旱金蓮自交親和性初步研究

馬 坤,龔 靜,苗 辰,袁 瑗

(上海市農業科學院設施園藝研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海 201106)

旱金蓮(Tropaeolum majusL.)隸屬于雙子葉植物綱旱金蓮科旱金蓮屬,是快速生長的一年生植物。其葉形如碗蓮,單花形狀奇特,單花期4—7 d,全株可同時開出幾十朵花,是園林中重要的夏季觀賞花卉。旱金蓮原產于秘魯和玻利維亞,后于南美洲、北美洲和次大陸中被發現[ 1],因葉和花中所含的硫代葡萄糖苷具有胡椒味道,常被用于制作沙拉和三明治[ 2]。 除硫代葡萄糖苷外,旱金蓮葉和花中亦富含有益健康的藥用成分[ 3],如高于普通葉菜類的蘆丁(維生素P)抗氧化劑等。 據報道,旱金蓮中的異硫氰酸芐酯、綠原酸和黃酮等具有抑菌、愈合傷口、抗壞血病和抗癌的作用,可用于治療上呼吸道感染(支氣管炎、扁桃體炎)、泌尿道感染、心血管疾病和便秘等[ 1,4-5]。 在美容學和皮膚病學領域,學者們發現旱金蓮亦可外用治療頭發、指甲和皮膚疾病(如頭皮屑)以及輕中度燒傷和皮疹等[ 5]。 因此,旱金蓮作為集觀賞、食用與藥用于一身的功能草本植物,具有重要的經濟價值和廣闊的商業前景。

自交不親和是植物預防近親繁殖和保持遺傳變異的重要機制,但嚴重影響了雜交育種的進程[ 6]。 提高自交不親和材料的自交親和性,可以提高材料的自交效果,便于選育優良自交系,組配優良雜交種,對植物生殖生物學研究具有重要意義[ 7]。 目前,國內對旱金蓮品種的選育及種植栽培技術研究較少,國內外暫無學者對旱金蓮的自交親和性狀況進行詳細研究和報道。 上海市農業科學院近年來從英國引進多個旱金蓮品種(系),在馴化改良過程中發現旱金蓮在自然自花授粉情況下,結實率極低,具有自交不親和性。 本試驗通過對上海市農業科學院自主選育的22 份旱金蓮材料的園藝性狀和自交親和性進行初步探索,研究旱金蓮在不同授粉方式下和不同花期授粉下,其自交親和指數的變化,以便獲得旱金蓮最佳授粉方式和最佳授粉時期,并挑選高自交親和性材料,為后續旱金蓮的種質創新和種質資源商品化繁育提供理論依據和物質基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和栽培方式

試驗材料為上海市農業科學院自主選育的22 份旱金蓮材料(編號H1—H22)。 試驗材料均為2013 年引自英國,后經高代自交(F6)、分離、提純和馴化選育獲得。

試驗材料均種植于上海市農業科學院莊行試驗站的保護地中,采用保護地越冬栽培種植模式,于2021 年9 月中旬育苗、10 月中旬定植(苗齡30 d),栽培方式為花盆種植和田間種植兩種方式。

1.2 園藝性狀

于成熟期對22 份旱金蓮材料的葉色、葉緣、莖色、花冠顏色、花冠下部顏色、主蔓長度、分枝數及始花期進行調查記錄。

1.3 旱金蓮不同自交授粉方式

自然自花授粉:每個品系選擇長勢健壯、枝量和花序量相當的單株各3—4 株,用紙袋將旱金蓮花朵單獨套袋。 從含蕾期后期開始,持續觀察結實情況,并記錄。

自然同株異花授粉:每個品系選擇生長健壯、枝量和花序量相當的單株各3—4 株,用紗網袋整株套袋。 從含蕾期后期開始,持續觀察結實情況,并記錄。

人工同株異花授粉:每個品系選擇生長健壯、枝量和花序量相當的單株各3—4 株,從含蕾期后期開始,用紙袋將旱金蓮花朵單獨套袋。 花開后揭開紙袋,對其進行授粉,重新套袋。 持續觀察結實情況,并記錄。

