蕹菜開花特性和繁育系統初探

鄒琴 譚舒婷 黃亞 郭笑影 王新月 彭富星 陳雅維 艾辛

摘 ? ?要：為解決蕹菜品種間花期不遇、有性雜交困難的問題，通過對漁場蕹菜、泰國大葉蕹菜、汝城蕹菜和長沙藤蕹4個蕹菜親本的開花特性和繁育系統觀測和11 h?d-1短日照調控蕹菜品種的花期，并開展了蕹菜品種間有性雜交。結果表明，蕹菜自然光周期條件下現蕾期為8—11月份，刈割發芽后短日照誘導11～13 d現蕾，現蕾至開花11 d左右，單花開放時間約12 h；開花當天09：00—13：00花粉活力最高，11：00—13：00柱頭可授性最強；漁場蕹菜和長沙藤蕹花粉/胚珠比（P/O值）、雜交指數（OCI值）基本一致，但長沙藤蕹在控制授粉試驗中表現為自交不結實；花粉粒為球狀或帽狀，表面布滿尖刺；以籽蕹品種為母本的雜交結實率最高可達75.00%，結籽率高；長沙藤蕹為母本的雜交結實率最高可達6.00%，結籽率為0。綜合分析表明，蕹菜繁育系統傾向于異交混合交配型，11 h·d-1短日照處理可以實現蕹菜品種間花期相遇，蕹菜品種間雜交親和，但長沙藤蕹有可能喪失了結籽能力。

關鍵詞：蕹菜；光周期；花部特征；繁育系統；花粉活力；柱頭可授性；雜交育種

中圖分類號：S636.9 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）05-133-09

Preliminary study on flowering characteristics and breeding system of water spinach

ZOU Qin， TAN Shuting， HUANG Ya， GUO Xiaoying， WANG Xinyue， PENG Fuxing， CHEN Yawei， AI Xin

（Engineering Research Center for Horticultural Crop Germplasm Creation and New Variety Breeding， Ministry of Education/Key Laboratory for Vegetable Biology of Hunan Province/College of Horticulture， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， Hunan， China）

Abstract： In order to solve the problem of infertility during flowering period and difficulty in sexual hybridization among water spinach varieties， the flowering characteristics and breeding system of four water spinach parents， namely Yuchang water spinach， Thai water spinach with large leaves， Rucheng water spinach， Changsha vine water spinach were observed， and the flowering period between water spinach varieties was regulated by 11 h·d-1 short day light. Sexual hybridization research was also conducted among water spinach varieties. The results showed that under natural photoperiod conditions， the budding period of water spinach was from August to November. After cutting and sprouting， short day light induced budding for 11 to 13 days， and the budding period lasted for about 11 days until flowering， with a single flower opening time of about 12 hours. On the day of flowering， from 09：00 to 13：00， the pollen vitality was highest， and from 11：00 to 13：00， the stigma had the strongest receptivity. The P/O value and OCI value of Yuchang water spinach are basically the same as those of Changsha vine water spinach， but Changsha vine water spinach showed poor self pollination in the controlled pollination experiment. The pollen grains are spherical or cap shaped， with a surface covered with spikes. The hybrid seed setting rate using the seed water spinach variety as the maternal parent can reach to 75.00% ， with a high seed setting rate. The hybrid fruiting rate of Changsha vine water spinach as the female parent can reach to 6.00%， and the seed setting rate is 0. Based on comprehensive analysis， it can be concluded that the water spinach breeding system tends to be a hybrid mating type， and the 11 h·d-1 short day treatment can achieve the encounter of flowering periods among water spinach varieties. The hybridization between water spinach varieties is compatible， but Changsha vine water spinach may have lost its ability to bear seeds.

