有髯鳶尾系間遠緣雜交障礙研究

王詩婷 石安琪 范諸平 高亦珂 王鑫姿 李叢叢 張啟翔

(北京林業大學 園林學院,北京 100083)

有髯鳶尾(Bearded iris) 觀賞價值高,在園林和庭院綠化中應用廣泛。有髯鳶尾原產地歐洲中部和南部夏季少雨,而中國大部分地區屬于亞熱帶或溫帶季風氣候,夏季高溫多雨,栽培有髯鳶尾夏季易染病致死,嚴重影響其推廣及應用[1]。因此,解決有髯鳶尾夏季根腐問題是擴大其應用范圍的關鍵。

鳶尾屬內不同系間遠緣雜交可為有髯鳶尾引入其他鳶尾中適應夏季高溫高濕的特性,為提高其對高溫高濕的耐受性提供更大的潛力。但有髯鳶尾系間遠緣雜交存在嚴重障礙,人工雜交難以得到后代。將有髯鳶尾作父本與鳶尾(Iristectorumf.albaMakino)、黃菖蒲(IrispseudacorusL.)和西伯利亞鳶尾(IrissibiricaL.)雜交均未成功[2]。過去100余年的時間里,以有髯鳶尾作母本與鳶尾系間遠緣雜交共獲得Loptec[3]、Ariel-tec[4]、Flying Dragon[5]、Dragonscrest[6]和Paltec[7]這5個品種,但雜交過程不祥且品種真實性未得到驗證;同時這5個品種花部特征具有父本特點,垂瓣中央的髯毛表現為毛和鳶尾雞冠狀附屬物的結合。系間雜種的存在說明有髯鳶尾系間雜交存在可行性。此外,有研究利用原生質體融合技術獲得燕子花鳶尾類玉蟬花(Irisensata)和有髯鳶尾品種G1組培苗[8]。以往很難通過人工雜交獲得有髯鳶尾系間遠緣后代,因此,探索有髯鳶尾系間遠緣雜交障礙發生時期及克服方法是獲得有髯鳶尾系間遠緣雜交后代的關鍵。

本研究將有髯鳶尾與無根腐病的鳶尾和無髯類的西伯利亞鳶尾人工授粉,進行系間遠緣雜交,通過對花粉原位萌發和子房發育觀測,判斷不同組合遠緣雜交主要障礙,確定胚拯救時期;并利用胚拯救技術克服受精后障礙獲得鳶尾系間雜交幼苗,旨在為提高有髯鳶尾遠緣雜交效率,培育抗根腐病能力提高的有髯鳶尾新品系提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

雜交試驗材料栽培于國家花卉工程技術研究中心苗圃(40°09′ N,116°26′ E)。親本:‘白與黃’‘印度首領’‘音箱’及其雜交后代等有髯鳶尾、鳶尾和西伯利亞鳶尾。

1.2 試驗方法

1.2.1親本和雜交組合

設置4個雜交組合:有髯鳶尾與鳶尾正反交、有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾正反交,去雄人工授粉雜交。

1.2.2花粉原位萌發觀測

授粉后2、4、6、12、24、48 h,每組合取3個已授粉雌蕊,使用卡諾固定液固定,置于70%酒精貯存。用0.1%水溶性苯胺藍染色,在熒光顯微鏡下觀測拍照。

1.2.3子房發育動態觀測

每組合隨機選取5個子房,授粉后每3 d觀測子房中部直徑,取平均值。

1.2.4子房坐果率統計

觀察4個系間遠緣雜交組合子房發育情況,授粉后5～7 d統計坐果率。

坐果率=(果實數/授粉花朵數)×100%

1.2.5胚拯救

授粉后持續觀察子房發育動態,當子房停止發育,將胚珠從子房中取出,接種至含MS+1 mg/L 6-BA+0.1 mg/L NAA和MS+0.1 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA的培養基中[9]。