1.4 結實率和自交親和性指數

結實率=結實花朵數∕授粉花朵數×100%;自交親和指數=結籽數∕自交花數。

所有組別的比較分析均通過單因素方差分析的事后多重檢驗(One-way ANOVA-Tukey 多重比較檢驗)或t-test 進行。 自交親和指數≥1.00,品系為自交親和;自交親和指數＜1.00,品系為自交不親和[ 8-9]。

2 結果與分析

2.1 旱金蓮品系的園藝性狀

如表1 所示,22 份旱金蓮材料的葉色可分為深綠、綠和黃綠3 種,分別占比27.27%、36.36% 和36.36%;葉片邊緣主要為淺裂,占比86.36%;莖色可分為淺紫紅、紫紅、綠、青白和青綠5 種,其中淺紫紅占比最高,為45.45%;花冠及花冠下部顏色則更加豐富多樣。 根據藤蔓長度,22 份旱金蓮材料可分成4 類:7 個極長蔓、8 個長蔓、6 個中蔓和1 個短蔓。 不同旱金蓮材料的分枝數也不同,擁有少量分枝的占比為22.73%,擁有較多分枝的占比為31.80%,擁有中等數量分枝的占比為40.91%。 通過調查與早熟性狀相關的始花期,發現9 份旱金蓮材料的始花期在100 d 以內,6 份材料的始花期在100—150 d,剩余7 份材料的始花期在150—200 d。

表1 22 份旱金蓮材料的園藝性狀Table 1 Horticultural traits of 22 nasturtium materials

2.2 不同自交授粉方式對旱金蓮自交親和性的影響

以盆栽種植的旱金蓮H3 為例,其在自然自花授粉(ZH)方式下,自交親和指數約等于0;在自然同株異花授粉(ZZ)方式下,自交親和指數為0.32(小于1);在人工同株異花授粉(RZ)方式下,自交親和指數為1.41(大于1)。 可見,無論是自然自花授粉還是自然同株異花授粉,旱金蓮材料H3 的自交親和指數較低,表現為自交不親和。 在人工同株授粉環境下,H3 的自交親和指數顯著提高,因此人工同株異花授粉的方式可顯著提高旱金蓮的自交親和性。

2.3 不同花期自交授粉對旱金蓮自交親和性的影響

觀察旱金蓮的開花期,發現其開花期可分為兩個時期:開花Ⅰ期,開花前期雌蕊柱頭未分叉;開花Ⅱ期,開花后期雌蕊柱頭分叉(圖1)。 以盆栽旱金蓮H3 和H11 為例,根據開花期將每個品系分為3 組:自然同株異花授粉組(對照,ZZ)、于開花Ⅰ期授粉的人工同株異花授粉組(Ⅰ)和于開花Ⅱ期授粉的人工同株異花授粉組(Ⅱ)。 如圖2 所示,在人工同株異花授粉的情況下,無論是在開花Ⅰ期還是開花Ⅱ期授粉,旱金蓮的自交親和指數均高于自然同株異花授粉,表明人工同株異花授粉的方式可提高旱金蓮的自交親和性。 在開花Ⅱ期人工同株異花授粉下,H3 和H11 的自交親和指數相較于開花Ⅰ期人工同株異花授粉有明顯提高,表明在開花Ⅱ期對旱金蓮進行人工同株異花授粉可顯著提高旱金蓮的自交親和性。

圖1 旱金蓮開花期雌蕊柱頭形態Fig.1 Pistil stigma morphology of nasturtium at flowering stage

圖2 旱金蓮的自交親和指數Fig.2 Self-compatibility index of nasturtium

對田間種植的旱金蓮H3 和H11 研究發現(圖2),在隨機人工同株異花授粉(不分開花期)情況下,H3 和H11 的自交親和指數均低于開花Ⅱ期人工同株異花授粉情況下的自交親和指數,再次證明于開花Ⅱ期對旱金蓮進行人工自交授粉可提高旱金蓮的自交親和性。