Key words： Water spinach; Photoperiod; Floral characteristics; Breeding system; Pollen vitality; Stigma acceptability; Hybrid breeding

蕹菜為旋花科番薯屬植物，原產中國，主要分布于我國南方各地，是夏秋季主要綠葉蔬菜[1]。蕹菜分為籽蕹和藤蕹，消費者認為藤蕹的口感好，但藤蕹屬于專性短日照植物[2]，因花期太晚不能結實，無法開展籽蕹與藤蕹的有性雜交育種，嚴重限制了蕹菜種質創新和新品種選育工作。深入了解植物的開花特性，準確判別植物的繁育系統類型，既是植物雜交選育的前提條件，也直接關系到授粉結實的成功率[3]。植物繁殖生物學研究主要涉及植物的開花特性、花粉活力和柱頭可授性測定、繁育系統的確定以及雜交育種體系的構建等，可為植物的有性生殖和種質資源的創新研究奠定基礎[4-6]。繁育系統是進化生物學研究中最活躍的領域，它代表了影響下一代有關性表達的特征總和[7]。蕹菜的開花生物學和繁育系統的研究目前還缺乏系統性的報道，筆者通過開展蕹菜開花特性和繁育系統的研究，人工調控光周期誘導蕹菜現蕾開花，調整藤蕹和籽蕹花期相遇，在盛花期了解蕹菜的開花特性和繁育系統，以期為有效開展蕹菜品種間雜交育種奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2023年7—9月在湖南農業大學金山實驗基地玻璃溫室和露地進行。

1.2 試驗材料及其栽培管理

試驗材料如表1所示。籽蕹品種播種后選擇1株健壯苗，待幼苗長大后用莖段進行扦插繁殖各40株，長沙藤蕹同樣選擇1株進行莖段扦插繁殖40株，生根后移栽，分露地盆栽和玻璃溫室內無土栽培槽種植，兩種種植方式每個品種各種植20株，每株掛上標明品種名稱的吊牌；露地盆栽的容器為35 cm的塑料盆，栽培槽寬90 cm，雙行栽培，行距30 cm，株距45 cm，栽培基質為購買的商品育苗基質。盆栽蕹菜放置在溫室外的空地上栽培，每隔3 d施1次0.6%水溶性大量元素肥（N、P、K質量比15∶15∶15），栽培槽內每隔15 d埋施15 g復合肥（N、P、K質量比15∶15∶15），水分管理根據天氣、基質水分含量和植株的生長情況及時補充。露地盆栽主要進行蕹菜開花生物學和繁育生物學試驗，玻璃溫室內采用光周期調控蕹菜的花期，主要開展蕹菜有性雜交工作。露地盆栽的蕹菜每隔20 d左右刈割1次。

1.3 開花生物學特性和花部結構特征

盆栽蕹菜在自然光周期條件下選擇10株進行花期觀測、花器官性狀的測定和繁育系統測定。玻璃溫室內種植的蕹菜于2022年7月19日統一刈割后進行11 h·d-1短日照處理（遮光），每個品種選擇10株，每天觀察并記錄蕹菜在人工調控短日照11 h·d-1條件下始蕾和始花所需天數。在盛花期時觀察并記錄植株花序結構特征、花蕾發育進程、開花動態和開花后不同時期的形態特征、單花花部結構特征、花柱類型，并拍照。隨機選擇開花前一天的花蕾，從上午9：00開始，每隔2 h觀測花藥狀態和散粉時間，持續觀測10 d。

觀測并記錄每花序的花數，每個品種隨機選取10朵完全開放的花朵，用直尺測量花序梗長、花柄長、花萼長、花冠筒長、花瓣長、花冠直徑、雌蕊長、雄蕊長，使用游標卡尺測量花序梗粗、花柄粗。觀測記錄柱頭顏色、柱頭形態、花柱類型和冠喉顏色。持續10 d觀測每個品種當天開放花的花柱類型，每個品種設置3個重復組，最后計算每品種每花柱類型的比率。

1.4 花粉/胚珠比（P/O）和雜交指數（OCI）估算

以溫室內種植的漁場蕹菜和長沙藤蕹作為試驗材料，各選取3朵花，取將要散粉的花藥，置于潔凈離心管內，每朵花分別制成2 mL花粉粒懸浮液。用移液槍吸取1 ?L于載玻片上，在光學顯微鏡下統計花粉量，每個視野中的花粉數不少于40粒，每朵花3次重復，觀察花粉數乘以2×103，取平均值計算單花花粉總量。在體視顯微鏡下用解剖針劃開心皮，觀察統計胚珠數。以單花的花粉總量除以胚珠數，得到花粉/胚珠比（P/O值）。依據Cruden[8]的標準，對蕹菜繁育系統進行判定。