2 結果與分析

2.1 花粉在柱頭上萌發的熒光觀察與雜交障礙分析

2.1.1有髯鳶尾與鳶尾正反交組合花粉萌發與花粉管生長狀況分析

以有髯鳶尾為母本,與鳶尾雜交后2～4 h,花粉大量萌發,花粉管伸長,出現扭曲盤繞現象(圖1(a));授粉后4～6 h,花粉管伸長至柱頭四分之一,柱頭上胼胝質現象明顯(圖1(b));授粉后6～12 h,花粉管伸長至柱頭底部,花粉管通道內可見大量胼胝質(圖1(c));授粉后48 h,少量花粉管順利到達胚珠(圖1(d))。以鳶尾為母本,與有髯鳶尾雜交后4～6 h,花粉粒大量萌發,花粉管伸長至柱頭二分之一處,并在柱頭表面彎折(圖1(e));授粉后6～12 h,花粉管伸長至柱頭底部(圖1(f));授粉后12～24 h,花粉管未到達胚珠(圖1(g));授粉后48 h,少數花粉管到達胚珠(圖1(h))。

(a)～(d)分別為有髯鳶尾‘1601’×鳶尾雜交授粉后4、6、12和48 h;(e)～(h)分別為鳶尾×有髯鳶尾雜交授粉后6、12、24和48 h。(a)-(d) are bearded iris ‘1601’×I. tectorum at 4,6,12 and 48 h after pollination,respectively;(e)-(h) are I. tectorum×bearded iris ‘1601’ at 6,12,24 and 48 h after pollination,respectively.

以有髯鳶尾為母本的組合花粉于授粉后2～4 h萌發,萌發時間比反交組合早,但花粉管前期生長速度相較而言較慢,2個組合授粉后48 h均有少量花粉管到達胚珠。二者均存在一定受精前障礙,分別在授粉后2～4與4～6 h出現,表現為花粉管異常行為和胼胝質反應。

2.1.2有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾正反交組合花粉萌發與花粉管生長狀況分析

以有髯鳶尾為母本,與西伯利亞鳶尾雜交后2 h,部分花粉粒萌發,花粉管在柱頭表面彎折(圖2(a));授粉后6 h,花粉管伸長至柱頭三分之一,柱頭上可見明顯胼胝質現象(圖2(b));授粉后12 h,花粉管伸長至柱頭底部,但花粉管曲折明顯(圖2(c));授粉后48 h,未見花粉管伸入胚珠(圖2(d))。以西伯利亞鳶尾為母本,與有髯鳶尾雜交后2 h花粉粒萌發,花粉管伸長并在柱頭表面彎折纏繞(圖2(e));授粉后12 h,花粉管伸長至柱頭二分之一處,并出現反向生長現象(圖2(f));授粉后24 h,花粉管到達柱頭底部,花粉管通道內胼胝質反應明顯(圖2(g));授粉后48 h,花粉管到達胚珠(圖2(h))。

(a)～(d)分別為有髯鳶尾×西伯利亞鳶尾雜交授粉后2、6、12和48 h;(e)～(h)分別為西伯利亞鳶尾×有髯鳶尾雜交授粉后2、12、24和48 h。(a)-(d) are bearded iris×I. sibirica at 2,6,12 and 48 h after pollination,respectively;(e)-(h) are I. sibirica×bearded iris at 2,12,24 and 48 h after pollination,respectively.

2個組合花粉均于授粉后2 h萌發,有髯鳶尾為母本的組合花粉管前期生長較其反交組合快,授粉后48 h僅觀察到西伯利亞鳶尾為母本的組合花粉管與胚珠結合。二者合子前障礙明顯,前者主要表現為花粉萌發率低、胼胝質反應及花粉管異常行為、生長停滯,后者主要表現為明顯胼胝質反應及花粉管異常行為。

2.2 不同有髯鳶尾遠緣雜交組合果實發育動態觀測

有髯鳶尾與鳶尾雜交組合中,以有髯鳶尾為母本時,膨大子房在授粉后3～12 d生長較快,12 d后生長速度變緩,21 d后子房停止生長,部分子房外壁發黃,下部皺縮;以鳶尾為母本時,子房在授粉后3～15 d生長迅速,24 d后子房停止生長(圖3)。有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾雜交組合中,以有髯鳶尾為母本時,子房生長速度緩慢,在授粉6 d后停止生長,枯黃衰亡;以西伯利亞鳶尾為母本時,觀察到子房在12 d后發黃脫落(圖3)。

圖3 有髯鳶尾系間不同雜交組合后代果實發育情況統計Fig.3 Statistics on fruit development of the offspring of different interseries crosses hybrids of Bearded iris