2.4 22 份旱金蓮材料的自交親和性研究

在人工同株異花授粉方式下,于開花Ⅱ期對田間種植的22 份旱金蓮材料的自交親和性進行統計,結果表明:22 份旱金蓮材料的自交親和指數不同,差異較大,其中H21 的自交親和指數最低(0.15),H3 的自交親和指數最高(1.41),表明旱金蓮自交親和性多樣且豐富(表2)。 對參試旱金蓮材料的自交親和性進行聚類分析(組間連接法),發現22 份材料可分為5 組(圖3):第Ⅰ組包含7 份材料,自交親和指數在0.9—1.09;第Ⅱ組包含6份材料,自交親和指數在0.7—0.82;第Ⅲ組包含3 份材料,自交親和指數在0.53—0.64;第Ⅳ組包含3 份材料,自交親和指數在1.36—1.41;第Ⅴ組包含3 份材料,自交親和指數在0.15—0.25。

圖3 22 份旱金蓮材料自交親和指數聚類分析Fig.3 Cluster analysis of self-compatibility index of 22 nasturtium materials

表2 22 份旱金蓮材料的結實率和自交親和指數Table 2 Seed setting rate and self-compatibility index of 22 nasturtium materials

此外,試驗還對22 份旱金蓮材料的結實率進行了統計(表2),并與自交親和指數進行了相關性分析。除H3、H4、H6、H7 和H9 外,其他旱金蓮材料的結實率與自交親和指數具有較強相關性(|相關指數| ＞0.8),表明旱金蓮材料的結實率與自交親和指數具有普遍的相關性。

3 結論與討論

本研究對上海市農業科學院自主選育的22 份旱金蓮材料進行園藝性狀觀察,發現不同旱金蓮品系的葉色、葉緣、莖色、花冠顏色、花冠基部顏色、主蔓長度、分枝數及始花期差異較大,表明這22 個旱金蓮品系具有豐富的遺傳多樣性。

旱金蓮在自然自花授粉的情況下,具有自交不親和性,其原因在于旱金蓮雌蕊與雄蕊成熟時間不同[ 10]。 為了提高旱金蓮材料的自交效果,本試驗對22 份旱金蓮材料的自交親和性進行初步探索,發現人工同株異花授粉相較于自然自花授粉和自然同株異花授粉可以顯著提高旱金蓮的自交親和性。

本研究還發現,無論田間種植還是花盆種植,在開花Ⅱ期對旱金蓮進行人工同株異花授粉可提升旱金蓮的自交親和性指數。 前期(開花Ⅰ期)自交親和性較低的原因可能與花柱發育不完全、可授性低有關。 此時花柱可能缺少花粉管生長所需的特異蛋白、離子或可增強柱頭黏著能力的柱頭分泌物[ 11-12]。 花柱發育成熟后,柱頭可授性增強,自交親和性逐漸增加。

對田間種植的22 份旱金蓮材料,于開花Ⅱ期進行人工同株異花授粉,發現不同材料自交親和指數不同,差異較大。 聚類分析可將其分為5 組,其中第Ⅰ組和第Ⅳ組的自交親和指數均大于0.9,屬于高自交親和性材料。 因此,該2 組(10 份)旱金蓮材料可作為后續育種所需的重要種質資源。 在小麥研究領域中,學者們多以結實率5%作為植株不育和可育的臨界值[ 13-14]。 本研究中,22 份旱金蓮材料最低結實率為7.58%(H21),均高于5%,因此無不育材料。

另外,相較于田間種植的旱金蓮H3 和H11,花盆種植的H3 和H11 的自交親和指數較低,可能與花盆的容積和盆壁有關。 盆栽旱金蓮植株受花盆盆壁的限制,根系生長受到阻礙,生長范圍較小,致使旱金蓮根部能吸收到的水分和肥料有限,根系生長較田間種植偏弱,進而可能導致自交親和指數偏低。 筆者認為,使用疏松肥沃、排水透氣性好的培養土,薄肥勤施,或有助于提高盆栽旱金蓮的結實率和自交親和指數。