以溫室內種植的漁場蕹菜和長沙藤蕹作為試驗材料，按照Dafni[9]的標準，對其進行雜交指數估算，以此判定蕹菜的繁育系統。

1.5 控制性授粉試驗

在自然光照條件下，選取長勢良好的漁場蕹菜15株，分別做以下處理：（1）不授粉，不套袋，檢測自然傳粉條件下的結實率；（2）不授粉，不去雄，套袋，檢測自花授粉能力；（3）去雄，人工異株授粉，套袋，檢測異交結實率；（4）去雄，人工同株授粉，套袋，檢測自交結實率；（5）去雄，不授粉，套袋，檢測有無融合生殖現象。每處理3株，統計每處理的平均處理花朵數、平均結實數和平均結實率，根據平均結實率判定蕹菜的繁育系統類型。

1.6 花粉粒形態和花粉活力檢測

取漁場蕹菜、泰國大葉蕹菜、汝城蕹菜和長沙藤蕹的花，采用荷蘭飛納臺式掃描電鏡進行蕹菜花粉粒結構的觀測。選取溫室內種植的漁場蕹菜和長沙藤蕹的花粉，用碘-碘化鉀染色法[10]、0.5%TTC染色法[11]、聯苯胺-甲萘酚染色法[12]、0.5%MTT法[13]在OLYMPUS金相顯微鏡下進行花粉活力的測定。采集開花前一天和開花當天09：00、11：00、13：00、15：00、17：00以及開花后一天17：00的花粉，取少許放在干燥潔凈的載玻片上，滴加反應液，待充分反應后蓋上蓋玻片后鏡檢，觀察花粉染色情況。每個品種選擇3朵即將開放的花蕾、開花當天的花和開花后一天的花，分別制作3張片子，每片取5個視野進行觀測，最后統計3朵花的平均染色率，代表花粉活力高低。

1.7 柱頭可授性測定

選取溫室內種植的盛花期的漁場蕹菜和長沙藤蕹花朵，將開花前一天和開花當天09：00、11：00、13：00、15：00、17：00以及開花后1 d 15：00的花蕾和花朵，用鑷子摘取柱頭浸入凹面載玻片中，將載玻片放入OLYMPUS金相顯微鏡下進行觀測。凹面載玻片含有聯苯胺-過氧化氫反應液[14]（V1%聯苯胺∶V3%過氧化氫∶V水＝4∶11∶22）溶液，柱頭周圍的反應液呈現藍色并有大量氣泡出現，氣泡越多說明柱頭的可授性越強，反之，則越弱。每個品種、每次測定選取5朵花蕾或已開放的花朵，3次重復；觀測并記錄每個樣品的柱頭冒泡情況。

1.8 雜交授粉試驗

在11 h·d-1光照條件下誘導蕹菜開花并實現花期相遇，以漁場蕹菜、泰國大葉蕹菜、汝城蕹菜作為母本，長沙藤蕹作為父本進行人工去雄雜交。隨后又以漁場蕹菜和長沙藤蕹的雜交子一代作為母本，漁場蕹菜和長沙藤蕹分別作為父本進行回交。在開花前一天下午15：00－17：00對花藥未裂開的花蕾去雄后進行套袋處理，在開花當天09：00－10：00授粉，授粉后將授粉花的花冠輕捻閉合，使之不受其他花粉干擾。每雜交組合設置3次重復，授粉后記錄授粉數、授粉日期，記錄結實數，計算3次重復的平均授粉數、平均結實數和平均結實率。

1.9 數據處理

利用Excel 2019進行原始數據的統計和平均值的計算以及相關圖表制作，利用SPSS 26.0數據分析軟件中的單因素ANOVA進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 蕹菜花部結構的差異

蕹菜花為聚傘花序，每花序具1～6朵花，苞片小鱗片狀，花梗無毛；萼片近于等長，卵形，頂端鈍，具小短尖頭，外面無毛；花瓣為連瓣花，呈漏斗狀；花冠為白色，冠喉顏色有白色、紫色，每花中有5個雄蕊，不等長，3短2長；花絲基部被毛，子房圓錐狀，無毛（圖1）。

