qiáng).說明不同燕麥品種適合雜交的時(shí)間不同，這可能與不同時(shí)間段的溫度有關(guān).

在自然界中，并不是所有的花都能授粉成功并結(jié)實(shí)，植物能否授粉成功影響其坐果率的高低，導(dǎo)致植物坐果率低有很多因素，如花粉限制、資源限制等等[27].重樓屬多葉重樓等7種植物的柱頭可授性和花粉活力呈正相關(guān)關(guān)系，在自然界中存活率高，而其中卷瓣重樓柱頭可授性和花粉較強(qiáng)期不重疊，是導(dǎo)致其瀕危的重要原因之一[28].本實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)組合坐果率低甚至沒有坐果率，可能是由于加燕2號(hào)與駿馬和青海444的盛花期相差了7～8 d，花期不遇導(dǎo)致在人工授粉實(shí)驗(yàn)時(shí)，加燕2號(hào)花粉活力和柱頭可授性均較低，使得難以成功授粉，從而影響了坐果率.而當(dāng)駿馬柱頭可授性高時(shí)，青海444的花粉活力卻相對(duì)較低，從而導(dǎo)致以駿馬為母本，青海444為父本的這一組合授粉不易成功，坐果率低.

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)的三種皮燕麥，雜交指數(shù)(OCI)均為2，繁育系統(tǒng)類型為兼性自交型.三個(gè)品種的花期不同，但在不同的時(shí)間條件下，花粉活力強(qiáng)時(shí)，柱頭可授性也都較強(qiáng).實(shí)驗(yàn)的雜交組合中，以加燕2號(hào)為母本，駿馬為父本的雜交組合最優(yōu).說明為保證較好的雜交育種效果，應(yīng)選擇花粉活力強(qiáng)，柱頭可授性強(qiáng)，且活性表現(xiàn)時(shí)間一致的燕麥品種作為親本材料.此外，不同燕麥花粉活力和柱頭可授性表現(xiàn)較強(qiáng)時(shí)的時(shí)間段不同，但溫度可能相似(如8∶30和17∶30的自然溫度較為接近).因此，尚需確定不同溫度對(duì)花粉活力和柱頭可授性的影響，以望為大田生產(chǎn)中，按照溫度的影響來進(jìn)行育種選種及栽培配置，以及新品種的推廣提供參考.