4個雜交組合中,以有髯鳶尾和鳶尾為親本的組合子房發育狀態較好,至24 d后停止發育,并出現大規模敗育(圖4);以有髯鳶尾和西伯利亞為親本的組合子房發育較差,早期出現敗育。

圖4 有髯鳶尾與鳶尾雜交后胚珠敗育Fig.4 Ovule abortion after crossing Bearded iris with I. tectorum

2.3 有髯鳶尾系間遠緣雜交組合坐果率

有髯鳶尾與鳶尾正反交組合坐果率為36.41%～42.35%,有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾正反交組合坐果率為1.81%～10.35%,前者坐果率高于后者。2個不同類型的系間雜交所有組合中,有髯鳶尾作父本時坐果率均高于其反交組合(表1)。

表1 有髯鳶尾系間遠緣雜交組合坐果率統計Table 1 Fruit setting rate statistics of distant hybridization combinations in interseries crosses in bearded iris

2.4 胚拯救

將胚珠接種至MS+1 mg/L 6-BA+0.1 mg/L NAA培養基中培養30 d后,有髯鳶尾×鳶尾雜交組合有5個胚珠萌發,鳶尾×有髯鳶尾雜交組合有3個胚珠萌發;繼續培養30 d獲得有髯鳶尾×鳶尾組培苗;鳶尾×有髯鳶尾愈傷組織仍保持綠色。在MS+0.1 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA培養基中,西伯利亞鳶尾×有髯鳶尾和鳶尾×有髯鳶尾組合有淺黃色愈傷組織生成,并繼續誘導形成組培苗。

3 討論與結論

鳶尾種間雜交中花粉及花粉管不親和行為包括花粉附著困難、萌發率低、花粉管的異常行為和胼胝質反應[10-12]。有髯鳶尾與鳶尾、西伯利亞鳶尾系間遠緣雜交組合中,除有髯鳶尾×西伯利亞鳶尾外,其余組合花粉管均可進入胚珠且均能坐果,說明各組合均能完成受精作用并生長發育,證明有髯鳶尾與飾冠鳶尾系間雜交及西伯利亞鳶尾×有髯鳶尾存在一定合子前障礙,但不是系間遠緣雜交的關鍵障礙。熒光觀察中有髯鳶尾×西伯利亞鳶尾花粉管未進入胚珠,且477個雜交個體里僅3個坐果,說明二者合子前障礙明顯,可嘗試通過提前授粉[10,13]和混合花粉授粉[14]等方式克服。

親緣關系與系間雜交親和性密切相關。有髯鳶尾與鳶尾正反交坐果率分別為36.41%和42.35%,有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾其正反交組合坐果率較低,分別為1.81%和10.35%。子房動態觀測表明,有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾雜交組合子房在授粉后早期敗育。因此,有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾遠緣雜交受精后障礙更明顯且發生的時期早。有研究表明,雜交親本親緣關系越近,雜交成功可能性越大[2]。有髯鳶尾與西伯利亞鳶尾遺傳關系較與鳶尾遠,與受精后胚胎發育早期停止密切相關。

胚拯救可克服遠緣雜交受精后障礙,獲得遠緣雜交的植株。利用胚拯救技術可獲得鳶尾屬遠緣雜交后代,如對燕子花(IrisleavigataFisch.)×玉蟬花(IrisensataThunb.)授粉后60 d的胚珠進行胚珠培養,成功獲得雜種后代[15];對黃菖蒲×喜鹽鳶尾子房進行培養,獲得膨大的胚珠并發育成種子[11]。動態觀測果實發育,可從形態上判斷胚珠敗育時期,以確定胚拯救時期[16]。有髯鳶尾×鳶尾、鳶尾×有髯鳶尾和西伯利亞鳶尾×有髯鳶尾最佳胚拯救時期分別為授粉21、24和12 d后。

有髯鳶尾與鳶尾、西伯利亞類鳶尾進行遠緣雜交,表明有髯鳶尾系間遠緣雜交親和性與親緣關系呈正相關。胚拯救技術有助于獲得有髯鳶尾系間遠緣雜交后代,從果實發育過程判斷胚珠敗育時期,尚需從胚胎學角度進一步研究。經嚴格人工授粉和套袋雜交獲得有髯鳶尾系間遠緣雜交后代,仍需進行核型分析進一步鑒定,為有髯鳶尾育種開拓新領域。