根據花柱與花藥的位置分為長花柱花、短花柱花、等長花柱花3種類型（表2，圖1），在觀測的蕹菜品種中，發現只有泰國大葉蕹菜和汝城蕹菜有3種花柱類型共存的現象，而漁場蕹菜和長沙藤蕹只有長花柱類型的花。品種間花朵的大小有明顯差異（表3），泰國大葉蕹菜和漁場蕹菜花朵大，花冠直徑達6.01 cm，長沙藤蕹花朵小，花冠直徑3.35 cm，而汝城蕹菜花朵大小居于兩者之間，花冠直徑4.87 cm。蕹菜冠喉顏色除長沙藤蕹為紫色外，其他3個品種都是白色。柱頭顏色在長沙藤蕹中出現紫色和白色，而其他3個品種都是白色。

2.2 不同光周期條件下蕹菜的開花特性比較

在自然光周期條件下，蕹菜現蕾日期在品種間有很大差異（表4），漁場蕹菜和汝城蕹菜現蕾期在9月份，泰國大葉蕹菜10月份現蕾，而長沙藤蕹11月份現蕾，品種間現蕾期最近的相隔11 d，最遠的相隔64 d。蕹菜現蕾至開花歷經11 d左右。天氣晴朗時，在09：00后蕹菜花處于完全開放狀態。在人工11 h·d-1短日照調控下，蕹菜始蕾和始花所需天數如表4所示，不同品種蕹菜幼苗從接受短日照開始至現蕾所需時間差異不大，多數植株短日照處理后10～13 d，蕹菜現蕾至開花歷經12 d（圖2）。蕹菜開花12 h后花冠便全部向內皺縮，在開花2 d花冠皺縮處會出現局部枯萎現象，在開花3 d花瓣呈完全枯萎皺縮狀態。在玻璃溫室內，天氣晴朗時，白天溫度32～42 ℃，蕹菜05：00～06：00開花，07：00后蕹菜花全部處于完全開放狀態；天氣陰冷時，白天溫度21～25 ℃，蕹菜09：00左右開花，09：30左右花完全開放。汝城蕹菜花無論晴天還是陰天都比其他品種開花較晚，即便天氣晴朗時，也要11：00左右才處于完全開放狀態。蕹菜在開花前一天13：00有少許花藥微微裂開，不散粉。在15：00花藥全部裂開，有少許濕潤花粉暴露在花藥裂口處。在17：00有輕微散粉，花粉處于濕潤狀態。

2.3 花粉形態、花粉活力和柱頭可授性測定

蕹菜花粉粒表觀呈球形狀、帽子狀，均布滿尖刺。長寬度均勻，長/寬度99.2～117 μm，高度50.1～86.7 μm（圖3）。

漁場蕹菜和長沙藤蕹的花粉和柱頭顯微觀察結果如圖4所示。采用的碘-碘化鉀染色法處理花粉均沒有染色，而后采用TTC染色法效果也不理想，只有少量花粉被染色（未在圖中顯示）。使用聯苯胺-甲萘酚染色法和MTT法染色效果明顯，染色快且兩種方法染色結果一致。前者花粉被染成紅色或粉紅色，后者花粉被染成深紫色或紫色。花粉活力和柱頭可授性檢測結果表明，蕹菜在開花前一天至開花當天，花粉活力都特別高，在開花當天17：00花粉活力顯著下降。開花當天11：00－13：00柱頭表面冒泡最多，可授性最強；而開花后一天柱頭出現褐化萎蔫并有破損現象，不具可授性（表5）。

2.4 P/O值和OCI值估算

以漁場蕹菜和長沙藤蕹為觀測對象，對花粉量和胚珠數進行顯微觀察，求得漁場蕹菜花粉量的平均值為5.08×105，胚珠數為4，P/O值為1.27×105。長沙藤蕹花粉量的平均值為3.94×105，胚珠數為4，P/O值為9.9×104。根據Crunden關于繁育系統的判斷標準，漁場蕹菜和長沙藤蕹的繁育系統為專性異交型。

根據Dafni的方法對2種蕹菜的雜交指數進行測量。漁場蕹菜花朵直徑平均值為6.01 cm，大于6 mm，記為3，長沙藤蕹花朵直徑平均值為3.35 cm，大于6 mm，記為3。在花藥還未開裂時，通過聯苯胺-過氧化氫溶液檢測該時期的柱頭具有可授性，因此漁場蕹菜和長沙藤蕹都是雌蕊先熟，記為0。漁場蕹菜和長沙藤蕹都為長柱花，柱頭和花藥不在同一位置，記為1。3者之和所得OCI值為4，由此判定漁場蕹菜和長沙藤蕹的繁育系統為部分自交親和，異交為主，需要傳粉者。

2.5 繁育系統的檢驗

通過自然和人工輔助授粉后，如表6所示，根據控制試驗可得出，漁場蕹菜無隔離自然開放授粉能夠結實，但結實率只有45.28%，可能是因為還處在高溫期且周邊缺少植被，訪花昆蟲少，因此授粉率低。套袋隔離人工異花授粉結實率為72.23%，顯著高于套袋隔離自然自花傳粉。去雄套袋處理的結實率為0，表明漁場蕹菜不存在無融合生殖現象。人工自花授粉的結實率為63.77%，說明漁場蕹菜不存在雜交不親和現象。綜合判斷漁場蕹菜的繁育系統為部分自交親和，異交需要傳粉者。長沙藤蕹通過人工調控光周期誘導開花后，在開放的玻璃溫室內進行授粉試驗，開放授粉不能結實，且隔離人工自花或異花授粉結實率極低，說明長沙藤蕹喪失了結實能力。

2.6 花期調控和品種間雜交結實率

有性雜交成功的前提是雜交親本的花期相遇，蕹菜是專性短日照植物，在11 h·d-1光周期處理13 d都能現蕾，蕹菜是隨生長持續現蕾開花的植物，花期都能相遇。以4種蕹菜互為父母本進行雜交；以漁場蕹菜和長沙藤蕹的雜交子一代作為母本，漁場蕹菜和長沙藤蕹分別作為父本進行回交，組成的雜交組合授粉、結實情況如表7所示。在籽蕹和藤蕹的雜交組合中，以長沙藤蕹為父本的雜交組合都能夠結實，收到雜種種子，汝城蕹菜和長沙藤蕹的雜交結實率達到75.00%，泰國大葉蕹菜與長沙藤蕹雜交結實率達到51.00%，漁場蕹菜與長沙藤蕹雜交結實率達到21.67%，說明籽蕹和藤蕹雜交是親和的，長沙藤蕹的花粉是可育的且有授粉活性。在回交組合中，漁場蕹菜作為父本的結實率比長沙藤蕹作為父本的結實率高，說明漁場蕹菜和長沙藤蕹的雜交一代與其母本雜交更為親和。所有以長沙藤蕹為母本的雜交組合的授粉成功率均極低，即使有少量授粉花朵可坐果，但果實在之后的發育過程中會凋亡脫落，不能收獲雜交種子，說明長沙藤蕹有可能喪失了結實能力。

3 討論與結論

3.1 蕹菜的雜交授粉技術

植物花粉活力高低和保持時間長短直接影響到植物傳粉和受精的成功率，不同的植物花粉活力和保持時間有巨大差異[15-16]，不同檢測方法的檢測效果也不一致[17]，尤其是花粉染色法在不同物種間的染色效果差異較大，找到適合的方法才能準確鑒定花粉活力。何瑞等[18]采用TTC染色法測定唐古特瑞香的花粉活力，各時期花粉均可染色，無法判定花粉活力；而丁仁翔等[19]采用TTC法測定綠榕蒿的花粉活力，卻效果顯著。筆者采用碘液染色和TTC染色的效果均不佳，聯苯胺-甲萘酚染色法和MTT法顯色明顯，準確且快速，重復的一致性好，適合蕹菜花粉活力的快速鑒定。試驗結果表明，蕹菜在開花前一天就具有了活力，但當天09：00—15：00花粉活力較高，且該時間段柱頭的可授性好，隨后花粉活力和柱頭可授性顯著降低，說明蕹菜的花粉屬于短壽命花粉，因此授粉工作適宜安排在開花當天09：00—13：00。不同品種在自然光周期條件下的現蕾開花期存在明顯差異，藤蕹屬于專性短日照植物，可以通過短日照誘導使對短日照要求嚴格的長沙藤蕹提早現蕾開花，與其他花期不同的籽蕹花期相遇，順利實現有性雜交。為避免發生自交現象，在蕹菜開花前一天的15：00前去雄后套袋，在開花當天上午授粉后捻花閉合花冠，防止外來花粉干擾，保證種子純度。

3.2 蕹菜的繁育系統和雜交育種體系構建

植物繁育系統具有多樣性，自然界很少有絕對自交或雜交的類群，大多是兩者兼有的混合交配模式[20]。過度的近交和遠交都會導致繁育系統適合度下降，中間程度的雜交即混合交配系統為最適交配方式[21]。本試驗結果表明，漁場蕹菜的P/O值和OCI值判定結果有所差異，前者為專性異交，后者為部分自交，以異交為主，可以判定其繁育系統也傾向于異交的混合交配型，而長沙藤蕹的P/O值和OCI值判定結果與漁場蕹菜一致，但在控制授粉試驗中表現為自交不親和。在控制授粉試驗中，在室外隔離條件下漁場蕹菜自然結實率超過20%，其原因可能是花藥裂開后，雖然花粉顆粒大且黏重，但等長花柱花的花藥與花柱緊挨在一起，即使是長花柱花和短花柱花的花藥和花柱的距離多數相距0.1～0.2 cm，最遠不超過0.5 cm，風吹動植株有可能將花粉風吹到了柱頭上完成受精，還可能因花粉量多，花藥裂開時的沖擊力使部分花粉飄散到柱頭上而授粉，同時也觀察到有螞蟻等昆蟲從植株基部鉆進網袋，到達花朵內部完成了傳粉工作。

3.3 長沙藤蕹不結實現象

自然界植物的繁殖方式具有多樣性，無論植物是有性繁殖還是無性繁殖，或既能有性繁殖又能無性繁殖，都是植物對環境適應的結果，在某些環境下無性繁殖策略更具有競爭力[22-23]。菊芋（Helianthus tuberosus）遮陰、澆水和施肥結實的研究結果表明了環境能夠影響植物在有性繁殖和無性繁殖之間的完全轉換[24]，有性繁殖與無性繁殖的轉換可能與限制性資源的分配有關，但不一定表現出完全的相關性[25]。園藝植物中的很多植物采用無性繁殖方式繁殖，如多數果樹，部分蔬菜如芋頭[26-27]、黃花菜[28]等都可以正常開花結實或通過人工誘導開花結實，這是人類基于保持品種優良性狀選擇的結果，無性繁殖可以避免優良性狀的分離，但也有少數無性繁殖的園藝植物則完全喪失了結實能力[29]。無性繁殖植物喪失有性生殖能力，其原因有染色體異常[30]、花粉發育異常導致的小孢子敗育[31]，營養生長與生殖生長的競爭[32]和不利環境條件導致的有性繁殖競爭失敗的長期積累[33-34]。長沙藤蕹是蕹菜中食用品質比較優良的品種，對短日照要求嚴格，在長沙地區因花芽分化期太晚而無法正常現蕾開花，生產上長期采用無性繁殖方式留種。長沙藤蕹在人工短日照誘導下能夠正常現蕾開花，但無論是自交、異交還是作為母本進行品種間雜交都結實失敗，但花粉可育有活性，作為父本給其他品種授粉有較高的結實率，因此長沙藤蕹結實失敗的原因不是雜交不親和雄性不育，而應該是雌性不育。雌性不育在很多作物中都有發現[35]，并對其機制進行了廣泛研究。長沙藤蕹雌性不育的原因可能是柱頭障礙、受精不良或栽培環境不能滿足授粉受精后種胚發育的要求，這種因不利生態因子導致的不能結實轉化為遺傳雌性不育而被固定下來，其確切的原因有待于進一步研究。

通過設置11 h·d-1短日照，實現了蕹菜品種間的花期相遇；在開花當天09：00—13：00適宜蕹菜授粉；蕹菜繁育系統傾向于異交混合交配型；蕹菜品種間雜交是親和的，長沙藤蕹的花粉是可育且有授粉活性的，但有可能喪失了結籽能力。

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